DE2407240A1 - Elektromagnetischer impulsgeber zur verschluesselung der winkelstellung und der drehgeschwindigkeit einer drehbaren achse - Google Patents

Description

• Elektromagnetischer Impuls geber zur Verschlüsselung der Winkelstellung und der Drehgeschwindigkeit einer drehbaren Achse Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Impulsgeber zur Verschlüsselung der Winkelstellung und der Drehgeschwindigkeit einer drehbaren Achse, mit einer mit dieser Achse starr gekoppelten, aus ferromagnetischem Material bestehenden Zahnschei-be, deren Zähne beim Drehen der Achse ein Magnetfeld periodisch beeinflussen, dessen Aenderungen detektiert und in elektrische Impulse umgesetzt werden, die von einem Zähler aufgenommen und zwecks Gewinnung einer digitalen Verschlüsselung des jeweiligen Drehwinkels gezählt werden.
• Bekannte Vorrichtungen zur Verschlüsselung der Winkelstellung dr+harer Achsen folgen in der Regel dem einen oder dem anderen von zwei verschiedenen Prinzipien, bei denen übereinstimmend eine mit der Achse starr gekoppelte Codierscheibe verwendet wird. Nach dem ersten Prinzip kann die Scheibe an ihrer Peripherie detektierbare äquidistante Elemente aufweisen, die mit Detektoren in der Weise zusammenarbeiten, dass jedesmal, wenn bei der Drehung der Scheibe ein Element in den Bereich des Detektors gerät, am Detektorausgang ein Impuls abgegeben wird; die Impulse werden, von einem durch ein ebenfalls auf der Scheibenperipherie angebrachtes, markiertes Element gelieferten unterscheidbaren Bezugsimpuls an gerechnet, in einem ähler gezählt. Der Stand des Zählers gibt dann in digital verschlüsselter Form die jeweilige Winkelstellung der Achse wieder, die Zahl der während eines konstanten Zeitintervalls gezählten Impulse ist ein Mass für die Drehgeschwindigkeit. Die detektierbaren Elemente können z.B. leitende Segmente sein, die mit einer Bürste kooperieren, wobei der Stromkreis so ausgelegt ist, dass bei jedem Gleiten der hier als Detektor fungierenden Bürste über ein Segment ein Impuls erzeugt und gezählt wird.
• Alternativ kann man als Detektoren Fotozellen verwenden; diese empfangen gebündeltes Licht von einer ihnen gegenüberliegenden Quelle, welches Licht bei Drehung der Scheibe periodisch unterbrochen wird. Als detektierbare Elemente kann die Scheibe an ihrer Peripherieäquidistante Zähne mit lichtdurchlässigen Zwischenräumen aufweisen, es können aber auch Strichgitter Verwendung finden, was eine gute Auflösung ergibt. Bekannt ist auch eine magnetische Ablesung mit einer Aufnahmespule als Detektor; zur Erzeugung der Felder dienen dabei Leiter, die auf einer isolierenden Platte aufgebracht sind. Im einfachsten Fall kann man natürlich gemäss dem bei der Takt-Spur von magnetomotorischen Speichern wie Magnettrommeln oder -scheiben angewendeten Prinzip auf ferromagnetischen Scheiben äquidistante Punktmagnetisierungen anbringen, die die detektierbaren Elemente darstellen und jedesmal beim Vorbeiführen an einer Aufnahmespule (Ablesespule) in dieser einen Impuls induzieren.
• Nach einem zweiten Prinzip wird die Winkelstellung nicht inkremental, sondern absolut gemessen, d.h. es wird die der Winkelstellung entsprechende, digital codierte Information ohne Zähler direkt auf der mit der Achse gekoppelten Codierscheibe abgelesen. Dabei sind auf der Scheibe mehrere Spuren verschiedener Länge mit detektierbaren Teilen als Codemuster so angeordnet, dass jeder Spur eine Binärziffer entspricht.
