DE10143662A1

DE10143662A1 - Absoluter elektronischer Stellungsgeber

Info

Publication number: DE10143662A1
Application number: DE2001143662
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Nestler; Matthias Wangemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2003-03-27

Description

Die Erfindung betrifft einen absoluten, elektronischen Stellungsgeber, der die Position auf einer geradlinigen oder gekrümmten Bahn als elektrisches Signal absolut ausgibt.
Im Unterschied zu inkrementalen Meßsystemen, wo elektrische bzw. elektronische Impulsgeber in Verbindung mit einem Zähler oder Zählregister eines Mikrocontrollers die Position durch Herab- oder Heraufzählen festhalten, wird bei den vorgeschlagenen Geberprinzipien die Position absolut angezeigt; der Wert verschwindet also nicht, wenn beispielsweise der MC abgeschaltet wird oder der Strom ausfällt.
Derartige, absolute Stellungsgeber werden als Drehgeber für elektrische Positionierungsantriebe beispielsweise für Regelarmaturen benötigt, aber auch als lineare Geber für die Zwischenregelkreise, Positioner genannt, von pneumatischen und hydraulischen Antrieben. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Winkelbestimmung periodisch umlaufender Wellen, insbesonders von Kurbelwellen von Verdichtern und Verbrennungsmotoren.
Dabei erkennt die Regelelektronik sofort nach Einschalten oder Wiederkehren der Speisespannung die gegebene Stellung des Antriebes, wonach der Antrieb direkt in die geforderte Position fahren kann.
Im Gegensatz dazu muß ein Antrieb mit o. g. Zählerprinzip zunächst in eine Endlage fahren, um sich damit zu "eichen". Erst danach kann er in die erforderliche Position fahren. Zudem pflanzen sich Zählfehler fort.
Bekannt sind analoge Geber nach dem Potentiometerprinzip, wo ein Schleifer auf einer geradlinigen oder kreisförmigen Widerstandsbahn schleift und dabei einen der Position proportionalen Widerstandswert abgreift.
Nachteilig dabei sind Verschleiß und ungleichförmige Kontaktgabe, was zu Sprüngen und "Kratzern" führt.
Derartige Störsignale führen zu erheblichen Fehlfunktionen der Signalweiterverarbeitung.
Bekannt sind digitale Geber auf der Basis komplizierter Codescheiben.
Nachteilig ist die große Zahl der Spuren; so beträgt bei dualer Codierung die:

Spurenzahl = 3.32.log (Aufzulösender Zahlenbereich).

Beispiel

Selbst die relativ grobe Auflösung von 1 : 1000 erfordert 10 Codespuren:
Dies erfordert hohe Präzision beim Herstellen und Justieren der Codescheiben und der Lichtschranken sowie Schwierigkeiten beim eindeutigen Auslesen der Spuren trotz Gray-Code und/oder V-Abtastung.
Zweck der Erfindung ist es, eine Lösung zu finden, die einerseits den Ansprüchen einfacherer bis mittlerer Positionierungsgenauigkeit genügt, und die andererseits nicht den hohen Aufwand erfordert, den die hochpräziesen Werkzeugmaschinensteuerungen beanspruchen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Lösung zu finden, mit der die Positionsfeststellung elektrischer, pneumatischer oder hydraulischer Antriebe (beispielsweise für Regelmotoren) absolut und kostengünstig mit der erforderlichen Präzision gelöst werden kann.

