专利名称：用于确定轴的转数的旋转计数器和方法
技术领域：
本发明涉及用于确定轴的转数的根据权利要求1所述的旋转计数器以及根据权利要求5所述的方法。这样的旋转计数器和根据本发明的方法例如适用于在位置测量设备中、尤其是在多转旋转编码器(Multiturn-Drehgeber)中使用。
背景技术：
用于检测轴的角位置的位置测量设备在传动技术中广为传播。这样的设备包含大多以代码盘形式的计量用具，其中在该代码盘上施加有分度结构并且其扫描允许确定轴的角位置。在此情况下，大多使用光学的、磁性的或者还有感应的扫描原理。除了轴在旋转内的位置，这种位置测量设备经常也还确定所经过的旋转的数量。 这里，或者通过扫描在为检测轴的角位置已经存在的代码盘上的附加分度结构、或者通过扫描在轴上单独布置的附加计量用具来与方向有关地为计数器产生计数脉冲，其中计数器值是对于轴所经过的旋转数量的量度。这里也可以使用光学的、磁性的以及感应的扫描原理，其中为确定轴在旋转内的角位置和确定转数完全可以使用不同的扫描原理，例如对于角位置使用光学扫描和对于转数使用磁性扫描。在去掉旋转计数器的供应电压的情况下，例如在驱动要测量的轴的机器被关断时，计数器值丢失的缺点通常通过以下方式来抵抗，即对于这种情况设置电池组，该电池组在该时间期间承担用于旋转计数器的电压供应。同样已知的是，如果在电池组运行中不是连续地检测、而是仅以确定的时间间隔确定轴的位置来确定转数，则可以延长电池组的寿命。也即仅发生脉动运行。因此，申请人的DE102006046531A1描述了基于感应扫描原理的旋转编码器，该旋转编码器具有用于电池组运行的运行模式，在该运行模式中脉动地产生励磁印制导线的励磁电流并且然后才在接收器印制导线中感应出与转角有关的电压脉冲。DE102006035120A1描述了一种电路装置，其中借助于磁场传感器确定轴的角位置、尤其是转数。这里也设置有省电模式，该省电模式通过脉动运行来实现。此外认识到， 在一个象限到下一象限的过渡时可能在计数时出现问题。此外，EP10762^5B1描述了一种绝对角编码器，其中旋转计数器借助于光学扫描实现，该光学扫描同样仅以脉动方式运行。这里仍进一步降低电流消耗，其方式是在轴停止或非常慢的转速时减小测量脉冲的数量并且只有当识别出超过当前角分段(Winkelsegment) 时，才将该测量脉冲的数量再次提高到最大脉冲数。但是这里可能发生的是，如果轴随机地恰好在从一个角分段到相邻角分段的过渡处停住，例如由于系统固有的噪声，则分段过渡偶尔地被探测到并且因此尽管有轴的停顿但总是再次切换到最大脉冲数。

发明内容
因此本发明的任务是，阐明用于确定轴的转数的改善的旋转计数器以及改善的方法。
该任务通过根据权利要求1的旋转计数器和根据权利要求5的方法来解决。因此，用于确定轴的转数的旋转计数器包括
传感器，利用所述传感器可以产生位置值，所述位置值定义轴的角位置， 确定单元，在所述确定单元中可以从位置值中产生判定信号，所述判定信号确定轴在旋转内的计数分段，
计数控制单元，所述计数控制单元根据计数分段的时间顺序以第一运行模式或以第二运行模式运行旋转计数器并且为计数器生成计数信号，并且如果在定义的时间之后计数分段无变化，则将计数控制单元转换成第二运行模式，该第二模式是节能的脉动运行，并且如果计数分段有变化，则转换成第一运行模式。另外，确定单元被设计用于分别在两个计数分段之间附加地确定不可靠区域，并且计数控制单元被设计用于对于从第二运行模式到第一运行模式的转换不考虑与导致转换成第二运行模式的计数分段邻接的不可靠区域。如果第一运行模式和第二运行模式分别是旋转计数器的脉动运行，则旋转计数器可以特别节能地运行，其中在所述脉动运行时，可以以预先给定的扫描速率以脉动的方式产生位置值，并且扫描速率在第一运行模式中比在第二运行模式中高。确定单元被设计用于将轴的旋转编码成多个、尤其是四个能相互区分的计数分段和分别至少一个位于两个计数分段之间的不可靠区域。