DE10105693C2 - Hochauflösender Inkrementalpositionssensor mit Impulsschaltstrategie - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines sich drehenden Elementes einer elektrischen Maschine und insbesondere eine Vorrichtung zur genauen Bestimmung der Position mit einer Impulsschaltstrategie.

Bei herkömmlichen Induktionsmaschinen mit variabler Frequenz (d. h. elektrischen Induktionsmotoren) ist es erwünscht, eine Inkrementalwin­ kelposition des Rotors zu bestimmen. Die Inkrementalposition wird dazu verwendet, die elektrische Statoranregungsfrequenz so zu steuern, daß eine Sollschlupffrequenz beibehalten wird (d. h. der Unterschied zwischen der Rotorgeschwindigkeit oder -frequenz und der angelegten Statoranre­ gungsfrequenz). Wie bekannt hat eine mangelhafte Beibehaltung der rich­ tigen Schlupffrequenz einen Verlust an Drehmomenterzeugung als auch einen Wirkungsgradverlust zur Folge.

Es ist eine Anzahl von Positionsbestimmungsmethoden bekannt. Bei­ spielsweise ist es bekannt, ein sich drehendes ferromagnetisches Geberrad und einen Sensor zur Bestimmung der Position zu verwenden. Beispiel­ haft für diese Methode sei das U.S. Patent Nr. 5,754,042 mit dem Titel "MAGNETORESISTIVE ENCODER FOR TRACKING THE ANGULAR POSI­ TION OF A ROTATING FERROMAGNETIC TARGET WHEEL" aufgeführt, das von Schroeder et al. eingereicht wurde. Schroeder et al. offenbaren ein Geberrad mit einer Vielzahl von durch Schlitze getrennten Zähnen, die um seinen Umfang herum winkelig beabstandet sind. Schroeder et al. offen­ bart ferner zwei magnetoresistive Sensoren (MR-Sensoren), die benachbart des Geberrades positioniert sind, wobei jeder bei dem Durchgang der vor­ ausgehenden und nachlaufenden Flanken eines Zahnes ein Signal mit Übergängen zwischen zwei Spannungspegeln erzeugt. Bei Anwendung bei Induktionsmaschinen ist es ferner bekannt, zwei Sensoren (fixiertes MR oder Halleffekt) um neunzig Grad phasenverschoben zu verwenden (d. h. die Sensoren sind um einen Abstand gleich eines halben Zahnes beab­ standet). Die Zustandsübergänge oder "Flanken" des Sensorausgangs­ signals, die den vorausgehenden und nachlaufenden Flanken des Zahnes entsprechen, wenn dieser an dem Sensor vorbeiläuft, werden durch eine Steuerung zur Berechnung einer Inkrementalposition gezählt.

Aus der DE 195 20 683 A1 ist eine Anordnung mit einem Sensorelement zur Erfassung einer Bewegung einer Impulsgeberscheibe bekannt. Das Sensorelement weist zwei feldempfindliche Komponenten auf, die mit der Impulsgeberscheibe zusammenwirken. Die Bewegung der Impulsgeber­ scheibe beeinflusst ein elektromagnetisches Feld, dessen Stärke durch die Komponenten messbar ist. Zur Messung der Feldstärke können die Signa­ le beider Komponenten oder jeweils nur einer Komponente ausgewertet werden.

Als ein weiterer Hintergrund ist die Eigenschaft von Induktionsmaschinen zu nennen, daß die höchste Inkrementalpositionsauflösung bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten erforderlich ist, wenn die Zeit zwischen auf­ einanderfolgenden Impulsen am längsten ist und die Beschleunigungsrate der Maschine typischerweise am größten ist. Bei hohen Drehgeschwindig­ keiten ist die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Inkrementalpositions­ pulsen relativ zu der Rotorbeschleunigungsrate kurz und somit ist die resultierende durch den Geschwindigkeitsfehler gegebene Beschleunigung über die Zeit relativ niedrig. Daher ist ein Codierer mit niedriger Auflösung zulässig. Jedoch wird bei Startgeschwindigkeiten oder niedrigen Ge­ schwindigkeiten eine resultierende durch den Geschwindigkeitsfehler gegebene Beschleunigung über die Zeit unakzeptabel groß, was die Dreh­ momenterzeugung der Induktionsmaschine und die Ansprechzeit des die Maschine umfassenden Systems begrenzt.

