DE2416508A1

DE2416508A1 - Induktiver positionsaufnehmer

Info

Publication number: DE2416508A1
Application number: DE2416508A
Authority: DE
Inventors: Wim Visser
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-04-13
Filing date: 1974-04-04
Publication date: 1974-10-31
Also published as: DE2416508B2; DE2416508C3; FR2225799B1; FR2225799A1; JPS5616882B2; US3962663A; JPS502961A; NL7305172A; GB1465847A

Description

FEE.6850
DES17/FF .

Γ," ..-.,.:,,„„ 22-1-1974

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Ah₃No,. PHN- 6850

Anmeldung vom, 3. April 1974 2416508

"Induktiver Fositionsaufnehmer"

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Bestimmen eir.e: Relativposition auf induktives! Wege in einer Richtung zweier Schlitten
mit einer von einem alternierenden Stromsignal ansteuerbaren und in
einer ersten entlang der erwähnten Richtung liegenden Ebene, an erster
Schlitten befestigten Signalwicklung mit mindestens einer senkrecht auf der erwähnten Richtung stehenden ersten Käanderwindung und zwei in
einer zweiten Ebene parallel zur erwähnten ersten Ebene liegenden, an
zweiten Schlitten befestigten Aufnehmerwicklungen mit senkrecht auf der erwähnten Richtung stehenden und mit Schenkeln versehenen zweiten
Käanderwindung en, in denen bei Uebereinstimnung iriit der mindestens eineersten Iläanderwindung ein Positionssignal erzeugbar ist. Ein derartiger induktiver rositionsaufnehiaer ist aus der U.S.A.-Patentschrift
2.799·δ35 bekannt. Die Anordnung arbeitet wie ein Transformator, wobei . ein Ausgangssignal von der Relativposition parallel zur erwähnten ·
Richtung der zv/ei Schlitten abhängig ist; wenn von einer Aufnehrcerv/ick-

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einer oder mehrere senkrecht auf der erwähnten Richtung I-Iäanderschenkel entlang entsprechenden Schenkeln der Signalwicklung liegen, ist das Stellensignal stärker als in dem Falle, wenn dies nicht so ist. Unter einer Mäanderwindung sei eine Windung verstanden, wie die des gleichnamigen Flusses, bei dem die Querrinne bemerkenswert ist und oft grosser als die Breite der Windung in der erwähnten Richtung. Die Windungen können eine eckige Linienführung aufweisen. Vorzugsweise werden die Wicklungen in einer Ebene, z.B. als Druckverdrahtung, verlegt. Durc die Höhe des Signals in den beiden Aufnehmerwicklungen ist eine verhält nismässige Stelle der Schlitten bestimmbar. Wenn von den Wicklungen die Mäanderwindungen nach einem periodischen Mus-ter angeordnet sind, hat auch das aufgenommene Signal einen ir.it der Stelle periodischen Charakter: durch die Periodenzahl im Signal wird die Stellenänderung und gegebenenfalls auch die Geschwindigkeit gegeben. Hit zwei gegeneinander verschobenen Aufnehmerwicklungen kann auch die Richtung der Aenderung bestimmt werden, denn sie erfolgt aus der Phasendifferenz zwischen der. beiden Stellensignalen.

Hinsichtlich der Schlitten ist es unwichtig, welcher in Bewegung ist und welcher stillsteht, oder ob sich beide bewegen, beide in der erwähnten Richtung oder auch nicht. Die Erfindung ist z.B. bei Werkzeugmaschinen und bei einstellbaren Lese/schreibarnen magnetischer Scheibenspeicher anwendbar. Es ist jedoch nachteilig, wenn die Käanderwindungen nicht genau senkrecht auf der erwähnten Richtung stehe: oder wenn eine der erwähnten zwei Ebenen um die erwähnte Richtung als Achse gedreht ist, wie später erläutert wird. Zur Lösung dieses Probler:. ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass zwischen periodisch aufgestellten zweiten Käanderwindungen einer Aufr.ehnerwicklung periodisch angeordnete Abschnitte vorgesehen sind, in denen mindestens je-

