DE4311267A1 - Position sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Positionsgeber zur Überwachung der Radialwinkelstellung und/oder der Winkelgeschwindigkeit und/oder der Drehrichtung einer insbesondere von einem Elektromotor angetriebenen Welle.The invention relates to a position transmitter for monitoring the radial angular position and / or the angular velocity and / or the direction of rotation of one in particular Electric motor driven shaft.
Positionsgeber kommen bei der Überwachung und automatisier ten Steuerung von mit Elektromotoren erzeugten Bewegungs vorgängen zum Einsatz. Dabei werden derartige Positionsgeber häufig im Dauerbetrieb betrieben, wobei schnelle Änderungen der Wellendrehzahl sowie Reversierungen der Drehrichtung der Welle auftreten können, die zu einer nicht unerheblichen mechanischen Beanspruchung solcher Positionsgeber beitragen.Position sensors come with the monitoring and automate control of motion generated by electric motors operations. Such position transmitters often operated continuously, with quick changes the shaft speed and reversing the direction of rotation of the Wave can occur, which is a not inconsiderable mechanical stress of such position sensors contribute.
Weiterhin kann bei einer Reversierung der Drehrichtung des Motors eine Axialverschiebung der Welle auftreten, die zu Störungen im Meßbetrieb und in ungünstigen Fällen auch zur Schädigung des Positionsgebers führen kann.Furthermore, when reversing the direction of rotation of the Motors an axial displacement of the shaft occur that too Malfunctions in measuring operation and in unfavorable cases also for Can cause damage to the position encoder.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Positionsgeber der ein gangs genannten Art zu schaffen, der kompakt und robust aus gebildet und in einfacher Weise mit unterschiedlichen Elek tromotorausführungen koppelbar ist, im Betrieb eine hohe Zu verlässigkeit aufweist und dabei insbesondere unempfindlich gegen ein Axialspiel der Motorwelle ist.The object of the invention is to provide a position sensor gangs mentioned to create the compact and robust formed and in a simple manner with different elec tromotor designs can be coupled, a high closing in operation has reliability and is particularly insensitive against axial play of the motor shaft.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnen den Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.To solve this problem, the features of the label the part of claim 1 provided.
Durch die Anzahl der auf dem Läuferumfang vorgesehenen magne tischen Nord- und Südpole kann die Auflösung der Positions winkelmessung des Positionsgebers festgelegt werden, wobei durch entsprechende Wahl der Anzahl der Nord- und Südpole eine Auflösung der Radialwinkelstellung der Motorwelle im Bereich von 3° problemfrei zu erreichen ist. Wird eine der artige Meßgenauigkeit nicht benötigt, so ist es auch mög lich, den Läufer ggf. nur mit einem Nord- und einem Südpol auszustatten.By the number of magne provided on the circumference of the runner The north and south poles can resolve the position angle measurement of the position encoder can be set, where by appropriate choice of the number of north and south poles a resolution of the radial angular position of the motor shaft in Range of 3 ° can be reached without problems. If one of the like measuring accuracy is not required, so it is also possible Lich, the runner, if necessary, only with a north and a south pole equip.
Für die Bestimmung der Drehrichtung der Welle werden von zwei Magnetfeldsensoren zwei gegeneinander phasenverschobene Ausgangssignale A und B erzeugt. Die Größe der Phasenver schiebung der Ausgangssignale A und B ergibt sich hierbei aus der Anzahl der auf dem Läufer vorgesehenen magnetischen Nord- und Südpole und aus dem Radialwinkel, unter dem die beiden Magnetfeld-Sensoren gegeneinander ausgerichtet sind. Beim Auftreten einer Drehrichtungsumkehr der Welle ändert die Phasenverschiebung zwischen den Ausgangssignalen A und B ihr Vorzeichen und ermöglicht daher zu jedem Zeitpunkt eine Bestimmung der Drehrichtung der Welle.To determine the direction of rotation of the shaft, two magnetic field sensors two out of phase with each other Output signals A and B generated. The size of the phase ver shift of the output signals A and B results here from the number of magnetic provided on the rotor North and South Poles and from the radial angle at which the two magnetic field sensors are aligned with each other. If the direction of rotation of the shaft changes the phase shift between the output signals A and B. their sign and therefore enables one at any time Determination of the direction of rotation of the shaft.
Notwendige Voraussetzung für eine Bestimmung der Drehrich tung der Welle ist das Auftreten einer Phasenverschiebung zwischen den Ausgangssignalen A und B, nicht jedoch die Größe dieser Phasenverschiebung. Daher sind eine Vielzahl von baulichen Ausführungsformen in Bezug auf Magnetpolanzahl des Läufers und Radialwinkelstellung der beiden Magnetfeld sensoren möglich, die alle zu einer Phasenverschiebung der Ausgangssignale A und B führen und daher eine Drehrichtungs bestimmung erlauben.Necessary prerequisite for a determination of the rotary device of the wave is the occurrence of a phase shift between the output signals A and B, but not the Size of this phase shift. Therefore, a variety of structural embodiments with regard to the number of magnetic poles of the rotor and radial angular position of the two magnetic fields possible sensors, all of which lead to a phase shift of the Output signals A and B lead and therefore a direction of rotation allow determination.
Wesentlich für die Erfindung ist weiterhin, daß die Meßwert erfassung durch die Hall-Sensoren berührungsfrei erfolgt. Durch die Vermeidung jeglicher mechanischer Meßkomponenten, beispielsweise von Schleifkontakten oder ähnlichem, entfal len ansonsten notwendige Wartungs- und Austauscharbeiten an Verschleißteilen. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Meß anordnung erhöht und ihre Eignung für den Dauerbetrieb ver bessert. It is also essential for the invention that the measured value detection by the Hall sensors takes place without contact. By avoiding any mechanical measuring components, for example, sliding contacts or the like, omitted other maintenance and replacement work Wear parts. This will increase the reliability of the measurement arrangement increased and their suitability for continuous operation ver improves.