Eine Methode nach dem Stand der Technik besteht daher darin, einfach ein einzelnes hochauflösendes Erfassungssystem vorzusehen, um die An­ forderungen an eine hohe Auflösung bei einem Betrieb mit relativ niedri­ ger Geschwindigkeit anzupassen. Jedoch besitzt diese Methode Mängel. Beispielsweise sehen optische Codierer, wenn sie verwendet werden, eine hohe Auflösung vor, sind aber teuer. Alternativ dazu kann das Geberrad in einem Sensor-/Geberrad-Verfahren mit mehr Zähnen ausgebildet sein, wodurch die Auflösung erhöht wird. Es existieren jedoch verschiedene Faktoren, die die Anzahl von Zähnen begrenzen, die auf dem Geberrad ausgebildet werden können (d. h. je größer die Anzahl von Zähnen, um so höher ist die Auflösung). Zunächst sind in bezug auf die Herstellungskos­ ten Toleranzerfordernisse für ein Geberrad mit sehr hoher Zahnanzahl und die erhöhte Zeit zur Ausbildung eines derartigen Rades zu nennen, was zu den Gesamtkosten des Systemes beiträgt. Zweitens begrenzen magnetische Konstruktionsbeschränkungen die Anzahl von Zähnen, die an einem Geberrad mit einem gegebenem Durchmesser erfaßt werden können. Dies bedeutet, daß ein richtiger Betrieb der Sensoren einen Minimalabstand zwischen den Zähnen erfordert. Schließlich existieren elektri­ sche Belange. Die Sensorvorrichtungen, die bisher verwendet worden sind, besitzen vorbestimmte Anstiegs- und Abfallzeiten (d. h. für die Übergänge des Sensorausgangssignals zwischen niedrigen und hohen Zuständen, wenn die vorausgehenden und nachfolgenden Flanken eines Zahnes vor­ beilaufen). Bei niedrigen Geschwindigkeiten sind derartige Anstiegs- und Abfallzeiten allgemein unwichtig. Bei höheren Geschwindigkeiten über­ schneiden sich jedoch die Anstieg- und Abfallzeiten bei Anwendungen, bei denen zwei Sensoren phasenverschoben verwendet werden. Dies bedeutet, daß bei hohen Geschwindigkeiten die Anstiegs- und Abfallzeiten bewirken, daß der Abfall des ersten Sensorausgangssignales zeitlich im wesentlichen mit dem Anstieg eines zweiten benachbarten Sensorausgangssignales übereinstimmt, anstatt davon um einen halben Zahn (beispielsweise pha­ senverschoben) beabstandet zu sein. Dies kann die Flankendetektions­ schaltung durcheinanderbringen, so daß sie nur eine "Flanke" erkennt, wenn zwei "Flanken" gezählt werden sollten. Diese Situation führt zu Fehlern bei der Bestimmung der Inkrementalposition. Somit begrenzen die Anstiegs- und Abfallzeiten, Toleranzen und der Arbeitszyklus auch die An­ zahl von Zähnen an dem Geberrad.

Es besteht daher ein Bedarf, eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung zu schaffen, die einen oder mehrere der oben dargelegten Nachteile mini­ miert oder beseitigt.

Eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines sich drehenden Elementes einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die in Anspruch 1 dargelegten Merkmale gekennzeichnet.

Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Inkrementalposition eines sich drehenden Elementes gemäß der Erfindung weist zum einen den Vorteil verringerter Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Erfassungssystemen mit vergleichbarer Auflösung auf. Ein anderer Vorteil der vorliegenden Er­ findung ist, daß mit ähnlichen Kosten im Vergleich zu einem herkömmli­ chen Erfassungssystem eine Vorrichtung mit höherer Auflösung erreicht werden kann. Gemäß der Erfindung können die Kosten dadurch verrin­ gert und/oder die Auflösung dadurch erhöht werden, daß eine Vielzahl von Sensoren in einer Sensoranordnung vorgesehen wird, die mit einem Geberrad mit einer verringerten Anzahl von Zähnen verwendet werden. Ein Geberrad mit einer niedrigeren Zahnanzahl ist weniger teuer herzu­ stellen, als ein Geberrad mit höherer Zahnanzahl, wenn alle anderen Faktoren gleich sind.

Diese und andere Vorteile werden durch eine Vorrichtung gemäß der Er­ findung zur Bestimmung einer Position eines sich drehenden Elementes einer elektrischen Maschine realisiert. Die Vorrichtung umfaßt ein Geber­ rad, eine Sensoranordnung und eine Verarbeitungsschaltung. Das Geber­ rad ist so ausgeführt, daß es eine Vielzahl von Zähnen, die durch Schlitze beabstandet sind, winkelig beabstandet um seinen Umfang herum auf­ weist. Die Sensoranordnung ist in der Nähe des Umfanges angeordnet und weist eine Vielzahl von Sensoren auf, von denen jeder so ausgeführt ist, daß er ein jeweiliges Ausgangssignal erzeugt, das bei dem Durchgang ei­ ner jeweiligen vorausgehenden und nachfolgenden Flanke jedes Zahnes zwischen ersten und zweiten Zuständen wechselt. Die Verarbeitungs­ schaltung ist zur Erzeugung eines Positionssignales in Ansprechen auf die Sensorausgangssignale vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, daß: jeder Sensor von einem benachbarten Sensor um einen vorbestimmten Abstand beabstandet ist; und die Verarbeitungsschaltung (i) einen ersten Be­ triebsmodus, bei dem eine erste Anzahl der Vielzahl von Sensorausgangs­ signalen dazu verwendet wird, das Positionssignal zu erzeugen, und (ii) einen zweiten Betriebsmodus aufweist, bei dem eine zweite Anzahl von Sensorausgangssignalen, die von der ersten Anzahl verschieden ist, dazu verwendet wird, das Positionssignal zu erzeugen, wobei die Verarbeitungs­ schaltung so ausgebildet ist, daß sie von dem ersten Modus zu dem zwei­ ten Modus umschaltet, wenn das sich drehende Element eine erste vorbe­ stimmte Geschwindigkeit erreicht. Vorzugsweise ist die zweite Anzahl klei­ ner als die erste Anzahl. Durch Erhöhung der Anzahl von Sensoren kön­ nen mehr Sensorausgangssignalübergänge oder "-flanken" pro Zahn er­ zeugt werden, was eine erhöhte Auflösung zur Folge hat und insbesondere bei einem Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit nützlich ist. Daher kann ein Geberrad mit niedriger Zahnanzahl dazu verwendet werden, um eine Auflösung zu erhalten, die mit herkömmlichen Systemen vergleichbar ist. Bei höheren Geschwindigkeiten ist, wenn sich die Anstiegs-/Abfallzeiten der Sensoren überschneiden können, wie oben beschrieben ist, und wo eine hohe Auflösung nicht erforderlich ist, die Anzahl von verwendeten Sensorausgangssignalen verringert (d. h. Ignorieren von Impulsen von ver­ schiedenen Sensoren), wodurch das oben beschriebene elektrische Pro­ blem beseitigt ist.

Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine, von der Teile weggebrochen sind, und einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines sich drehenden Elementes der elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfin­ dung ist;

Fig. 2 eine Draufsicht ist, die detaillierter ein Geberrad und eine Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 3 ein vereinfachtes Zeitablaufdiagramm ist, das Signal­ übergänge für jeweilige Sensorausgangssignale von der Sensoranordnung von Fig. 2 zeigt;

Fig. 4 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Blockdi­ agrammes einer Verarbeitungsschaltung zur Erzeugung ei­ nes Positionssignales gemäß der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 5 eine Darstellung eines Diagrammes ist, das eine Vielzahl von Betriebsmoden der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 6 eine vereinfachte Darstellung eines Zeitablaufdiagrammes des Positionssignales für jeden der Betriebsmoden, die in Fig. 5 gezeigt sind, ist.

In den Zeichnungen sind zur Bezeichnung identischer Komponenten in allen Ansichten gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei Fig. 1 eine per­ spektivische Ansicht ist, die eine Vorrichtung 10 zur Bestimmung eines Signales zeigt, das eine Inkrementalposition eines sich drehenden Ele­ mentes einer elektrischen Maschine 12 angibt.

Die elektrische Maschine 12 ist bei einer aufgebauten Ausführungsform eine Induktionsmaschine mit variabler Frequenz, die eine herkömmliche Konfiguration aufweist. Die Maschine 12 ist vom Typ, der von einem her­ kömmlichen Inverter (nicht gezeigt) angetrieben oder gespeist werden kann, der die Frequenz und Spannung variieren kann, die an die Stator­ wicklungen der Maschine angelegt ist. Die elektrische Maschine 12 kann beispielsweise bei einer Starter-Drehstromlichtmaschinenanordnung oder bei einer Hybrid- oder Elektrofahrzeuganwendung verwendet werden. Die elektrische Maschine 12 kann ein sich drehendes Element, wie beispiels­ weise eine Welle 14, eine Statoranordnung 16 mit einem Statorkörper, der mit Statorwicklungen gewickelt ist, und eine Rotoranordnung 18 aufwei­ sen, die kurzgeschlossene Enden 19 aufweist. Die Welle 14 und die Ro­ toranordnung 18 sind so ausgeführt, daß sie sich zusammen als eine Ein­ heit drehen können. Ansonsten kann die elektrische Maschine 12 eine herkömmliche Vorrichtung umfassen, die Fachleuten bekannt ist.

