DE3214529A1

DE3214529A1 - Inkrementale, lineare wegmessvorrichtung

Info

Publication number: DE3214529A1
Application number: DE19823214529
Authority: DE
Inventors: Johann von der 7733 Mönchweiler Heide
Original assignee: Papst Motoren & Co Kg 7742 St Georgen GmbH; Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1982-04-20
Filing date: 1982-04-20
Publication date: 1983-10-20
Also published as: DE3214529C2

Description

Inkrementale, lineare
Wegmeßvorrichtung Die Erfindung betrifft eine inkrementale, lineare Wegmeßvorrichtung, insbesondere für mit Linearmotor ausgestattete Positionier- oder Schrittantriebe.
Es ist bekannt, als Wegmeßvorrichtung für lineare Positionier- oder Schrittantriebe elektrooptische Systeme vorzusehen (DE-OSn 25 43 668 und 26 54 075). Dabei wird beispielsweise ein feststehender Maßstab mit Wegmeßspur verwendet, der mit einer oder mehreren mit dem Läufer verbundenen Lichtschranken zusammenwirkt. Solche bekannten Wegmeßvorrichtungen sind jedoch störanfällig, insbesondere staubempfindlich, was sich beispielsweise im Falle des Antriebs von Drucker waagen in Datenschreibern oder dergleichen besonders nachteilig auswirkt, weil dort ein relativ hoher Staubanfall auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für lineare Positionier- oder Schrittantriebe geeignete Wegmeßvorrichtung zu schaffen, die bei einfachem, robustem und preisgünstigem Aufbau besonders wenig störempfindlich, insbesondere unempfindlich gegenüber Staub und dergleichen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine feststehende einlagige Sendespule, deren Achse sich in Wegrichtung erstreckt, und eine damit induktiv gekoppelte, in Richtung der Sendespulenachse verstellbare Empfangsspulenanordnung mit zwei einlagigen Empfangsspulen, deren Achsrichtung derjenigen der Sendespule entspricht, von denen jede die gleiche Steigung wie die Sendespule hat und die nach Art eines mehrgängigen Gewindes ineinander verschachtelt sind, wobei die Sendespule und die beiden Empfangsspulen jeweils derart ausgebildet sind, daß einander benachbarte Windungen jeder Spule Strom jeweils in entgegengesetzter Richtung führen.
Eine solche Wegmeßvorrichtung erlaubt bei geringem Aufwand eine hochpräzise Wegmessung, da sie auf einfache Weise zwei Wegmeßsignale (Empfangssignale) bereitstellt, die eine genaue gegenseitige Phasenverschiebung von 900 haben. Durch Auswertung dieser um 900 phasenverschobenen Empfangssignale kann nicht nur leicht die jeweilige Läuferposition, sondern auch die Wegrichtung erfaßt werden. Die Wegmeßvorrichtung nach der Erfindung ist gegenüber Staub und ähnlichen Störeinflüssen in hohem Maße unempfindlich.
Die Empfangsspulenanordnung ist zweckmäßig kurz im Vergleich zur Sendespule. Bei Einsatz in Verbindung mit einem Linearmotor wird sie vom Läufer des Motors mitgenommen, während die Sendespule in den Motorständer integriert werden kann.
Um die in ferromagnetischen Anordnungen schwer zu beherrschenden Fehler aufgrund von Schwankungen der magnetischen Kopplung zu vermeiden, sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Sendespule und die Empfangsspulen als Luftspulen ausgebildet. Die Fertigung gestaltet sich besonders einfach, wenn die Sendespule und die Empfangsspulen als Zylinderspulen ausgebildet sind und die Sendespule von der Empfangsspulenanordnung koaxial umfaßt ist. Dabei wird eine in hohem Maße robuste und stabile Anordnung erhalten, wenn die Sendespule auf einem langgestreckten Spulenträger aus nichtferromagnetischem Werkstoff, beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoff, sitzt, der von einer die Empfangsspulen tragenden und auf der Sendespule gleitenden Hülse aus nichtferromagnetischem Werkstoff umgeben ist. Die vorstehend genannten, für die Bildung zweier um 900 phasenverschobener Empfangssignale notwendigen Bedingungen lassen sich genau und einfach dadurch einhalten, daß die Sendespule und die Empfangsspulen jeweils aus Draht als Bifilarspulen gewickelt sind, die Wicklungen sowohl der Sendespule als auch der ineinander verschachtelten Empfangsspulen jeweils aneinander anliegen und der Drahtdurchmesser der Empfangsspulen gleich dem halben Drahtdurchmesser der Sendespule ist. Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform könnten beispielsweise die Träger für die Sendespule und die Empfangsspulen mit entsprechenden Gewindegängen versehen sein, in die die Windungen der Spulen eingelegt sind.
Vorzugsweise ist die Sendespule an den Ausgang eines HF-Generators angeschlossen, während den Empfangsspulen phasenempfindliche Demodulatoren nachgeschaltet sind. Das von dem HF-Generator angelieferte Signal wird dann in Abhängigkeit von der Verstellung der Empfangsspulen mit Bezug auf die Sendespule amplitudenmoduliert. Die Trägerfrequenz des HF-Generators wird mittels der Demodulatoren abgetrennt, wobei die richtige Phasenlage der Empfangssignale erhalten bleibt. Zur Einjustierung der Positionieranordnung kann zweckmäßig zwischen den Ausgang des HF-Generators und die Steuereingänge der phasenempfindlichen Demodulatoren ein Phasenschieber geschaltet sein.
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen schematischen Teilschnitt durch die Sendespule und die Empfangsspulenanordnung einer Wegm.eßvorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 eine schematische Abwicklung von Sendespule und Empfangsspulen, Fig. 3 ein Prinzpschaltbild einer erfindungsgemäß ausgelegten Wegmeßorrichtung, und Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines mit der Wegmeßvorrichtung ausgestatteten linearen Positionierantriebs.
