DE102004042486A1

DE102004042486A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung des Drehwinkels eines Rotors gegenüber einem Stator

Info

Publication number: DE102004042486A1
Application number: DE102004042486A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Welker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-03-16
Also published as: US20060054798A1; US7358479B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung des Drehwinkels, wobei eine mit Markierungen (2) versehene Scheibe (1) relativ zu einer Erfassungseinrichtung (3) zur Erfassung der Markierungen (2) drehbar ist, wobei mittels der Erfassungseinrichtung (3) elektrische Signale erzeugbar sind und wobei eine Auswerteeinrichtung (6) zur Umwandlung der Signale in ein dem jeweiligen Drehwinkel entsprechendes Messsignal vorgesehen ist. Zur Steigerung der Genauigkeit der Messung wird vorgeschlagen, dass der Auswerteeinrichtung (6) ein Tiefpassfilter (5) vorgeschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 7.
Nach dem Stand der Technik ist z. B aus der DE 100 38 296 A1 eine gattungsgemäße Winkelmesseinrichtung bekannt. Bei der bekannten Winkelmesseinrichtung sind auf einer drehbaren Scheibe magnetisch abtastbare Markierungen angebracht. Bei einer Drehung der Scheibe werden die Markierungen von Abtastköpfen abgetastet. Ein von den Abtastköpfen erzeugtes Signal kann durch Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe, durch herstellungsbedingte Toleranzen in der Größe und Geometrie der Scheibe und/oder der Markierungen sowie durch ungenau auf der Scheibe angebrachte Markierungen gestört werden. Die Störungen führen zu einer verminderten Genauigkeit der Winkelmessung. Eine Steigerung der Genauigkeit durch eine Reduktion der Herstellungstoleranzen ist aufwändig und kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es sollen insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung des Drehwinkels angegeben werden, mit denen der Drehwinkel möglichst genau gemessen werden kann. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll die Messung des Drehwinkels möglichst unanfällig gegen Störungen sein.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6 und 8.
Nach Maßgabe der Erfindung ist bei einer Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels eines Rotors gegenüber einem Stator vor gesehen, dass der Auswerteeinrichtung ein Tiefpassfilter zur Filterung der Signale vorgeschaltet ist. – Mit dem Tiefpassfilter können unerwünschte Signalschwankungen herausgefiltert werden. Solche Signalschwankungen können z. B. durch Toleranzen in der Größe der Markierungen und/oder durch ungenau auf der Scheibe positionierte Markierungen entstehen. Eine Tiefpassfilterung ermöglicht eine besonders genaue Bestimmung des Drehwinkels. Infolge des Vorsehens eines Tiefpassfilters können Scheiben bzw. Markierungen mit größeren Herstellungstoleranzen und/oder Scheiben weniger genau positionierten Markierungen verwendet werden. Der Herstellungsaufwand kann reduziert und die Kosten für die Herstellung können gesenkt werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Tiefpassfilter eine PLL-Schaltung auf. Vorzugsweise ist die PLL-Schaltung eine digitale PLL-Schaltung. Eine PLL-, d. h. phaselocked-loop-Schaltung, ist eine Regelschaltung, bei der die Regelung durch eine konstante Phase erzeugt wird. Das Funktionsprinzip von PLL-Schaltungen ist aus dem Aufsatz "Phase Locked Loop (PLL)" von Prof. Dr.-Ing. Hermann der Fachhochschule München, verfügbar unter der URL: http://www.fh-muenchen.de/home/fb/fb06/professoren/hermann/unterlagen/vorlesungen/pll.pdf, beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit einbezogen wird. Eine digitale PLL-Schaltung kann besonders einfach verwirklicht werden. Mit der PLL-Schaltung ist es möglich, einen gestörten Referenztakt bei bekannter Nominalfrequenz zu rekonstruieren. Ist im Anwendungsfall die Rotationsfrequenz des Rotors bekannt, so ist die Nominalfrequenz die ideale, ungestörte Frequenz der erfassten Signale. Die Nominalfrequenz kann bei bekannter Rotationsfrequenz und bei einer bekannten Anzahl von auf der Scheibe gleichmäßig verteilten Markierungen in einfacher Weise ermittelt werden. Ist ν die Rotationsfrequenz der Scheibe und N die Anzahl der Markierungen, so entspricht die Nominalfrequenz dem Produkt N·ν. Mit einer PLL-Schaltung und bekannter Nominalfrequenz ist es möglich, den Drehwinkel besonders genau und weitgehend unab hängig von äußeren Störeinflüssen, wie z. B. Rotationsfrequenzschwankungen der Scheibe, Toleranzen der Scheibe und dgl., zu messen.
