Drela ir- elsensor

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor der im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen Art. Aus der DE 41 37 092 A1 ist ein Drehwinkelsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Ein Winkelcodierer, bei dem es sich um eine abgetastete Codescheibe handeln kann, erfaßt die Winkelstellung einer Welle über eine Umdrehung. Ein der Codescheibe nachgeordnetes Potentiometer erfaßt die absolute Winkelstellung der Welle über mehrere Umdrehungen. Eine nachgeordnete Auswerteschaltung ordnet der Winkelstellung der Codescheibe eine zugehörige Umdrehungszahl unter Berücksichtung von Getriebespiel und Meßwertfehlern des Potentiometers zu. Drehwinkelsensoren dieser Bauweise liefern unhabhängig von zwischenzeitlichen Unterbrechungen der Versorgungsspannung immer den absoluten Drehwinkel über mehrere Umdrehungen. Nachteilig ist der hohe Herstellungsaufwand für Getriebestufen und Sensorelemente sowie eine begrenzte Lebensdauer auf Grund vieler mechanisch bewegter Teile. Die Anzahl der erfaßbaren Umdrehungen ist auf Grund der mechanischen Ausführung begrenzt. Aus der DE 37 29 949 A1 ist ein Drehwinkelsensor mit einer Zählanordnung Z, mehreren, versetzt auf einem Kreisumfang feststehend angeordneten Impulsdraht-Bewegungssensoren S1 bis S6 und mehreren Magneten M bekannt. Die Ausgangsimpulse der Impulsdraht-Bewegungssensoren werden der Zählanordnung so zugeführt, daß der Zählstand der Zählanordnung ein Maß für die Drehlage eines mit einer Welle verbundenen Geberrades ist. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Zählanordnung bei Ausbleiben der Versorgungsspannung ihre Funktion verliert, so daß Bewegungen der Welle nicht mehr erfaßt werden und der aktuelle Zählstand verloren geht. Ein Drehwinkelsensor der genannten Art ist durch das Produkt CE100 der Firma-T+R, Trossingen bekannt. Ein Fein-Sensorelement erfaßt die Winkelstellung einer Welle über eine Umdrehung, die Meßwerte wiederholen sich periodisch mit jeder Umdrehung. Über Getriebe sind ein oder mehrere Grob- Sensorelemente hinter das Fein-Sensorelement gekoppelt. Der absolute Meßwert ergibt sich aus der geeigneten Kombination der Meßwerte des Fein- Sensorelements und der Grob-Sensorelemente. Drehwinkelsensoren dieser Bauweise liefern unhabhängig von zwischenzeitlichen Unterbrechungen der Versorgungsspannung immer den absoluten Drehwinkel über eine große Anzahl von Umdrehungen. Nachteilig ist der hohe Herstellungsaufwand für Getriebestufen und Sensorelemente sowie eine begrenzte Lebensdauer auf

ι Grund vieler mechanisch bewegter Teile. Die Anzahl der erfaßbaren

2 Umdrehungen ist auf Grund der mechanischen Ausführung begrenzt.

3 Ein weiterer Drehwinkelsensor der genannten Art ist durch das Produkt

4 OAM-74-1 1/24bit-LPS-5V (TS5778N10) der Firma Tamagawa Seiki Co., Tokio

5 bekannt. Eine Meßanordnung erfaßt die Winkelbewegungen einer Welle. Mit

6 einem Zähler werden inkrementale Wellenbewegungen unter Berücksichtigung

7 der Bewegungsrichtung über mehrere Umdrehungen zu einem absoluten

8 Meßwert aufaddiert. Bei Versorgungsspannungsausfall wird der Betrieb des

9 Drehwinkelsensors durch eine Pufferbatterie sichergestellt. Auch langdauernde 10 Unterbrechungen der Versorgungsspannung bei Stillstandszeiten müsen durch n die Pufferbatterie überbrückt werden. Der Aufwand für die Realisierung ist bei

12 dieser Ausführungsform geringer als bei Sensoren mit getriebegekoppelten

13 Winkelsensorelelemten. Der Nachteil dieses Winkelsensors ist die begrenzte

14 Lebensdauer der Pufferbatterien. Diese müssen in bestimmten Zeitabständen

15 ersetzt werden. Ein weiterer Nachteil ist die Notwendigkeit, die Sensorelemente

16 aus der Pufferbatterie zu speisen und die damit verbundene zusätzliche π Batteriebelastung. Unter extremen Umweltbedingungen wie hohen oder niedrigen

18 Temperaturen sind Batterien nicht einsetzbar.

19 Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen

20 Drehwinkelsensor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei

21 einfachem Aufbau und geringem Aufwand bei einem Ausbleiben der von außen 2 zugeführten Versorgungsspannung die Wellenumdrehungen ohne mechanisches

23 Getriebe und ohne Versorgung aus Batterien gezählt werden. 4 Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Anspruch 1

25 niedergelegten Merkmale vor. Danach liefern Impulsdraht-Bewegungssensoren 6 Spannungsimpulse deren Anzahl in einem nichtflüchtigen Schreib-/Lesespeicher

27 abgelegt wird. Eine Impulsformungs-Schaltung leitet aus den Spannungsimpulsen

28 der Impulsdraht-Bewegungssensoren eine Spannung zur Versorgung einer 9 Steuerschaltung, des nichtflüchtigen Schreib-/Lesespeichers und eines Auf-

30 /Abwärtszählers ab, so daß vorteilhaft ohne Zufuhr einer von außen anliegenden i oder in Batterien gespeicherten Spannung die Anzahl der Wellenumdrehungen

32 erfaßt wird. Diese und weitere vorteilhafte Weiterbildungen eines

33 erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors sind in den Unteransprüchen

34 niedergelegt.

