用于測量運動件的角速度或速度及用于識別該運動件的運動方向的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及由單個編碼器和單個靜止的傳感器元件組成的運動檢測裝置，設置在運動件上的所述編碼器產生不對稱的圖案。通過測量邊緣坡度或上升時間或下降時間、就基波的相位而言對諧波的頻率和相位關系進行頻譜分析、或者對一系列矩形脈沖的不對稱性進行分析處理，由傳感器信號確定運動件的角速度或速度以及運動方向。
【專利說明】用于測量運動件的角速度或速度及用于識別該運動件的運動方向的裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于測量運動件的角速度或速度以及用于識別該運動件的運動方向的裝置，該裝置具有靜止地設置或可靜止地設置的傳感器和設置在或可設置在所述運動件上的編碼器，所述編碼器與所述傳感器一起產生遵循編碼器形式的信號，其中，所述編碼器對于角速度/速度測量所需的頻率測量具有描述周期性圖案的結構。
【背景技術】
[0002]在技術上在多種機器和設備上所需的轉速測量在物理上與角速度測量同樣重要。一般已知，通過在軸上在周緣上安置被稱為“編碼器”的周期性圖案、例如齒輪來測量軸的轉速，所述周期性圖案由位置固定地安置在軸旁邊的傳感器來探測。傳感器具有在齒與齒槽或其它周期性的交替的特性、例如磁場方向或透光性之間進行區(qū)別的能力。傳感器據(jù)此產生輸出信號，所述輸出信號具有與所探測的圖案相同的周期性。這種傳感器視現(xiàn)有的信號處理裝置而定輸出不同的信號。存在近似正弦形的信號或者矩形信號，所述近似正弦形的信號大多直接由傳感器的初級傳感器元件產生，所述矩形信號大多由連接在后面的信號處理裝置通過比較器產生。
[0003]如果附加地需要對由傳感器觀測的運動進行方向識別，則已經公知，使用由另外的編碼器和傳感器元件構成的單獨的附加系統(tǒng)，所述附加系統(tǒng)在結構相同的情況下移動了圖案的周期長度的四分之一。方向識別基于兩個系統(tǒng)之間的信號的相位移動，所述相位移動總是在取值上取周期長度的四分之一，但視方向而定在超前與滯后之間交替。
[0004]作為替換方案可在兩個信號之間產生對方向敏感的相位移動，其方式是兩個傳感器元件與同一個編碼器共同作用，但在運動方向上具有導致合適的相位移動的距離。該構造由于節(jié)省第二編碼器而有利。尤其是在兩個傳感器元件的距離小的情況下附加地有利的是，這些元件可集成——例如集成在公用的殼體中，并且在半導體元件的情況下必要時也整體地集成。
[0005]所述技術以相同方式用于直線運動的速度測量，其中，使用直線的而不是環(huán)形的編碼器。在此使用的名稱“傳感器”包括原來的傳感器元件和相關的信號處理/分析處理單元，所述傳感器元件與編碼器一起產生信號。
[0006]開頭所述類型的裝置已經公知，所述裝置具有帶有兩個傳感器元件的傳感器。這種裝置由此具有附加系統(tǒng)，所述附加系統(tǒng)由第二傳感器元件和相關的信號路徑(放大器、濾波器等)構成。所述附加系統(tǒng)引起相應成本。固定到傳感器元件的確定距離上也不利，因為使用具有不同周期長度的編碼器受到限制。雖然不需要相位移動取圖案的周期長度的四分之一，但所述相位移動在區(qū)別運動方向方面引起最大的信號提升。在值較小時，對測量相位移動的要求提高。但對于任意編碼器或者說任意應用提供傳感器元件的匹配的距離對于這些系統(tǒng)任意之一由于件數(shù)少而成為成本動因。尤其是半導體元件、例如霍爾發(fā)電機的整體集成從成本優(yōu)點到缺點在件數(shù)少的情況下通過相關系統(tǒng)的與應用相關的設計造成。
【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的在于，提供一種開頭所述類型的構造得簡單且成本低廉的裝置。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，所述目的在所述類型的裝置中這樣來實現(xiàn):傳感器具有唯一一個用于測量頻率和識別運動方向的傳感器元件，編碼器的周期性圖案構造成不對稱的。