Erfindungsgemäße Lösung

1. Erfindungsgemäß wird bei einem absoluten, analogen, elektronischen Stellungsgeber, der ein dem Drehwinkel proportionales, elektrisches Signal absolut ausgibt, ein drehbarer Hohlzylinder vorgesehen, der mit seinem schraubenförmig steigenden Ende proportional zu seinem Drehwinkel die freigegebene Fläche der Schlitzfläche As einer Schlitzblende proportional zum Drehwinkel verdeckt, wodurch der Lichtstrom eines lichtemittierenden Bauelementes, beispielsweise einer infrarot strahlenden LED, der auf den Fototransistor oder ein anderes lichtempfindliches Bauelement fällt, sich direkt proportional zum Drehwinkel ändert, wodurch auch der Fototransistor bzw. das lichtempfindliche Bauelement einen proportionalen, entsprechenden (Kollektor-)Strom liefert,
2. weiterhin erfindungsgemäß wird bei einem absoluten, analogen, elektronischen Stellungsgeber alternativ eine drehbare Scheibe vorgesehen die mit ihrem spiralförmigen Ende proportional zum Drehwinkel die freigegebenene Fläche der Schlitzfläche As einer Schlitzblende proportional zum Drehwinkel verdeckt, wodurch der Lichtstrom eines lichtemittierenden Bauelementes, beispielsweise einer infrarot strahlenden LED, der auf den Fototransistor oder ein anderes lichtempfindliches Bauelement fällt, sich direkt proportional zum Drehwinkel ändert, wodurch auch der Fototransistor bzw das lichtempfindliche Bauelement einen proportionalen, entsprechendem (Kollektor-)Strom liefert,
3. weiterhin erfindungsgemäß wird bei einem absoluten, analogen, elektronischen Stellungsgeber, der die Position auf einer geradlinigen Bahn als elektrisches Signal absolut ausgibt, ein verschiebliches Lineal mit einer Neigung quer zur Verschieberichtung vorgesehen, welches proportional zu seinem Schiebeweg die freigegebene Fläche der Schlitzfläche As einer Schlitzblende proportional zum Drehwinkel verdeckt, wodurch der Lichtstrom, der auf den Fototransistor fällt, sich direkt proportional zum Drehwinkel ändert, wodurch auch der Fototransistor einen proportionalen, entsprechenden Kollektorstrom liefert,
4. weiterhin erfindungsgemäß wird bei einem absoluten, analogen, elektronischen Stellungsgeber das lichtemittierende Bauelement (LED) mit stabilisiertem Gleichstrom betrieben, der Lichtsensor (Fototransistor) mit konstanter Spannung, um Eichpunktverschiebungen klein zu halten,
5. weiterhin erfindungsgemäß werden bei einem absoluten, analogen, elektronischen Stellungsgeber Lichtsender (LED) und Lichtsensor (Fototransistor) mit langwelligem Licht mit einer Wellenlänge um 800 nm betrieben und die Anordnung lichtdicht eingehaust und/oder mit Wechselstromlicht betrieben, wobei nur der AC-Anteil des Lichtes ausgefiltert und verstärkt wird,
6. weiterhin erfindungsgemäß wird bei einem absoluten, analogen, elektronischen Stellungsgeber für periodisch umlaufende Wellen, insbesondere für Kurbelwellen von Verdichtern und Verbrennungsmotoren, eine "dynamische Eichung" vorgesehen, indem der Helligkeitssprung genutzt wird, wenn die Steigungsflanke zurückspringt, wobei der entsprechende Sprung des Fototransistorstromes als jeweils 100% Stellwinkel definiert wird, so daß keine langzeitigen Eichpunktverschiebungen auftreten können,
7. weiterhin erfindungsgemäß wird bei einem absoluten, digitalen, elektronischen Stellungsgeber, der ein dem Drehwinkel proportionales, elektrisches Signal absolut ausgibt, eine kontinuierlich mit dem Drehwinkel laufende Codescheibe der 1. Zählstufe mit einer Synchronperforierung versehen, die dazu dient, daß nur in definierten Stellungen, bei eindeutiger Zuordnung der Codespuren, ausgelesen werden kann und mehrdeutige, unsichere Auslesungen vermieden werden,
8. weiterhin erfindungsgemäß wird bei einem absoluten, digitalen, elektronischen Stellungsgeber, der ein dem Drehwinkel proportionales, elektrisches Signal absolut ausgibt, der Zahlenbereich in mehrere Zählerstufen unterteilt, wobei die nächste Stufe in einer geeigneten Dualpotenz fortgeschaltet wird, die der Zahl der Codespuren der vorangegangenen Stufe entspricht.

