DE2932579A1

DE2932579A1 - Schaltungsanordnung zur positionserfassung eines bewegten maschinenteils

Info

Publication number: DE2932579A1
Application number: DE19792932579
Authority: DE
Inventors: Gautam Tendulkar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-08-10
Filing date: 1979-08-10
Publication date: 1981-02-12
Also published as: GR73614B; GR73638B; DE2932579C2; JPS5630601A

Description

Schaltungsanordnung zur Positionserfassung eines bewegten
Maschinenteils Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff eines der Patentansprüche 1 bis 3.
Derartige Schaltungsanordnungen sind in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 28 47 779.4 beschrieben. Dabei wird der Funktionsgenerator mit einer festen Frequenz angesteuert, so daß der Stator des Drehmelders ebenfalls mit einer Spannung fester Frequenz beaufschlagt wird. Bei Stillstand des Maschinenteils stimmt die Frequenz der Ausgangsspannung des Rotors mit dieser festen Frequenz überein. Sowohl die Übertragung des gerade anstehenden Phasenwinkels einer Eingangsspannung des Stators in ein Register als auch das Abfragen des Register inhalts erfolgt in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Taktgebers, so daß beide Vorgänge synchron sind. Solange sich jedoch der Maschinenteil bewegt, ist die Frequenz der Ausgangsspannung des Rotors je nach Drehrichtung des Maschinenteils um dessen Drehfrequenz höher oder niedriger als die Frequenz der Eingangsspannung des Stators. Da in diesem Fall die Übernahme in das Register mit einer gegenüber der Taktfrequenz höheren oder niedrigeren Frequenz erfolgt, der Inhalt des Registers jedoch weiterhin synchron zur Ausgangsspannung des Taktgebers abgefragt wird, erfolgen beide Vorgänge asynchron zueinander. Das führt zu Fehlern in der Positionserfassung, da die Bewegung des Maschinenteils zwischen Übernahme des Phasenwinkels in das Register und Abfrage des Registers nicht berücksichtigt werden kann. AuBerdem tritt zyklisch wiederkehrend der Fall auf, daß zwischen zwei Abfragen des Registers kein Nulldurchgang der Ausgangs spannung des Drehmelders erfolgt, so daß kein neuer Wert in das Register abgespeichert wird. Wenn in einer Auswerteeinrichtung aus den Positionswerten die Geschwindigkeit des Maschinenteils bestimmt wird, so erhält man in diesem Fall als Rechenwert für die Geschwindigkeit Null, obwohl sich der Maschinenteil u.U. mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Das kann z.B. in Regelungen zu Störungen führen. In Anwendungsfällen, bei denen es lediglich auf die genaue Endposition des Maschinenteils, also die Position bei dessen Stillstand ankommt, kann das dargestellte Verhalten in Kauf genommen werden, da mit der beschriebenen Schaltungsanordnung die Position eines stillstehenden Maschinenteils stets richtig erfaßt wird. Bei Anwendungsfällen, bei denen auch bei bewegtem Maschinenteil dessen Position genau ermittelt werden muß und auch die Geschwindigkeit exakt ausgewertet werden soll, wirken sich jedoch die genannten Fehler sehr störend aus.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Übernahme des Positionswertes in das Register und die Abfrage des Registers auch während der Bewegung des Maschinenteils synchron durchgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird erfi.ndungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 2 oder 3 gelöst.
Den drei erfindungsgemäßen Lösungen ist gemeinsam, daß sowohl die Übernahme des gerade anstehenden Phasenwinkels einer Eingangsspannung in ein Register als auch die Abfrage des Registers auch während der Bewegung des Maschinenteils im Takt der Ausgangs spannung des Taktgebers erfolgt. Beide Vorgänge verlaufen daher synchron zueinander, so daß der bei der eingangs erläuterten Schaltung auftretende Fehler in der Positionserfassung bei Bewegung des Maschinenteils entfällt.