Da die das Magnetfeld des Läufers erfassenden Magnetfeldsen soren mit Abstand, d. h. berührungsfrei um den rotierenden Läufer angeordnet und die Magnetpole in Axialrichtung ausrei chend dimensioniert sind, wird auch erreicht, daß ein in ge wissen Grenzen auftretendes Axialspiel der Motorwelle keinen Einfluß auf das Meßverhalten des Positionsgebers hat. Da durch wird ebenfalls die Funktionssicherheit des Positions gebers vorteilhaft beeinflußt.Because the magnetic fields that detect the magnetic field of the rotor sensors at a distance, d. H. non-contact around the rotating Arranged rotor and the magnetic poles in the axial direction chend dimensioned, it is also achieved that a ge do not know any axial play of the motor shaft Has an influence on the measuring behavior of the position encoder. There is also the functional reliability of the position beneficially influenced.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Läufer aus einem Ferrit mit angespritztem Kunststoff-Flansch, wobei dieser eine Innenkerbverzahnung und die Welle entsprechend eine Außenkerbverzahnung aufweist. Der Ferrit ist dabei am Umfang mehrpolig lateral magnetisiert.According to a preferred embodiment, the runner is made made of a ferrite with molded plastic flange, whereby this an internal serration and the shaft accordingly has an external serration. The ferrite is on Multi-pole circumference laterally magnetized.
Darüberhinaus ist durch die einfache, in einer Ebene liegen de Anordnung von Läufer und der an einer abnehmbaren Platine angebrachten Magnetfeldsensoren eine problemlose Zugänglich keit der Meßanordnung bei eventuell erforderlichen Montage- oder Wartungsarbeiten gegeben.Furthermore, due to the simple, lie in one level de Arrangement of the rotor and that on a removable board attached magnetic field sensors an easy access speed of the measuring arrangement if assembly or maintenance work.
Ein herkömmlicher Impulszähler kann direkt an den Positions geber angeschlossen werden, wobei das von dem Positionsgeber erzeugte binäre Drehrichtungssignal die Zählrichtung des Zäh lers bestimmt und das Zählsignal den Zähler entsprechend in krementiert oder dekrementiert.A conventional pulse counter can be directly on the positions encoder are connected, the position encoder generated binary direction of rotation signal the counting direction of the count lers determined and the count signal the counter accordingly in incremented or decremented.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Läufer eine ungerade Anzahl von magnetischen Nord- und Südpolen auf weisen und die Magentfeldsensoren können unter einem Winkel von 90° gegeneinander ausgerichtet sein. Unter diesen Voraus setzungen ergibt sich eine Phasenverschiebung der Ausgangs signale A und B von 90°. According to an advantageous embodiment, the runner an odd number of magnetic north and south poles point and the magnetic field sensors can at an angle 90 ° to each other. Under that advance there is a phase shift of the output signals A and B of 90 °.
Eine besonders kompakte Anordnung ergibt sich, wenn der Po sitionsgeber in einem an das Motorgehäuse angeschlossenen Zusatzgehäuse untergebracht ist, wobei das Zusatzgehäuse als eine Verlängerung des Motorgehäuses mit im wesentlichen ei ner dem Motorgehäuse entsprechenden Querschnittsform ausge bildet sein kann.A particularly compact arrangement results when the bottom sition transmitter in a connected to the motor housing Additional housing is housed, the additional housing as an extension of the motor housing with essentially egg ner cross-sectional shape corresponding to the motor housing forms can be.
Bei einer in konstruktiver Hinsicht besonders vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Anordnung des Positionsgebers an einem von einer Motorwelle durchsetzten Motorschild, wobei zur Positionierung der Magentfeldsensoren ein den Läufer ra dial außen konzentrisch umgebender Trägerring vorgesehen ist, der sowohl mit der Platine als auch mit dem Motorschild fest verbunden ist.With a particularly advantageous in terms of construction Embodiment is the arrangement of the position sensor a motor shield penetrated by a motor shaft, whereby to position the magnetic field sensors on the rotor dial outside concentrically surrounding carrier ring provided is that with both the circuit board and the motor plate is firmly connected.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Positiongebergehäuses be steht darin, daß zusammen mit dem Motorlagerschild gleich ein entsprechender Gehäusewandabschnitt mitgegossen wird, so daß nur noch ein Enddeckel als zusätzlich zu montierende Kom ponente hinzukommt. Dieser Enddeckel kann ggf. ein Loch für die Wellendurchführung aufweisen, um z. B. eine Montagemög lichkeit für einen Lüfter, eine externe Bremse und derglei chen zu schaffen.A preferred embodiment of the position sensor housing be is that together with the engine end shield the same a corresponding housing wall section is also cast, so that only one end cover as an additional com component is added. This end cover may have a hole for have the shaft bushing to z. B. a Montagemög possibility for a fan, an external brake and the like to create chen.
Die vorzugsweise rund bzw. kreisförmig ausgebildete Platine besitzt Aussparungen, die es ermöglichen, Befestigungsschrau ben, z. B. für den Enddeckel, an der Platine vorbei in das Lagerschild zu schrauben. Auf diese Weise können aufwendige Schraubaufnahmen in der Gehäusewandung vermieden werden.The preferably round or circular circuit board has recesses that allow fastening screw ben, e.g. B. for the end cover, past the board in the Screw the end shield. This way, elaborate Screw receptacles in the housing wall can be avoided.
