DE4335701C2 - Induktive Winkelmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine induktive Winkelmeßeinrichtung mit einem als rotations­ symmetrische Magnetfluß-Führungseinrichtung ausgeführten Bezugskörper, mit ei­ ner nach Anlegen einer Wechselspannung ein magnetisches Wechselfeld erzeu­ genden Primärspule, die innerhalb des Bezugskörpers (2) angeordnet ist, mit einer in dem von der Primärspule erzeugten magnetischen Wechselfeld vorgesehenen Sekundärspule, mit einem aus einem elektrisch nicht lei­ tendem Material bestehendem Meßkörper und mit einer elektrisch leitenden, den Meßkörper teilweise bedeckenden Beschichtung, wobei der Meßkörper das die Se­ kundärspule durchsetzende magnetische Wechselfeld durch seine Relativstellung zum Bezugskörper beeinflußt und der Meßkörper rotationssymmetrisch ausgeführt und derart ausgestaltet ist, daß die Beschichtung nicht zu einer asymmetrischen Ge­ wichtsverteilung des Meßkörpers führt.

Induktive Winkelmeßeinrichtungen der hier grundsätzlich in Rede stehenden Art dienen der Messung - sowie ggf. der Anzeige und/oder der Auswertung des Winkels zwischen dem Meßkörper und dem Bezugskörper und sind seit langem bekannt (vgl. die US 3,949,339, die Literaturstelle "antriebstechnik" 31(1992) Nr. 9, Seiten 46, 48 und 51, die EP-A2-0 519 844 sowie die DE-A1 41 27 209 und die den Gegen­ stand der DE-A1-41 27 209 beschreibende Literaturstelle "ELEKTRIE", Berlin 47 (1993) 4, Seiten 165 bis 167 sowie die SU-887 921). Die Funktionsweise dieser Winkelmeßgeräte beruht zunächst ganz allgemein auf dem Induktionsprinzip. Die Primärspule erzeugt nach Anlegen einer Wechselspannung ein magnetisches Wech­ selfeld. In diesem magnetischen Wechselfeld befindet sich die Sekundärspule, so daß in ihr - nach dem Induktionsgesetz - eine Wechselspannung erzeugt wird. Die Größe dieser Wechselspannung ist abhängig einerseits von der Größe des von der Primär­ spule erzeugten magnetischen Wechselfeldes, also - bei vorgegebener Primärspule - von der Größe der an die Primärspule angelegten Wechselspannung, andererseits da­ von, welcher Anteil des von der Primärspule erzeugten magnetischen Wechselfeldes die Sekundärspule durchsetzt. Sorgt man dafür, daß der Anteil des von der Primär­ spule erzeugten magnetischen Wechselfeldes, der die Sekundärspule durchsetzt, ab­ hängig ist von der Relativstellung des Meßkörpers zum Bezugskörper, also vom Winkel zwischen dem Meßkörper und dem Bezugskörper, so ist die Größe der in der Sekundärspule erzeugten Wechselspannung abhängig von der Relativstellung des Meßkörpers zum Bezugskörper, also vom Winkel zwischen dem Meßkörper und dem Bezugskörper. Gemeinsam ist folglich allen induktiven Winkelmeßeinrichtungen der hier grundsätzlich in Rede stehenden Art, daß mit Hilfe des Meßkörpers der Anteil des von der Primärspule erzeugten magnetischen Wechselfeldes, der die Sekundärspule durchsetzt, beeinflußt werden kann, wobei vorzugsweise zwischen dem Winkel zwi­ schen dem Meßkörper und dem Bezugskörper einerseits und dem Anteil des von der Primärspule erzeugten magnetischen Wechselfeldes, der die Sekundärspule durch­ setzt, eine lineare Abhängigkeit besteht, so daß die Größe der in der Sekundärspule erzeugten Wechselspannung linear abhängig ist von der Relativstellung des Meß­ körpers zum Bezugskörper, also vom Winkel zwischen dem Meßkörper und dem Be­ zugskörper.

Die SU-887 921, von der die Lehre der Erfindung ausgeht, zeigt eine induktive Winkelmeßeinrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung von Wechselstrommotoren mit einem als scheibenförmigen Rotor ausgestalteten Meßkörper und mit auf beiden Seiten angeordneten Statorelementen. Dabei dient ein Statorelement als Bezugskör­ per, der eine mit einer Wechselspannungsquelle verbundene Primärspule aufweist. Das andere Statorelement weist eine flache, Segmente aufweisende Sekundärspule auf. Der Meßkörper besteht aus einem nicht leitenden, dielektrischen Material und weist teilweise eine metallische Beschichtung auf. Dabei bildet der nicht metallische Teil des Meßkörpers verschiedene Streifen, die das die Sekundärspule durchsetzende magnetische Wechselfeld abhängig von der Relativstellung des Meßkörpers zum Be­ zugskörper beeinflußt. Weiterhin ist der Meßkörper rotationssymmetrisch ausgeführt und die metallische Beschichtung ist derart auf dem Meßkörper verteilt, daß die Be­ schichtung nicht zu einer asymmetrischen Gewichtsverteilung des Meßkörpers führt. Weiterhin ist bei der in dieser Druckschrift offenbarten induktiven Winkelmeßeinrich­ tung die Sekundärspule flächig auf dem Statorelement angebracht, während die Be­ schichtung auf der Seite des Meßkörpers angeordnet ist, die dem die Primärspule tra­ genden Bezugskörper zugewandt ist.