ι Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter

2 Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

3 In dieser zeigen

4 Fig. 1 ein Blockbild des vorteilhaften Drehwinkelsensors,

5 Fig. 2 eine schematisierte mechanische Anordnung von drei Bewegungssensoren

6 und drei Dauermagneten,

7 Fig. 3 eine schematisierte mechanische Anordnung von zwei

8 Bewegungssensoren und einem Dauermagneten,

9 Fig. 4 eine schematisierte mechanische Anordnung von zwei

10 Bewegungssensoren, vier Dauermagneten und einem Impulsdraht, n Fig. 5 eine zur Achse der Drehwelle radiale Anordnung von Bewegungssensoren

12 mit Dauermagneten,

13 Fig. 6 eine zur Achse der Drehwelle radiale Anordnung eines Flußleitstücks,

14 Fig. 7 eine zur Achse der Drehwelle parallele Anordnung von

15 Bewegungssensoren mit Dauermagneten,

16 Fig. 8 eine zur Achse der Drehwelle parallele Anordnung von zwei π Flußleitstücken,

18 Fig. 9 eine elektronische Zählschaltung mit Impulsformungs-Schaltungen,

19 Fig. 10 ein Impulsdiagramm der von drei Bewegungssensoren ausgegebenen

20 Spannungsimpulse.

21 Fig. 11 ein Zustandsdiagramm zur Erläuterung der Auswertung der von drei

22 Bewegungssensoren ausgegebenen Spannungsimpulse. 3

24 Der in Fig. 1 dargestellte Drehwinkelsensor 1 besteht aus einer Drehwelle 2,

25 einem mit der Drehwelle verbundenen Fein-Drehwinkelsensor 3 zur

26 Drehwinkelmessung über eine Umdrehung und einer Zählanordnung 4 zur

27 Zählung der ganzen Umdrehungen der Drehwelle. Die Zählanordnung dieser

28 Ausführungsform weist Impulsdraht-Bewegungssensoren 6, 7, 8, mit der Welle

29 verbundene Dauermagneten 10, 1 1 , 12 und eine elektronische Zählschaltung 13

30 auf. Der Zählschaltung wird der Meßwert des Fein-Drehwinkelsensors über

31 Leitungen 59 und Spannungsimpulse 28, 29, 30 von den Bewegungssensoren

32 zugeführt. Der Fein-Drehwinkelsensor ist in bekannter Weise, z. B. als optischer

33 Enkoder oder Resolver, ausgeführt. Über eine Datenschnittstelle mit Leitungen 14

34 und Leitungen 58 zur Spannungsversorgung ist die Zählschaltung mit einer

35 übergeordneten Einheit 15 verbunden.

36

ι Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 zeigen verschiedene grundsätzliche

2 Ausführungsformen zur Anordnung von Impulsdraht-Bewegungssensoren,

3 Dauermagneten und Flußleitstücken. Vorbestimmten Winkelstellungen der

4 Drehwelle 2 sind die Spannungsimpulse der Bewegungssensoren zugeordnet.

5 Unter Einbeziehen vergangener Drehzustände durch Berücksichtigung zeitlich

6 zurückliegender Spannungsimpulse ermöglicht dies:

7 - das Erfassen jeder vollen Umdrehung der Drehwelle 2,

8 - das Berücksichtigen der Drehrichtung der Drehwelle,

9 - das Berücksichtigen der für Wiegandsensoren charakteristischen lo Positionsdifferenz zwischen Setz- und Rücksetzvorgang, π - die eindeutige Zuordnung der Spannungsimpulse der Bewegungssensoren

12 zur Anzahl der Wellenumdrehungen durch Kombination eines durch die

13 Spannungsimpulse definierten Umdrehungszustandes mit der Stellung des Fein-

14 Drehwinkelsensors 3 auch bei mechanisch oder magnetisch verursachten

15 Toleranzen der Winkellage der Spannungsimpulse

16 π Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit drei feststehenden, auf einem