Die Markierungen können in der Scheibe vorgesehene Durchbrüche sein. Die Durchbrüche sind vorzugsweise Schlitze. Die Durchbrüche oder Schlitze können mit Lichtschranken erfasst werden. Es ist auch möglich magnetische, optische, elektrische oder ähnliche Markierungen an der Scheibe anzubringen. Derartige Markierungen können mit magnetosensitiven, fotosensitiven Elementen und dgl. erfasst werden.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden der Rotor und der Stator die Gantry eines Röntgen-Computertomographen. Bei der Röntgen-Computertomographie ist eine möglichst genaue Bestimmung des Drehwinkels für eine qualitativ hochwertige Bildrekonstruktion erforderlich. Bei einer fehlerhaften Messung des Drehwinkels ist es z. B. möglich, dass ein für eine Aufnahme erforderlicher Mindestdrehwinkel unterschritten wird. Der Mindestdrehwinkel kann im Wesentlichen mit einer Mindestmesszeit bei bekannter Rotationsfrequenz der Gantry gleichgesetzt werden. Eine Unterschreitung des Mindestdrehwinkels bzw. der Mindestmesszeit kann zu einer erheblichen Verschlechterung der Qualität der Aufnahme, z. B. des Signal- zu Rauschverhältnisses, führen. Ein der Auswerteeinrichtung vorgeschalteter Tiefpassfilter ermöglicht eine Unterdrückung bzw. Filterung von Signalschwankungen, welche zu einer fehlerhaften Messung des Drehwinkels führen. Die Qualität der Aufnahmen kann deutlich verbessert werden. Für einen Röntgen-Computertomographen eignet sich insbesondere eine Tiefpassfilterung mit einer PLL-Schaltung. Die Gantry eines Röntgen-Computertomographen rotiert im Wesentlichen mit vorgegebenen diskreten Rotationsfrequenzen, so dass die Nominalfrequenz für die PLL-Schaltung in einfacher Weise bestimmt werden kann. Die Genauigkeit der Messung des Drehwinkels kann z. B. ohne aufwändige oder kostenintensive, konstruktive Veränderungen der Scheibe und/oder der Markierungen durchgeführt werden. Des Weiteren kann der Drehwinkel selbst bei hohen, bis hin zu den maximal möglichen Rotationsfrequenzen der Gantry eines Röntgen-Computertomographen ausreichend genau bestimmt werden.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Messung des Drehwinkels eines Rotors gegenüber einem Stator vorgesehen, wobei die Signale vor der Umwandlung mittels eines Tiefpassfilters gefiltert werden. Die Vorteile der Vorrichtung gelten in analoger Weise für das Verfahren. Das Verfahren ermöglicht eine möglichst einfache und genaue Messung des Drehwinkels. Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird als Tiefpassfilter eine PLL-Schaltung verwendet.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels,
2 ein Segment einer Schlitzscheibe nach 1 und
3 ein einem Diagramm dargestellte relative Signalschwankungen.
