DE19902736A1 - Elektronischer Umdrehungszähler - Google Patents

Abstract

Bei einem elektronischen Umdrehungszähler werden zur Eliminierung von fehlerhaften Schaltimpulsen durch äußere Schockeinwirkungen zwei Paare von Umschaltern (1, 1'; 2, 2') verwendet, deren Kontaktzungen und Kontakte so angeordnet sind, daß die Kontaktzungen (1.3, 1.3') der Umschalter (1, 1') des ersten Umschaltpaares und die Kontaktzungen (2.3, 2.3') der Umschalter (2, 2') des zweiten Umschalterpaares sich jeweils in entgegengesetzter Richtung bewegen und an jeweils unterschiedlichen Kontakten (1.2, 1.1' und 2.2, 2.1' bzw. 1.1, 1.2' und 2.1, 2.2') anliegen, um die Schaltung mit Zählimpulsen zu versorgen.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Umdrehungszähler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Anlagen- und Apparatebau müssen Bauteile häufig sich wie­ derholende Bewegungen ausführen und dabei bestimmte Positio­ nen anfahren. Die kostengünstigste Lösung zur Positionsbe­ stimmung besteht darin, die Umdrehungen des Antriebsmotors des jeweiligen Bauteiles zu zählen und mit einem Sollwert zu vergleichen.

Beim Zählen der Umdrehungen ist dafür Sorge zu tragen, daß die jeweilige Positionsangabe nicht flüchtig ist, d. h. auch nach Abschalten der Energieversorgung (Stillstand nach Ar­ beitsende oder während der Betriebsferien) nicht verloren geht.

Eine weitverbreitete Lösung besteht in einer mechanischen Speicherung der Information mit Hilfe eines vielstufigen Ge­ triebes, bei dem jeder Getriebestufe ein bestimmter Zählwert zugeordnet wird. Nach Einschalten der Energieversorgung läßt sich der aktuelle Zählerstand ablesen. Bei hochtourigen An­ trieben ist diese mechanische Lösung weniger vorteilhaft, da zumindest die erste Stufe der mechanischen Untersetzung einem hohen Verschleiß unterliegen kann. Entsprechende Verschleiß­ probleme lassen sich dadurch vermeiden, daß man die Umdrehun­ gen elektronisch erfaßt und speichert. Dies geschieht bei einem aus der EP 0 550 794 B1 bekannten Umdrehungszähler da­ durch, daß zwei Aufnehmer vorhanden sind, aus deren zeitli­ cher Reihenfolge des Ansprechens die Drehrichtung bestimmt wird, und daß ein elektronischer Zähler jeweils herauf- oder heruntergesetzt wird. Der Zählerstand kann dann gelesen und weiterverarbeitet werden.

Der elektronische Zähler muß seine Information auch nach Ab­ schalten der Energieversorgung der Anlage über längere Zeit speichern, dies bedeutet, daß der Energieverbrauch der gesam­ ten Zählschaltung so klein wie möglich gehalten werden muß, damit eine Batterie oder ein Kondensator als Energiequelle ausreicht. Bei dem bekannten Umdrehungszähler liegen mecha­ nisch schließende Schaltelemente in Reihe mit sehr hochohmi­ gen Widerständen an der Batteriespannung. Beim Schließen der Schaltelemente erhält die elektronische Auswerteschaltung Low-Signale und beim Öffnen der Schaltelemente über die hoch­ ohmigen Widerstände High-Signale. Damit die Eingänge der elektronischen Schaltung nicht zu störempfindlich werden, sind dem Widerstandswert Grenzen gesetzt. Andererseits stel­ len diese Widerstände eine Belastung für die Batterie oder den Kondensator dar, wenn die Schaltelemente geschlossen sind. Abgesehen hiervon bildet bei dem bekannten Gerät eine gewisse Gefahr, daß im praktischen Einsatz unter dem Einfluß von Schock oder Vibration ein Schaltelement oder auch beide kurzfristig schließen oder öffnen. Hierdurch können fehler­ hafte Zählimpulse ausgelöst werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen schockresi­ stenten elektronischen Umdrehungszähler zu schaffen, dessen Schaltelemente die Drehrichtung und die Anzahl der Umdrehun­ gen ohne Belastung der Stromversorgung erfassen. Diese Aufga­ be wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Umdrehungszähler kommen zwei magne­ tisch betätigte Umschalter zum Einsatz, deren einer Kontakt jeweils mit Masse und deren anderer Kontakt jeweils mit der Batterie oder dem Kondensator verbunden ist. Der Umschaltkon­ takt legt somit je nach Schaltstellung Masse (Low-Potential) oder die Batteriespannung (High-Potential) an den jeweiligen Eingang der nachfolgenden elektronischen Schaltung. Da die Leitungen zu den Eingängen in beiden Schaltstellungen an ei­ nem sehr niederohmigen Potential liegen, ist die Empfindlich­ keit gegen elektromagnetische Störungen beseitigt. Als beson­ ders vorteilhaft erweist es sich, wenn jedem Umschalter je­ weils eine Entprellschaltung zugeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, daß auch für den kurzen Augenblick des Umschaltens vorübergehend das Potential des Umschaltkontakts festgehalten wird, bis der Umschaltkontakt seine neue Position erreicht hat.