Der Begriff "Auflösung", der hier verwendet ist, bezeichnet den kleinsten Winkelabstand, um den sich ein Geberrad oder -rotor dreht und von ei­ nem Sensorsystem positiv detektiert werden kann. Die hier beschriebene Vorrichtung erzeugt jedesmal eine "Flanke" oder einen "Impuls", wenn sich das Geberrad um einen solchen vorbestimmten Winkelabstand weiter ge­ dreht hat. Somit gibt jede "Flanke" oder jeder "Impuls" die Tatsache an, daß sich die Position des Geberrades inkrementell um diesen Winkelab­ stand gedreht hat. Die Vorrichtung 10 erzielt eine gewünschte Auflösung bei niedrigen Kosten durch Erhöhung der Anzahl von Sensoren, während in entsprechendem Maße die Anzahl von Zähnen an dem Geberrad verrin­ gert wird. Die Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung umfaßt ein Geberrad 20, eine Sensoranordnung 22 und eine Verarbeitungsschaltung 24. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, erzeugt die Verarbeitungsschaltung 24 ein Positions­ signal und insbesondere ein eine Inkrementalposition anzeigendes Signal S_POS, das hier manchmal als das Positionssignal S_POS bezeichnet ist. Das S_POS-Signal gibt eine Inkrementalpositionsänderung des Geberrades 20 an. Dieses Signal kann anschließend dazu verwendet werden, ein Anre­ gungssignal, das durch einen Inverter (nicht gezeigt) erzeugt wird, zum Erregen der Statorwicklungen der elektrischen Maschine 12 zu steuern. Während die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Induktionsmotor mit variabler Frequenz beschrie­ ben ist, sei zu verstehen, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung mit anderen elektrischen Maschinen angewendet und/oder verwendet werden kann, bei denen eine Positionsinformation erforderlich oder erwünscht ist. Das Geberrad in Fig. 1 wie auch die Sensoranordnung 22 sind beispielhaft dargestellt und angeordnet. Es sind Variationen möglich.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann das Geberrad 20 aus magnetisch perme­ ablem Material gebildet sein, wie Eisenmaterial, wie beispielsweise kaltge­ walzter Stahl oder pulverförmiges Eisenmaterial. Das Geberrad 20 weist eine Vielzahl von Zähnen 26, die durch dazwischenliegende Schlitze 28 getrennt sind, winkelig beabstandet um seinen Umfang 30 auf. Jeder Zahn 26 umfaßt eine jeweilige vorausgehende Flanke 32 und eine nachfol­ gende Flanke 34 bezüglich der Drehorientierung, wie durch den Pfeil in Fig. 2 gezeigt ist. Das Geberrad 20 kann eine Scheibenform mit einem vorbestimmten Außendurchmesser aufweisen. Beispielsweise beträgt bei einer Ausführungsform der Durchmesser etwa 319,450 mm, wobei das Geberrad 20 256 Schlitze gleichmäßig beabstandet um den Umfang 30 herum aufweist, wobei jeder Schlitz an der Spitze etwa 2,0 mm breit ist. Wie gezeigt ist, sind die jeweiligen Breiten der Zähne und der Schlitze in etwa gleich; es können jedoch innerhalb des Schutzumfanges der vorlie­ genden Erfindung liegende Variationen ausgeführt werden. Das Geberrad 20 ist so ausgebildet, daß es an dem sich drehenden Element 14 der Maschine 12, beispielsweise an der Welle 14, befestigt sein kann.

Die Sensoranordnung 22 ist in der Nähe des Umfanges 30 des Geberrades 20 durch ein beliebiges herkömmliches Mittel befestigt, wie schematisch als eine Blockverbindung in Fig. 1 gezeigt ist. Die Sensoranordnung 22 umfaßt eine Vielzahl von Sensoren 36 mit der Anzahl n, wobei n einer beliebigen Zahl größer oder gleich 2 entspricht. Bei der veranschaulichten Ausführungsform liegen vier Sensoren 36 vor, die in Fig. 2 mit 36 _A, 36 _B, 36 _C und 36 _D bezeichnet sind. Jeder der Sensoren 36 _i, wobei i = A-D ist, ist so ausgebildet, daß ein jeweiliges Ausgangssignal S_A, S_B, S_C und S_D erzeugt wird, das bei dem Durchgang einer vorausgehenden Flanke 32 und einer nachfolgenden Flanke 34 jedes Zahnes 26 zwischen ersten und zweiten Zuständen wechselt. Die Sensoren 36 _i können eine herkömmliche Vorrichtung umfassen, wie Fachleuten bekannt ist, beispielsweise fixierte magnetoresistive (MR-)Sensoren oder Halleffektsensoren. Jeder Sensor ist von einem benachbarten Sensor um einen vorbestimmten Abstand, der in Fig. 2 mit "D" bezeichnet ist, beabstandet. Der vorbestimmte Abstand D umfaßt eine Winkelverschiebung, die durch einen Winkel von 180/n Grad definiert ist, wobei 360 Grad dem Abstand zwischen entsprechenden Punkten auf zwei aufeinanderfolgenden benachbarten Zähnen 26 entspre­ chen und wobei n der Anzahl von Sensoren 36 _I entspricht, wobei n größer oder gleich Zwei ist. Bei der veranschaulichten Ausführungsform liegen vier Sensoren vor, so daß der vorbestimmte Abstand D in etwa gleich 45 Grad (180/4 = 45°) ist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann "D" etwa gleich 45° + n.360° sein, wobei jeder Sensorausgang um einen gan­ zen Zahn phasenverschoben ist. Die Vielzahl von Sensoren 36 _i können bei einer Konfiguration an dem Plattenniveau, das die erforderlichen Toleran­ zen für "D" aufweist, in einem einzelnen geformten Gehäuse 40 befestigt sein.

