DE3326135A1 - Rotary transducer - Google Patents

Abstract

A rotary transducer is described for monitoring and controlling machines, which rotary transducer has a close, equidistant sequence 9 of Wiegand wires 10 and a separate sequence 20 of Wiegand wires 10, which are scanned by a magnetic reading head 4, on a driven rotor 2. The Wiegand pulses supplied from the reading head 4 allow the rotation speed of the rotor 2, the instantaneous rotor position and, at predetermined rotor positions, control commands for a connected machine to be derived. <IMAGE>

Description

Beschreibung:Description:

Die Erfindung geht aus von einem Zündgeber mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.The invention is based on an ignition generator with those specified in the preamble of claim 1 Features.

Wiegand-Drähte sind in ihrer Zusammensetzung homogene, ferromagnetische Drähte (z.B. aus einer Legierung von Eisen und Nickel, vorzugsweise 48 % Eisen und 52 % Nickel, oder aus einer Legierung von Eisen und Kobalt, oder aus einer Legierung von Eisen mit Kobalt und Nickel, oder aus einer Legierung von Kobalt mit Eisen und Vanadium, vorzugsweise 52 % Kobalt, 38 % Eisen und 10 % Vanadium), die infolge einer besonderen mechanischen und thermischen Behandlung einen weichmagnetischen Kern und einen hartmagnetischen Mantel besitzen, d.h.Wiegand wires are homogeneous, ferromagnetic wires in their composition (e.g. made of an alloy of iron and nickel, preferably 48 % iron and 52 % nickel, or an alloy of iron and cobalt, or an alloy of iron with cobalt and nickel, or from an alloy of cobalt with iron and vanadium, preferably 52 % cobalt, 38 % iron and 10% vanadium), which have a soft magnetic core and a hard magnetic jacket as a result of a special mechanical and thermal treatment, ie

der Mantel besitzt eine höhere Koerzitivkraft als der Kern. Wiegand-Drähte haben typisch eine Länge von 10 bis 50 mm, vorzugsweise von 20 bis 30 mm. Bringt man einen Wiegand-Draht, bei dem die Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Kerns mit der Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Mantels übereinstimmt, in ein äußeres Magnetfeld, dessen Richtung mit der Richtung der Drahtachse übereinstimmt, der Magnetisierungs richtung des Wiegand-Drahtes aber entgegengesetzt ist, dann wird bei Überschreiten einer Feldstärke von ca.the jacket has a higher coercive force than that Core. Wiegand wires typically have a length of 10 to 50 mm, preferably 20 to 30 mm. One brings a Wiegand wire in which the magnetization direction of the soft magnetic core matches the magnetization direction of the hard magnetic jacket coincides with an external magnetic field, the direction of which corresponds to the Direction of the wire axis coincides, but the direction of magnetization of the Wiegand wire is opposite, then when a field strength of approx.

16 A/cm die Magnetisierungsrichtung des weichen Kerns des Wiegand-Drahtes umgekehrt.16 A / cm reversed the direction of magnetization of the soft core of the Wiegand wire.

Diese Umkehrung wird auch als Rückstellung bezeichnet. ■ Bei erneuter Richtungsumkehr des äußeren MagnetfeldesThis reversal is also known as resetting. ■ If the direction of the external magnetic field is reversed again

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kehrt sich die Magnetisierungsrichtung des Kerns bei Überschreiten einer kritischen Feldstärke des äußeren Magnetfeldes (welche man als Zündfeldstärke bezeichnet) erneut um, sodaß der Kern und der Mantel wieder parallel magnetisiert sind. Diese Umkehrung der Magnetisierungsrichtung erfolgt sehr rasch und geht mit einer entsprechend starken Äußerung des magnetischen Kraftflusses pro Zeiteinheit einher (Wiegand-Effekt). Diese Änderung des Kraftflusses kann in einer Induktionswicklung, die als Sensorwicklung bezeichnet wird, einen kurzen und sehr hohen (je nach Windungszahl und Belastungswiderstand der Induktionsspüle bis zu ca. 12 Volt hohen) Spannungsimpuls induzieren (Wiegand- Impuls ).the direction of magnetization of the core is reversed when a critical field strength of the external one is exceeded Magnetic field (which is called the ignition field strength) again so that the core and the jacket are magnetized in parallel again. This reversal of the direction of magnetization takes place very quickly and goes with a correspondingly strong expression of the magnetic flux of force per unit of time (Wiegand effect). These The change in the flow of force can be brief in an induction winding, which is referred to as a sensor winding and very high (depending on the number of turns and load resistance of the induction sink up to approx. 12 volts) Induce voltage pulse (Wiegand pulse).

Auch beim Zurückstellen des Kerns wird in der Sensorwicklung ein Impuls erzeugt, allerdings mit wesentlich geringerer Amplitude und mit umgekehrtem Vorzeichen wie im Falle des Umklappens von der antiparallelen in die parallele Magnetisierungsrichtung. Liegt der Wiegand-Draht in einem Magnetfeld, dessen Richtung sich von Zeit zu Zeit umkehrt und welches so stark ist, daß es zuerst den Kern und danach auch den Mantel ummagnetisieren und jeweils bis.in die magnetische Sättigung bringen kann, so treten Wiegand-Impulse infolge des Umklappens der Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Kerns abwechselnd mit positiver und negativer Polarität auf und man spricht von symmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man Feldstärken von ca. -(80 bis 120 A/cm) bis +(80 bis 120A/cm).When the core is reset, it is also in the sensor winding a pulse is generated, but with a much lower amplitude and with the opposite sign as in the case of flipping the anti-parallel in the parallel direction of magnetization. If the Wiegand wire lies in a magnetic field, its direction changes reverses from time to time and which is so strong that it first re-magnetizes the core and then also the cladding and can bring up to magnetic saturation in each case, Wiegand impulses occur as a result of turning over the direction of magnetization of the soft magnetic core alternately with positive and negative polarity and one speaks of symmetrical excitation of the Wiegand wire. Field strengths are required for this from approx. - (80 to 120 A / cm) to + (80 to 120 A / cm).