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weils eine zweite Käanderwindung der anderen Aufηehmerwicklung angeordnet ist, dass in der erwähnten Richtung Gruppen entsprechender Anzahler. zweiter lläanderwindungen der zwei Aufnehmerwicklungen miteinander abwechseln, dass die zweiten Käanderwindungen der "beiden Aufnehmerwicklungen mit gleicher Periode, jedoch phasenverschoben angeordnet sind,-Windungen der Signalwicklung entsprechen, und dass die Schenkel der zweiten Käanderwindungen derart bemessen sind, dass ihre Durchschnitts-Kittellinien zusammenfallen. Da die Mittellinien der zwei AufnehnerwicL:- lungen zusammenfallen, hat eine Abweichung in der Stelle wie oben erwähnt wenig Einfluss. Dadurch werden Differentialmessungen wenig beeinflusst und sind bei Verschiebung auch die mittleren Amplituden der Stellensignale gleich, was für regeltechnische Anwendungen vorteilhaft ist. Ein Teil dieser Vorteile wird durch die Ausführung nach der er-λΐ§ηηΐβη Ti.S.A.-Patentschrift 2.799*835 erreicht. Die zweite Äufnehmerwicklung ist in zwei Teile unterteilt, die an beiden Seiten der erster. Aufnehmerwicklung liegen. Dann jedoch v/erden die Käanderwindungen der Signalwicklung sehr lang.Auch ist es ein Eachteil, dass zwar der Abweichung (z.B. die Drehung) proportionale Effekte gut ausgleichbar sind. aber z.3. nicht die Effekte 2.Ordnung, die dein Quadrat der Abweichung proportional sind. Die Erfindung ermöglicht einen sehr gedrängten Bau, und das Zusammenfallen der Mittellinien bewirkt einen Ausgleich der Effekte jeder Ordnung. Spezielle Bemessung der Schenkellängen ermöglicht es, dieses Zusammenfallen der Mittellinien nur zum Teil zu verwirklichen. Wo früher eine regelmässig.e Rechteckform verwendet wurde, wird dieses Ziel erfindungsgenäss durch spezielle Abweichungen von der Rechteckforir. erreicht.

Es ist ein Vorteil, wenn die Schenkelenden der zweiter, iläanderwinäungen abwechselnd auf einer von zwei in der erwähnten Rieh-

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tung.verlaufenden Linien liegen. Es ist eine einfache Methode, auf diese V/eise die 1-littellinien zur Deckung zu Wringen.

Es ist ein weiterer Vorteil, wenn die erwähnten Anzahlen mindestens gleich 2 sind, und die Abschnitte zwischen den zu derselben Gruppe gehörenden Käanderwindungen flacher sind als die Abschnitte zwischen den äussersten zweiten Käanderwindungen aufeinanderfolgender Gruppen zweiter Käanderwindungen derselben Aufnehiaerwicklung. Dies ist ein-e andere einfache Methode, die Ilittellinien der ersten und zweiten Aufnehiaerwicklung genau zur Deckung zu bringen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Anzahl Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Anordnung nach den Stand der Technik, Fig. 2 eine zweite Anordnung nach dein Stand der Technik, Fig. 3 eine erste erfindungsgemässe Anordnung, Fig. 4 eine zweite erfindungsgemässe Anordnung, Fig. 5 eine dritte erfindungsgenässe Anordnung, Fig. 6 eine vierte erfindungsgemässe Anordnung. Die bekannte Anordnung nach Fig. 1 enthält eine erste Aufnehaerwicklung A mit Ausgangsklemmen A1 und 2 und nach unten senkrecht auf der Terbindungsrichtung zwischen den Ausgangsklemmen A1 und stehende und eckige gebildete Käanderwindungen. Die Breiten der Käanderwindungen und die Breiten der Abschnitte zwischen aufeinanderfolgenden Mäanderwindungen sind jeweils gleich: auf diese V/eise bildet die erste Aufnehmerwicklung ein periodisches und symmetrisches Muster mit einer Periode der doppelten Breite einer Mäander win dung. Auf die gleiche V/eis«: ist die zweite Aufnehmerwicklung B mit den Ausgangsklemmen B1 und B2 unc mit senkrecht auf der Yerbindungsrichtung zwischen den Ausgangsklemmen B1 und B2 nach oben gerichteten und eckig gestalteten Käanderwindungen:

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die zwei Aufnehmerwicklungen haben die gleiche Periode und liegen z.B. als Druckverdrahtung in einer Ebene. Sie sind in bezug aufeinander um ^- Periode verschoben; dies kann z.B. auch eine Verschiebung um 1/6 oder 1/3 Periode sein.

