DE3111862C2 - Optischer Frequenzgeber - Google Patents

Abstract

Optischer Frequenzgeber zur Anwendung als Drehzahl- und Drehrichtungsgeber sowie als incrementaler Winkelgeber. Problem: Signalausfälle sowie Phasenfehler der 90 °-Rechtecksignale durch Temperatur, Alterung und mechanische Ungenauigkeiten sollen vermieden werden, die Amplitudenabfälle durch eine möglichst einfache Bildung von Fotozellensignalen, die für Gegentakt eingang geeignet sind. Lösung: (Fig. 1) Optische Abbildung einer Gitterperiode auf drei Fotozellen oder mehrerer Perioden auf drei phasenverschobene Teilgitter vor den Fotozellen. Bei 4-Quadrantenzellen dienen zwei gegenüberliegende Teilzellen als "mittlere Zelle". 0 °-Signal durch zwei äußere Zellen auf einen Gegentakteingang. Durch Summierung der äußeren Signale und Verwendung im Gegentakt zum mittleren Signal wird das 90 °-Signal gebildet und gleichzeitig von Phasenfehlern befreit. Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich ein großer Abstand zwischen rotierendem Gitter und feststehenden Teilen.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Frequenzgeber nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Optische Frequenzgeber, auch incrementale Winkelgeber genannt, dienen immer häufiger bei rotierenden Maschinen zur Ermittlung einer drehzahlproportionalen Frequenz und der Drehrichtung. Diese wird dabei aus der Phasenlage einer zweiten, vorwärts um 90°, rückwärts um 270° versetzten, gleichen Frequenz bestimmt An ihre Auflösung, Zuverlässigkeit, dabei aber gleichzeitig auch Wirtschaftlichkeit, werden steigende Forderungen gestellt.

In der DE-AS 1060 609 wird eine Hauptschwierigkeit einfacher, mit nur je einer Lichtschranke pro Phasenspannung arbeitender Geber aufgezeigt und beseitigt: die Unsymmetrie und Phasenfehler der Rechteckspannungen, die durch sich ändernde Gleichstrompegel der Fotozellensignale entstehen. Sie wird behoben durch 4 Lichtschranken, die so angeordnet sind, daß ihre Signale 0°, 90°, 180° und 270° Phasenlagen gegeneinander haben.

Die 0° und 180° Signale werden den gegenphasigen Eingängen eines, die 90° und 270° Signale denen eines zweiten Differenzverstärkers zugeführt, so daß die Gleichstrompegel sich kompensieren. Gleichwohl wird diese Methode in den auf dem Markt befindlichen Frequenzgebern kaum angewandt, weil die 4 Signalwege und ggf. 4 Optiken sie so teuer machen, daß sie, trotz höherer Zuverlässigkeit, nicht mehr konkurrenzfähig sind. So wird z. B. im IBM Tech. Disclosure Bulletin, VoL 14, No. 11, Apr. 1972, S. 3544, nur ein Signalweg für jede Phasenspannung dargestellt

Beide Schriften offenbaren in den dargestellten Geräten noch eine Schwäche, der nur mit hoher Präzision der Lager und des rotierenden Gitters begegnet werden kann: Beide benutzen sehr nahe vor dem rotierenden Gitter ein Referenzgitter (DE-AS 32; IBM 22 und 2J). Dieses dient dazu, bei sehr feinen Gitterleilungcn, wenn das Licht zur Fotozelle nicht mehr von dem einzelnen Gitterstrich abgedunkeil werden kann, eine größere Fläche vor ihr bei Koinzidenz beider Gitter aufzuhellen, bei »Lücke« abzudunkeln. Da dies durch Schattenwirkung geschieht und die Lichtbündel divergieren, muß der Abstand sehr klein, von der gleichen Größenordnung wie die Gitterkonstante, sein. Dies ist oft nur ein Bruchteil eines Millimeters. Eine Berührung der Gitter durch Schlag oder Spiel, die sofort zur Zerstörung führen würde, muß hierbei durch sehr enge Lagtrioleranzen vermieden werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst vereinfachte, wirtschaftliche Weise

1. die Vorteile des Gegentaktverfahrens zu erhalten,

2. einen größeren Abstand zwischen rotierenden und stehenden Teilen zu erzielen, damit die mechanischen Forderungen an die Lagerung zu lockern.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des An-Spruchs 1 gelöst

Oft ist eine Vierquadrantenfotozelle wegen vielseitigerer Anwendungsmöglichkeit günstiger zu beschaffen als ein Array von drei Fotozellen auf einem Substrat. Dann wird sie nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung so verwendet daß ihre Diagonale parallel zu den Gitterstrichen liegt und ihre Teüzeüen 15 und !8 die Funktion von Fotozelle 4 und 6, Teilzellen 16 und 17, parallel geschaltet die von Fotozelle 5 übernehmen.