Die DE-A1-41 27 209 offenbart eine induktive Winkelmeßeinrichtung, bei der der Bezugskörper als Trägerplatine ausgeführt ist, auf der sowohl die Primärspule als auch die Sekundärspule vorgesehen sind, während der Meßkörper aus zwei, beidsei­ tig der Trägerplatine angeordneten becherförmigen, durch eine Achse verbundenen Kernschalen besteht. Bei dieser induktiven Winkelmeßeinrichtung sind der Bezugs­ körper rotationssymmetrisch, der Meßkörper dagegen nicht rotationssymmetrisch ausgeführt. Die beiden den Meßkörper bildenden becherförmigen Kernschalen be­ stehen jeweils aus zwei Halbschalen mit unterschiedlichem Durchmesser, wodurch der Meßkörper durch seine Relativstellung zum Bezugskörper das die Sekundärspule durchsetzende magnetische Wechselfeld beeinflußt.

Die DE-C2-37 40 800 offenbart eine induktive Winkelmeßeinrichtung mit einem eine Spule aufweisenden Bezugskörper, dem in einem festen Abstand ein weiterer Bezugskörper zugeordnet ist, der halbseitig mit einer elektrisch leitenden Schicht be­ deckt ist. Die in dieser elektrisch leitenden Schicht durch das von der Spule erzeugte hochfrequente Magnetfeld erzeugten Wirbelströme führen zu einer Verringerung der Induktivität der Spule, wodurch ein Meßsignal erzeugbar ist. Zwischen den beiden Bezugskörpern ist eine halbkreisförmige Blende angeordnet, die je nach Winkelstel­ lung die elektrisch leitende, auf einem der Bezugskörper angeordnete Schicht unter­ schiedlich weit überdeckt. So können sich auf der von der Blende überdeckten Flä­ che dieser Schicht keine oder nur relativ vernachlässigbare Wirbelströme ausbilden, wodurch das Meßsignal von der Winkelposition des Meßkörpers abhängt.

Die EP-A2-0 519 844 offenbart eine induktive Winkelmeßeinrichtung, die einen aus zwei Kernschalen bestehenden Bezugskörper aufweist, in dem eine Primärspule an­ geordnet ist. Weiterhin ist eine aus zwei Teilwicklungen bestehende Sekundärspule vorgesehen, wobei eine Teilwicklung in der oberen Kernschale und die zweite Teil­ wicklung in der unteren Kernschale angeordnet ist. Weiterhin weist die induktive Winkelmeßeinrichtung einen Meßkörper auf, der aus ferromagnetischem Material be­ steht und eine halbkreisförmige Fläche aufweist. Dieser Meßkörper ist zwischen den beiden Kernschalen so angeordnet, daß die Magnetfeldlinien des von der Primärspule erzeugten Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Winkelstellung zu unterschiedli­ chen Teilen durch die beiden Teilwicklungen der Sekundärspule geführt werden, so daß die in der Sekundärspule erzeugte Spannung ein Maß für die Winkelstellung des Meßkörpers gegenüber dem Bezugskörper ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik be­ kannte induktive Meßwinkeleinrichtung derart auszugestalten und weiterzubilden, daß auch bei hohen Drehzahlen bzw. bei einer erforderlichen hohen Winkelauflö­ sung ein zuverlässiges Meßsignal erzeugbar ist.

Die erfindungsgemäße induktive Winkelmeßeinrichtung, bei der die zuvor hergelei­ tete und dargelegte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen da­ durch gekennzeichnet, die Sekundärspule auf einem scheibenförmigen Spulenträger vorgesehen und zwischen dem Bezugskörper und dem Meßkörper angeordnet ist und daß die mit der Beschichtung versehene Seite des Meßkörpers der Sekundär­ spule zugewandt ist.

Bei der vorliegenden Erfindung ist also als wesentlich erkannt worden, daß die Se­ kundärspule und die auf dem Meßkörper angeordnete Beschichtung, das die Sekun­ därspule durchsetzende magnetische Wechselfeld durch seine Relativstellung zum Bezugskörper beeinflußt, möglichst gering sein sollte, um eine Verbesserung der Qua­ lität des Meßsignals der induktiven Winkelmeßeinrichtung zu erreichen. Denn das von der Primärspule erzeugte magnetische Wechselfeld induziert in der elektrisch lei­ tenden Beschichtung des Meßkörpers Wirbelströme, die die Symmetrie des von der Primärspule erzeugten magnetischen Wechselfeldes stören. Das wirkt sich in bezug auf die Sekundärspule dahingehend aus, daß das magnetische Wechselfeld beeinflußt und nicht rotationssymmetrisch ist; je stärker das magnetische Wechselfeld in der Nähe der Sekundärspule beeinflußt ist, desto geringer ist die in ihr induzierte Wech­ selspannung.

