DE3219491A1

DE3219491A1 - Arrangement for pulse generation for high-resolution measurement of the speed and position of rotating machine parts

Info

Publication number: DE3219491A1
Application number: DE19823219491
Authority: DE
Inventors: Reino Dr. Dipl.-Ing. 6805 Heddesheim Buchmüller
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1982-05-25
Filing date: 1982-05-25
Publication date: 1983-12-01
Also published as: DE3219491C2

Abstract

Magnetic moving-coil transducers with Wiegand modules have the advantage that no auxiliary energy is required. However, in known moving-coil transducers with Wiegand modules the highest pulse repetition frequency that can be achieved is limited to approximately 10 kHz. This is caused by the remagnetisation processes in the Wiegand wire, which require a certain time. The solution according to the invention circumvents this difficulty by constructing the Wiegand module (5) from a plurality of individual elements (7) arranged next to one another in the direction of rotation of the impeller (1), and designing the teeth (6.1, 6.2) of the impeller (1) to be so wide that they cover a plurality of individual elements (7) of the module (5). The elements of the module are connected in series or parallel. After a tooth has passed through the transducer, the module transmits a chain of pulses. The maximum pulse repetition frequency can be increased with the aid of these measures by a factor of approximately 10 with respect to the known solution. <IMAGE>

Description

Anordnung zur Impulserzeugung für eine Drehzahl- undArrangement for pulse generation for a speed and

Positionsmessung hoher Auflösung an rotierenden Teilen von Maschinen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Impulserzeugung für eine Drehzahl- und Positionsmessung hoher Auflösung an lotierenden Teilen von Maschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.High resolution position measurement on rotating parts of machines The invention relates to an arrangement for generating pulses for a speed and Position measurement of high resolution on floating parts of machines according to the generic term of claim 1.

Anordnungen zur Impulserzeugung an rotierenden Teilen von Maschinen - auch Drehimpulsgeber genannt - sollen in einem großen Drehzahlbereich auswertbare Impulse abgeben und besonders für die Positionsmessung eine Winkelauflösung mit homer Genauigkeit ermöglichen. Sie sollen unempfindlich sein für elektromagnetische Störungen und Verschmutzung.Arrangements for generating pulses on rotating parts of machines - also called rotary pulse encoders - should be evaluable over a large speed range Emit impulses and especially for the position measurement with an angular resolution allow homer accuracy. They should be insensitive to electromagnetic Disruptions and pollution.

Am häufigsten werden Drehimpulsgeber eingesetzt, die nach einem optischen oder magnetischen Verfahren arbeiten. Optische Drehimpulsgeber sind empfindlich flir mechanische Beeinflussung und Verschmutzung, magnetisohe Drehimpulsgeber besonders für elektromagnetische Störunqen .Most often, rotary pulse encoders are used that are based on an optical or magnetic processes work. Optical rotary pulse encoders are sensitive for mechanical influences and contamination, especially magnetic rotary pulse encoders for electromagnetic Malfunctions.