Eine besonders große Unempfindlichkeit gegen Vibration oder Stoß wird dadurch erreicht, daß die beiden Umschalter jeweils durch einen weiteren Umschalter zu einem Umschalter-Paar er­ weitert werden, wobei die Umschalter mechanisch so zueinander orientiert sind, daß sich ihre Umschaltkontakte jeweils in entgegengesetzter Position befinden. Bei einem Schock wird folglich jeweils ein Umschaltkontakt in seiner Lage festge­ halten, während der andere unter dem Einfluß des Schocks mög­ licherweise öffnet, oder sogar umschaltet. Durch eine geeig­ nete, in Hardware oder Software realisierte Logikschaltung läßt sich sicherstellen, daß sich nur dann ihr Ausgangszu­ stand ändert, wenn beide Umschaltkontakte eines Paares ge­ meinsam umschalten. Schaltet nur einer der Kontakte um, so ändert die Logikschaltung ihren Zustand am Ausgang nicht.

Auf der Basis der durch die erfindungsgemäße Anordnung gewon­ nenen Impulse werden nach bekannten Verfahren Signale zum Herauf- oder Herabsetzen eines elektronischen Zählers er­ zeugt. Der Zählerstand kann dann in üblicher Weise gelesen werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung und die elektronische Auswer­ tung verbrauchen im Ruhezustand, wenn keiner der Umschaltkon­ takte seine Position ändert, nur wenig Strom. Will man den Stromverbrauch auf ein Minimum begrenzen, so empfiehlt es sich, nur noch den eigentlichen Zähler zum Aufrechterhalten des Zählerstandes mit Energie zu versorgen und die restliche Schaltung komplett von der Energieversorgung abzutrennen. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß jeder Umschalter in einer Spule angeordnet ist, die in Abhängigkeit von den die Umschalter beaufschlagenden Magnetfeldänderungen Spannungsim­ pulse zur Aktivierung der Schaltung liefert.

Wenn sich bei Drehung der zu erfassenden Welle das Magnetfeld ändert, das die Umschalter durchsetzt, so wechseln ab einer bestimmten Größe des Magnetfeldes die Umschaltkontakte schlagartig ihre Schaltposition. Diese Bewegung führt zu ei­ ner abrupten Änderung des Magnetfeldes, was in der das jewei­ lige Umschalterpaar umgebenden Spule zu einem Spannungsimpuls führt, mit dessen Hilfe die elektronische Schaltung aus ihrem "Ruhezustand" in den aktiven Zustand zurückgesetzt werden kann. Nachdem die neue Position der Umschaltkontakte und da­ mit die Drehung der zu messenden Welle erfaßt ist, kehrt die Schaltung in den "Ruhezustand" zurück, sofern sie nicht durch weitere Spannungsimpulse im aktiven Zustand gehalten wird.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnungen erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip der erfindungsgemäßen Lösung,

Fig. 2 das Prinzip der Impulsgewinnung und

Fig. 3 die vollständige erfindungsgemäße Lösung.