18 Kreisumfang im Abstand von 120 ^° Grad angeordneten, unipolar wirkenden

19 Impulsdraht-Bewegungssensoren 6, 7, 8, einen mit der Drehwelle 2 verbundenen

20 Schalt-Dauermagnet 10 und zwei mit der Drehwelle verbundene Rücksetz-

21 Dauermagneten 11 , 12 entsprechend Unteranspruch 8. Die Impulsdraht-

22 Bewegungssensoren, auch Wiegand-Sensoren genannt, sind bei dieser

23 Ausführungsform in bekannter Weise als mit Sensorspulen bewickelte

24 Impulsdrahtabschnitte ausgeführt. Durch Drehung der Welle werden Schalt- und

25 Rücksetzmagnete an den Bewegungssensoren so vorbeigeführt, daß das

26 Magnetfeld der Schalt- und Rücksetzmagnete den Impulsdraht der

27 Bewegungssensoren mit jeweils umgekehrter Polarität durchsetzt. Das

28 Vorbeiführen des Schalt-Dauermagnet 10 vor einem der Bewegungssensoren

29 erzeugt in bekannter Weise durch das gleichzeitige Ummagnetisieren aller

30 magnetischen Domänen (Weiß'schen Bezirke) des Impulsdrahtes kurzzeitige

31 Spannungsimpuise von definierter Länge und Amplitude in der Sensorspule. Das

32 Vorbeiführen eines der Rücksetz-Dauermagnete 1 1 , 12 setzt den

33 Magnetisierungszustand des Bewegungssensors wieder zurück. Unipolar

34 wirkende Impulsdraht-Bewegungssensoren liefern in bekannter Weise nur beim

35 Schaltvorgang, nicht aber beim Rücksetzvorgang einen Spannungsimpuls. Bipolar

36 wirkende Impulsdraht-Bewegungssensoren liefern sowohl beim Schaltvorgang als

37 auch beim Rücksetzvorgang einen Spannungsimpuis. Impulslänge und -amplitude

ι sind unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit der Schalt- und

2 Rücksetzmagnete. Schaltmagnet und Rücksetzmagnete sind auf dem Rotor so

3 angeordnet, daß nach Vorbeiführen des Schaltmagneten immer ein

4 Rücksetzmagnet an einem Bewegungssensor vorbeigeführt wird, bevor der

5 Schaltmagnet an einem der beiden anderen Bewegungssensoren vorbeigeführt

6 wird. Der Vorteil der Anordnung nach Fig. 2 ist die von unipolar wirkenden

7 Impulsdraht-Bewegungssensoren erzeugte hohe Spannungsamplitude.

8 Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit zwei feststehenden, auf einem

9 Kreisumfang im Abstand von 90 ^° Grad angeordneten, bipolar wirkenden 10 Impulsdraht-Bewegungssensoren 70, 71 und einen mit der Drehwelle 2 n verbundenen Dauermagnet 72 entsprechend Unteranspruch 9. Im Gegensatz zu

12 unipolar wirkenden liefern bipolar wirkende Impulsdraht-Bewegungssensoren

13 sowohl beim Schalt- als auch beim Rücksetzvorgang einen Spannungsimpuis.

14 Der Vorteil dieser Anordnung ist die Realisierung mit der geringstmöglichen

15 Anzahl von Bewegungssensoren.

16 Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit zwei feststehenden, auf einem π Kreisumfang im Abstand von 180 ^° Grad angeordneten, bipolar wirkenden

18 Impulsdraht-Bewegungssensoren bestehend aus zwei Sensorspulen 90, 91 , zwei

19 der Sensorspule 90 zugeordneten Dauermagneten 92, 93, zwei der Sensorspule

20 91 zugeordneten Dauermagneten 94, 95 und einen mit der Drehwelle 2 1 verbundenen Impulsdraht 96 entsprechend Unteranspruch 12. Im Gegensatz zu

22 den vorangegangenen Beispielen nach Fig. 2 und Fig. 3 ist die Sensorspule des 3 Impulsdraht-Bewegungssensors in bekannter Weise getrennt vom Impulsdraht

24 zwischen zwei gegensinnig gepolten Dauermagneten angeordnet. Das 5 Vorbeiführen des Impulsdrahtes an den Magneten und der Sensorspule durch 6 Drehung der Welle löst zwei Ummagnetisierungsvorgänge des Impulsdrahtes

27 aus, von denen, auf Grund der geometrischen Anordnung, nur einer das die 8 Sensorspule durchsetzende Magnetfeld so beeinflußt, daß ein Spannungsimpuis

