DE2252159C3

DE2252159C3 - Schaltungsanordnung zum Bestimmen der Drehzahl und der Drehrichtung einer Welle

Info

Publication number: DE2252159C3
Application number: DE19722252159
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. 6830 Schwetzingen Klotz; Joachim Dr.-Ing. 6921 Moenchzell Rogge
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1972-10-25
Filing date: 1972-10-25
Publication date: 1980-08-14
Also published as: DE2252159A1; DE2252159B2

Description

Die Erfindung bezieht sich gemäß Oberbegriff des ersten Patentanspruchs auf eine aus der DE-OS 2004887 bekannte Schaltungsanordnung zum Be-

■20 stimmen der Drehzahl und der Drehrichtung einer Welle. Die bekannte Schaltungsanordnung enthält einen mit der Welle verbundenen Signalgeber mit mechanischen Kontakten sowie eine Auswerteschaltung. Beim Drehen der Welle entstehen an drei Ausgängen des Signalgebers impulsförmige Signale, deren zeitliche Reihenfolge von der jeweiligen Drehrichtung abhängt. Mittels der nachgeschalteten Auswerteschaltung verden entsprechend der Drehrichtung auf einer ersten oder zweiten Ausgangsleitung der Drehzahl

jo entsprechende Signale abgegeben. Diese Schaltungsanordnung weist infolge der Abnutzung der mechanischen Kontakte eine nicht zu vernachlässigende Störanfälligkeit auf, wobei die Auswerteschaltung einen erheblichen Schaltungsaufwand erfordert.

Aus der DE-OS 2020586 ist eine Schaltungsanordnung mit einem fotoelektrischen Signalgeber bekannt, welcher mit einer Welle verbunden ist, deren Drehzahl und Drehrichtung gemessen werden soll. Hierbei werden mittels des Signalgebers einerseits eine Taktimpulsfolge und andererseits zwei Steuerimpulsfolgen gebildet. Die nachgeüchaltete Auswerteschaltung enthält Verzögerungsgheder sowie Gatter, um je nach Drehrichtungwahlweise auf dereinen oder anderen Ausgangsleitung eine der Drehzahl entsprechende Impulsfolge abzugeben. Diese Schaltungsanordnung ist im besonderen Maße durch Verschmutzung oder Störungen der fotoelektrischen Abtastelemente des Signalgebers gefährdet.

Aus der DE-OS 1 438094 ist ein Diskriminator für

to mechanische Bewegungsrichtungen bekannt, welcher einen elektromagnetischen Signalgeber enthält. Ein derartiger Signalgeber setzt eine vergleichsweise hohe Drehgeschwindigkeit der Welle voraus, damit die erzeugten Impulse eine ausreichende Amplitude und

M Flankensteilheit aufweisen. Erst dann kann die notwendige Bestimmung der Phasenlage mittels Triggerstufen und Kippstufen erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand eine Schaltungsanordnung der ge-

bo nannten Art /u schaffen, welche eine geringe Störanfälligkeit aufweist und auch bei niedrigen Drehzahlen Signale entsprechend der Drehzahl und der Drehrichtung der Welle liefert.

Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentan-

>-> spruch angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung zeichnet sich durch einen einfachen und störsicheren Aufbau aus und ermöglicht den Einsatz eines einfachen und robusten induktiven Signal-

gebers, dessen Ausgangs-Signalspannungen nur über zwei Leitungen zur Auswerteschaltung geleitet werden müssen. Die analogen Signalspannungen des Signalgebers werden mittels der Ausweiteschaltung in einfacher Weise in impulsförmige Signale umgewandelt, aus deren zeitlicher Reihenfolge dann digital die Drehrichtung und Drehzahl der Welle bestimmt werden.

