用于测量角度和角速度或者位移和速度的装置制造方法
【专利摘要】描述了一种用于测量运动部件的角度和角速度或者位移和速度的装置。该装置具有固定式布置或者能固定式布置的传感器和布置在或者能布置在该运动部件上的编码器，该编码器与该传感器共同产生要被该传感器解调的调制信号。为了进行对于角速度/速度测量所需要的频率测量，所述编码器具有呈现周期性样式的结构，该结构被至少一个用于角度/位移测量的标记区域中断。所述编码器在所述标记区域中具有替代样式，该替代样式与所述周期性样式通过至少一个能被传感器所感测的物理量来区分，但是该替代样式具有也使得能够在所述标记区域中测量频率的结构。
【专利说明】用于测量角度和角速度或者位移和速度的装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于测量运动部件的角度和角速度或者位移和速度的装置，该装置具有固定式布置或者能固定式布置的传感器和布置在或者能布置在该运动部件上的编码器，该编码器与该传感器共同产生要被该传感器解调的调制信号，其中，为了进行对于角速度/速度测量所需的频率测量，该编码器具有呈现周期性样式的结构，该结构被至少一个用于角度/位移测量的标记区域中断。
[0002]这样的装置既用于线性位移和速度的测量也用于角度和角速度或转速的测量，其中，一方面使用线性的编码器而另一方面使用环形的编码器。本发明涉及这两种类型的测
量装置。
【背景技术】
[0003]在现有技术中在许多机器和设备中必需的转速测量在物理上与角速度的测量意义相同。普遍已知测量轴的转速，其方式是，在轴的周边上安置呈周期性样式的编码器、例如齿轮，其被固定地安置在轴附近的传感器所扫描。传感器能够在齿和齿隙之间或者其他周期性交替的特性或者物理量、例如磁场方向或者光透性之间进行区分。传感器随后产生输出信号，该输出信号具有和所扫描样式相同的周期性。
[0004]如果就转速/角速度测量或者速度测量而言必须识别绝对位置或者绝对角度，已知的是，使用单独的、附加的系统，该系统取代周期性样式而具有一个标记记号或者多个标记记号。如果所述标记记号被该单独的系统所识别，则传感器处于标记位置，即，其绝对值已知的位置或者角度。整个系统可以确定所有随后的位置或者角度，其方式是，借助于周期性的样式感测从标记位置开始的改变。
[0005]然而由于成本原因，例如在机动车中使用时，尽管需要绝对测量，也常常放弃用于识别绝对位置的单独系统。这时用于角速度/速度测量的系统的周期性的样式在一个部位上中断。从否则应为周期性的信号顺序的中断可得出标记位置。为此的前提是加速度或者角加速度的仅一个边界，从而能够区分标记位置上的信号顺序的中断与最大延迟情况下有规律的顺序。这在技术应用上由于系统的惯性被有规律的给出或者能够通过周期性样式的参数的选择引起。
[0006]如所提到的，单个编码器的周期性结构必须在一个部位上中断，以避免附加系统的成本。这通常通过例如借助于一系列齿中的两个缺失的齿来省略用于两个时段的周期性结构而发生。标记位置可以由此可靠地被识别。对于需要用于角速度/速度测量的频率测量，却产生新的问题，因为频率仅暂时被打乱并且必须内插或者外插方法，以便能够在标记记号不提供错误数据的情况下测量标记位置上的频率。
[0007]如果应延迟输出信号，则内插适用。在无延迟输出的情况下需要外插。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于，提供所提及类型的成本低廉的装置，该装置以简单的结构使得能够特别准确地测量角速度/速度。
[0009]根据本发明，该目的在所提及类型的装置中这样实现:编码器在标记区域中具有替代样式，该替代样式与周期性样式通过至少一个能被传感器感测的物理量来区别，但是具有在标记区域中也能够实现频率测量的结构。
[0010]根据本发明构造的装置仅必需一个具有样式和标记记号的系统，进而仅必需一个进行扫描的传感器，以执行两种类型的测量。该装置使得能够通过标记记号实现绝对测量并且还这样构成，使得能够无内插或者外插地进行越过标记位置的准确的频率测量。应当理解，编码器在此仅构成测量系统的一部分，并且进行扫描的传感器设有与此相匹配的特性。