Bei der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 wird dies dadurch erreicht, daß die Ausgangsspannung des Rotors auf einer Frequenz gehalten wird, die konstant und in Übereinstimmung mit der Ausgangsfrequenz des Taktgebers ist. Da die Übernahme in das Register mit der Frequenz der Ausgangsspannung des Rotors, die Abfrage des Registers mit der Ausgangsfrequenz des Taktgebers erfolgt, sind beide Vorgänge synchron zueinander. Um die Ausgangsfrequenz des Rotors konstant zu halten, muß die Eingangsfrequenz in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Maschinenteils verändert werden. Das erfolgt über eine Phasenregeleinheit, die einen Phasenkomparatorenthält, dem die Ausgangsspannung des Taktgebers als Sollwert und die Ausgangs spannung des Rotors als Istwert zugeführt ist. Über die Phasenregeleinheit wird die Ausgangsspannung des Funktionsgenerators so beeinflußt, daß die Frequenz der Ausgangsspannung des Taktgebers und der Ausgangs spannung des Rotors übereinstimmen.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 lediglich dadurch, daß die Übernahme in das Register direkt vom Taktgeber gesteuert wird. Im ausgeregelten Zustand stimmt der Zeitpunkt der Übernahme mit dem Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Ausgangs spannung des Rotors überein. Diese Schaltungsanordnung ermöglicht mit einfachen zusätzlichen Schaltungsmaßnahmen eine einfache-Kompensation des durch Regelabweichungen auftretenden Fehlers sowie eine einfache Geschwindigkeitserfassung.
Bei der Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 wird die Eingangsfrequenz des Stators konstant und in überein stimmung mit der Ausgangs frequenz des Taktgebers gehalten, so daß bei Bewegung des Maschinenteils die Ausgangsfrequenz des Rotors variabel ist. Im Unterschied zur eingangs beschriebenen Schaltung erfolgt die über nahme eines Zählerstandes als Meßwert für die Position nicht bei Nulldurchgang der Ausgangsspannung, sondern bei Nulldurchgang der Eingangsspannung des Drehmelders.
Auch damit ist eine Synchronisation zwischen der über nahme des Zählerstandes in das Register und der Abfrage des Registers erreicht, da beide Vorgänge vom Taktgeber gesteuert sind. Allerdings muß indLesem Fall die dem Zähler zugeführte Frequenz in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Maschinenteils verändert werden. Dies wird durch einen steuerbaren Oszillator erreicht, der von einem Phasenkomparator angesteuert wird.
Mit der Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 wird eine einfache Realisierung der Steuereinheit erreicht.
Die Schaltungsanordnungen nach Anspruch 5 oder 6 ermöglichen eine einfache Erfassung der Geschwindigkeit des Maschinenteils, indem die Impulse des frequenzsteuer- baren Oszillators gezählt werden. Diese Möglichkeit ergibt sich dadurch, daß die Ausgangsfrequenz des frequenz steuerbaren Oszillators von der Geschwindigkeit des Maschinenteils abhängig ist.
Mit der Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 wird für die Schaltung nach Anspruch 2 eine Korrektur von Fehlern erreicht, die durch Regelabweichungen in der Steuereinheit hervorgerufen werden. Solange die Phasenlage des Istwertes vom Sollwert abweicht, werden genau die Impulse in den Vor-Rückwärtszähler gezählt, die bei der Positionsmessung nicht erfaßt werden. Dies gilt sowohl für positive als auch für negative Abweichungen.
Um auch bei Regelabweichungen, z.B. während des Einregelvorgangs, zu exakten Meßwerten zu kommen, muß lediglich in einer Auswerteschaltung der Inhalt des Vor-Rückwärts zählers zum Inhalt des Registers addiert werden.
Anspruch 8 kennzeichnet eine entsprechende Korrekturschaltung für eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 3.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 6 näher beschrieben.
Figur 1 zeigt zur Erläuterung der Problemstellung eine in der deutschen Patentanmeldung P 28 12 187.1 beschriebene Anordnung zur Positionserfassung. Dabei ist mit einem nicht dargestellten Maschinenteil, z.B. einer Welle der Rotor 1c eines Drehmelders 1 mechanisch gekoppelt. Die Welle kann z.B. Teil einer sich drehenden Walze sein oder als Spindel ausgeführt sein und ein Werkstück in longitudinaler Richtung bewegen. Mit Hilfe des Drehmelders 1 soll die Winkelposition der Welle ermittelt werden, aus der z.B. auch die Lage eines longitudinal bewegten Werkstücks ermittelt werden kann.
Um den Rotor sind zwei räumlich um 900 versetzte Statorwicklungen 1a und 1b als Magnetfeldgeber angeordnet. Die Statorwicklungen werden durch den Funktionsgenerator 2 mit zwei elektrisch um 900 gegeneinander verschobenen Impulsfolgen V1, V2 als Eingangsspannungen gespeist. Dadurch entsteht im Drehmelder 1 ein Drehfeld, dessen Frequenz mit der Frequenz der Eingangsspannungen V1, V2 übereinstimmt. Dieses Drehfeld induziert in der Rotorwicklung 1c eine Spannung VO, deren Phasenlage relativ zur Spannung in den Statorwicklungen von der räumlichen Lage der Rotorwicklung 1c zu den Statorwicklungen 1a, 1b abhängt.
