Messverfahren und Messvorrichtung zur induktiven Winkel- und/oder

Positionsbestimmung

Beschreibung

Bezug zu verwandten Anmeldungen

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2007 053 881.4, hinterlegt am 09.11.2007, deren Offenbarungsgehalt hier- mit ausdrücklich auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Messverfahren und eine Messvorrichtung zur induktiven Winkel- und/oder Positionsbestimmung von wenigstens zwei Bauteilen zueinander nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 9.

Stand der Technik

Bei der Vermessung von Bauteilen zueinander kann nicht immer auf einen stationären Referenzpunkt hin gemessen werden. Dies ist z. B. bei der Vermessung von Luftbalgfederungen bei Lastkraftwagen der Fall. Für derartige und vergleichbare Einsatzzwecke ist es erforderlich, verschiedene Punkte relativ zueinander zu vermessen. Dies erfolgt bisher z.B. von Hand mit optischen Hilfsmitteln, indem zwei Punkte relativ zueinander positioniert werden. Die optischen Systeme haben jedoch bei diesem Einsatzzweck den Nachteil, dass sie derselben Verschmutzung unterliegen, wie die Radfederung selbst.

Zur Messung dynamischer änderungen wurde bereits in der EP 0 706 648 B1 das HALIOS-Verfahren beschrieben. Dieses Verfahren eignet sich für optische aber auch für induktive Einsatzzwecke. Die Sender werden dabei über einen Taktgenerator zeitabschnittsweise und wechselweise betrieben. Das in der Amplitude wenigstens einer Strecke geregelte Signal wirkt so auf den Empfänger ein, dass ein Empfangs-

signal ohne taktsynchrone Signalanteile entsteht. Das Empfangssignal des Empfängers wird einem Synchrondemodulator zugeführt, der das Empfangssignal wiederum in den wenigstens zwei Sendern entsprechende Signalkomponenten zerlegt. Diese werden in einem Vergleicher miteinander verglichen, wobei im Ruhezustand ohne Fremdeinflüsse ein einem Nullzustand entsprechendes Signal entsteht.

Liegt am Ausgang des Vergleichers kein diesem Nullzustand entsprechendes Signal an, wird die Leistung, die den Sendern zugeführt wird, dahingehend geregelt, bis dieser Zustand erreicht ist. Ausgewertet wird dabei der am Ausgang des Vergleichers anstehende Regelwert, der zugleich ein Maß für die Abweichung vom Nullzu- stand ist.

Aufgabe der Erfindung

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Auf- gäbe zu Grunde, ein verbessertes Messverfahren und eine verbesserte Messvorrichtung für die induktive Winkelbestimmung und/oder Positionsbestimmung zu schaffen, die kostengünstig und gegenüber Umwelteinflüssen weitestgehend unempfindlich sind.

Diese Aufgabe wir durch ein Messverfahren mit dem Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst.

Die Erfindung macht sich das Prinzip zu Nutze, dass bei dem bekannten HALIOS- Verfahren auch gemessen wird, ob ein Wechselfeld in der Empfangsspule infolge der wechselweise betriebenen Sendespulen vorhanden ist. Dieses Wechselfeld wird durch das geregelte Einbringen von Strom in die Sendespulen bzw. die damit einhergehende änderung des von den Sendespulen hervorgerufenen Magnetfelds zu Null kompensiert, bis sich die durch den in den Spulen fließenden Strom entstehenden Magnetfelder in der Empfangsspule gegenseitig auslöschen. Bis zu diesem Zeitpunkt liegen jedoch aus den beiden Sendespulen an der Empfangsspule den Sendespulen zuordenbare Amplitudenwerte an, wobei es nicht auf die Höhe der Amplitude, sondern auf das Verhältnis dieser Amplitudenwerte zueinander ankommt. Dieses Verhältnis ist gleichzeitig ein Maß für die Winkel- und/oder Positionsbestim-