• Es sind ebensoviele Detektoren wie Spuren vorgesehen und radial angeordnet, so dass jeder Detektor mit einer Spur kooperiert und ein Signal abgibt, wenn der aktive Teil der Spur vorbeigeführt wird. Die jeweils an den Detektorausgängen anstehende Kombination von 'ßSignal" und "kein Signal" liefert den dualen bzw. binären Code., welcher der jeweiligen Winkelposition entspricht. Die Abtastung kann, wie oben, mechanisch, fotoelektrisch und auch magnetisch erfolgen. Dieses Prinzip der Codierscheiben hat gegenüber der Inkrementalmessung den Vorteil, dass keine Zähler gebraucht werden und somit auch Messfehler vermieden werden, die durch Ausfall einzelner Zählimpulse entstehen und alle nachfolgenden Messungen verfälschen; andererseits ist bei der Absolutmessung mit codierten Scheiben nur eine Bestimmung der Winkelposition ausführbar, nicht aber ohne zusätzlichen Zähler eine digitale Messung der Drehgeschwindigkeit.
• Da bei der erfindungsgemässen Verschlüsselungsvorrichtung auch die Drehgeschwindigkeit gemessen werden soll, macht sie von dem ersten Prinzip Gebrauch, d.h. der Inkrementalzählung.
• Sie arbeitet - was in der Praxis wichtig ist - kontaktlos, vermeidet aber die übliche lichtelektrische Abtastung aus folgendem Grunde: unter "rauhen" Betriebsbedingungen ist die Verschmutzung der Fotozelle und Lichtquelle für die Messung eine sehr reale Störungsquelle. Wird die Vorrichtung z.B. bei Zementmühlen verwendet, um Winkelstellung sowie Drehzahl des Rotors zu bestimmen, ist diese Gefahr im Hinblick auf die ständige Luftverschmutzung mit feinstem Zementstaub besonders gross.
• Der Erfindung liegt-die Aufgabe zugrunde, eine Methode der kontaktlosen Winkelverschlüsselung sowie Drehzahlmessung zu schaffen, die von Verschmutzungseinflüssen weitgehend unabhängig ist. Bei Zugrundelegung des eingangs dargelegten Funktionsprinzips ist die erfindungsgemässe Vorrichtung gekennzeichnet durch eine von einer Quelle konstanten Stromes gespeiste Sendespule mit magnetisierbarem, U-förmigen Kern und einen ebenfalls U-förmigen, magnetisierbaren Empfangskern, wobei die Kerne mit einander zugewandten Schenkeln spiegelsymmetrisch zueinander derart angeordnet sind, dass die Symmetrieachse auf der Drehachse der Zahnscheibe senkrecht steht und die beiden Kerne sich zu beiden Seiten der sich drehenden Zahnscheibe in einer solchen Entfernung von der Drehachse befinden, dass bei Durchgang eines Zahns zwischen den Kernen der Empfangs kern gegenüber dem Sendekern in der Hauptsache abgeschirmt wird, während bei Durchgang einer Lücke die magnetische Kopplung zwischen beiden Kernen keine wesentliche Behinderung erfährt, und ferner gekennzeichnet durch ein Wandlerelement, welches die Magnetfeld- bzw. Induktionsänderungen im Empfangskern in elektrische Spannungsimpulse umwandelt und dem Zähler zuführt, der einerseits die Impulse zwecks Gewinnung der digitalen Winkelverschlüsselung von einem bestimmten, durch eine Markierung auf der Zahnscheibe festgelegten Bezugs impuls an zählt und andererseits periodisch die während eines konstanten Zeitintervalls eintreffenden Impulse ab zählt und somit ebenfalls in digitaler Gestalt eine der Drehgeschwindigkeit proportionale Grösse liefert.
• Die Vorrichtung gemäss der Erfindung gehört somit zu den oben beschriebenen, auf der Grundlage der Beeinflussung eines Magnetfeldes durch eine rotierende Scheibe funktionierenden Anordnungen. Doch hat sie gegenüber den erwähnten Verschlüsselungssystemen, wo das Magnetfeld durch Leiter oder durch auf einer ferromagnetischen Scheibe angebrachte Punktmagnetiesierrungen erzeugt wird, einen wesentlichen Vorteil: im Falle einer Axialverschiebung der Zahnscheibe, wie sie in der Praxis durchaus vorkommt, ändert sich die Feldstärke bzw. Induktion am Orte des Detektorelementes relativ stark, weil ja der felderzeugende Leiter bzw. die Punktmagnetisierung sich dem Detektorelement tatsächlich nähert oder sich von ihm entfernt.
• Die Folge sind Schwankungen der Impulsgrösse am Ausgang des Detektors, was zur Nichterfassung von Zählimpulsen durch den Zähler und somit - gerade bei einem Inkrementalverfahren - zu Fehlanzeigen führen kann. Erfindungsgemäss ist dagegen der Abstand zwischen dem Sendekern, der das Magnetfeld erzeugt, und dem Detektorkern stets konstant, und eine Axialverschiebung der Zahnscheibe ändert nichts an der Tatsache, dass das Magnetfeld bei Durchgang eines Zahns abgeschrimt wird. Nur als Effekt höherer Ordnung tritt ein kleiner Einfluss der Axialverschiebung bei Durchgang einer Lücke infolge der Wirkung der Nachbarzähne auf. Im weiteren wird gezeigt, wie auch dieser Einfluss erfindungsgemäss kompensiert werden kann.