Das Ummagnetisieren des Mantels erfolgt ebenfalls sprunghaft und führt ebenfalls zu einem Impuls in der Sensorwicklung, jedoch ist der Impuls wesentlich kleiner als der beim Umklappen des Kerns induzierte Impuls. 5The magnetic reversal of the jacket also occurs suddenly and also leads to a pulse in the Sensor winding, however, the impulse is much smaller than the impulse induced when the core is flipped over. 5

Wählt man jedoch als äußeres Magnetfeld ein solches, welches nur in der Lage ist, den weichen Kern, nicht aber den harten Mantel in seiner Magnetisierungsrichtung umzukehren, dann treten die hohen Wiegand- Impulse nur mit gleichbleibender Polarität auf und man spricht von asymmetrischer·Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man in der einen Richtung eine Feldstärke von wenigstens 16 A/cm (für die Rückstellung des Wiegand-Drahtes) um in der umgekehrten Richtung eine Feldstärke von ca. 80 bis 120 A/cm.However, if one chooses an external magnetic field that is only capable of the soft core, not but to reverse the hard jacket in its direction of magnetization, then the high Wiegand Pulses only with constant polarity and one speaks of asymmetrical excitation of the Wiegand wire. This requires a field strength of at least 16 A / cm in one direction (for the reset of the Wiegand wire) by a field strength of approx. 80 to 120 A / cm in the opposite direction.

Charakteristisch für den Wiegand-Effekt ist, daß die durch ihn erzeugten Impulse in Amplitude und Breite weitgehend unabhängig sind von der Änderungsgeschwindigkeit des äußeren Magnetfeldes und ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen.It is characteristic of the Wiegand effect that the through The amplitude and width of the generated pulses are largely independent of the rate of change of the external magnetic field and have a high signal-to-noise ratio.

Für die Erfindung geeignet sind auch anders aufgebaute bistabile magnetischen Elemente, wenn diese zwei magnetisch miteinander gekoppelte Bereiche von unterschiedlicher Härte (Koerzitivkraft) besitzen und in ähnlicher Weise wie Wiegand-Drähte durch induziertes, rasch erfolgendes Umklappen des weichmagnetischen Bereichs zur Impulserzeugung verwendet werden können. So ist zum Beispiel aus der DE-PS 25 14 131 ein bistabiler magnetischer SchaltkernAlso suitable for the invention are bistable magnetic elements of different construction if these two are magnetic have mutually coupled areas of different hardness (coercive force) and in a similar manner like Wiegand wires by induced, rapid flipping of the soft magnetic area to generate impulses can be used. For example, from DE-PS 25 14 131 a bistable magnetic switch core

in Gestalt eines Drahtes bekannt, der aus einem hartmagnetischen Kern (z.B. aus Nickel-Kobalt), aus einer darauf abgeschiedenen, elektrisch leitenden Zwischenschicht (z.B. aus Kupfer) und aus einer hierauf abgeschieden weichmagnetischen Schicht (z.B. aus Nickel-Eisen) besteht. Eine andere Variante verwendet zusätzlich einen Kern aus einem magentisch nicht leitenden metallischen Innenleiter (z.B. aus Beryllium-Kupfer), auf den dann die hartmagnetische Schicht, darauf die Zwischenschicht und darauf die weichmagnetische Schicht abgeschieden werden. Dieser bekannte bistabi Ie .magnetische Schaltkern erzeugt allerdings geringere Schaltimpulse als ein Wiegand-Draht.known in the form of a wire, which consists of a hard magnetic core (e.g. made of nickel-cobalt), from a Electrically conductive intermediate layer (e.g. made of copper) deposited on it and deposited on top of it soft magnetic layer (e.g. made of nickel-iron). Another variant also uses a core made of a magnetically non-conductive metallic inner conductor (e.g. made of beryllium copper) on the then the hard magnetic layer, on top of that the intermediate layer and on top of that the soft magnetic layer are deposited will. This known bistabi Ie .magnetische switching core, however, generates lower switching pulses than a Wiegand wire.

Ein Zündgeber gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist bekannt aus der Veröffentlichung von H.J. Gevatter und W.A. Merl "Der Wiegand-Draht, ein neuer magnetischer Sensor" in Regelungstechnische Praxis 22 (1980) 3, S. 81-85. Der bekannte Drehgeber besitzt einen Rotor mit zylindrischer Mantelfläche, an dessen Umfang eine Folge von äquidistanten Wiegand-Drähten angeordnet ist. Neben dem Rotor ist eine Abtasteinrichtung, bestehend aus einem Magnetsystem und aus einer Sensorwicklung, angeordnet. Bei Drehung des Rotors erzeugt ein jeder an der Abtasteinrichtung vorbeilaufende Wiegand-Draht einen elektrischen Spannungsimpuls (Wiegand-Impuls) in der Sensorwicklung. Ein solcher Drehgeber ist als Drehzahlimpulsgeber oder als inkrementaler Winkelcodierer verwendet worden. Häufig stellen sich aber bei der üb'erwachung und Steuerung von Maschinen komplexere Aufgaben_f An ignition generator according to the preamble of claim 1 is known from the publication by HJ Gevatter and WA Merl "Der Wiegand wire, a new magnetic sensor" in Regelstechnische Praxis 22 (1980) 3, pp. 81-85. The known rotary encoder has a rotor with a cylindrical outer surface, on the circumference of which a sequence of equidistant Wiegand wires is arranged. A scanning device consisting of a magnet system and a sensor winding is arranged next to the rotor. When the rotor rotates, each Wiegand wire passing the scanning device generates an electrical voltage pulse (Wiegand pulse) in the sensor winding. Such a rotary encoder has been used as a speed pulse encoder or as an incremental encoder. But often arise during the üb'erwachung and control of machines more complex tasks _f