确定单元具有比较器，所述比较器例如构成窗口比较器。另外，利用本发明说明一种用于确定轴的转数的方法，其中设置有传感器，利用所述传感器产生位置值，所述位置值定义轴的角位置，并且所述位置值被输送给确定单元，所述确定单元从位置值中产生判定信号，所述判定信号确定轴在旋转内的计数分段，在此所述判定信号被输送给计数控制单元，所述计数控制单元根据计数分段的时间顺序以第一运行模式或以第二运行模式运行旋转计数器并且为计数器生成计数信号，其中如果在定义的时间之后确定计数分段无变化，则计数控制单元转换成第二运行模式，该第二运行模式是节能的脉动运行，并且如果确定计数分段有变化，则转换成第一运行模式。确定单元分别在两个计数分段之间附加地确定不可靠区域，并且对于从第二运行模式到第一运行模式的转换不考虑与导致转换成第二运行模式的计数分段邻接的不可靠区域。如果第一运行模式和第二运行模式分别是旋转计数器的脉动运行，在该脉动运行中以预先给定的扫描速率以脉动的方式产生位置值并且扫描速率在第一运行模式中比在第二运行模式中高，则得出特别节能的运行。确定单元将轴的旋转编码成多个、尤其是四个能相互区分的计数分段和分别至少一个位于两个计数分段之间的不可靠区域。有利的细节由从属权利要求得出。


本方面的优点以及细节从根据附图对用于确定轴的转数的旋转计数器和方法的下面描述中得出。在此
图1示出根据本发明的旋转计数器的框图；图2示出具有从中所确定的计数分段和不可靠区域的传感器的位置值； 图3示出用于形成可区分的角扇形的确定单元； 图4示出用于解释旋转计数原理的矢量图； 图5示出用于图解扫描速率随时间减小的图；和图6示出另一确定单元的电路原理图。
具体实施例方式图1示出根据本发明的旋转计数器的框图。轴W借助于两个传感器10、11被扫描。 本发明与扫描的物理原理无关。相应地，传感器10、11的结构以及所基于的扫描单元可以不同。如果应用光学扫描原理，则例如代码盘抗扭地与轴W连接，其中代码道(Codespur) 位于该代码盘上，代码道由两个可通过其光学特性(透光的/不透光的；反射的/不反射的) 区分的环形分段组成，所述环形分段各包围180°的角区域。以已知的方式借助于光源进行扫描，相应地传感器10、11是光电探测器。在磁性扫描原理的情况下，在轴W上布置有盘状磁体，该磁体的磁极使得轴W旋转180°可区分。在该情况下借助于磁传感器10、11进行扫描。在感应扫描的情况下，传感器10、11是接收器线圈，在该接收器线圈中通过由励磁线圈产生的电磁场感应出电压，该电压的幅度取决于在与轴W抗扭地连接的代码盘上的代码道的磁场增强或减弱的区域的位置。代码道的区域又包围180°的角分段，而接收器线圈被实施为使得所感应的电压的幅度对于轴的每次旋转达到最大值和最小值。轴W的角位置的扫描被设计为使得传感器10、11在轴W旋转期间产生具有每旋转一个信号周期的位置信号PO=Sin x,P90=cos χ。传感器10、11的位置信号Ρ0、Ρ90具有相移，该相移有利地为90°。现在从位置信号Ρ0、Ρ90中，对于轴W的每旋转可以区分出四个象限I、II、III、IV并且以已知的方式通过确定象限I、II、III、IV的时间顺序来实现旋转计数器。位置信号PO和Ρ90以及所分配的象限I、II、III、IV在图2和4中示出。如果传感器10、11也还产生与位置信号Ρ0、Ρ90相反的位置信号P180=-sin χ、 P270=-cos x，则是特别有利的，因为在这种情况下能够不同地处理各两个相移180°的位置信号PO以及P180和P90以及P270并且因此实现提高的抗干扰性。在旋转计数器的情况下，由于电流消耗的原因或为了提高电池组的寿命，省电的运行模式是可行的。在这种情况下，不是连续地检测位置信号Po、P90,而是仅分别测量瞬时值。该脉动运行通过以下方式实现，即传感器10、11和/或后续分析电路的至少部分仅以时间间隔被供应电流，也即以脉动的方式运行。