Die Schaltungsanordnung ist für den Einsatz in einem großen Temperaturbereich geeignet, da lediglich die Phasenlage der Signalspannungen sensiert wird, wobei Amplitudenänderungen in einem weiten Bereich unerheblich sind. Die Auswerteschaltung erfordert keinen besonderen Aufwand, so daß insgesmt eine kostengünstige Schaltungsanordnung geschaffen ist. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Bezugsspannung mittels eines Phasenschiebergliedes derart zu verschieben, daß eine um näherungsweise π/2 verschobene Rechteckspannung gebildet wird. Auf diese Weise wird die Störsicherheit der Schaltungsanordnung wesentlich verbessert.

Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeipsiel mit einem induktiven Signalgeber, welcher zwei Primär- und zwei Sekundärwicklungen aufweist,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm bei einer ersten Stellung des Gebers gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Impulsdiagramm für eine Umdrehung des Rotors, so

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für einen induktiven Geber.

In Fig. 1 sind von einem induktiven Signalgeber die gegeneinander geschalteten Primärwicklungen 1 und 2 dargestellt. Weiterhin sind zwei parallel ge- 3^Γι schaltete Sekundärwicklungen 4 und 5 mit den Ausgängen 6 und 7 vorgesehen. Die genannten Wicklungen sind auf dem Umfang des Stators (nicht dargestellt) vom Signalgeber derart angeordnet, daß bei einer Umdrehung des Rotors 3, welcher beispiels- -to weise als Eisenkern ausgebildet ist, nacheinander jede Primärwicklung mit den Sekundärwicklungen über den Rotor 3 gekoppelt werden. So ist beispielsweise in der dargestellten Stellung 1 des Rotors 3 die Primärwicklung 1 mit der Sekundärwicklng 4 gekoppelt. 4^ri An dem Ausgang 6 tritt dabei eine Signalspannung auf, welche mit der an der Eingangsklemme 8 angelegten Wechselspannung U mit einer Frequenz von beispielsweise 400 Hz in Phase liegt. Befindet sich der Rotor in der gestrichelt eingezeichneten Stellung II, w welche etwa einer Umdrehung der Welle und des Rotors um etwa 90° entspricht, so ist die Spannung am Ausgang 6 zur Eingangsspannung LJ gegenphasig.

Mit den Ausgängen 6 und 7 des Signalgebers sind Impulsformerstufen 10 und 11 der digitalen Auswer- η teschaltung verbunden. Die genannten Impulsformerstufen bilden aus den positiven Halbwellen der Signalspannungen in bekannter Weise Rechteckimpulse. Ein weiterer Impulsformer 13 ist über einen Kondensator 12 mit der Eineangsklemme 8 verbun- t,o den. Mit diesem Kondr *j.:·..r 12 wird erreicht, daß die am Ausgang b des Impulsformers 13 auftretende Rechteckspannung gegenüber der Eingangsspannung um etwa π/2 verschoben ist. Dem Impulsformer 13 ist ein Kippglied 15 und über einen Inverter 16 ein t>5 weiteres Kippglied 17 nachgeschaltet. Die Kippglieder 15 und 17 können beispielsweise als bekannte Monoflops ausgebildet sein, welche bei Auftreten der positiven Anstiegsflanke der anliegenden Rechteckimpulse einen Nadelimpuls erzeugen. Ein Nadeiimpuls an dem Ausgang c tritt somit dann auf, wenn die Bezugsspannung U etwa ein Maximum der positiven Halbwelle aufweist, während am Ausgang d ein Nadelimpuls auftritt, wenn die Bezugsspannung LJ ein Maximum der negativen Halbwelle aufweist. Diese Spannungsverläufe sind in der Fig. ? dargestellt, wobei die Bezeichnungen der einzelnen Spannungen mit den in Fig. 1 gewählten Bezeichnungen (kleine Buchstaben) für die entsprechenden Punkte der Schaltung übereinstimmen.

Die Ausgänge der Impulsformer 10, 11 und der Kippglieder 15 und 17 sind mit drei NAND-Gattern 20,21,22 verbunden, wobei jeweils ein Ausgang eines Impulsformers mit einem Ausgang eines Kippgliedes logisch verknüpft wird.