29 induziert wird. Diese Anordnung liefert Spannungsimpulse, deren Polarität die

30 Drehrichtung anzeigen.

31 Fig. 5 zeigt eine mechanische Anordnung von drei Bewegungssensoren 73,

32 74, 75, einem Schalt-Dauermagnet 77 und zwei Rücksetz-Dauermagneten 76, 78

33 nach Unteranspruch 8. Die magnetisch wirksamen Achsen von

34 Bewegungssensoren und Dauermagneten sind radial zur Achse der Drehwelle 2

35 orientiert. Die am Drehwellenende angebrachten Dauermagnete sind in ein

36 Wellenstück 79 aus magnetisch nichtleitendem Material eingebettet, damit der

37 Aufbau der magnetischen Felder unbeeinflußt vom Material der Drehwelle bleibt.

ι Eine Anordnung in dieser Form erlaubt den Aufbau eines erfindungsgemäßen

2 Drehwinkelsensors mit kleinem Außenumfang.

3 Fig. 6 zeigt eine mechanische Ausführung nach Unteranspruch 1 1. Je ein

4 bipolar wirkender Impulsdraht-Bewegungssensor und zwei Dauermagnete bilden

5 in bekannter Weise eine Einheit von denen drei entsprechend den

6 Bewegungssensoren 73, 74, 75 in Fig. 5 feststehend angeordnet sind. Die

7 Magnetisierung der Bewegunssensoren wird durch ein bewegliches, an der Welle

8 angebrachtes Flußleitstück 80 gesteuert. Der magnetische Fluß beider

9 Dauermagnete durchsetzt jeweils gegensinnig über Luftspalte den

10 Bewegungssensor (Impulsdraht und die darauf gewickelte Sensorspule). Bei n Überbrücken eines der Luftspalte durch Heranführen des beweglich

12 angeordneten Flußleitstückes 80 wird der magnetische Fluß eines der Magnete

13 verstärkt und der Bewegungssensor ummagnetisiert. Entsprechend wird der

14 Bewegungssensor in anderer Richtung ummagnetisiert wenn das Flußleitstück an

15 den anderen Luftspalt herangeführt wird. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt

16 in der besonders einfachen Gestaltung der beweglich auszuführenden Teile der π Anordnung.

18 Fig. 7 zeigt eine weitere mechanische Anordnung von drei

19 Bewegungssensoren 80', 81 , 82, einem Schalt-Dauermagnet 83 und zwei

20 Rücksetz-Dauermagneten 84, 85 nach Unteranspruch 8. Die magnetisch

21 wirksamen Achsen von Bewegungssensoren und Dauermagneten sind

22 achsparallel zur Drehwelle 2 orientiert. Die am Drehwellenende angebrachten 3 Dauermagnete sind in ein Wellenstück 86 aus magnetisch nichtleitendem Material

24 eingebettet, damit der Aufbau der magnetischen Felder unbeeinflußt vom Material

25 der Drehwelle bleibt. Eine Anordnung in dieser Form erlaubt den Aufbau eines

26 erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors in besonders kurzer Bauweise.

27 Fig. 8 zeigt eine mechanische Ausführung nach Unteranspruch 10. Je ein

28 unipolar (vgl. Fig. 6) wirkender Impulsdraht-Bewegungssensor und zwei

29 Dauermagnete bilden in bekannter Weise eine Einheit von denen drei

30 entsprechend den Bewegungssensoren 80', 81 , 82 in Fig. 7 feststehend

31 angeordnet sind. Die Magnetisierung der Bewegunssensoren wird durch zwei

32 bewegliche, an der Welle 2 angebrachten Flußleitstücke 87, 88 wie in Fig. 6

33 beschrieben gesteuert. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt neben der

34 besonders einfachen Gestaltung der beweglich auszuführenden Teile der

35 Anordnung in der kurzen Bauform.

36 Fig. 9 zeigt die Ausführung einer elektronischen Zählschaltung 13 nach den

37 Unteransprüchen 2, 3, 4, 5, 13, bestehend aus drei gleich ausgeführten

ι Impulsformungs-Schaltungen 16, 17, 18, einer Steuerschaltung 19, einem

2 setzbaren Auf-/Abzähler 22, einem nichtflüchtigen Schreib-/Lesespeicher 21 und

3 einer Auswerte- und Schnittstellen-Schaltung 20. Jede der Impulsformungs-

4 Schaltungen besteht aus einer Diode 23, einem Ladekondensator 24, einem Entladewiderstand 25, einem elektronischen Schalter 26 und einer Diode 27. Die

6 von den spannunggenerierenden Bewegungssensoren 6, 7, 8 erzeugten

7 Impulsspannungen U1 , U2, U3 werden den drei Impulsformungs-Schaltungen 16,

8 17, 18 zugeführt. Über die Diode 23 in Durchlassrichtung lädt ein

9 Spannungsimpuis den Ladekondensator 24. Die Spannung der

10 Ladekondensatoren wird als Impulsspannungsvektor Y = [Y1 , Y2, Y3] bestehend n aus den analogen Signalen Y1 , Y2, Y3, 28, 29, 30 der Steuerschaltung 19

12 zugeführt. Die Kondensatorspannung ist der Reihenschaltung aus elektronischem n Schalter 26 und Entladewiderstand 25 zugeführt. Logiksignale "Ladekondensator

14 entladen" 31 , 32, 33 zum Entladen der Ladekondensatoren sind den

15 elektronischen Schaltern von der Steuerschaltung 19 zugeführt. Über die Diode

16 27 wird in Durchlaßrichtung aus der Kondensatorspannung eine π Hilfsversorgungsspannung auf einer Leitung 34 gebildet. Die