[0009]由此，根據(jù)本發(fā)明，使用具有唯一一個傳感器元件的傳感器，所述傳感器元件不僅用于角速度/速度測量(頻率測量)而且用于運動方向識別。編碼器的周期性圖案構造成不對稱的，由此，傳感器元件、即物理轉換器的信號也不對稱。信號周期于是一階近似地由兩個邊緣構成，所述邊緣具有不同符號的坡度和不同的持續(xù)時間或者說斜率。視運動方向而定，兩個由于坡度的取值而可不同的信號邊緣的坡度的符號變化。所述信號的分析處理在信噪比高的情況下可通過測量坡度或邊緣持續(xù)時間來進行。但對于高抗干擾性優(yōu)選頻譜分析處理。
[0010]頻譜方向識別基于觀測:在函數(shù)的時間變化曲線換向(與運動方向的換向同樣重要)時在振幅譜上不出現(xiàn)變化，但相位譜變化，就此而言，換向的函數(shù)的圖像不同于原來的函數(shù)的圖像。在每個周期僅兩個邊緣的情況下，所述條件與不同的邊緣坡度或者說持續(xù)時間以及與不對稱性同樣重要。在合適地選擇函數(shù)時一編碼器用所述函數(shù)調制傳感器元件的輸出信號，唯一一個諧波的相位的分析處理就基波的相位而言足以區(qū)別運動方向。
[0011]因此，優(yōu)選傳感器具有用于執(zhí)行頻譜信號分析處理的分析處理單元，其中，分析處理單元尤其是被構造用于分析處理盡可能低階的信號頻率的諧波的相位。
[0012]如所提及的那樣，優(yōu)選這樣構造傳感器和編碼器，使得產生具有陡峭和平緩的邊緣區(qū)段的信號變化曲線。在此特別優(yōu)選這樣的實施形式，在所述實施形式中，產生近似鋸齒形的信號變化曲線。
[0013]對根據(jù)本發(fā)明構造的裝置的傳感器的電路部分、尤其是對可用于測量確定頻譜分量的相位的電路部分由此不予以特別探討。所述電路部分可以是公知的結構形式。在本發(fā)明的特殊實施形式中出發(fā)點在于，傳感器借助于公知的電路方案(模擬、數(shù)字或混合式)實施下列用于方向識別的步驟并且具有相應的電路部分:
[0014]1.從輸入信號的混合頻率測量或者說隔離基波的頻率。
[0015]2.將基波增倍、尤其是增兩倍到為方向識別選擇的諧波的頻率，由此獲得基波與所產生的波之間的固定的但可任意選擇的相位關系。
[0016]3.確定在步驟(2)中產生的波與所選擇的諧波之間的相位移動。
[0017]4.對于運動方向根據(jù)相位移動進行判斷。
[0018]5.以任意編碼通過傳感器系統(tǒng)到所測量的信息的接收器的任意接口輸出運動方向。
[0019]通過這種處理方式，方向識別的函數(shù)編碼到編碼器形式中。使用具有所連接的信號路徑的第二傳感器元件變得多余。另外，所測量的相位移動與編碼器圖案的周期長度無關并且信號提升由此對于完全不同的周期長度而言最佳。
[0020]優(yōu)選地，各編碼器的調制效果的變化曲線的構型與所選擇的傳感器元件的特性曲線相聯(lián)系來優(yōu)化。編碼器的不對稱性根據(jù)本發(fā)明尤其是這樣構造，使得在傳感器元件的輸出端上實現(xiàn)信號的盡可能明顯的不對稱性。精確的信號變化曲線在此受傳感器元件的所使用的技術影響。在光學傳感器的情況下可以是幾乎理想地鋸齒形的變化曲線。在磁傳感器的情況下，根據(jù)工作距離限制較陡峭的邊緣的坡度。尤其是根據(jù)本發(fā)明力爭盡可能大地接近鋸齒形的變化曲線，因為于是一階諧波的優(yōu)選應予以分析處理的重要振幅(在雙倍頻率的情況下)特別高。
[0021]在根據(jù)本發(fā)明構造的裝置的擴展構型中，周期性圖案涉及編碼器圖案的前后相繼的周期的序列，其中，所述序列的對應的圖案構造成不對稱的。該實施形式具有確定的優(yōu)點。先前描述的處理方式要求一定的電路技術方面的投入，當選擇不同坡度的較簡單、但功率很低的分析處理方案時，所述投入可避免。為此，編碼器圖案的前后相繼的周期的序列被相應改變，由此，振幅、長度或相位位置不同。圖案在此現(xiàn)在不再以原來的周期、而是以整個序列的長度為周期。當序列的圖案在此具有不對稱性時，可以以所述序列與以本身不對稱的編碼器形式類似地處理，只是不需要頻譜分析處理。缺點在于低的位置分辨率，因為取代編碼器形式的周期現(xiàn)在必須遍歷整個序列，以便獲得足夠的數(shù)據(jù)用于對于方向進行判斷。