Fig. 3 ist eine vereinfachte Darstellung eines Zeitablaufdiagrammes der jeweiligen Ausgangssignale der Sensoren 36 _i. Bei der veranschaulichten Ausführungsform wechselt jedes Sensorausgangssignal von einem ersten niedrigen Zustand 42 zu einem zweiten hohen Zustand 44, wenn eine je­ weilige vorausgehende Flanke 32 (d. h. Schlitz zu Zahn) vorbeiläuft, und ähnlicherweise von einem hohen Zustand 44 zu einem niedrigen Zustand 42, wenn eine jeweilige nachfolgende Flanke 34 (d. h. Zahn zu Schlitz) vor­ beiläuft. Bei der veranschaulichten Ausführungsform würde jede "Flanke" der Sensorausgangssignale, wenn sie wie in Fig. 3 gemeinsam betrachtet werden, durch einen Impulswinkel von 45 Grad getrennt. Zusätzlich ist anzumerken, daß, da das Verhältnis der Breiten von Zahn zu Schlitz an­ nähernd 1 : 1 ist, jedes der Sensorausgangssignale einen Arbeitszyklus von etwa 50% aufweist.

Fig. 4 zeigt die Verarbeitungsschaltung 24 detaillierter. Die Verarbeitungs­ schaltung 24 ist allgemein so ausgebildet, daß ein die Inkrementalposition anzeigendes Signal S_POS in Ansprechen auf Sensorausgangssignale S_A, S_B, S_C und S_D erzeugt wird.

Die Verarbeitungsschaltung 24 umfaßt eine Selektorschaltung 46, eine Logikschaltung 48, einen optionalen Zähler 50 und eine Steuerung 52.

Die Selektorschaltung 46 ist so ausgebildet, um Signale S'_A, S'_B, S'_C und S'_D in Ansprechen auf die Vielzahl von Sensorausgangssignalen S_A, S_B, S_C und S_D zu erzeugen. Insbesondere wählt die Selektorschaltung 46 eines oder mehrere der Signale, die an ihrem Eingang vorkommen (d. h. die Sen­ sorausgangssignale S_A, S_B, S_C und S_D) basierend auf einem Steuersignal 54, das durch Steuerung 52 erzeugt wird. Bei der veranschaulichten Ausführungsform umfaßt die Selektorschaltung 46 eine Vielzahl von UND- Gattern 56 _A, 56 _B, 56 _D. Wie gezeigt ist, existieren (n - 1) separate Steuersi­ gnale 54, eines für jedes der UND-Gatter. Basierend auf der in Fig. 4 ge­ zeigten Konfiguration kann die Steuerung 52 abhängig von dem Betriebs­ zustand, in dem sie sich befindet, eines oder mehrere der Signale S_A, S_B und S_D selektiv maskieren oder hemmen, damit es/sie nicht zu den Aus­ gangsleitungen der Selektorschaltung 46 gelangen kann/können. Wie nachstehend detaillierter beschrieben ist, schaltet die Steuerung 52 zwi­ schen mehreren Betriebsmoden basierend auf einer Geschwindigkeit des sich drehenden Elementes 14. Es sei zu verstehen, daß eine Vielzahl al­ ternativer Konfigurationen für Fachleute offensichtlich sind, um die Funktion der Selektorschaltung 46 zu erreichen.

Die Logikschaltung 48 ist so ausgebildet, um das die Inkrementalposition angebende Signal S_POS unter Verwendung der Ausgänge von der Selektor­ schaltung 46 zu erzeugen. Die Logikschaltung 48 dient dazu, alle Signal­ zustandsübergänge oder "-flanken", die an ihrem Eingang vorkommen, an ihre Ausgangsleitung 58 zu leiten, an der das die Inkrementalposition an­ gebende Signal S_POS erzeugt wird. Die Logikschaltung 48 kann ferner so ausgebildet sein, um ein Richtungssignal an Ausgangsleitungen 60 und 62 vorzusehen, das die Richtung der Bewegung des sich drehenden Ele­ mentes 14 (d. h. im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn) an­ gibt. Die Richtung kann dadurch bestimmt werden, daß identifiziert wird, welches von zwei Sensorausgangssignalen zuerst vorkommt. Die Logik­ schaltung 48 kann eine logische ODER-Schaltung umfassen. Es sei zu verstehen, daß alternative Konfigurationen angepaßt werden können, um die Funktion der Logikschaltung 48 zu erzielen.

Der Zähler 50 spricht auf Signal S_POS wie auch auf den Zustand des Richtungssignales an Leitungen 60, 62 an, um seinen digitalen M-Bit- Ausgang schrittweise entweder zu erhöhen oder zu verringern. Der Zähler 50 kann einen "flanken-" oder impulsbetätigten Zähler umfassen, der in der Technik bekannt ist. Abhängig von der Beschaffenheit der Logik­ schaltung 48, die eine Vielzahl von Konfigurationen mit einer entspre­ chenden Vielzahl von Ausgängen (beispielsweise einen Impulsausgang für jede "Flanke", die von ihren Eingängen empfangen wird, einen Zu­ standsübergang für jede "Flanke", die von ihren Eingängen empfangen wird, etc.) annehmen kann, kann ein entsprechender Zähler 50 gewählt werden. Es sei zu verstehen, daß der Zähler 50 gemäß der Erfindung bei der Verwendung in einer kostengünstigeren Implementierung optional ist, die auch eine indizierte Datentabelle (Einzelheiten unten) umfaßt. Das In­ krementalpositionssignal S_POS kann direkt durch Steuerung 52 zur Ver­ wendung bei der Steuerung der Erregung des Motors 12 verarbeitet wer­ den.