Entsprechend Fig. 1 ist auf einen langgestreckten Spulenträger 10 aus nichtferromagnetischem Werkstoff, beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoff, eine Sendespule 11 aufgewickelt. Bei der Sendespule 11 handelt es sich um eine einlagige Zylinderluftspule aus Draht in Bifilaranordnung. Die Windungen der Sendespule 11 liegen praktisch lückenlos aneinander an. Die in Fig. 1 in die aufgeschnittenen Windungen eingezeichneten Pfeilspitzen (Punkte) und Pfeil enden (Kreuze) lassen erkennen, daß aufgrund der bifilaren Bewicklung einander benachbarte Windungen, beispielsweise die Windungen 12 und 13, Strom jeweils in entgegengesetzter Richtung führen. Anfang und Ende der Sendespule 11 sind in den Fign. 1 und 2 mit 3 bzw. 3 bezeichnet.
Eine Empfangsspulenanordnung 15 weist eine Hülse 16 aus nichtferromagnetischem Werkstoff, beispielsweise wiederum Glas, Keramik oder Kunststoff auf. Die Hülse 16 gleitet auf der Sendespule 11, deren Achse 17 sich in Richtung des zu messenden Weges erstreckt. Die Hülse 16 trägt zwei nach Art eines mehrgängigen Gewindes ineinander verschachtelte Empfangsspulen 18, 19. Ähnlich wie die Sendespule 11 sind die Empfangsspulen 18, 19 einlagige zylindrische Luftspulen in Bifilaranordnung. Anfang und Ende der beiden Empfangsspulen sind in den Fign. 1 und 2 mit 1 und 7 für die Empfangsspule 18 bzw. 2 und 2 für die Empfangsspule 19 bezeichnet. Die Empfangsspulen 18, 19 sind aus einem Draht gewickelt, dessen Durchmesser gleich dem halben Drahtdurchmesser der Sendespule 11 ist, und die Windungen der ineinander verschachtelten Empfangsspulen liegen praktisch lückenlos aneinander an. Beide Empfangsspulen 18, 19 haben die gleiche Steigung wie die Sendespule 11. Die Stromrichtung in den Windungen der Empfangsspule 18 ist entsprechend der Darstellung der Sendespule 11 in Fig. 1 mit Pfeilspitzen und Pfeilenden angedeutet. Einander benachbarte Windungen, beispielsweise die Windungen 20, 21 der Empfangsspule 18 werden im Betrieb von Strom jeweils in entgegengesetzter Richtung durch flossen. Entsprechendes gilt für die Empfangsspule 19, von der in Fig. 1 zwei einander benachbarte Windungen mit 22 und 23 bezeichnet sind.
Die gegenseitigen Mittenabstände der Windungen, z*B.
20, 21, der Empfangsspule 18 sowie die gegenseitigen Mittenabstände der Windungen, z.B. 22, 23, der Empfangsspule 19 sind also gleich den gegenseitigen Mittenabständen der Windungen. beispielsweise 12, 13, der Sendespule 11. Mit Ausnahme der Endwindungen liegt jede Windung der einen Empfangsspule zwischen zwei Windungen der jeweils anderen Empfangsspule, und die Empfangsspulen 18, 19 sind in Richtung der Achse 17 um eine halbe Spulenteilung gegeneinander versetzt.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist- die Sendespule 11 an die Ausgänge eines HF-Generators 26 angeschlossen, während die Empfangsspulen 18, 19 über Verstärkerstufen 27, 28 mit Eingängen von phasenempfindlichen Demodulatoren 29, 30 verbunden sind. Den Demodulatoren 29, 30 sind Verstärkerstufen 31, 32 nachgeschaltet. Zwischen dem Ausgang des HF-Generators 26 und den Steuereingängen 33, 34 der Demodulatoren 29 bzw. 30 sitzt ein Phasenschieber 35.
Wird die Empfangsspulenanordnung 15 gegenüber der Sendespule 11 in Richtung der Achse 17 verschoben, während die Sendespule 11 aus dem HF-Generator 26 mit einem hochfrequenten Strom gespeist wird, werden in den Empfangsspulen 18, 19 Empfangssignale mit der Frequenz des Ausgangssignals des HF-Generators 26 induziert, die in Abhängigkeit von der Position der Empfangsspulenanordnung in gegenseitiger Phasenverschiebung von 900 amplitudenmoduliert sind.
An den Ausgängen 36, 37 der Verstärkerstufen 31, 32 treten infolgedessen Positionssignale auf, die gegeneinander um exakt 900 phasenverschoben sind.
Fig. 4 zeigt schematisch ein mit der Wegmeßvorrichtung gemäß den Fign. 1 bis 3 ausgestattetes Linearmotor-Positioniersystem. Das Positioniersystem weist einen Ein-Chip-Mikroprozessor 39 auf, mit dem eine Motorendstufe 40 eines kollektorlosen, elektronisch kommutierten Linearmotors 41 verbunden ist. Der Motor 41 kann vorzugsweise in der in den Patentanmeldungen P 31 23 441 und P 31 49 214 näher erläuterten Weise aufgebaut sein. Auf den Inhalt dieser älteren Patentanmeldungen wird ausdrücklich Bezug genommen. Beispiele weiterer in diesem Zusammenhang anwendbarer Linearmotoren ergeben sich aus den eingangs genanntn DE-OSn 25 43 668 und 26 54 075 sowie den DE-OSn 29 12 531, 29 12 532, 27 42 050 und 29 39 445. Dem Linearmotor 41 sind ein Kommutierungssensor 42 und die (mit Ausnahme des HF-Generators 26) als Ganzes mit 43 bezeichnete Wegmeßvorrichtung gemäß Fig. 3 zugeordnet. Die Ausgänge 36, 37 (Fig. 3) der Wegmeßvorrichtung 43 sind an einen Analog/Digital-Wandler 44 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Mikroprozessor 39 verbunden ist. Die Motorengstufe 40 kann zweckmäßig als Dreiphasen-Brückenschaltung mit Endstufentransistoren ausgelegt sein, von denen in Fig. 4 nur zwei bei 45 angedeutet sind. Ein mittels eines Strommeßglieds 46 erfaßtes Motorstromsignal läßt sich in einer Stufe 47 für Regel-und/oder Steuerzwecke auswerten.