旋转计数器因此至少可以以两种运行模式运行，其中第二运行模式允许比第一运行模式更节能地运行。第一运行模式可以是持续运行，其中连续地对旋转计数器的所有电部件供应能量，而第二运行模式可以是节能的脉动的运行。如果第一运行方式已经是脉动的运行并且第二运行方式也是脉动的运行，则可实现特别节能的运行，其中脉动速率以及由此还有扫描速率在第二运行模式中比在第一运行模式中小。这种特别节能的运行在下面进一步解释。旋转计数的原理在图2中以及在图4中以矢量图的方式示出。图2示出，逻辑电平如何如下地被分配给位置信号P0、P90的半波如果第一位置信号PO位于正半波(轴W的角区域为0°-180°)，则此对应于逻辑高电平 (“1”)，负半波(轴W的角区域为180°-360°)对应于逻辑低电平(“0”)。对于第二位置信号 P90，通过90°的相移得出对于正半波(轴W的角区域为0°-90°和270°-360°)的逻辑高电平 (“1”)和对于负半波(轴W的角区域为90°-270°)的逻辑低电平(“0”)。在该分配的情况下，四个象限I、II、III、IV可明确地按照下表来区分，如也从图2 可看出的那样
象限 I (PO=I)与(P90=l) 象限 II (PO=I)与(P9O=O) 象限 III (PO=O)与(P90=0) 象限 IV :(P0=0)与(P90=l)。通过在位置信号P0、P90之间的相移，此外可以识别转向，其中对于脉动运行得出限制，即在轴W的最大转数的情况下，每象限也必须至少有一个测量值被检测。换句话说， 检测位置信号P0、P90的瞬时值所利用的扫描速率SR必须至少具有轴W的转数的四倍。如果两个相继记录的测量值处于相对的象限中，则不能区分在哪个转向上达到该象限。也即如果从提供第一象限I中的测量值的第一扫描脉冲Sl出发，并且接着的扫描脉冲S2或S3 的测量值位于象限II或IV中，则明确的与方向有关的旋转计数是可能的，如果接着的测量值在扫描脉冲S4的情况下位于第三象限III中，则得出错误，因为不能断定轴W在哪个转向上转动以引起第三象限中的测量值。如开头所提及的，如果在轴W停止或非常慢地旋转时扫描速率SR被减小，则电流消耗在脉动扫描的情况下可以进一步下降。在图5中示出这种情况。作为最大扫描速率 SRmax采用1000扫描脉冲/秒，这对应于轴W的最大转数为250转/秒。如果现在对于定义数量的扫描脉冲(在所示的示例中为32)象限变换不被识别，则扫描速率SR在确定的步骤中被减小。这可以如所示那样逐级地进行，或者也可以在一个步骤中进行，即从最大扫描速率SRmax到最小扫描速率SRmin。一旦象限变换被确定(例如在时刻Tl)，则扫描速率SR 再次被设置到最大扫描速率SRmax。最小扫描速率SRmin必须被选择为使得在轴W的最大加速度时可以如此快速地再次被切换到最大扫描速率SRmax，从而不能忽视象限变换并且由此可能出现错误计数或者未定义的状态。在扫描脉冲位于象限过渡的紧邻时，则表明是有问题的，因为这里可能发生测量值偶尔地显示象限变换，即使轴W没有运动。对此的触发方例如可能是由安装环境引起的系统固有的噪声、测量容差和干扰影响。这些干扰导致，如果扫描速率SR已经被减小，则在测量值从一个象限到相邻象限的每次“跳跃”时、也即在轴W无实际运动时，总是切换回最大扫描速率SRmax并且因此电流消耗再次显著提高。在图4中作为可能产生不可靠测量值的扫描脉冲的示例画入第五扫描脉冲S5。根据本发明，现在在象限过渡的区域中定义不可靠区域Ul至U4。如果现在确定， 扫描脉冲S5提供位于与最后确定的象限(例如象限I)邻接的不可靠区域U2内的测量值，则该测量不被考虑，也即既不用于对轴W的旋转进行计数，也不作为用于提高扫描速率SR的准则。但是如果下一测量值明确位于减去不可靠区域U2的接着的象限II中(在该示例中也即在区域C2中)，或者在象限III中，或者在减去不可靠区域Ul的象限IV中(在该示例中也即在区域C4中)，或者在不与最后确定的象限I邻接的不可靠区域U (在该示例中U3、U4)中，则计数发生。