Um auch dann, wenn trGiz vergrößerter Abbildung des Gitters ein Referenzgitter erforderlich wird, einen großen Abstand zwischen rotierenden und stehenden Teilen zu behalten, wird dieses etwa, um den Abbildungsmaßstab vergrößert nicht am rotierenden Gitter sondern unmittelbar vor den Fotozellen angebracht Die evidenten Vorteile der Erfindung durch die Lösung der gestellten Aufgaben sind: Höhere Betriebssicherheit und längere Lebensdauer durch symmetrische und phasengenaue Signale auch bei Änderungen des Gleichstrompegels durch Temperaturschwankung oder Altcrung wird mit nur 3 Signalwegen erreicht. Geringere Anforderungen an die Lagergenauigkeit und längere Benutzungsdauer der Lager wegen des großen Abstands rotierender von stehenden Teilen. Dazu kommen noch überraschende zusätzliche Vorteile bei Anwendung der Erfindung: Auch wenn der Abstand der Fotozellen 4 und 6 nicht gleich der halben Gitterkonstanten des abgebildeten Gitters ist, bleibt ihr Differenzsignal genau 90° (270°) gegen das 55 der mittleren Fotozelle 5 versetzt. So braucht der Abbildungsmaßstab der Optik nicht genau an die Gitterkonstante angepaßt zu sein, eine Variation der Zahl der Impulse pro Umdrehung ist ohne Änderung der Optik möglich. Bei vergrößernder Abbildung kommt man ohne Referenzgitter zu Impulszahlen, die um den Vergrößerungsfaktor höher liegen.

Werden darüber hinaus Referenzgitter benötigt, — die erfindungsgemäß vor den Fotozellen angebracht sind, — so kommt man, einmal durch die mit der Differenzbildung 54 — 56 kompensierte Abbildungs-Toleranz,

darüber durch stufenweise Anpassung der Vergrößerung, mit nur wenigen Referenzgittern für den gesamten Bereich an Impulszahlen aus.

In der Zeichnung ist die Erfindung in Skizzen erläu-I crt. lis zeigt

Fig. I Ein halbschematisches Bild des mechanischen, optischen und elektronischen Aufbaus.

F i g. 2 Eine Darstellung der abgebildeten Gitterstreifen in der Fotozellenebene.

F i g. 3 Eine Quadrantenfotozelle statt der Fotozellen 4—6 in der Abbildungsebene.

Fig.4 Eine Vektordarstellung von Fotozellensignalen 54 bis 56 mit übertrieben gezeichneter Abweichung des Winkels alpha von dem idealen Wert 180°.

F i g. 5 Eine Quadrantenfotozelle mit 2 Diiferenzverstärkern in bekannter Schaltung.

F i g. 6 Perspektivische Darstellung von Linse, Abbildungsebene und Fotozellen, auseinandergezogen, bei Benutzungeines Referenzgitters.

In Fig. 1 stellt t eine rotierende Scheibe mit einem Durchlicht-Winkelgitter dar. Die Leuchtdiode 2 strahlt durch die Gitterteilung auf die Linse 3, die hit-rz. B. als Zylinderlinse dargestellt ist. Diese bildet die Teüung auf die Fotozellen 4,5 und 6 ab. Die Signale von 4 und 6,54 und 56 werden in an sich bekannter Weise den Gegenlakteingängen des Komparators 7 zugeführt, so daß an dessen Ausgang 8 die zu Rechtecken überverstärkte Differenz der Eingangssignale erscheint. Während auch das Signal von 5, 55, direkt dem einen Eingang des Komparators 11 aufgeschaltet ist, erhält der andere Eingang als Referenz die »Summe« der Signale 54 und 56, die von den Widerständen 9 und 10 gebildet wird. Diese Schaltung bildet in Wirklichkeit den arithmetischen Mittelwert, also die halbe Summe der beiden Eingangsspannungen. In der Elektronik ist aber für sie die Bezeichnung »Summenschaitung« eingeführt !st z. B. das Signa! 54 = 56. so liegt an den Widerständen 9 und 10 keine Differenz-Spannung, d.h. auch am +Eingang von 11 liegt 54 = 56.

Die Signale ergeben sich aus der Bestrahlung oder Abschattung der Fotozellen wie sie in F i g. 2 gezeigt ist. Hier stellen 13 und 14 die Abbildungen von Stegen und Lücken des Gitters 1 dar, das sich bei Drehung der Scheibe nach rechts oder links bewegt. Definiert man als Phasenwinkel 360° die Bewegung, bis sich der gezeichnete Zustand wiederholt, so ist auch 1 Gitterkonstante = 360", wobei natürlich die Gitterkonstante des abgebildeten Gitters gemeint ist. In Fig.2 ist z. D. der Abstand von Mitte 13 bis Mitte 14 V₂ Gitterkonstante oder 180°. In dem gezeichneten Beispiel liegen die Fotozellen 4 und 6 etwas weiter als 180° auseinander. In F i g. 3 sind die Fotozellen 4 bis 6 durch eine Quadranlcnfotozelle mit den Teilzellen 15 bis 18 ersetzt. Es ist zu sehen, wie Zellen 4 und 6 durch 15 und 18, 5 durch die parallel geschalteten 16 und 17 ersetzt werden.