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Beispielen erläutert werden.
In Fig. 1 ist als Beispiel ein analoger, absoluter Drehwinkelgeber dargestellt, der in einem Motorregelantrieb für Stellventile eingebaut ist.
In Fig. 1 sind folgende Positionen dargestellt: 1 Hauptplatine HPL
2 Lichtemissionsdiode
4 Fototransistor
3 durch LED beleuchtete Schlitzblende, Schlitzhöhe hs, Schlitzbreite bs
5 Hohlzylinder, drehbar, mit schraubenförmig steigendem Abschluß, Steigung hs, hier angespritzt an einem Zahnrad
5.1 Steigungssprung
6 Zahnrad
Der drehbare Hohlzylinder 5 verdeckt mit seinem schraubenförmig steigenden Abschluß proportional zu seinem Drehwinkel die freigegebene Fläche der Schlitzfläche As der Schlitzblende 3.
Damit ist der Lichtstrom, der auf den Fototransistor 4 fällt, direkt proportional zum Drehwinkel.
Ebenso liefert der Fototransistor 4 proportional zum Lichtstrom einen entsprechenden Kollektorstrom.
Um Eichpunktverschiebungen klein zu halten, wird die LED 2 mit stabilisiertem Gleichstrom betrieben, der Fototransistor mit konstanter Spannung.
Um Fremdlichteinflüsse zu vermeiden, werden LED 2 und Fototransistor 4 mit langwelligem Licht mit einer Wellenlänge um 800 nm genutzt.
Ferner wird die Anordnung lichtdicht eingehaust, bzw., wie hier, ins Getriebegehäuse eingebaut.
Eine weitere Möglichkeit, um Fremdlichteinflüsse zu beseitigen und vor allem um hohe Verstärkung und Arbeitspunktstabilität zu erreichen, besteht darin, die LED 2 mit Wechselstrom zu betreiben und nur den AC-Anteil des Lichtes auszufiltern und zu verstärken
Der Verlauf der physikalischen Größen soll im Folgenden betrachtet werden:
Wird der Wert digital weiterverarbeitet, indem beispielsweise der Kollektorstrom einem D/A- Wandler zugeführt wird, so läßt sich der Reststrom durch Subtraktion eliminieren.

Eichmöglichkeiten auf der analogen Seite

- Variation des Kollektorwiderstandes und/oder der Betriebsspannung des FT,
- Variation des Stromes für die LED,
- Variation der Schlitzbreite bs der Schlitzblende - bei systematischen Linearitätsabweichungen.

Bemerkenswert ist die Möglichkeit der "dynamischen Eichung" bei periodisch umlaufenden Wellen, insbesonders von Kurbelwellen von Verdichtern und Verbrennungsmotoren.
Hier wird der Helligkeitssprung in dem Zeitpunkt genutzt, wenn die Steigungsflanke zurückspringt. Der entsprechende Sprung des Fototransistorstromes wird jeweils als 100% Stellwinkel definiert, so daß keine langzeitigen Eichpunktverschiebungen auftreten können
Im Beispiel Fig. 2 ist ein digitaler, absoluter Drehwinkelgeber dargestellt.
In Fig. 2 sind folgende Positionen dargestellt:
1 Gehäuse
2 Codescheibe
2.1 1. Zählstufe
2.2 2. Zählstufe
3 Synchrondurchbrüche in der Codescheibe
4 Codedurchbrüche in der Codescheibe
5 Lichtemissionsdioden (LED's)
6 Fototranssistor
7 LED-Halter mit
8 Blendenlöcher
9 zentrale Achse
10 Zählerrad zum Fortschalten der Codescheibe mit den nächsten, dualen Stellen
Kontinuierlich wird die Codescheibe 2.1 der 1. Zählstufe angetrieben. Diese Codescheibe ist mit einer Synchronperforierung versehen, die dazu dient, daß nur in definierten Stellungen bei eindeutiger Zuordnung der Codespuren ausgelesen wird.
Um mit einfachen Mitteln die erforderliche Genauigkeit zu erzielen, ist der Zahlenbereich auf mehrere Zählerstufen aufgeteilt, im Beispiel in zwei Stufen.
Dabei wird die nächste Stufe in einer geeigneten Dualpotenz fortgeschaltet. Im Beispiel ist bei 5 Codespuren von der ersten Zählstufe eine Untersetzung zur nächsten Stufe von 2^5 = 32 notwendig.

