DE2546197A1

DE2546197A1 - Elektromechanischer signalumformer

Info

Publication number: DE2546197A1
Application number: DE19752546197
Authority: DE
Inventors: Carl Torbern Teiling
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1974-10-15
Filing date: 1975-10-15
Publication date: 1976-04-22
Also published as: BE834548A; SE7412929L; GB1528794A; DE2546197C3; DE2546197B2; US4047087A; SE385972B

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. STROHSCHÄNK

8000 MÜNCHEN 60 · MUSÄUSSTRASSE 5 ■ TELEFON (0811) 881608

15.1O.1975-SFLa(4) 19O-1395P

Elektromechanischer Signalumformer

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Signalumformer zum Umsetzen mechanischer analoger Winkelinformation in elektrische Linearinformation.

In der Meß- und Regelungstechnik besteht vielfach Bedarf an elektromechanischen Umformern oder Wandlern zum Umsetzen von analog anfallenden mechanischen Daten in elektrische Signale oder Daten. Solche mechanische Daten können speziell eine Winkelinformation darstellen, wobei das üblichste Wandlerelement ein Potentiometer ist. In seiner gebräuchlichsten Form liefert ein solches Potentiometer eine Ausgangsspannung, die eine lineare Funktion der mechanischen Drehbewegung ist, die erfaßt werden soll. Ein Nachteil dieser Potentiometer liegt darin, daß sie einen beweglichen Schleifkontakt aufweisen, der auf einer als Spannungsteiler geschalteten Widerstandsspule entlanggleitet. Dabei ist es nur schwer möglich, eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Auflösung zu erreichen, und die erzielbare Genauigkeit ist nur relativ gering.

Ein weiteres elektromechanisches Wandlerelement stellt der Drehinduktor dar. Diese Induktoren gibt es in vielen verschiedenen Bauformen, wobei eine davon eine normale Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, die mechanisch so angeordnet sind, daß sich bei einer Drehung des Rotors eine lineare Ausgangsspannung ergibt.

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Die gebräuchlichste Ausführung mit der einfachsten Wicklungstechnik ergibt eine trigonometrische Ausgangscharakteristik in Entsprechung zur Drehbewegung und mit Proportionalität zum Sinus und/oder Cosinus des Drehwinkels.

Bei manchen Präzisionsausführungen jedoch ist eine sogenannte Steuerwicklung vorgesehen, um einen Proportionalitätsfaktor von hoher Genauigkeit zu erhalten. Dies wird dadurch erreicht, daß mit einer Rückkopplungsschleife gearbeitet wird, um ein konstantes Verhältnis der Sekundärwindungen zu den Primärwindungen zu erhalten. Die vorerwähnten Bauformen mit einfacher Wicklungstechnik lassen sich jedoch nicht mit solchen Steuerwicklungen ausstatten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Signalumformer der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der eine einer Winkeldrehung proportionale Spannung abgibt und einen variablen Proportionalitätsfaktor von hoher Zuverlässigkeit auf v/eist.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der elektromechanische Signalumformer eine Primärwicklung und mindestens eine erste und eine zweite Sekundärwicklung aufweist, von denen die Sekundärwicklungen senkrecht zueinander angeordnet und relativ zur Primärv/icklung drehbar sind, die mit dem Ausgang eines Verstärkers verbunden ist, der über diese Primärwicklung und die erste Sekundärwicklung induktiv rückgekoppelt ist und mit einem Eingang an einer Eingangsspannung liegt, deren Verhältnis zu einer Spannung über der zweiten Sekundärwicklung ein lineares Maß für die Drehung der Sekundärwicklungen relativ zur Primärwicklung ist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung führt zu einem Signalumformer, der aus einer eingangsseitig zugeführten Winkelinformation in Form einer mechanischen Drehbewegung eine elektrische Ausgangsspannung gewinnt, die der eingangsseitigen Winkelinformation proportional ist, wobei der Proportionalitätsfaktor variiert werden kann.

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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen im einzelnen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden elektromechanischen Signalumformers und

Fig. 2 eine Ausführungsvariante desselben Signalumformers (in gleicher Darstellung wie Fig. 1).

Der in Fig. 1 dargestellte Signalumformer besitzt eine Primärwicklung 1 und eine erste und eine zweite Sekundärwicklung 2 bzw. 3. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 steht die Primärwicklung 1 fest und die Sekundärwicklungen 2 und 3 sind drehbar, jedoch ist selbstverständlich auch die umgekehrte Anordnung möglich. Die Sekundärwicklungen 2 und 3 sind senkrecht zueinander angeordnet und lassen sich relativ zur Primärwicklung 1 um eine Achse 4 drehen, wie dies in Fig. 1 durch einen Doppelpfeil S angedeutet ist.

