DE2361385C3 - Mec hanoelektrischer Meßumformer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanoelektrischen Meßumformer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Differentialtransformatoren und Differentialdrosseln werden in der elektrischen Meßtechnik häufig zur ω Bestimmung von jeweils einer einzigen Bewegungskomponente verwendet. Sie arbeiten im allgemeinen berührungsfrei und enthalten im Gegensatz, zu Vorrichtungen mit Stellpotentiomctcrn od. dgl. keine Verschleißteile. Die bekannten Differcntiultransformatorcn e>5 haben gewöhnlich zwei Sekundärwicklungen, die zu beiden Seiten einer zentralen Primärspule angeordnet sind, und deren induktive Kopplung durch einen beweglichen Ferritkörper gegensinnig verändert werden kann (US-PS 25 52 722). Die bei ungleicher induktiver Kopplung entstehende Differenzspannung der Sekundärwicklungen kann durch phasenabhängige Gleichrichtung in ein Gleichspannungssignal verwandelt werden, dessen Vorzeichen und Größe der Längsbewegung des Ferritkörpe:rs aus einer Mittellage heraus entspricht Erfolgt die Verschiebung des Ferritkörpers auf einer vorgegebenen Kreisbahn, so kann das Gleichspannungssignal zur Messung der Drehbewegung um den Kreismittelpunkt verwendet werden. Bei den bekannten Differentialdrosseln wird eine gewisse Vereinfachung des Prinzips durch den Fortfall der Primärerregungsspule erreicht Die verbleibenden Sekundärspulen sind in diesem Fall als Drosselspulen aufzufassen, deren Wechselstromwiderstände von der Lage des Ferritkörpers abhängen. Das lagenabhängige elektrische Signal wird in diesem Fall in analoger Weise aus der Differenz der Wechselstromwiderstände, z. B. mit Hilfe einer geeigneten Brückenschaltung gewonnen. In manchen Fällen ist es notwendig, zwei oder mehr Bewegungskomponenten eines Objekts gleichzeitig zu erfassen. Die bekannten Differentialtransformatoren bzw. -drosseln sind als Einkomponenten-Meßwandler hierfür ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Wandler anzugeben, mit der zwei oder mehr Translations- bzw. Rotationskomponenten der Bewegung oder Stellung eines Objekts gleichzeitig erfaßt werden können.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebene Vorrichtung.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mittels der gesonderten Rechenkreise, die erfindungsgemäß jeweils eine algebraische Summe der drei oder mehr Spannungen an den räumlich verteilten Wicklungen der Polkörper bilden, lassen sich aus den entsprechenden Summen- bzw. Differenzsignalen in einfacher Weise z. B. die drei Bewegungskomponenten Längsbewegung (L), Querbewegung (Q) und Drehbewegung (D) eines ferritischen Objekts in einer Ebene herleiten. Wenn man ein anisometrisches ferritisches Objekt von unterschiedlicher Länge, Breite und Höhe zwischen zwei Differentialtransformatoren oder -drosseln der hier beschriebenen Art anordnet, kann man aus den Ausgangsspannungen sechs Signale ableiten, die den möglichen Rotations- und Translationskomponenten der Bewegungen in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen entsprechen. Die genannten Vorrichtungen eignen sich besonders zur Steuerung von Servosystemen, mit denen ein Objekt bzw. eine Anzahl gleichartiger Objekte nacheinander in eine genau vorgegebene Position und Richtung in der Ebene bzw. im Raum gebracht und dort konstant gehalten werden sollen. Entsprechende Aufgaben entstehen bei der automatischen Bearbeitung bzw. dem Einbau kleiner empfindlicher mechanischer, optischer oder elektronischer Werkstücke. Zu diesem Zweck werden die Werkstücke zunächst mit einer Paßform zur Aufnahme eines geeigneten Ferritkörpers versehen und nach Einsetzen des Ferritkörpers in die Nähe des mechanoelektrischen Wandlers gebracht. Bei kleinen Werkstükken wird ein Ferritkörper von wenigen Milligramm Gewicht im allgemeinen ausreichen. Die Verschiebung des Werkstucks aus der Sollagc erzeugt ein oder mehrere vor Null verschiedene Ausgangssignale. Jedes dieser Signale kann über einen nachgeschalteten Leistungsverstärker und einen Servoantrieb eine

