DE3045819C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Drehzahl-/ Drehrichtungsgeber.

Für eine Reihe von Aufgaben, ist es erwünscht, einen wartungsfreien, robusten und hochwinkelauflösenden Drehzahl-/ Drehrichtungsgeber einzusetzen. Dies gilt etwa für das Eisenbahnwesen, wo insbesondere ein absolut wartungsfreier Geber für Stromrichter-Asynchronmotoren im Lokantrieb gefordert wird.

Es ist bekannt, Drehzahlen und Drehrichtungen mit hoher Auflösung mit Hilfe von Rasterscheiben festzustellen, die optisch abgetastet werden (vgl. z. B. DE-PS 23 17 502). Solche optoelektrischen Einrichtungen besitzen jedoch den Nachteil, schnell zu verschmutzen.

Anstelle der optischen Abtastung kann auch eine Abtastung von gerasterten Metallscheiben durch induktive Näherungsschalter treten. Diese besitzen aber den Nachteil einer nur geringen Winkelauflösung. Außerdem sind sie störanfällig. Es müssen sehr kleine mechanische Toleranzen und Luftspalte eingehalten werden; eine genaue Justage ist erforderlich. Die induktiven Abtaster enthalten ferner aktive Halbleiterelemente, die temperaturempfindlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Drehzahl-/Drehrichtungsgeber, der wartungsfrei, robust und hochwinkelauflösend ist sowie bis zu Temperaturen von 200° eingesetzt werden kann, ohne die beschriebenen Nachteile aufzuweisen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der induktive Drehzahl-/Drehrichtungsgeber gemäß der Erfindung wird anhand der Zeichnung im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel näher dargestellt. Es zeigt die

Fig. 1 einen permanent-erregten 3phasigen Generator mit 4 Polpaaren, die

Fig. 2 einen permanent-erregten 5phasigen Generator mit 18 Polpaaren, die

Fig. 3 die Übertragung und Auswertung der vom Generator erzeugten Meßsignale, die

Fig. 4 die Phasenlage von integrierter und nicht- integrierter EMK, die

Fig. 5 die Lage der Nullstellen bei Drehung um eine Polteilung bei Verwendung der Auswertung gemäß Fig. 3 und die

Fig. 6 den Verlauf der über die Übertragungsleitung übertragenen integrierten Spannung in Abhängigkeit von der Drehzahl.

Die Fig. 1 zeigt im oberen Teil einen Querschnitt durch einen permanent-erregten dreiphasigen Generator mit vier Polpaaren. Mit PR ist ein Polrad bezeichnet, an dem vier Polpaare befestigt sind; mit PP ist eines derselben bezeichnet. Das Polrad ist mit dem sich drehenden Teil, dessen Drehzahl gemessen werden soll, verbunden. Durch die Befestigung der Magneten, z. B. durch Kleben, an der Innenwand des sich bewegenden Polrades wirken die bei der Bewegung auftretenden Fliehkräfte derart, daß einer Ablösung der Magneten entgegengewirkt wird.

Der Ständer besteht aus einem dreiphasigen System, das auf einem geblechten Kern K angebracht ist, und zwar aus einem Spulenpaar 1 R, 1 L, einem Spulenpaar 2 R, 2 L und einem Spulenpaar 3 R, 3 L. Die Spulenlage jedes Spulenpaars ist so gewählt, daß die Spulen eines Paars mit dem gegenüberstehenden Polpaar (N, S) magnetisch gekoppelt sind, vgl. die Lage des Spulenpaars 1 R, 1 L.

Die Spulenpaare (1 R, 1 L; 2 R, 2 L; 3 R, 3 L) sind jeweils miteinander verbunden, führen an einem Ende auf einen für alle Spulenpaare gemeinsamen Sternpunkt und liefern am anderen Ende gegenüber diesem Sternpunkt die entsprechende Phasenspannung.

Um den Generator herum ist noch ein Teilungskreis dargestellt; dabei bedeutet T ein Teilungsabschnitt von einem Permanentmagneten bis zum nächsten gleicher Polarität, hier als 90° mechanisch (Polteilung).