Grundsätzlich kann zur Erzeugung des am Zähler anliegenden Zählsignals wahlweise eines der Ausgangssignale A oder B ver wendet werden. Bevorzugt wird jedoch das Zählsignal sowohl aus dem Ausgangssignal A als auch dem Ausgangssignal B gebil det, indem beispielsweise jeder im Ausgangssignal A oder im Ausgangssignal B auftretende Puls zumindest einen Zählpuls im Zählsignal erzeugt.Basically can be used to generate the applied to the meter Count signal either one of the output signals A or B ver be applied. However, the count signal is preferred gebil from the output signal A and the output signal B. det, for example, each in the output signal A or in Output signal B occurring pulse at least one count pulse generated in the count signal.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist gegeben, wenn jede ansteigende und/oder abfallende Pulsflanke eines Pulses im Ausgangssignal A und/oder B in der Auswerteschal tung einen Zählpuls im Zählsignal erzeugt.A particularly advantageous embodiment is given if each rising and / or falling pulse edge of one Pulses in the output signal A and / or B in the evaluation scarf device generates a count pulse in the count signal.
Um mit Sicherheit zu gewährleisten, daß jeder Zählpuls des Zählsignals im Zähler entsprechend der aktuellen Drehrich tung der Welle in richtiger Zählrichtung registriert wird, ist vorzugsweise vorgesehen, daß das am Zähler anliegende Drehrichtungssignal bei jedem Auftreten eines Pulses in ei nem der Ausgangssignale A und B aus einem Vergleich der Pha senlage des aktuellen Pulses zum vorangegangenen Puls neu bestimmt wird, wobei insbesondere das dem Zähler zuführbare Zählsignal gegenüber dem Drehrichtungssignal elektronisch zeitverzögert ist, um sicherzustellen, daß beim Einlaufen eines jeden Zählpulses am Zähler bereits ein definierter Signalzustand des Drehrichtungssignals am Zähler vorliegt.To ensure with certainty that each counting pulse of the Count signal in the counter according to the current direction of rotation direction of the shaft is registered in the correct counting direction, it is preferably provided that the applied to the meter Direction of rotation signal every time a pulse occurs in egg nem of the output signals A and B from a comparison of the Pha position of the current pulse compared to the previous pulse is determined, in particular that which can be fed to the counter Electronic counter signal compared to the direction of rotation signal is delayed to ensure that when entering a defined one of each count pulse on the counter Signal state of the direction of rotation signal on the counter is present.
Zweckmäßigerweise kann eine Funktionskontrolle des Positions gebers über ein Funktionsstörungssignal erfolgen, das beim Auftreten von zumindest zwei aufeinanderfolgenden Pulsen in ein und demselben Ausgangssignal A oder B von der Auswerte schaltung erzeugt wird. Ein Ausfall einer der Magnetfeldsen soren führt daher in der Folge zu einem Ansprechen des Funk tionsstörungssignals.A functional check of the position can expediently be carried out take place via a malfunction signal that the Occurrence of at least two successive pulses in one and the same output signal A or B from the evaluation circuit is generated. A failure of one of the magnetic fields sensors will therefore subsequently cause the radio to respond tion fault signal.
Die von der Auswerteschaltung durchgeführte Signalverarbei tung erfolgt vorzugsweise direkt auf der die Magnetfeldsen soren tragenden Platine.The signal processing carried out by the evaluation circuit tion is preferably carried out directly on the magnetic fields soren carrying board.
Zur Anzeige eines der Ausgangssignale A oder B und/oder der Drehrichtung und/oder des Funktionsstörungssignals können jeweils Leuchtdioden auf der Platine vorgesehen sein, mit tels derer auch bei einer Endkontrolle, einer ersten Inbe triebnahme oder bei Wartungsarbeiten ein schnelles und pro blemloses Überprüfen der Funktionsfähigkeit des Positions gebers möglich ist.To display one of the output signals A or B and / or the Direction of rotation and / or the malfunction signal can each light-emitting diodes may be provided on the board with also during a final inspection, a first installation drive or maintenance work a quick and pro easy checking of the functionality of the position is possible.
Zweckmäßigerweise ist als elektrischer Ausgang eine am Gehäu se angebrachte, mehrpolige, elektrisch mit der Platine ver bundene Steckerbuchse vorgesehen, die zumindest Anschlüsse für das Zählsignal und das Drehrichtungssignal aufweist, und darüber hinaus wahlweise Anschlüsse der Ausgangssignale A und/oder B, des Funktionsstörungssignals, eines analogen Drehzahlausgangssignals, Anschlüsse für die Versorgungsspan nung des Positionsgebers und einen spannungsstabilisierten Spannungsausgang aufweist, der zur Spannungsversorgung eines direkt auf die Buchse aufsetzbaren Meßgerätes vorgesehen ist.Expediently, one is on the housing as the electrical output attached, multi-pole, electrically ver with the board tied plug socket provided, the at least connections for the count signal and the direction of rotation signal, and in addition, optional connections of the output signals A and / or B, the malfunction signal, an analog Speed output signal, connections for the supply chip position encoder and a voltage-stabilized Has voltage output that for the voltage supply of a Provided directly on the socket attachable measuring device is.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:The invention is described below, for example, with the aid of Drawing described; in this shows:
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung eines in einem Zusatzgehäuse an einem Mo torgehäuse befindlichen Positions gebers; Figure 1 is a longitudinal sectional view of a position sensor located in an additional housing on a Mo torgehäuse.
Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung des Po sitionsgebers aus Fig. 1; Fig. 2 is a longitudinal sectional view of the position transmitter from Fig. 1;
Fig. 3 eine Seitenansicht des Läuferumfan ges aus Fig. 2; FIG. 3 shows a side view of the rotor runner from FIG. 2; FIG.
Fig. 4 eine Aufsicht auf den Positionsgeber von Punkt X aus gesehen bei abgenom menen Deckel des Zusatzgehäuses; Fig. 4 is a plan view of the position sensor from point X seen at abgenom men lid of the additional housing;
Fig. 5 ein Funktionsdiagramm der Auswerte schaltung des Positionsgebers; und Fig. 5 is a functional diagram of the evaluation circuit of the position transmitter; and
Fig. 6 eine Darstellung der Ausgangssignale A und B sowie des Drehrichtungs signals und eines Zählpulses bei Drehrichtungsumkehr der Welle. Fig. 6 shows the output signals A and B and the direction of rotation signal and a counting pulse when the direction of rotation of the shaft is reversed.