Claims

1. Absoluter, analoger, elektronischer Stellungsgeber, der ein dem Drehwinkel proportionales, elektrisches Signal absolut ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehbarer Hohlzylinder mit seinem schraubenförmig steigenden Ende proportional zu seinem Drehwinkel die freigegebene Fläche der Schlitzfläche As einer Schlitzblende proportional zum Drehwinkel verdeckt, wodurch der Lichtstrom eines lichtemittierenden Bauelementes, beispielsweise einer infrarot strahlenden LED, der auf den Fototransistor oder ein anderes, lichtempfindliches Bauelement fällt, sich direkt proportional zum Drehwinkel ändert, wodurch auch der Fototransistor bzw. das lichtempfindliche Bauelement einen proportionalen, entsprechenden (Kollektor-)Strom liefert.

2. Absoluter, analoger, elektronischer Stellungsgeber, der ein dem Drehwinkel proportionales, elektrisches Signal absolut ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß eine drehbare Scheibe mit ihrem spiralförmigen Ende proportional zum Drehwinkel die freigegebene Fläche der Schlitzfläche As einer Schlitzblende proportional zum Drehwinkel verdeckt, wodurch der Lichtstrom eines lichtemittierenden Bauelementes, beispielsweise einer infrarot strahlenden LED, der auf den Fototranssistor oder ein anderes lichtempfindliches Bauelement fällt, sich direkt proportional zum Drehwinkel ändert, wodurch auch der Fototransistor bzw. das lichtempfindliche Bauelement einen proportionalen, entsprechenden (Kollektor-)Strom liefert.

3. Absoluter, analoger, elektronischer Stellungsgeber, der die Position auf einer geradlinigen Bahn als elektrisches Signal absolut ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein verschiebliches Lineal mit einer Neigung quer zur Verschieberichtung, proportional zu seinem Schiebeweg die freigegebene Fläche der Schlitzfläche As einer Schlitzblende proportional zum Drehwinkel verdeckt, wodurch der Lichtstrom, der auf den Fototransistor fällt, sich direkt proportional zum Drehwinkel ändert, wodurch auch der Fototransistor einen proportionalen, entsprechenden Kollektorstrom liefert.

4. Absoluter, analoger, elektronischer Stellungsgeber nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die LED mit stabilisiertem Gleichstrom betrieben, der Fototranssistor mit konstanter Spannung, um Eichpunktverschiebungen klein zu halten.

5. Absoluter, analoger, elektronischer Stellungsgeber nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß LED und Fototransistor mit langwelligem Licht mit einer Wellenlänge um 800 nm betrieben werden und daß die Anordnung lichtdicht eingehaust und/oder mit Wechselstrom betrieben wird, wobei nur der AC-Anteil des Lichtes ausgefiltert und verstärkt wird.

6. Absoluter, analoger, elektronischer Stellungsgeber nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei periodisch umlaufenden Wellen, insbesondere von Kurbelwellen von Verdichtern und Verbrennungsmotoren, eine "dynamische Eichung" genutzt wird, indem der Helligkeitssprung genutzt wird", wenn die Steigungsflanke zurückspringt, wobei der entsprechende Sprung des Fototransistorstromes als jeweils 100%-Stellwinkel definiert wird, so daß keine langzeitigen Eichpunktverschiebungen auftreten können.

7. Absoluter, digitaler, elektronischer Stellungsgeber, der ein dem Drehwinkel proportionales, elektrisches Signal absolut ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß eine kontinuierlich mit Drehwinkel laufende Codescheibe der 1. Zählstufe mit einer Synchronperforierung versehen ist, die dazu dient, daß nur in definierten Stellungen, bei eindeutiger Zuordnung der Codespuren, ausgelesen wird.

8. Absoluter, digitaler, elektronischer Stellungsgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahlenbereich in mehrere Zählerstufen unterteilt und daß die nächste Stufe in einer geeigneten Dualpotenz fortgeschaltet wird, die der Zahl der Codespuren der vorangegangenen Stufe entspricht; bei 5 Codespuren einer Zählerscheibe wird nach deren Umlauf demnach die folgende Zählerscheibe um 360°/(2^5) weitergeschaltet.