DE10339963A1

DE10339963A1 - Drehgeber

Info

Publication number: DE10339963A1
Application number: DE2003139963
Authority: DE
Inventors: John Boersting
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: DE10339963B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition einer Welle, z. B. eines Stellantriebes. Der erfindungsgemäße Drehgeber besteht aus einer Welle (2), zwei Zahnrädern Z1 (3) und Z2 (4), einer Zahnradwelle Z3 (5) und einer Leiterplatte (7), wobei das Zahnrad Z1 (3) form- oder kraftschlüssig mit der Welle (2) verbunden ist, das Zahnrad Z2 (4) koaxial zur Welle (2) drehbar gelagert ist, die Zähnezahlen von Z1 (3) und Z2 (4) sich um mindestens einen Zahn unterscheiden, die Zahnradwelle Z3 (5) parallel zur Welle (2) gelagert ist, die Zahnräder Z1 (3) und Z2 (4) in spielarmen Eingriff mit der Zahnradwelle Z3 (5) sind und zwischen Zahnrad Z1 (3) bzw. Z2 (4) und der Leiterplatte (7) jeweils ein analoge oder digitale Winkelmessvorrichtung angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition einer Welle, z.B. eines Stellantriebes.

Es ist bekannt, dass für diese Anwendung folgende Lösungen eingesetzt werden:

1. Potentiometer mit einem vorgeschalteten Getriebe, das den max. Drehwinkel der Welle auf einen Drehwinkel < 360° an der Potentiometerwelle reduziert. Nachteil: die Auflösegenauigkeit nimmt mit Größe der Getriebeübersetzung ab.
2. Doppel- od. Tandempotentiometer, bei dem das 1. Potentiometer über ein zwischengeschaltetes Getriebe mit dem 2. Potentiometer verbunden ist. Die Winkelposition der Stellwelle innerhalb des Stellbereiches wird, wie bei einer Uhr, in zwei Schritten ermittelt wird: a: Winkelposition der Stellwelle ohne Berücksichtigung der bereits ausgeführten vollen Umdrehungen aus dem Spannungsabgriff am 1. Potentiometer (Minutenzeiger). b: Anzahl der bereits ausgeführten vollen Umdrehungen aus dem Spannungsabgriff am 2. Potentiometer (Stundenzeiger). Beispiel: DE 89 12 785 U1 Nachteil dieser Lösung: – koaxiale Bauweise ist nur mit Planeten- oder mehrstufigen Getrieben möglich. – geringer Stellbereich je Getriebestufe. – kompakte, schmale Bauweise und Hohlwellenausführung nicht möglich.
3. In der Patentschrift DE 39 000 270 C2 ist eine Vorrichtung zur Positionserfassung eines Stellantriebes beschrieben, bei der 2 Endlospotentiometer mit zueinander unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen angetrieben werden. Die Winkelstellung der Stellwelle wird aus der Differenz der abgegriffenen Spannungen an Potentiometer 1 und 2 ermittelt, wobei bei jedem Nulldurchgang von Potentiometer 1 und 2 ein Korrektur-Algorithmus zur Überbrückung der Totzonen zu durchlaufen ist. Nachteil: wie bei 1. nimmt die Auflösegenauigkeit mit der Größe des Stellbereiches ab. Stellbereich wird durch die Größe der Totzonen begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten technischen Lösungen zu beseitigen.
Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, dass

– im Gehäuse (1) eine Welle (2) drehbar gelagert ist, auf der ein Zahnrad Z1 (3) form- oder kraftschlüssig montiert ist,
– ein weiteres Zahnrad Z2 (4) koaxial zur Welle (2) drehbar gelagert ist,
– eine Zahnradwelle Z3 (5) parallel zur Welle (2) im Gehäuse (1) drehbar gelagert ist
– die Zahnräder Z1 und Z2 in spielarmen Zahneingriff mit der Zahnradwelle Z3 (5) sind,
– die Zähnezahlen von Zahnrad Z1 (3) und Zahnrad Z2 (4) sich geringfügig unterscheiden,
– zwischen Zahnrad Z1 (3) und Zahnrad Z2 (4) eine Leiterplatte (7) angeordnet ist, die fest mit dem Gehäuse verbunden ist,
– zwischen Zahnrad Z1 bzw. Z2 und der Leiterplatte jeweils eine Winkelmessvorrichtung angeordnet ist.

