多匝旋轉編碼器的製作方法

2023-06-05 20:28:46

專利名稱：多匝旋轉編碼器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1的可靠的多匝旋轉編碼器 (Multiturn-Drehgeber)。
背景技術：
用於測量軸的角度位置的位置測量設備從許多的出版物中已知。這種位置 測量設備稱作旋轉編碼器。此外，如果位置測量設備如此地實施，即除了軸的角 度位置之外，還可測量走完的迴轉(Umdrehung)的數量，則可稱為多匝旋轉編碼器 (Multiturn-Drehgeber)。對於多匝單元(即，用於確定軸的走完的迴轉的數量的單元)的實施方案，基本 上有兩種解決方案是已知的，一種是基於傳動器的(getriebebasiert)多匝單元，另一種是 基於計數器(zahlerbasiert)的多匝單元。在基於傳動器的多匝單元的情形下，輸入軸驅動一個或同樣多個傳動器級，傳 動器級使輸入轉速降低。例如，在一種帶有16 1的減速比的傳動器級的情形下，輸入 軸每16次迴轉，傳動器級的輸出軸旋轉一次。輸出軸再驅動編碼載體(Codetrager)，該 編碼載體的角度位置(Winkelstellung)允許推斷出輸入軸的轉數(Umdrehungszahl)。在文件DE2817172C2中描述了一個用於基於傳動器的多匝旋轉編碼器的實例。 在此，涉及一種帶有第一角度步編碼盤(Winkelschritt-Codescheibe)和多個後置的角度步 編碼盤的多級的角度步編碼器。文件EP1457762A1描述了一種用於測量對象的位置、路徑或旋轉角的裝置。該 裝置包含了以三個相繼的編碼盤的形式的三個實物量具(Mafiverkdrperung)，該編碼盤 通過差動齒輪傳動器(Differenzzahngetriebe)相聯結。編碼盤的探測(Abtastung)通過徑
向上覆蓋全部編碼盤的編碼道(Codespur)的探測單元來實現。基於計數器的多匝單元通過對編碼載體的迴轉進行計數來確定軸的走完的迴轉 的數量，編碼載體直接地由軸來驅動，並且因此走完與待測量的軸相同的迴轉的數量。 在編碼載體上布置有編碼，這些編碼由探測單元來探測。在計數電子設備中從利用探測 單元確定的位置信號中生成用於計數器的計數信號，該計數器以與旋轉方向有關的方式 對編碼載體和由此軸的完整的迴轉的數量進行了計數。為了即使在主電流供給斷開的情 形下(即例如當機器(在其中多匝旋轉編碼器運行)斷開時)也存儲計數器的計數器狀態 並且此外保存計數功能，基於計數器的多匝單元經常裝備有電池，電池在主電流供給失 效的情形下承擔至少旋轉編碼器的多匝單元的能量供給。例如，文件EP1462771B1描述了一種帶有基於計數器的多匝單元的多匝旋轉編碼器。在多匝單元的功能在正常運行中(也就是當除了多匝單元之外單匝單元同樣是 激活的以用於測量在軸的一個迴轉之內的角度位置時)可利用單匝單元被檢測(當單匝單 元確定一個完整的迴轉時，利用多匝單元獲得的迴轉的數量必須強制地改變)期間，在主電流供給切斷的情形下多匝單元的失效保持未被發現的。

發明內容
由此，本發明的目的在於，公開一種多匝旋轉編碼器，其具有提高的功能上的
