DE2929409A1

DE2929409A1 - Position measurement of magnetically, contactlessly mounted rotor - using phase-shifting comparator enabling easy position signal adjustment

Info

Publication number: DE2929409A1
Application number: DE19792929409
Authority: DE
Inventors: Hermann Ing Grad Berger; Karl Ludwig Dipl Ing Eiffert
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1979-07-20
Filing date: 1979-07-20
Publication date: 1981-02-05

Abstract

A position measurement circuit is esp. for determining the position w.r.t. a stator of a rotor with a contactless magnetic mounting. It contains a position sensor signal source and a phase sensitive rectifier and enables simple position signal adjustment. The signal source is connected to a comparator which provides the phase sensitive rectifier with a scanning pulse phase shifted in a selected manner w.r.t. the signal source output. This is achieved by also providing the comparator with a direct voltage continuously varying between positive and negative values. The signal source contains an oscillator driving a rectangular-to-sinusoid converter whose output is provided both to the sensor and to the comparator. The sensor contains two coils variably coupled by a rotor element.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanord-The invention relates to a circuit arrangement

nung gemäß Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.tion according to the preamble of the first claim.

Soll eine derartige Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Position eines Körpers eingesetzt werden, so kann grundsätzlich durch eine mechanische Justierung des Sensors das Positionssignal in eine vorgegebene Beziehung zur Position des Körpers gebracht werden, so daß beispielsweise das Nullsignal einer definierten Position entspricht. Die mechanische Justierung des Sensors erfordert jedoch einen nicht unerheblichen konstruktiven sowie arbeitszeitlichen Aufwand, wobei durch mechanische Toleranzen Grenzen gesetzt sind. Darüber hinaus bereiten betriebsbedingte Nullpunktsverschiebungen beispielsweise infolge von Temperaturänderungen große Schwierigkeiten. Gelangt eine derartige Schaltungsanordnung beispielsweise zur Bestimmung der axialen Position eines mittels einer aktiv geregelten magnetischen Vorrichtung gelagerten Rotors zum Einsatz, so sind Nullpunktsverschiebungen des Positionssignales nachteilig, da hierdurch eine beträchtliche Leistungsaufnahme eintritt. Gerade für derartige Anwendungsfälle besteht die Forderung, daß für eine vorgegebene Position des Körpers bzw. Rotors eine Restspannung des Positionssignales kompensiert werden kann.Should such a circuit arrangement for determining the position of a body are used, so can in principle by a mechanical adjustment of the sensor converts the position signal into a predetermined relationship to the position of the body be brought, so that, for example, the zero signal of a defined position is equivalent to. The mechanical adjustment of the sensor does not, however, require one insignificant design and labor expenditure, with mechanical Tolerances limits are set. In addition, there are operational zero point shifts great difficulties, for example, as a result of temperature changes. Get one such a circuit arrangement, for example, for determining the axial position a rotor supported by an actively controlled magnetic device are used, zero offsets of the position signal are disadvantageous, since this results in a considerable power consumption. Especially for such Applications there is the requirement that for a given position of the body or rotor, a residual voltage of the position signal can be compensated.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand eine Schaltungsanordnung zu schaffen, welche mit einfachen Mitteln eine Justierung des Positionssignales ermöglicht.The invention is therefore based on the object with little effort to create a circuit arrangement which can be adjusted with simple means of the position signal.

Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Mittels des Komparators, welchem ein vorwählbares Signal zugeführt wird, wird die Phasenlage des Abtastimpulses bezüglich des Eingangssignales in einfacher und vornählbarer Weise verschoben. Da mittels des Abtastimpulses die Mittel zur phasenempfindlichen Gleichrichtung angesteuert werden, werden somit die mechanischen Toleranzen des Sensors bzw. dessen Restspannung kompensiert. Darüber hinaus werden Phasenverschiebungen durch Verstärker oder dem Sensor zugeordnete Filter in einfacher Weise durch entsprechende Einstellung des Abtastimpulses kompensierbar.This object is given by the one specified in the first claim Features solved. By means of the comparator, which is supplied with a preselectable signal will, will the Phase position of the sampling pulse with respect to the input signal moved in a simple and preselectable manner. Since by means of the sampling pulse Means for phase-sensitive rectification are controlled, thus the mechanical tolerances of the sensor or its residual stress compensated. About that In addition, phase shifts are assigned by amplifiers or the sensor Filters can be compensated for in a simple manner by setting the sampling pulse accordingly.