Es ist weiterhin eine bistabile Kippstufe 23 vorgesehen, welche mit den Ausgängen der beiden NAND-Gatter 20, 21 verbunden ist. Das NAND-Gatter 22 ist über einen Inverter 24 mit zwei weiteren NAND-Gattern 25, 26 verbunden, welche der bistabilen Kippstufe 23 nachgeschaltet sind. Mit den genannten NAND-Gattern 25. 26 ist eine weitere bistabile Kippstufe 27 verbunden, an deren Ausgang 28 ein Signal entsprechend der jeweiligen Drehrichtung auftritt, wie nachfolgend noch beschrieben wird.

In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf von an den Punkten α bis /der Schaltung gemäß Fig. 1 aufgezeichnet. Fig. 2a zeigt den Verlauf der sinusförmigen Eingangsspannung LJ, welche beispielsweise eine Frequenz von 400 Hz aufweist. Aus dieser Spannung werden mittels des Kondensators 12 und des Impulsformers 13die Rechteckimpulse gemäß Fig. 2b abgeleitet. Aus den positiven Anstiegsflanken werden miitels des Kippgliedes 15 Nadelimpulse gemäß Fig. 2c abgeleitet. Infolge der durch den Kondensator 12 erreichten Phasenverschiebung der Rechteckimpulse gegenüber der Eingangsspannung LJ um etwa π/2 wird erreicht, daß die genannten Nadelimpulse immer dann auftreten, wenn die Amplitude der Eingangsspannung etwa ihr Maximum erreicht hat. Mit e_t ist die Spannung am Ausgang e des Impulsformers 10 bezeichnet. Diese Spannung tritt dann auf, wenn der Rotor 3 entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Lage I die Wicklungen 1 und 4 miteinander koppelt. Die am Ausgang 6 des Impulsgebers anliegende Signalspannung (gestrichelt dargestellt; ist in Phase mit der Eingangsspannung. Hat der Rotor 3 nach einer Drehung um etwa 90° die in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Stellung II eingenommen, so sind die Wicklungen 2 und 4 miteinander gekoppelt. Da nun die Spannung am Ausgang 6 gegenüber der Eingangsspannung um π phasenverschoben ist, sind die Reckteckimpulse C₁₁ ebenfalls gegenüber der Eingangsspannung pha senverschoben. In der gleichen Weise werden am Ausgang / entsprechende Rechteckimpulse /,„ erzeugt, wenn der Rotor die Stellung III nach einer weiteren Drehung von 90° einnimmt. Aus Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die Nadelimpulse immer in der Mitte der entsprechenden an den Punkten e und / auftretenden Rechteckimpulse liegen.

In Fig. 3 sind die Spannungen g, h, i an den Ausgänger, der Gatter 20, 21, 22 aufgetragen, wobei der Winkel <p=360° einer ganzen Umdrehung des Rotors entspricht. Befindet sich der Rotor in Stellung I, so treten an Punkt e — wie bereits beschrieben —

die Rechteckspannungen e, auf. Die logische Verknüpfung der Spannungen c und e, über das NAND-Gatter 20 ergibt somit am Ausgang g des genannten Gatters für jeden Nadelimpuls gemäß Fig. 2c ein »O«-Signal. Der Einfachheit halber ist in Fig. 3g nur ein einziges »O«-Signal dargestellt. Nach einer Drehung des Rotors um etwa 90° entstehen am Ausgang h des Gatters 21-ebenfalls »O«-Signale, da dieses Gatter die Spannungen d und e_n miteinander verknüpft. In der gleichen Weise entstehen am Ausgang ι des Gatters 22 »O«-Signale, wenn der Rotor um weitere 90° gedreht wurde. Bei einer Umdrehung des Rotors in der oben angegebenen Richtung treten somit nacheinander die Signale g, h, i auf.

Da, wie oben beschrieben, jeder Rotorstellung eine Signalgruppe an den Ausgängen g, h, i der NAND-Gatter zugeordnet ist. ändert sich bei einer Umkehrung der Drehrichtung des Rotors auch die zeitliche Reihenfolge der Signale an den genannten Ausgängen. Es treten für die entgegengesetzte Drehrichtung somit die Signale in der Reihenfolge h, i, g nacheinander auf.