[0022]優(yōu)選序列由相同的對稱的圖案構成，所述圖案彼此間的區(qū)別僅在于一個特性，其中，尤其是序列的圖案的特性具有三個不同的值(特性=振幅、頻率或相位位置)。
[0023]因為使用三個以上周期不提供一般優(yōu)點，另一方面需要未改變的圖案的三個周期的至少一個序列，以便方向識別所需的不對稱性通過改變來產生并且也與相鄰的序列隔開，所以優(yōu)選使用剛好三個周期。
[0024]另外，本發(fā)明涉及這樣的裝置，所述裝置的特征在于，編碼器和傳感器附加地被構造用于角度或行程測量。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的裝置也可不受限制地用于測量直線運動。為此僅需直線編碼器取代環(huán)形編碼器。除了在任意旋轉軸或直線運動的機器部件或車輛部件上的一般應用之外，所述裝置特別適用于下列應用情況:
[0026]1.在車輛的輪上測量(輪轉速傳感器)。
[0027]2.在內燃發(fā)動機的曲軸上測量。在此，轉動方向識別尤其是用于在機器關機時確定靜止角度。雖然大多數(shù)內燃發(fā)動機僅識別工作的轉動方向，但在靜止前不久在故障時可暫時在相反方向上運動。靜止角度的測量允許在重啟動時較快速啟動，因此主要對于啟動-停止系統(tǒng)而言重要。
[0028]3.在機動車的傳動系部件上、例如在變速器中測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]下面借助于實施例聯(lián)系附圖詳細描述本發(fā)明。附圖中:
[0030]圖1示出曲線圖，在該曲線圖中示出了兩個信號SI和S2的變化曲線；
[0031]圖2a示出信號SI和S2的振幅譜；
[0032]圖2b示出信號SI和S2的相位譜；
[0033]圖3示出編碼器圖案的實施形式；
[0034]圖4示出編碼器圖案的另一個實施形式；以及
[0035]圖5示出編碼器圖案的第三實施形式。
【具體實施方式】[0036]全部實施例示意性地示出了本發(fā)明的可能實施形式?！笆疽庑浴痹诖耸侵福豢紤]具體實施形式的下述特性，因為本發(fā)明中的相應細節(jié)相對于現(xiàn)有技術不發(fā)生變化。作為特征，所述相應細節(jié)可與根據(jù)本發(fā)明的解決方案相組合:
[0037]1.測量坐標系:全部編碼器形式出于附圖簡化原因都直線表示，但編碼器沿著測量坐標系的結構也適用于環(huán)形編碼器。視圖于是相應于所謂的展開。運動方向通過箭頭表
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[0038]2.對于由編碼器圖案的周期構成的序列用于方向識別的方案:編碼器的測量技術上的優(yōu)化也包括圖案的各個部分之間、例如齒與齒槽之間的過渡的造型。所選擇的示意性視圖不是關注圖案的精確幾何特征，而是僅包括齒和齒槽本身的視圖。
[0039]3.不考察編碼器的不同屬性、即在圖案內部變化的物理尺寸。全部變化的尺寸，不管是在幾何方面、磁方面、光學方面還是其它方面，都示例性地通過齒和齒槽或者說上升和下降的邊緣來象征。
[0040]圖1示出了兩個信號SI和S2，所述信號由在兩個相反方向上對一編碼器的測量得至|J。因此，所述信號的區(qū)別僅在于各個組成部分的順序或者說彼此鏡像。每個信號SI和S2對于每個周期具有陡峭和平緩的邊緣。周期和振幅歸一化到任意單位(“a.u.”，“arbitraryunit，，)。
[0041]圖2a中示出了信號S1、S2的振幅譜，圖2b中示出了相位譜。用于表示兩個信號的線這樣選擇，使得也可精確識別彼此疊置的譜分量。SI用細實線表示，S2用粗虛線表示。兩者疊置得到單義的圖案，如在振幅譜中可看到的那樣，所述圖案對于兩個信號完全相同。而在相位譜中明顯存在區(qū)別?；ǖ南辔槐舜艘恢拢@通過信號S2的相應移動實現(xiàn)(參見圖1)，而主要的感興趣的一次諧波在雙倍頻率下具有移動了 Pi (180° )的相位，這是最大可能的值。為了更好地理解，需要注意以下事項:信號S2的移動僅為了在基波的相位中獲得彼此一致才進行，通過其可更好地看到真正的感興趣的相位移動。因為總是僅或者SI或者S2由傳感器系統(tǒng)測量，所以在SI與S2之間得不到測量技術上重要的相位關系。而對于方向識別決定性的分別是兩個信號之一的基波與一次諧波之間的相位移動。其當基波在相位中時可更好地識別。原則上，也可將更高階的諧波用于方向識別，如在相位譜上可讀出的那樣。但這不是吸引人的，因為所述諧波的振幅明顯小，由此，在除噪環(huán)境中穩(wěn)定的相位測量不必要地變難。