In Fig. 1 ist eine Einheit bestehend aus einem Motor 10 und einem Positionsgeber 12 dargestellt, die ein stirnseitig durch ein Motorschild 14 abgeschlossenes Motorgehäuse 16 und ein an das Motorschild 14 angeschlossenes Zusatzgehäuse 18 mit einem stirnseitig angebrachten Abschlußdeckel 20 auf weist. Zentral im Motorgehäuse 16 verläuft eine mit einem konzentrischen Motoranker 22 versehene Motorwelle 24, die im Bereich des Motorankers 22 von einer koaxial angeordneten, gehäusefesten Erregerwicklung 26 umgeben ist. Der Motor schild 14 weist eine Zentralbohrung 28 auf, durch die die Motorwelle 24 in das Zusatzgehäuse 18 durchgeführt ist, und in deren Innenumfangsbereich ein Lager 30 zur Lagerung der Motorwelle 24 vorgesehen ist. Das entgegengesetzte, im lin ken Teil der Fig. 1 gezeigte Ende der Motorwelle 24 dient der Kraftübertragung auf eine nicht näher dargestellte mechanische Vorrichtung, beispielsweise einem Getriebe.In Fig. 1, a unit consisting of a motor 10 and a position sensor 12 is shown, which has a motor housing 16 , which is closed at the end by a motor shield 14 , and an additional housing 18 connected to the motor shield 14 with an end cover 20 attached at the end. A motor shaft 24 provided with a concentric motor armature 22 runs centrally in the motor housing 16 and is surrounded in the region of the motor armature 22 by a coaxially arranged excitation winding 26 fixed to the housing. The motor shield 14 has a central bore 28 through which the motor shaft 24 is passed into the additional housing 18 , and in the inner circumferential area a bearing 30 is provided for mounting the motor shaft 24 . The opposite, shown in the lin ken part of FIG. 1, the end of the motor shaft 24 is used to transmit power to a mechanical device, not shown, such as a transmission.
Innerhalb des Zusatzgehäuses 18 ist die Motorwelle drehfest mit einem zylindrischen Läufer 32 gekoppelt, der über die Umfangsfläche mit einer in Umfangsrichtung alternierend ange ordneten Anzahl von magnetischen Nord- und Südpolen versehen ist. Der Läufer 32 ist radial außen berührungsfrei von einem konzentrischen Trägerring 34 umgeben, der in einer Führungs nut 36 des Motorschilds 14 in Paßsitzverbindung aufgenommen ist und der an seiner dem Motorschild 14 entgegengesetzten Stirnseite über eine Schraubverbindung 38 mit einer im we sentlichen senkrecht zur Motorwelle 24 verlaufenden Platine 40 verbunden ist.Within the additional housing 18 , the motor shaft is rotatably coupled to a cylindrical rotor 32 which is provided on the circumferential surface with an alternating number of magnetic north and south poles in the circumferential direction. The rotor 32 is radially outside contact-free surrounded by a concentric support ring 34 which is received in a guide groove 36 of the motor shield 14 in a snug fit connection and which on its end opposite the motor shield 14 via a screw connection 38 with a substantially perpendicular to the motor shaft 24 Board 40 is connected.
Die Platine 40 weist in ihrem Zentralbereich eine Durch trittsöffnung 42 auf, die von dem Endabschnitt der Motorwelle 24 durchlaufen ist. Ferner ist die Platine 40 über ihre elektrischen Zuleitungen 44 an einer am Zusatzgehäuse 18 vorgesehenen Steckerbuchse 57 gehaltert.The board 40 has in its central region a passage opening 42 which is traversed by the end portion of the motor shaft 24 . Further, the circuit board is mounted 40 on their electrical leads 44 to an opening provided on the auxiliary housing 18 receptacle 57th
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des erfindungsge mäßen Positionsgebers aus Fig. 1. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daß der Trägerring 34 an seinem Innenumfang mit einer in der Zeichenebene liegenden Axialnut 46 versehen ist, in der ein Magnetfeldsensor, im allgemeinen ein Hall- Element, in geringem Abstand radial oberhalb der magnetisier ten Umfangsfläche des Läufers 32 geführt aufgenommen ist. Der Hall-Sensor ist dabei über seine Zuleitungsdrähte 50 mit der Platine 40 elektrisch leitend verbunden. Fig. 2 shows an enlarged view of the position sensor according to the invention from Fig. 1. From this illustration it can be seen that the carrier ring 34 is provided on its inner circumference with an axial groove 46 lying in the plane of the drawing, in which a magnetic field sensor, generally a Hall Element, a small distance radially above the magnetized th peripheral surface of the rotor 32 is received. The Hall sensor is electrically conductively connected to the circuit board 40 via its lead wires 50 .
Ein zweiter Hall-Sensor ist in gleicher Weise in einer zwei ten im Trägerring 34 vorgesehenen Axialnut aufgenommen, die gegenüber der ersten Axialnut 46 unter einem Winkel von 90° geneigt angeordnet und daher in Fig. 2 nicht sichtbar ist.A second Hall sensor is accommodated in the same way in a two-th axial groove provided in the carrier ring 34 , which is inclined at an angle of 90 ° with respect to the first axial groove 46 and is therefore not visible in FIG. 2.
Fig. 3 zeigt eine schematisierte Seitenansicht des Läufers 32 und macht die in Umfangsrichtung alternierende Abfolge von magnetischen Nord- und Südpolen auf der Umfangsfläche des Läufers 32 deutlich. FIG. 3 shows a schematic side view of the rotor 32 and clearly shows the alternating sequence of magnetic north and south poles on the peripheral surface of the rotor 32 in the circumferential direction.