18 Hilfsersorgungsspannung ist den Versorgungsspannungseingängen der

19 Steuerschaltung 19, des Auf/Abwärtszählers 22 und des nichtflüchtigen Speichers 0 21 zugeführt. Über die Diode 60 in Durchlaßrichtung ist die von außen über die 1 Leitung 58 zugeführte Versorgungsspannung mit der Hilfsversorgungsspannung 2 verbunden. Somit werden im normalen Betriebsfall bei anstehender

23 Versorgungsspannung Steuerschaltung, Auf/Abwärtszähler und nichtflüchtiger 4 Speicher zur Zählung der Wellenumdrehungen aus der von außen zugeführten 5 Versorgungsspannung versorgt. Bei Ausbleiben der von außen zugeführten 6 Versorgungsspannung werden der Fein-Drehwinkelsensor und die Auswerte- und 7 Schnittstellenschaltung nicht mehr mit Spannung versorgt, die Zählung der 8 Wellenumdrehungen wird durch die aus der Impulsformungs-Schaltung

29 abgeleiteten Hilfsversorgungsspannung fortgeführt. Die Steuerschaltung 19 gibt

30 ein Logiksignal "Ausgabe bereit" 36 zur Steuerung der Übergabe von

3i Umdrehungswerten an die Auswerte- und Schnittstellen-Schaltung 20 und die

32 Logiksignale "In nichtflüchtigen Speicher schreiben" 37 und "Aus nichtflüchtigem

33 Speicher lesen" 38 zur Steuerung des nichtflüchtigen Speicher 21 aus. Weiterhin

34 ist die Steuerschaltung über ein Logiksignal "Zählrichtung" 42 sowie einen

35 Zustandsvektor "Letzter Umdrehungszustand" Z = [Z1 , Z2, Z3] bestehend aus den

36 Logiksignalen Z1 , Z2, Z3 43, 44, 45 mit dem nichtflüchtigen Speicher verbunden.

37 Weiterhin gibt die Steuerschaltung Logiksignale "Takt" 39, "Auf/Ab" 40 und

1 "Zähler setzen" 41 an den Auf/Abwärtszähler aus. Für das Laden und

2 Zurückschreiben der Umdrehungszahl ist der Auf/Abwärtszähler mit dem

3 nichtflüchtigen Speicher über ein Datenwort "Umdrehungen", bestehend aus den

4 Datenbit DO, D1 , ... Dn 46, 47, 48, .. 49, verbunden. Der nichtflüchtige Speicher

5 ist mit der Auswerte- und Schnittstellen-Schaltung 20 über die Logiksignale

6 "Zählrichtung-Ausgabe" 50 sowie einen Zustandsvektor "Letzter

7 Umdrehungszustand-Ausgabe" Z' = [Z1 ', Z2', Z3'] bestehend aus den

8 Logiksignalen Z1 ', Z2', Z3' 51 , 52, 53 und über ein Datenwort "Umdrehungen-

9 Ausgabe", bestehend aus den Datenbit DO', D 1 ', ... Dn' 54, 55, 56, .. 57, mit der 10 Auswerte- und Schnittstellen-Schaltung verbunden. Der nichtflüchtige Speicher ist n in ferroelektrischer Technologie ausgeführt. Er besteht aus einem Datenwort,

12 aufgeteilt auf beispielsweise zwölf Bit als Speicher für die Umdrehungszahl, drei

13 Bit als Speicher für den Zustandsvektor "Letzter Umdrehungszustand" Z und ein

14 Bit für die "Zählrichtung" 42. Speicherbausteine in ferroelektrischer

15 Speichertechnologie zeichnen sich durch besonders geringen Stromverbrauch

16 und durch schnellen Lese- und Schreibzugriff aus. Das Speicherelement der π ferroelektrischen Speichertechnologie ist ein elektrischer Kristall-Dipol. Ähnlich

18 einem ferromagnetischem Dipol ändert dieser seine Ausrichtung durch Anlegen

19 eines elektrischen Feldes und behält diese ohne Versorgungsspannung. In einer

20 anderen Ausführungsform nach Unteranspruch 7 wird der nichtflüchtige Schreib-

21 /Lesespeicher 21 als statischer Halbleiterspeicher in CMOS Technologie mit einer

22 Pufferbatterie oder einem Pufferkondensator ausgeführt. Da die

23 Bewegungssensoren keine Versorgungsspannung benötigen, weist diese

24 Ausführungsform einen vorteilhaft niedrigen Versorgungsstrom für den Betrieb

25 des nichtflüchtigen Speichers auf, so daß die Pufferbatterien über eine längere

26 Lebensdauer verwendbar bleiben.

27 Fig. 10 zeigt beispielhaft die von den drei Impulsdrahtsensoren 6, 7, 8

28 erzeugten Spannungsimpulse und deren Zuordnung zum absoluten Drehwinkel

29 der Drehwelle 2:

30

31 WA = WF + N x 360 ^° .

32

33 wobei

34 N: Anzahl der Wellenumdrehungen

35 WA: Absoluter Drehwinkel

36 WF: Drehwinkel über eine Umdrehung

37

Durch die Spannungsimpulse U1 , U2, U3 wird eine Umdrehung der Welle in drei Sektoren I, II, III eingeteilt. Das Auftreten eines Spannungsimpulses U1 zeigt bei Linksdrehung den Übergang des Wellendrehwinkels von Sektor III nach Sektor I an, bei Rechtsdrehung den Übergang von Sektor I nach Sektor III. Entsprechendes gilt für die Spannungsimpulse U2, U3. Die Winkelstellung der Drehwelle kann somit durch Auswertung der durch die Spannungsimpulse U1 , U2, U3 gegebenen Zustände bei Berücksichtigung von vergangenen Zuständen U1 (-1), U2(-1), U3(-1) einem der Sektoren I, II oder III zugeordnet werden. Die Anzahl der Wellenumdrehungen kann bei entsprechender, nachfolgend dargestellten, Auswertung der Spannungsimpulse gezählt werden. Nachfolgend wird für eine Anordnung nach Unteranspruch 8 das Zusammenwirkungen der Bewegungssensoren 6, 7, 8, der elektronischen Zählschaltung 13, der Impulsformungs-Schaltungen 16, 17, 18, der Steuerschaltung 19, dem setzbaren Auf-/Abzähler 22, dem nichtflüchtigen Schreib-/Lesespeicher 21 und der Auswerte- und Schnittstellen-Schaltung 20 anhand von logischen Beziehungen und Steuersequenzen beschrieben. Der "Impulsspannungsvektor" Y = [Y1 , Y2, Y3] nimmt die Werte Y = [100], Y = [010], und Y = [001 ] mit folgender Bedeutung an:

Y = [100]: aktuelle Schaltmagnetstellung in Winkelsegment I oder III Y = [010]: aktuelle Schaltmagnetstellung in Winkelsegment I oder II Y = [001]: aktuelle Schaltmagnetstellung in Winkelsegment II oder III

Der Zustandsvektor "Letzter Umdrehungszustand" Z = [Z1 , Z2, Z3] nimmt die Werte Z = [100], Z = [010] und Z = [001 ] mit folgender Bedeutung an:

Z = [100]: letzte Schaltmagnetstellung in Winkelsegment I oder III

Z = [010] letzte Schaltmagnetstellung in Winkelsegment I oder II Z = [001] letzte Schaltmagnetstellung in Winkelsegment II oder III

Das Logiksignal "Zählrichtung" RB hat folgende Bedeutung RB = 0: Rechtsdrehung, Zählrichtung abwärts RB = 1 : Linksdrehung, Zählrichtung aufwärts

Der Zustandsvektor "Letzter Umdrehungszustand" Z und das Logiksignal "Zählrichtung" werden im nichtflüchtigen Speicher abgelegt.

ι Nach Aufbau der Hilfsversorgungspannung UV als Folge eines

2 Spannungsimpulses von einem der Bewegungssensoren arbeitet die

3 Steuerschaltung folgende Steuersequenz ab:

4

5 Schritt 1 : Warten auf Spannungsimpuis, dann fortfahren mit Schritt 2

6 Schritt 2: Auf-/Abzähler 22 aus nichtflüchtigem Speicher laden,

7 Impulsspannungsvektor Y = [Y1 , Y2, Y3] einlesen, Zustandsvektor "Letzter

8 Umdrehungszustand" Z = [Z1 , Z2, Z3] aus nichtlüchtigem Speicher laden

9 Schritt 3: Auf-/Abzähler unter Auswertung von Zählrichtung,

10 Impulsspannungsvektor Y und Zustandsvektor "Letzter Umdrehungszustand" Z n über die Logiksignale "Takt", "Auf/Ab", "Zähler Setzen" inkrementieren,

12 dekrementieren oder nicht ändern

13 Schritt 4: Neue Zählrichtung ermitteln, Zählrichtungsbit entsprechend setzen

14 Schritt 5: Inhalt des Auf-/Ab-Zählers 22 in nichtflüchtigen Speicher 21

15 schreiben, Impulsspannungsvektor Y als Zustandsvektor "Letzter

16 Umdrehungszustand" Z und Richtungsbit RB in den nichtflüchtigen Speicher π schreiben.

18 Schritt 6: Falls externe Versorgungsspannung anliegend: Inhalt des

19 nichtflüchtigen Speichers 21 mit Hilfe des Logiksignals "Ausgabe bereit" 36 an die

20 Auswerte- und Schnittstellen-Schaltung 20 ausgeben.

^• 21 Schritt 7: Ladekondensator durch Ansteuern des elektronischen Schalters

22 entladen. Mit Schritt 1 fortfahren

23

24 Die Steuersequenz bewirkt, daß der Auf-/Abwärtszähler mit dem Inhalt des

25 nichtflüchtigen Speichers geladen, abhängig vom Impulsspannungsvektor Y,

26 Zustandsvektor "Letzter Umdrehungszustand" Z und Zählrichtungsbit RB

27 inkrementiert bzw. dekrementiert und wieder in den nichtflüchtigen Speicher

28 zurückübertragen wird.