Der Komparator enthält bevorzugt einen Differentialverstärker, an dessen Eingang einerseits das Eingangssignal und andererseits eine voiählbare Gleichspannung zugeführt wird. Das Eingangssignal wird zweckmäßig mittels einer Signalquelle, enthaltend einen Oszillator und einen Rechteck-Sinus-Wandler, erzeugt. Dem vorzugsweise induktiven Sensor wird ein Filter nachgeschaltet, dessen Durchlaßfrequenz auf die Frequenz des Oszillators abgestimmt ist, so daß Fehler infolge von Oberwellen oder Störsignalen weitgehend vermieden werden. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.The comparator preferably contains a differential amplifier its input on the one hand the input signal and on the other hand a variable DC voltage is fed. The input signal is expediently contained by means of a signal source an oscillator and a square-sine converter. The preferably inductive one A filter is connected downstream of the sensor, its pass frequency on the frequency of the oscillator is tuned, so that errors due to harmonics or interference signals largely avoided. Further advantages result from the subclaims and the embodiment.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 - ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung Fig. 2 - ein Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung mit induktivem Sensor.The invention is illustrated below with reference to the in the drawing Embodiment explained in more detail. 1 shows a block diagram of FIG Circuit arrangement Fig. 2 - a basic circuit diagram of the circuit arrangement with inductive Sensor.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 enthält eine Signalquelle, welche einen mittels Quarz t gesteuerten Oszillator 2 sowie einen Rechteck-Sinus-\5landler 3 aufweist. Diese Signalquelle liefert ein im wesentlichen sinusförmiges Eingangssignal U1, welches über einen Verstärker 4 an der Primärwicklung 5 eines Sensors 7 anliegt. Der Sensor 7 enthält eine Sekundärwicklung 6 sowie ein bewegbares Glied 8. Das Glied 8 ist insbesondere mit einem hier nicht dargestellten Rotor verbunden, wobei dieser mittels einer magnetischen Anordnung in Richtung seiner Drehachse aktiv stabilisiert wird. Das an der Sekundärwicklung 6 anstehende Sensorsignal U2 ist entsprechend der Stellung des Gliedes 8 und somit entsprechend der Rotorposition gegenüber dem Eingangssignal um einen Winkel t verschoben. Dem Sensor 7 ist ein Filter 9 nachgeschaltet, wobei die Durchlaßfrequenz fo der Frequenz des Eingangssignales U1 entspricht, so daß Oberwellen oder Störsignale aus dem Sensorsignal U2 heraus gefiltert werden. Das Sensorsignal U2 wird auf Mittel 10 zur phasenabhängigen Gleichrichtung geführt, welchen noch ein Verstärker 11 nachgeschaltet ist. Die Signalquelle 2, 3 ist weiterhin mit einem Komparator 12 verbunden. Dem Komparator 12 wird außerdem ein vorwählbares Schwellwertsignal S über einen Geber 13 zugeführt. Dem Komparator 12 ist ein Impulsformer 14 nachgeschaltet, welcher mit den Iiittelii 10 verbunden ist. Der zur Ax;: gmg des Impulsformers 14 anstehende Abtastimpuls I steht somit in einer definierten Phasenbeziehung zum Eingangssignal U1, wobei der Phasenrfinkel mittels des Gebers 13 vorwählbar ist.The circuit arrangement according to FIG. 1 contains a signal source which an oscillator 2 controlled by quartz t and a square sine wave generator 3 has. This signal source provides a substantially sinusoidal Input signal U1, which is applied to the primary winding 5 of a sensor 7 via an amplifier 4. The sensor 7 contains a secondary winding 6 and a movable member 8. The member 8 is in particular connected to a rotor, not shown here, this being actively stabilized by means of a magnetic arrangement in the direction of its axis of rotation will. The sensor signal U2 applied to the secondary winding 6 is corresponding the position of the member 8 and thus corresponding to the rotor position relative to the Input signal shifted by an angle t. The sensor 7 is followed by a filter 9, where the pass frequency fo corresponds to the frequency of the input signal U1, so that harmonics or interference signals are filtered out of the sensor signal U2. The sensor signal U2 is fed to means 10 for phase-dependent rectification, which an amplifier 11 is connected downstream. The signal source 2, 3 is still connected to a comparator 12. The comparator 12 is also a preselectable Threshold signal S is supplied via a transmitter 13. The comparator 12 is a pulse shaper 14 connected downstream, which is connected to the Iiittelii 10. The to the ax ;: gmg of the pulse shaper 14 pending scanning pulse I is thus in a defined Phase relationship to the input signal U1, the phase angle using the encoder 13 can be selected.

Zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltungsanordnung sei davon ausgegangen, daß der Phasenwinkel zwischen Abtastimpuls I und Eingangssignal U1 gleich Null ist und der Rotor sich in seiner Nullposition befindet, in welcher auch das Positionssignal U3 gleich Null sein sollte. Infolge einer fehlerhaften Justierung des Sensors 7 ist hierbei das Sensorsignal U2 gegenüber dem Eingangssignal U1 in der Phase verschoben, so daß über die Mittel 10 ein durch eine Restspannung verfälschtes Positionssignal U3 erzeugt wird. Zur Kompensation dieser Restspannung wird nun mittels des Gebers 13 der Abtastimpuls I in der Weise verschoben, daß er beim Nulldurchgang des Sensorsignales U2 auftritt. Mit anderen Worten: Der zunächst zum Eingangs signal phasengleiche Abtastimpuls I wird mittels des Gebers 13 und Komparators 12 um den gleichen Phasenwinkel verschoben, um welchen auCh das Sensorsignal U2 zum Eingangs signal U1 infolge Fehlausrichtung des Sensors verschoben ist.To explain the mode of operation of the circuit arrangement, reference is made to it assumed that the phase angle between sampling pulse I and input signal U1 is equal to zero and the rotor is in its zero position, in which also the position signal U3 should be zero. As a result of incorrect adjustment of the sensor 7 is the sensor signal U2 compared to the input signal U1 shifted in phase, so that via the means 10 a falsified by a residual voltage Position signal U3 is generated. To compensate for this residual stress, a of the encoder 13 of the sampling pulse I shifted in such a way that it is at the zero crossing of the sensor signal U2 occurs. In other words: The first to the input signal In-phase sampling pulse I is by means of the encoder 13 and comparator 12 to the shifted by the same phase angle by which the sensor signal U2 to the input signal U1 is shifted due to misalignment of the sensor.

In Figur 2 ist eine bevorzugte AusfüErungsform der Schaltungsanordnung dargestellt. Hierbei ist ein quarzgesteuerter Oszillator 21 vorgesehen, welcher mit einer Frequenz in der Größenordnung MHz schwingt. Dem Oszillator 21 ist ein digitaler Frequenzteiler 22 in Form eines handelsüblichen integrierten Schaltkreises nachgeschaltet. Der Frequenzteiler ist mit einem Rechteck-Sinus-Wandler enthaltend einen Differenzverstärker 23 sowie ein LC-Glied 24, 25 verbunden. Das somit erzeugte Eingang signal U1 ist im wesentlzchen sinusförmig und wird einem Differenzverstärker 26 mit nachgeschaltetem Gegentaktverstärker 27 zugeführt. Das derart verstärkte Eingangssignal U1 wird in die Primärwicklung 5 des Sensors 7 eingespeist. Der Sekundärwicklung 6 ist ein Filternetzwerk nacngeschaltet, enthaltend einen Differenzverstärker 28, in dessen Rückführzweig eine RC-Kombination vorhanden ist.FIG. 2 shows a preferred embodiment of the circuit arrangement shown. Here, a quartz-controlled oscillator 21 is provided, which oscillates at a frequency of the order of MHz. The oscillator 21 is a digital frequency divider 22 in the form of a commercially available integrated circuit downstream. The frequency divider is included with a square-sine converter a differential amplifier 23 and an LC element 24, 25 are connected. The thus generated Input signal U1 is essentially sinusoidal and becomes a differential amplifier 26 with a push-pull amplifier 27 connected downstream. That so amplified The input signal U1 is fed into the primary winding 5 of the sensor 7. The secondary winding 6 a filter network is connected in series, containing a differential amplifier 28, in whose return branch there is an RC combination.

