DE19628286A1

DE19628286A1 - Drehmelder zum Erfassen einer Winkelposition

Info

Publication number: DE19628286A1
Application number: DE19628286A
Authority: DE
Inventors: Yasukazu Hayashi; Shinji Shibata; Hisashi Kamabuchi
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1995-07-12
Filing date: 1996-07-12
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2016-07-13
Also published as: US5708344A; JP3414893B2; JPH0928069A; DE19628286B4

Description

Die Erfindung betrifft einen Winkelpositionsgeber unter Ver wendung eines Drehmelders.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen Win kelpositionsgeber unter Verwendung eines Drehmelders zeigt. Ein Drehmelderstator 1 besteht aus einem magnetischen Kör per, wie einer Siliziumstahlplatte, mit vier Magnetpolen, die an seiner Innenseite liegen. Um die Magnetpole sind Pri märdrähte gewickelt, um Primärwicklungen 4, 5, 6 und 7 zu bilden, und ferner sind Sekundärdrähte aufgewickelt, um Se kundärwicklungen 8, 9, 10 und 11 zu bilden. Die Primärwick lungen 4, 5, 6 und 7 sind seriell miteinander verbunden. Wenn sie mit einer sinusförmigen Wechselspannung VS von einem Sinusgenerator 12 versehen werden, weisen die entspre chenden Magnetpole jeweils ein solches Wechselmagnetfeld auf, daß die Wechselmagnetfelder benachbarter Magnetpole über voneinander um 180° verschiedene Phasen verfügen. Die Sekundärwicklungen 8 und 10 sowie 9 und 11 sind jeweils seriell geschaltet. Die von den Primärwicklungen erzeugten Wechselmagnetfelder induzieren in den entsprechenden Sekun därwicklungen 8, 9, 10 und 11 jeweils eine Wechselspannung, wobei die Phase dieser induzierten Wechselspannung zwischen den Sekundärwicklungen 8 und 9 bzw. den Sekundärwicklungen 9 und 11 um 180° versetzt ist. Ein Drehmelderrotor 3 mit einem Zylinder aus einem magnetischen Körper, wie einer Silizium stahlplatte, ist so an einer Rotorwelle 2 befestigt, daß er sich exzentrisch in bezug auf die Drehachse dreht.

Die Drehung des Drehmelderrotors 3 verursacht eine Änderung des Spalts zwischen den vier Magnetpolen des Drehmeldersta tors 1 und des Drehmelderrotors 3, wodurch der magnetische Widerstand geändert wird. Infolge des variierenden magneti schen Widerstands geben die seriell geschalteten Sekundär wicklungen 8, 10 sowie 9, 11 Ausgangsspannungen Va bzw. Vb aus, die durch Modulieren der Amplitude der Erregerspannung VS erhalten wurden, so daß sie dem Sinus bzw. dem Cosinus des Drehwinkels des Rotors 3 entsprechen. A/D-Umsetzer 14 und 15, die seriell mit den Sekundärwicklungen 8, 10 bzw. 9, 11 verbunden sind, empfangen die Spannungen Va und Vb und setzen sie in digitale Signale Da bzw. Db um, die mit dem Spitzenwert der Erregerspannung VS synchronisiert sind, wo bei der Spitzenwert durch ein Synchronisiersignal PD von einer Spitzenwert-Erkennungsschaltung 13 angezeigt wird. Da die digitalen Signale Da und B den Sinus und den Cosinus des Drehwinkels anzeigen, kann ein Mikrocomputer 16 den Arcus tangens synchron zum Empfang des Synchronisiersignals PD be rechnen, um ein Drehwinkelsignal Θ auszugeben.

Beim Stand der Technik müssen die jeweiligen Magnetpole des Stators durch sowohl Primär- als auch Sekundärdrähte gewickelt werden, was zu Schwierigkeiten beim Anordnen der Wick lungen führt. Darüber hinaus sind die Kosten erhöht, da in folge einer solchen Anordnung viele Windungen auszubilden sind. Außerdem ist es unmöglich, da die Positionserkennung nur bezogen auf den Spitzenwert der Erregerspannung erfolgt, die Winkelposition zu einem beliebigen Zeitpunkt zu erfas sen, da die zeitliche Lage der Erfassungsmöglichkeit durch die Frequenz der Erregerschaltung bestimmt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Winkelposi tionsgeber unter Verwendung eines Drehmelders zu schaffen, mit dem eine Winkelposition zu beliebigen Zeitpunkten erfaßt werden kann und der eine einfache Wicklungsstruktur auf weist.