In Fig. 1 liegen die Umschalter 1 und 2 mit einem ihrer Kon­ takte 1.1. bzw. 2.1 gemeinsam an einer Versorgungsspannung U_B. Der jeweils andere Kontakt 1.2 bzw. 2.2. liegt an Masse. Zwei Kontaktzungen 1.3 bzw. 2.3. liegen in der gezeichneten Stel­ lung jeweils an Masse. Die Kontaktzungen werden durch ein Magnetfeld, das von der umlaufenden Welle moduliert wird, in die jeweils andere Stellung gebracht. Handelt es sich vor­ teilhafterweise um einen monostabilen Umschalter, so kehren die Kontaktzungen in ihre stabile Position zurück, wenn das Magnetfeld einen gewissen Minimalwert unterschritten hat. Die Modulation des Magnetfeldes kann dadurch erfolgen, daß ein Magnet mit der zu messenden Welle umläuft oder daß ein den Umschaltern ortsfest zugeordnetes Magnetfeld von einer mit der Welle umlaufenden Blende periodisch abgeschattet wird.

Die Kontaktzunge 1.3 ist mit der Entprellschaltung 3 und die Kontaktzunge 2.3 mit der Entprellschaltung 4 verbunden. Jede Schaltung besteht aus einem nicht-invertierenden CMOS-Gatter 3.1. bzw. 4.1. und einem Rückkopplungs-Widerstand 3.2. bzw. 4.2, der den Ausgang des Gatters jeweils mit dem Eingang ver­ bindet. Am Ausgang 5 bzw. 6 erscheint das von der Kontaktzun­ ge 1.3 bzw. 2.3. jeweils abgegriffene Potential, in der dar­ gestellten Stellung der Kontaktzungen Masse. In der oberen Position wäre es das Plus-Potential der Versorgungsspannung U_B. Wenn die Kontaktzungen 1.3 bzw. 2.3. von den Kontakten 1.2 bzw. 2.2 oder 1.1 bzw. 2.1 wegen Prellens oder Umschaltens abheben, so bleibt am Ausgang 5 bzw. 6 das Potential der Kon­ taktzunge 1.3 bzw. 2.3, das vor dem Abheben bestand, so lange erhalten, bis die Kontaktzunge den anderen Kontakt erstmals berührt.

Die aus den Umschaltern 1 und 2 und den Entprellschaltungen 3 und 4 bestehende Anordnung arbeitet praktisch verlustfrei, da die Rückkopplungs-Widerstände 3.2 und 4.2 im Ruhezustand der Anordnung, wenn also die Umschalter 1 bzw. 2 ihre Schaltposi­ tion nicht ändern, stromlos sind. Sie ist gegen elektromagne­ tische Störungen unempfindlich, da die hochohmigen und damit störempfindlichen Eingänge der Gatter 3.1 bzw. 4.1 entweder an Masse oder an der niederohmigen Versorgungsspannung U_B lie­ gen und sie ist wegen der Entprellschaltung unempfindlich gegen normale Vibrationen oder Schock. Die Entprellschaltung kann bei gleicher Funktion auch durch andere Hardware- Lösungen realisiert werden. Wird das Potential der Kontakt­ zungen 1.3 bzw. 2.3 einem Prozessor zur Weiterverarbeitung übergeben, so kann die Entprellung auch durch eine Software realisiert werden, die das rückgekoppelte Gatter nachbildet.

Die an den Ausgängen 5 bzw. 6 der Entprellschaltungen 3 bzw. 4 auftretenden, von den Umschaltern 1 bzw. 2 abhängenden Si­ gnale werden in an sich bekannter Weise in einer aus Hard- oder Software bestehenden Anordnung 10 weiterverarbeitet und über die Leitung 11 einer elektronischen Auswertung zugeführt.