[0011]本发明的构想在于，周期性样式在标记记号或标记区域中不是完全中断(在非结构化的表面的意义上)，而是被另一样式所替代。该替代样式具有这样的性质:它能够与周期性样式通过至少一个特性或物理量明确区分开，但是同时形成支持频率测量的结构。这种支持在于，在标记区域内的确定位置或角度上发生传感器信号的改变，从而频率测量也在标记区域中与真实的运动进展有关，而取代在进入到标记区域中时产生的运动的进展的意义上的内插或者外插。
[0012]因为在通过内插或者外插的已知做法中尚不已知离开标记区域的时间点，所以仅进入时的运动状态能够在假定速度恒定或者假定加速度恒定的情况下被用作基础。因此，测量不可靠性在经过标记区域时总是变大。相对地，在本发明中替代样式的结构通过能够测量标记区域内的实际位置(或实际角度)而提供帮助。
[0013]传感器具有识别周期性样式和替代样式之间的过渡的任务。而基于周期性样式的周期性的频率测量较少地被干扰甚至不被干扰。为此，例如也能够在两个待区域式应用的测量方法之间进行转换，一种方法用在周期性样式的区域中，一种方法用在标记区域中。
[0014]优选地，在根据本发明构造的装置中传感器和编码器构造成产生一调制信号形式的信号，该调制信号具有一个载波频率和对于标记区域和编码器的其余区域不同地调制的两个“信息”。在此，传感器优选在电路技术上这样构造，使得它提取载波频率并且解调所传递的“信息”。
[0015]由于编码器的影响而由传感器元件所提供(给物理转换器)的信号被看作是调制信号，其中，待测量的频率(代表速度或者角速度)构成载波，而周期性样式或替代样式构成两个不同地调制的“信息”。即，传感器具有提取载波频率和解调“传递的信息”的任务。根据调制方法而定，为此需要完全不同的电路部件。因此，传感器根据本发明优选构造为用于根据已知的调制方法的调制信号的、具有已知的接收器电路概念的接收器。
[0016]根据本发明构造的装置(具有相应的传感器的编码器)可用于测量旋转运动和线性运动。除了普遍性地应用于任意的旋转轴或者线性运动的机器部件或者车辆部件以外，以下应用领域尤其有意义:对车辆车轮的测量(车轮转速传感器)，对内燃机曲轴的测量，对机动车的传动系部件例如变速器的测量。
[0017]在本发明的一种优选实施方式中，周期性样式也在标记区域中连续存在，然而在该标记区域中具有不同于其余区域的幅度。因此，在这种实施方式中，使用尤其具有调制因子m〈l的幅度调制(AM)或者幅移键控(ASK, Amplitude Shift Keying)。在本发明的这种实施方式中，周期性样式连续存在但是具有可变的幅度。用于提取载波的装置足以敏感以便能够以两种幅度工作，而解调提供对于该周期性样式和该替代样式不同的二进制的值。对于具有不同样式幅度的编码器的实际构型，例如可以设想:不同长度或者形状的齿、不同的材料厚度、不同的材料、相对于传感器元件的不同间距等等。
[0018]在根据本发明构成的装置的另一优选实施方式中，周期性样式在标记区域中被具有不同频率的相同类型的样式取代。在此，使用频率调制(FM)或者频移键控(FSK，Frequency Shift Keying)。周期性样式在标记区域中被具有其它频率尤其是双倍频率的相同类型的样式所替代。尤其对于数字电路技术，容易在标记区域中使双倍频率对分以得到连续的频率信号，该信号不会由于标记记号而以任何方式被损害。如在前述实施方式中一样，在此也能够优选修改所述样式的两个时段。然而，多少个时段被修改最终对于功能性并不重要。