In neueren Lösungen für magnetische Drehimpuisgeber werden Wiegand-Moduln eingesetzt (Mchine Design, April 26, 1979, Seite 154 bis 158). Sie haben den besonderen Vorteil, daß keine elektrische Hilfsenergie benötigt wird. Der in solchen Drehinpulsgebern benutzte Wiegand-Effekt ist nach seinem Entdecker John R. Wiegand benannt (Funkschau 1980, Heft 8, Seite 78 bis 80). Der Effekt bewirkt, daß in einem nach einem speziellen Verfahren hergestellten Draht mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes eine sprunghafte Magneisierungsänderung ausgelöst werden kann, die in einer in der Nähe des Drahtes befindlichen Spule einen Spannungsimpuls erzeugt. Durch das spezielle Herstellverfahren werden die magnetischen Eigenschaften des Drahtes in der Weise selektiv verändert, daß ein weichmagnetischer Kern und eine hartmagnetische Schale entstehen. Wird kein externes Magnetfeld an einen solchen Wiegand-Draht gelege, bestimmt das Magnetfeld der äußeren Schale die Richtung der Feldlinien im Kern. Außerhalb des Drahtes tritt nur ein- sehr schwaches Feld auf. Durch Anlegen eines externen Magnetfeldes (Setzmagnet), dessen Verlauf parallel zur Längsrichtung des Drahtes ist, endet sich die Richtung des Feldes im Drahtkern sehr schnell, sobald ein Schwellwert des äußeren Feldes erreicht wird. Die magnetischen Feldlinien verlaufen nun außerhalb des Drahtes und die schnelle änderung dieses Feldes kann durch eine Aufnahmespule verfaßt werden. Wird die Polarität des angelegten Magnetfeldes geändert (Rückstellmagnet), so kehrt das Kernfeld in die ursprngliche Richtung zurück, sobald die Stärke des angelegten Feldes den Schwellwert für die Rückstellung erreicht hat.Wiegand modules are used in newer solutions for magnetic rotary pulse encoders used (Mchine Design, April 26, 1979, pages 154-158). You have the special one Advantage that no electrical auxiliary energy is required. The one in such rotary pulse generators The Wiegand effect used is named after its discoverer John R. Wiegand (Funkschau 1980, No. 8, pages 78 to 80). The effect causes in one after a special Method made wire with the help of an external magnetic field an erratic Magnetization change can be triggered in one near the wire located coil generates a voltage pulse. Due to the special manufacturing process the magnetic properties of the wire are selectively changed in such a way that that a soft magnetic core and a hard magnetic shell are created. Will not External magnetic field placed on such a Wiegand wire determines the magnetic field of the outer shell, the direction of the field lines in the core. Outside the wire occurs only a very weak field. By applying an external magnetic field (setting magnet), whose course is parallel to the longitudinal direction of the wire, the direction ends of the field in the wire core very quickly as soon as a threshold value of the external field is achieved. The magnetic field lines now run outside the wire and the quick change of this field can be composed by a take-up reel. If the polarity of the applied magnetic field is changed (reset magnet), it reverses the core field back in the original direction as soon as the strength of the applied Field has reached the reset threshold.

Drehimpuisgeber mit Wiegand-Moduln bestehen prinzipiell aus nachstehenden Komponenten: Einem Wiegand-Draht von z.B. 3 cm Länge, einer Spule, die entweder um den Draht gewickelt ist oder in der Nähe des Drahtes angeordnet ist, und ;je einem Setz- und Rückstell-Magneten (Dauer-oder ElektromEgnete). Spannungsimpulse werden in der Spule erzeugt, indem der Draht nacheinander durch die Magnetfelcer tewegt wird oder indem mit Hilfe eines bewegten Abschirmbleches eine MagnetfeldFnderung herbeigeführt wird. Die optimale induktive Kopplung von Draht und Spule wirc erreicht, wenn die Spule um den Wiegand-Draht gewickelt wird; eine solche Arordnung wird Wiegand-Modul genannt.Rotary pulse encoders with Wiegand modules basically consist of the following Components: A Wiegand wire from e.g. 3 cm length, a coil, which is either wrapped around the wire or placed near the wire is, and; one setting and one reset magnet (permanent or electro-magnetic). Voltage pulses are created in the coil by pulling the wire one after the other through the magnetic field is moved or by a magnetic field change with the help of a moving shielding plate is brought about. The optimal inductive coupling of wire and coil is achieved when the coil is wound around the Wiegand wire; such an arrangement becomes a Wiegand module called.