• Die Erfindung sei jetzt anhand der Figuren näher erläutert.
• Es zeigen: Fig. la eine Seitenansicht der Zahnscheibe mit Sende- und Emp fangskern Fig. lb die Zahnscheibe in Draufsicht mit Sendekern Fig. 2 einen magnetischen Ersatzkreis Fig. 3 ein Spannungsdiagramm Fig. 4a, b eine Variante mit 2 Impulsgebern zur Kompensation des Einflusses der Axialverschiebung Fig. 5 ein Spannungsdiagramm zur Erläuterung der Fig. 4 Fig. 6 die Schaltung des Differenzverstärkers für die Variante nach Fig. 5 In Fig la ist auf dem sendeseitigen Kern K1 eine Spule SS als Wicklung aufgebracht und wird mit WechselstromI gespeist, dessen Amplitude und Frequenz konstant sind. In einem Abstand a von den Schenkeln des Kerns K1 dreht sich die in Seitenansicht gezeigte Zahnscheibe ZS, in Fig. lb in Draufsicht gezeigt. Auf der anderen Seite der Zahnscheibe ZS befindet sich der empfangsseitige Kern K2mit der aufgewickelten Empfangsspule ES.Dr ist die Drehachse der Scheibe ZS. Die Zähne Z sind aus Fig. lb ersichtlich, ebenso die Lücken L; sie sind so lang, dass das Magnetfeld beider Schenkel des Kerns Kl,unbehindert durchgreifen kann, wenn eine Lücke L passiert. Mit R1 sei der magnetische Widerstand des Kernes K1 und der Luftspalte zwischen den Schenkeln von K1 und der Zahnscheibe ZS bezeichnet, mit R3 der entsprechende magnetische Widerstand auf der Seite des Empfangskerns K2. Die ferromagnetische Zahnscheibe ZS stellt bei der Rotation einen variablen magnetischen Widerstand R2 dar.
• Beim Drehen der Zahnscheibe hängt die Amplitude A der in der Empfangsspule ES induzierten Spannung davon ab, ob sich zwischen den Kernen K1 und K2 gerade eine Lücke L (R2 und A maximal) oder ein Zahn Z (R2 und A minimal) befindet. Fig. 2 zeigt den magnetischen Ersatzkreis, worin I den konstanten Wechselstrom durch die Sendespule SS und 1 2 3 den Magnetfluss an verschiedenen Stellen bedeutet. Für die Amplitude gilt Die in der Spule ES induzierte Spannung (Fig. 3) ist somit eine Trägerspannung, die mit einem bei der Scheibendrehung erzeugten periodischen Signal moduliert ist. Naturgemäss muss die Trägerfrequenz fO, d.h. die Speisefrequenz erheblich grösser sein als die durch die Scheibendrehung verursachte Modulationsfrequenz f.
• Man kann nun - nach Demodulation des Signals - mit Hilfe einer Schwellwerteinrichtung (z.B. Schmitt-Trigger) ein bestimmtes, zwischen Höchst- und Mindestwert des Signals in ES liegendes Spannungsniveau U wählen und die vom Schwellwertglied erzeugten Recheckimpulse bzw. auch Vor- und Hinterflanken, d.h. sämtliche Durchgänge durch das Niveau U, mittels eines elektronischen Zählers bekannter Bauart (z.B. Binär-bzw. Dualzähler) abzählen und erhält dann eine digitale Darstellung des analogen Winkeldrehung der Scheiben. Einer der Zählimpulse hat -z.B. durch etwas veränderte Breite eines Zahnes Z der Zahnscheibe ZS - eine abweichende Gestalt und kann im Zähler detektiert werden. Dieser Impuls dient als Markier- oder Bezugs impuls, und der Zähler wird so eingestellt, dass er beim Auftreten dieses Impulses jeweils gerade den Nullstand erreicht und einen neuen Zählzyklus beginnt.
• Alternativ kann man die Zählimpulse auch so erzeugen, dass man die Sendespule ES mit Gleichstrom speist und im Kern K2 (der dann natürlich keine Wicklung trägt) die Aenderung der magnetischen Induktion B oder des Feldes H mittels eines galvanomagnetischen Wandlerelementes (z.B. Hallsonde, Feldplättchen) in Spannungsimpulse umwandelt.