Aus der Phasenlage der sekundärseitigen Spannung VO kann also auf die Position des Maschinenteils geschlossen werden. Dies geschieht in der Weise, daß jeweils beim Nulldurchgang der in der Rotorwicklung induzierten Spannung Vg der augenblickliche Phasenwinkel der Eingangsspannung V1 in ein Register 4 übertragen wird. Zur Erfassung des Nulldurchgangs der Spannung V0 ist der Komparator 7 mit vorgeschaltetem Filter 7a vorgesehen, dessen Ausgang mit dem Steuereingang S des Registers 4 verbunden ist. Zur Ermittlung des Phasenwinkels der Eingangsspannung V1 ist der Zähler 3 vorgesehen, der mit dem Ausgangssignal des Taktgebers 6 beaufschlagt ist und der den Funktionsgenerator 2 ansteuert. Der Zähler 3 zählt während jeder Periode der Eingangs spannungen V1, V2, d.h. also während eines Umlaufs des Drehfeldes von 0 bis zu seinem Zählerhöchststand. Der je- weilige Zählerstand entspricht also zugleich der Phasenlage der Eingangs spannung V1 bzw. der Phasenlage des Drehfelds und wird bei jedem Nulldurchgang der Ausgangsspannung VO des Rotors ic in den Signaleingang des Registers 4 eingegeben. Der Inhalt des Registers 4 wird periodisch durch die Auswerteschaltung 8 abgefragt.
Zur Verdeutlichung des geschilderten Sachverhalts ist in FIG 2 ein Zeigerdiagramm mit dem Zeiger Z1 des Drehfelds und dem Zeiger Z2 der Rotor lage dargestellt. Dabei steht der Zeiger Z2 senkrecht zur Wicklungsachse der Rotorwicklung, so daß die in der Rotorwicklung 1c induzierte Spannung VO ihren Nulldurchgang hat, wenn sich der Zeiger Z1 im Zeitpunkt t mit dem Zeiger Z2 deckt.
Der Zähler 3, der bei der in FIG 2 dargestellten Lage des Zeigers Z1 auf Null steht, läuft bis zur Zeit t auf einem dem Phasenwinkel e entsprechenden Zählerstand.
Dieser Zählerstand wird zum Zeitpunkt t in das Register 4 eingelesen und synchron zum Taktgeber 6 von der Auswerteschaltung 8 abgefragt.
Die beschriebene Schaltungsanordnung liefert genaue Ergebnisse, solange sich der Maschinenteil mit dem Rotor ic des Drehmelders 1 nicht bewegt. Bei einer Bewegung des Rotors lc und damit des Zeigers Z2 tritt das Problem auf, daß sich der Zeitpunkt t des Nulldurchgangs der Ausgangsspannung V0 verschiebt, während der vom Taktgeber 6 gesteuerte Abfragezeitpunkt konstant bleibt, was aufgrund der Arbeitsweise der Auswerteschaltung 8 auch erwünscht ist. Bei Mikroprozessoren wird z.B. zur Abfrage ein Interrupt ausgelöst, der zeitlich stets an derselben Stelle im Programm liegen sollte.
Wenn mit dem gewonnenen Positionswert eine Regelung erfolgt, würden nicht konstante Abtastintervalle darüber hinaus zu Nichtlinearitäten im Regelkreis und damit u.U.
zu Schwingungen führen. Von dem Zeitpunkt t der Übernahme des Zählerstands in das Register 4 bis zur Abfrage des Registers 4 liegt also in der Regel ein Zeitabschnitt, in dem sich der Maschinenteil weiterdreht, so daß der im Register 4 gespeicherte Positionswert bei der Abfrage nicht mehr richtig ist. Außerdem wird periodisch der Fall auftreten, daß zwischen zwei Abfragezeitpunkten keine Übernahme des Zählerstandes in das Register 4 erfolgt, so daß der alte Registerstand erhalten bleibt. Bei der Auswertung der Positionswerte zur Geschwindigkeitsermittlung wird das als Geschwindigkeit Null gewertet, obwohl sich der Maschinenteil unter Umständen sehr schnell dreht. Das kann zu Störungen z.B.
in einer Regeleinrichtung führen. Um dieses Problem zu umgehen, müßte die Abfrage des Registers 4 synchron unmittelbar nach jeder Zählerstandsübernahme erfolgen.