Bei Antrieben, die mit einer Bremse ausgestattet sind, können beim Einfallen der Bremse so hohe Schocks auftreten, daß die Umschaltzungen 1.3 bzw. 2.3 kurzfristig die bisherige Schalt­ stellung verlassen und die andere Schaltstellung einnehmen. Fehlerhafte Zählimpulse sind die Folge. Mit der Anordnung in Fig. 3 wird dies verhindert. Der Umschalter 1 ist durch einen Umschalter 1' und der Umschalter 2 durch den Umschalter 2' ergänzt, wobei die Kontakte 1.1 und 1.2' sowie die Kontakte 2.1 und 2.2' miteinander und mit dem einen Pol der Stromver­ sorgung U_B verbunden sind, während die jeweils anderen Kontak­ te 1.2 und 1.1' sowie 2.2 und 2.1' ebenfalls miteinander und mit Masse bzw. dem anderen Pol der Stromversorgung U_B verbun­ den sind. Umschalter 1 und 1' bzw. 2 und 2' sind mechanisch so angeordnet, daß bei einer vorzugsweisen Verwendung von monostabilen Umschaltern die Kontaktzungen 1.3 und 1.3' bzw. 2.3 und 2.3' näherungsweise zeitgleich vom Magnetfeld betä­ tigt werden, und zwar in entgegengesetzter Richtung, wie in Fig. 3 dargestellt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß bei einem Schock aus Richtung 7 oder 7' jeweils eine der Kontakt­ zungen 1.3 oder 1.3' bzw. 2.3 oder 2.3' in ihrer momentanen Lage bestätigt wird, wohingegen es möglich ist, daß die je­ weils andere Kontaktzunge unter dem Einfluß des Schocks ihre momentane Lage verläßt und vorübergehend in die andere Kon­ taktstellung umschaltet.

Im normalen Betrieb, wenn sich die Kontaktzungen 1.3 und 1.3' bzw. 2.3 und 2.3' näherungsweise gleichzeitig, aber in entge­ gengesetzter Richtung bewegen, treten an den Ausgängen 5 und 5' bzw. 6 und 6' der Entprellschaltungen 3 und 3' bzw. 4 und 4' die identischen Logikpegel low (entspricht Masse) und high (entspricht Pluspotential der Stromversorgung U_B) auf. Wenn jedoch die Kontaktzungen 1.3 oder 1.3' bzw. 2.3 oder 2.3' unter dem Einfluß von Schock unterschiedliche Schaltstellun­ gen einnehmen, so treten an den Ausgängen 5 und 5' bzw. 6 und 6' voneinander abweichende Logikpegel auf.

Die nachfolgende Logikschaltung 8 bzw. 8' sorgt dafür, daß ihr Ausgang 9 bzw. 9' nur dann seinen Logikpegel ändert, wenn sich die Logikpegel ihrer Eingänge 5 und 5' bzw. 6 und 6' gemeinsam geändert haben, ändert nur einer der Eingänge 5 oder 5' bzw. 6 oder 6' seinen Logikpegel, so ändert sich der Logikpegel des Ausgangs 9 bzw. 9' nicht.

Die Logikschaltung 8 und 8' kann aus Zweifach-NAND-Gattern 8.1, 8.2 und 8.3 bzw. 8.1', 8.2' und 8.3' mit nachfolgendem Dreifach-NAND-Gatter 8.4 bzw. 8.4' aufgebaut sein. Es sind auch andere Hard- und Software-Lösungen möglich, die die o. g. Verknüpfungsbedingung erfüllen.

Die Signale 9 und 9' gelangen, wie bereits beschrieben; an die Schaltung 10 mit der Drehrichtungs-Erkennung, Zählung und Speicherung. Das Auslesen des aktuellen Zählerstandes erfolgt über eine Leitung 11.

Wenn die gesamte Schaltung mit hochintegrierten Schaltkreisen oder einem speziellen Mikroprozessor aufgebaut wird, ist der Stromverbrauch in der Ruhe- oder Speicherstellung, wenn also keine der Kontaktzungen 1.3, 1.3' oder 2.3, 2.3' ihre Posi­ tion ändert, sehr klein. Er läßt sich auf das absolute Mini­ mum verringern, wenn nur noch der eigentliche Speicher mit Strom versorgt wird, während die restliche Schaltung von der Stromversorgung U_B, in diesem Fall eine Batterie, abgetrennt wird. Wenn jedoch eine der Umschaltzungen ihren Logikpegel ändert, muß die Schaltung wieder vollständig mit Strom ver­ sorgt werden. Diese Aufgabe übernimmt eine Schaltung 12.