die durch den bekannten Drehgeber nicht oder nicht befriedigend gelöst werden können,und zwar wird hier an Maschinen gedacht, die während eines sich wiederholenden Maschinenzyklus zu vorbestimmten Zeitpunkten innerhalb eines Maschinenzyklus vorbestimmte Arbeiten durchführen, wie es bei Verpackungsmaschinen, Abfüllmaschinen und bei Werkzeugmaschinen häufig der Fall ist. Die Überwachung und Steuerung dieser Maschinen erfordert i.d.R. neben der Bestimmung der Arbeitsgeschwindigkeit auch die ständige Überprüfung, an welcher Stelle des Maschinenzyklus sich die Maschine augenblicklich befindet (Monitoring), sowie die Erteilung von Steuerbefehlen in vorbestimmten Zeitpunkten des Maschinenzyklus. which cannot be solved or can not be solved satisfactorily by the known rotary encoder, namely here thought of machines that during a repetitive machine cycle at predetermined times Carry out predetermined work within a machine cycle, as is the case with packaging machines, filling machines and is often the case with machine tools. Monitoring and controlling these machines requires As a rule, in addition to determining the working speed, there is also constant checking at which Position of the machine cycle, the machine is currently located (monitoring), as well as the issuing of Control commands at predetermined times in the machine cycle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehgeber der eingangs genannten Art so fortzuentwickeln, daß er die vorstehend genannten Überwachungs- und Steuerungsaufgaben erfüllen kann.The invention is based on the object of further developing a rotary encoder of the type mentioned at the outset in such a way that that he can fulfill the above-mentioned monitoring and control tasks.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Drehgeber mit den ■ im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.This task is solved by a rotary encoder with the ■ in claim 1 specified features.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous further developments of the invention are the subject of the subclaims.

Der Rotor des erfindungsgemäßen Drehgebers ist dazu bestimmt, drehfest auf einer Welle der zu überwachenden Maschine befestigt zu werden, und zwar auf einer solchen Welle, welche im Verlauf eines vollständigen Maschinenzyklus eine vollständige Umdrehung vollführt. Dann istThe rotor of the rotary encoder according to the invention is intended to to be rotatably mounted on a shaft of the machine to be monitored, on such Wave, which in the course of a complete machine cycle completes one complete revolution. Then

nämlich die Drehzahl der Welle ein Maß für die Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine und die Stellung der Welle gibt in jedem Augenblick an, an welchem Punkt des Maschinenzyklus sich die Maschine momentan befindet. 5namely the speed of the shaft a measure of the working speed of the machine and the position of the shaft indicates at each moment at which point in the machine cycle the machine is currently located. 5

Die Drehzahl des Rotors wird in an sich bekannter Weise aus dem zeitlichen Abstand der Wiegand-Impulse ermittelt, welche durch das Vorbeilaufen der Wiegand-Drähte aus der ersten, dichten Folge von Wiegand-Drähten an der Abtasteinrichtung in deren Sensorwicklung erzeugt werden. Da die Wiegand-Drähte nur ca. 0,2 mm (typisch) dick sind, kann der Rotor mit einer außerordentlich dichten Folge von Wiegand-Drähten versehen werden. Der kleinst mögliche Abstand der Wiegand-Drähte wird begrenzt durch die Halbwertsbreite der Wiegand-Impulse (typisch 20 \is) in Verbindung mit der vorgegebenen Höchstdrehzahl des Rotors sowie ferner durch eine bei zu geringem Abstand einsetzende gegenseitige magnetische Beeinflussung benachbarter Wiegand-Drähte. Bei vorgewählter Dichte der Wiegand-Drähte hängt die Genauigkeit der Auflösung der Winkelstellung des Rotors bzw. der Welle der Maschine, auf welcher der Rotor befestigt ist, und damit auch die mögliche Auflösung des Maschinenzyklus in Einzelschritte von dem Durchmesser des Rotors ab.The speed of the rotor is determined in a manner known per se from the time interval between the Wiegand pulses, which are generated by the passing of the Wiegand wires from the first, dense sequence of Wiegand wires on the scanning device in its sensor winding. Since the Wiegand wires are only approx. 0.2 mm (typically) thick, the rotor can be provided with an extremely dense sequence of Wiegand wires. The smallest possible distance between the Wiegand wires is limited by the half-width of the Wiegand pulses (typically 20 \ is) in connection with the specified maximum speed of the rotor and also by a mutual magnetic influence between neighboring Wiegand wires when the distance is too small. With a preselected density of Wiegand wires, the accuracy of the resolution of the angular position of the rotor or the shaft of the machine on which the rotor is attached, and thus also the possible resolution of the machine cycle in individual steps, depends on the diameter of the rotor.

Der Durchmesser des Rotors ist deshalb an den jeweiligen Einsatzzweck und an das von der Maschine geforderte Auflösungsvermögen anzupassen.The diameter of the rotor is therefore dependent on the respective application and on what is required by the machine Adjust resolving power.

Die Feststellung, an welchem Punkt des Maschinenzyklus sich die Maschine augenblicklich befindet, ist ebenfalls mittels der ersten, dichten Folge von äquidistanten Wiegand-Dfähten möglich, indem - ausgehend von einer Referenzstellung des Rotors - die an der Abtasteinrichtung vorbei laufenden Wiegand-Drähte gezählt werden. Voraussetzung für eine einwandfreie Lagebestimmung ist allerdings, daß der Rotor zwischenzeitlich nicht seine Drehrichtung ändert. Eine Drehrichtungsänderung kann zwar ohne Schwierigkeiten festgestellt werden, wenn die Wiegand-Drähte durch die Abtasteinrichtung nicht asymmetrisch, sondern symmetrisch erregt werden, weil dann bei einem Wechsel der Drehrichtung die Wiegand-Impulse ihre Polarität ändern, doch besitzt der Drehgeber bei Drehrichtungsumkehr einen vom Abstand der Wiegand-Drähte und von der in Umfangsrichtung des Rotors gemessenen Ausdehnung der Magnetanordnung der Abtasteinrichtung abhängenden Totweg, um dessen Länge bei Drehrichtungsumkehr die Lagebestimmung des Rotors verfälscht wird.Determining at what point in the machine cycle the machine is currently located is also possible by means of the first, dense sequence of equidistant Wiegand-D lines by - starting from a Reference position of the rotor - the Wiegand wires passing the scanning device are counted. A prerequisite for a correct determination of the position is, however, that the rotor has not been in its position in the meantime Direction of rotation changes. A change in the direction of rotation can be determined without difficulty if the Wiegand wires are not excited asymmetrically, but symmetrically by the scanning device, because then with a Change of direction of rotation the Wiegand impulses change their polarity, but the encoder has a change in direction of rotation one measured from the distance of the Wiegand wires and from that in the circumferential direction of the rotor Expansion of the magnet arrangement of the scanning device dependent dead travel, by its length when the direction of rotation is reversed the determination of the position of the rotor is falsified.