Die Frequenz der Zählerstandsübernahme entspricht jedoch der Ausgangsfrequenz des Rotors, die bei der erläuterten Schaltung von der Drehgeschwindigkeit des Maschinenteils abhängt und somit nicht konstant ist. Der Zeitpunkt der Abfrage des Registers 4 muß jedoch konstant sein, so daß eine Synchronisierung zwischen Zählerstandsübernahme und Registerabfrage bei der gezeigten Schaltung nicht möglich ist.
Bei der Schaltung nach FIG 3 wird die Synchronisation dadurch erreicht, daß die Frequenz qO der Ausgangsspannung V0 des Rotors ic in Übereinstimmung mit der Ausgangsfrequenz des Taktgenerators 6 gebracht wird und damit konstant ist. Dazu wird die Frequenz der Eingangsspannungen V1, V2 des Stators la, ib in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Rotors 1c geändert.
Die Schaltung nach FIG 3 enthält eine Phasenregeleinheit 5, die aus der Hintereinanderschaltung eines Phasenkomparators 5a, eines Reglers Sb und eines frequenzsteuerbaren Oszillators 5c besteht. Dem Istwerteingang V des Phasenkomparators 5a wird die Ausgangsspannung über den Komparator 7 als Phasen-Istwert zugeführt. Der Sollwerteingang R des Phasenkomparators 5a wird mit dem Ausgangssignal des Taktgebers 6 beaufschlagt. Der Phasendetektor 5a vergleicht den Istwert der Ausgangsfrequenz des Rotors ic mit der Taktgeberfrequenz und steuert über den Regler Sb die Frequenz des Oszillators 5c. Der Oszillator 5c steuert wiederum über den Zähler 3 den Funktionsgenerator 2. Der Funktionsgenerator 2 liefert zwei um 900 versetzte Impulsfolgen V1, V2, die vorzugsweise Sinus-Form aufweisen.
Wenn z.B. durch eine Drehbewegung des Rotors ic in positiver Richtung die Frequenz der Ausgangs spannung des Rotors ic sinkt, wird die Frequenz des Oszillators 5c und damit die Frequenz der Eingangs spannungen V1, V2 erhöht. Damit steigt auch die Frequenz der Ausgangsspannung VO, so daß diese in Frequenz und Phasenlage wieder in Übereinstimmung mit der Ausgangs spannung des Taktgebers 6 gebracht wird. Die von den Nulldurchgängen der Ausgangs spannung V0 gesteuerte Zählerübernahme in das Register 4 und die vom Taktgeber 6 gesteuerte Abfrage des Registers 4 durch die Auswerteeinheit 8 sind also synchron. Damit treten die geschilderten Fehler bei Bewegung des Maschinenteils nicht auf. Die Erfassung der Lage des Rotors ic durch Übernahme des Zählerstands erfolgt wie bei der Schaltungsanordnung nach FIG 1.
Um zu genauen Meßwerten zu kommen, muß die Kreisgeschwindigkeit des Magnetfelds im Drehmelder 1 sehr viel höher sein als die maximale Kreisgeschwindigkeit qR des Rotors 1c bzw. des Maschinenteils. Außerdem hängt die erreichbare Genauigkeit von der Anzahl der Zählerimpulse je Umlauf des Drehmelder-Magnetfels ab. Dabei können z.B. 4000 Impulse je Umdrehung zweckmäßig sein.
FIG 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, die sich von der Anordnung nach FIG 3 dadurch unterscheidet, daB die Zählerstandsübernahme in das Register 4 nicht mit dem Nulldurchgang der Ausgangsspannung V0 des Rotors 1c erfolgt, sondern direkt vom Taktgeber 6 gesteuert wird.
Im ausgeregelten Zustand, d.h. bei Übereinstimmung der Ausgangsspannung Vg des Rotors ic mit der Atsgangsspannung VREF des Taktgebers 6 in Frequenz und Phasenlage besteht kein Unterschied in der Auswertung. Die Schaltung nach FIG 4 ermöglicht jedoch eine Kompensation von Fehlern in der Positionserfassung, die durch Regelabweichungen bedingt sind.