Aus Machine Design, April 26, 1979, Seite 157, Bild unten, ist eire Anordnung fÜr Drehimpulsgeber bekannt, die auch in Elektronik 1980, Heft 7, Seite 43 bis 50, auf Seite 47 beschrieben und dort besonders für genaue Positionsmessungen vorgeschlagen wird. Dabei werden in einer feststehenden Einrichtung zwei gegensätzlich gepolte Magnete in einem bestimmten Abstand übereinander angeordnet. Die beiden Magnete erzeugen Magnetfelder von sehr unterschiedlicher Feldstärke. Der Setzmagnet ist der stärkere Magnet. In dem Zwischenraum und zwar in der Nähe des Rück"tellmagneten ist ein Wiegand-Modul so angeordnet, d;lß die Richtung der Feldlinien mit der Längsachse de Wiegand-Drahtes Übereinstimmt. Zwischen dem Setzmagne-en und der Spule verbleibt ein Zwischenraum durch den die Zähne eines ferromagnetischen Rades als Abschirmb.eche hindurchgeführt werden. Die Impulserzeugung bei der Drehbewegung des gezahnten Rades erfolgt durch folgenden Ablauf: Wenn kein Abschirmblech, also eine Zahnlücke vorhanden ist, dominiert das Feld des Setzmagneten, der den weichmagnetischen Kern im Wiegand-Draht in die gleiche Richtung wie den Mantel des Wiegand-Drahts magnetisiert. Sobald sich das Rad weiterdreht und dadurch der Setzmagnet abgeschirmt wird, bestimmt der lli5oksetzmagnet die Feldrir'htung. Die dadurch geänderte Richtung des äußeren Feldes am Wiegand-Modul bewirkt eine sprunghafte ßnderung der Magnetisierungsrichtung des Drahtkerns, wodurch in der Spule ein Spannungsimpuls erzeugt wird.From Machine Design, April 26, 1979, page 157, image below, is eire Arrangement for rotary pulse encoder known, also in Electronics 1980, Issue 7, page 43 to 50, described on page 47 and there especially for precise position measurements is suggested. In a fixed facility, two are contradicting one another Poled magnets arranged one above the other at a certain distance. The two Magnets generate magnetic fields with very different field strengths. The setting magnet is the stronger magnet. In the gap, in the vicinity of the return magnet a Wiegand module is arranged in such a way that the direction of the field lines coincides with the longitudinal axis de Wiegand-Drahtes Corresponds. Remains between the setting magnet and the coil a space through which the teeth of a ferromagnetic wheel act as a shield be passed through. The generation of pulses when the toothed wheel rotates takes place in the following sequence: If there is no shielding plate, i.e. a tooth gap is dominated by the field of the setting magnet, which is the soft magnetic core in the Wiegand wire magnetized in the same direction as the sheath of the Wiegand wire. As soon as the wheel continues to turn and the setting magnet is thereby shielded, is determined by the setting magnet the direction of the field. the thereby changed direction of the external field on the Wiegand module causes a sudden change in the direction of magnetization of the Wire core, which generates a voltage pulse in the coil.

Durch relativ langsam verlaufende Umorientierungsvorgänge im Wiegand-Draht ist die mit der beschriebenen Anordnung erreichbare Impulsfolgefrequenz auf etwa 10 kHz begrenzt. Eine Begrenzung tritt durch die Veränderung der Impulsform bei höheren Frequenzen ein und durch de änderung des Schaltortes der durch die bei hohen Frequenzen zur Ummagnetisierung notwendigen höheren Feldstärken verursacht wird. Diese Schwierigkeiten lassen sich mit den bekannten Wiegand-Moduln nicht beheben, auch nicht mit dem aus Machine Design, April 26, 1979, Seite 158 bekannten Aufbau des Wiegand-Moduls, bei dem mehrere Wiegand-Drähte mit einer gemeinsamen Spule umwickelt werden. Damit läßt sich nur die Höhe des Spannungsimpulses steigern, nicht aber die durch die Ummagnetisierungsvorgänge begrenzte Impulsfolgefrequenz.Due to relatively slow reorientation processes in the Wiegand wire the pulse repetition frequency achievable with the described arrangement is approximately 10 kHz limited. A limitation occurs through the change in the shape of the pulse higher frequencies and by changing the switching location of the by the at high Frequencies for magnetization reversal necessary higher field strengths is caused. These difficulties cannot be solved with the well-known Wiegand modules, not even with the structure known from Machine Design, April 26, 1979, page 158 the Wiegand module, in which several Wiegand wires are wound with a common coil will. This only increases the level of the voltage pulse, but not the pulse repetition frequency limited by the magnetic reversal processes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten und oben beschriebenen Drehimpulageber so zu verbessern, daß seine obere Impulsfolgefrequenz wesentlich, etwa um den Faktor 10 erweitert wird. Außerdem soll die Impulsform möglichst unabhängig von der Drehzahl und von elektromagnetischen Störfeldern sein.The invention is based on the object of the known and described above To improve the rotary pulse encoder so that its upper pulse repetition frequency is is expanded by a factor of about 10. In addition, the pulse shape should be as independent as possible speed and electromagnetic interference fields.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Schaltungsanordnung zur Impulserzeugung für eine Drehzahl- und Positionsmessung hoher Auflösung an rotierenden Teilen von Maschinen durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved according to the invention with a circuit arrangement for Pulse generation for a high resolution speed and position measurement on rotating Parts of machines solved by the characterizing features of claim 1.