In dem unteren Teil ist das Polrad PR abgerollt dargestellt. Es sind die Teilungen gemäß des oberen Teils der Fig. 1 wiedergegeben (360°m bedeutet 360° mechanisch) und der Spannungsverlauf der drei Phasenspannungen in Abhängigkeit vom Teilungswinkel α dargestellt. Man erkennt, daß es sechs Spannungsnullstellen innerhalb der Polteilung T und somit 24 Spannungsnullstellen pro 360° mechanisch gibt.

Die Fig. 2 zeigt einen ähnlich aufgebauten Generator wie den anhand der Fig. 1 beschriebenen. Der obere Teil der Fig. 2 zeigt wieder einen Querschnitt durch den Generator, im unteren Teil ist ebenfalls das Polrad abgerollt dargestellt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Generator handelt es sich um einen 5phasigen Generator mit 18 Polpaaren. In dem um den Generator herum dargestellten Teilungskreis bedeutet T wieder die Polteilung (hier also 20° mechanisch).

Im unteren Teil ist - wie in Fig. 1 - der Spannungsverlauf der einzelnen Phasen in Abhängigkeit des Teilungswinkels α dargestellt. Innerhalb der Polteilung T gibt es 10 Nullstellen aller Phasenspannungen; das bedeutet, daß es insgesamt 180 Spannungsnullstellen pro 360° mechanisch, d. h. pro Umdrehung gibt.

Besondere Vorteile dieses Gebers bestehen darin, daß die Phasenlage der Geberspannungen nicht von der Luftspaltweite abhängen (dadurch keine Montage/Justageschwierigkeiten; ein Luftspalt zwischen 0,3-2 mm ist ohne Funktionsbeeinträchtigung möglich), daß er durch seinen Aufbau schmutzunempfindlich ist, für alle VDE-Temperatur-Feuchteklassen gebaut werden kann und daß er, sofern er keine eigene Lagerung des Rotors besitzt, keinem Verschleiß und keiner Alterung unterworfen ist.

Als Magnete im Rotor werden vorzugsweise Materialien mit hoher Induktion und hoher Koerzitiv-Feldstärke, wie z. B. moderne Seltenerde-Kobalt-Materialien eingesetzt.

In der Fig. 3 ist die Auswertung der vom Generator gemäß Fig. 2 gelieferten Signale dargestellt: die Phasenspannungen 1, 2, 3, 4, 5 werden über Widerstände R 1 und Kondensatoren C 1 (es sind der Einfachheit halber nur die Bauelemente für die Phase 1 gezeichnet) mit dem Sternpunkt S verknüpft. Die Verbindungspunkte zwischen den Widerständen und Kondensatoren führen über eine Übertragungsleitung Ü 1 zu elektronischen Auswerteeinrichtungen, von denen der Einfachheit halber nur die zur Phase 1 gehörende Auswerteeinrichtung A 1 näher dargestellt ist. Die anderen Auswerteeinrichtungen für die anderen Phasen sind genauso aufgebaut. Vor dem Eingang in die Auswerteeinrichtung ist jede Übertragungsleitung über einen weiteren Kondensator (es ist der Einfachheit halber nur der Kondensator C 2 für die Phase 1 dargestellt) mit der ebenfalls übertragenen Sternpunktleitung verbunden. Die Übertragungsleitung Ü 1 kann in einem 5adrigen Kabel bestehen, dem die Sternpunktleitung der Ummantelung zugeführt wird, die ihrerseits geerdet ist. Durch die passive Integration der EMK mittels Halbglied-Tiefpaß unmittelbar nach dem Geber und Aufteilung des Integrationskondensators beidseitig der Leitung werden höherfrequente Störungen gedämpft, und die Leitungskapazitäten sind bis zu einer Kabellänge von 1-2 km nicht störend.

Die gesamte Integrationskapazität beträgt C 1 + C _L + C 2, wobei mit C _L die Leitungskapazität bezeichnet ist. Eine üblicherweise störanfällige Übertragung von Signalen über eine sehr lange Leitung wird hier durch den beiderseitigen Abschluß der Leitung durch C 1 und C 2 vermieden.