Erfindungsgemäß wird nun das magnetische Wechselfeld um so stärker in den der Nähe der Sekundärspule beeinflußt, je geringer der Abstand zwischen der Sekundär­ spule und der elektrisch leitenden Beschichtung des Meßkörpers ist. Dieser Abstand ist nur dann besonders gering einstellbar, wenn einerseits der Meßkörper aufgrund seiner Rotationssymmetrie sowie seiner symmetrischen Gewichtsverteilung keine Unwucht aufweist und dementsprechend auch bei hohen Drehzahlen eine ruhige Drehbewegung ohne Schwankungen aufweist und wenn andererseits die auf einem scheibenförmigen Spulenträger vorgesehenen Sekundärspule zwischen dem Be­ zugskörper und dem die Beschichtung aufweisenden Meßkörper angeordnet ist und weiterhin die Seite des Meßkörpers der Sekundärspule zugewandt ist, die die Be­ schichtung aufweisen.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, bei der erfindungsgemäßen in­ duktiven Winkelmeßeinrichtung die elektrisch leitende Beschichtung des Meßkör­ pers auszuführen.

Zuvor ist im einzelnen erläutert worden, daß und warum der Meßkörper nur teilweise mit der elektrisch leitenden Beschichtung versehen ist. Vorzugsweise bedeckt die elektrisch leitende Beschichtung den Meßkörper, der vorzugsweise aus glasfaserver­ stärktem Leiterplattenmaterial besteht, in einem Kreissegment von 180°. Sie besteht vorzugsweise aus Kupfer und kann in verschiedener Weise auf den Meßkörper auf­ gebracht werden. Denkbar ist das Aufbringen einer Folie aus Kupfer. Denkbar ist aber auch, einen Meßkörper zu verwenden, der zunächst insgesamt eine Beschich­ tung aus Kupfer aufweist, wobei dann in zum Stand der Technik gehörender Weise ein Teil der Beschichtung aus Kupfer entfernt wird, so daß nur die funktionsnotwen­ dige teilweise Beschichtung des Meßkörpers verbleibt.

Im übrigen kann bei der erfindungsgemäßen Winkelmeßvorrichtung der Meßkörper die Beschichtung einseitig aufweisen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Meßkörper beidseitig mit der elektrisch leitenden Beschichtung zu versehen.

Weiter oben ist bereits ausgeführt worden, daß bei der erfindungsgemäßen indukti­ ven Winkelmeßeinrichtung der Meßkörper "hinsichtlich seiner Wirkung auf das ma­ gnetische Wechselfeld" nicht rotationssymmetrisch sein darf. Vorzugsweise ist gleichwohl der Meßkörper insgesamt zumindest im wesentlichen rotationssymme­ trisch ausgeführt; insbesondere ist der Meßkörper derart gestaltet, daß die Beschich­ tung nicht zu einer asymmetrischen Gewichtsverteilung des Meßkörpers führt. Dazu kann der Meßkörper dort, wo er mit der elektrisch leitenden Beschichtung versehen ist, zuvor materialgeschwächt ausgeführt sein. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, den Meßkörper dort, wo er nicht mit einer elektrisch leitenden Beschich­ tung versehen ist, mit einer elektrisch und magnetisch nicht-leitenden, gewichtsglei­ chen Beschichtung zu versehen.

Bei der erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung hat die rotationssym­ metrische Ausbildung des Meßkörpers den wesentlichen Vorteil, daß jede Unwucht vermieden ist. Dieser Vorteil ist besonders dann von Bedeutung, wenn der Meßkör­ per rotiert, wenn also mit der erfindungsgemäßen Winkelmeßeinrichtung momentane Winkel zwischen dem rotierenden Meßkörper und dem ortsfesten Bezugskörper gemessen werden.

Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße induktive Winkelmeßeinrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen ei­ nerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende, anhand der Zeichnung gegebene Erläuterung bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 im Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung,

Fig. 2 eine grafische Darstellung zur Erläuterung des vorhandenen magneti­ schen Wechselfeldes, der Sekundärspule und der elektrisch leitenden Beschichtung des Meßkörpers,

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende grafische Darstellung zu einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeß­ einrichtung, die zwei Sekundärspulen aufweist,

Fig. 4 den Verlauf der in den Sekundärspulen nach Fig. 3 - als Meßgröße er­ zeugten Wechselspannungen, in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Meßkörper und dem Bezugskörper bzw. zwischen dem Meßkörper und den Sekundärspulen,

Fig. 5 im Querschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung und

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Auswerteelektronik für eine er­ findungsgemäße induktive Winkelmeßeinrichtung.

Die in Fig. 1 mehr schematisch, in Fig. 5 detailliert dargestellte in­ duktive Winkelmeßeinrichtung 1 besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem als rotationssymmetrische Magnetfluß-Führungseinrichtung ausgeführten Bezugs­ körper 2, aus einer nach Anlegung einer Wechselspannung ein magnetisches Wech­ selfeld erzeugenden Primärspule 3, aus einer in dem von der Primärspule 3 erzeugten magnetischen Wechselfeld vorgesehenen Sekundärspule 4 und aus einem das die Sekundärspule 4 durchsetzende magnetische Wechselfeld durch seine Relativstel­ lung zum Bezugskörper 2 beeinflussenden Meßkörper 5. Es handelt sich also um eine induktive Winkelmeßeinrichtung 1, die der Messung sowie ggf. der Anzeige und/oder der Auswertung des Winkels zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 dient und deren Funktionsweise auf dem Induktionsprinzip beruht. Die Primärspule 3 erzeugt nach Anlegen einer Wechselspannung ein magnetisches Wechselfeld, das in den Fig. 2 und 3 angedeutet ist, nämlich, wie üblich, durch ⊗-Symbole und durch ⊖- Symbole. In dem magnetischen Wechselfeld befindet sich die Sekundärspule 4, so daß in ihr - nach dem Induktionsgesetz - eine Wechselspannung erzeugt wird, deren Größe abhängig ist einerseits von der Größe des von der Primärspule 3 erzeugten ma­ gnetischen Wechselfeldes, also - bei vorgegebener Primärspule 3 - von der Größe der an die Primärspule 3 angelegten Wechselspannung, andererseits davon, welcher An­ teil des von der Primärspule 3 erzeugten magnetischen Wechselfeldes die Sekundär­ spule 4 durchsetzt. Der Anteil des magnetischen Wechselfeldes, der die Sekundär­ spule 4 durchsetzt, ist abhängig von der Relativstellung des Meßkörpers 5 zum Be­ zugskörper 2, also abhängig vom Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Be­ zugskörper 2.