Die Anordnung enthält weiter eine Signalwicklung C mit

den Anschlussklemmen C1 und C2 und senkrecht auf der Verbindungsrichtun zwischen den Anschlussklemmen C1 und C2 nach oben gerichteten eckig gestalteten Mäanderwindungen mit der gleichen Periode wie die der Aufnehmerwicklung. Um anzugeben, dass die z.B". auch in der Druckverdrahtun technik ausgeführt Signalwicklung in einer parallel zur 3bene der Aufnehmerwicklungen liegenden 3bene liegt, ist sie punktiert angegeben. Die Signalwicklung ist z.B. an einen Sinus-, Impuls- oder Rechteckgenerator anschliessbar: durch Transformatorwirkung ist ein Positionssignal an den Ausgangsklemmen detektierbar. Bei Verschiebung der Signalwicklung in der Richtung zwischen den Anschlussklemmen C1 und C2 sind die Positionssignale amplitudenmoduliert und abwechselnd gleich- oder gegensinnig mit dem alternierenden Signal im Signalgenerator. Venn die Bewegung nahezu gleichförmig ist, weisen die Maxima in den alternierenden Stellensignalen in den Aufnehmerwicklungen eine phasendifferenz auf. Das Vorzeichen der Phasendifferenz ist für die Richtung der Verschiebung bestimmend. Wenn die Bewegung nicht gleichförmig ist, kann durch logische Mittel die Bewegungsrichtung gleichfalls bestimmt werden. Es treten jetzt Probleme auf, wenn die Orientierungen der Signalwicklung und der Aufnehmerwicklungen dadurch ungleich sind, dass die Schlitten, auf denen diese Wicklungen befestigt sind, in bezug aufeinander gedreht sind. Fig. 1 zeigt eine Signalwicklung D mit Anschlussklemmen D1 und D2, die in bezug auf die Richtung zwischen den Ausgangskienr.en A1 und A2 uni B1 und 32 gedreht ist (Rotationsachse senkrecht zu der .'ibene der Auf-

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nehmerwicklungen). Dadurch ändert sich der Phasenunterschied zwischen den Stellensignalen. Der Phasenunterschied kann so klein werden, dass es unmöglich wird, die Bewegungsrichtung zu bestimnen, namentlich bei externen Störungen und grossen Verschie.bungsgeschwindigkeiten. Venn die Wicklungen derart dimensioniert sind, dass die Amplituden der Stellensignal in der erwähnten Richtung sinusförmig schwanken, bilden die Nulldurchgänge ein System definierter Stellen z.B. der radialen Stellen der Schreibspuren in einem Magnetplattenspeicher. ITm eine gross-Schreibdichte zu erzielen, werden diese Spuren möglichst dicht zusanuner. gestellt. Wenn der Fhasenunterschied der beiden Signale als Punktion der Stelle nicht genau 90 ist, müssen die Spuren weiter auseinander gelegt werden, wodurch sich die mittlere Schreibdichte verkleinert.

Pig. 1 zeigt eine weitere Signalwicklung Ξ zusaacen axt

den Aufnehmerwicklungen A und B in einer Frontansicht; hier hat Rotatio· um eine den Verbindungsrichtungen zwischen den Ausgangsklemmen A1 und A2 und B1 und 32 parallele Achse stattgefunden: es ist deutlich, dass sich auch hier Probleme einstellen,- denn das Stellensignal in der Aufnehmerwicklung B ist im Mittel stärker als das in der Aufnehmervicklung Ä, was die Positionsbestimmung erschwert. Derartige Schwierigkeiten treten auf, wenn die Stellensignale in einer Regelschleife verwendet Werdens dann müssen sie nämlich gleich sein. Dies lässt sich zvar durch einen Abschwächer oder einen Verstärker erreichen, aber ein solches Gerät erfordert zusätzliche Einzelteile.

Schliesslich ist Rotation um eine Achse in der Ebene der Wicklungen senkrecht zu den Verbindungsrichtungen zwischen den Ausgangsklemmen A1 und A2 und B1 und B2 möglich. Dadurch werden die Signale in den beiden Aufnehnerwicklungen gleich "beeinflusst, was nicht störend ist.,