Ein für die Lagebestimmung des Rotors benötigtes Referenzsignal, welches eine Referenzstellung des Rotors kennzeichnet, kann bei dem erfindungsgemäßen Drehgeber von einem der Wiegand-Drähte aus der zweiten Folge oder von einer Lücke in der sonst äquidistanten ersten Folge von Wiegand-Drähten abgeleitet werden. Diese .Lücke kann als Ausfall eines Wiegand-Impulses durch Vergleich der zeitlichen Abstände benachbarter Wiegand-Impulse leicht erkannt und bei der Lagebestimmung des Rotors als Korrektur berücksichtigt werden.A reference signal required for determining the position of the rotor, which is a reference position of the rotor identifies, can in the rotary encoder according to the invention from one of the Wiegand wires from the second sequence or from a gap in the otherwise equidistant first sequence of Wiegand wires. This gap can be called Failure of a Wiegand pulse easily recognized by comparing the time intervals between neighboring Wiegand pulses and taken into account as a correction when determining the position of the rotor.

Die Steuerbefehle für die verschiedenen im Verlauf eines Maschinenzyklus zu verrichtenden Arbeiten der Maschine . werden von der zweiten Folge von Wiegand-Drähten abgeleitet, welche in solchen Lagen auf dem Rotor angeordnet sind, daß die Wiegand-Impulse, welche die Steuerbefehle auslösen sollen, an den vorbestimmten Stellen des Maschinenzyklus auftreten. In der zweiten Folge von Wiegand-Drähten werden im Regelfall erheblich weniger Wiegand-Drähte vorhanden sein als in der ersten, dichten Folge, häufig sogar nur einige wenige Wiegand-Drähte, abhängig von der Zahl der Operationen, die während eines Maschinenzyklus auszuführen sind, und - in Einklang mit dem Arbeitsablauf der jeweiligen Maschine - werden die Wiegand-Drähte der zweiten Folge in den meisten Fällen nicht äquidistant angeordnet sein, sondern unterschiedliche Abstände aufweisen.The control commands for the various in the course of a Machine cycle work to be performed by the machine. are derived from the second series of Wiegand wires, which are arranged in such positions on the rotor that the Wiegand pulses, which the control commands should trigger, occur at the predetermined points of the machine cycle. In the second episode of As a rule, there will be considerably fewer Wiegand wires than in the first, dense one Sequence, often just a few Wiegand wires, depending on the number of operations that take place during one Machine cycle are to be executed, and - in accordance with the work flow of the respective machine - the Wiegand wires of the second sequence are in most cases not arranged equidistantly, but different Have clearances.

Der erfindungsgemäße Drehgeber erlaubt mithin zugleich eine Drehzahlmessung, eine Positionsbestimmung des Rotors und das Ableiten von Steuerimpulsen in vorbestimmten Rotorpositionen. Er ist bei alledem im Aufbau recht einfach und robust und zuverlässig in der Funktion.The rotary encoder according to the invention therefore allows at the same time a speed measurement, a position determination of the rotor and the derivation of control pulses in predetermined Rotor positions. With all of this it is quite simple in structure and robust and reliable in function.

Grundsätzlich kann der Rotor die Gestalt einer Scheibe besitzen, auf welcher die Wiegand-Drähte in radialer Ausrichtung angeordnet sind. Auf einem zylindrischen oder glockenförmigen Rotor von gleichem Durchmesser lassen sich aber in achsparalleler Ausrichtung mehr Wiegand-Drähte unterbringen, weshalb eine solche An-Ordnung bevorzugt wird, und zwar insbesondere in der Weise, daß die Wiegand-Drähte auf der Innenseite desIn principle, the rotor can have the shape of a disk on which the Wiegand wires in a radial direction Alignment are arranged. On a cylindrical or bell-shaped rotor of the same diameter but more Wiegand wires can be accommodated in an axially parallel alignment, which is why such an arrangement is preferred, in particular in such a way that the Wiegand wires on the inside of the

hohlzylindrischen oder glockenförmigen Rotors angeordnet sind, weil dann die Abtasteinrichtung im Innenraum des Rotors angeordnet werden kann (Anspruch 6); bei vorgegebenen Außenmaßen des Drehgebers kann der Rotor so einen erheblich größeren Durchmesser haben als bei Anordnung der Wiegand-Drähte auf seiner Außenseite, welches auch die Anordnung der Abtasteinrichtung auf der Außenseite des Rotors erfordern würde, wie es beim Stand der Technik üblich ist. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung gemäß Anspruch 6, insbesondere bei glockenförmigem Rotor, liegt darin, daß der Rotor die Wiegand-Drähte und die Abtasteinrichtung gegen mechanische, thermische, elektrische, magnetische und andere von außen herangetragene Einflüsse abschirmen kann.arranged hollow cylindrical or bell-shaped rotor are because then the scanning device can be arranged in the interior of the rotor (claim 6); at given External dimensions of the rotary encoder, the rotor can thus have a considerably larger diameter than in the case of an arrangement the Wiegand wires on its outside, which is also the arrangement of the scanning device on the outside of the rotor would require, as is common in the prior art. Another advantage of this arrangement according to Claim 6, especially in the case of a bell-shaped rotor, is that the rotor, the Wiegand wires and the Scanning device against mechanical, thermal, electrical, magnetic and other external influences can shield.