[0019]在本发明的还另一实施方式中，在标记区域中设置相应于相调制的样式。在这种实施方式中，使用相调制(PM)或者相移键控(PSK，Phase Shift Keying)。例如，在此，一个齿在阵列(Raster)中相对其它齿以90°错位并且在相匹配的解调器上产生反转的二进制信号。在此，相对于AM (ASK)和FM (FSK)的优点在于对信号的幅度的要求较低。在AM的情况下必须直接处理两个明显不同的幅度，并且在FM的情况下(根据物理实施情况而定)不同的幅度可以由于敏感性的频率相关性造成，而在PM的情况下不存在相关存储的必要性。在当前实施方式中，将设置仅一个样式周期的错位看成是优选的，因为由此造成特别明显的、暂时的频率改变(以90°度相移，然后立即从新的视角值出发，以-90° )，该频率改变可特别容易地与转速改变分开。
[0020]由此，根据本发明，提供了用于测量角度和角速度或者位移和速度的装置，该装置包括编码器和对应的传感器。另外的电路部件(如果需要的话)在这里不描述。其布置处于本领域技术人员的认知范围内。编码器和传感器共同产生要被传感器解调地调制信号。载波被提取用于频率测量。解调的信号被用于查出一个或者多个相同或者不同的标记记号，所述标记记号用于绝对的位移测量或者角度测量。相应的调制由编码器产生，更确切的说由沿着测量方向的任意物理量的结构化产生。传感器使用相应于该结构化的解调方法，以找到标记记号。通过该调制不损害或者仅略损害频率测量。
[0021]因此，本文所使用的术语`“传感器”涉及与编码器共同产生信号的传感器元件本身，并且涉及对应的信号处理/评估单元。对于这些部件能够使用已知的元件/电路。
[0022]能够被传感器(传感器元件)所感测的物理量可以为任意的自然属性，例如几何类型(齿/齿面)、磁类型或者光类型。在任何情况下，本发明覆盖所有可能类型的能够感测的
物理量。
[0023]以下方法优选用于调制:AM (ASK)、FM (FSK)、PM (PSK)，数种调制方法的派生形式和混合形式如QAM (正交幅度调制)、QPSK (四相相移键控)、4-?31(、8-?31(、16-041等(每符号多个比特，被指引用于区分不同的标记记号)，由于紧密相关性也应用脉冲调制方法(有时在信号形式方面不与PSK区分)如PPM (脉冲中断调制Puls-Pausen-Modulation,脉冲相调制Puls-Phase-Modulation),在采用模拟信号处理(引起较小的电路耗费,但是如果可能的话数字信号处理通常是优选的)的情况下AM、FM、PM。
[0024]已经证实的是，根据现有技术的、其中系统的周期性样式在一个部位上(标记区域)被中断的做法也可以被看作具有调制因子m=l的幅度调制(AM)或者看作OOK (开关键控On-Off Keying)。现有技术的这种做法或者方法变型不被本发明所包括，因为本发明明确要求在标记区域中有替代样式。
[0025]所述编码器优选构造为永磁编码器。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]下面结合附图依据实施例详细阐述本发明。附图中:
[0027]图1示出根据现有技术的编码器形式的示意图；
[0028]图2示出根据本发明第一实施方式的编码器形式的示意图；
[0029]图3示出根据本发明第二实施方式的编码器形式的示意图；
[0030]图4示出根据本发明第三实施方式的编码器形式的示意图；
[0031]图5示出用于测量角度和角速度(转速)的装置的示意图。
【具体实施方式】
[0032]在图1至4中给出的编码器形式出于图示简单性而线性地示出。然而，编码器的沿着测量坐标的结构也适用于环形的编码器。即，图示相应于相应的循序进展。运动方向由箭头明示。
[0033]编码器形式的所选择的示意图不致力于各样式的准确几何结构，而是仅示例性地包含齿和齿隙的图示作为样式。编码器的不同自然属性、即在样式之内调制的物理量在此不被论及。所有调制的变量，不管是几何的、磁的、光学的或者其它的，都示例性地通过齿和齿隙符号化。
[0034]编码器形式的图示总是示出仅一个标记记号。编码器内的标记记号在存在性、参数或者类型方面的变型是可能的。
[0035]此外，在所述实施例中不作出任何关于传感器构成的陈述。尤其是，不详细描述解调中的做法，而是仅提出待选择的调制方法。在被看作是已知的电路的两个输出处，提供载波频率和解调的信号。