Da die Maxima und Minima der Wechselspannungs-Signalc der Fotozellen naturgemäß das gleiche Vorzeichen haben und sich nur durch die Höhe des Augenblickswcrls unterscheiden, kann man sie als »echte« Wechselspannung bezeichnen, die von einer Gleichspannung überlagert ist, welche den »mittleren Lichtpeiicl« darstellt. Liegen Fotozellen 4 und 6 genau 180° auseinander, so sind auch die Wcchsclspannungen von .V4 und .V6 um 180" phasenverschoben. In der Differenz .V6 — 54 addieren sie sich also, während die Gleichspannungen sich aufheben, wenn sie gleich sind. Dies wird ja schon in der o.a. DE-AS 10 60 609 ausgenutzt. Bei der Summenbildung im Komparator 11, Widerstände 9 und 10, dagegen heben sich gerade die Wechselspannungen auf und die Gleichspannung bleibt für den Referenzeingang +11 übrig. Damit bleibt auch die 90°-Ausgangsspannung an 12 unabhängig vom Lichtpegel symmetrisch.

Was geschieht wenn die Fotozellen 4 und 6 (15 und 18) nicht genau um 180° des abgebildeten Gitters voneinander entfernt sind, soll mit F i g. 4 erläutert werden. Hier sind sie fast auf die Hälfte zu dem Phasenwinkel

ίο alpha zusammengerückt Die Wechselspannungen sind entsprechend als Vektorpfeile gezeichnet. Da 5 mechanisch in der Mitte zwischen 4 und 6 liegt, ist der Pfeil 55 die Winkelhalbierende. In die gleiche Richtung zeigt auch die Summe 54 + 56 (weil 54 und 56 gleich lang sind). Da nach einem allgemeinen Gesetz Summe und Differenz zweier gleichlanger Vektoren immer senkrecht aufeinander stehen, tut dies auch die Differenz 54 — 56 bzw. 56 — 54 auf dem Vektor 55. (In der Praxis darf man allerdings alpha nicht zu weit von 180° abweichen lassen, weil sich der Wech^r-'strom-Summenvektor 54 + 56 in der einen Drchnc&tur.g zu 55 addiert, in der anderen aber subtrahiert also das Nutzsignal verkleinert).

In F i g. 5 wird dargestellt, daß eine Quadranteniotozelle auch in der bekannten, z.B. in DE-AS i0 60609 beschriebenen Weise benutzt werden kann. Dabei werden die Teilfotozellen 15 und 17 an Verstärker 7,16 und 18 an Verstärker 11 angeschlossen. Hier ergibt sich nicht automatisch eine 90°-Verschiebung. Diese kann erst nach den Ausgängen 8 und 12 nach der Methode der F i g. 4 durch Summen- und Differenzbildung erfolgen.

In Fig.6 soll die Anwendung von Referenzgittern beispielsweise dargestellt werden. Die perspektivische

Skizze soll zeigen, wie das Licht durch die Linse 19, durch die Abbildungsebene 13. 14. 13, 14, in der sich auch das Referenzgitter 20—22 befindet, auf die Fotozellen 4, 5 und 6 fällt die sich in Wirklichkeit direkt hinter dem Referenzgitter befinden.

4 ist gerade abgedunkelt, 5 zur Hälfte und 6 maximal beleuchtet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Optischer Frequenzgeber zur Erzeugung zweier um 90° (bei Drehrichtungsumkehr 270°) gegeneinander verschobenen Rechteckspannungen drehzahlproportionaler Frequenz, bestehend aus einem rotierenden Winkelgitter, mindestens einer Lichtquelle, und mindestens drei Fotozellen mit nachgeschalteter Elektronik sowie einer Optik, die das be- bzw. durchleuchtete Gitter derart vergrößert oder verkleinert auf 3 Fotozellen (4,5 und 6) abbildet, daß zwischen den äußeren Fotozellen (4 und 6) etwa '/2 Gitterkonstante gleich 180° Phasenverschiebung liegt, deren Signale {'54) und (S 6) in bekannter Weise den gegenphasigen Eingängen eines !Comparators (7) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzspannung für das Signal fS5}<ier Fotozelle (5) die Summe der Signale ,'54) und (S6) benutzt wird.

2. Optischer Frequenzgeber nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Vierquadranten-Fotozelle anstelle der Fotozellen (4, 5 und 6), deren Diagonale parallel zu den Gitterstrichen liegt und deren Teilzellen (15 und 18) die Funktion von (4 und 6), während die Teilzellen (16 und 17), parallel geschaltet, die von Fotozelle (5) übernehmen.

3. Optischer Frequenzgeber nach Anspruch 1, jedoch mit Verwendung eines Referenzgitters, dadurch gekennzeichnet, daß ein etwa um den Vergrößerungsfa&tor der Optik gegenüber dem rotierenden Gitter vergrößertes Referenzgitter in richtiger Phasenlage unmittelbar vor .en Fotozellen angebracht ist