29

ι Das Zählrichtungsbit RB wird entsprechend der logischen Auswertung in den

2 Gleichungen (G1) bis (G9) gesetzt:

3

4 Falls Z = [100] UND Y = [001] dann RB = 0 (abwärts) (G1)

5 Falls Z = [100] UND Y = [010] dann RB = 1 (aufwärts) (G2)

6 Falls Z = [100] UND Y = [100] dann keine Änderung von RB (G3)

7

8 Falls Z = [010] UND Y = [100] dann RB = 0 (abwärts) (G4)

9 Falls Z = [010] UND Y = [001 ] dann RB = 1 (aufwärts) (G5) 10 Falls Z = [010] UND Y = [010] dann keine Änderung von RB (G6) n

12 Falls Z = [001 ] UND Y = [010] dann RB = 0 (abwärts) (G7)

13 Falls Z = [001 ] UND Y = [100] dann RB = 1 (aufwärts) (G8)

14 Falls Z = [001 ] UND Y = [001 ] dann keine Änderung von RB (G9)

15

16 Das Verändern des Auf-/Abwärtszählers wird abhängig vom π Impulsspannungsvektor Y, Zustandsvektor "Letzter Umdrehungszustand" Z und

18 Zählrichtungsbit RB nach folgenden logischen Beziehungen durchgeführt:

19 0 Falls Z = [001] UND Y = [100] UND RB = 1 dann N = N+1 (G10)

21 Falls Z = [010] UND Y = [100] UND RB = 0 dann N = N-1 (G1 1 )

22 Falls Z = [100] UND Y = [010] UND RB = 0 dann N = N+1 (G12)

23 Falls Z = [100] UND Y = [001 ] UND RB = 1 dann N = N-1 (G13)

24 Für alle anderen Zustände N = N (G14)

25

26 Die Gleichungen (G10) und (G11) sagen aus, daß jeder Impuls U1 des

27 Bewegungssensors 6 bei monotoner Drehbewegung der Drehwelle 2 in positiver

28 bzw. negativer Drehrichtung den Auf-/Abwärtszähier um den Wert "1 "

29 inkrementiert bzw. dekrementiert. Die Gleichungen (G12) und (G13) sagen aus,

30 daß nach Drehrichtungsumkehr gegebenenfalls die Impulse U2, U3 der

3i Bewegungssensoren 7 und 8 zum inkrementieren bzw. dekrementieren des

32 Umdrehungszählers ausgewertet werden.

33

34 Die Auswerte- und Schnittstellen-Schaltung 20 setzt den Meßwert des Fein-

35 Drehwinkelsensors und den im nichtflüchtigen Speicher abgelegten Wert des

36 Umdrehungszählers zu einem absoluten Meßwert für den Drehwinkel zusammen.

37 Da die relative Lage der spannunggenerierenden Bewegungssensoren 6, 7, 8

ι bezüglich der Stellung des Fein-Drehwinkelsensors mit Fertigungs- und

2 Bauelement-Toleranzen behaftet ist, muß zur Ermittlung der absoluten

3 Winkelstellung WA der Drehwelle der Wert des Fein-Drehwinkelsensors 3, der im

4 nichtflüchtigen Speicher 21 abgelegte Zählerstand, der Zustandsvektor "Letzter

5 Umdrehungszustand" Z und das Zählrichtungsbit ausgewertet werden. Diese

6 Auswertung berücksichtigt außerdem die in Verbindung mit einer

7 Drehrichtungsumkehr auftretenden Übergangszustände nach Gleichung (G12)

8 und (G13), sie synchronisiert die Information des Umdrehungszählers mit der

9 Winkelstellung des Fein-Drehwinkelsensors. Das Ergebnis ist ein korrigierter

10 Zählerstand N' als Funktion der Winkelstellung des Fein-Drehwinkelsensors, des n Zustandsvektors "Letzter Umdrehungszustand" Z und der "Zählrichtung" RB. Die

12 Auswertung erfolgt nach dem Algorithmus:

13

14 Falls RB = 1 UND Z = [100] UND WF < 180 ^° dann N' = N (G 19)

15 Falls RB = 1 UND Z = [100] UND WF > 180 ^° dann IST = N-1 (G20)

16 Falls RB = 0 UND Z = [100] UND WF < 180 ^° dann N' = N+1 (G21 ) π Falls RB = 0 UND Z = [100] UND WF > 180 ^° dann N' = N (G22)

18

19 Falls RB = 1 UND Z = [010] UND WF < 300 ^° dann N" = N (G23) 0 Falls RB = 1 UND Z = [010] UND WF > 300 ^° dann N' = N-1 (G24)

21 Falls RB = 0 UND Z = [010] UND WF < 300 ^° dann N' = N (G25)

22 Falls RB = 0 UND Z = [010] UND WF > 300 ^° dann IST = N-1 (G26)

23

24 Falls RB = 1 UND Z = [001 ] UND WF < 60 ^° dann N' = N+1 (G27) 5 Falls RB = 1 UND Z = [001] UND WF > 60 ^° dann N' = N (G28)