Die Steuerung 52 kann herkömmliche Komponenten umfassen, die Fach­ leuten bekannt sind. Beispielsweise kann die Steuerung 52 einzelne Komponenten umfassen, die so ausgebildet sind, um die hier beschriebenen Funktionen zu erreichen (beispielsweise Auswahl eines Modus basierend auf der Geschwindigkeit des sich drehenden Elementes 14 und Erzeugen entsprechender Steuersignale 54). Alternativ dazu kann die Steuerung 52 ein Mikrocontroller sein, der so programmiert ist, um die hier beschriebe­ nen Funktionen wie auch Funktionen zu erzielen, die Fachleuten bekannt sind, um einen Motor zu steuern.

Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, arbeitet die Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Betriebsmoden abhängig von der Geschwindigkeit des sich drehenden Elementes 14. Insbesondere weist die Verarbeitungsschaltung 24 einen ersten Betriebsmodus 66 auf, bei dem eine erste Anzahl von Sensorausgangssignalen, nämlich Signale S_A, S_B, S_C und S_D bei der veranschaulichten Ausführungsform, zur Erzeugung des Signales S_POS verwendet werden. Die Verarbeitungsschaltung 24 umfaßt ferner einen zweiten Betriebsmodus 68, bei dem eine zweite Anzahl von Sensorausgangssignalen verwendet wird, die sich von der ersten Anzahl an Sensorausgangssignalen unterscheidet, um das Positionssignal S_POS zu erzeugen. Bei dem zweiten Modus 68 können Signale S_A und S_C dazu ver­ wendet werden, das Signal S_POS zu erzeugen. Vorteilhafterweise ist die Verarbeitungsschaltung 24 so ausgebildet, um von einem ersten Modus 66 zu einem zweiten Modus 68 zu schalten, wenn das sich drehende Ele­ ment 14 eine erste vorbestimmte Geschwindigkeit 70 erreicht, die bei der veranschaulichten Ausführungsform beispielhaft 3000 Umdrehungen pro Minute beträgt. Die Verarbeitungsschaltung 24 kann auch einen dritten Betriebsmodus 72 umfassen, bei dem eine dritte Anzahl, die von der zweiten Anzahl an Sensorausgangssignalen verschieden ist, dazu verwen­ det wird, das Signal S_POS zu erzeugen, wenn das sich drehende Element 14 eine zweite vorbestimmte Geschwindigkeit 74 erreicht, die größer als die erste vorbestimmte Geschwindigkeit 70 ist. Bei der veranschaulichten Ausführungsform umfaßt die dritte Anzahl von Sensorausgangssignalen ausschließlich ein Signal, nämlich Signal S_C. Die zweite vorbestimmte Ge­ schwindigkeit kann beispielsweise 6000 Umdrehungen pro Minute betra­ gen.

Somit können bei der veranschaulichten Ausführungsform in der Start­ phase alle vier Sensoren S_A, S_B, S_C und S_D dazu verwendet werden, eine erhöhte gewünschte Inkrementalwinkelpositionsauflösung zu erzielen. Für jeden Zahn 26 des Geberrades 20, der an der Sensoranordnung 22 voll­ ständig vorbeiläuft, entstehen gemeinsam acht Signalübergänge oder "Flanken" unter den vier Ausgangssignalen S_A, S_B, S_C und S_D. Bei dem er­ sten Betriebsmodus 66 übermittelt die Steuerung 52 alle Steuersignale 54, die an die Selektorschaltung 46 geliefert werden. Die übermittelten Steuersignale 54 konditionieren jeweilige UND-Gatter 56 _A, 56 _B und 56 _D, so daß Eingänge zu diesen einfach zu deren Ausgangsleitungen laufen. Dies sind Signale S'_A, S'_B, S'_C und S'_D. Die Logikschaltung 48 kombiniert die "Flanken", die in allen Signalen S'_A, S'_B, S'_C und S'_D vorkommen, um das S_POS-Signal zu erzeugen. Das resultierende Signal S_POS ist in der obe­ ren Kurve von Fig. 6 mit einer beispielhaften Wellenform mit acht "Flanken" gezeigt. Sie zeigt deutlich, daß die obere Kurve für den ersten Betriebsmodus gilt (beispielsweise beim Start und unterhalb einer ersten vorbestimmten Geschwindigkeit).

