DE19628286B4

DE19628286B4 - Winkelpositionsgeber mit Stator und speziell geformtem Rotor unter Verwendung von Spannungsimpulsen und Strommessungen zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE19628286B4
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: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2016-07-13
Also published as: JP3414893B2; DE19628286A1; JPH0928069A; US5708344A

Abstract

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 zwischen den Magnetpolen und dem Rotor ändert, wenn sich die Rotorwelle (2) dreht;
gekennzeichnet durch
– eine Erregereinrichtung (22) zum Erregen der Magnetpole durch Anlegen eines Konstantspannungsimpulses (VP) an die Wicklungen für eine Impulsdauer, die im Vergleich zum Drehzyklus der Rotorwelle ausreichend kurz ist;
– eine Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen elektrischer Ströme, die nach einer vorbestimmten Zeit nach dem Anlegen des Konstantspannungsimpulses (VP) in den jeweiligen Wicklungen der jeweiligen Magnetpole fließen, wobei die Wicklungen weiterhin mit Spannung versorgt werden; und
– eine Winkelpositions-Berechnungseinrichtung (17) zum Berechnen der Winkelposition des Rotors auf Grundlage der jeweils erfassten elektrischen Ströme.

Description

Die Erfindung betrifft einen Winkelpositionsgeber unter Verwendung eines Drehmelders.

1 ist ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen Winkelpositionsgeber unter Verwendung eines Drehmelders zeigt. Ein Drehmelderstator 1 besteht aus einem magnetischen Körper, wie einer Siliziumstahlplatte, mit vier Magnetpolen, die an seiner Innenseite liegen. Um die Magnetpole sind Primärdrähte gewickelt, um Primärwicklungen 4, 5, 6 und 7 zu bilden, und ferner sind Sekundärdrähte aufgewickelt, um Sekundärwicklungen 8, 9, 10 und 11 zu bilden. Die Primärwicklungen 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 Sekundärwicklungen 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 Siliziumstahlplatte, 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 Drehmelderstators 1 und des Drehmelderrotors 3, wodurch der magnetische Widerstand geändert wird. Infolge des variierenden magnetischen Widerstands geben die seriell geschalteten Sekundärwicklungen 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, wobei 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 berechnen, 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 Wicklungen führt. Darüber hinaus sind die Kosten erhöht, da infolge 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 erfassen, da die zeitliche Lage der Erfassungsmöglichkeit durch die Frequenz der Erregerschaltung bestimmt wird.

Die JP 08205502 A beschreibt einen Reluktanzresolver. Um die durch Windungen eines Motors fließenden Ströme von Temperatureinflüssen zu schützen, wird ein Verfahren beschrieben, bei dem der durch die Wicklungen fließende Strom von einem Bezugsdektor erfasst wird, wobei eine negative Rückkopplung zu einem konstanten Stromerregungsmittel verwendet wird.

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

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 berechnet werden.

Gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung wird, um die In duktivität einer Wicklung zu erkennen, zunächst eine Impulsspannung an die Wicklung angelegt, und dann wird, nachdem eine vorgegebene Zeit ab dem Start des Zuführens der Spannung 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 ansteigt. Eine große Induktivität führt zu einem relativ langsamen 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 Zuführens der Spannung abhängig von der Induktivität der Wicklung. 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: Lmin/r ≤ T ≤ Lmax/r,einen Bereich zu nutzen, in dem sich der elektrische Strom bei einer Änderung der Wicklungsinduktivität deutlich ändert, 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 = Lav/r,diese Zeit in der Mitte des vorstehend angegebenen Zeitbereichs. Im Ergebnis kann zur Spalterkennung über den gesamten 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 gegenüber liegen.

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

1 ein Blockdiagramm ist, das einen herkömmlichen Winkelpositionsgeber zeigt;

2 ein Blockdiagramm ist, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehwinkelgebers zeigt; und

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.