Wie bereits erwähnt, benötigt man wenigstens ein Referenzsignal, welches die Rotorstellung angibt. Ein solches Referenzsignal kann z.B. erzeugt werden durch eine Lücke in der dichten Folge von sonst äquidistanten Wiegand-Drähten. Eine Impulsauswerteschaltung kann z.B. mittels eines Rechners das. Ausbleiben eines Wiegand-Impulses in einer Folge von Wiegand-Impulsen erkennen und entsprechend bewerten. Von diesem einen Referenzsignal aus könnten die Zeitpunkte für alle Steuerbefehle innerhalb eines vollständigen Motorzyklus festgelegt werden. Größere Sicherheit und Genauigkeit erhält man jedoch, wenn man jedem Steuerbefehl ein eigenes Referenzsignal zuordnet, und zwar durch einen eigenen Wiegand-Draht in der zweiten Folge von Wiegand-Drähten.As already mentioned, you need at least one reference signal which indicates the rotor position. A such a reference signal can be generated e.g. a gap in the dense sequence of otherwise equidistant Wiegand wires. A pulse evaluation circuit can e.g. Detect the absence of a Wiegand pulse in a sequence of Wiegand pulses by means of a computer and rate accordingly. The times for all control commands could be based on this one reference signal can be set within a full engine cycle. However, greater certainty and accuracy is obtained if you assign a separate reference signal to each control command, through a separate Wiegand wire in the second series of Wiegand wires.

Dies ermöglicht es darüberhinaus, das Versagen einzelnerThis also makes it possible to prevent individual failures

Wiegand-Drähte, welches ein Referenzsignal an falscher Stelle vortäuschen könnte, zu erkennen, da bei einem eigenen Wiegand-Draht für jeden Steuerbefehl deren Abstand voneinander bekannt ist und durch die Zahl der dazwischen liegenden Wiegand-Drähte aus der ersten Folge eindeutig beschrieben werden kann. Bleibt ein Wiegand-Impuls vorzeitig aus, kann der Rechner dies als einen schadhaften Ausfall erkennen und rechnerisch kompensieren. Das Vorsehen von je einem Wiegand-Draht für jeden Steuerbefehl erhöht also die Redundanz des Drehgebers.Wiegand wires, which could simulate a reference signal in the wrong place, to be recognized, because with a own Wiegand wire for each control command whose distance from one another is known and by the number of Intermediate Wiegand wires from the first series can be clearly described. Stay in Wiegand impulse prematurely, the computer can recognize this as a defective failure and mathematically compensate. The provision of a Wiegand wire for each control command increases the redundancy of the Encoder.

Angesichts der zwei in Längsrichtung der Wiegand-Drähte nebeneinander angeordneten Folgen von Wiegand-Drähten wählt man den Aufbau der Abtasteinrichtung bevorzugt dergestalt, daß von den Wiegand-Drähten der beiden Folgen Wiegand-Impulse unterschiedlicher Polarität geliefert werden, sodaß man diese Impulse leicht voneinander unterscheiden kann (Anspruch 4). Alternativ, Vorzugsweise aber zusätzlich, kann man zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und Vielseitigkeit des Drehgebers in der sonst äquidistanten, dichten Folge von Wiegand-Drähten an jenen Stellen Lücken vorsehen, welche durch übereinstimmende Azimuthwinkel mit den einzelnen Wiegand-Drähten der zweiten Folge gekennzeichnet sind (Anspruch 3).In view of the two sequences of Wiegand wires arranged next to one another in the longitudinal direction of the Wiegand wires one chooses the structure of the scanning device preferably such that of the Wiegand wires of the two Follow Wiegand impulses of different polarity are delivered so that these impulses can be easily separated from each other can distinguish (claim 4). Alternatively, but preferably in addition, one can use to increase the reliability and the versatility of the rotary encoder in the otherwise equidistant, dense sequence of Wiegand wires Provide gaps at those points, which are caused by corresponding azimuth angles with the individual Wiegand wires of the second episode are characterized (claim 3).

Besonders einfach ist ein Rotoraufbau,bei welchem der Rotor, der vorzugsweise aus Aluminium oder dergl. nicht ferromagnetischem Material besteht, eine biegsame Trägerfolie, vorzugsweise aus thermoplastischem Kunststoff trägt, in welche die Wiegand-Drähte eingebettet sind. Vorzugsweise besitzt der Rotor eine Nut, in welcher ein solcher Trägerstreifen eingelegt und fixiert werden kann (Anspruch 5). ^ . ■*A rotor structure in which the rotor, which is preferably made of aluminum or the like. Non-ferromagnetic material, a flexible carrier film, preferably made of thermoplastic material, in which the Wiegand wires are embedded. The rotor preferably has a groove in which such a carrier strip can be inserted and fixed (claim 5). ^. ■ *

Der Aufbau einer geeigneten Abtasteinrichtung ist dem Fachmann geläufig. Ein bevorzugtes Beispiel des Drehgebers ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt.
5A person skilled in the art is familiar with the structure of a suitable scanning device. A preferred example of the rotary encoder is shown in the accompanying schematic drawings.
5

Figur 1 zeigt die Ansicht eines vertikal geschnittenen Drehgebers,Figure 1 shows the view of a vertically cut encoder,

Figur 2 zeigt eine Abwicklung der beiden Folgen von Wiegand-Drähten des DrehFigure 2 shows a development of the two sequences of Wiegand wires of the rotary

gebers aus Fig . 1 ,encoder from Fig. 1 ,

Figur 3 und 4 illustrieren den Aufbau eines Lesekopfes für den Drehgeber aus Fig·. 1 , und dieFIGS. 3 and 4 illustrate the structure of a read head for the rotary encoder from FIG. 1 , and the

Figur 5a,5b und 6 sind Darstellungen eines besondersFigures 5a, 5b and 6 are representations of a particular one

geeigneten Lesekopfes für den in Fig. 1 und 2 dargestellten·Drehgebersuitable read head for the rotary encoder shown in FIGS. 1 and 2

. anstelle des in den Fig. 3 und 4. instead of that in FIGS. 3 and 4

dargestellten Lesekopfes.shown reading head.

Einander entsprechende Bauteile in den verschiedenen Figuren sind mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Corresponding components in the various figures are denoted by the same reference numbers.