Diese Aufgabe ist durch den Winkelpositionsgeber gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.

Beim erfindungsgemäßen Winkelpositionsgeber ändert sich der Spalt zwischen dem Rotor und einem Magnetpol während des Drehzyklus der Rotorwelle. Wenn der Spalt an mindestens zwei Magnetpolen erfaßt wird, wobei der Zyklus der Spaltänderung für jeden Pol eine andere Phase aufweist, ist es möglich, die Winkelposition der Rotorwelle zu berechnen. Auch ändern sich, wenn sich die Spalte während des Drehzyklus ändern, die Induktivitätswerte der Wicklungen um den Stator während des Rotationszyklus. Demgemäß entspricht die Erkennung der Wicklungsinduktivität der Erkennung des Spalts. So kann die Winkelposition der Drehwelle auf Grundlage der erkannten Wicklungsinduktivitäten statt durch die erfaßten Spalte be rechnet werden.

Gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung wird, um die In duktivität einer Wicklung zu erkennen, zunächst eine Impuls spannung an die Wicklung angelegt, und dann wird, nachdem eine vorgegebene Zeit ab dem Start des Zuführens der Span nung verstrichen ist, der in ihr fließende elektrische Strom erfaßt. Wenn eine Spannung an eine Wicklung angelegt wird, wird in dieser ein elektrischer Strom hervorgerufen, dessen Wert aufgrund der Induktivität der Wicklung verzögert an steigt. Eine große Induktivität führt zu einem relativ lang samen Anstieg des Stroms, während eine kleine Induktivität zu einem relativ schnellen Anstieg führt. Demgemäß variiert der Wert des elektrischen Stroms in der Wicklung nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit ab dem Start des Zu führens der Spannung abhängig von der Induktivität der Wick lung. So ist es durch Erfassen der Stärke des elektrischen Stroms möglich, die Wicklungsinduktivität zu erfassen, was es weiter ermöglicht, die Winkelposition der Drehwelle auf Grundlage der erfaßten Induktivität zu berechnen, wie oben beschrieben.

Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ist es möglich, wenn die vorbestimmte Zeit T wie folgt definiert ist:

2_*Lmin/rT2_*Lmax/r,

einen Bereich zu nutzen, in dem sich der elektrische Strom bei einer Änderung der Wicklungsinduktivität deutlich än dert, d. h. einen Bereich mit einem großen Wert (dI/dL). Im Ergebnis ist es möglich, die Positionserkennung mit einem günstigen Signal/Rauschsignal(S/R)-Verhältnis auszuführen.

Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung liegt, wenn die vorbestimmte Zeit T wie folgt definiert ist:

T = 2_*Lav/r,

diese Zeit in der Mitte des vorstehend angegebenen Zeitbe reichs. Im Ergebnis kann zur Spalterkennung über den gesam ten Bereich ein stabiles S/R-Verhältnis erzielt werden.

Gemäß einer noch weiteren Erscheinungsform der Erfindung ist es möglich, ein Erkennungssignal mit höherem S/R-Verhältnis zu erzielen, wenn die Änderung der Wicklungsinduktivität auf Grundlage der Ströme erfaßt wird, die an zwei Magnetpolen erfaßt wurden, die in bezug auf die Rotorwelle einander ge genüber liegen.

Die obigen und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile wer den aus der folgenden Beschreibung des bevorzugten Ausfüh rungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm ist, das einen herkömmlichen Win kelpositionsgeber zeigt;

Fig. 2 ein Blockdiagramm ist, das ein bevorzugtes Ausfüh rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehwinkelgebers zeigt; und

Fig. 3 ein zeitbezogenes Diagramm ist, das die Funktion des bevorzugten Ausführungsbeispiels veranschaulicht.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das ein bevorzugtes Ausfüh rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Winkelpositionsgebers zeigt, wobei dieselben Elemente wie in Fig. 1 mit denselben Bezugszahlen versehen sind; eine Erläuterung zu diesen wird weggelassen. Fig. 3 ist ein zeitbezogenes Diagramm zum Er läutern der Funktion des Winkelpositionsgebers von Fig. 2.