mung der Bauteile zueinander. Damit lässt sich eine einfache und extrem robuste Sensoreinheit auch für raue Umgebungsbedingungen schaffen. Die sonst üblichen, in einem mechanisch eng begrenzten Bereich arbeitenden, feinmechanischen Vorrichtungen wie Drehpotentiometer oder Hallgeneratoren entfallen. Die Sensoreinhei- ten können „grob" in einem großen Abstand voneinander positioniert werden, ohne dass eine mechanische Verbindung zueinander nötig ist. Verschmutzung oder Nässe beeinflussen die Messung nicht. Zudem können die Bauteile der Sensoreinheiten auf eine Platine mit Leiterzügen und ohne weitere Bestückung als positionsbestimmende Elemente genutzt werden.

Eventuell vorhandene Messbereichsgrenzen, die durch die Minimal-Leistungs- grenzen der Treiberleistungen für die Sendespulen bestimmt sind, können dadurch überwunden werden, dass bedarfsweise bei Erkennen des Erreichens einer Grenze die Stromrichtung in der jeweiligen Sendespule gewechselt wird. Dadurch lassen sich Messbereichsgrenzen bis zu 360° erreichen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Kurzbeschreibung der Figuren

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Elektronik zur Durchführung des Messverfahrens,

Fig. 2 die Anordnung der Spulen in den relativ zueinander bewegten Bauteilen,

Fig. 2a - 2d die änderung der Amplitudenwerte aller Takte in einem Messzyklus über die Zeit an den in Fig. 2 dargestellten Bereichen A, B, C und

-C bei 0° bzw. 180°,

Fig. 3 die Stromsignale für einen Sendekanal (der zweite Kanal ist gestrichelt angedeutet).

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird jetzt beispielhaft unter bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Allerdings handelt es sich bei den Ausführungsbeispielen nur um Beispiele, die nicht das erfinderische Konzept auf eine bestimmte Anordnung beschränken sollen. Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild für ein Messverfahren zur induktiven Positions- und/oder Winkelbestimmung von wenigstens zwei Bauteilen B1 , B2 zueinander. Dem einen Bauteil B1 sind wenigstens zwei Sendespulen 11 , 12 zugeordnet, während dem andere Bauteil B2 wenigstens eine Empfangsspule 13 zugeordnet ist. In Folge eines Stroms, der durch die Sendespulen 11 , 12 geleitet wird, und infolge der dadurch erzeugten Magnetfelder wird ein Strom in der Empfangsspule 13 induziert. Die Magnetfelder werden in der Empfangsspule 13 infolge der Taktsteuerung 14, die wechselweise über den Ausgang 14a und den invertierten Ausgang 14b die wenigstens zwei Sendespulen 11 , 12 getaktet betreibt, als Wechselfeld induziert, so dass auch der Strom in der Empfangsspule 13 mit dem Takt der Taktsteuerung wechselt. Die Differenz der Magnetfelder in der Empfangsspule ist gleichzeitig lageabhängig von der Stellung und vor allem Winkelstellung der Sendespulen zur Empfangsspule 13. Das in der Empfangsspule 13 induzierte Magnetfeld, dass sich bei Bewegung der Sendespulen 11 , 12 relativ zur Empfangsspule 13 ändert, gelangt über die Ein- gänge 23a, 23a ¹ des Verstärkers 23 über den Ausgang 23b als elektrisches Signal 41 zu einem Synchrondemodulator D mit empfindlichem Amplitudenvergleicher. Dort wird das elektrische Signal über die Schalter S1 , S2 den jeweiligen Sendespulen 11 , 12 als Amplitudenwert 41 A, 41 B zugeordnet. über die Leitungen 60a, 60b und die

Widerstände R1 , R2 sowie die zugehörigen Integrationselemente C1 , C2 gelangen die so ermittelten Amplitudenwerte an die Eingänge 16a, 16b des Vergleichers 16.