不可靠区域Ul至U4被如此确定，即这些不可靠区域使角区域完全排除在其中可能出现测量值的“跳跃”的分段过渡或象限过渡。如图1中的框图所示的那样，在确定单元30中进行区分轴W在扫描时刻是否位于邻接的不可靠区域U中，测量值因此不被继续分析，或者当前的象限可明确地确定。在传感器10、11的位置信号P0、P90和可选地相反的位置信号P180、P270被输送给确定单元30 之前，这些位置信号可以被输送给信号处理单元20，该信号处理单元例如增强信号和必要时将电流信号转换成电压信号。虽然现在在传统分析的情况下仅仅确定位置信号P0、P90、 P180、P270应被分配给哪个半波，但是如今确定了，位置信号P0、P90、P180、P270是位于半波变换之前、之后、还是紧邻半波变换——即位于不可靠区域U中。不可靠区域U根据位置值P0、P90借助于确定单元30被确定。确定单元30输出数字判定信号K1、K2、K3、K4。判定信号Κ1、Κ2、Κ3、Κ4的逻辑电平在图2中示出。这些逻辑电平以组合的方式相互可区分地编码不可靠区域U1、U2、U3和 U4以及位于其间的角扇形C1、C2、C3、C4。角扇形Cl、C2、C3、C4表明可以可靠地分配给象限I、II、III、IV的计数区域、也即角区域。不可靠区域Ul、U2、U3、U4有利地被选择为使得它们包围比计数区域C1、C2、C3、C4明显小的角区域。典型地，不可靠区域U对称地以2° 至10°的角分段包围分段过渡或象限过渡，其中在实际中优选地选择在3°和5°之间的值。确定单元30的示例在图3中示出。确定单元30由多个比较器T10、T20、T30、T40 构成，这些比较器将位置信号PO=Sin x,P90=cos χ与比较信号Off 1或0ff2比较并且作为比较结果分别输出判定信号K1、K2、K3、K4。比较信号Offl和0ff2确定不可靠区域U1、U2、 U3和U4的角扇形的大小。如果0ff2=-0ff 1，则不可靠区域Ul、U2、U3和U4分别对称地被布置用于相应的象限变换。判定信号Kl、K2、K3、K4现在被输送给计数控制单元40，该计数控制单元分析判定信号Kl、K2、K3、K4的逻辑电平或逻辑电平的变化以用于为计数器50生成计数信号UP、 DOWN。在此，与最后为生成计数信号UP、DOWN所分析的角区域邻接的不可靠区域U不被考虑用来生成计数信号UP、D0WN，因为如上所述，在这些邻接的不可靠区域U中不能可靠地断定轴W的转动实际上是否已经发生。传感器10、11以及计数控制单元40被设计为使得它们允许脉动运行。为此，计数控制单元40经由扫描时钟线路41为传感器10、11的扫描产生扫描脉冲S，使得位置信号 P0、P90显示出轴W的角位置的瞬时值。由此在轴W旋转时虽然不必也确定可利用判定信号K1、K2、K3、K4编码的所有角区域，但是这里也不考虑将与为生成计数信号UP、DW0N所分析的角区域邻接的不可靠区域U用来产生计数信号UP、DOWN。对此的示例
如果象限I中的计数区域Cl在测量时、也即在根据在图4中所画入的扫描脉冲Sl扫描时根据位置信号P0、P90被确定为角区域，并且被分析用于生成计数信号UP、DOWN，并且在接着的测量中与象限I中的计数区域Cl邻接的不可靠区域U2或Ul被确定，则所属的判定信号K1、K2、K3、K4不被考虑用来生成计数信号UP、D0WN。而如果接着的测量的测量值位于计数区域C4、C3、C2中或位于与象限I不邻接的不可靠区域U3、U4中，则这些测量值被分析用于生成计数信号UP、DOWN。在停止或非常慢的转速时，现在如图5中所示，如果对于定义数量的扫描脉冲S，域无变化、也即判定信号Kl、K2、K3、K4无变化，则现在执行扫描速率SR的减小。 