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Fig.2 gibt eine zweite Anordnung nach dem Stand der Technik. Die Wicklung AA erfüllt eine entsprechende Funktion wie die Wicklung A nach Fig. 1 usw. Die Wicklung AA "besteht aus zwei Hälften, die ober- bzw. unterhalb der Wicklung BB liegen. Die Abmessung in vertikales Richtung (senkrecht auf der Verbindungsrichtung zwischen den Ausgangsklemmen BB1 und BB2) der Iläanderwi'ndungen der Aufnehmerwicklung AA ist immer die Hälfte der entsprechenden Abmessung der Käanderwindungen der Aufnehmerwicklung BB, so dass in erster Annäherung Rotationen wie die der Signalwicklungen D und Ξ nach Fig. 1 wenig Einfluss haben. Lies ist jedoch aus folgenden Gründen nicht inner gewährleistet. Erstens ist jetzt die Aufnehmerwieklung BB zentral und die Aufnehmerwicklung AA exzentrisch angeordnet. Dazu ist.es nötig, dass die Feldforn des Signals in der Signalwicklung CC senkrecht auf der Verbindungsrichtung zwischen den Klemmen CC1 und CC2 genau einheitlich ist: deshalb ragt die Signalwicklung CC verhältnismässig weit aus den Aufnehnerwicklungen heraus und erfordert somit viel Platz, '..'eiter kann ein Signal SA in der Aufnehmerwicklung A(Fig.i) inAbhängigkeit von Winkel w zwischen denbeiden

Ebenen folgende Form haben: Sa = SAO + SA1 . w + SA2 . ν +

Die Grossen SAO, SA1 .... bilden eine Koeffizientenreihe. Für das Signal SB in der Aufnehmerwicklung B gilt: SB = SBO + SB1 . (-w) + SB2 .

Bei der Anordnung nach Fig. 2 kann man sich die Aufnehmerwicklung AA als die Summe zweier Wicklungen denken, nämlich A und B nach Fig. 1 und derart verschoben, dass sie räunlich phasengleich sind. Beim Addieren der Signale SA und SB kompensieren sich die Grossen erster Ordnung, aber die Grossen zweiter Ordnung nicht. Gleichen gilt für Effekte durch die Drehung gemäss der Signalwicklung D nach Fig. 1.

Fig. 5 gibt eine erste Ausführung einer erfindungsgenäss-

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en Anordnung, bei der die Signalwicklung C dieselbe ist wie die nach Fig. 1, jedoch die Aufnehmerwicklungen P nit den Ausgangsklemmen ?1 und F2 und G mit den Ausgangsklemmen G1 und G2 Abschnitte zwischen den Mäanderwindungen aufweisen, deren Breite jeweils dreimal die Breite der Käanderwindungen ist. Man kann sich das Entstehen dieser Abschnitte dadurch denken, dass in der Fig. 2 jeweils reihum die Käanderwindungen ausgelassen und die Wicklungen ineinander geschoben werden. Die Fositionssignale werden dadurch erzeugt, dass die senkrecht auf der Richtung C1 und C2 stehenden Schenkel der Signalwicklung C parallel zu den entsprechenden Schenkeln der Käanderwindungen der Aufnehmerv/icklungen P und G liegen. Die Kittellinien der vertikal gezeichneten Schenkel der Käanderwindungen fallen hier in der Linie FG dadurch zusannen, dass die Abschrägungen über einen Abstand no den Effekt der Abstände co ausgleichen! die schrägen Teile der Käanderwindungen können den Schenkeln der Signalwicklung nicht entsprechen, denn sie stehen etwa senkrecht darauf. Die Grossen von no und no werden bei der Pig. 5 besprochen.

Fig. 4 zeigt eine zweite erfindungsgeaässe Anordnung. Xs: kann sie besehreiben, als wären pro Aufnehaerwicklung jeweils zwei angrenzende Käanderwindungen ausgelassen und die nächste aufrechterhalter.. Diese Ausführung weist den Vorteil auf, dass der kleinste Abstand zwischen zwei senkrecht auf der Richtung H1 und H2 stehenden aufeinanderfolgenden Schenkeln gleich der Breite einer Käanderwindung ist, so dass die Periode verhältnismässig klein ist. Stellt man den technisch zu erreichenden Kindestwert für dieser. Abstand auf &_t so betragen für die Pig. 3 und 4 die Perioden der Käanderinuster 8a bzw. 6a. Dies ergibt ein€ genaue Stellenbestimmung. Die Verbindungen zwischen aufeinanderfolgender Käanderwindungen derselben Aufnehnerwicklung sind gebogen, so dass die Enden der Schenkel inner auf einer von zwei parallel zur Richtung Ξ*

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und H2 liegenden Linien liegen. Die Zwischenverbindungen stehen senkrecht auf den zuvor erwähnten Schenkeln der Signalwicklung, so dass sie damit wenig koppeln und nur wenig zum Positionssignal beitragen. Ausserdem fallen die Kittellinien der Schenkel der Mäanderwindungen der beiden Aufnehmerwicklungen jetzt exakt zusanaen, so dass die bei der Fig. 'i erwähnten Rotationen keinen Einfluss ausüben.