Der in Fig. 1 bis 4 dargestellte Drehgeber ist in einem Gehäuse 1 untergebracht, in welches von einer Seite her, in der Darstellung der Fig. 1 von unten her.eine von einer zu überwachenden Maschine angetriebene Welle 3 hineinführt, auf deren Ende ein glockenförmiger RotorThe rotary encoder shown in Fig. 1 to 4 is housed in a housing 1, in which from one side, In the illustration of FIG. 1 from below, a shaft 3 driven by a machine to be monitored leads into it, on the end of which a bell-shaped rotor

aus Aluminium mit seiner Rotorwelle 7, die zu Justiereinen made of aluminum with its rotor shaft 7, which are to be adjusted

zwecken durch/am oberen Ende des Gehäuses 1 vergesehenen Deckel 6 hindurchgeführt ist, aufgesteckt und festgelegt ist. An seiner inneren, i.w. zylindrischen Umfangsflache besitzt der Rotor 2 eine flache Ringnut 12, in welche eine Trägerfolie 13 eingelegt und befestigt ist. In die Trägerfolie sind zwei Folgen 9 und 29 von Wiegand-Drähten 10 parallel zur Rotorachse 14 und in Achsrichtung mit Abstand übereinander eingebettet. An der Unterseite des Deckels 6 sind einander diametral gegenüberliegend ein Lesekopf 4 und eine Halterung 8 mit einem parallel zur Rotorachse 14 magnetisierten Stabmagnet 8a aus Kobalt/Samarium befestigt, ragen in den Innenraum des Rotors 2 hinein und weisen einen nur geringen radialen Abstand von der Trägerfolie 13 auf.purposes provided by / at the upper end of the housing 1 Cover 6 is passed through, put on and is fixed. At its inner, i.w. cylindrical The rotor 2 has a flat annular groove around its circumference 12, in which a carrier film 13 is inserted and fastened. In the carrier film are two sequences 9 and 29 of Wiegand wires 10 parallel to the rotor axis 14 and embedded one above the other at a distance in the axial direction. At the bottom of the cover 6 are each other diametrically opposite a reading head 4 and a holder 8 with a magnetized parallel to the rotor axis 14 Bar magnet 8a made of cobalt / samarium attached, protrude into the interior of the rotor 2 and point only a small radial distance from the carrier film 13.

Die obere dichte Folge 9 der Wiegand-Drähte 10 weist einige (z.B. vier) Lücken 11 auf, zwischen denen die Wiegand-Drähte 10 der Folge 9 dicht und äquidistant angeordnet sind.The upper dense sequence 9 of Wiegand wires 10 has some (e.g. four) gaps 11 between which the Wiegand wires 10 of the sequence 9 are arranged close and equidistant.

Der Lesekopf 4 besitzt getrennt für jede der beiden Folgen 9 und 29 je einen C-förmigen Eisenkern 15, der durch eine nicht-ferromagnetisehe, parallel zur Rotorachse 14 und in radialer Richtung verlaufende Zwischenschicht 16 in zwei Bereiche unterteilt ist. Oberhalb und unterhalb des Kerns 15 sind je ein Kobalt/Samarium-Magnet 17, 18 angeordnet, deren Magnetisierungsrichtungen tangential in Bezug auf den Rotor 2 verlaufen und mit derThe reading head 4 has separately for each of the two sequences 9 and 29 each have a C-shaped iron core 15, the by a non-ferromagnetic, parallel to the rotor axis 14 and the intermediate layer 16 extending in the radial direction is divided into two areas. Above and a cobalt / samarium magnet 17, 18 is arranged below the core 15, their magnetization directions run tangentially with respect to the rotor 2 and with the

Rotorachse 14 einen Winkel von ungefähr 70° einschließen. Die Magnete 17 und 18 spannen zwischen • sich ein Magnetfeld auf, welches i.w. den einen Bereich 15a des Eisenkerns 15 in der einen und den anderen Bereich 15b des Eisenkerns 15 in der entgegengesetzten Richtung durchsetzt und im Bereich der Zwischenschicht 16 einen starken Gradienten der Feldstärke verbunden mit einem räumlichen Nulldurchgang der Feldstärke besitzt.Rotor axis 14 enclose an angle of approximately 70 °. The magnets 17 and 18 clamp between • a magnetic field develops, which i.w. one area 15a of the iron core 15 in one and the other other area 15b of the iron core 15 penetrated in the opposite direction and in the area of Intermediate layer 16 has a strong gradient of the field strength combined with a spatial zero crossing the field strength has.

Der Drehsinn des Rotors 2 wird so gewählt, daß die Wiegand-Drähte von der Seite her dem Lesekopf 4 angenähert werden, auf welcher die Feldlinien den größeren Weg zwischen den Magneten 17 und 18 überbrücken. Die Bewegungsrichtung der Wiegand-Drähte 10 ist in Fig. durch den Pfeil 19 gekennzeichnet, welcher zugleich die Blickrichtung der Ansicht gemäß Fig. 3 angibt.The direction of rotation of the rotor 2 is selected so that the Wiegand wires approach the reading head 4 from the side on which the field lines bridge the greater distance between the magnets 17 and 18. the The direction of movement of the Wiegand wires 10 is indicated in FIG. By the arrow 19, which at the same time indicates the viewing direction of the view according to FIG. 3.

Ein jeder Wiegand-Draht 10 ist zunächst am Magnet 8a auf der Halterung 8 vorbeigelaufen und dort magnetisch gesättigt worden,, kommt dann im Nahbereich des Kernbereichs 15b in den Einfluß eines Magnetfeldes, welches dem des Sättigungsmagneten 8a entgegengerichtet ist und wird dadurch in seinen antiparallelen Magnetisierungszustand zurückgestellt, durchquert anschließend im Nahbereich der Zwischenschicht 16 den räumlichen Nulldurchgang des Magnetfeldes und klappt unmittelbar darauffolgend im weichmagnetischen Kern des Wiegand-Drahtes 10 mit seiner Magnetisierungsrichtung um, wodurch in der Sensorwicklung 20, mit welcher der C-förmige EisenkernEach Wiegand wire 10 has first run past the magnet 8a on the holder 8 and is there magnetically has been saturated, then comes in the vicinity of the core area 15b in the influence of a magnetic field which is opposite to that of the saturation magnet 8a and is thereby in its anti-parallel magnetization state reset, then traverses the spatial zero crossing in the vicinity of the intermediate layer 16 of the magnetic field and works immediately afterwards in the soft magnetic core of the Wiegand wire 10 with its direction of magnetization around, whereby in the Sensor winding 20 with which the C-shaped iron core

bewickelt ist, ein Wiegand-Impuls erzeugt wird, welcher in einer elektronischen Auswertechaltung weiterverarbeitet werden kann. Der dargestellte Drehgeber arbeitet also mit asymmetrischer Erregung der Wiegand-Drähte. is wound, a Wiegand pulse is generated, which can be further processed in an electronic evaluation circuit. The rotary encoder shown works that is, with asymmetrical excitation of the Wiegand wires.