Für die induktive Winkelmeßeinrichtung 1 gilt nun, daß der Meß­ körper 5, an den im übrigen eine Welle 6 angeschlossen ist, aus elektrisch nicht-lei­ tendem Material besteht, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Leiterplattenmaterial, und teilweise mit einer elektrisch leitenden Beschichtung 7 versehen ist. Das von der Primärspule 3 erzeugte magnetische Wechselfeld induziert in der elektrisch leitenden Beschichtung 7 des Meßkörpers Wirbelströme, die die Symmetrie des von der Primär­ spule 3 erzeugten magnetischen Wechselfeldes stören. Das wirkt sich in bezug auf die Sekundärspule 4 dahingehend aus, daß das magnetische Wechselfeld beeinflußt und nicht rotationssymmetrisch ist; je stärker das magnetische Wechselfeld in der Nähe der Sekundärspule 4 durch die Beschichtung 7 des Meßkörpers 5 beeinflußt ist, desto geringer ist die in der Sekundärspule 4 induzierte Wechselspannung.

Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, bedeckt die elektrisch leitende Beschich­ tung 7 den in Fig. 2 nicht dargestellten Meßkörper 5 in einem Kreissegment von 180°. Der Meßkörper 5 kann die Beschichtung 7, die vorzugsweise aus Kupfer be­ steht, einseitig, wie in Fig. 5 dargestellt, aber auch beidseitig, wie in Fig. 1 dargestellt, aufweisen. Weist der Meßkörper 5 nur einseitig die Beschichtung 7 auf, so befindet sich diese zweckmäßigerweise auf der der Primärspule 3 zugewandten Seite des Meßkörpers 5. Im übrigen gilt für die dargestellten Ausführungsbeispiele erfindungs­ gemäßer induktiver Winkelmeßeinrichtungen 1, daß der Meßkörper 5 rotationssym­ metrisch ausgeführt ist; insbesondere ist der Meßkörper 5 derart ausgestaltet, daß die Beschichtung 7 nicht zu einer asymmetrischen Gewichtsverteilung des Meßkörpers 5 führt.

In den beiden in den Fig. 1 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen erfindungs­ gemäßer induktiver Winkelmeßeinrichtungen 1 ist, wie im Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, der Bezugskörper 2 als Schalenkern aus ferritischem Mate­ rial ausgeführt und die Primärspule 3 innerhalb des Bezugskörpers 2 angeordnet. Im übrigen ist jeweils dem Bezugskörper 2 ein als Magnetfluß-Führungseinrichtung ausgeführter Ergänzungskörper 9 zugeordnet. Während der Ergänzungskörper 9 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, wie der Bezugskörper 2, als Schalenkern ausgeführt ist, gilt für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, daß der Ergänzungskörper 9 schei­ benförmig ausgeführt ist. Der Bezugskörper 2 und der Ergänzungskörper 9 bilden einen weitgehend geschlossenen magnetischen Kreis, wobei die Sekundärspule 4 und der Meßkörper 5 zwischen dem Bezugskörper 2 und dem Ergänzungskörper 9 - in einem dort vorhandenen Luftspalt - angeordnet sind. Im einzelnen ist die Sekun­ därspule 4 zwischen dem Bezugskörper 2 und dem Meßkörper 5 angeordnet und auf einem scheibenförmigen Spulenträger 8 vorgesehen.

Für das, was bisher in bezug auf die speziell ausgebildete Winkel­ meßeinrichtung 1 beschrieben ist, gilt, daß die in der Sekundärspule 4 induzierte Wechselspannung abhängig ist von der Relativstellung des Meßkörpers 5 zum Be­ zugskörper 2, also abhängig ist vom Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2; die Größe der in der Sekundärspule 4 erzeugten Wechselspannung ändert sich von einem Minimalwert, der ungleich Null ist, und einem Maximalwert. Damit ist in Strenge eine lineare Abhängigkeit der Größe der in der Sekundärspule 4 erzeugten Wechselspannung vom Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 nicht gegeben.