Gemäß Fig. 2 gibt der Mikrocomputer 17 zu einem gewünschten Zeitpunkt ein Impulserregungs-Befehlssignal CP an eine Im pulserregerschaltung 22 aus. Hierbei verfügt der Drehmelder stator 1 über vier an ihm angebrachte Magnetpole mit einem gegenseitigen Intervall von 90°, und um die vier Magnetpole ist jeweils ein Draht gewickelt, um Wicklungen 24, 25, 26 und 27 zu bilden. Bei Empfang des Signals CP liefert die Im pulserregerschaltung 22 eine konstante Spannung V für eine Zeitperiode T an ein Ende der jeweiligen Wicklungen 24, 25, 26 und 27, um die Magnetpole zu erregen.

Wenn sich der Drehmelderrotor 3 dreht, ändern sich, wie beim Stand der Technik, die Spalte zwischen den vier Magnetpolen und dem Drehmelderrotor 3, wodurch sich der magnetische Wi derstand ändert. Infolge des sich ändernden magnetischen Wi derstandes ändern sich die Induktivitäten Lap, Lan, Lbp und Lbn der Wicklungen 24, 26, 27 und 25 abhängig vom Rotordreh winkel Θ, wie durch die folgende Gleichung angegeben:

Lap = Lav+K_*SIN(Θ)
Lan = Lav-K_*SIN(Θ)
Lbp = Lav+K_*COS(Θ)
Lbn = Lav-K_*COS(Θ)

wobei Lav die mittlere Induktivität der Wicklungen ist, K eine Konstante ist und Θ der Drehwinkel des Drehmelderrotors 3 ist.

Wenn der Gleichstromwiderstand einer Wicklung, einschließ lich eines zugehörigen Stromdetektorwiderstands, r ist, ist die Dauer T wie folgt definiert:

T = 2_*Lav/r.

Die anderen Enden der jeweiligen Wicklungen 24, 26, 27 und 25 sind über Stromdetektorwiderstände 18, 19, 20 und 21 ge erdet, die alle denselben Widerstandswert R aufweisen und durch die die in den jeweiligen Wicklungen fließenden Ströme in Spannungen Vap, Van, Vbp bzw. Vbn umgesetzt werden. Zwi schen den Phasen der Spannungssignale Vap und Van sowie zwi schen den Phasen der Spannungssignale Vbp und Vbn existiert eine Phasendifferenz von 180°, da die Induktivitäten der den jeweiligen Spannungssignalen entsprechenden Magnetpole eine gegenseitige Phasendifferenz von 180° aufweisen. Demgemäß ist es möglich, wenn die Spannungssignale Vap und Van an einen Differenzverstärker 28 geliefert werden, um die Diffe renz zwischen diesen zu erfassen, ein Signal zu erhalten, das die Änderung der Induktivität in der Verbindungsrichtung der Magnetpole 24 und 26 repräsentiert. Dieses Signal ist ein elektrischer Differenzstrom Sa. Die Spannungssignale Vbp und Vbn werden auf ähnliche Weise einem Differenzverstärker 29 zugeführt, so daß ein elektrischer Differenzstrom Sb er halten wird, d. h. ein Signal, das die Änderung der Induk tivität in der Verbindungsrichtung der Magnetpole 25 und 27 repräsentiert. Diese Differenzströme Sa und Sb werden A/D- Umsetzern 30 bzw. 31 zugeführt. Wenn diese ein A/D-Umset zungs-Startbefehlssignal Cs empfangen, das nach dem Ver streichen der Zeit T ab dem Start der Impulserregung von einem Timer 23 ausgegeben wird, setzen sie die zugeführten Differenzströme Sa bzw. Sb in digitale Signal Da bzw. Db um.

Die Stärke eines Wicklungsstroms ist aus der folgenden Glei chung erhältlich:

V/r_*(1-e^-r*^T/L).