Gegenbewegung bewirken, die das zugeordnete Ausgangssignal vermindert. Das Servosystem kommt zum Stillstand, wenn das Werkstück die Sollposition genau einnimmt, d.h. wenn alle Ausgangssignale durch die mechanische Gegenkopplung auf Null abgeglichen sind.

Allgemein können die Ausgangsgrößen des hier beschriebenen Mehrkomponentenwandlers geeigneten Servosystem«! zugeführt werden, die entweder die Rückstellung eines Werkstücks in die Ausgangsstellung oder die Oberführung eines Werkstücks in eine vorgegebene Sollstellung oder die bewegungskonforme Mitführung des Mehrkomponentenwandlers mit dem bewegten Werkstück selbsttätig dadurch bewirken, daß ihre Bewegungen den Regelabweichungen der Stellungskomponenten stets entgegengerichtet sind.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 einen der Erfindung entsprechenden Dreikomponenien-Differentialtransformator mit fünf Spulen zur Ermittlung der Längs-, Quer- und Drehkompon^nte der Bewegung eines ferritischen Objekts in einer Ebene,

Fig.2A ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die erforderlichen Rechenoperationen zur Ermittlung der Längs-, Quer- und Drehkomponente im Analogverfahren mit Hilfe von Summen- und Differenzverstärkern durchgeführt werden, und zwar für einen Differentialtransformator,

F i g. 2B ein F i g. 2A entsprechendes Ausführungsbeispiel, jedoch für eine Differentialdrossel,

Fig.3 eine bevorzugte Ausführungsform der in F i g. 2 verwendeten speziellen Eingangsverstärker mit Demodulator,

Fig.4A ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Rechenoperationen zur Ermittlung der Längs-, Quer- und Drehkomponente der Bewegung bereits durch geeignete Zusammenschaltung der Signale in getrennten Wicklungsgruppen des Dreikomponenten-Wandlers gewonnen werden,

Fig.4B eine Abwandlung der Fig.4A für eine Differentialdrossel und

F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur vollständigen Ermittlung beliebiger Bewegungen oder Stellungen eines Objekts im Raum durch gleichzeitige Erfassung der Translations- und Rotationskomponenten in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Dreikomponenten-Differentialtransformator erfaßt als mechanoelektrischer Wandler gleichzeitig die Vorwärts-, Seitwärts- und Drehkamponente der Bewegung eines länglichen ferritischen Objekts 10 in einer Ebene. Das Objekt ist schraffiert dargestellt. Es besteht z. B. aus einem dünnen Streifen eines Werkstoffs mit hoher magnetischer Permeabilität. Der Differentialtransformator enthält auf einer rechteckigen Ferritplatte 11 fünf Magnetpole, von denen sich einer in der Mitte und die anderen symmetrisch an den vier Ecken der Platte befinden. Auf dem zentralen Magnetpol ist eine Primärwicklung W_p angeordnet, die von einem Generator z. B. mit einer 50-kHz-Wechselspannung gespeist wird und ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt. (Bei einer entsprechenden Dreikomponenten-Differentialdrossel entfällt die Bewicklung und Erregung des zentralen Magnetpols.) Auf den an den Rändern befindlichen Magnetpolen sitzen jeweils die Sekundärwicklungen W₁, Wi, Wi bzw. W₄, die untereinander gleiche Anteile des Magnetflusses empfangen, solange das Magnetfeld nicht durch ein in der Nähe befindliches ferritisches Objekt 10 unsymmetrisch verzerrt wird.