Dort erfolgt ein Vergleichen der zugeordneten Amplitudenwerte 41 A, 41 B des elekt- rischen Signals 41 , um einen Vergleichswert 70 am Ausgang 16c des Vergleichers zu erzeugen. Steht ein Unterschied an den Eingängen 16a, 16b an, so wird dieser als Regelspannung am Ausgang 16c anstehen. Dieser Vergleichswert 70 wird über die Leitungen 71 , 74 dem Eingang 17a und über die Leitung 75 über den Invertierer 15 invertiert dem Eingang 18a von als Regelstufen mit Phasenumkehr ausgebildeten Reglern 17, 18 zugeführt. Diese Regler 17, 18 sind an ihren weiteren Eingängen 17b, 17c bzw. 18b, 18c mit den Ausgängen 14a, 14b der Taktsteuerung 14 verbunden.. Die Regler steuern über ihre Ausgänge 17d, 18d das über die Leitungen 31 , 32 einerseits und 37, 36 andererseits den Sendespulen 11 , 12 zugeführt Regelsignal bzw. den in die Sendespulen geregelt fließenden Strom, um dadurch das in der Empfangsspule 13 von den Sendespulen induzierte Wechselfeld auszulöschen. Dies führt zu einer zeitveränderlichen Regelung, bis die den Sendenspulen 11 , 12 zugeordneten Amplitudenwerte 41 A, 41 B des elektrischen Signals 41 an den Eingängen 16a, 16b des Vergleichers 16 gleich groß werden. Die Sendespulen 11 , 12 können ggf. über die Leitung 38 an Masse 39 liegen. Dieses Verfahren ist an sich als HALIOS-Verfahren aus der EP 0 706 648 B1 bekannt.

Zur Bestimmung der Position- und/oder Winkelbestimmung der wenigstens zwei Bauteile B1 , B2 zueinander wird nun das Verhältnis der Regelwerte zueinander betrachtet, die durch die Ströme auf den Leitungen abgebildet sind. Sie werden dazu über die Leitungen 72, 73 einem Mikroprozessor 80 zugeleitet, der das Verhältnis erfasst und als Wert 94 ausgibt. Diese zeitveränderlichen Amplitudenwerte, die durch die Regler 17, 18 beeinflusst sind, bilden nämlich die Drehung bzw. eine als Drehung zu erkennende Bewegung der Bauteile zueinander ab. Sie können „grob" positioniert werden und benötigen keine mechanische Verbindung zueinander. Ver- schmutzung oder Nässe beeinflussen die Messung nicht. Die Anordnung arbeitet im wesentlichen auf Basis der HALIOS Standard-Amplitudenregelung mit einer zusätzlichen Treiberelektronik, die bedarfsweise für die benötige Phasenumkehr eingesetzt werden kann.

Vorzugsweise werden zwei gleichartige Sendespulen verwendet, jedoch können auch unterschiedliche Spulen verwendet werden, sofern dies gewünscht ist, da dies zu entsprechend veränderten Ergebnissen führen kann. Die Sendespulen 11 , 12 sind vorzugsweise nah beieinander angeordnet und können vorzugsweise orthogonal angeordnet werden. Eine andere Winkelanordnung ist jedoch möglich. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 , 2 befindet sich die Empfangsspule 13 auf der Winkelhalbierenden der Sendspulen 11 , 12. Dies ist nicht zwingend erforderlich, denn grundsätzlich kann auch eine beliebige andere Winkelanordnung der Sendespulen zur Empfangsspule vorgenommen werden.