26 Falls RB = 0 UND Z = [001 ] UND WF < 60 ^° dann N' = N+1 (G29)

27 Falls RB = 0 UND Z = [001] UND WF > 60 ^° dann N' = N (G30)

28

29 Dabei ist:

30 RB: Zählrichtung

31 WF: Winkelstellung gemessen mit Fein- Winkelsensorelement

32 N: Anzahl der Umdrehungen im nichtflüchtigen Speicher 21

33 N': Korrigierte Anzahl der Umdrehungen

34

ι Die absolute Winkelstellung WA der Drehwelle 2 über mehrere

2 Umdrehungen wird gebildet durch die Kombination des Winkelmeßwerts WF des

3 Fein-Drehwinkelsensors 3 mit dem korrigierten Zählerstand N ¹ . Dies wird durch

4 die Auswerte- und Schnittstellen-Schaltung 20 ausgeführt:

5

6 WA = WF + N' x 360 ^° .

7

8 mit

9 WA: absoluter Winkel der Drehwelle über mehrere Umdrehungen 10 WF: absoluter Winkel der Drehwelle über eine Umdrehungen n N ¹ : korrigierte Anzahl der Umdrehungen

12

13 Die absolute Winkelstellung wird von der Auswerte- und Schnittstellen-

14 Schaltung 20 über die Datenschnittstelle mit Leitungen 14 der übergeordneten

15 Einheit 15 zugeführt. Da für die praktische Anwendung der Umdrehungszähler

16 meist auf einen vorbestimmten Wert gesetzt werden muß, ist die Übertragung π eines Zahlenwerts von der übergeordneten Einheit 15 in den nichtflüchtigen

18 Speicher des Drehwinkelsensors vorgesehen.

19 Fig. 11 zeigt eine alternative graphische Darstellungsform der in den

20 Gleichungen G1 bis G14 beschriebenen logischen Beziehungen zur Zählung der

21 Wellenumdrehungen in Form eines Zustandsdiagramms. Danach ist die

22 Bewegung der Drehwelle mit Hilfe von vier logischen Zuständen S(1 L) 100, S(1 R)

23 101 , S(2) 102, S(3) 103 und zehn Zustandsübergängen entsprechend der

24 Wellenumdrehung in oder gegen den Uhrzeigersinn dargestellt.

25

26 Es bedeuten Zustand

27 S(1 L): aktuelle Schaltmagnetstellung in Winkelsegment I oder III

28 letzte Zählrichtung "aufwärts"

29 S(1 R): aktuelle Schaltmagnetstellung in Winkelsegment I oder III

30 letzte Zählrichtung "abwärts"

31 S(2): aktuelle Schaltmagnetstellung in Winkelsegment I oder II

32 S(3): aktuelle Schaltmagnetstellung in Winkelsegment II oder III

33

ι Folgende Übergänge zwischen den Zuständen sind möglich, die

2 Veränderungen des Zählerstands N des Umdrehungszählers und/oder des

3 Richtungsbit RB sind in der Tabelle dargestellt:

4

5 S(1 L) => S(2): RB = 1 , Übergang 107

6 S(1 R) => S(2) N = N+1 , RB = 1 , Übergang 109

7 S(1 L) => S(3) N = N-1 , RB = 0, Übergang 105

8 S(1R) => S(3) RB = 0, Übergang 106

9 S(3) => S(1 L): N = N+1 , RB = 1 , Übergang 104

10 S(2) => S(1 R): N = N-1 , RB = 0, Übergang 108 n S(2) => S(3): - RB = 1 , Übergang 110

12 S(3) => S(2): - RB = 0, Übergang 111

13 S(1 R) => S(1 R): - - Übergang 1 12

14 S(1 L) => S(1L): - - Übergang 1 13

15

16 Bei monotoner Linksdrehung der Welle erfolgen die Zustandsübergänge π 104, 107, 110 mit Inkrementieren des Auf-/Abzählers bei Übergang 104. Bei

18 monotoner Rechtsdrehung erfolgen die Zustandsübergänge 106, 108, 111 mit

19 Dekrementieren des Auf-/Abzählers bei Übergang 108. Bei Drehrichtungswechsel 0 innerhalb der Sektoren I und IM erfolgen die Zustandsübergänge 112 und 113

21 ohne Beeinflussung von Zähler oder Richtungsbit. Bei Richtungswechsel von 2 Linksdrehung nach Rechtsdrehung mit Verlassen der Sektoren I und IM erfolgt der 3 Zustandsübergang 105 mit Dekrementieren des Zählers. Bei Richtungswechsel 4 von Rechtsdrehung nach Linksdrehung mit Verlassen der Sektoren I und III erfolgt 5 der Zustandsübergang 109, mit Inkrementieren des Zählers. Das Richtungsbit 6 wird logisch "1 " gesetzt bei den Zustandsübergängen 107, 109, 110, 104, es wird

27 logisch "0" gesetzt bei den Zustandsübergängen 105, 106, 108, 111. Die 8 Auswertung des Richtungsbit erfolgt vor Ausführung des entsprechenden 9 Zustandsübergangs, die Aktualisierung erfolgt danach. 0 31