Wenn die Geschwindigkeit eines sich drehenden Elementes 14 auf eine erste vorbestimmte Geschwindigkeit 70 ansteigt, kann die Anzahl von "Flanken" oder Impulsen um einen Faktor Zwei verringert werden, so daß nur vier Flanken pro Zahn 26 vorhanden sind. Dies wird durch Maskie­ rung der Ausgänge S_B und S_D durchgeführt. Diese Verringerung verhin­ dert, daß zwei Sensorausgangssignale ihre Zustände zu nahe beieinander ändern, und verhindert den damit in Verbindung stehenden Verlust an Information, wie im Hintergrund beschrieben ist. Im zweiten Betriebsmo­ dus 68 übermittelt die Steuerung 52 nur die Steuersignale 54, die zu den UND-Gattern 56 _A und 56 _C vorgesehen sind. Dies konditioniert die UND- Gatter 56 _A und 56 _C, um das Sensorausgangssignal S_A als Signal S'_A und S_C als Signal S_C' hindurchzuleiten. Die UND-Gatter 56 _B und 56 _D sind nicht aktiviert, so daß sie dazu dienen, die Signale S_B und S_D zu maskie­ ren. Wiederum kombiniert die Logikschaltung 48 die "Flanken" der Signale S'_A und S'_C, um das S_POS-Signal zu erzeugen. Dies ist in der mittleren Kurve von Fig. 6 mit einer beispielhaften Wellenform mit vier "Flanken" gezeigt.

Wenn die Geschwindigkeit des sich drehenden Elementes 14 auf eine zweite vorbestimmte Geschwindigkeit 74 ansteigt, wechselt die Verarbei­ tungsschaltung 24 von dem zweiten Modus 68 zu dem dritten Betriebs­ modus 72, wobei nur der Ausgang des Sensors 36c, nämlich das Signal S_C, dazu verwendet wird, um das die Position anzeigende Signal S_POS zu erzeugen. Im dritten Betriebsmodus 72 übermittelt die Steuerung 52 keine Steuersignale 54; demgemäß wird nur Signal S_C (das nicht über ein Gatter geführt ist) hindurchgeleitet. Dies ist in der unteren Kurve von Fig. 6 gezeigt.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, kann die Steuerung 52 so programmiert sein, um die Geschwindigkeit des sich drehenden Elementes 14 durch Analyse (i) des die Inkrementalposition angebenden Signals S_POS, (ii) von Zeitablauf­ daten und (iii) von Information bestimmen zu können und damit bestimmen zu können, in welchem Betriebsmodus sie sich befindet (dies beein­ flußt den "Abstand", der durch das sich drehende Element 14 zwischen aufeinanderfolgenden "Flanken" durchlaufen wird, die in dem S_POS-Signal vorkommen). Die Steuerung 52 kann auf Grundlage ihrer Bestimmung zwischen ersten, zweiten und dritten Moden 66, 68 und 72 schalten. So­ bald der Betriebsmodus bestimmt ist, kann die Steuerung 52 eines oder mehrere der Steuersignale 54 an Schaltung 46 übermitteln oder nicht übermitteln, um so die Auswahl zu erreichen, wie vorher beschrieben wurde.

Der Zähler 58 ist optional enthalten, um eine kostengünstige Implemen­ tierung für die Motorsteuerung zu schaffen. Bei einer beispielhaften An­ wendung kann das m-Bit-Wort 64, das durch Zähler 50 erzeugt wird, als ein Index in einem Speicher vorgesehen oder verwendet werden, um ein Datenwort entsprechend eines Anregungssignales zur Erregung einer elektrischen Maschine 12 rückzugewinnen. Beispielsweise kann unter Annahme einer Datentabelle für 72 Einträge (72-entry data table) in dem Speicher der Steuerung 52 der Zähler 50 als ein Aufwärts-/Abwärtszähler mit 72 Zählwerten (72-count up/down counter) konfiguriert sein. Somit wird bei jeder empfangenen Flanke oder jedem empfangenen Impuls der Zähler 50 seinen Ausgang schrittweise erhöhen oder verringern, wodurch ein Mittel geschaffen wird, um die in dem Speicher gespeicherte Tabelle schrittweise zu durchlaufen. Das vorhergehende Prinzip kann auf andere Betriebsmoden angewendet werden (beispielsweise dem dritten Betriebs­ modus 72, bei dem nur 1/4 der Impulse des ersten Betriebsmodus durch den Zähler 50 aufgenommen werden, wobei eine entsprechende Einstel­ lung in den Dateneinträgen der Datentabelle und der Konfiguration des Zählers erforderlich wird).

Wenn von einem Betriebsmodus zu dem nächsthöheren Betriebsmodus gewechselt wird, finden die folgenden Beziehungen Anwendung: wenn die Anzahl von Sensoren gleichmäßig ist, dann kann die gemäß der vorliegen­ den Erfindung verwendete Anzahl um einen Faktor 2 verringert werden. Wenn die Anzahl von Sensoren ungleichmäßig ist, dann kann die Anzahl von Sensoren gemäß der Erfindung um zumindest ((n - 1)/2) + 1 verringert werden.

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung weist zum einen den Vorteil der Lieferung einer erhöhten Inkrementalpositionsauflösung eines sich dre­ henden Elementes unter Verwendung eines kostengünstigen Geberrades mit niedriger Zahnanzahl auf. Entsprechend sieht die Erfindung auf einer kostengleichen Basis verglichen zur herkömmlichen Konfiguration eine erhöhte Auflösung vor.

Es sei zu verstehen, daß die obige Beschreibung lediglich beispielhaft an­ statt begrenzender Natur ist, wobei die Erfindung nur durch die angefüg­ ten Ansprüche begrenzt ist. Es können verschiedene Modifikationen und Änderungen durch Fachleute ausgeführt werden, die die Prinzipien der Erfindung verwenden und in den Schutzumfang derselben fallen.