Wenn die Phasenregeleinheit 5 wenigstens einen Integrator enthält, wird die Regelabweichung zwischen der Ausgangs spannung V0 des Drehmelders 1 und VREF des Taktgebers 6 Null, da dann der gesamte Regelkreis ein System zweiter Ordnung ist. Bei Beschleunigungen des Rotors ic ergibt sich jedoch eine Phasenabweichung zwischen den Ausgangsspannungen VO und VREF Dadurch entsteht ein Fehler in der Positionserfassung, da der Zähler 3 nicht mehr bei Nulldurchgang der Ausgangsspannung V0 der Ausgangsspannung des Drehmelders 1 abgefragt wird, die der tatsächlichen Position entsprechen würde, sondern mit einer etwas phasenverschobenen Flanke der Ausgangsspannung VREF des Taktgebers 6. Dieser Fehler kann jedoch mit Hilfe des Vor-Rückwärts zählers 9 kompensiert werden. Dem Zähleingang I des Zählers 9 wird das Ausgangssignal des steuerbaren Oszillators 5c zugeführt, dem Rücksetzeingang die Ausgangs spannung VREF des Taktgebers 6. Der Vor-Rückwärtszähler 9 wird über die Signaleingänge S1 und S2 vom Phasenkomparator 5a so gesteuert, daß er die am Eingang I anstehenden Impulse im Intervall zwischen dem Nulldurchgang der Ausgangsspannung V0 und der positiven Flanke der Ausgangsspannung VREF zählt. Dabei werden diese Impulse vorwärts gezählt, wenn der Nulldurchgang der Ausgangsspannung VO der positiven Flanke der Ausgangs spannung VREF nacheilt und rückwärts gezählt, wenn die Ausgangsspannung VO voreilend ist. Im Zähler 9 werden also genau die Impulse des steuerbaren Oszillators 5c gezählt, die vom Zähler 3 fehlerhafterweise nicht mitgezählt bzw. zuviel gezählt wurden. Der Zählerstand des Zählers 9 wird im Zwischenspeicher 10 abgespeichert und bei jedem Abfragezyklus der Auswerteeinheit 8 mit abgefragt. Der so erhaltene Wert, der positiv oder negativ sein kann, wird zu dem aus dem Register 4 erhaltenen Positionswert addiert.
Damit ist der bei Beschleunigung des Maschinenteils auftretende Fehler kompensiert.
Mit Hilfe des Zählers 11, dessen Zähleingang I das Ausgangssignal des steuerbaren Oszillators 5c und dessen Rücksetzeingang R das Ausgangssignal des Taktgebers 6 zugeführt ist, kann auch die des Rotors 1c und damit die Geschwindigkeit des Maschinenteils bestimmt werden. Die Winkelgeschwindigkeit sR läßt sich nach folgender Gleichung bestimmen: Dabei ist: die Winkelgeschwindigkeit des Sekundärteils 1c des Drehmelders 1, N die Anzahl der Zählimpulse bei einer vollen Umdrehung des Sekundärteils 1c, wREF die Winkelgeschwindigkeit des Drehfeldes im Drehmelder 1, N3 der im Speicher 10 abgespeicherte Wert.
Da N und #REF als Konstante vorgegeben sind, kann aus der obigen Gleichung in der Auswerteeinheit 8 die Drehgeschwindigkeit MR des Rotors 1c ermittelt werden.
Mit Hilfe des bereits erläuterten Zählers 9 kann bei einem Regelkreis 2. Ordnung auch die Beschleunigung des Rotors 1c ermittelt werden. Die im Zähler 9 gezählten Impulse sind proportional zur Beschleunigung #R zwischen zwei Abtastzeitpunkten, da die Abtastperiode konstant ist. Die Beschleunigung des Sekundärteils 1c ist daher nach folgender Gleichung gegeben: #R = 2##/t² = K1 . N2 Dabei ist: e = Phasenabweichung zwischen der Spannung Vg und VREF N2 = Zählerstand des Zählers 9, K1 = Konstante Die Beschleunigung des Rotors 1c ist somit dem Zählerstand des Zählers 9 proportional. Dieser wird zur Abfrage in einem dem Zähler 9 nachgeschalteten Zwischenspeicher 10 abgespeichert.
Die bisher erläuterten Schaltungen nach FIG 3 und FIG 4 müssen bei Anlagen mit mehreren Drehmeldern für jeden Drehmelder getrennt vorgesehen werden. Die nachfolgend erläuterte Schaltung nach FIG 5 ermöglicht es dagegen, einen Funktionsgenerator 2 für mehrere Drehmelder 1, 1 gemeinsam einzusetzen.
Bei der Schaltung nach FIG 5 liefert der Funktionsgenerator 2 zwei um 900 versetzte Impulsfolgen V1, V2 die vorzugsweise Sinus-Form aufweisen, mit konstanter Frequenz. Die Impulsfolgen V1, V2 werden mehreren, im Ausführungsbeispiel zwei Drehmeldern 1, 1' zugeführt.