• Wie oben dargelegt, ist die Abhängigkeit der Amplitude A der in der Spule ES (bzw. im galvanomagnetischen Wandler) induzierten Spannung von der Axialverschiebung a der Zahnscheibe gegenüber bekannten Anordnungen magnetischen Typs stark verringert. Um die noch bestehende geringe Abhängigkeit zu kompensieren, werden erfindungsgemäss zwei Impulsgeber G1, G2 verwendet (Fig. 4). Die Impulsgeber sind um das (n+l/2)-fache des Zahnabstandes ZA gegeneinander versetzt (n:ganze Zahl).
• Beide Signale S1, S2 werden auf den Eingang eines Differenzverstärkers D geführt (Fig. 6). Das Ausgangssignal von D hat die in Fig. 5 gezeigte Gestalt; wie ersiEhtlich, sind die Nullpunkte NP von der Axialverschiebung a jetzt völlig unabhängig.
• Die beschriebene Vorrichtung kann durch Programmierung des Zählers auch als Drehgeber dienen. Um z.B. den Rotor einer Zementmühle in eine gewünschte Winkelposition zu bringen, kann man den Zähler auf einen bestimmten, diesem Winkel entsprechenden Zählstand voreinstellen; beim Erreichen dieses Zählstandes wird vom Zähler ein Signal abgegeben, das den Rotorantrieb stillsetzt. Man kann die Vorrichtung auch als Taktgeber zur Abbildung des elektrischen Winkels bei rotierenden elektrischen Maschinen benutzen.
• Bei mindestens zwei Impulsgeber- Einheiten kann auch die Drehrichtung festgelegt werden.
• Zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit (Drehzahl) ist es erforderlich, die vom Impuls geber gelieferten Impulse jeweils während aufeinanderfolgender, stets konstanter Zeitintervalle abzuzählen. Dazu braucht man zwei Speicher, einen für den jeweiligen Zählstand am Anfang jedes solchen Zeitintervalls und einen für den Zählstand am Ende des Intervalls. Jedes Zeitintervall ist durch zwei elektrische Nadelimpulse markiert, welche die Einspeicherung bzw. Umspeicherung des jeweiligen Zählstandes bewirken. Ferner ist ein kleiner Rechner vorgesehen, der die Differenz der beiden Zählstände ausrechnet; diese Differenz entspricht dann der Impulszahl im konstanten Zeitintervall und ist der Drehzahl proportional.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Elektromagnetischer Impulsgeber zur Verschlüsselung der Winkelstellung und der Drehgeschwindigkeit einer drehbaren Achse, mit einer mit dieser Achse starr gekoppelten, aus ferromagnetischem Material bestehenden Zahnscheibe, deren Zähne beim Drehen der Achse ein Magnetfeld periodisch beeinflussen, dessen Aenderungen detektiert und in elektrische Impulse umgesetzt werden, die von einem Zähler aufgenommen und zwecks Gewinnung einer digitalen Verschlüsselung des jeweiligen Drehwinkels gezählt werden, gekennzeichnet durch eine von einer Quelle (KS) konstanten Stromes gespeiste Sendespule (SS) mit magnetisierbarem, U-förmigen Kern (K1) und einem ebenfalls U-förmigen, magnetisierbaren Empfangskern (K2), wobei die Kerne (K1, K23 mit einander zugewandten Schenkeln spiegelsymmetrisch zueinander derart angeordnet sind, dass die Symmetrieachse auf der Drehachse (Dr) der Zahnscheibe (ZS) senkrecht steht und die beiden Kerne (K1, K2) sich zu beiden Seiten der sich drehenden Zahnscheibe (ZS) in einer solchen Entfernung von der Drehachse (Dr) befinden, dass bei Durchgang eines Zahns (Z) zwischen den Kernen (K1, K2) der Empfangskern (K2) gegenüber dem Sendekern (K1) in der Hauptsache abgeschirmt wird, während bei Durchgang einer Lücke (L) die magnetische Koppelung zwischen beiden Kernen keine wesentliche Behinderung erfährt, und ferner gekennzeichnet durch ein Wandlerelement (ES,W), welches die Magnetfeld- bzw. Induktionsänderungen im Empfangskern (K2) in elektrische Spannungsimpulse umwandelt und dem Zähler (Z1) zuführt, der einerseits die Impulse zwecks Gewinnung der digitalen Winkelverschlüsselung von einem bestimmten, durch eine Markierung auf der Zahnscheibe(ZS) festgelegten Bezugsimpuls an zählt und andererseits die während eines konstanten Zeitintervalls eintreffenden Impulse periodisch ab zählt und somit ebenfalls in digitaler Gestalt eine der Drehgeschwindigkeit proportionale Grösse liefert.

2. Impulsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (KS) konstanten Stroms eine Wechselstromquelle mit konstanter Frequenz ist, die beträchtlich höher ist als die höchste Frequenz der durch die Zähne (Z) bzw. Lücken (L) bewirkten subzessiven Magnetisierungsänderungen im Empfangskern (K2), und ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (ES) eine Spule ist, die als Wicklung auf dem Empfangskern (K2) angebracht ist und deren Ausgang über eine Demodulationseinheit, ein Schwellglied und einen Impulsformer mit dem Zählereingang verbunden ist.

3. Impulsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (KS) konstanten Stroms eine Gleichstromquelle ist und als Wandlerelement ein im Magnetfeld des Empfangskerns (K2) angeordneter galvanomagnetischer Wandler (H) dient.

4. Impulsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der galvanomagnetische Wandler (H) eine Hallsonde ist.

5. Impulsgeber nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen galvanomagnetischen Wandler (H) in Gestalt eines Feldplättchens.

6. Impulsgeber nach Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch doppelte Ausführung der Sende-Empfangskern-Kombination (K1, K2), derart, dass zur Kompensation des Einflusses einer Axialverschiebung der Zahnscheibe (ZS) die beiden Kernkombinationen in einem Abstand von (n+l/2) ZA voneinander angeordnet sind, wo ZA den Zahnabstand und n eine ganze Zahl bedeuten, und dass die Ausgangssignale der beiden Wandlerelemente auf den Eingang eines Differienzverstärkers (D) geführt sind.

7. Impulsgeber nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Festlegung des Zähl- Bezugspunktes einer der Zähne (Z) der Zahnscheibe (ZS) eine von den übrigen Zähnen verschiedene Breite aufweist.

8. Impulsgeber nach Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Programmierung des Zählers (Z1) in der Weise, dass der Zähler (Z1) bei einem voreingestellten Zählstand ein Signal abgibt, welches den Antrieb der Drehachse (Dr) stillsetzt, so dass die Vorrichtung als Drehgeber dient.

9. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl aufeinanderfolgende konstante Zeitintervalle durch eine Folge von Nadelimpulsen erzeugt werden, dass zwei durch diese Nadelimpulse gesteuerte Speicher vorgesehen sind, deren einer den Zählstand am Beginn eines Zeitintervalls und deren zweiter den Zählstandam Ende dieses Intervalls einspeichert, und ferner ein Rechner vorhanden ist, der jeweils bei Uebernahme des Zählstandes in den zweiten Speicher die der Drehzahl proportionale Differenz des Zählstandes im zweiten und im ersten Speicher bildet und.zur Anzeige bringt, wonach der erste Speicher gelöscht wird und den Inhalt des zweiten Speichers übernimmt, der bis zur Einspeicherung des nächsten Zählstandes leer bleibt.

10. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet durch mindestens zwei Sendekern-Empfangskern-Einheiten (K1, K2) zur Unterscheidung der Drehrichtung der Zahnscheibe (ZS). L e e r s e i t e