Die Mittel zur phasenempfindlichen Gleichrichtung enthalten einen symbolisch dargestellten Schalter 29, welcher beim Auftreten des Abtastimpulses I geschlossen wird, sowie einen Speicherkondensator 30. Zur Verstärkung der am Speicherkondensator 30 anstehenden Spannung ist ein weiterer Differenzverstärker 31 vorgesehen, an dessen Ausgang das Positionssignal U3 abgegriffen werden kann. Als Komparator ist ein Differenzverstärker 32 vorgesehen.The means for phase sensitive rectification contain one symbolically shown switch 29, which when the sampling pulse I is closed, as well as a storage capacitor 30. To amplify the on the storage capacitor 30 pending voltage, a further differential amplifier 31 is provided on whose exit the position signal U3 can be tapped. As a comparator a differential amplifier 32 is provided.

Am positiven Eingang des Differenzverstärkers 32 liegt das Eingangssignal U1 und am negativen Eingang das Signal S des als Potentiometer 33 ausgebildeten Gebers. Dem Differenzverstärker 32 ist als Impulsformer ein Monoflop, enthaltend zwei NAND-Gatter 34, 35 nachgeschaltet. Die Phasenlage des Abtastimpulses wird in einfacher Weise durch Verstellen des Potentiometers 33 eingestellt. Zur Funktionsweise wird auf obige Ausführungen zu Figur 1 verwiesen.The input signal is applied to the positive input of the differential amplifier 32 U1 and the signal S of the potentiometer 33 at the negative input Donor. The differential amplifier 32 is a monoflop containing as a pulse shaper two NAND gates 34, 35 connected downstream. The phase position of the sampling pulse is shown in easily set by adjusting the potentiometer 33. How it works reference is made to the above statements on FIG.

Claims

Schalt-gsanordrung, in particular for determining a position patent claims 1. Circuit arrangement, in particular for determining the position of a by means of a magnetic device contactlessly mounted rotor with respect to a stator, containing a signal source for feeding a sensor, the output signal of which is in Dependence of the respective position is changeable, as well as means for phase-sensitive Rectification, characterized in that the signal source (i, 2, 3; 21 to 25) is connected to a comparator - (12; 32) that the comparator receives a signal (S) can be fed in such a way that a signal (U1) from the signal source can be selected in a preselectable manner shifted sampling pulse (I) the means (10; 29, 30) for phase-sensitive rectification is fed.

Claims 2. Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that that the comparator (12; 32) feedable signal (s) by an intermediate positive and negative values continuously variable DC voltage is formed.

3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that that the signal source has an oscillator (1, 2; 21, 22) and a downstream Rectangular sine converter (3; 23, 24, 25) contains, and that the Rerhteck sine converter is connected to both the sensor (7) and the comparator (12; 32)

4th Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that that the comparator contains a differential amplifier (32), the first input of which with the signal source (21 to 25) and its second input via a potentiometer (33) is connected to a DC voltage source.

5. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the sensor (7) has a first winding connected to the signal source (5) and a second winding (6) connected to said means (10; 29, 30) has, and that the coupling of the windings by means of a connected to the rotor Member (8) is changeable

6. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a filter (9; 28) is connected downstream of the sensor (7), whose pass band is matched to the frequency of the signal source (1, 2, 3; 21 to 25) is.

Claims

7. Circuit arrangement according to one of the preceding Claims, characterized in that the means (10) for phase-sensitive rectification a switch (2'9) controllable by the sampling pulse (I), storage means (30) and a DC voltage amplifier (31) included.

8. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the comparator (12, 2; 32) is followed by a pulse shaper stage (14) is.

9. Circuit arrangement according to claim 8, characterized in that the pulse shaper stage (14) is designed as a monoflop (34, 35).