Die Lücken 11 in der Folge 9 erkennt die Auswerteschalturig am Ausbleiben eines Wiegand-Impulses durch Vergleich der zeitlichen Abstände benachbarter Wiegand-Impulse. Von einer jeden solchen Referenzstelle ausgehend bestimmt die Auswerteschaltung durch Abzählen der folgenden von der Folge 9 induzierten Wiegand-Impulse die augenblickliche Rotorstellung.Zugleich wird aus derselben Impulsfolge die Rotordrehzahl ermittelt, die zur Überwachung der angeschlossenen Maschine und zur Ableitung sekundärer Steuersignale herangezogen werden kann.The gaps 11 in the sequence 9 are recognized by the Auswerteschalturig the absence of a Wiegand pulse by comparing the time intervals between neighboring Wiegand pulses. Starting from each such reference point, the evaluation circuit determines by counting of the following Wiegand impulses induced by sequence 9, the current rotor position the rotor speed used to monitor the connected machine is determined from the same pulse sequence and can be used to derive secondary control signals.

Die zweite (untere) Folge 29 von" Wiegand-Drähten 10, welche in Richtung der Rotorachse 14 einen Abstand von der ersten Folge 9 aufweist, besitzt genau in den azimuthalen Winkelstellungen auf dem Rotor 2 je einen Wiegand-Draht 10, wo die dichte, sonst äquidistante Folge 9 ihre Lücken 11 besitzt.The second (lower) series 29 of "Wiegand wires 10, which is at a distance from the first sequence 9 in the direction of the rotor axis 14 is precisely in the azimuthal Angular positions on the rotor 2 each have a Wiegand wire 10, where the dense, otherwise equidistant Episode 9 has its gaps 11.

Der in Fig. 5a, 5b und 6 dargestellte Lesekopf 4 ist ähnlich aufgebaut wie jener in Fig. 3 und 4, besitzt jedoch einen einzigen E-förmigen Kern 15 statt zweier C-förmiger. Die Wiegand-Drähte 10 der oberen Folge 9The reading head 4 shown in FIGS. 5a, 5b and 6 is constructed similarly to that in FIGS. 3 and 4 however, a single E-shaped core 15 instead of two C-shaped ones. The Wiegand wires 10 of the upper sequence 9

werden an den oberen und mittleren E-Schenkeln 15' 15" vorbeibewegt, die Wiegand-Drähte 10 der unteren Folge 29 an den mittleren und unteren E-Schenkeln 15" und 15"'.
5are moved past the upper and middle E-legs 15 '15 ", the Wiegand wires 10 of the lower sequence 29 on the middle and lower E-legs 15" and 15 "'.
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Die Sensorwicklung 20 ist um den mittleren. E-Schenkel 15" gewickelt. Deshalb ist der magnetische Kraftfluß, der die Sensorwicklung 20 beim Umklappen eines Wiegand-Drahtes 10 aus der oberen Folge 9 (Fig. 5a) durchsetzt, entgegengesetzt dem vom Umklappen eines Wiegand-Drahtes 10 aus der unteren Folge 29 bewirkten Kräftfluss (Fig. 5b), folglich besitzen die Wiegand-Impulse in der Sensorwicklung 20 unterschiedliche Polarität und können leicht unterschieden werden.The sensor winding 20 is around the middle. E-leg 15 ". Therefore, the magnetic flux of force that the sensor winding 20 when turning down a Wiegand wire 10 from the upper sequence 9 (Fig. 5a) penetrated, opposite to that of folding one Wiegand wire 10 from the lower sequence 29 caused the flow of forces (FIG. 5b), consequently the Wiegand impulses in the sensor winding 20 different polarity and can be easily distinguished.

Die von der unteren Folge 29 ausgehenden Wiegand-Impulse sind die Referenzsignale, von denen aus eine Auswerteschaltung den Zeitpunkt für den jeweils nächsten Steuerbefehl· festlegt, während die obere Folge 9 der Wiegand-Drähte 10 zum Bestimmen der Drehzahl des Rotors 2 und seiner augenblicklichen Stellung dient.The Wiegand impulses emanating from the lower sequence 29 are the reference signals from which an evaluation circuit determines the time for each next control command · defines, while the upper sequence 9 of Wiegand wires 10 to determine the speed of the rotor 2 and its current position is used.

Claims (6)