Die Abschlußimpedanz verringert sich linear mit der Frequenz

bzw. Drehzahl und schließt damit den Einfluß von äußeren Störquellen aus. Die Leitungskapazität C _L ist auch bei größeren Leitungslängen nicht störend, da sie bei der Bemessung der Integrationskondensatoren C 1 + C 2 berücksichtigt werden kann. Es zeigt die Fig. 6 den Verlauf der integrierten Spannung von der Drehzahl n.

Die Bemessung des passiven Integrators wird so gewählt, daß bei ¹/₁₀₀₀ der Nenndrehzahl eine ausreichende Spannung an C 2 steht, die in der nachfolgend beschriebenen Auswerteeinrichtung zu Impulsen verarbeitet wird. Da neben dem eigentlichen Generator im Geberteil nur passive Bausteine verwendet werden, ist der Generator frei von Störungen, die durch eine aktive elektronische Schaltung entstehen können. Der Geber liefert eine EMK ohne äußere Stromversorgung, d. h. auch bei Ausfall der Elektronik in den genannten Auswerteschaltungen kann die Drehzahl überwacht werden.

Die Geberfrequenz ist Drehfrequenz × Polpaarzahl, d. h. es müssen bei 3000 Umdrehungen/Minute des Gebers nur Frequenzen zwischen 0 und 1000 Hz über die Übertragungsleitung übertragen werden. Höhere Störfrequenzen werden durch Bandpässe, wie anschließend angegeben, eliminiert.

Die elektronische Auswerteinrichtung A 1 besteht aus einem Doppelweggleichrichter mit Verstärkung 6, einem seinen Ausgang über einen Koppelkondensator C 3 nachgeschalteten Bandpaß 7 und einem über einen weiteren Koppelkondensator C 4 nachgeschalteten Trigger 8 mit Impulsformer 9. Der Trigger schaltet beim Unterschreiten einer bestimmten (positiven) Halbwellenspannung vor einer Nullstelle auf negatives Ausgangssignal und schaltet beim Anstieg der Spannung nach der Nullstelle auf diesen bestimmten Wert wieder zurück. Dadurch entstehen an den Nullstellen negative Impulse, die im Impulsformer 9 in positive Impulse umgeformt werden und so dem ODER-Glied 10 zugeführt werden. Diesem ODER-Glied 10 werden auch die Ausgänge der anderen Auswerteeinrichtungen für die Phasen 2, 3, 4 und 5 zugeführt. Am Ausgang des ODER-Gliedes erscheint also bei Drehung des Läufers des Gebers um eine Polteilung eine Impulsfolge von 10 Impulsen.

Diese Auflösung läßt sich noch verdoppeln: durch die Integration der EMK zur Übertragung der Phasenverschiebung verzögert sich die übertragene Spannung ∫1, ∫2, . . . um π/2 gegenüber der EMK, bei Drehzahlen <10^-3 × n _Nenn vgl. Fig. 4. Es werden daher die Phasenspannungen direkt, d. h. nicht integriert, über zusätzliche Übertragungsleitungen Ü 2 zu zweiten elektronischen Auswerteeinrichtungen, von denen der Einfachheit halber nur die Auswerteeinrichtung für die Phase 1 dargestellt ist, übertragen. Da die nichtintegrierte EMK mit größer werdender Frequenz ansteigt (während die integrierte EMK einem Grenzwert zustrebt), ist vor der Auswerteeinrichtung A 2 eine Begrenzung, bestehend aus den antiparallel geschalteten Dioden D 1 und D 2, vorgesehen. Die Auswerteeinrichtung A 2 ist genau wie die Auswerteeinrichtung A 1 aufgebaut (Doppelweggleichrichter mit Verstärker 6 a, Bandpaß 7 a, Trigger 8 a, Impulsformer 9 a) und arbeitet in gleicher Weise. Die Ausgangssignale werden einem ODER-Glied 10 a zugeführt, dem auch die Ausgangssignale der anderen Auswerteeinrichtung für die anderen Phasen zugeleitet werden.