In diesem Fall, in dem Lav » K gilt, sind die elektrischen Ströme, die innerhalb der jeweiligen Wicklung nach dem Ver streichen der Zeit T ab dem Start der Impulserregung schlie ßen, d. h. die elektrischen Ströme Iap, Ian, Ibp und Ibn wie folgt ausdrückbar:

Iap=V/r_*(1-e^-2 _*Lav/Lap)≈V/r_*(1-e^-2 _*e^-2 _*K_*SIN(Θ)/Lav)
Ian=V/r_*(1-e^-2 _*Lav/Lan)≈V/r_*(1-e^-2 _*e^-2 _*K_*SIN(Θ)/Lav)
Ibp=V/r_*(1-e^-2 _*Lav/Lbp)≈V/r_*(1-e^-2 _*e^-2 _*K_*COS(Θ)/Lav)
Ibp=V/r_*(1-e^-2 _*Lav/Lbn)≈V/r_*(1-e^-2 _*e^-2 _*K_*COS(Θ)/Lav).

Davon ausgehend werden die folgenden Ausdrücke erhalten:

Va=-Vap+Van=R_*(-Iap+Ian)≈4_*RV/r_*Lav_*e^-2 _*K_*SIN(Θ)
Vb=-Vbp+Vbn=R_*(-Ibp+Ibn)≈4_*RV/r_*Lav_*e^-2 _*K_*COS(Θ).

Wie es aus den obigen Ausdrücken ersichtlich ist, sind die Werte der digitalen Signale Da und Db proportional zum Sinus und Cosinus des Drehwinkels Θ des Rotors. Der Mikrocomputer 17 berechnet den Arcus tangens auf Grundlage der Werte der digitalen Signale Da und Db, um ein Drehwinkelsignal Θ aus zugeben.

Beim vorstehenden Ausführungsbeispiel sind vier Magnetpole am Stator ausgebildet, die ein gegenseitiges Intervall von 90° einhalten, und die Wicklungen um die jeweiligen Pole sind so angeschlossen, daß ihre Induktivitäten unabhängig erfaßt werden können. Jedoch besteht für die Anzahl und die Position der Magnetpole und die Weise des Anschlusses der Windungen keine Begrenzung auf das, was beim obigen Ausfüh rungsbeispiel verwendet ist. Solange mindestens zwei Induk tivitäten erfaßt werden können, die sich aufgrund der Dre hung des Rotors ändern und eine Phasendifferenz aufweisen, können die Anzahl und Position der Magnetpole und die Art des Anschlusses der Wicklungen unterschiedlich gewählt wer den. Ferner wird beim obigen Ausführungsbeispiel die Span nungsdifferenz zwischen Wicklungen der Magnetpole berechnet, die in bezug auf die Rotorwelle einander gegenüberliegen. Wenn jedoch ein einzelner Magnetpol ein Ausgangssignal mit ausreichender Linearität erzeugen kann, müssen die Pole, die bei der Berechnung herangezogen werden, kein Paar bilden. Bei dieser Anordnung ist das Bereitstellen alleine zweier Magnetpole für dieselbe Berechnung ausreichend.

Beim vorstehenden Ausführungsbeispiel ist die im Timer 23 einzustellende Zeit aus den folgenden Gründen als 2_*Lav/r definiert.

Vorausgesetzt, daß die Zeit ab dem Start der Impulserregung und die Induktivität einer Wicklung mit t bzw. L definiert sind, ist der innerhalb der Wicklung fließende elektrische Strom wie folgt ausdrückbar:

I = V/r_*(1-e^-r*^t/L).

Daher hat der unmittelbar nach dem Start (t = 0) fließende elektrische Strom I die Stärke null (I = 0), und wenn die Zeit T abläuft, nimmt er, unabhängig von der Wicklungsinduk tivität, eine Stärke nahe V/r ein. Diese Tatsache bedeutet, daß dann, wenn die Erregerspannung groß ist, nicht immer ein Effektivsignal erhalten wird.

Der Zeitpunkt t, zu dem die Änderung von L am wirkungsvoll sten aus dem Wicklungsstrom erfaßt werden kann, liegt dann vor, wenn sich der elektrische Strom I in Zusammenhang mit einer Änderung von L am deutlichsten ändert. Durch Differen zieren von I in bezug auf L wird der nächste Ausdruck erhal ten:

dI/dL = -(V_*t(L²)_*e^-r*^t/L.

Im allgemeinen führt, wenn der Wert dI/dL maximal ist, eine Differenzierung auf der rechten Seite dieses Ausdrucks in bezug auf L zu null, woraus sich der folgende Ausdruck er gibt:

V_*t/L³_*(2-r_*t/L)_*e^-r*^t/L = 0.