In Fig. 4 ist die Platine 40 innerhalb des Zusatzgehäuses 18, gesehen in Richtung des Pfeiles X in Fig. 1 bei abge nommenem Abschlußdeckel 20, dargestellt. Das Zusatzgehäuse 18 weist einen im wesentlichen quadratischen Umriß auf und ist im Bereich der Ecken mit Schraubbohrungen 52 versehen, über die der Abschlußdeckel 20 sowie das Zusatzgehäuse 18 mittels Schrauben mit dem Motorgehäuse 16 verbunden werden. Das Zusatzgehäuse 18 weist an seinen seitlichen Außenflächen Kühlrippen 54 auf und ist an der Deckenfläche 56 mittig mit einer Steckerbuchse 57 versehen. An den in das Zusatzgehäuse 18 hineinragenden Zuleitungen 44 der Steckerbuchse 57 ist die Platine 40 aufgehängt.In Fig. 4, the circuit board 40 is shown within the additional housing 18 , seen in the direction of arrow X in Fig. 1 with the end cover 20 removed. The additional housing 18 has an essentially square outline and is provided in the region of the corners with screw holes 52 , via which the end cover 20 and the additional housing 18 are connected to the motor housing 16 by means of screws. The additional housing 18 has cooling ribs 54 on its lateral outer surfaces and is centrally provided with a plug socket 57 on the ceiling surface 56 . The circuit board 40 is suspended from the leads 44 of the plug socket 57 protruding into the additional housing 18 .
Wie in Fig. 4 angedeutet, ist die Platine 40 an ihrer dem Motorschild 14 abgewandten Seite mit einer Anzahl von elek tronischen Bauelementen 58 besetzt, die zu einer im folgen den noch näher erläuterten Auswerteschaltung 59 gehören. Weiterhin weist die Platine 40 mit der Auswerteschaltung in elektrischer Verbindung stehende Leuchtdioden 60, 60′ und 60′′ auf.As indicated in Fig. 4, the circuit board 40 is on its side facing away from the motor shield 14 with a number of electronic components 58 , which belong to an evaluation circuit 59 which will be explained in more detail below. Furthermore, the circuit board 40 has light-emitting diodes 60 , 60 'and 60 ''in electrical connection with the evaluation circuit.
Der Verlauf des Trägerrings 34 an der dem Motorschild 14 zu gewandten Seite der Platine 40 ist zum besseren Verständnis der Darstellung in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnet. Die Be festigung der Platine 40 am Trägerring 34 erfolgt über die drei Schraubverbindungen 38.The course of the carrier ring 34 on the side of the circuit board 40 facing the motor shield 14 is shown in dashed lines for better understanding of the illustration in FIG. 4. Be the mounting of the board 40 on the support ring 34 via the three screw connections 38th
Fig. 5 zeigt in schematisierter Darstellung die Verschal tung der elektronischen Auswerteschaltung 59 und der Stecker buchse 57. Die Ausgangssignale A und B der zwei Hall-Senso ren 48 liegen sowohl an den beiden Eingängen 70, 71 der Aus werteschaltung 59 als auch direkt an den Ausgangsanschlüssen 80, 81 der Steckerbuchse 57 an. Die Spannungsversorgung der Auswerteschaltung 59 erfolgt über den Eingangsspannungsan schluß 82 der Steckerbuchse 57 und beträgt zwischen 7 und 24 Volt Gleichspannung. Neben einem stabilisierten Gleichspan nungsausgang 83 weist die Auswerteschaltung 59 einen Ausgang des Zählsignals 84, des Drehrichtungssignals 85, eines Funk tionsstörungssignals 86 und einen analogen Drehzahlausgang 87 auf. Fig. 5 shows a schematic representation of the switching device of the electronic evaluation circuit 59 and the socket 57 . The output signals A and B from the two Hall sensors 48 are present both at the two inputs 70 , 71 of the evaluation circuit 59 and also directly at the output connections 80 , 81 of the plug socket 57 . The voltage supply to the evaluation circuit 59 takes place via the input voltage connection 82 of the socket 57 and is between 7 and 24 volts DC. In addition to a stabilized DC voltage output 83 , the evaluation circuit 59 has an output of the count signal 84 , the direction of rotation signal 85 , a functional interference signal 86 and an analog speed output 87 .
Bei einer Rotation der Motorwelle 24 tritt an den beiden Hall-Sensoren 48 jeweils ein Magnetfeld mit zeitlich wech selnder Polarität auf. Das Magnetfeld erzeugt in den Aus gangssignalleitungen A und B der Hall-Sensoren 48 eine Ab folge von elektrischen Pulsen, die aufgrund der 90° Winkel stellungsdifferenz der Hall-Sensoren 48 sowie wegen der un gradzahligen Anzahl von auf dem Läuferumfang vorgesehenen magnetischen Nord- bzw. Südpolen eine Phasenverschiebung von 90° gegeneinander aufweisen.When the motor shaft 24 rotates, a magnetic field with a temporally alternating polarity occurs at the two Hall sensors 48 . The magnetic field generates in the output signal lines A and B of the Hall sensors 48 a sequence of electrical pulses which, due to the 90 ° angular position difference of the Hall sensors 48 and due to the uneven number of magnetic north or Southern Poland have a phase shift of 90 ° to each other.
Die Auswerteschaltung 59 detektiert die über die Eingänge 70, 71 einlaufenden Signalpulse der Hall-Sensoren 48 sowohl anhand der ansteigenden als auch der abfallenden Pulsflanken und stellt am Ausgang 84 ein Zählsignal bereit, das pro ein laufendem Signalpuls - gleich ob am Eingang 70 oder 71 - zwei zeitlich definierte Zählpulse, jeweils einen für die ansteigende Pulsflanke und einen für die abfallende Puls flanke, aufweist.The evaluation circuit 59 detects the signal pulses from the Hall sensors 48 arriving via the inputs 70 , 71 both on the basis of the rising and falling pulse edges and provides a counting signal at the output 84 , which for each signal pulse running - regardless of whether at the input 70 or 71 - has two temporally defined counting pulses, one for the rising pulse edge and one for the falling pulse edge.