- · ΡΆ TE N TA flVV A'LT E DR. HUDOLF BAUEiR · DIPL.-!WG. HELSVlUT !HUBBUCH DiPL.-PHYS. ULRICH TWELEV1E1ER V\/1 "t 1 ι '■ Hl . "I ■■ iAf<1 I M'"l '.' ··'.'■ X) /Ί l'l l'l Ol'/Ill ΙΜ.Λ!'.· ιιι·ιλ·.. 71 ."■ ·. I I . ■ ι. . -|·. ''I Il I I ■ .II/. I1I.1I Ι'Λ I I»/· 11 K 16. Juni 1983 III/Be DODUCO KG. Dr. Eugen Dürrwächter, 7530 Pforzheim 11 Drehgeber " Patentansprüche:- · ΡΆ TE N TA flVV A'LT E DR. HUDOLF BAUEiR · DIPL .-! WG. HELSVlUT! HUBBUCH DiPL.-PHYS. ULRICH TWELEV1E1ER V \ / 1 "t 1 ι '■ Hl." I ■■ iAf <1 I M' "l '.' ·· '.' ■ X) / Ί l'l l'l Ol '/ Ill ΙΜ.Λ!'. · Ιιι · ιλ · .. 71. "■ ·. I I. ■ ι. . - | ·. '' I Il I I ■ .II /. I1I.1I Ι'Λ I I »/ · 11 K June 16, 1983 III / Be DODUCO KG. Dr. Eugen Dürrwächter, 7530 Pforzheim 11 encoder "Patent claims: 1. ) Drehgeber mit einem angetriebenen Rotor (2), welcher —'1.) Rotary encoder with a driven rotor (2), which - ' in Umfangsrichtung verteilt in vorgegebenen regelmäßigen Abständen Wiegand-Drähte (10) trägt, welche zur Bestimmung der Drehzahl durch eine im Gegensatz zum Rotor (2) ortsfest angebrachte Abtasteinrichtung (8, 4) berührungslos, nämlich magnetisch unter Ausnutzung des Wiegand-Effektes abgetastet werden, wobei die Abtasteinrichtung (8, 4) eine Sensorwicklung (20) zur Aufnahme von Wiegand-Impulsen sowie eine solche Anordnung von Magneten (8a, 17, 18) umfaßt, daß bei jedem Rotorumlauf ein jeder Wiegand-Draht (10) durch das von diesen Magneten (8a, 17, 18) aufgebaute räumlich alternierende Magnetfeld abwechselnd in der einen Magnetisierungsrichtung bis in die magnetische Sättigung geführt (der hartmagnetische und der weichmagnetische Bereich des Wiegand-Drahtesdistributed in the circumferential direction in predetermined regular Distances Wiegand wires (10) which are used to determine the speed of rotation by an in contrast to the rotor (2) Stationary attached scanning device (8, 4) contactless, namely magnetically using the Wiegand effect are scanned, the scanning device (8, 4) a sensor winding (20) for receiving Wiegand pulses and such an arrangement of magnets (8a, 17, 18) includes that with each revolution of the rotor each Wiegand wire (10) through the magnet (8a, 17, 18) alternating spatially alternating magnetic fields in one direction of magnetization up to in the magnetic saturation led (the hard magnetic and the soft magnetic area of the Wiegand wire (10) sind gleichgerichtet magnetisiert) und in der anderen Magnetisierungsrichtung magnetisch zurückgestellt wird (der hartmagnetische und der weichmagnetische Bereich des Wiegand-Drahtes (10) sind einander entgegengerichtet magnetisiert),(10) are magnetized in the same direction) and in the other Magnetization direction reset magnetically becomes (the hard magnetic and the soft magnetic area of the Wiegand wire (10) are magnetized in opposite directions), OQiPV BAD ORIGINAL OQiPV BAD ORIGINAL dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) eine dichte Folge (.9) von äquidistanten Wiegand-Drähten (10) für die Bestimmung der Rotordrehzahl und eine zweite, in Längsrichtung der Wiegand-Drähte (10) versetzt angeordnete Folge (29) von nicht notwendig äquidistanten Wiegand-Drähten (10) trägt, aus denen zur Wiedergabe vorgegebener Rotorstellungen ein Referenzsignal ermittelt wird.characterized in that the rotor (2) has a dense sequence (.9) of equidistant Wiegand wires (10) for the determination of the rotor speed and a second, offset in the longitudinal direction of the Wiegand wires (10) Sequence (29) of unnecessarily equidistant Wiegand wires (10) from which to play determined rotor positions a reference signal will. 2. Drehgeber nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch2. Rotary encoder according to claim 1, characterized by wenigstens eine Lücke (11) an vorbestimmter Stelle ■ in der sonst äquidistanten, dichten Folge (9) von Wiegand-Drähten.at least one gap (11) at a predetermined point ■ in the otherwise equidistant, dense sequence (9) of Wiegand wires. 3. Drehgeber nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die sonst äquidistante, dichte Folge (9) von Wiegand-Drähten (10) an jenen Stellen Lücken (11) aufweist, welche durch übereinstimmende Azimuthwinkel mit den einzelnen Wiegand-Drähten (10)der zweiten Folge (19) gekennzeichnet sind.3. Rotary encoder according to claim 2, characterized in that that the otherwise equidistant, dense sequence (9) of Wiegand wires (10) has gaps (11) at those points, which by matching azimuth angles with the individual Wiegand wires (10) of the second Sequence (19) are marked. 4. Drehgeber nach einem der vorstehenden Ansprüche,4. Rotary encoder according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Magnete (8a, 17, 18) und der einen oder der ggfs. für jede der beiden Folgen von Wiegand-Drähten (10) gesondert vorgesehenen Sensorwicklung (20) derart gewählt ist, daß die beiden Folgen von Wiegand-Drähten (10) Wiegand-Impulse von entgegengesetzter Polarität 1 iefern.characterized in that the arrangement of the magnets (8a, 17, 18) and the one or the possibly. for each of the two sequences of Wiegand wires (10) separately provided sensor winding (20) is selected in this way is that the two sequences of Wiegand wires (10) Wiegand pulses of opposite polarity 1 deliver. 5. Drehgeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiegand-Drähte5. Rotary encoder according to one of the preceding claims, characterized in that the Wiegand wires (10) parallel zueinander in eine biegsame Trägerfolie (13) eingesiegelt und mittels dieser Trägerfolie (13) am Umfang des mit zylindrischer Umf angsfläche ausgebildeten Rotors (2) befestigt, zweckmäßig in eine Nut (12) des Rotors (2) eingelegt sind.(10) sealed parallel to one another in a flexible carrier film (13) and attached to the carrier film (13) by means of this carrier film The circumference of the formed with a cylindrical circumferential surface Rotor (2) attached, are expediently inserted into a groove (12) of the rotor (2). 6. Drehgeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch getennzeichnet, daß die Wiegand-Drähte (10) auf der Innenseite eines hohlzylindrischen oder
glockenförmigen Rotors (2) und die Abtasteinrichtung (4,8) im Innenraum des Rotors (2) angeordnet sind.6. Rotary encoder according to one of the preceding claims, characterized in that the Wiegand wires (10) on the inside of a hollow cylindrical or
bell-shaped rotor (2) and the scanning device (4, 8) are arranged in the interior of the rotor (2).