Zwischen den in den einzelnen Sekundärwicklungen induzierten Wechselspannungen (bzw. zwischen den Impedanzen der einzelnen Drosselwicklungen einer entsprechenden Differentialdrossel) treten charakteristische Differenzen auf, wenn das schraffiert gezeichnete Objekt 10 in der dargestellten Weise aus seiner zentralen Gleichgewichtslage und -richtung versetzt bzw. gedreht wird. Unter der Voraussetzung, daß die Abweichungen des Objekts von der Gleichgewichtslage

ίο und -richtung klein im Vergleich zum Polabstand des Mehrkomponentenwandlers sind, erhält man durch die folgenden Rechenoperationen aus den induzierten Spannungen (bzw. Impedanzen) Si bis S» der Spulen W] bis IV₄ eindeutige Beziehungen für die Längs-, Quer- und Drehkomponente dieser Abweichungen:

Längskomponente K_L — (+ S₁ +S₂-S₃-S₄)
Querkomponente K_Q - (- S, + S₂ + S₃ - S₄)

Drehkomponente K_D — (- S₁ + S₂ - S₃ + S₄)

F i g. 2A und 2B veranschaulichen ein elektrisches Analogverfahren zur Durchführung der erforderlichen Rechenoperationen. Gemäß Fig.2A werden drei geeignete Operationsverstärker OPV mit je zwei invertierenden ( —) und zwei nichtin vertierenden (+) Eingängen verwendet. Die vier Sekundär-Wicklungen Wi bis W₄ des in F i g. 1 gezeigten Wandlers sind mit den vier Eingängen der Verstärker so verbunden, daß die Ausgangsspannung jeweils der gewünschten algebraischen Summe der Eingangssignale Si bis S₄ entspricht. Der Frequenz-Generator GEN liefert eine konstante Wechselspannung von beispielsweise 50 kHz zur Erregung des Differentialtransformators über die Primärwicklung Wp und steuert gleichzeitig die Demodulatoren DEM, mit denen die Ausgangsspannungen der Eingangsverstärker phasenabhängig gleichgerichtet werden.

Verwendet man an Stelle des Differentialtransformators eine Differentialdrossel, so entfällt die induktive Erregung über die Primärwicklung Wp. Man erhält in diesem Fall die entsprechenden Eingangsspannungen Si bis S₄, indem man den Generatorstrom jeweils über einen konstanten Widerstand R durch die Drosselwicklungen DW, bis DW₄ schickt(F i g. 2B).

Die an diesen Wicklungen abfallenden Wechselspannungen entsprechen den Impedanzen der Spulen und können mit dem in Fig. 2A bzw. 2B veranschaulichten Analogverfahren miteinander verrechnet werden. In beiden Fällen kann man aus dem Vorzeichen und der Größe der demodulierten Gleichspannungssignale, d. h. der Komponenten Kl, Kq und Ko die Richtung und Stärke der Auslenkung des ferritischen Objekts entsprechend beliebigen Längs-, Quer- und Drehbewegungen vollständig entnehmen.

Analogschaltungen zur Addition und/oder Subtraktion mehrerer elektrische Signale sowie Schaltungen zur phasenabhängigen Demodulation von Wechselspannungen sind an sich in zahlreichen Ausführungen bekannt. Eine wegen ihrer Einfachheit bevorzugte Ausführungsform ist F i g. 3 zu entnehmen. Die Verrechnung der Eingangssignale erfolgt mit einem Differentialverstürker OPV \ in Form einer integrierten Schaltung mit zwei invertierenden ( —) und zwei nichtinvertierenden ( + ) Eingängen 1—4. Die Verrechnung von mehr als vier Signalen ist durch entsprechende Erweiterung der Zahl der Eingänge im Prinzip möglich.