Gemäß diesem Ausdruck kann dann, wenn t = 2_*L/r gilt, die Änderung von L am wirkungsvollsten aus dem Wicklungsstrom I erfaßt werden.

Daher kann, wenn der Minimal- und Maximalwert der Wicklungs induktivität, die sich abhängig von der Drehung des Rotors ändern, mit Lmin bzw. Lmax definiert sind, die Änderung der Induktivität wirkungsvoll aus der Änderung des entsprechen den Wicklungsstroms erkannt werden, wenn die in einem Timer einzustellende Zeit ein beliebiger Wert ist, der jedoch dem Ausdruck 2_*Lmin/rT2_*Lmax/r genügt. Insbesondere im Fall von T = 2_*Lav/r kann, da die Zeit T in der Mitte des obenan gegebenen Bereichs liegt, eine ausgeglichene Erkennung der Wicklungsinduktivität erzielt werden.

Wie oben beschrieben, ist es beim bevorzugten Ausführungs beispiel möglich, einen Drehmelder zu einem gewünschten Zeitpunkt zur Positionserkennung mit einer Impulsspannung für eine Impulsdauer zu versehen, die ausreichend kurz im Vergleich zum Drehzyklus der Rotorwelle ist. Im Ergebnis kann die Winkelposition zu einem gewünschten Zeitpunkt mit tels eines Drehmelders erfaßt werden. Ferner ist es möglich, da die Positionserkennung nicht nur mit einer einfachen Wicklungsstruktur ausgeführt werden kann, sondern auch ein Signal mit hohem S/R-Verhältnis erzielt werden kann, einen hochzuverlässigen Winkelpositionsgeber mit niedrigen Kosten zu realisieren.

Claims

1. Winkelpositionsgeber mit:

- einem Stator (1) mit einer Anzahl Magnetpole, auf die Wicklungen (24, 25, 26, 27) gewickelt sind und die fest am Umfang eines Stators mit einem vorgegebenen gegenseitigen Intervall angebracht sind; und
- einem Rotor (3) mit solcher Form, daß sich ein Spalt zwi schen den Magnetpolen und dem Rotor ändert, wenn sich die Rotorwelle (2) dreht;

gekennzeichnet durch

- eine Erregereinrichtung (22) zum Erregen der Magnetpole durch Liefern eines Konstantspannungsimpulses an die Wick lungen für eine Impulsdauer, die im Vergleich zum Drehzyklus der Rotorwelle ausreichend kurz ist;
- eine Stromerfassungseinrichtung (17) zum Erfassen elektri scher Ströme, wie sie nach dem Verstreichen einer vorbe stimmten Zeit ab dem Start des Lieferns des Konstantspan nungsimpulses an die Wicklungen innerhalb der jeweiligen Wicklungen der jeweiligen Magnetpole fließen, wobei die Wicklungen weiterhin mit Spannung versorgt werden; und
- eine Winkelpositions-Berechnungseinrichtung (17) zum Be rechnen der Winkelposition des Rotors auf Grundlage der je weils erfaßten elektrischen Ströme.

2. Winkelpositionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die vorbestimmte Zeit T einen beliebigen Wert innerhalb des folgenden Bereichs aufweist: 2_*Lmin/rT2_*Lmax_*/r,wobei Lmin und Lmax der Minimal- bzw. der Maximalwert der Induktivitätsänderung der Wicklungen sind und r der Gleich stromwiderstand derselben ist, wobei die Induktivitätsände rung durch eine Änderung des Spalts zwischen den Magnetpolen und dem Rotor aufgrund der Drehung des Rotors hervorgerufen ist.

3. Winkelpositionsgeber nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die vorbestimmte Zeit T wie folgt gegeben ist: T = 2_*Lav/r,wobei Lav der Mittelwert der Wicklungsinduktivitäten ist.

4. Winkelpositionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Magnetpole zwei Paare von Magnetpolen (24, 26; 25, 27) umfassen, die recht winklig zueinander positioniert sind, wobei die ein jeweili ges Paar bildenden zwei Magnetpole bezogen auf die Rotorwel le einander gegenüberliegen, und daß eine Stromdifferenz- Erfassungseinrichtung (17) vorhanden ist, um die Differenz zwischen den Stärken der elektrischen Ströme zu erfassen, die innerhalb der ein jeweiliges der Paare bildenden zwei Magnetpole fließen.