DE3214529C2 - - Google Patents

Description

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-OS 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 staubempfind­ lich, was sich beispielsweise im Falle des Antriebs von Druckwagen in Datenschreibern oder dergleichen besonders nachteilig auswirkt, weil dort ein relativ hoher Staubanfall auftritt.

Es sind ferner lineare Wegmeßvorrichtungen mit einer feststehenden Sendespule, deren Achse sich in Wegrichtung erstreckt und mit einer Empfangsspulenanordnung bekannt (DE-AS 13 00 306, DE-AS 13 02 218 und DE-AS 12 81 694). Die Empfangsspulenan­ ordnung weist zwei Empfangsspulen auf, die mit der Sendespule gekoppelt sind und de­ ren Achsrichtung derjenigen der Sendespule entspricht. Bei diesen Wegmeßvorrichtun­ gen sind die Sendespule und die beiden Empfangsspulen Teil eines Differentialtrans­ formators, der ferner einen Kern aus ferromagnetischem Material aufweist, welcher ge­ genüber der Sendespule und den Empfangsspulen in Wegrichtung verstellbar ist. Solche nach dem Prinzip des Differentialtransformators arbeitende Wegmeßvorrichtungen er­ lauben eine genaue Messung nur von relativ kleinen Strecken. Sie eignen sich schon aus diesem Grunde nicht als Weggeber für lineare Positionier- oder Schrittantriebe, wie sie beispielsweise zum Antreiben von Druckerwagen in Datenschreibern oder dergleichen eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auch zur Erfassung längerer Strecken und damit 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 inkrementale, lineare Wegmeß­ vorrichtung, die versehen ist mit einer feststehenden einlagigen Sendespule, deren Achse sich in Wegrichtung erstreckt, und einer damit induktiv gekoppelten, in Richtung der Sendespulenachse verstellbaren 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 Mes­ sung auch von längeren Wegen, da sie auf einfache Weise zwei Wegmeßsignale (Empfangssignale) bereitstellt, die eine genaue gegenseitige Phasenverschiebung von 90° haben. Durch Auswertung dieser um 90° 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 erfaßbare Meßstrecke hängt nur von der Länge der Sendespule ab, die ohne weiteres entsprechend den jeweiligen Anforde­ rungen gewählt werden kann.

Die Empfangsspulenanordnung ist zweckmäßig kurz im Vergleich zur Sendespule. Bei Einsatz in Verbindung mit einem Linearmotor wird sie vom Läufer des Motors mitge­ nommen, während die Sendespule in den Motorständer integriert werden kann.

Um die in ferromagnetischen Anordnungen schwer zu be­ herrschenden Fehler aufgrund von Schwankungen der ma­ gnetischen Kopplung zu vermeiden, sind in weiterer Aus­ gestaltung der Erfindung die Sendespule und die Empfangs­ spulen als Luftspulen ausgebildet. Die Fertigung gestal­ tet 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 nichtferromagne­ tischem Werkstoff, beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoff, sitzt, der von einer die Empfangsspulen tragenden und auf der Sendespule gleitenden Hülse aus nichtferromagnetischem Werkstoff umfaßt ist. Die vor­ stehend genannten, für die Bildung zweier um 90° pha­ senverschobener Empfangssignale notwendigen Bedingungen lassen sich genau und einfach dadurch einhalten, daß die Sendespule und die Empfangsspulen jeweils aus Draht als Bifilarspulen gewickelt sind, die Windungen sowohl der Sendespule als auch der ineinander verschachtelten Empfangsspulen jeweils aneinander anliegen und der Drahtdurchmesser der Empfangsspulen gleich dem hal­ ben Drahtdurchmesser der Sendespule ist. Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform könnten beispiels­ weise die Träger für die Sendespule und die Empfangs­ spulen 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 Empfangsspu­ len 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 amplitu­ denmoduliert. 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-Genera­ tors und die Steuereingänge der phasenempfindlichen Demodulatoren ein Phasenschieber geschaltet sein.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen schematischen Teilschnitt durch die Sendespule und die Empfangsspulenanordnung einer Wegmeßvorrichtung nach der Er­ findung,

Fig. 2 eine schematische Abwicklung von Sendespule und Empfangsspulen,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer er­ findungsgemäß ausgelegten Wegmeß­ vorrichtung, und

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines mit der Wegmeßvorrichtung ausgestatte­ ten linearen Positionierantriebs.

Entsprechend Fig. 1 ist auf einen langgestreckten Spulen­ träger 10 aus nichtferromagnetischem Werkstoff, beispiels­ weise Glas, Keramik oder Kunststoff, eine Sendespule 11 aufgewickelt. Bei der Sendespule 11 handelt es sich um eine einlagige Zylinderluftspule aus Draht in Bifilar­ anordnung. Die Windungen der Sendespule 11 liegen prak­ tisch lückenlos aneinander an. Die in Fig. 1 in die auf­ geschnittenen Windungen eingezeichneten Pfeilspitzen (Punkte) und Pfeilenden (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 Fig. 1 und 2 mit 3 bzw. 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 verschach­ telte Empfangsspulen 18, 19. Ähnlich wie die Sendespule 11 sind die Empfangsspulen 18, 19 einlagige zylindrische Luft­ spulen in Bifilaranordnung. Anfang und Ende der beiden Empfangsspulen sind in den Fig. 1 und 2 mit 1 und für die Empfangsspule 18 bzw. 2 und für die Empfangs­ spule 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 Empfangs­ spulen 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 Pfeil­ enden angedeutet. Einander benachbarte Windungen, bei­ spielsweise die Windungen 20, 21 der Empfangsspule 18 werden im Betrieb von Strom jeweils in entgegengesetz­ ter Richtung durchflossen. Entsprechendes gilt für die Empfangsspule 19, von der in Fig. 1 zwei einander be­ nachbarte 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 Empfangs­ spule 19 sind also gleich den gegenseitigen Mittenab­ ständen der Windungen, beispielsweise 12, 13, der Sen­ despule 11. Mit Ausnahme der Endwindungen liegt jede Windung der einen Empfangsspule zwischen zwei Windun­ gen der jeweils anderen Empfangsspule, und die Empfangs­ spulen 18, 19 sind in Richtung der Achse 17 um eine hal­ be 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 Ver­ stärkerstufen 31, 32 nachgeschaltet. Zwischen dem Aus­ gang des HF-Generators 26 und den Steuereingängen 33, 34 der Demodulatoren 29 bzw. 30 sitzt ein Phasenschie­ ber 35.