Die Spulen können als gedruckte Version auf einer Leiterplatte ausgeführt sein. In der Praxis haben sich zum Beispiel etwa 70 Windungen mit 40mm Leiterplattendurchmesser für eine Reichweite von über einem Meter bewährt. Die Sendespulen sowie die Empfangsspule können mit entsprechenden Resonanzkondensatoren nach den ggf. vorgesehenen Impedanzen Z1 , Z2, die z.B. aus Widerständen bestehen können, versehen werden, die nicht benötigte Oberwellen des Halios- Rechtecktaktes verhindern. Eine Resonanzbildung im Empfangskreis erhöht gleichzeitig die Empfindlichkeit des Systems. Das ganze System kann auch mit einem Si- nustakt betrieben werden.

Ausgewertet wird z.B. der Drehwinkel der Sensoreinheiten zueinander, ohne dass die Entfernung einen Einfluss hat. So kann bei feststehender Sendeanordnung mit zwei Sendespulen 11 , 12, die +45° und -45° zur Horizontalen gekippt sind, die waa- gerecht liegende Empfangspule 13 im Abstand verschoben werden, ohne dass sich der Messwert ändert. Im Ausführungsbeispiel in der Blattebene der Fig. 1 liegenden Bewegungsmöglichkeiten sind durch die Pfeile 20, 21 in Fig. 1 angedeutet, wobei eine Bewegung in Richtung des Pfeils 20 nur dann einen Messwert liefert, wenn gleichzeitig eine Drehung hinsichtlich der Anordnung der Empfangsspule 13 relativ zu den Sendespulen 11 , 12 erfolgt.

Der Messwert liegt in der beschriebenen Anordnung in der Mitte des möglichen Messwertbereiches. Eine Drehung der Bauteile B1 , B2, die einerseits die Sendespu-

len und andererseits die Empfangsspule tragen, führt zu einer entsprechenden positiven oder negativen Abweichung. Dabei ist es gleichgültig ob eine Drehung am Ort erfolgt oder ob eine der beiden Anordnungen vertikal bewegt wird, da diese Bewegung einer Drehbewegung gleich kommt. Bei einer 90°-Anordnung der Sendespulen zueinander entsteht kreisförmig um diese Anordnung herum an jedem Punkt im Raum ein Magnetfeld mit exakt um 90° versetzten Feldlinien auf Grund der Magnetfelder in den Sendespulen 11 ,12. Bereiche außerhalb der Kreisebene enthalten e- benfalls die um 90° versetzten Feldlinien mit einer zusätzlich Winkelkomponente. Durch entsprechende Drehung der Empfangsspule kann diese Winkelkomponente jedoch vollständig kompensiert werden.

Die Winkelabweichung der Sende- oder Empfangseinheit wird in den Amplitudenwerten im Halios-System durch eine Amplitudenregelung abgebildet. Im Fernfeld z.B. ab etwa 10 cm der elektromagnetischen Sender ist die Amplitudenänderung annähernd linear zur Winkeländerung. Wird die Amplitude einer Phase, wie sie im Standard-Halios-Verfahren vorgesehen ist, von Null bis zur Maximalleistung geregelt, kann ein Winkelbereich von zum Beispiel +/-25° erfasst werden. Um einen Bereich von +/-45° zu erfassen, muss daher die Amplitude der Phase über Null hinaus in negative Bereiche gespiegelt werden, dies wird dadurch erreicht, dass bei einer Regelung vom Maximalwert hin zu Null und zum Beispiel der Phase 0° der Wert ab Null wieder ansteigt, jedoch mit 180° Phasendrehung. Dies ist bei der induktiven Lösung dadurch möglich, dass die Stromrichtung in der Spule geändert werden kann.