Die Primärwicklung 1 ist elektrisch zwischen den Ausgang eines Verstärkers 5 und ein festes Potential wie beispielsweise das Nullpotential eingeschaltet. Die Sekundärwicklungen 2 und 3 sind ebenfalls mit einem Ende an das feste Potential, das Nullpotential, angeschlossen, und das zweite Ende der ersten Sekundärwicklung 2 ist mit dem Eingang des Verstärkers 5 verbunden. Der Widerstandswert der ersten Sekundärwicklung 2 und des gesamten Zweiges der Schaltung, mit dem diese Sekundärwicklung 2 gekoppelt ist, ist in Fig. 1 mit Rl bezeichnet. Weiter besitzt der Verstärker 5 eine Rückkopplungsschleife mit einem Widerstand R2.

Der Eingang des Verstärkers 5 wird über einen Widerstand 6 aus einer Spannungsquelle mit einer Eingangsspannung Vl gespeist.

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Wie oben erwähnt, ist ein Ende der Sekundärwicklung 3 auf Nullpotential gelegt, während das andere Ende dieser Sekundärwicklung 3 zu einer Ausgangsklemme geführt ist, an der eine Spannung V2 abnehmbar ist. Diese Spannung V2 stellt also die Spannung über der Sekundärwicklung 3 dar. Der Drehwinkel s für die Drehung der Sekundärwicklungen 2 und 3 relativ zur Primärwicklung 1 bestimmt sich aus den Zusammenhängen zwischen den beiden Spannungen V2 und Vl, wie im folgenden noch mathematisch hergeleitet wird.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 insoweit, als die zweite Sekundärwicklung 3 in Fig. nicht mehr auch galvanisch sondern nur noch mechanisch mit der ersten Sekundärwicklung 2 gekoppelt ist und der Verstärker 5 eine induktive Rückkopplungsschleife mit einer feststehenden weiteren Sekundärwicklung 7 aufweist, die parallel zur Primärwicklung 1 angeordnet ist. Der Widerstandswert dieses Rückkopplungszweiges ist in Fig. 2 mit R2 bezeichnet. Der Zweck dieser feststehenden Sekundärwicklung 7 läßt sich aus unten folgenden Erläuterungen ersehen.

Die Darstellungen in der Zeichnung zeigen nur zwei von vielen weiteren Ausführungsmöglichkeiten, so kann der Verstärker 5 beispielsweise als Spannungsverstärker geschaltet sein, wobei die Eingangsspannung Vl an einem Eingang eingespeist wird und die Widerstände Rl und R2 am zweiten Eingang liegen oder die Wicklungen 1 und 2 oder 7 und 2 in geeigneter Weise in Serie geschaltet sind.

Das Verhältnis der jeweiligen Sekündärwindungen zu den Primärwindungen ist in beiden dargestellten Beispielen so gewählt, daß die Ausgangsspannung aus der ersten Sekundärwicklung 2 dem Cosinus des Drehwinkels s proportional ist, während die Ausgangsspannung aus der zweiten Sekundärwicklung 3 dem Sinus des Drehwinkels s proportional ist. Die dem Drehwinkel s = 0 entsprechende Winkelstellung ist dabei beispielsweise als die Stellung de-

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finiert, in der die Ausgangsspannung aus der zweiten Sekundärwicklung 3 Null ist.

Für die folgenden Rechnungen sollen die Leitwerte Gl = ^y und G2 = ■=-* eingeführt werden.

Dann ergibt sich für eine Spannung V3 über der Primärwicklung 1, die Eingangsspannung Vl für das Verstärkersystern und den Drehwinkel s folgender Zusammenhang:

V3 = Vl

G2 + Gl cos s

wobei Gl und G2 jeweils die Gesamtleitwerte für die entsprechenden Schaltungszweige sind.

Weiter gilt für die Spannung V2 über der zweiten Sekundärwicklung 3:

V2 = V3 sin s= Vl · sin s

G2 + Gl cos s

Durch Auswahl unterschiedlicher Werte für die Widerstände Rl und R2 lassen sich unterschiedliche Charakteristiken für das Verhältnis V2/V1 erhalten.

Um der Überschaubarkeit willen werden diese Charakteristiken so normiert, daß die Neigung bei 0=1 wird, d.h. daß Gl + G2 = 1 gilt.