Die Höhe und Pulsdauer des Zählpulses ist durch die Konfigu rierung der Auswerteschaltung 59 bestimmt und ist im allge meinen so festgelegt, daß mit herkömmlichen Zählern eine sichere Detektion der Zählpulse gewährleistet ist. Beispiels weise können die erzeugten Zählpulse Rechteckform aufweisen und Pulshöhen im Voltbereich bei Pulslängen im Bereich von einigen µsec besitzen.The height and pulse duration of the count pulse is determined by the configuration of the evaluation circuit 59 and is generally defined in such a way that reliable detection of the count pulses is ensured with conventional counters. For example, the generated counting pulses can have a rectangular shape and have pulse heights in the volt range with pulse lengths in the range of a few microseconds.
Weiterhin ermittelt die Auswerteschaltung 59 anhand der Pha senlage der ansteigenden und abfallenden Pulsflanken der letzten zwei an den Eingängen 70 und 71 einlaufenden Signal pulse die aktuelle Drehrichtung der Motorwelle 24 und gibt ein die aktuelle Drehrichtung der Welle 24 anzeigendes Dreh richtungssignal 85 aus. Das Drehrichtungssignal 85 weist ent sprechend der zwei möglichen Drehrichtungszustände der Motor welle 24 zwei Signalzustände auf. Furthermore, the evaluation circuit 59 determines the current direction of rotation of the motor shaft 24 on the basis of the phase position of the rising and falling pulse edges of the last two signal pulses arriving at the inputs 70 and 71 and outputs a direction signal 85 indicating the current direction of rotation of the shaft 24 . The direction of rotation signal 85 has two signal states corresponding to the two possible directions of rotation of the motor shaft 24 .
Im Meßbetrieb ist der Zählsignalausgang 84 und der Drehrich tungssignalausgang 85 der Auswerteschaltung 59 an einen ex ternen, nicht dargestellten Zähler angeschlossen, der beim Auftreten eines Zählpulses je nach Wert des anliegenden Dreh richtungssignals 85 eine Inkrementierung oder eine Dekremen tierung des Zählerstandes um 1 durchführt. Um sicherzustel len, daß am Zähler zum Zeitpunkt des Einlaufens eines Zähl pulses bereits das aktuelle, d. h. das der diesen Zählpuls erzeugten Drehbewegung entsprechende Drehrichtungssignal 85 anliegt, wird das Zählsignal 84 in der Auswerteschaltung 59 gegenüber dem Drehrichtungssignal 85 um eine kleine Zeitspan ne, beispielsweise 10 µsec, verzögert. Dadurch wird auch ge währleistet, daß das Drehrichtungssignal 85 beim Auftreten eines Zählpulses am Zählsignalausgang 84 stets einen defi nierten Zustand aufweist, so daß der Zähler den Zählpuls immer eindeutig entweder als Dekrementierpuls oder als Inkre mentierpuls verbuchen kann.In measuring mode, the counting signal output 84 and the direction of rotation signal output 85 of the evaluation circuit 59 are connected to an external, not shown counter which, when a counting pulse occurs, depending on the value of the applied rotational direction signal 85, performs an incrementation or decrementing of the counter reading by 1. In order to ensure that the current direction of rotation signal 85 corresponding to the rotation generated by this counting pulse is already present at the counter at the time of the arrival of a counting pulse, the counting signal 84 in the evaluation circuit 59 is compared to the direction of rotation signal 85 by a small time span, for example 10 µsec, delayed. This also ensures that the direction of rotation signal 85 always has a defi ned state when a counting pulse occurs at the counting signal output 84 , so that the counter can always clearly register the counting pulse either as a decrementing pulse or as an incrementing pulse.
Zur weiteren Verdeutlichung der Funktionsweise der Auswerte schaltung 59 sind in Fig. 6 die bei einem Drehrichtungswech sel der Motorwelle 24 auftretenden Ausgangssignale A und B, das von der Auswerteschaltung 59 ermittelte Drehrichtungs signal 58 sowie ein ebenfalls von der Auswerteschaltung 59 erzeugter Zählpuls 84′ des Zählsignals 84 über einer Zeit achse dargestellt.To further illustrate the operation of the evaluation circuit 59 are the output signals A and B occurring in a rotation direction sel sel of the motor shaft 24 in Fig. 6, the direction of rotation signal 58 determined by the evaluation circuit 59 and a counting pulse 84 'of the counting signal also generated by the evaluation circuit 59 84 shown over a time axis.
Im linken Teil von Fig. 6 sind zwei in den Ausgangssignalen A und B auftretende, um 90° phasenverschobene Signalpulse eingezeichnet, die zur besseren Unterscheidung mit unter schiedlicher Amplitude dargestellt sind. Im vorliegenden Aus führungsbeispiel folgt aus der Tatsache, daß der Signalpuls im Ausgangssignal B vor dem Signalpuls im Ausgangssignal A auftritt, daß eine Drehrichtung der Motorwelle 24 im Gegen uhrzeigersinn vorliegt. Diesem Drehsinn ist ein spannungs freier Signalzustand des Drehrichtungssignals 85 zugeordnet. In the left part of FIG. 6 two signal pulses appearing in the output signals A and B are shown, which are phase-shifted by 90 ° and are shown with different amplitudes for better differentiation. In the present exemplary embodiment, it follows from the fact that the signal pulse in the output signal B occurs before the signal pulse in the output signal A that there is a direction of rotation of the motor shaft 24 in the counterclockwise direction. A voltage-free signal state of the direction of rotation signal 85 is assigned to this direction of rotation.