Die Phase des Stroms der wenigstens zwei Sendespulen 11 , 12 wird damit an den Regelgrenzen der Stromtreiber für die Sendespulen 11 , 12 gedreht, die durch eine Leistung von Null bestimmt ist. Bei gegenläufigen Amplitudenwerten 41 A, 41 B wird bei Erreichen einer Amplitude von Null die Stromrichtung gewechselt. Dies zeigen die Figuren 2a bis 2d. Im Fall A erfolgt eine Bewegung entlang der Linie A. Dies führt gemäß Fig. 2a zu gleich großen Amplitudenwerten 51 , 52 bei einer Phase von 0 und 180°. Erfolgt jedoch eine Drehung in Richtung auf die Linie B, verringert sich der der Sendespule 12 zugeordnete Amplitudenwert 53 in Fig. 2b, so dass das Verhältnis der Amplitudenwerte sich ändert, was einer bestimmten Winkelabweichung entspricht. Eine weitere Winkelabweichung von der Linie A in Richtung auf die Linie C

ist nun nicht mehr darstellbar, da der Amplitudenwert 53 sich nicht mehr weiter verringern kann. Wenn einer der beiden elektrischen Ströme K1 , K2 in Fig. 3 in der Sendespule 11 , 12 gegen Null geht, kann mit einer geeigneten Treiberelektronik die Phase ab Null gedreht und damit die Stromrichtung geändert werden, und die Rege- lung geht mit einer um 180° gedrehten Phase weiter. Dies ist in Fig. 3 gezeigt. Bei einer Verringerung der Ströme ergibt sich ab einem bestimmten Punkt bei einer Phase von 0° nur noch ein Signal mit dem Wert Null. Erfolgt die Relativdrehung zwischen Sendespulen und Empfangsspule weiter in derselben Richtung, wird in derselben Richtung weitergeregelt, wobei das Stromsignal in der entsprechenden Spule um 180° gedreht bzw. invertiert wird. Dasselbe gilt für den Strom K2, der in Fig. 3 der Vollständigkeit halber gestrichelt eingezeichnet ist und lediglich beim Winkel 0° gespiegelt wird.

In einem Winkelbereich von circa 0 bis +/-25° haben beide Sendephasen der Sende- spulen im Halios-Verfahren 0 und 180°, während sie im Winkelbereich größer +/-25° gleich sind, also beide entweder 0°oder 180° haben. Die Phasenumkehrung wird durch eine entsprechende Schaltungsanordnung, einem Phasenspiegel zusätzlich zum Halios-Verfahren erreicht. Durch Umschalten der Stromrichtung in den Sendespulen in einem weiteren Messzyklus kann eine Winkelbestimmung ab +/-45° er- reicht werden, so dass bei geeigneter Auswertung der Ströme eine Gesamtwinkelbestimmung von 360° möglich ist.

Für eine dreidimensionale Winkel- oder Positionsbestimmung ist eine weitere Spule so angeordnet, dass ihre Hauptachse sich mit den Hauptachsen der beiden beste- henden Sendespulen schneidet. Vorzugsweise bilden die Hauptachsen der Sendespulen einen kartesisches Koordinatensystem, wobei die dritte Sendespule mit einer weiteren Messphase belegt wird.

Es versteht sich von selbst, dass diese Beschreibung verschiedensten Modifikatio- nen, änderungen und Anpassungen unterworfen werden kann, die sich im Bereich von äquivalenten zu den anhängenden Ansprüchen bewegen.

Bezugszeichenliste

11,12 Sendespule

13 Empfangsspule

14 Taktsteuerung

14a, 14b Ausgang

15 Invertierer

16 Vergleicher

16a, 16b Eingang

16c Ausgang

17, 18 Regler

17a, 17b, 17c Eingang

18a, 18b, 18c Eingang

17d, 18d Ausgang

20,21 Pfeil

23 Verstärker

23a, 23a' Eingänge

23b Ausgang

31,32,36,37,38 Leitung

39 Masse

41 Elektrisches Signal

41A.41B Amplitudenwert

51, 52, 53, 54 Amplitudenwert

6OA, 6OB Leitung

70 Vergleichswert

71 -75 Leitung

80 Mikroprozessor

94 Wert

B1. B2 Bauteil

R1. R2 Widerstand

C1. C2 Integrationselemente

Z1.Z2 Impedanz