Mit der festen Frequenz des Funktionsgenerators 2 wird auch gleichzeitig über den Eingang I der Auswerteeinheit 8 die Abfrage der Register bzw. Zwischenspeicher 4, 4'; 10, 10' und 12, 12' gesteuert. Da in diesem Fall die Statorwicklungen 1a, 1b; 1a', 1b' der Drehmelder 1, 1' mit einer festen Frequenz angesteuert werden, hängt die Ausgangsspannung der Rotoren 1c, 1c' aus den bereits erläuterten Gründen von der Drehgeschwindigkeit des Rotors 1c ab. Um dennoch zu einem festen Ubernahmezeitpunkt der Zählerstände der Zähler 3, 3' in die Register 4, 4' zu kommen, und damit eine Synchronisation des Übernahmezeitpunkts mit dem Abfragezeitpunkt zu erreichen, wird bei der Schaltung nach FIG 5 der Zählerstand beim Nulldurchgang der Eingangsspannung V1 in das Register 4 übernommen. Das wird erreicht, indem der Ausgang 2a des Funktionsgenerators 2 über einen Komparator 13 mit dem Steuereingang S des Registers 4 verbunden wird. Da also sowohl der Übernahmezeitpunkt als auch der Abfragezeitpunkt des Registers 4 mit der festen Frequenz des Funktionsgenerators 2 gesteuert wird, verlaufen beide Vorgänge synchron zueinander. Durch Übernahme des Zählerstands mit dem Nulldurchgang der Eingangsspannung V1 des Drehmelders 1 entsteht jedoch ein Meßfehler, der wiederum mit einer Phasenregeleinheit 5 kompensiert wird.
In FIG 6 ist das Erfassungsprinzip anhand eines Zeigediagramms dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 stimmt der Zeiger ZS1 des Drehmelder-Drehfelds mit dem Zeiger Zp der Lage des Rotors 1c überein, d.h. zum Zeitpunkt t0 ist die Ausgangsspannung des Rotors 1c Null. Zum Zeitpunkt t0 weist der Zähler 3 den Zählerstand Null auf.
Zum Zeitpunkt t1 des Nulldurchgangs der Eingangsspannung V1 des Drehmelders 1 wird der dann vorhandene Zählerstand des Zählers 3 in das Register 4 übernommen. Dieser Zählerstand entspricht dem Winkel e nach FIG 6. Wenn sich jedoch bis zum Zeitpunkt t1 der Rotor 1c um den Winkel in die Position Z 2 weitergedreht hat, wird diese Drehung p2 nicht mehr mitberücksichtigt. Es entsteht also eine Abweichung a # zwischen der gemessenen Position e und der tatsächlichen Position ee.
Zur Kompensation dieses Fehlers werden einem Phasenkomparator 5a die Ausgangsspannung des eingangsseitig mit dem Rotor 1c verbundenen Komparators 7 als Soll-Wert und die Ausgangsspannung des Zählers 3 als Ist-Wert zugeführt. Der Phasenkomparator 5a steuert über einen Regler 5b den Oszillator 5c, dessen Ausgangsfrequenz proportional zur Ausgangs frequenz des Drehmelders 1 ist. Der Proportionalitätsfaktor kann dabei entsprechend der gewünschten Auflösung z.B. mit dem Wert 4000 gewählt werden. Die Ausgangsimpulse des Oszillators 5c werden dem Zähler 3 zugeführt. Am Ausgang ZQ' des zugleich als Teiler wirkenden Zählers 3 steht wieder durch den Proportionalitätsfaktor geteilte Frequenz des Oszillators 5c zur Verfügung, die dem Istwerteingang des Phasenkomparators 5a zugeführt wird.
Der Oszillator 5c erzeugt damit eine Taktfrequenz für den Zähler 3, die synchron sowie proportional zur Frequenz der Ausgangsspannung des Rotors 1c ist. Damit wird erreicht, daß die Anzahl der gezählten Impulse proportional der Frequenz der Ausgangs spannung des Rotors 1c ist. Falls der Rotor 1c in derselben Richtung dreht wie das Drehfeld im Drehmelder 1, wie z.B. in Bild 6 dargestellt, wird der Drehmelder ausgangsseitig eine niedrigere Frequenz liefern. Damit werden über die Phasenregeleinheit 5 weniger Impulse in den Zähler 5d eingezählt, so daß der vorher besprochene Fehler selbsttätig kompensiert wird.
Nachfolgend wird nachgewiesen, daß sich mit der beschriebenen Schaltung eine exakte Positionserfassung erreichen läßt.