1 zeigt eine Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels. Eine Schlitzscheibe 1 ist in Form eines Kreisrings ausgebildet und drehbar um eine Achse M gelagert. Die Schlitzscheibe 1 weist radial umlaufend eine Vielzahl von Schlitzen 2 auf. Die Schlitze 2 sind gleichmäßig auf der Schlitzscheibe 1 verteilt und in einer Φ-Richtung Φ um einen Drehwinkel φ voneinander beabstandet. Mit dem Bezugszeichen 3 ist eine gegenüber der Schlitzscheibe 1 ortsfest angebrachte Lichtschranke bezeichnet. Die Lichtschranke 3 ist in einem radialen Abstand R von der Achse M angebracht. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Signalleitung. Die Lichtschranke 3 ist mit der Signal leitung 4 über eine PLL-Schaltung 5 mit einer Auswerteeinrichtung 6 verbunden.
2 zeigt ein Segment der Schlitzscheibe nach 1. Die Schlitze 2 weisen in radialer Richtung eine Länge L und in der Φ-Richtung Φ eine Breite B auf. Die Schlitze kehren im radialen Abstand R von der Achse M mit einer Periode D wieder.
Die Funktion der Vorrichtung ist folgende:
Bei einer Rotation der Schlitzscheibe 1 relativ zur Lichtschranke 3 in der Φ-Richtung Φ werden die Schlitze 2 an der Lichtschranke 3 vorbei bewegt. Die Lichtschranke 3 erfasst die Schlitze 2 und erzeugt für jeden sich an der Lichtschranke 3 vorbei bewegenden Schlitz 2 ein elektrisches Signal. Unter der Annahme von idealen Schlitzen 2, d. h. Schlitze 2 mit gleicher Breite B und Periode D, sind die Signale exakt periodisch mit einer Periode D. Nach einer Periode D hat sich die Schlitzscheibe um den Drehwinkel φ weitergedreht. Auf Grund von Schwankungen in der Breite B oder der Periode D weisen die Signale Signalschwankungen auf. Die Signale werden über die Signalleitung 4 an die PLL-Schaltung 5 geleitet. Mit der PLL-Schaltung 5 werden die Signale gefiltert. Die Signalschwankungen werden unterdrückt bzw. herausgefiltert. Die gefilterten Signale werden mittels der Signalleitung 4 an die Auswerteeinrichtung 6 weitergeleitet. Die Auswerteeinrichtung 6 wandelt die gefilterten Signale in ein dem jeweiligen Drehwinkel φ entsprechendes Messsignal um. Das Messsignal ist auf Grund der Filterung mit der PLL-Schaltung 5 besonders genau.
Bei einer, z. B. im Bereich der Röntgen-Computertomographie verwendeten, Schlitzscheibe 1 mit radialem Abstand R = 0,5 m und 1200 gleichmäßig verteilten Schlitzen 2 beträgt die Periode D bzw. der Drehwinkel φ 18 Winkelminuten. Das entspricht einem Abstand von etwa 2,5 mm. Eine Schwankung des Abstands bzw. der Breite B um z. B. 0,025 mm kann eine relative Sig nalschwankung von 1 % verursachen. Derartige Signalschwankungen können der Qualität einer Aufnahme eines Röntgen-Computertomographen abträglich sein. Bei der Röntgen-Computertomografie werden vorzugsweise PLL-Schaltungen 5 verwendet. Es ist auch möglich, dass bei der Computertomografie die Schlitzscheibe 1 ortsfest und die Lichtschranke 3 rotiert. Lichtschranken 3 weisen gewöhnlich eine kleine Masse auf. Eine Auswuchtung des Rotors wird erleichtert.
3 zeigt in einem Diagramm dargestellte relative Signalschwankungen. Die Signalschwankungen beziehen sich jeweils auf eine steigende Flanke des betrachteten Signals. Die steigende Flanke eines Signals wird im Weiteren als Winkelpuls bezeichnet. Auf der Ordinatenachse 0 sind die Signalschwankungen der Winkelpulse relativ zu einer Nominalfrequenz aufgetragen. Die Nominalfrequenz ist die Signalfrequenz der Winkelpulse welche eine ideale Schlitzscheibe 1 erzeugen würde. Auf der Abszissenachse A ist die fortlaufende Nummer, der Winkelpulse für einen 360-Grad Umlauf der Schlitzscheibe 1 aufgetragen. Mit P1 und P2 sind eine erste und eine zweite Schwingungsperiode einer ersten und einer zweiten Sinusschwingung bezeichnet. Die fortlaufende Nummer 880 ist mit einem Pfeil kennzeichnet.