Die Verbindung zwischen der Welle (2) und dem Zahnrad Z1 (3) erfolgt vorzugsweise mittels einer Zahnwellenverbindung. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, die Welle (2) als Hohlwelle auszuführen. Die komplette Einheit kann dadurch direkt auf die zu messende Stellwelle aufgesteckt werden.
Das Gehäuse ist vorzugsweise symmetrisch geteilt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Zahndifferenz zwischen Zahnrad Z1 (3) und Zahnrad Z2 (4) 1 Zahn, die durch eine geeignete Zahnprofilverschiebung ausgeglichen ist, um einen spielarmen Zahneingriff mit der Zahnradwelle Z3 (5) zu erreichen.
Die Zahndifferenz zwischen Zahnrad Z1 (3) und Zahnrad Z2 (4) führt dazu, dass bei einer vollen Umdrehung der Hohlwelle (2) mit Zahnrad Z1 (3) das Zahnrad Z2 (4) um die Zahndifferenz zurückbleibt, wenn Z2 > Z1 ist bzw. voreilt, wenn Z2 < Z1 ist.
Nach "n" Umdrehungen der Hohlwelle (2) wird die Ausgangssituation wieder erreicht, so dass "n" der max. Stellbereich der Vorrichtung ist (n = Zähnezahl Z2 / Zahndifferenz [Z2-Z1], wobei die Zähnezahl von Z1 und Z2 so zu wählen ist, dass "n" ganzzahlig ist)
Die Winkelposition der Stellwelle wird in 2 Schritten ermittelt:

a: Position der Stellwelle im Bereich von 0–360° aus der Winkelstellung von Z1 (3) zur Null-Lage ohne Berücksichtigung der bereits ausgeführten vollen Umdrehungen.
b: Position der Stellwelle innerhalb des Stellbereiches (1. – n-ter Umdrehung) aus der Winkelstellung von Zahnrad Z1 (3) zu Zahnrad Z2 (4).

Entsprechend einer Abwandlung der Erfindung fungiert Zahnradwelle Z3 (5) nicht als lose mitlaufendes Zwischenrad, sondern als Antriebswelle. Der Stellbereich wird dadurch um den Faktor Zähnezahl Z1 / Zähnezahl Z3 vergrößert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Zahnrad Z4 (6), ein Distanzstück (17) und eine 2. Leiterplatte (16) hinzugefügt. Die Zähnezahl von Z4 muss ungleich zu den Zähnezahlen von Z1 und Z2 sein. Dadurch wird der Stellbereich um den Faktor n2 = Zähnezahl Z4 / Zahndifferenz [Z1-Z4] vergrößert, wobei die Zähnezahl von Z4 so zu wählen ist, dass "n2" ganzzahlig ist. Die Leiterplatte (16) enthält ebenfalls eine Winkelmessvorrichtung. Die Winkelmessung kann analog oder digital erfolgen.
Nachfolgendes Beispiel beschreibt die analoge Variante mittels Endlospotentiometer gemäß 1- 5. Auf beiden Seiten der Leiterplatte (7) befinden sich je eine Widerstandsbahn (8), die Abgriffsbahnen (9) und (15) sowie die elektrischen Anschlusspunkte (10) für die Betriebsspannung und die Abgriffsbahnen.
Die Widerstandsbahnen und die Schleiferanordnung können je nach Auswertung und Anforderung unterschiedlich ausgeführt sein.
Eine bevorzugte Ausführung ist in 1 dargestellt. Die Widerstandsbahnen sind in 4 Sektoren von je 90° aufgeteilt sind, wobei jeweils ein Sektor mit aktiver Widerstandsbahn an einen Sektor mit niederohmiger Blindbahn anschließt, so dass ein geschlossener Kreis gebildet wird. Der Anschluss der Betriebsspannung erfolgt jeweils an den Blindbahnen.
Schleifer (11) und (13) sind am Zahnrad Z1 befestigt und gleiten auf der sichtbaren Widerstandsbahn, Schleifer (12) und (14) sind am Zahnrad Z2 befestigt und gleiten auf der rückseitigen Widerstandsbahn.
Schleifer (11) bzw. (12) ist um 90° gegenüber Schleifer (13) bzw. (14) versetzt.
Der Verlauf der abgegriffenen Spannungen ist in 5 mit nachstehender Zuordnung dargestellt:
U1: Schleifer (11) / U1': Schleifer (13) / U2: Schleifer (12) / U2': Schleifer (14)
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass: erreicht, dass