Es kann von Vorteil sein, mit dem wichtigen Sonderfall zu arbeiten, daß G2 gleich oder nahezu gleich 2 Gl ist. Für diesen Fall ergibt sich für das Verhältnis

-rry = s · constant. €09817/0925

_₆_ 25A6197

Wenn nun Gl + G2 gleich 1 ist, so wird die Konstante in der vorstehenden Beziehung etwa gleich 1, und wir erhalten das gewünschte Verhältnis.

Dies wird in folgender Weise erhalten:

Eine Reihenentwicklung von sin s bzw. cos s führt zu:

sin s = s - -7 s + -S-T₅₇T s - ... bzw.

12 cos S=I-^s + -jt~ s -

Damit erhalten wir:

V2 s(l-6 s^Z+12Qs⁴ - ...)

Vl " 2 , 4

6 72

^{S(1 +} 120(1 - 4) I₊ s⁴ .-

72 (1 4-^

4 ^S

/_1 1 ) . __1 I

( 120 72 J _s2 '"J

^mit T2Ö * ΊΊ ⁼ " °'⁰⁰⁵⁵·

Dies läßt sich auch schreiben

^l = s (1 + K(S)) wobei k(s) kleiner ist als - 0,0055 * s⁴. In der Praxis beträgt

eO98 1 7/0925

die Abweichung von einer exakt linearen Funktion nur 0,0018 für einen Drehwinkel s = 45 .

Die Ausführungsform eines Signalumformers nach Fig. 1 leidet in manchen Fällen unter dem Mangel, daß das Verhältnis der Primärwindungen zu den Sekundärwindungen mit der Temperatur variiert, und dies läßt sich nur zu einem bestimmten Anteil kompensieren. Wenn diese Schwäche der Ausführungsform nach Fig. 1 nicht hingenommen werden kann, muß ein Präzisionsumformer nach Fig. 2 mit einer weiteren feststehenden Sekundärwicklung gewählt werden.

Die Wicklung 7 führt ebenso wie die Wicklung 2 in Fig. 2 nicht viel Strom, und die temperaturbedingten Widerstandsänderungen werden daher nicht merklich. Außerdem gibt es keine Veränderung im Verhältnis der ersten Sekundärwindungen zu den zweiten Sekundärwindungen.

Bei einem Dimensionierungsbeispiel können die Widerstände in Fig. 1 die folgenden Werte erhalten:

Rl = 200 k_Q, R2 = 100 k XL und Widerstand 6 = 66,67 kil.

Der Verstärker 5 kann ein Modell National Semiconductor LM 201 sein.

Unter Verwendung der oben angegebenen Ausdrücke ergibt dies

Vl ~ ^fa*

Θ09817/0925

Claims

l.J Elektromechanischer Signalumformer zum Umsetzen mechanischer analoger Winkelinformation in elektrische Linearinformation, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Primärwicklung (1) und mindestens eine erste und eine zweite Sekundärwicklung (2 bzw. 3) aufweist, von denen die Sekundärwicklungen (2 und 3) senkrecht zueinander angeordnet und relativ zur Primärwicklung (1) drehbar sind, die mit dem Ausgang eines Verstärkers (5) verbunden ist, der über diese Primärwicklung (1) und die erste Sekundärwicklung (2) induktiv rückgekoppelt ist und mit einem Eingang an einer Eingangsspannung (Vl) liegt, deren Verhältnis zu einer Spannung (V2) über der zweiten Sekundärwicklung (3) ein lineares Maß für die Drehung der Sekundärwicklungen (2 und 3) relativ zur Primärwicklung (1) ist.
2. Signalumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (5) über die Primärwicklung (1) und eine weitere Wicklung (7) induktiv rückgekoppelt ist.
3. Signalumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte für die beiden induktiven Rückkopplungszweige des Verstärkers (5) so bemessen sind, daß der Widerstand (Rl) für den die erste Sekundärwicklung (2) enthaltenden Rückkopplungszweig doppelt so groß ist wie der Widerstand (R2) für den die weitere Wicklung (7) enthaltenden Rückkopplungszweig.
4. Signalumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (5) einen Rückkopplungszweig mit Widerstandsrückkopplung aufweist.
5. Signalumformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte für die beiden Rückkopplungszweige des Ver-

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stärkers (5) so bemessen sind, daß der Widerstand (Rl) für den

die erste Sekundärwicklung (2) enthaltenden Rückkopplungszweig

so groß ist wie der Widerstand (R2) für den Rückkopplungszweig mit Widerstandsrückkopplung.

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JO

L e e r s e i t e