2 ist ein Blockdiagramm, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Winkelpositionsgebers zeigt, wobei dieselben Elemente wie in 1 mit denselben Bezugszeichen ersehen sind; eine Erläuterung zu diesen wird weggelassen. 3 ist ein zeitbezogenes Diagramm zum Erläutern der Funktion des Winkelpositionsgebers von 2.
Gemäß 2 gibt der Mikrocomputer 17 zu einem gewünschten Zeitpunkt ein Impulserregungs-Befehlssignal CP an eine Impulserregerschaltung 22 aus. Hierbei verfügt der Drehmelderstator 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 Impulserregerschaltung 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 Widerstand ändert. Infolge des sich ändernden magnetischen Widerstandes ändern sich die Induktivitäten Lap, Lan, Lbp und Lbn der Wicklungen 24, 26, 27 und 25 abhängig vom Rotordrehwinkel 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, einschließlich eines zugehörigen Stromdetektorwiderstands, r ist, ist die Dauer T wie folgt definiert: T = Lav/r.
Die anderen Enden der jeweiligen Wicklungen 24, 26, 27 und 25 sind über Stromdetektorwiderstände 18, 19, 20 und 21 geerdet, 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 zwischen 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 Differenz 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 erhalten wird, d. h. ein Signal, das die Änderung der Induktivität 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-Umsetzungs-Startbefehlssignal Cs empfangen, das nach dem Verstreichen 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 Gleichung 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 Verstreichen der Zeit T ab dem Start der Impulserregung schließen, 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 – 2·e–2·K·SIN(Θ)/Lav) Ian = V/r·(1 – e–2·Lav/Lan) ≈ V/r·(1 – e–2 – 2·e–2·K·SIN(Θ)/Lav) Ibp = V/r·(1 – e–2·Lav/Lbp) ≈ V/r·(1 – e–2 – 2·e–2·K·COS(Θ)/Lav) Ibp = V/r·(1 – e–2·Lav/Lbn) ≈ V/r·(1 – e–2 – 2·e–2·K·COS(Θ)/Lav)
Davon ausgehend werden die folgenden Ausdrücke erhalten: Va = –Vap + Van = R·(–Iap + Ian) ≈ 4·R·V/r·Lav·e–2·K·SIN(Θ) Vb = –Vbp + Vbn = R·(–Ibp + Ibn) ≈ 4·R·V/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 auszugeben.
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 Ausführungsbeispiel verwendet ist. Solange mindestens zwei Induktivitäten erfaßt werden können, die sich aufgrund der Drehung des Rotors ändern und eine Phasendifferenz aufweisen, können die Anzahl und Position der Magnetpole und die Art des Anschlusses der Wicklungen unterschiedlich gewählt werden. Ferner wird beim obigen Ausführungsbeispiel die Spannungsdifferenz 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 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 Wicklungsinduktivität, 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 wirkungsvollsten 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 Differenzieren von I in bezug auf L wird der nächste Ausdruck erhalten: 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 t zu null, woraus sich der folgende Ausdruck ergibt. V·t/L2·(r·t/L – 1)·e–r·t/L = 0.
Gemäß diesem Ausdruck kann dann, wenn t = L/r gilt, die Änderung von L am wirkungsvollsten aus dem Wicklungsstrom I erfaßt werden.
Daher kann, wenn der Minimal- und Maximalwert der Wicklungsinduktivität, die sich abhängig von der Drehung des Rotors ändern, mit Lmin bzw. Lmax definiert sind, die Änderung der Induktivität wirkungsvoll aus der Änderung des entsprechenden Wicklungsstroms erkannt werden, wenn die in einem Timer einzustellende Zeit ein beliebiger Wert ist, der jedoch dem Ausdruck Lmin/r ≤ T ≤ Lmax/r genügt. Insbesondere im Fall von T = Lav/r kann, da die Zeit T in der Mitte des obenangegebenen Bereichs liegt, eine ausgeglichene Erkennung der Wicklungsinduktivität erzielt werden.
Wie oben beschrieben, ist es beim bevorzugten Ausführungsbeispiel 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 mittels 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

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 zwischen den Magnetpolen und dem Rotor ändert, wenn sich die Rotorwelle (2) dreht; gekennzeichnet durch – eine Erregereinrichtung (22) zum Erregen der Magnetpole durch Anlegen eines Konstantspannungsimpulses (VP) an die Wicklungen für eine Impulsdauer, die im Vergleich zum Drehzyklus der Rotorwelle ausreichend kurz ist; – eine Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen elektrischer Ströme, die nach einer vorbestimmten Zeit nach dem Anlegen des Konstantspannungsimpulses (VP) in den jeweiligen Wicklungen der jeweiligen Magnetpole fließen, wobei die Wicklungen weiterhin mit Spannung versorgt werden; und – eine Winkelpositions-Berechnungseinrichtung (17) zum Berechnen der Winkelposition des Rotors auf Grundlage der jeweils erfassten elektrischen Ströme.
Winkelpositionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeit T einen beliebigen Wert innerhalb des folgenden Bereichs aufweist: Lmin/r ≤ T ≤ Lmax/r, wobei Lmin und Lmax der Minimal- bzw. der Maximalwert der Änderung der Induktivität der Wicklungen sind und r der Gleichstromwiderstand derselben ist, wobei die Änderung der Induktivität durch eine Änderung des Spalts zwischen den Magnetpolen und dem Rotor aufgrund der Drehung des Rotors hervorgerufen ist.
Winkelpositionsgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeit T wie folgt gegeben ist: T = Lav/r, wobei Lav der Mittelwert der Wicklungsinduktivitäten ist.
Winkelpositionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Magnetpole zwei Paare von Magnetpolen (24, 26; 25, 27) sind, die rechtwinklig zueinander positioniert sind, wobei die ein jeweiliges Paar bildenden zwei Magnetpole bezogen auf die Rotorwelle einander gegenüberliegen, und dass eine Stromdifferenz-Erfassungseinrichtung vorhanden ist, um die Differenz zwischen den Stärken der elektrischen Ströme zu erfassen, die innerhalb der Wicklungen der ein jeweiliges der Paare bildenden zwei Magnetpole fliessen.