Es gehört zum Stand der Technik (vgl. die US 3,949,339, die Literaturstelle "an­ triebstechnik", aaO, die EP-A2-0 519 844 sowie die DE-A1 41 27 209 und die den Gegenstand der DE-A1-41 27 209 beschreibende Literaturstelle "ELEKTRIE", aaO), die zuvor erläuterte, bei induktiven Winkelmeßeinrichtungen der grundsätzlich in Rede stehenden Art vorhandene nichtlineare Abhängigkeit der Größe der in der Se­ kundärspule erzeugten Wechselspannung durch das Prinzip des Differential-Trans­ formators zu eliminieren. Dabei besteht die Sekundärspule aus zwei invers geschalte­ ten Teilwicklungen. Werden beide Teilwicklungen der Sekundärspule in gleicher Weise vom magnetischen Wechselfeld durchsetzt, so wird in jeder der beiden Teil­ wicklungen eine gleich große, jedoch entgegengesetzt polarisierte Wechselspannung induziert, so daß die insgesamt in der Sekundärspule induzierte Spannung, die Diffe­ renzspannung der beiden Teilwicklungen, Null ist. Werden jedoch die beiden Teil­ wicklungen der Sekundärspule von unterschiedlichen magnetischen Wechselfeldern durchsetzt, so werden in den Teilwicklungen unterschiedlich große Wechselspan­ nungen induziert, so daß die Spannung der Sekundärspule insgesamt ungleich Null ist.

Das, was zuvor zum Prinzip des Differential-Transformators erläutert worden ist, ist auch bei den dargestellten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer induktiver Winkelmeßeinrichtungen 1 verwirklicht. Die Sekundärspule 4 besteht aus zwei invers geschalteten Teilwicklungen 4a, 4b, wobei, wie die Fig. 2 und 3 zeigen, die beiden Teilwicklungen 4a, 4b der Sekundärspule 4 jeweils einen Teilbereich des magneti­ schen Wechselfeldes, in den dargestellten Ausführungsbeispielen ca. 180°, umschlie­ ßen und die Flächen der beiden Teilwicklungen 4a, 4b gleich groß sind. Wie die Fig. 2 zeigt, ist die Beschichtung 7 des Meßkörpers 5 den beiden Teilwicklungen 4a und 4b der Sekundärwicklung 4 symmetrisch zugeordnet. Die Folge davon ist, daß die bei­ den Teilwicklungen 4a und 4b der Sekundärwicklung 4 in gleicher Weise vom ma­ gnetischen Wechselfeld durchsetzt sind, so daß bei der gezeigten Zuordnung der Be­ schichtung 7 des Meßkörpers 5 zur Sekundärspule 4 die in der Sekundärspule 4 in­ duzierte Wechselspannung resultierend Null ist. Bei einer Winkelstellung des Meß­ körpers 4, die um 90° von der in Fig. 2 dargestellten Position abweicht, ist beispiels­ weise die Beschichtung 7 des Meßkörpers 5 nur der Teilwicklung 4a der Sekundär­ wicklung 4 zugeordnet, während die Teilwicklung 4b der Sekundärwicklung 4 von der Beschichtung 7 des Meßkörpers nicht beeinflußt wird. Die Folge davon ist, daß die in der Sekundärspule 4 induzierte Wechselspannung ihren Maximalwert hat. Die in der Sekundärspule 4 induzierte Wechselspannung ändert sich also linear zwischen Null (Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 = 0°) und einem Maximalwert (Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 = 90°), dem Maximalwert und Null (Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugs­ körper 2 = 180°), Null und dem negativen Maximalwert (Winkel zwischen dem Meß­ körper 5 und dem Bezugskörper 2 = 270°) sowie dem negativen Maximalwert und Null (Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 = 360° = 0°). Für nahezu jeden Spannungswert der in der Sekundärspule 4 induzierten Wechsel­ spannung gibt es also zwei zugeordnete Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2; ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Spannungswert der in der Sekundärspule 4 induzierten Wechselspannung und dem Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 ist also nicht gegeben.

Bei Winkelmeßeinrichtungen, und zwar sowohl bei induktiven Winkelmeßeinrich­ tungen (vgl. die DE-A1-41 27 209) als auch bei kapazitiven Winkelmeßeinrichtun­ gen (vgl. die DE-C2-37 11 062), ist das Problem der zuvor beschriebenen Nicht-Ein­ deutigkeit des Zusammenhangs zwischen dem Spannungswert der in der Sekundär­ spule induzierten Wechselspannung und dem Winkel zwischen dem Meßkörper und dem Bezugskörper bereits erkannt und gelöst, und zwar dadurch, daß, versetzt zuein­ ander, mehrere Sekundärspulen (vgl. die DE-A1-41 27 209) bzw. mehrere Sensor­ elektroden (vgl. die DE-C2-37 11 062) vorgesehen sind.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung 1 ist nun - um 90° gegenüber der ersten Sekundärspule 4 versetzt - eine zweite Sekundärspule 10 vorgesehen. Auch die zweite Sekundärspule 10 besteht, wie die erste Sekundärspule 4, aus zwei invers ge­ schalteten Teilwicklungen 10a, 10b, wobei die Teilwicklungen 10a, 10b der zweiten Sekundärspule 10, wie dies auch für die Teilwicklungen 4a, 4b der ersten Sekundär­ spule gilt, jeweils einen Teilbereich des magnetischen Wechselfeldes, im dargestellten Ausführungsbeispiel ca. 180°, umschließen und die Flächen der beiden Teilwicklun­ gen 10a, 10b gleich groß sind.