Bei Auftreten des ersten »O«-Signals am Ausgang g erscheint am Ausgang 30 der bistabilen Kippstufe 23 ein »1 «-Signal. Die weiteren »1 «-Signale am Ausgang g ändern den Zustand der genannten Kippstufe 23 nicht. Erst beim Auftreten eines »0«-Signals am Ausgang h ändert den Zustand der bistabilen Kippstufe 23 derart, daß am Ausgang 30 ein »0«-Signal und am Ausgang 31 ein »1 «-Signal entsteht. Beim Auftreten eines »(!«-Signals am Ausgang g wird über den Inverter 24 und die NAND-Gatter 25, 26 der Zustand der bistabilen Kippstufe 23 auf die bistabile Kippstufe 27 übertragen. Am Ausgang 28 der genannten Kippstufe 27 erscheint somit ein »0«-Signal, welches für die oben angegebene Drehrichtung immer bestehen bleibt.

Bei einer Umkehr der Drehrichtung des Rotors 3 ändert sich auch die zeitliche Reihenfolge der Signale g, h, i. Vor Auftreten eines »0«-Signals am Ausgang ι ist der Zustand der bistabilen Kippstufe derart, jaß am Ausgang 30 ein »1 «-Signal ansteht. Dieser Zustand wird nun durch das »0«-Signal am Ausgang / auf die Kippstufe 27 übertragen. Für diese Drehrichtung erscheint somit ein »1 «-Signal am Ausgang 28.

Unabhängig von der Drehrichtung ändert sich der Zustand der Kippstufe 23 pro Umdrehung des Rotors einmal. Am Ausgang 30 erscheint dann immer, wenn

der Rotor die Stellung I einnimmt, ein »1 «-Signal. Die am Ausgang 30 auftretenden Impulse sind somit ein Maß für die Drehzahl des Rotors.

In Fig. 4 ist ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines induktiven Gebers schematisch dargestellt. Ein Rotor 33 ist mit der Welle (nicht dargestellt) verbunden, deren Drehzahl und Drehrichtung gemessen werden soll. Der Rotor 33 ist innerhalb eines Stators 39 drehbar gelagert. Auf dem Stator 39 sind diametral gegenüber zwei in Reihe liegende Primärwicklungen 31, 32 mit entgegengesetztem Wicklungssinn auf Polen 41, 42 angeordnet. Die genannten Primärwicklungen werden an der Eingangsklemme 38 von der Bezugsspannung 11 eingespeist. Auf dem Stator 39 befinden sich auf den Polen 44,45 zwei Sekundärwicklungen 34,35, welche gleichen Wicklungssinn aufweisen, wobei jeweils ein Ende auf dem gemeinsamen Null-Leiter 40 liegt. Zwischen den genannten Polen sind weitere Pole 46 vorgesehen, welche zur magnetischen Abschirmung dienen.

Nimmt der Rotor 33, welcher aus ferromagnetischem Material besteht und zwei unter einem rechten Winkel angeordnete Schenkel aufweist, die dargestellte Stellung ein, so liegt auf Grund der induktiven

Koppelung zwischen den Wicklungen 31 und 34 an dem Ausgang 36 eine zur Bezugsspannung U phasengleiche Spannung an. Nach einer Drehung des Rotors 33 um etwa 45 ° in Pfeilrichtung ist die induktive Koppelung der genannten Wicklungen aufgehoben. Die

Spannung am Ausgang 36 ist im wesentlichen Null. Nach einer weiteren Drehung um etwa 45° sind die Wicklungen 32 und 34 induktiv gekoppelt, so daß infolge des o. a. Wicklungssinnes am Ausgang 36 eine zur Bezugsspannung gegenphasige Signalspannung anliegt.

Bei Weiterdrehung des Rotors werden entsprechend am Ausgang 37 gleich- bzw. gegenphasige Signalspannungen anliegen. Bei dem oben beschriebenen Signalgeber ist es von besonderem Vorteil, daß

nur vier Verbindungsleitungen zu der Auswerteschaltung, wie sie beispielsweise schon in Fig. 1 dargestellt ist, benötigt werden.