[0036]在图5中示意性示出用于角度和角速度测量的装置。该装置具有布置在旋转部件、例如轴I的表面上的编码器2以及与编码器相邻地布置的静止的传感器3。编码器2具有呈现周期性样式的结构，其中，例如可以为单个的齿。在此，未特别示出所设置的标记区域。
[0037]图1示出根据现有技术的编码器。该图示出一系列齿，所述齿构成周期性样式4，其中在标记区域5中缺少两个齿。
[0038]图2示出本发明的第一实施方式，其中该编码器也具有一系列齿，所述齿构成周期性样式4。在此，在标记区域5中设置两个具有较小长度的齿6，从而在这个实施方式中能够采用前面描述的、具有调制因子m〈l的幅度调制(AM)。
[0039]在图3的实施方式中，编码器具有一系列齿，所述齿同样构成周期性样式4，其中，这里在标记区域5中存在具有双倍频率的相同类型的齿样式7。在这个装置中，采用前面描述的频率调制(FM)。
[0040]在图4中示出的编码器中，周期性齿样式4在标记区域5中具有在阵列中相对于其它齿以90°错开的齿8。在这个实施方式中，采用前面描述的相调制(PM)。
【权利要求】
1.一种用于测量运动部件的角度和角速度或者位移和速度的装置，该装置具有固定式布置或者能固定式布置的传感器和布置在或者能布置在所述运动部件上的编码器，所述编码器与所述传感器共同产生要被所述传感器解调的调制信号，其中，为了进行对于角速度/速度测量所需要的频率测量，所述编码器具有呈现周期性样式的结构，该结构被至少一个用于角度/位移测量的标记区域中断，其特征在于，所述编码器(2)在所述标记区域(5)中具有替代样式，该替代样式与所述周期性样式(4)通过至少一个能被所述传感器(3)所感测的物理量来区分，但是该替代样式具有也使得能够在所述标记区域(5)中测量频率的结构。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器(3)和所述编码器(2)构造成产生一调制信号，该调制信号具有一个载波频率和对于所述标记区域(5)和所述编码器(2)的其余区域不同地调制的两个“信息”。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述传感器(3)在电路技术上这样构成，使得它提取载波频率并且解调所传递的“信息”。
4.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述周期性样式(4)也在所述标记区域(5)中连续存在，但是在所述标记区域中具有与其余区域不同的幅度，尤其是不同的齿长或齿形、不同的材料厚度、不同的材料、相对于传感器元件的不同间距。
5.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述周期性样式(4)在所述标记区域(5)中被具有不同频率的相同类型的样式(7)取代。
6.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，在所述标记区域(5)中设置有与相调制相对应的样式。
7.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，该装置用于转速测量。
8.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述周期性样式(4)由一系列以相同间距并排布置的齿构成，所述齿的形状、数量和/或位置在所述标记区域(5)中不同于所述周期性样式(4)。
9.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述编码器构造为永磁编码器。
【文档编号】G01P3/481GK103635811SQ201280033485
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年6月26日 优先权日:2011年7月6日
【发明者】H·阿克尔 申请人:大陆-特韦斯贸易合伙股份公司及两合公司