Für das zuvor beschriebene, in Fig. 3 skizzierte bevorzugte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung gilt nun hinsichtlich der win­ kelabhängig in der Sekundärspule 4 induzierten Wechselspannung der in Fig. 4 dar­ gestellte Verlauf (vgl. auch die Fig. 2a in der DE-C2-37 11 062 und die dazu in der DE-C2-37 11 062 gegebene Erläuterung). In Fig. 4 entspricht der Spannungsverlauf A der Größe der in der ersten Sekundärspule 4 induzierten Wechselspannung, der Spannungsverlauf B der Größe der in der zweiten Sekundärspule induzierten Wech­ selspannung. Ziel der Auswertung ist es dann, die Bereiche der Spannungsverläufe A und B auszuwerten, die linear verlaufen. Es ist also zu vermeiden, die Spannungs­ werte in den Spitzen der dreieckförmigen Spannungsverläufe A und B direkt auszu­ werten. Addiert man nun zu den in Fig. 4 dargestellten Spannungswerten entspre­ chend den Spannungsverläufen A und B noch Spannungswerte mit entgegenge­ setztem Vorzeichen, entsprechend den Spannungsverläufen C und D in Fig. 4, so kann die Auswertung in an sich bekannter Weise erfolgen.

Wie die Fig. 3 zeigt, gilt für das hier skizzierte Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung 1, daß die beiden Sekundärspulen 4 und 10 auf den beiden Seiten des scheibenförmigen Spulenträgers 8 vorgesehen sind. Die Teilwicklungen 4a und 4b bzw. 10a und 10b der Sekundärspulen 4 bzw. 10 haben radial verlaufende Wicklungsteile und sind außerhalb der radial verlaufenden Wick­ lungsteile kreisförmig angeordnet. Dabei sind die radial verlaufenden Wicklungsteile der Teilwicklungen 4a und 4b bzw. 10a und 10b der Sekundärspulen 4 bzw. 10 so ausgestaltet, daß durch Wirbelströme erzeugte Homogenitäten minimal sind; die an­ einandergrenzenden radial verlaufenden Wicklungsteile der Teilwicklungen 4a und 4b bzw. 10a und 10b weisen einen minimalen Abstand auf. Im übrigen sind die Se­ kundärspulen 4 bzw. 10 jeweils an einem Kreuzungspunkt 11 bzw. 12 aufgetrennt und nach Durchkontaktierung auf der anderen Seite des Spulenträgers 8 verbunden. Die Kreuzungspunkte 11 bzw. 12 sind außerhalb des durch die Teilwicklungen 4a und 4b bzw. 10a und 10b der Sekundärspulen 4 bzw. 10 gebildeten Kreisringes verwirklicht.

Fig. 5 zeigt nun - auch im konstruktiven Detail - ein weiteres bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung 1. Bei die­ ser Ausführungsform ist zunächst ein Sockel 13 vorgesehen, in dem mit Hilfe von zwei Kugellagern 14 die Welle 6 des Meßkörpers 5 drehbar gelagert ist. Der Meßkör­ per 5 ist mit Hilfe einer Schraube 15 drehfest mit der Welle 6 verbunden. An dem Sockel 13 ist ein Halteelement 16 derart befestigt, daß der Ergänzungskörper 9, der seinerseits an dem Halteelement 16 befestigt ist, mit geringem Abstand unterhalb des Meßkörpers 5 angeordnet ist. Mit Hilfe eines über einen Abstandhalter 17 vom Hal­ teelement 16 mit Abstand angeordneten Halteelementes 18 ist der Bezugskörper 2 mit dem Sockel 13 verbunden. Auf der dem Meßkörper 5 abgewandten Seite des Be­ zugskörpers 2 ist mit Hilfe von Abstandhaltern 19 und Befestigungsschrauben 20 ein scheibenförmiger Schaltungsträger 21 befestigt, auf dem die Auswerteelektronik 22 verwirklicht ist. Im einzelnen sind die Bauelemente der Auswerteelektronik 22 auf ei­ nem flexiblen Bauelementeträger 23 angebracht, der auf beiden Seiten des Schal­ tungsträgers 21 angeordnet ist. Elektrische Leitungen 24 dienen der Spannungsver­ sorgung der Primärspule 3, während über elektrische Leitungen 25 die in den Sekun­ därspulen 4 und 10 induzierten Wechselspannungen der Auswerteelektronik 22 zu­ geführt werden. Am Sockel 13 ist im übrigen ein topfförmiges Gehäuse 26 abnehmbar befestigt. Schließlich ist eine Halterung 27 vorgesehen, die mit einer Befestigungs­ schraube 28 am Gehäuse 26 befestigt ist und im übrigen der drehfesten Befestigung der Winkelmeßeinrichtung 1 an einem nicht dargestellten Körper dient, gegenüber dem der Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und diesem Körper gemessen werden soll.