Wird die Empfangsspulenanordnung 15 gegenüber der Sende­ spule 11 in Richtung der Achse 17 verschoben, während die Sendespule 11 aus dem HF-Generator 26 mit einem hochfre­ quenten Strom gespeist wird, werden in den Empfangsspulen 18, 19 Empfangssignale mit der Frequenz des Ausgangssi­ gnals des HF-Generators 26 induziert, die in Abhängigkeit von der Position der Empfangsspulenanordnung in gegensei­ tiger Phasenverschiebung von 90° amplitudenmoduliert sind. An den Ausgängen 36, 37 der Verstärkerstufen 31, 32 tre­ ten infolgedessen Positionssignale auf, die gegeneinander um exakt 90° phasenverschoben sind.

Fig. 4 zeigt schematisch ein mit der Wegmeßvorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 3 ausgestattetes Linearmotor-Posi­ tioniersystem. Das Positioniersystem weist einen Ein- Chip-Mikroprozessor 39 auf, mit dem eine Motorendstufe 40 eines kollektorlosen, elektronisch kommutierten Li­ nearmotors 41 verbunden ist. Der Motor 41 kann vorzugs­ weise 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 aus­ drücklich Bezug genommen. Beispiele weiterer in diesem Zusammenhang anwendbarer Linearmotoren ergeben sich aus den eingangs genannten DE-OS 25 43 668 und 26 54 075 so­ wie den DE-OS 29 12 531, 29 12 532, 27 42 050 und 29 39 445. Dem Linearmotor 41 sind ein Kommutierungs­ sensor 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 Weg­ meßvorrichtung 43 sind an einen Analog/Digital-Wandler 44 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Mikroprozessor 39 verbunden ist. Die Motorendstufe 40 kann zweckmäßig als Dreiphasen-Brückenschaltung mit Endstufentransistoren ausgelegt sein, von denen in Fig. 4 nur zwei bei 45 ange­ deutet sind. Ein mittels eines Strommeßglieds 46 erfaßtes Motorstromsignal läßt sich in einer Stufe 47 für Regel- und/oder Steuerzwecke auswerten.

Claims (9)

1. Inkrementale, lineare Wegmeßvorrichtung, insbesondere für mit Linearmotor ausgestattete Positionier- oder Schrittantriebe, mit einer feststehen­ den einlagigen Sendespule (11), deren Achse (17) sich in Wegrichtung erstreckt, und einer damit induktiv gekop­ pelten in Richtung der Sendespulenachse verstellbaren Empfangsspulenanordnung (15) mit zwei einlagigen Empfangsspulen (18, 19), deren Achsrichtung derjeni­ gen der Sendespule entspricht, von denen jede die gleiche Steigung wie die Sendespule hat und die nach Art eines mehrgängigen Gewindes ineinander verschach­ telt sind, wobei die Sendespule und die beiden Empfangs­ spulen jeweils derart ausgebildet sind, daß einander be­ nachbarte Windungen (12, 13; 20, 21 bzw. 22, 23) jeder Spule Strom jeweils in entgegengesetzter Richtung füh­ ren.

2. Wegmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Empfangsspulenanordnung (15) kurz im Ver­ gleich zur Sendespule (11) ist.

3. Wegmeßvorrichtung nach Anspruch 1 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 Sende­ spule (11) 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 gekenn­ zeichnet, daß die Sendespule (11) auf einem langge­ streckten Spulenträger (10) aus nichtferromagneti­ schem Werkstoff sitzt, der von einer die Empfangs­ spulen (18, 19) tragenden und auf der Sendespule gleitend verschiebbaren Hülse aus nichtferromagne­ tischem Werkstoff umfaßt ist.

6. Wegmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (11) und die Empfangsspulen (18, 19) jeweils aus Draht als Bifilarspulen gewickelt sind, die Windun­ gen (12, 13; 20, 21 bzw. 22, 23) sowohl der Sende­ spule als auch der ineinander verschachtelten Empfangsspulen jeweils aneinander anliegen und der Drahtdurchmesser der Empfangsspulen gleich dem hal­ ben Drahtdurchmesser der Sendespule ist.

7. Wegmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (11) an den Ausgang eines HF-Generators (26) ange­ schlossen ist.

8. Wegmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Empfangs­ spulen (18, 19) phasenempfindliche Demodulatoren (29, 30) nachgeschaltet sind.

9. Wegmeßvorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang des HF-Ge­ nerators (26) und die Steuereingänge (33, 34) der phasenempfindlichen Demodulatoren (29, 30) ein Pha­ senschieber (35) geschaltet ist.