Erfolgt eine Drehrichtungsumkehr der Motorwelle 24, so kann es zum Auftreten eines einzelnen, langen Signalpulses B kom men, wie dies im mittleren Bereich der Fig. 6 dargestellt ist. Da hierbei die abfallende Pulsflanke am Signalausgang B noch vor Auftreten einer ansteigenden Impulsflanke am Signa lausgang A auftritt, d. h. die für eine stationäre Drehbewe gung charakteristische alternierende Abfolge von auf- und absteigenden Pulsflanken in den beiden Ausgangssignalen A und B durchbrochen ist, erfolgt mit Auftreten der abfallen den Impulsflanke im Ausgangssignal von B die Änderung des Signalzustandes am Drehrichtungssignal 85′. Gleichzeitig wird beim Auftreten der abfallenden Impulsflanke in der Aus werteschaltung 59 ein Zählsignalimpuls 84′ erzeugt, der, wie in Fig. 6 angedeutet, jedoch aus den bereits genannten Grün den um eine gewisse Zeitdauer verzögert ausgegeben wird. Hierbei ist in Fig. 6 zur besseren Darstellbarkeit sowohl die Zeitverzögerung als auch die Pulsdauer des Zählpulses 84′ gegenüber dem auf der Zeitachse aufgetragenen Zeitmaß stab stark vergrößert wiedergegeben.If the direction of rotation of the motor shaft 24 is reversed, a single, long signal pulse B can occur, as is shown in the middle area of FIG. 6. Since the falling pulse edge at the signal output B occurs before the occurrence of a rising pulse edge at the signal output A, ie the alternating sequence of rising and falling pulse edges characteristic of a stationary rotary movement is broken in the two output signals A and B, occurs when the drop the pulse edge in the output signal from B, the change in the signal state at the direction of rotation signal 85 '. At the same time, when the falling pulse edge occurs in the evaluation circuit 59, a count signal pulse 84 'is generated, which, as indicated in FIG. 6, is, however, outputted for a certain period of time for the reasons already mentioned. Here, in FIG. 6, both the time delay and the pulse duration of the counting pulse 84 'are reproduced in a greatly enlarged manner in comparison with the time scale plotted on the time axis.
Weiterhin ist am Ausgang 86 der Auswerteschaltung 59 ein Funktionsstörungssignal vorgesehen, das immer dann einen eine Funktionsstörung des Meßsystems anzeigenden Signalwert ausgibt, wenn jeweils zweimal hintereinander ein Signalpuls aus ein und demselben Ausgangssignal A oder B auftritt. Da her schaltet das Funktionsstörungssignal 86 bei einem Aus fall eines der Hall-Sensoren auf Störung.Furthermore, a malfunction signal is provided at the output 86 of the evaluation circuit 59 , which outputs a signal value indicating a malfunction of the measuring system whenever a signal pulse from one and the same output signal A or B occurs twice in succession. There, the malfunction signal 86 switches in the event of a failure of one of the Hall sensors to malfunction.
Ein kurzzeitiges Ansprechen des Funktionsstörungssignals, das jedoch keine Funktionsstörung anzeigt und das auch elek tronisch unterdrückt werden kann, kann sich bei einer Rever sierung der Motordrehrichtung ergeben, da auch hierbei zwei aufeinanderfolgende Signalpulse im gleichen Ausgangssignal A oder B auftreten können - jedoch, wie Fig. 6 zeigt, nicht müssen. A brief response of the malfunction signal, which, however, does not indicate a malfunction and which can also be suppressed electronically, can result when the motor direction of rotation is reversed, since two successive signal pulses can also occur in the same output signal A or B - however, as shown in Fig. 6 shows do not have to.
Ferner ist an der Auswerteschaltung 59 ein analoger Drehzahl ausgang 87 als Stromausgang vorgesehen, der beispielsweise zum Betrieb eines externen, analogen Drehzahlanzeigeinstru mentes verwendet werden kann. Ferner kann auch über den sta bilisierten Spannungsausgang 83 der Steckerbuchse 57 ein direkt auf die Steckerbuchse 57 aufsteckbares Meß- oder An zeigeinstrument mit digitalem Zähler betrieben werden.Furthermore, an analog speed output 87 is provided on the evaluation circuit 59 as a current output, which can be used, for example, to operate an external, analog speed display instrument. Furthermore, can be operated with the digital counter via the sta bilized voltage output 83 of the socket 57, a plug-in directly onto the socket 57 measuring or indicating instrument.
Für eine unmittelbare Kontrolle der Funktionsfähigkeit des Positionsgebers sind die drei Leuchtdioden 60, 60′ und 60′′ vorgesehen, die jeweils mit einem der Signalausgänge A oder B, dem Drehrichtungssignal 85 und dem Funktionsstörungs signal 86 verbunden sind. Bei abgenommenem Abschlußdeckel 20 des Zusatzgehäuses 18 ist somit anhand der Leuchtdioden 60, 60′ und 60′′ eine Funktionsüberprüfung des Positionsgebers möglich, ohne hierfür ein externes, an die Signalbuchse an schließbares Prüfgerät zu benötigen. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn aufgrund einstreuender Steuer signale ein einwandfreier Betrieb des Positionsgebers gefähr det ist. Sollte dies der Fall sein, so kann die Platine 40 mit einer Kupferschicht versehen werden, die zu einer verbes serten Schirmung gegenüber elektromagnetischen Störungen bei trägt.For direct control of the functionality of the position encoder, the three LEDs 60 , 60 'and 60 ''are provided, each of which is connected to one of the signal outputs A or B, the direction of rotation signal 85 and the malfunction signal 86 . With the cover 20 of the additional housing 18 removed, a function check of the position transmitter is thus possible on the basis of the light-emitting diodes 60 , 60 'and 60 '', without the need for an external test device which can be connected to the signal socket. This can be particularly advantageous if, due to interfering control signals, proper operation of the position sensor is endangered. If this is the case, the circuit board 40 can be provided with a copper layer which contributes to improved shielding against electromagnetic interference.