[0042]圖3示出了無頻譜分析處理的根據(jù)本發(fā)明的解決方案的變型的編碼器圖案。每三個齒形成一個序列，在所述序列中可確定方向，因為信號振幅不同。
[0043]圖4示出了具有與圖3相同的函數(shù)(Funktion)的編碼器圖案，在所述編碼器圖案中，組成部分的頻率或者說長度變化了。
[0044]最后，在圖5中，編碼器圖案的組成部分的相位位置變化了。與圖3和圖4不同，不涉及在圖案的特性取三個不同的值時的序列，而是三個齒中的中等齒的移動已經足以允許方向識別(考察具有三個不同長度的齒槽)。圖4和圖5可通過齒和齒槽的調換來相互轉換，由此，區(qū)別在于信號的解釋，而不是在于編碼器形式。
【權利要求】
1.一種用于測量運動件的角速度或速度以及用于識別該運動件的運動方向的裝置，該裝置具有靜止地設置或能靜止地設置的傳感器和設置在或能設置在所述運動件上的編碼器，所述編碼器與所述傳感器一起產生遵循編碼器形式的信號，其中，所述編碼器對于角速度/速度測量所需的頻率測量具有描述周期性圖案的結構，其特征在于:所述傳感器具有唯一一個用于測量頻率和識別運動方向的傳感器元件；所述編碼器的周期性圖案構造成不對稱的。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述傳感器具有用于測量由所述傳感器元件產生的信號的坡度或邊緣持續(xù)時間的分析處理單元。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的裝置，其特征在于:所述傳感器具有用于執(zhí)行頻譜信號分析處理的分析處理單元。
4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于:所述分析處理單元被構造用于分析處理盡可能低階的信號頻率的諧波的相位。
5.根據(jù)上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于:這樣構造所述傳感器和編碼器，使得產生具有陡峭和平緩的邊緣區(qū)段的信號變化曲線。
6.根據(jù)上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于:這樣構造所述傳感器和編碼器，使得產生近似鋸齒形的信號變化曲線。
7.根據(jù)上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于:所述周期性圖案涉及所述編碼器圖案的前后相繼的周期的序列，其中，所述序列的對應的圖案構造成不對稱的。
8.根據(jù)權利要求7所述的裝置，其特征在于:所述序列由相同的對稱的圖案構成，所述圖案彼此間的區(qū)別僅在于一個特性。
9.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其特征在于:所述序列的圖案的特性具有三個不同的值。
10.根據(jù)上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于:所述編碼器和傳感器附加地被構造用于角度或行程測量。
11.根據(jù)上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于:所述裝置僅具有一個由編碼器、傳感器元件和相關的信號路徑(放大器、濾波器等)構成的子系統(tǒng)。
【文檔編號】G01D5/245GK103782178SQ201280043840
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年7月10日 優(yōu)先權日:2011年7月11日
【發(fā)明者】H·阿克爾 申請人:大陸-特韋斯貿易合伙股份公司及兩合公司