Die Umschalterpaare 1, 1' bzw. 2, 2' sind jeweils von einer Wicklung 12 bzw. 12' umgeben, wie in Fig. 2 dargestellt. Wenn eine oder beide Umschaltzungen 1.3 und 1.3' bzw. 2.3 und 2.3' schalten, was aufgrund des Reluktanzeffekts schlagartig er­ folgt, so ändert sich auch das die Umschalter 1 und 1' bzw. 2 und 2' durchsetzende Magnetfeld 13, 13' schlagartig. Dies ruft in der Wicklung 12 bzw. 12' einen Spannungsimpuls her­ vor, den die Schaltung 12 auswertet mit der Folge, daß über die Leitungen 14, 15 und 16 die nicht zur eigentlichen Spei­ cherung erforderlichen Schaltungsteile an Strom gelegt wer­ den. Die Leitung 17 mit dem Speicher wird ständig mit Strom versorgt. Die Schaltung 12 bleibt solange aktiv, wie die Kon­ taktzungen 1.3, 1.3', 2.3 und 2.3' ihren Schaltzustand än­ dern. Anschließend kehrt sie in den stromsparenden Zustand zurück und verharrt dort bis zur nächsten Änderung.

Claims (7)

1. Elektronischer Umdrehungszähler für Antriebsmotore von Arbeitsgeräten mit einer Schaltung zum Erfassen der Umdrehun­ gen und der Drehrichtung einer Geberwelle sowie mit einer drehrichtungsabhängigen Zähleinheit, die die Umdrehungen zwecks Anzeige eines jeweils aktuellen Summenwertes addiert bzw. subtrahiert, wobei zur Stromversorgung der Schaltung bei einer Unterbrechung einer normalerweise genutzten externen Stromversorgung eine Hilfsstromquelle vorgesehen ist, und wobei zur Erzeugung von den Umdrehungszahlen entsprechenden Impulsen mindestens zwei in Drehrichtung der Geberwelle zu­ einander versetzt angeordnete, durch ein mit der Drehung der Geberwelle sich änderndes Magnetfeld betätigte Schaltelemente dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente von Umschaltern (1, 2) gebildet werden, deren jeweils erster Kon­ takt (1.1, 2.1) mit der Stromversorgung bzw. Hilfsstromquel­ le (U_B) in Verbindung steht, während ihr jeweils zweiter Kon­ takt (1.2, 2.2) als Massekontakt ausgebildet ist, wobei die Kontaktzungen (1.3, 2.3) der Umschalter (1, 2) bei jeder Um­ drehung abwechselnd jeweils am ersten Kontakt (1.1, 2.1) und am zweiten Kontakt (1.2, 2.2) zur Anlage kommen, um die Schaltung mit Zählimpulsen zu versorgen.

2. Umdrehungszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Umschalter (1, 2) jeweils eine Entprellschaltung (3 bzw. 4) zugeordnet ist.

3. Umdrehungszähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entprellschaltungen (3 bzw. 4) aus jeweils einem nicht-invertierenden Gatter (3.1 bzw. 4.1) und jeweils einem Rückkopplungswiderstand (3.2 bzw. 4.2) bestehen, der das Gat­ ter (3.1 bzw. 4.1) überbrückt.

4. Umdrehungszähler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Paare von Umschal­ tern (1, 1' und 2, 2') aufweist, deren Kontakte (1.1, 1.2') und (2.1, 2.2') bzw. (1.2, 1.1') und (2.2, 2.1') jeweils miteinander und mit jeweils einem Pol der Spannungsversorgung (U_B) verbunden sind.

5. Umdrehungszähler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktzungen (1.3, 1.3') der Umschalter (1, 1') des ersten Umschalterpaares und die Kontaktzungen (2.3, 2.3') der Umschalter (2, 2') des zweiten Umschalterpaares sich jeweils in entgegengesetzter Richtung bewegen und an jeweils unter­ schiedlichen Kontakten (1.2, 1.1' und 2.2, 2.1' bzw. 1.1, 1.2' und 2.1, 2.2') anliegen.

6. Umdrehungszähler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Umschalterpaar eine Logikschaltung (8, 8') zuge­ ordnet ist, die ihren Ausgangszustand zum Zwecke der Weiter­ gabe eines Zählimpulses nur dann ändert, wenn jeweils beide Umschalter (1, 1' bzw. 2, 2') eines Umschalterpaares gemein­ sam umschalten.

7. Umdrehungszähler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Umschalter (1, 1', 2, 2') in einer Spule (12, 12') angeordnet ist, die in Abhän­ gigkeit von den die Umschalter (1, 1'; 2, 2') beaufschlagen­ den Magnetfeldänderungen Spannungsimpulse zur Aktivierung der Schaltung liefert.