如果导致了扫描速率SR减小的角区域改变，则只有当判定信号K1、K2、K3、K4不显示与该角区域邻接的不可靠区域U时，扫描速率SR才被提高。对于上述示例，这意味着，如果在第一象限I中的计数分段Cl内定义数量的扫描脉冲S被确定，则执行扫描速率SR的减小。但是只有当不同于两个邻接的不可靠区域U1、U2的角区域被显示时，扫描速率SR才再次被提高。由此保证，只有当轴W的角运动实际上已经发生时，才进行扫描速率SR的提高。如上所述，扫描速率SR在这种情况下被设置到最大扫描速率SRmax。在计数器50的输出端处的计数器值Z同时对应于旋转计数器的输出值Z。根据定义，计数控制单元40在每个象限过渡时产生计数信号UP、DOWN，或者仅在确定数量的过渡时，例如在每第四个象限过渡时、也即在轴W的每个完全旋转之后产生计数信号UP、D0WN。图6示出确定单元的另一示例，利用该确定单元从位置信号P0、P90和与之相反的位置信号P180、P270中产生判定信号Kll、K12、K13和K14，这些判定信号相互可区分地对在图4中所示的不可靠区域Ul、U2、U3、U4和计数分段Cl、C2、C3和C4进行编码。为了产生第一正判定信号K11，将比较信号OfTl加到第一位置信号P0，并且将该和信号输送给第一比较器TlOO的同相输入端。与第一相反位置信号P180进行比较，该第一相反位置信号被输送给第一比较器TlOO的反相输入端。利用第二比较器TllO形成判定信号K12，其中第一位置信号PO在该第二比较器的同相输入端处被输送给该第二比较器并且由第一相反位置信号P180和比较信号Offl构成的和信号在反相输入端处被输送给该第二比较器。与此类似地，借助于第三比较器T120通过将由第二位置信号P90和比较信号Offl 构成的和信号与第二相反位置信号P270进行比较形成判定信号K13。最后利用第四比较器T130生成另一判定信号K14，其方式是，将第二位置信号P90 与由第二相反位置信号P270和比较信Offl组成的和信号进行比较。如果相反位置信号P180、P270不可用，则替代地如在方括号中所说明的那样，可以使用基准电压Vref，该基准电压对应于在传感器信号P0、P90的最大值和最小值之间的平均值。如果作为比较信号Offl、0ff2使用恒定的电压值，则角分段改变，该角分段定义不可靠区域U，如在图4中通过围绕象限过渡的虚线所表明的那样。因此有利地与所属的位置信号P0、P90的幅度成比例地调节比较信号Off 1、0ff2。
权利要求
1.用于确定轴(W)的转数的旋转计数器，具有传感器(10、11 )，利用所述传感器能产生位置值(PO、P90)，所述位置值定义轴(W)的角位置，确定单元(30)，在所述确定单元中能从位置信号(P0、P90)中产生判定信号(Kl至K4)， 所述判定信号确定轴(W)在旋转内的计数分段(Cl至C4)，计数控制单元(40)，所述计数控制单元根据计数分段(Cl至C4)的时间顺序以第一运行模式或以第二运行模式运行所述旋转计数器并且为计数器(50)生成计数信号(UP、 DOWN)，并且如果在定义的时间之后计数分段(Cl至C4)无变化，则所述计数控制单元(40) 转换到第二运行模式，并且如果计数分段(Cl至C4)有变化，则转换到第一运行模式，其特征在于，所述确定单元(3)被设计用于分别在两个计数分段(Cl至C4)之间附加地确定不可靠区域(Ul至U4)，并且所述计数控制单元(40)被设计用于对于从第二运行模式到第一运行模式的转换不考虑与导致转换到第二运行模式的计数分段(Cl至C4)邻接的不可靠区域(Ul至U4)。
2.根据权利要求1所述的旋转计数器，其特征在于，所述第一运行模式和所述第二运行模式分别是所述旋转计数器的脉动运行，其中利用预先给定的扫描速率(SR)能够以脉动的方式产生所述位置值(PO、P90)，并且所述扫描速率(SR)在第一运行模式中比在第二运行模式中高。