可靠性。該目的通過根據權利要求1的多匝旋轉編碼器來實現。有利的細節由從屬於權 利要求1的權利要求來得出。現在建議一種帶有單匝單元、第一多匝單元以及第二多匝單元的多匝旋轉編碼 器。單匝單元包含編碼載體，該編碼載體可由單匝探測設備來探測以用於產生單匝 位置信號；和單匝評估單元，該單匝評估單元用於將單匝位置信號處理成單匝編碼字 (Codewort),該單匝編碼字指出了在一個迴轉內的輸入軸的絕對位置。第一多匝單元 包含至少一個第一多匝編碼載體，該第一多匝編碼載體可由第一多匝探測設備來探測 以用於產生第一多匝位置信號；和第一多匝評估單元，該第一多匝評估單元用於將第一 多匝位置信號處理成第一多匝編碼字，該第一多匝編碼字指出了輸入軸走完的迴轉的數 量。第二多匝單元包含至少一個第二多匝編碼載體，該第二多匝編碼載體可由第二多 匝探測設備來探測以用於產生第二多匝位置信號；和第二多匝評估單元，該第二多匝評 估單元用於將第二多匝位置信號處理成第二多匝編碼字，該第二多匝編碼字同樣指出了 輸入軸走完的迴轉的數量。通過兩個彼此獨立地生成的多匝編碼字可確定多匝單元的功能。


本發明的其它優點以及細節由下面藉助於附圖的描述來得出。其中圖1顯示了根據本發明的多匝旋轉編碼器的第一個實施例，圖2顯示了圖1的第一多匝評估單元的電路原理圖，圖3顯示了用於評估多匝編碼字的第一個實例，圖4顯示了用於評估多匝編碼字的第二個實例，並且圖5顯示了根據本發明的多匝旋轉編碼器的另一個實施例。
具體實施例方式在圖1中示出了第一根據本發明的多匝旋轉編碼器的原理。該多匝旋轉編碼器 包括單匝單元10、第一多匝單元20以及第二多匝單元30。單匝單元10由編碼盤11形成，該編碼盤11直接地與待測量的輸入軸W聯結。 編碼盤11承載了光電的、磁的、電容的或電感的可探測的編碼部(COdierung) 12，以便將 輸入軸W的迴轉劃分為多個可區別的區段。一般來說，該編碼部12為多道的編碼，例 如格雷碼，但是其同樣可通過單道鏈碼(Kettencode)、所謂的「偽隨機碼(PRC) 」形成。 編碼部12由探測設備13來探測以用於形成單匝位置信號SP。單匝位置信號SP輸送給 單匝評估單元14，該單匝評估單元14形成了多位的單匝編碼字SC，並且在其出口處輸出 該多位的單匝編碼字SC，該多位的單匝編碼字SC指出了在單個的迴轉內輸入軸W的絕 對位置。
為了獲得輸入軸W的轉數，設置有多匝單元20，30。第一多匝單元20是基於計數器的多匝單元。該第一多匝單元20包括第一多匝 編碼載體21，該第一多匝編碼載體21同樣抗扭轉地與輸入軸W相連接。第一多匝編碼 載體21具有唯一的磁性的偶極子(Dipol)，即一個南極和一個北極。這些極由第一多匝 探測設備23來探測。第一多匝探測設備23具有多個對磁場敏感的傳感器元件，利用傳 感器元件可生成第一多匝位置信號MP1，由這些第一多匝位置信號MPl在第一多匝評估 單元24中可形成第一多匝編碼字MC1，該第一多匝編碼字MCl指出了第一多匝編碼載 體21的絕對的位置。傳感器元件例如為Hall-Sensor (霍爾傳感器)，GMR-Sensor (磁阻 傳感器)或GMR-Sensor (巨磁阻傳感器)。有利地，傳感器元件和第一多匝評估單元24 共同集成在半導體基質上。圖2顯示了第一多匝評估單元24的電路原理圖。在此假設，第一多匝位置信 號MPl包含兩個信號，這兩個信號具有儘可能正弦形狀的走向，並且在輸入軸W的一 個迴轉期間經歷了正弦波(Sinusschwingung)的一個完整的周期。通常，這兩個信號具 有彼此相距大約90°的相位差，由此這是可能的，即確定輸入軸W的旋轉方向。在多 匝評估單元24中，第一多匝位置信號MPl首先輸送給信號整形單元100，該信號整形單 元100從正弦形狀的輸入信號整形出數字的矩形的計數信號，信號整形單元100將計數信 號一方面輸送給方向鑑別器101，並且另一方面輸送給計數器單元102。方向鑑別器101 由計數信號的邊沿(Flanke)的時間上的順序確定旋轉方向，並且將其作為方向信號UP/ DOWN(上/下)傳輸給計數器單元102。計數器單元102再使用至少一個上升或下降的 計數信號的邊沿，以及方向信號UP/D0WN，以用於以與方向有關的方式對輸入軸W的 迴轉進行計數。另外，在第一多匝評估單元24中表明了電池103。