Der Signalgeber kann selbstverständlich auch mit einer beliebigen Polzahl ausgebildet werden. Wesent-

Hch ist jedoch dabei eine derartige Anordnung der Pole und Wicklungen, daß nacheinander gleich- bzw. gegenphasige Signalspannungen in bezug auf die Bezugsspannung gebildet werden, wenn der mit der Welle verbundene Rotor gedreht wird

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Bestimmen der Drehzahl und der Drehrichtung einer Welle, enthaltend einen mit der Welle verbundenen Signalgeber mit wenigstens zwei Ausgängen, an weichen beim Drehen der Welle nacheinander Signalspannungen auftreten, sowie eine Auswerteschaltung, mittels welcher aus der zeitlichen Reihenfolge von Impulsen auf wenigstens drei Leitungen die Drehzahl und Drehrichtung bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannungen an den Ausgängen (6,7) des induktiven Signalgebers (1 bis 5) gleich- oder gegenphasig zu einer Bezugsspannung (11) sind, daß in der Auswerteschaltung bezüglich der Bezugsspannung (11) phasengleiche bzw. gegenphasige Bezugssignale erzeugt werden, welche an zwei Leitungen (c, d) anstehen, und daß mittels einer Gatterkombination (20, 21, 22) die Signalspannungen mit: den Bezugssignalen derart verknüpft werden, daß auf wenigstens drei Leitungen (g, h, i) Impulse erzeugt werden, deren zeitliche Reihenfolge von der jeweiligen Drehrichtung abhängt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (6, 7) mit Impulsformerstufen (10,11) verbunden sind, daß die Bezugsspannung (11) über ein Phasenschieberglied (12) auf eine Impulsformerstufe (13) geführt wird, um aus der Bezugsspannung eine um zumindest näherungsweise π/2 verschobene Rechteckspannung zu bilden, und daß Kippglieder (15, 16, 17) vorgesehen sind zur Erzeugung der Bezugssignale.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Impulsformerstufe (10) mit einem ersven und einem zweiten NAND-Gatter (20, 21) verbunden ist, daß die zweite Impulsformerstufe (11) mit einem dritten NAND-Gatter (22) verbunden ist, wobei das erste NAND-Gatter (20) eiinen Eingang für die gleichphasigen Bezugssignale und das zweite und dritte NAND-Gatter (21,22) jeweils einen Eingang für die gegenphasigen Bezugssignale aufweisen.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der beiden ersten NAND-Gatter (20,21) mit einer ersten bistabilen Kippstufe (23) verbunden sind, deren Ausgänge über jeweils zwei weitere NAND-Gatter (25, 26) mit einer zweiten bistabilen Kippstufe (27) verbunden sind, wobei die Eingänge der genannten NAND-Gatter (25,26) über einen Inverter (24) mit dem Ausgang des dritten NAND-Gatters (22) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der induktive Signalgeber wenigstens zwei Primär- und zwei Sekundärwicklungen (31, 32; 34, 35) aufweist, welche über der· l'mfang eines Stators (39) gleichmäßig verteilt angeordnet sind, und daß ein mit der Welle verbundener Rotor (33) derart ausgebildet ist, daß bei Drehen der Welle nacheinander jeweils eine Primärwicklung mit einer Sekundärwicklung induktiv koppelbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Primärwicklungen (31,32) auf dem Stator (39) diametral gegen-

überliegend angeordnet sind, welche entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen, und elektrisch in Reihe geschaltet sind, daß am Umfang des Stators (39) zwischen den genannten Primärwicklungen (31, 32) zwei Sekundärwicklungen (34, 35) mit gleichem Wicklungssinn angeordnet sind und daß der Rotor (33) zwei Schenkel aufweist, welche im wesentlichen die in einem rechten Winkel zueinander angeordneten Wicklungen (31, 32, 33, 34) magnetisch koppeln.