Aus FIG 6 ist zu entnehmen: ee = e -8e wobei: ee = tatsächlicher Winkel zwischen dem Rotor 1c und dem Zeitpunkt t1 der Übernahme des Zählerstands in das Register 4.
e = gemessener Winkel zwischen dem Sekundärteil 1c des Drehmelders 1 und dem Zeitpunkt t1 ohne Kompensation.
= = Fehlerwinkel ohne Kompensation.
Ferner ist: # = #P.t ## = #R .
wobei #P = Kreisgeschwindigkeit des Drehmelderfeldes #R = Kreisgeschwindigkeit des Rotors 1c.
Daraus ergibt sich #e = (#P - #R) . t wobei #S = Kreisgeschwindigkeit der Ausgangsspannung des Rotors 1c.
Mit der beschriebenen Phasenregeleinheit 5 ist die Ausgangsfrequenz fZ des Oszillators 5c, die als Zählfrequenz für den Zähler 3 dient: fZ = 2# . k . #S Im Zeitintervall zwischen to @ und t1 werden N K Impulse gezählt, wobei NK = 2# . k . #S . t Daraus wird deutlich, daß die Anzahl der Zählerimpulse proportional dem tatsächlich bei der Übernahme in das Register 4 vorhandenen Winkel ee des Rotors ic ist. Damit ist nachgewiesen, daß mit der Schaltung nach FIG 5 eine genaue Positionserfassung möglich ist.
Wie bei der Schaltung nach FIG 4 ist auch bei der Schaltung nach FIG 5 eine Kompensation von durch Regelabweichungen hervorgerufenen Fehlern mit dem Vor-Rückwärtszähler 9 und dem Zwischenspeicher 10 vorgesehen.
Ebenso enthält die Schaltung nach FIG 5 auch eine Geschwindigkeitserfassung mit dem Zähler 11 und dem Zwischenspeicher 12. Die Funktion dieser beiden Einrichtungen entspricht der nach FIG 4, so daß sich eine weitere Erläuterung erübrigt.
Die Schaltung nach FIG 5 ist vor allem bei Anlagen mit mehreren Drehmeldern vorteilhaft einsetzbar, da dann für mehrere Drehmelder ein gemeinsamer Funktionsgenerator verwendet werden kann.
8 Patentansprüche 6 Figuren

Claims

Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung zur Positionserfassung eines bewegten Maschinenteils mit einem Drehmelder, der einen Rotor mit einem mit dem Maschinenteil gekuppelten Magnetfeldfühler und einen Stator mit zwei räumlich versetzt angeordneten Magnetfeldgebern aufweist, die von zwei um 900 elektrisch versetzten Impulsfolgen als Eingangsspannungen gespeist werden, die mittels eines von der Ausgangsspannung eines Taktgebers beeinflußten Funktionsgenerators erzeugbar sind und bei der bei jedem Nulldurchgang der Ausgangs spannung des Rotors ein dem gerade anstehenden Phasenwinkel einer Eingangsspannung des Stators proportionaler Wert in ein Register übertragen wird, dessen Inhalt synchron zur Ausgangsfrequenz des Taktgebers abgefragt wird, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausgangsspannung (VO) des Rotors (ic) dem Istwerteingang {V) und die Ausgangsspannung (VREF) des Taktgebers (6) dem Sollwerteingang (R) des Phasenkomparators (5a) einer Phasenregeleinheit (5) zugeführt werden, die ausgangsseitig mit dem Steuereingang (S) des Funktionsgenerators (2) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung zur Positionserfassung eines bewegten Maschinenteils mit einem Drehmelder, der einen Rotor mit einem mit dem Maschinen teil gekuppelten Magnetfeldfühler und einen Stator mit zwei räumlich versetzt angeordneten Magnetfeldgebern aufweist, die von zwei um 900 elektrisch versetzten Impulsfolgen als Eingangsspannungen gespeist werden, die mittels eines von der Ausgangs spannung eines Taktgebers beeinflußten Funktionsgenerators erzeugbar sind und bei der periodisch ein dem gerade anstehenden Phasenwinkel einer Eingangsspannung des Stators proportionaler Wert in ein Register übertragen wird, dessen Inhalt synchron zur Ausgangsfrequenz des Taktgebers abgefragt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Taktgeber (6) mit dem Steuereingang (S) des Registers (4) verbunden ist, und daß die Ausgangsspannung (VO) des Rotors (lc) dem Istwerteingang (V) und die Ausgangs spannung (VREF) des Taktgebers (6) dem Sollwerteingang (R) des Phasenkomparators (5a) einer Phasenregeleinheit (5) zugeführt werden, die ausgangsseitig mit dem Steuereingang (S) des Funktionsgenerators (2) verbunden ist.