Claims

Ansprüche f't Inkrementale, lineare Wegmeßvorrichtung, insbesondere für mit Linearmotor ausgestattete Positionier- oder Schrittantriebe, gekennzeichnet durch eine feststehende einlagige Sendespule (all), deren Achse (17) sich in Wegrichtung erstreckt, und eine damit induktiv gekoppelte, in Richtung der Sendespulenachse verstellbare Empfangsspulenanordnung (15) mit zwei einlagigen Empfangsspulen (18, 19), deren Achsrichtung derjenigen der Sendespule entspricht, von denen jede die gleiche Steigung wie die Sendespule hat und die nach Art eines mehrgängigen Gewindes ineinander verschachtelt sind, wobei die Sendespule und die beiden Empfangsspulen jeweils derart ausgebildet sind, daß einander benachbarte Windungen (12, 13; 20, 21 bzw. 22, 23) jeder Spule Strom jeweils in entgegengesetzter Richtung führen.
2. Wegmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsspulenanordnung (15) kurz im Vergleich zur Sendespule (11) ist.
3. Wegmeßvorrichtung nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (11) und die Empfangsspulen (18, 19) als Luftspulen ausgebildet sind.
4. Wegmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (all) und die Empfangsspulen (18, 19) als Zylinderspulen ausgebildet sind und die Sendespule von der Empfangsspulenanordnung (15) koaxial umfaßt ist.
5. Wegmeßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (11) auf einem langgestreckten Spulenträger (10) aus nichtferromagnetischem Werkstoff sitzt, der von einer die Empfangsspulen (18, 19) tragenden und auf der Sendespule gleitend verschiebbaren Hülse aus nichtferromagnetischem Werkstoff umfaßt ist.
6. Wegmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (11) und die Empfangsspulen (18, 19) jeweils aus Draht als Bifilarspulen gewickelt sind, die Windungen (12, 13; 20, 21 bzw. 22, 23) sowohl der Sendespule als auch der ineinander verschachtelten Empfangsspulen jeweils aneinander anliegen und der Drahtdurchmesser der Empfangsspulen gleich dem halben Drahtdurchmesser der Sendespule ist.
7. Wegmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (11) an den Ausgang eines HF-Generators (26) angeschlossen ist.
8. Wegmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Empfangsspulen (18, 19) phasenempfindliche Demodulatoren (29, 30) nach geschaltet sind.
9. Wegmeßvorrichtung nach Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang des HF-Generators (26) und die Steuereingänge (33, 34) der phasenempfindlichen Demodulatoren (29, 30) ein Phasenschieber (35) geschaltet ist.