BezugszeichenlisteReference list
10 Motor
12 Positionsgeber
14 Motorschild
16 Motorgehäuse
18 Zusatzgehäuse
20 Abschlußdeckel
22 Motoranker
24 Motorwelle
26 Erregerwicklung
28 Zentralbohrung
30 Lager
32 Läufer
34 Trägerring
36 Führungsnut
38 Schraubverbindung
40 Platine
42 Durchtrittsöffnung
44 Zuleitung
46 Axialnut
48 Hall-Sensor
50 Zuleitungsdrähte
52 Schraubenbohrung
54 Kühlrippen
56 Oberseite des Zusatzgehäuses
57 Steckerbuchse
58 elektronische Bauelemente
59 Auswerteschaltung
60 Leuchtdioden
60′ Leuchtdioden
60′′ Leuchtdioden
70 Eingang A der Auswerteschaltung
71 Eingang B der Auswerteschaltung
80 Ausgang A der Steckerbuchse
81 Ausgang B der Steckerbuchse
82 Eingangsspannungsanschluß
83 stabilisierter Spannungsausgang
84 Zählsignalausgang
84′ Zählsignalpuls
85 Drehrichtungssignalausgang
85′ Drehrichtungssignal
86 Funktionsstörungssignalausgang
87 analoger Drehzahlausgang
A Ausgangssignal des ersten Hall-Sensors 48
B Ausgangssignal des zweiten Hall-Sensors 48. 10 engine
12 position sensors
14 motor plate
16 motor housing
18 additional housing
20 end caps
22 motor anchors
24 motor shaft
26 excitation winding
28 central bore
30 bearings
32 runners
34 carrier ring
36 guide groove
38 screw connection
40 board
42 passage opening
44 supply line
46 axial groove
48 Hall sensor
50 lead wires
52 screw hole
54 cooling fins
56 Top of the additional housing
57 plug socket
58 electronic components
59 Evaluation circuit
60 light emitting diodes
60 ′ light emitting diodes
60 '' LEDs
70 Input A of the evaluation circuit
71 Input B of the evaluation circuit
80 Output A of the plug socket
81 Output B of the socket
82 Input voltage connection
83 stabilized voltage output
84 count signal output
84 ′ count signal pulse
85 Direction of rotation signal output
85 ′ direction of rotation signal
86 Malfunction signal output
87 analog speed output
A output signal of the first Hall sensor 48
B output signal of the second Hall sensor 48 .
Claims (32)
dadurch gekennzeichnet,
daß die Welle (24) drehfest mit einem konzentrisch zur Welle (24) und über den Umfang eine vorgegebene Anzahl von alternierend angeordneten magnetischen Nord- und Südpolen aufweisenden zylindrischen Läufer (32) verbunden ist,
daß in Abstand radial außerhalb des Umfangs des Läufers (32) zwei unter einem vorgegebenen Radialwinkel gegenein ander versetzte elektronische Magnetfeldsensoren (48), insbesondere Hall-Sensoren (48) vorgesehen sind, welche lokal das Magnetfeld im Bereich der Umfangsfläche des Läufers (32) abtasten und jeweils ein magnetfeldabhän giges Ausgangssignal A bzw. B liefern,
daß bei Rotation der Welle (24) die Ausgangssignale A und B jeweils eine zeitliche Abfolge von phasenverscho benen Pulsen bilden, und
daß eine die Ausgangssignale A und B auswertende elek tronische Auswerteschaltung (59) vorgesehen ist, die ein aus zumindest einem der Ausgangssignale A oder B erzeug tes, Zählpulse (84′) aufweisendes Zählsignal (84) und ein aus der Phasenlage der Pulse der Ausgangssignale A und B bestimmtes, die Drehrichtung der Welle (24) ange bendes binäres Drehrichtungssignal (85) erzeugt. 1. position transmitter for monitoring the radial angular position and / or the angular velocity and / or the direction of rotation of a shaft driven in particular by an electric motor,
characterized,
that the shaft ( 24 ) is connected in a rotationally fixed manner to a cylindrical rotor ( 32 ) which is concentric with the shaft ( 24 ) and has a predetermined number of alternately arranged magnetic north and south poles over the circumference,
that at a distance radially outside the circumference of the rotor ( 32 ) two at a predetermined radial angle against each other staggered electronic magnetic field sensors ( 48 ), in particular Hall sensors ( 48 ) are provided, which locally scan the magnetic field in the region of the peripheral surface of the rotor ( 32 ) and each deliver a magnetic field-dependent output signal A or B,
that when the shaft ( 24 ) rotates, the output signals A and B each form a chronological sequence of phase-shifted pulses, and
that an the output signals A and B evaluating electronic evaluation circuit ( 59 ) is provided which has a generated from at least one of the output signals A or B tes, counting pulses ( 84 ') having a counting signal ( 84 ) and one from the phase relationship of the pulses of the output signals A. and B certain, the direction of rotation of the shaft ( 24 ) indicating binary direction signal ( 85 ) is generated.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4311267A DE4311267A1 (en) | 1993-04-06 | 1993-04-06 | Position sensor |
| DE19934332249 DE4332249A1 (en) | 1993-04-06 | 1993-09-22 | Position sensor (position encoder) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4311267A DE4311267A1 (en) | 1993-04-06 | 1993-04-06 | Position sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4311267A1 true DE4311267A1 (en) | 1994-10-20 |
Family
ID=6484865
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE4311267A Withdrawn DE4311267A1 (en) | 1993-04-06 | 1993-04-06 | Position sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE4311267A1 (en) |
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