Das Diagramm der 3 zeigt im Wesentlichen drei verschiedene Störungen für relative Signalschwankungen. Erste Störungen können durch eine erste Sinusschwingung der Signalschwankungen um die Nulllinie N beschrieben werden. Die mit dem Bezugszeichen P1 bezeichnete erste Periode der ersten Sinusschwingung entspricht einer 360-Grad Drehung der Schlitzscheibe 1. Zweite Störungen können durch eine der ersten Sinusschwingung überlagerte zweite Sinusschwingung beschrieben werden. Die mit dem Bezugszeichen P2 bezeichnete zweite Periode P2 der zweiten Sinusschwingung ist kleiner als die erste Periode P1. Das Periodenverhältnis P1 : P2 beträgt etwa 1 : 17. Dritte Störungen sind über die 360-Grad Drehung der Schlitzscheibe 1 beliebig verteilt. Beispielsweise weist der Winkelpuls 880 eine große relative Signalschwankung von etwa 1,35 % auf.
Die Ursachen der ersten bis dritten Störungen sind folgende: Die ersten Störungen können durch eine sich periodisch verändernde Rotationsgeschwindigkeit, z. B. durch eine Unwucht, hervorgerufen werden. Die zweiten Störungen können z. B. durch periodische Regelschwingungen des Antriebs des Rotors verursacht werden. Des Weiteren können zweite und in gleicher Weise dritte Störungen durch Schwankungen in den Breiten B oder Perioden D der Schlitze verursacht werden.
Die ersten bis dritten Störungen führen zu Signalschwankungen der Signale. Die erste Störung kann im Wesentlichen durch ein Wuchten des Rotors beseitigt werden. Zweite und dritte Störungen können in einfacher Weise mit einer Tiefpassfilterung unterdrückt werden, so dass eine besonders genaue Messung des Drehwinkels φ möglich ist.

Claims

Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels (φ) eines Rotors gegenüber einem Stator, bei der eine mit Markierungen (2) versehene Scheibe (1) relativ zu einer Erfassungseinrichtung (3) zur Erfassung der Markierungen (2) drehbar ist, wobei mittels der Erfassungseinrichtung (3) zu den erfassten Markierungen (2) korrespondierende elektrische Signale erzeugbar sind und des Weiteren eine Auswerteeinrichtung (6) zur Umwandlung der Signale in ein dem jeweiligen Drehwinkel (φ) entsprechendes Messsignal vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinrichtung (6) ein Tiefpassfilter (5) zur Filterung der Signale vorgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Tiefpassfilter (5) eine, vorzugsweise digitale, PLL-Schaltung (5) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Markierungen (2) in der Scheibe vorgesehene Durchbrüche, vorzugsweise Schlitze (2), sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung (3) zumindest eine Lichtschranke (3) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Markierungen (2) magnetische, elektrische oder optische Markierungen (2) sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor und der Stator die Gantry eines Röntgen-Computertomographen bilden.
Verfahren zur Messung des Drehwinkels eines Rotors gegenüber einem Stator mit einer Winkelmessungseinrichtung, bei der eine mit Markierungen (2) versehene Scheibe (1) relativ zu einer Erfassungseinrichtung (3) zur Erfassung der Markie rungen (2) drehbar ist, wobei mittels der Erfassungseinrichtung (3) zu den erfassten Markierungen (2) korrespondierende elektrische Signale erzeugt und die Signale mittels einer Auswerteeinrichtung (6) in ein dem jeweiligen Drehwinkel entsprechendes Messsignal umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale vor der Umwandlung mittels eines Tiefpassfilters (5) gefiltert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei als Tiefpassfilter (5) eine PLL-Schaltung (5) verwendet wird.