電池103在主電流供給斷開 的情形下(例如當機器(在其中多匝旋轉編碼器運行)斷開時)對所有對於計數過程必需 的構件，如有可能同樣第一多匝探測設備23進行供電。因此保證，即使在斷開的狀態中 也對輸入軸W的可能發生的迴轉進行計數，並且因此在接通之後，帶有正確的輸入軸W 的走完的迴轉的數量的第一多匝編碼字MCl供使用。在此，明確地指出的是，存在基於計數器的多匝單元的各種各樣的方案，尤其 是這樣的方案(即，其在斷開狀態中出於節約電流的目的以脈衝的方式被驅動)以及這樣 的方案(即，其不需要電池，因為其例如利用脈衝導線傳感器(Impuls-draht-SensOT)(同 樣以維甘德線(Wiegand-Draht)的名稱而已知)，在輸入軸W的迴轉期間從磁場振蕩中獲 得對於計數過程所需要的能量，並且在計數過程之間將計數器的狀態存儲在非易失的存 儲器中)。第二多匝單元30為一種基於傳動器的多匝單元，該多匝單元示出成例如帶有兩 個傳動器級32.1，32.2。所需要的傳動器級的數量很大程度地依賴於待確定的輸入軸W 的迴轉的數量，以及可利用傳動器級確定的迴轉的數量。如果僅有輸入軸W的少數的迴轉被測量，則如有可能一個傳動器級就足夠了。 與此相反，為了確定工具機的進給螺杆(Vorschubspindel)的迴轉，三個和更多的傳動器 級可能是必須的。第一傳動器級32.1直接地與輸入軸W聯結。第一傳動器級32.1具有16倍的減速，並且其輸出軸再與第二傳動器級32.2聯結，該第二傳動器級32.2同樣執行減速了 16倍。傳動器級32.1，32.2分別驅動第二多匝編碼載體31.1，31.2，第二多匝編碼載體 31.1，31.2由第二多匝探測設備33.1，33.2來探測以用於產生第二多匝位置信號MP2.1， MP2.2。信息(輸入軸W正好位於可計數的迴轉的信息中)以第二多匝編碼載體31.1， 31.2的角度位置的方式編碼。第二多匝編碼載體31.1，31.2(如之前第一多匝編碼載體 21 一樣)僅由一個磁性的偶極子形成。因此，類似於第一多匝編碼載體21的探測來實 現第二多匝編碼載體31.1，31.2的探測。但是，不同於第一多匝單元20的多匝位置信號 MPl,第二多匝位置信號MP1，MP2在第二多匝評估單元34中插值，也就是說，多匝位 置信號MP1，MP2的瞬時值與這樣的絕對值相關聯，S卩，該絕對值指出了相應的多匝編 碼載體31.1，31.2的角度位置。瞬時值的解析度至少相應於相關的傳動器級的減速比。 最後，第二多匝評估單元34將已確定的第二多匝位置信號MP2.1，MP2.2的絕對值處理 成第二多匝編碼字MC2。除了此處所描述的帶有多級的減速傳動器的方案，如開頭所提及的文件 EP1457762A1所建議的依據差動齒輪傳動器的基於傳動器的多匝單元自然同樣適用於本 發明。通過這兩個設置的多匝單元20，30，兩個多匝編碼字MC1，MC2在多匝旋轉 編碼器中供使用，該多匝編碼字MC1，MC2彼此獨立地形成。通過這兩個多匝編碼字 MCI, MC2的比較，現在可能確定，這兩個多匝單元20，30是否起作用。這尤其地同 樣適用以下情況，即當多匝旋轉編碼器或機器(在其中多匝旋轉編碼器運行)在斷開階段 之後重新被接通時。圖3和圖4顯示了用於多匝編碼字MC1，MC2的進一步的處理或評估的優選的 實施例。圖3顯示了多匝旋轉編碼器200，該多匝旋轉編碼器200除了單匝單元10、第一 多匝單元20以及第二多匝單元之外還包含比較器單元210，將多匝編碼字MC1，MC2輸 送給該比較器單元210。比較器單元210通過多匝編碼字MC1，MC2的值的比較確定偏 差，並且依賴於比較的結果輸出狀態標識(ZUStandSflag)F。單匝編碼字SC、多匝編碼字 MCI, MC2中的至少一個(在示出的實例中為第一多匝編碼字MCl)以及狀態標識F輸 送給接口單元220，藉助於該接口單元220，值可通過數據傳送通道230向在後續電子器 件250中的另一個接口單元240傳送。