– ein endloser unterbrechungs- und sprungfreier Spannungsabgriff der Schleifer,
– eine absolute Positionserfassung sofort nach Anschluss der Betriebsspannung, auch an den Sektorengrenzen sowie
– eine vierfach höhere Auflösung je Umdrehung von Z1 und Z2 durch Auswertung von Anstieg oder Abfall der Spannungen U1 oder U1' bzw. U2 oder U2' je 90°-Sektor ermöglicht wird, z.B. in 1024 Schritte je Sektor bei Verwendung eines 10 BIT A/D-Wandlers.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt folgende Vorteile gegenüber bekannten Lösungen:

– Universeller Einsatz im allgemeinen Maschinenbau
– Absolutes Messergebnis mit hoher Auflösung (4096 Schritte / Umdrehung der Welle)
– Großer Stellbereich (Anzahl der Umdrehungen des Stellantriebes)
– Keine mechanische Begrenzungen, so dass der gesamte Stellbereich aus beliebiger Startposition nutzbar ist
– Kompakte, schmale Bauart mit Hohlwelle, die eine einfache und platzsparende Montage an der zu messenden Stellwelle ermöglicht, z.B. der Abtriebswelle eines Getriebemotors
– Kontinuierlicher Messwertverlauf über den gesamten Stellbereich
– Serielle Schnittstelle zur Datenübertragung an die übergeordnete Steuerung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung der Winkelposition einer Welle, schematisch dargestellt in 5, besteht darin, dass:

a. die Winkelposition von Zahnrad Z1 auch die Winkelposition der Stellwelle im Bereich von 0–360° ist, da beide miteinander form- oder kraftschlüssig verbunden sind.
b. aus dem Versatz der Winkelpositionen von Zahnrad Z1 zu Zahnrad Z2 die Winkelposition der Stellwelle im Stellbereich (Anzahl der bereits ausgeführten vollen Umdrehungen) ermittelt wird.

Die Merkmale der Erfindung gehen aus den Elementen der Ansprüche und aus der Beschreibung hervor, wobei sowohl einzelne Merkmale als auch mehrere in Form von Kombinationen vorteilhafte Ausführungen darstellen, für die mit dieser Schrift Schutz beantragt wird.
Das Wesen der Erfindung besteht aus einer Kombination aus bekannten (Wellen, Achsen, Zahnrädern, Schleifern, Leiterplatten, Widerstandsbahnen, Abgriffsbahnen und Wandler) und neuen Elementen (Anordnung dieser Elemente in einem Gehäuse zu einem Drehgeber), die sich gegenseitig beeinflussen und in ihrer neuen Gesamtwirkung einen Gebrauchsvorteil und den erstrebten Erfolg ergeben, der darin liegt, dass die Winkelposition einer Welle, z.B. eines Stellantriebes, genau zu bestimmen ist und viele Umdrehungen der Welle erfasst werden können.
Legende zu den Figuren
1 zeigt den Drehgeber bei abgenommener Gehäusehälfte mit Ansicht auf die Vorderseite der Potentiometer-Leiterplatte
2 zeigt den Drehgeber im Schnitt A–B
3 zeigt vergrößert den Ausschnitt A mit den schematisch dargestellten Schleifern (11) und (12)
4 zeigt den Drehgeber im Schnitt mit der Erweiterung durch Zahnrad Z4 (6) und einer weiteren Potentiometer-Leiterplatte (16)
5 zeigt den Spannungsverlauf von U1 und U1' bzw. U2 und U2'
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden, ahne auf diese Beispiele beschränkt zu sein.
Ausführungsbeispiel 1
Zähnezahl Z1 = 49 ; Zähnezahl Z2 = 50; Leiterplatte nach 1
Mit jeder Umdrehung der Welle (2) bleibt Zahnrad Z2 (4) um einen Zahn gegenüber Zahnrad Z1 (3) zurück. Nach 50 Umdrehungen der Welle (2) in gleicher Drehrichtung ist die Ausgangssituation wieder erreicht.
Der Verlauf der abgegriffenen Spannungen U1 und U1' bzw. U2 und U2' ist in 5 dargestellt.
Aus den von Schleifer (11) und Schleifer (13) abgegriffenen Spannungen U1 bzw. U1' wird zunächst die digitale Position von Z1 (3) ermittelt, die der momentanen Winkelstellung der Welle im Bereich von 0–360 Grad entspricht.
Die Aufteilung der Widerstandsbahn in 4 Sektoren nach 1 und die um 90° versetzte Anordnung der Schleifer (11) und (13) ermöglicht, wie in nachstehender Tabelle dargestellt:

a. eine 4-fache Auswertung der Analogsignale U1 und U1' in 4096 Schritte/Umdrehung bei Verwendung eines 10 BIT A/D-Wandlers
b. einen unterbrechungs- und sprungfreien Übergang an den Sektorengrenzen.

In gleicher Weise wird aus U2 bzw. U2' die digitale Position von Z2 (4) ermittelt. Aus der Differenz der digitalen Positionen von Z1 zu Z2 wird anschließend die Position der Welle innerhalb des gesamten Stellbereiches (1. – 50. Umdrehung) entsprechend dem nachfolgendem Beispiel ermittelt:
Digitale Positionen: Z1 = 1.696 Z2 = 3.792 Differenz Z1 – Z2 = –2.096
Da ein negativer Differenzwert nur entstehen kann, wenn Z1 bereits 1 Umdrehung mehr als Z2 vollendet hat, ist bei einem negativem Wert die absolute Differenz zwischen Z1 und Z2 um den Wert 4.096 größer und beträgt somit 4.096 – 2.096 = 2.000 Da bei jeder Umdrehung von Zahnrad Z1 das Zahnrad Z2 um 1 Zahn zurück bleibt, würde nach 50 Umdrehungen die Differenz 1 Umdrehung bzw. als digitaler Wert 4.096 betragen, d.h. je Umdrehung von Z1 nimmt die Differenz um den Wert 4.096 : 50 = 81,92 zu.
Die Anzahl der bereits ausgeführten Umdrehungen der Hohlwelle beträgt somit: 24, berechnet aus 2.000 / 81,92. Die absolute Position der Hohlwelle ist: 24 × 4.096 + 1.696 = 100.000
Ausführungsbeispiel 2 (4)
Durch hinzufügen eines Zahnrades Z4 (6) mit geringer Zahndifferenz zu Z1 und Z2 (z.B. mit 48 Zähnen), sowie des Distanzteils (17) und einer 2. Leiterplatte (16) wird der Stellweg um den Faktor 48 auf 2.400 Umdrehungen vergrößert.

1: Gehäuse
2: Welle
3: Zahnrad Z1
4: Zahnrad Z2
5: Zahnradwelle Z3
6: Zahnrad Z4
7: 1. Leiterplatte
8: Widerstandsbahn
9: 1. Abgriffsbahn
10: Anschlusspunkte
11: 1. Schleifer an Z1
12: 1. Schleifer an Z2
13: 2. Schleifer an Z1
14: 2. Schleifer an Z2
15: 2. Abgriffsbahn
16: 2. Leiterplatte
17: Distanzstück