3.根据权利要求1或2所述的旋转计数器，其特征在于，所述确定单元(30)被设计用于将所述轴(W)的旋转编码成多个能相互区分的计数分段(Cl至C4)和分别至少一个位于两个计数分段(Cl至C4)之间的不可靠区域(Ul至U4)。
4.根据前述权利要求之一所述的旋转计数器，其特征在于，所述确定单元(30)包括比较器(T10 至 T130)。
5.用于确定轴(W)的转数的方法，其中设置有传感器(10、11)，利用所述传感器产生位置值(PO、P90)，所述位置值定义轴(W)的角位置，并且将所述位置值输送给确定单元 (30)，所述确定单元从所述位置值(PO、P90)中产生判定信号(Kl至K14)，所述判定信号确定轴(W)在旋转内的计数分段(Cl至C4)，将所述判定信号(Kl至K14)输送给计数控制单元(40)，所述计数控制单元根据所述计数分段(Cl至C4)的时间顺序以第一运行模式或以第二运行模式运行所述旋转计数器并且为计数器(50)生成计数信号(UP、D0WN)，其中如果在定义的时间之后，确定计数分段(Cl至 C4)无变化，则所述计数控制单元(40)转换到第二运行模式，所述第二运行模式是节能的脉动运行，并且如果确定计数分段(Cl至C4)有变化，则转换到第一运行模式，其特征在于，所述确定单元(30)分别在两个计数分段(Cl至C4)之间附加地确定不可靠区域(Ul至 U4)，并且对于从第二运行模式到第一运行模式的转换不考虑与导致转换到第二运行模式的计数分段(Cl至C4)邻接的不可靠区域(Ul至U4)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一运行模式和所述第二运行模式分别是所述旋转计数器的脉动运行，其中利用预先给定的扫描速率(SR)以脉动的方式产生所述位置值(PO、P90)，并且所述扫描速率(SR)在第一运行模式中比在第二运行模式中高。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述确定单元(30)将所述轴(W)的旋转编码成多个能相互区分的计数分段(Cl至C4)和分别至少一个位于两个计数分段(Cl 至C4)之间的不可靠区域(Ul至U4)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，借助于比较器(T10至T130)将所述轴 (W)的旋转编码成能相互区分的计数分段(Cl至C4)和不可靠区域(Ul至U4)。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定轴(W)的转数的旋转计数器，其中传感器(10,11)被设置用于检测轴(W)的角位置，利用传感器可以以扫描速率(SR)以脉动方式产生位置值(P0，P90)，位置值被输送给确定单元(30)，在确定单元中可以从位置值(P0，P90)中产生判定信号(K1，K2，K3，K4)，这些判定信号对轴(W)的角区域进行编码。角区域交替地包括计数区域(C1，C2，C3，C4)和不可靠区域(U1，U2，U3，U4)。判定信号(K1，K2，K3，K4)被输送给计数控制单元(40)，计数控制单元根据角区域的时间顺序调整扫描速率(SR)并且为计数器(50)生成计数信号(UP，DOWN)，其中如果在定义数量的扫描脉冲(S)之后角区域无变化，则计数控制单元(40)减小扫描速率(SR)，并且如果角区域有变化，则提高扫描速率(SR)，其中对于扫描速率(SR)的提高，计数控制单元(40)不考虑与最后所识别的计数区域(C1，C2，C3，C4)邻接的不确定区域(U1，U2，U3，U4)。
文档编号G01D5/14GK102257361SQ200980151012
公开日2011年11月23日 申请日期2009年12月14日 优先权日2008年12月19日
发明者奥伯豪泽 J. 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司