3. Schaltungsanordnung zur Positionserfassung eines bewegten Maschinenteils mit einem Drehmelder, der einen Rotor mit einem mit dem Maschinenteil gekuppelten Magnetfeldfühler und einen Stator mit zwei räumlich versetzt angeordneten Magnetfeldgebern aufweist, die von zwei um 900 elektrisch versetzten Impulsfolgen als Eingangsspannungen gespeist werden, die mittels eines von der Ausgangsspannung eines Taktgebers beeinflußten Funktionsgenerators erzeugbar sind und bei der der Inhalt eines Registers synchron zur Ausgangs frequenz des Taktgebers abgefragt wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß eine der Eingangsspannungen (V1) des Stators (1a, 1b) einem Komparator (13) zugeführt ist, der ausgangsseitig bei jedem Nulldurchgang der Eingangsspannung (V1) ein Signal an den Steuereingang (S) des Registers (4) abgibt, wobei die Signaleingänge (ZI) des Registers (4) mit den Ausgängen eines Zählers (3) verbunden sind, der einer Phasenregeleinheit (5) mit einem Phasenkomparator (5a), einem Regler (5b und einem steuerbaren Oszillator (5c) nachgeschaltet ist und wobei die Ausgangsspannung (VO) des Rotors (1c) dem Sollwerteingang (R) und eine Ausgangs spannung des Zählers (3) dem Istwerteingang (V) des Phasenkomparators (5a) zugeführt ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Phasenregeleinheit (5) hintereinandergeschaltet einen Phasenkomparator (5a), einen Regler (5b), einen steuerbaren Oszillator (5c) aufweist und daß der Phasenregeleinheit (5) mindestens ein Zähler (3) nachgeschaltet ist, dessen Ausgänge mit dem Register (4 und mit dem Funktionsgenerator (2) verbunden sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der steuerbare Oszillator (5c) mit dem Zähleingang eines zweiten Zählers (11) verbunden ist, dessen Rücksetzeingang mit dem Taktgeber (6) verbunden ist und dessen Ausgänge (ZQ) auf einen Zwischenspeicher (12) geführt sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der steuerbare Oszillator (5c) mit dem Zähleingang eines weiteren Zählers (11) verbunden ist, dessen Rücksetzeingang mit dem Komparator (13) verbunden ist und dessen Ausgänge (ZQ) auf einen Zwischenspeicher (12) geführt sind.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Phasenregeleinheit (5) eingangsseitig einen Phasenkomparator (5a) aufweist, der an einem ersten Ausgang (A1) bei negativen Abweichungen der Phasen lage des Istwerts (VO) vom Sollwert (VREF) ein Signal abgibt und der an einem zweiten Ausgang (A2) bei positiven Abweichungen der Phasenlage des Istwertes (VO) vom Sollwert (VREF) ein Signal abgibt, wobei der erste Ausgang (Al) mit einem Steuereingang (S1) für Vorwärtszählen und der zweite Ausgang (A2) mit einem Steuereingang (S2) für Rückwärtszählen eines Vor-Rückwärtszählers (9) verbunden ist, wobei der Zähleingang (I) des Vor-Rückwärtszählers (9) mit dem Ausgang des steuerbaren Oszillators (5c) verbunden ist, der in der Phasenregeleinheit (5) dem Phasenkomparator (5a) und einem Regler (5b) nachgeschaltet ist und wobei der Rücksetzeingang (R) des Vor-Rückwärtszählers (9) mit dem Taktgeber (6) und die Ausgänge (ZQ) mit einem Zwischenspeicher (10) verbunden sind.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Phasenregeleinheit (5) eingangsseitig einen Phasenkomparator (5a) aufweist, der an einem ersten Ausgang (A1) bei negativen Abweichungen der Phasenlage des Istwerts (VO) vom Sollwert (VREF) ein Signal abgibt und der an einem zweiten Ausgang (A2) bei positiven Abweichungen der Phasenlage des Istwerts (VO) vom Sollwert (VREF) ein Signal abgibt, wobei der erste Ausgang (Al) mit dem Steuereingang (S1) für Vorwärtszählen und der zweite Ausgang (A2) mit dem Steuereingang (S2) für Rückwärtszählen eines Vor-RUckwärtszählers (9) verbunden ist, und wobei der Zähleingang (I) des Vor-Rückwärtszählers (9) mit dem Ausgang des steuerbaren Oszillators (5c), der Rücksetzeingang (R) mit dem Ausgang des Komparators (7) und die Ausgänge tZQ) mit einem Zwischenspeicher (10) verbunden sind.