Die Ausgänge des ODER-Glieder 10 und 10 a führen auf ein gemeinsames ODER-Glied 11. An seinem Ausgang erscheint bei Drehung des Läufers des Gebers eine Impulsfolge, die sich aus den Impulsen der integrierten und nicht-integrierten übertragenen Spannung zusammensetzt. Es tritt die doppelte Anzahl von Nullstellen und damit auch Impulse wie bei allein integrierender Übertragung auf. Die Nullstellen und indirekt auch damit die auftretenden Ausgangsimpulse bei Drehung des Geber-Läufers um eine Polteilung (α = Teilungswinkel) ist in Fig. 5 dargestellt. Für das gemäß Fig. 3 beschriebene Gebermodell treten 20 Nullstellen, d. h. 20 Impulse bei Drehung um eine Polteilung, die hier 20° mechanisch beträgt, auf. Das bedeutet, daß pro Drehung um 1° mechanisch ein Ausgangsimpuls auftritt.

Die Drehrichtung läßt sich durch die Phasenfolge von drei übertragenen Phasen feststellen. Dies gilt allgemein für alle Geber, die drei oder mehr Phasen besitzen. Bei einem zweiphasigen Geber wird eine Phase um 90° phasenverschoben und aus dem Vergleich der nicht-phasenverschobenen Phase mit dem differenzierten Signal der um 90° phasenverschobenen Phase ein Richtungskriterium abgeleitet.

Um ein analoges Signal für die Drehzahl zu erhalten, werden die nicht-integrierten Phasenspannungen nach Übertragung (vgl. Fig. 3) nach Entkopplung über Dioden 13 summiert und dem Ausgang 15 zugeführt. Der Kondensator 14 dient zur Glättung. Am Ausgang 15 erscheint dann das gewünschte analoge Signal.

Claims (4)

1. Induktiver Drehzahl-/Drehrichtungsgeber, dadurch gekennzeichnet, daß jede der in einem permanent-erregten hochpoligen Wechselspannungs-Generator mit n-phasiger Stern-Statorwicklung erzeugten n Phasenspannungen, passiv integriert, über eine Übertragungsleitung (Ü 1) einer elektronischen Auswerteeinrichtung erster Art (A 1) zugeführt wird, wobei je eine Hälfte des Integrationskondensators (C 1, C 2) die Übertragungsleitung beidseitig abschließt und damit den Einfluß von äußeren Störquellen und den der Leitungskapazität ausschließt, und daß in der elektronischen Auswerteeinrichtung erster Art (A 1) die integrierte Phasenspannung gleichgerichtet, verstärkt und so über einen Bandpaß (7) einem die Nullstellen dieser Phase ermittelnden Trigger (8) zugeleitet wird, dessen Ausgang auf ein allen Auswerteeinrichtungen erster Art gemeinsames ODER-Glied (10) führt.

2. Induktiver Drehzahl-/Drehrichtungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der n Phasenspannungen über eine zweite Übertragungsleitung (Ü 2) einer elektronischen Auswerteeinrichtung zweiter Art (A 2) zugeführt wird, in der sie begrenzt, gleichgerichtet, verstärkt und so über einen Bandpaß (7 a) einem die Nullstellen dieser Phase ermittelnden Trigger (8 a) zugeleitet wird, dessen Ausgang auf ein allen Auswerteeinrichtungen zweiter Art gemeinsames ODER-Glied (10 a) führt und daß dieses ODER-Glied zusammen mit dem ODER-Glied (10) der Auswerteeinrichtungen erster Art auf ein weiteres ODER-Glied (11) geführt ist.

3. Induktiver Drehzahl-/Drehrichtungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung für n 3 Phasen durch die Phasenfolge von drei Phasenspannungen, für n = 2 durch 90°-Phasenverschiebung der einen Phase mit nachfolgender Differenzierung und Vergleich des (positiven oder negativen) Differentationssignal mit der anderen Phase und der Übertragung bestimmt wird.

4. Induktiver Drehzahl-/Drehrichtungsgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragenen Phasenspannungen, über Dioden (13) entkoppelt, summiert werden und so einen analogen Wert für die Drehzahl liefern.