Zu dem in Fig. 6 dargestellten Blockschaltbild einer bevorzugten Auswerteelektronik 22 für die erfindungsgemäße induktive Winkelmeßeinrichtung 1 folgendes:
Bei der Auswertung der in den beiden Sekundärspulen 4 und 10 induzierten Wech­ selspannungen ist insbesondere bei hohen Drehzahlen des Meßkörpers 5 eine schnelle Ermittlung der in Fig. 4 dargestellten Spannungsverläufe A und B erforder­ lich. Dazu wird in einer Integrationsstufe 29 über jeweils einer positiven Halbwelle der von einer Spannungsquelle 30 herrührenden, an der Primärspule 3 anliegenden Versorgungsspannung der momentane Effektivwert der entsprechenden Halbwelle der in den Sekundärspulen 4 und 10 induzierten Wechselspannung ermittelt. Die Ermittlung des jeweiligen Spitzenwertes ist ebenfalls ausreichend, jedoch ist die Inte­ gration über eine Halbwelle zu bevorzugen, da dadurch eine größere Störunterdrückung hochfrequenter Störanteile, z. B. Rauschen, erreichbar ist. Entsprechend der Phasenlage der von der Spannungsquelle 30 herrührenden Versorgungsspannung steuert eine Steuereinheit 31 die Integrationsstufe 29 und einen Schalter 32. Das Ausgangssignal der Integrationsstufe 29 wird über einen Schalter 33, der in gleicher Weise wie der Schalter 32 von der Steuereinheit 31 gesteuert wird, einer Abtast- Halte-Schaltung 34 zugeführt. Auch die Abtast-Halte-Schaltung 34 wird von der Steuereinheit 31 gesteuert. An den Ausgängen 35 und 36 der Abtast-Halte-Schal­ tung 34 liegen die aufintegrierten momentanen Spannungswerte der Sekundärspulen 4 und 10 an.

Für eine Digitalisierung der durch die Spannungswerte der in den Sekundärspulen 4 und 10 induzierten Wechselspannungen bestimmten Position des Meßkörpers 5 wird nun zunächst der gesamte Winkelbereich in 45°-Bereiche unterteilt. Dazu werden in einer Grobwerterfassung 37 aus der Phasenlage der in den Sekundärspulen 4 und 10 induzierten Wechselspannungen relativ zur von der Spannungsquelle 30 zur Verfü­ gung gestellten Versorgungsspannung die zwei höchstwertigen Bits ermittelt. Ein Komparator 38 vergleicht die Spannungswerte der in den Sekundärspulen 4 und 10 erzeugten Wechselspannungen, und die Grobwerterfassung 37 erzeugt aus dem Ausgangssignal des Komparators 38 unter Berücksichtigung der beiden höherwerti­ gen Bits das dritte Bit für die Aufteilung des gesamten Winkelbereiches in 45°-Berei­ che. Der exakte Winkel - innerhalb der ermittelten 45°-Bereiche - wird nun folgen­ dermaßen bestimmt:
Entsprechend dem momentanen 45°-Bereich steuert die Steuereinheit 31 einen Schalter 39, so daß entweder der Spannungswert der Sekundärspule 4 oder der Spannungswert der Sekundärspule 10 einem Fensterkomparator 40 zugeführt wird. Die Zuordnung, in welchem der 45°-Bereiche welche der beiden Spannungswerte der Sekundärspulen 4 und 10 dem Fensterkomparator 40 zugeführt wird, geschieht so, daß jeweils nur die linearen Abschnitte der Spannungsverläufe der Spannungen der Sekundärspule 4 und der Sekundärspule 10 ausgewertet werden. Dabei liegen die Spannungswerte vorzugsweise im Bereich zwischen null und dem halben Maxi­ malwert der Spannungsverläufe.

Weiter ist ein D/A-Wandler 41 vorgesehen. Die Referenzspannung des D/A-Wandlers 41 wird mit der Summe der Spannungen der beiden Sekundärspulen 4 und 10 festge­ legt. Dazu werden die beiden Spannungswerte in einem Additionselement 42 addiert, dessen Ausgangsspannung an dem D/A-Wandler 41 anliegt. Ein 8-Bit-Auf-/Ab-Zäh­ ler 43 erzeugt ein digitales Eingangssignal für den D/A-Wandler 41, dessen analoges Ausgangssignal durch die Summe der Spannungswerte der beiden Sekundärspulen 4 und 10 festgelegt ist und am Fensterkomparator 40 anliegt. Im Fensterkomparator 40 werden nun die Spannungswerte der beiden Sekundärspulen 4 und 10 mit dem Wert der Ausgangsspannung des D/A-Wandlers 41 verglichen, und ein Ausgangssignal des Fensterkomparators 40 steuert den 8-Bit-Auf-/Ab-Zähler 43 derart, daß die bei­ den am Fensterkomparator 40 anliegenden Eingangsspannungen gleich groß sind. Die vom 8-Bit-Auf-/Ab-Zähler 48 erzeugten acht Bits stellen die niederwertigen Bits des digitalisierten Wertes des Winkels des Meßkörpers 5 dar. Insgesamt liegen elf Bits vor, so daß pro Umdrehung des Meßkörpers 5 eine Auflösung von 2¹¹ = 2048 Schritte erreicht wird. Besitzt der D/A-Wandler 41 sechzehn Bit, so liegen insgesamt neunzehn Bits vor, so daß ungefähr 524.000 Schritte pro Umdrehung an Auflösung erreichbar sind.

Da die Referenzspannung des D/A-Wandlers aus der Summe der beiden Spannungs­ werte der Sekundärspulen 4 und 10 festgelegt ist, erhält somit das beschriebene Meßverfahren Quotientenverhalten, wodurch ein Driften der elektrischen Bauele­ mente sowie der Eigenschaften des Materials des Bezugskörpers 2 und des Ergän­ zungskörpers 9, beispielsweise durch Temperaturänderungen bedingt, kompensiert wird. Das Ergebnis der D/A-Wandlung hat die Form

die abhängig ist vom Winkel des Meßkörpers 5.