Claims

Drehgeber, bestehend aus einer Welle (2), zwei Zahnrädern Z1 (3) und Z2 (4), einer Zahnradwelle Z3 (5) und einer Leiterplatte (7), dadurch gekennzeichnet, dass – das Zahnrad Z1 (3) form- oder kraftschlüssig mit der Welle (2) verbunden ist, – das Zahnrad Z2 (4) koaxial zur Welle (2) drehbar gelagert ist, – die Zähnezahlen von Z1 (3) und Z2 (4) sich um mindestens einen Zahn unterscheiden, – die Zahnradwelle Z3 (5) parallel zur Welle (2) gelagert ist, – die Zahnräder Z1 (3) und Z2 (4) in spielarmen Eingriff mit der Zahnradwelle Z3 (5) sind und – zwischen Zahnrad Z1 (3) bzw. Z2 (4) und der Leiterplatte (7) jeweils eine analoge oder digitale Winkelmessvorrichtung angeordnet ist.
Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) eine Hohlwelle ist.
Drehgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Welle (2), die Zahnräder Z1 (3) und Z2 (4), die Zahnradwelle (5) und die Leiterplatte (7) in einem Gehäuse (1) befinden.
Drehgeber nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) – vorzugsweise symmetrisch – geteilt ist.
Drehgeber nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte fest mit dem Gehäuse (1) verbunden ist.
Drehgeber nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die analogen Messvorrichtungen Endlospotentiometer sind.
Drehgeber nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (7) auf beiden Seiten mindestens eine Widerstandsbahn enthält, die in 4 Sektoren von je 90° unterteilt ist, wobei jeweils ein Sektor mit aktiver Widerstandsbahn an einen Sektor mit niederohmiger Blindbahn anschließt.
Drehgeber nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (7) auf beiden Seiten mindestens jeweils zwei Abgriffsbahnen (9) sowie elektrische Anschlusspunkte (10) für die Widerstands- und Abgriffsbahnen enthält.
Drehgeber nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den Zahnrädern (3) und (4) jeweils ein 1. Schleifer (11) bzw. (12) und ein 2. Schleifer (13) bzw. (14) befestigt ist, wobei jeweils der 2. Schleifer (12) bzw. (14) um 90° versetzt zum 1. Schleifer (11) bzw. (13) angeordnet ist.
Drehgeber nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der 1. und 2. Schleifer auf einer gemeinsamen Widerstandsbahn (8), jedoch auf einer separaten Abgriffsbahn (9) bzw. (15) gleitet.
Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition einer Welle mittels des Drehgebers gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anschluss der Betriebsspannung an den Blindbahnen: a. an jeweils einem der Schleifer (11) od. (13) bzw. (12) od. (14) die Spannung konstant 0V od. U-max ist und damit die Winkelstellung der Zahnräder Z1 und Z2 eindeutig einem Sektoren zugeordnet werden kann, b. an dem jeweils anderen Schleifer die Spannung steigend oder fallend ist, so dass aus ihr die Winkelstellung der Zahnräder Z1 und Z2 innerhalb des Sektors ermittelt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen U1 und U1' bzw. U2 und U2' mittels eines A/D-Wandlers digitalisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus den digitalisierten Spannungen von U1 und U1'die Position von Z1 (3) bzw. von U2 und U2' die Position von Z2 (4) innerhalb von 0–360° ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Aufteilung in 4 Sektoren eine 4-fach größere Auflösung erreicht wird, z. B. bei Verwendung eines A/D-Wandlers mit 10 BIT Auflösung 4096 Schritte je Umdrehung.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Differenz der digitalen Positionen von Z1 zu Z2 die Position der Welle innerhalb des gesamten Stellbereiches (1. – 50. Umdrehung) wird.
Drehgeber nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradwelle Z3 (5) als Antrieb fungiert.
Drehgeber nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Zahnrad Z4 (6) mit geringer Zahndifferenz zu Zahnrad Z1 (3) und Zahnrad Z2 (4) sowie eine zweite Leiterplatte (16) und ein Distanzstück (17) hinzugefügt wird.
Drehgeber nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad Z4 (6) ebenfalls mit Schleifern (analog Z1 und Z2) ausgestattet ist und dass die Leiterplatte (15) ebenfalls eine analoge oder digitale Winkelmessvorrichtung, Widerstandsbahnen, Abgriffsbahnen und Anschlusspunkte enthält.
Drehgeber nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur digitalen Winkelmessung an den Zahnräder optische oder magnetische Codierungen und an der die Leiterplatte (7) optische oder magnetische Abtasteinheiten angebracht sind.
Drehgeber nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die errechnete Winkelposition mittels einer seriellen Schnittstelle an eine übergeordnete Steuerung übertragen wird.
Verwendung des Drehgebers gemäß den Ansprüchen 1 bis 13 im Maschinenbau.
Verwendung nach Anspruch 19 zur Bestimmung der Winkelposition einer Welle.
Verwendung nach Anspruch 20 zur Bestimmung der Winkelposition der Abtriebswelle eines Getriebemotors