Claims (13)

1. Vorrichtung (10) zur Bestimmung einer Position eines sich drehenden Elementes (14) einer elektrischen Maschine (12) mit einem Targetrad (20), das eine Vielzahl von Zähnen (26), die durch Schlitze (28) ge­ trennt sind, winkelig beabstandet um seinen Umfang (30) herum aufweist, wobei das Targetrad (20) derart ausgebildet ist, daß es an dem sich drehenden Element (14) befestigbar ist, und einer Sensor­ anordnung (22) in der Nähe des Umfanges (30) mit einer Vielzahl von Sensoren (36), von denen jeder derart ausgebildet ist, um einen jewei­ ligen Ausgang (S_A, S_B, S_C, S_D) zu erzeugen, der bei einem Durchgang jeder vorauslaufenden (32) und nachfolgenden (34) Flanke der Zähne (26) zwischen ersten (42) und zweiten (44) Zuständen wechselt, und einer Verarbeitungsschaltung (24), die ein Positionssignal (S_POS) in Ansprechen auf die Ausgangssignale erzeugt, dadurch gekennzeich­ net, daß:
jeder Sensor (36) von einem benachbarten der Sensoren um einen vorbestimmten Abstand (D) beabstandet ist; und
die Verarbeitungsschaltung (24) einen ersten Betriebsmodus (66) aufweist, bei dem eine erste Anzahl der Vielzahl von Ausgangssigna­ len dazu verwendet wird, das Positionssignal (S_POS) zu erzeugen, wo­ bei die Verarbeitungsschaltung (24) ferner einen zweiten Betriebsmo­ dus (68) aufweist, bei dem eine zweite Anzahl der Ausgangssignale, die von der ersten Anzahl verschieden ist, dazu verwendet wird, das Positionssignal (S_POS) zu erzeugen, wobei die Verarbeitungsschaltung (24) derart ausgebildet ist, um von dem ersten Modus zu dem zweiten Modus zu schalten, wenn das sich drehende Element (14) eine erste vorbestimmte Geschwindigkeit (70) erreicht.

2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Abstand (D) gleich 180 Grad geteilt durch die Anzahl der Vielzahl von Senso­ ren (36) ist, wobei 360 Grad einen Winkelabstand von Zahn zu Zahn an dem Targetrad (20) entsprechen.

3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Anzahl von Sensoren (36) gleich Vier ist, und der vorbestimmte Abstand (D) gleich fünf­ undvierzig Grad beträgt.

4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Sensoren (36) einstückig auf einer Platte ausgebildet sind.

5. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Platte überformt ist, um ein Gehäuse (40) zu bilden.

6. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsschaltung (24) ferner einen dritten Betriebsmodus (72) umfaßt, bei dem eine dritte Anzahl, die von der zweiten Anzahl der Ausgangssignale ver­ schieden ist, dazu verwendet wird, das Positionssignal (S_POS) zu er­ zeugen, wenn das sich drehende Element (14) eine zweite vorbe­ stimmte Geschwindigkeit (74) erreicht, die größer als die erste vorbe­ stimmte Geschwindigkeit (70) ist.

7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsschaltung (24) umfaßt:
eine Selektorschaltung (46), die derart ausgebildet ist, um die ers­ te Anzahl von Ausgangssignalen und die zweite Anzahl von Aus­ gangssignalen basierend auf der Geschwindigkeit des sich drehenden Elementes zu erzeugen.

8. Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, wobei die Verarbeitungsschaltung (24) ferner eine Logikschaltung (48) umfaßt, die mit der Selektor­ schaltung (46) gekoppelt ist und derart ausgebildet ist, um das Posi­ tionssignal (S_POS) zu erzeugen.

9. Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei die Verarbeitungsschaltung (24) eine Steuerung (52) umfaßt, die derart ausgebildet ist, um eine Vielzahl von Steuersignalen (54) als eine Funktion des Betriebsmodus zu erzeugen, wobei die Steuersignale (54) an die Selektorschaltung (46) geliefert werden.

10. Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei die Logikschaltung (48) eine logische ODER-Schaltung umfaßt.

11. Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, ferner mit einem Zähler (50), der auf das Positionssignal (S_POS) anspricht und derart ausgebildet ist, um in Ansprechen darauf ein digitales Mehr-Bit-Wort (64) zu erzeu­ gen, wobei das digitale Wort (64) zur Indizierung in einem Speicher dient, um ein entsprechendes Datenwort rückzugewinnen, wobei das Datenwort einem Anregungssignal zur Erregung der elektrischen Ma­ schine (12) entspricht.

12. Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, wobei die Selektorschaltung (46) eine entsprechende UND-Logikschaltung (56) für jedes Ausgangssig­ nal umfaßt.

13. Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, wobei die Steuerung (52) Mittel zur Wahl des Betriebsmodus als eine Funktion des Positionssignales (S_POS) und eines Zeitparameters umfaßt.