Ein zweiter D/A-Wandler 44 ermöglicht die Eingabe von Korrekturwerten. Auf diese Weise ist es möglich, die bei einem Referenzlauf durch Vergleich mit einem genauen Referenzgeber ermittelten Abweichungen in einem E²-Prom 45 als Korrekturwerte abzulegen. Das Ausgangssignal des D/A-Wandlers 44 wird in einem Additionsglied 46 zu dem Ausgangssignal des D/A-Wandlers 41 hinzuaddiert. Auf diese Weise kön­ nen z. B. durch Fertigungsstreuung hervorgerufene Restfehler beseitigt werden. Die erläuterte Korrekturmöglichkeit führt dazu, daß bei der Endkontrolle auf hohe Ge­ nauigkeit verzichtet werden kann. Es reicht eine sehr gute Reproduzierbarkeit aus, was zu geringeren Produktionskosten führt.

Das digitale Ausgangssignal, das von der Grobwerterfassung 37 und dem 8-Bit-Auf-/Ab- Zähler 43 erzeugt wird, stellt schließlich das Eingangssignal für einen Umkodierer 47 dar, dessen Ausgangssignal für eine Weiterverarbeitung verwendbar ist, bei­ spielsweise für eine digitale Anzeige des durch die Winkelmeßeinrichtung 1 ermittel­ ten Winkels zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2.

Claims (17)

1. Induktive Winkelmeßeinrichtung
mit einem als rotationssymmetrische Magnetfluß-Führungseinrichtung ausgeführten Bezugskörper (2),
mit einer nach Anlegen einer Wechselspannung ein magnetisches Wechselfeld erzeu­ genden Primärspule (3), die innerhalb des Bezugskörpers (2) angeordnet ist,
mit einer in dem von der Primärspule (3) erzeugten magnetischen Wechselfeld vorge­ sehenen Sekundärspule (4),
mit einem aus einem elektrisch nicht leitendem Material bestehendem Meßkörper (5) und
mit einer elektrisch leitenden, den Meßkörper (5) teilweise bedeckenden Beschich­ tung (7),
wobei der Meßkörper (5) das die Sekundärspule (4) durchsetzende magnetische Wechselfeld durch seine Relativstellung zum Bezugskörper (2) beeinflußt und
der Meßkörper (5) rotationssymmetrisch ausgeführt und derart ausgestaltet ist, daß die Beschichtung (7) nicht zu einer asymmetrischen Gewichtsverteilung des Meßkör­ pers (5) führt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sekundärspule (4) auf einem scheibenförmigen Spulenträger (8) vorgesehen und zwischen dem Bezugskörper (2) und dem Meßkörper (5) angeordnet ist und
daß die mit der Beschichtung (7) versehene Seite des Meßkörpers (5) der Sekundär­ spule (4) zugewandt ist.

2. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) aus glasfaserverstärktem Leiterplattenmaterial besteht.

3. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die elektrisch leitende Beschichtung (7) den Meßkörper (5) in einem Kreis­ segment von 180° bedeckt.

4. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Beschichtung (7) aus Kupfer besteht.

5. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Meßkörper (5) die Beschichtung (7) beidseitig aufweist.

6. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Bezugskörper (2) als Schalenkern ausgeführt ist.

7. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Bezugskörper (2) ein als Magnetfluß-Führungseinrichtung ausgeführter Ergänzungskörper (9) zugeordnet ist.

8. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ergänzungskörper (9) als Schalenkern ausgeführt ist.

9. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sekundärspule (4) und der Meßkörper (5) zwischen dem Bezugskörper (2) und dem Ergänzungskörper (9) angeordnet sind.

10. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sekundärspule (4) aus zwei invers geschalteten Teilwicklun­ gen (4a, 4b) besteht.

11. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwicklungen (4a, 4b) der Sekundärspule (4) jeweils einen Teilbereich des von der Primärspule (3) erzeugten magnetischen Wechselfeldes, vorzugsweise von 180°, umschließen und die Flächen der beiden Teilwicklungen (4a, 4b) gleich groß sind.

12. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß um 90° gegenüber der ersten Sekundärspule (4) versetzt eine zweite Sekundärspule (10) vorgesehen ist.

13. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sekundärspule (10) aus zwei invers geschalteten Teilwicklungen (10a, 10b) besteht.

14. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwicklungen (10a, 10b) der zweiten Sekundärspule (10) jeweils einen Teil­ bereich des von der Primärspule (3) erzeugten magnetischen Wechselfeldes, vor­ zugsweise von 180°, umschließen und die Flächen der beiden Teilwicklungen (10a, 10b) gleich groß sind.

15. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwicklungen (4a, 4b, 10a, 10b) der Sekundärspulen (4, 10) radial verlaufende Wicklungsteile haben und außerhalb der radial verlaufenden Wick­ lungsteile kreisförmig angeordnet sind.

16. Induktive Winkelmeßeinrichtung einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sekundärspulen (4, 10) jeweils an einem Kreuzungspunkt (11, 12) aufgetrennt und nach Durchkontaktierung auf der anderen Seite des Spulenträ­ gers (8) verbunden sind.

17. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzungspunkte (11, 12) außerhalb des durch die Teilwicklungen (4a, 4b, 10a, 10b) der Sekundärspulen (4, 10) gebildeten Kreisringes verwirklicht sind.