該後續電子器件250可評估狀態標識F，並且在 故障情況中給予合適的措施，例如機器的有序的停止。數據傳送通道230有利地實施成雙向的串口的接口連接，通過該接口連接可將 指令(尤其為位置數據需求指令)從後續電子器件250傳送到多匝旋轉編碼器200並且 可在反方向上傳送應答數據(Antwortdaten)(尤其為單匝編碼字SC、多匝編碼字MC1， MC2以及狀態標識F)。傳送藉助於連續的數據流來實現。此處尤其有利的是，相比由現 有技術中已知的多匝旋轉編碼器，狀態標識F(其當然在最簡單的情況中僅包括一比特) 的傳送將數據傳送持續時間僅延長了一比特的傳送時間。與此相反地，圖4顯示了多匝旋轉編碼器300，該多匝旋轉編碼器300除了單匝 單元10、第一多匝單元20以及第二多匝單元30之外還僅包含接口單元320，單匝編碼字 SC和多匝編碼字MC1，MC2輸送到該接口單元320。全部的編碼字SC，MCI, MC2現在可通過數據傳送通道330向另一個在後續電子器件350中的接口單元340傳送。現 在，在後續電子器件350中的控制單元360中布置有比較器單元370，將通過數據傳送通 道330在接口單元340處到達的多匝編碼字MC1，MC2輸送給該比較器單元370。比較 器單元370現在可類似於圖3的比較器單元210執行多匝編碼字MC1，MC2的比較，並 且生成狀態標識F，該狀態標識F在控制單元360中相應地被考慮。因為在這種優選的實施例中將兩個多匝編碼字MC1，MC2(其在多匝旋轉編碼 器300中完全彼此獨立地生成)向後續電子器件350傳送，不僅可確定多匝單元20，30 中的誤差(Fehler)，而且可確定在從多匝旋轉編碼器300通過數據傳送通道330向後續電 子器件350傳送數據時的誤差。數據傳送通道330同樣在本實例中有利地構造成雙向的 串口的接口連接。在持續的運行中，同樣可藉助於單匝編碼字SC來確定多匝單元20，30的正確的 功能，因為在輸入軸W的一個完整的迴轉的確定和多匝編碼字MC1，MC2的改變之間存 在直接聯繫。換句話說，當藉助於單匝編碼字SC判定軸W的一個迴轉的結束時，多匝 編碼字MCl，MC2必須強制改變所規定的步長(Schrittweite)。因此，例如以圖4中的 實例為基礎，在執行一次多匝編碼字MC1，MC2的比較之後，狀態標識F同樣可藉助於 單匝編碼字SC和多匝編碼字MC1，MC2中的至少一個之間的比較來獲得。這意味著， 這可能是足夠的，即僅僅在適合的時刻(例如在機器或多匝旋轉編碼器接通之後)同時檢 測多匝編碼字MC1，MC2，並且在檢測之後多匝編碼字MC1，MC2中僅還一個通過數據 傳送通道330向後續電子器件傳送，並且在持續的運行中所使用的多匝單元20，30的功 能藉助於單匝編碼字SC來檢測。以這種方式，可降低待傳送的數據量。在圖5中示出了第二個根據本發明的多匝旋轉編碼器的原理。該多匝旋轉編碼 器同樣包括單匝單元10、第一多匝單元40以及第二多匝單元30。單匝單元10和第二多 匝單元30相應於與圖1相關地描述的單元，並且由此不再一次進行討論。相反地，第一多匝單元40利用了這樣的事實，即單匝位置信號SP (其通過利用 單匝探測設備13對編碼載體11上的編碼12進行探測來產生)同樣可用於形成第一多匝 編碼字MC1。由此，單匝位置信號SP至少部分地作為第一多匝位置信號MPl輸送給第 一多匝處理單元44，該第一多匝處理單元44生成用於形成第一多匝編碼字MCl的計數 信號並計數。因此，第一多匝單元40為基於計數器的多匝單元。帶有編碼12的編碼載體11以及單匝探測設備13在本實施例中與第一多匝單元 40相關聯。本方案特別有利地可應用於以下情況，S卩，編碼12總歸如此地實施，即產生探 測信號，該探測信號具有周期持續時間，該周期持續時間相應於輸入軸W的迴轉。