Fig. 5 gifct eine dritte erfindungsgenässe Anordnung, bei der genauso wie bei den Fig. 3 und 4 die Mittellinien der Schenkel der Mäanderwindungen beider Aufnehmerwicklungen K und L zusammenfallen. Biet wird dadurch erreicht, dass von ihnen das erste Moment, z.S. in bezug auf die Verbindungslinie zwischen Klemmen L1 und L2 pro Aufnehmerwicklung gleich ist. Das erste Moment wird dann als das Integral zwischen dem Anfangs- und den Endpunkt eines Schenkels gegeben: j 1dl, wenn I^ die Längenkoordinate ist. Für kleine V/er te von in in bezug auf den Abstand LL gilt ungefähr n/m = 2 (m X 0,0?). In der Figur is m/LL gleich 0,1, und dann ist m/LL ungefähr 0,24. Für m/LL grosser als ungefähr 0,146 ist keine Lösung möglich. Das Herleiten der Fig. 5 aus der Fig. 1 geschieht derart, dass jeweils drei aufeinanderfolgende l-'äancierwindungen pro Aufnehmerwicklung ausgelassen werden und jeweils zwei übrigbleiben. Für die Abstände mo und no nach Fig. 3 gilt dieselbe Berechnung wie für die Abstände η und m in Fig. 5· Dort sind sie jedoch nicht im richtigen Kasstab gezeichnet.

Fig. 6 zeigt eine vierte erfindungsgemässe Anordnung mit zwei Aufnehmerwicklungen K9 und .L9. Der Aufbau dieser Figur ist derart aus der Fig. 1 hergeleitet, dass jeweils drei Mäanderwindungen pro Aufnehmerwicklung ausgelassen werden und jeweils drei übrigbleiben. Es gill dabei, dass für kleine Werte von mi/LL1, z.3. kleiner als 0,1, der Wert von n1 durch ni/m1 gegeben wird, was ungefähr 1-g- entspricht. In der

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Figur ist mi/LL1 =0,2 und dann beträgt ni/LL1 = -| .

Es ist möglich, erfindungsgenäss die in den Fig. 3 bis 6 gezeigten Kassnahaen miteinander zu kombinieren.

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Claims

- 11 - PHN.6850 22-1-1974 Patentansprüche:

1.) Anordnung Bestimmen einer Relativposition auf induktive:?.

Wege in einer Richtung zweier Schlitten mit einer von einem alternierenden Stromsignal ansteuerbaren und in einer ersten entlang der erwähnten Richtung liegender Ebene am ersten Schlitten "befestigten Signalwicklung mit mindestens einer senkrecht auf der erwähnten Richtung stehenden ersten Käanderwihdung und zwei in einer zweiten Ebene parallel zur erwähnten ersten ITbene liegenden, an zweiten Schlitten "befestigten Aufnehmerwicklungen mit senkrecht auf der erwähnten Richtung stehenden und mit Schenkeln versehenen zweiten Käanderwindungen, in denen bei TJeberein Stimmung mit der mindestens einer ersten Käanderwindung ein Fositionf. signal erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen periodisch angeordneten zweiten Käanderwindungen einer .Aufnehmerwicklung periodisc angeordnete Abschnitte vorgeshen sind, in denen jeweils mindestens eine zweite lläanderwindung der anderen Aufnehmerwicklung angeordnet ist, dass in der erwähnten Richtung Gruppen entsprechender Anzahlen zweiter Häanderwindungen der zwei Aufnehmerwicklungen miteinander abwechseln, dass die zweiten Käanderwicklungen der beiden Aufnehmer\iicklungen mit gleicher Periode, jedoch phasenverschoben angeordnet sind, Windungen dei Signalwicklung entsprechen, und dass die Schenkel der zweiten Iläander- · windungen derart bemessen sind, dass ihre Durchschnittsmittellinien zusammenfallen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkelenden der zweiten Käanderwindungen abwechselnd auf einer der zwei in der erwähnten Richtung verlaufenden Linien liegen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, in der die erwähnten Anzahlen mindestens gleich 2 sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte zwischen den zu einer selben Gruppe gehörenden Häanderwindungen flacher sind als die Abschnitte zwischen den äussersten zweiten 1-Iäanderwindunge: aufeinanderfolgender Gruppen zweiter Mäanderwindungen einer selben

, , . . _ΙΊ 4098U/0690

Aufnehmerwicklung.