Die Demodulation der resultierenden Wechselspannung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Schaltglicdcs wie eines Feldcffekltninsislors FET. der das Ausgiingssignal /.Ii. während der negativen Halbwelle der F.rrcgungsspannung iinterdrücki. wozu mit seiner Steuerelektrode über eine Diode der weitere Operations- bzw. Differenzverstärker OPV 2 gekoppelt ist, an dessen einem Eingang die Erregungsspannung liegt.

Das Ausgangssignal wird auf diese Weise phasenabhängig gleichgerichtet und steht nach anschließender Glättung durch einen geeigneten Tiefpaß als GJeichspannungssignal mil phasenabhängigem Vorzeichen für Steuerungs-, Meß- und Regelzwecke zur Verfügung.

Das in F i g. 2A bzw. 2B dargestellte Analogverfahren zur Verrechnung der Signale Si bis 54 läßt sich unter bestimmten Voraussetzungen vorteilhaft vereinfachen, indem man die Signale unter Berücksichtigung der Phasenlage additiv bzw. subtraktiv so hintereinanderschaltel, daß die gewünschte Rechenoperation unmittelbar zustande kommt. Für jede gleichzeitig durchzuführende Rechenoperation wird in diesem Fall jedoch eine gesonderte Gruppe von Wicklungen benötigt.

Fig.4A veranschaulicht die gleichzeitige Bestimmung der Komponenten Ki.,K()und Wodurch geeignete Verschaltung der äquivalenten Wicklungsgruppen Wn bis Wh, W₂| bis W₂4 und W₃I bis Wm. In diesem Fall trägt jeder der äußeren Magnetpole der Vorrichtung in F i g. 1 drei gleiche Wicklungen. Verwendet man eine entsprechende Differentialdrossel mit drei Wicklungsgruppen DWn bis DWi₄, DW₂, bis DW_2A und DW^ bis DWj4, bei der die induktive Erregung über eine Primärwicklung Wp entfällt, so lassen sich aus den vier Wicklungen einer Gruppe die vier Zweige einer Wechselstromwiderstandsbrücke derart bilden, daß die Nullspannung der Brücke bei hinreichend kleiner Abweichung des Objekts von der Ausgangslage annähernd der gewünschten Rechenoperation entspricht (Fig.4B). Die Ausgangsspannungen der Wicklungsgruppen des Differentialtransformators werden ebenso wie die Nullspannungen der Wechselstromwiderslandsbrücken der Differentialdrossel in geeigneter Weise verstärkt und phasenabhängig demoduliert.

Die bisher behandelten Ausführungsbeispiele zur Bestimmung der drei Komponenten der Bewegung eines Objekts in einer Ebene lassen sich unschwer modifizieren oder erweitern, wenn andere oder mehr Bewegungskomponenten gleichzeitig gemessen werden sollen. F i g. 5 zeigt die wesentlichen Merkmale eines Ausführungsbeispiels zur vollständigen Ermittlung beliebiger Bewegungen oder Stellungen eines Objekts im Raum, das auf der gleichzeitigen Bestimmung der

^r> Translations- und Rotationskomponenten in den drei zueinander senkrechten Raumrichtungen X, Y und Z beruht. Die Vorrichtung besieht aus zwei einander deckungsgleich gegenüberstehenden phasengleich erregten Differentiallransformatoren bzw. unerregten

ίο Differentialdrosseln der in Fig. 1 veranschaulichten Ausführung. Das ferritischc Meßobjekt 20 im freien Raum zwischen den beiden Wicklungsgruppen Wn' bis Wm' und W₂1' bis Wm' ist anisometrisch in bezug auf seine Länge, Breite und Höhe. Unter der Voraussetzung daß die beliebig gerichteten Abweichungen von der Ruhestellung des Objekts klein im Vergleich zu den Polabständen des Sechskomponentenwandlers sind, ergeben sich unmittelbar aus Fi g. 5 folgende eindeutige Beziehungen zwischen den Translationskomponenten 7\, 7Y, T/ und den Rotationskomponenten R\, Ry. R/ der Abweichungen einerseits und den induzierten Spannungen bzw. Impedanzen Sn bis Sn und S₂1 bis Sn der beiden Spulengruppen andererseits:

T%~ (-S_n +Si₂-I-SiJ-S₁₄-S₂I + S₂₂ + S₂₃ — S₂₄)
T_y ^, ( + S₁₁+S₁₂-S₁₃-S₁₄+ S₂₁+S₂₂-S₂₃-S₂₄)

Ti - ( + S₁, + S₁₂ + S₁₃ + S₁₄ - S₂₁ - S₂₂ - S₂₃ - S₂₄)

R_x ~ (+ S₁₁ -I- S₁₂ — S₁₃ — S₁₄—S₂₁ — S₂₂ + S₂₃ + S₂₄)
üy-^t + Sjj— S₁₂ — S₁₃ + S₁^-S_2x + S₂₂ + S₂₃ — S₂₄)
Rz *" (+ S₁₁ — S₁₂ + S₁₃ — Sj₄ + S₂₁- S₂₂ + S₂₃ — S₂₄)

Die verschiedenen oben beschriebenen Verfahren zur Durchführung der Rechenoperation lassen sich sinngemäß auf die Beziehungen anwenden. Wegen der Beschränkung auf vergleichsweise kleine Abweichungen des Objekts von der Ausgangsstellung ist der Sechskomponentenwandler besonders zur Steuerung eines bewegungskompensierenden Servosystems geeignet, das die Rückstellung des Objekts in die Ausgangsposition, bewirkt oder aber eine bewegungskonforme Mitführung des Wandlers mit dem beliebig bewegter Objekt veranlaßt.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Mechanoelektrischer Meßumformer zur gleichzeitigen berührungs- und rückwirkungsfreien Ermittlung mehrerer Translations- und Rotationskomponenten der Bewegung oder Stellung eines mit dem Wandler mittels eines Ferritkörpers gekoppelten Objektes, insbesondere für ein Servosystem zur selbsttätigen Positionierung des Objektes, mit einer Rechenschaltung, welche den Komponenten der Abweichung des Objektes von einer gegebenen Ausgangsstellung nach Vorzeichen und Größe entsprechende Signale erzeugt gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) der Ferritkörper ist zwischen drei oder mehr räumlich um ihn verteilten Polkörpern angeordnet, auf denen sich jeweils mindestens eine Sekundärwicklung (Wi bis W₄, Wn usw.) eines Differentialtransformators oder jeweils mindestens eine Drosselwicklung (DW₁ bis DW₄, DWw usw.) einer Differentialdrossel befindet;

b) an den Ausgang der Wicklungen (Wi bis W₄, DWi bis DWa) sind für die zu ermittelnden Komponenten mehrere gesonderte Rechenkreise angeschlossen, die unabhängig voneinander arbeiten.

2. Mechanoelektrischer Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenkreise jeweils eine elektrische Analogschaltung mit einem Operationsverstärker (OPV) enthalten, der drei oder mehr jeweils an eine der Wicklungen der Polkörper geschaltete Eingänge hat.

3. Mechanoelektrischer Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Polkörper eine der Anzahl der zu ermittelnden Komponenten entsprechende Anzahl von Wicklungen (Wi ι bis W₃₄; DWu bis D W₃₄) angeordnet ist und daß für jede zu ermittelnde Komponente eine Reihen- oder Brückenschaltung aus je einer Wicklung (Wn bis W₄ usw.) jedes Polkörpers gebildet ist.

4. Mechanoelektrischer Meßumformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Ermittlung aller Komponenten der Bewegung oder Stellung eines anisometrischen Objektes (20) mit einem Ferritkörper im Raum räumlich getrennte, in verschiedenen Ebenen liegende Anordnungen von jeweils mehreren Wicklungen (Wn' bis W₄' und W>i' bis W24') vorgesehen sind, zwischen denen das Objekt angeordnet ist.