權利要求
1.一種多匝旋轉編碼器，帶有-單匝單元(10)，包含編碼載體(11)，所述編碼載體(11)可由單匝探測設備(13) 探測以用於生成單匝位置信號(SP)；和單匝評估單元(14)，該單匝評估單元(14)用於將 所述單匝位置信號(SP)處理成單匝編碼字(SC)，所述單匝編碼字(SC)指出了在一個回 轉內的輸入軸(W)的絕對的位置，-第一多匝單元(20，40)，包含至少一個第一多匝編碼載體(11，21)，所述第一 多匝編碼載體(11，21)可由第一多匝探測設備(13，23)探測以用於生成第一多匝位置信 號(MPl)；和第一多匝評估單元(24)，該第一多匝評估單元(24)用於將所述第一多匝位 置信號(MPl)處理成第一多匝編碼字(MCl)，所述第一多匝編碼字(MCl)指出了所述 輸入軸(W)的走完的迴轉的數量，其中，_設置有第二多匝單元(30)，該第二多匝單元(30)包含至少一個第二多匝編碼 載體(31.1，31.2)，所述第二多匝編碼載體(31.1，31.2)可由第二多匝探測設備(33.1， 33.2)探測以用於生成第二多匝位置信號(MP2.1，MP2.2)；和第二多匝評估單元(34)， 該第二多匝評估單元(34)用於將所述第二多匝位置信號(MP2.1，MP2.2)處理成第二多 匝編碼字(MC2)，所述第二多匝編碼字(MC2)同樣指出了所述輸入軸(W)的走完的回 轉的數量。
2.根據權利要求1所述的多匝旋轉編碼器，其特徵在於，還設置有比較器單元 (210)，將所述多匝編碼字(MC1，MC2)輸送給所述比較器單元(210)，並且在所述比較 器單元(210)中可生成狀態標識(F)，所述狀態標識(F)指出了所述多匝單元(20，30 ； 30，40)的功能。
3.根據權利要求2所述的多匝旋轉編碼器，其特徵在於，還設置有接口單元(220)， 利用所述接口單元(220)可將所述單匝編碼字(SC)、至少一個多匝編碼字(MC1，MC2) 以及所述狀態標識(F)傳送到後續電子器件(250)。
4.根據權利要求1所述的多匝旋轉編碼器，其特徵在於，設置有接口單元(320)，利 用所述接口單元(320)可將所述單匝編碼字(SC)、所述第一多匝編碼字(MCl)以及所述 第二多匝編碼字(MC2)傳送到後續電子器件(350)以用於進一步的評估。
5.根據前述權利要求中任一項所述的多匝旋轉編碼器，其特徵在於，所述第一多匝 單元(20，40)為基於計數器的多匝單元。
6.根據前述權利要求中任一項所述的多匝旋轉編碼器，其特徵在於，所述第二多匝 單元(30)為基於傳動器的多匝單元。
全文摘要
本發明涉及一種多匝旋轉編碼器，帶有-單匝單元，包含編碼載體；和單匝評估單元，其用於將單匝位置信號處理成單匝編碼字，-第一多匝單元，包含至少一個第一多匝編碼載體；和第一多匝評估單元，其用於將第一多匝位置信號處理成第一多匝編碼字，第一多匝編碼字指出了輸入軸的走完的迴轉的數量，其中，-設置有第二多匝單元，其包含至少一個第二多匝編碼載體；和第二多匝評估單元，該第二多匝評估單元用於將第二多匝位置信號處理成第二多匝編碼字，該第二多匝編碼字同樣指出了輸入軸的走完的迴轉的數量。通過彼此獨立生成的多匝編碼字可確定多匝單元的功能。
文檔編號G01D5/244GK102023026SQ20101029071
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月14日 優先權日2009年9月14日
發明者E·斯特拉澤, E·邁耶, H·霍夫鮑爾 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司