Die mit der erfindungsgemäßen Anordnung erzielten Vorteile testelen unter anderem darin, daß durch die Anordnung mehrerer Wiegand-Elemente nebeneinander im Modul und durch die so breite Ausgestaltung der Abschirmzähne, Hag jeweils mehrere Elemente abgedeckt werden, die fr die Ummagnetisierungsvorgänge notwendige Zeit nicht mehr maßgeblich ist fÜr die obere Impulsfolgefrequenz und damit für die mögliche Auflösung des Drehwinkels bzw. der Drehzahl. Die Impulsfolgefrequenz läßt sich gegenüber bisher etwa 10 kHz auf etwa 100 kflz steigern. Sie ist nur noch durch die Dauer des Einzelimpulses nach oben begrenzt. Am Ausgang c1es Moduls erscheint eine durch die Elementeanordnullg bedingte Impulsfolge. I)ie maximale Auflösung wird erreicht, und eine Unterbreehung der Impulsfolge beim ilbergang von einem Sektor - der aus Zahn und Lücke besteht - zum nächsten Sektor wird vermieden, wenn der Wiegand-Modul den ganzen Sektor abdeckt. Ein äußeres elektromagnetisches Störfeld kann die Funktion nicht beeinträchtigen, solange die Feldstärken am Wiegand-Element zur Magnetisierung in beiden Richtungen noch ausreichen.The achieved with the arrangement according to the invention advantages testelen, among other things, that the arrangement of several Wiegand elements next to each other in the module and due to the wide design of the shielding teeth, Hag in each case several elements are covered, which are necessary for the magnetic reversal processes necessary time is no longer relevant for the upper pulse repetition frequency and thus for the possible resolution of the angle of rotation or the speed. The pulse repetition rate can be increased to about 100 kHz compared to previously about 10 kHz. She is just still limited by the duration of the single pulse. Appears at the output c1 of the module a pulse sequence caused by the arrangement of elements. I) ie maximum resolution is reached, and an interruption of the pulse train at the transition from a sector - which consists of tooth and gap - to the next sector is avoided if the Wiegand module covers the whole sector. An external electromagnetic interference field cannot affect the function as long as the field strengths at the Wiegand element sufficient for magnetization in both directions.

Das Laufrad kann vorteilhaft topfförmig ausgebildet werden, so daR die zweckmäßigerweise rechteckförmigen Zähne am Rand in axiale Richtung weisen. Damit ist eine optimale Anpassung an den zweckmäßig durch parallele, nebeneinander liegende Anordnung der Wiegand-Elemente gebildeten Modul möglich.The impeller can advantageously be designed in the shape of a pot, so that the expediently rectangular teeth at the edge point in the axial direction. This is an optimal adaptation to the expedient by parallel, side by side Horizontal arrangement of the Wiegand elements formed module possible.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described below.

Es zeigen: Fig. 1 Anordnung von Laufrad und Impulsgeber, Fig. 2 Aufbau des Wiegand-Moduls mit Einzelelementen, Fig. 3 Schnittbild von Laufrad und Irnpulsgeber.They show: FIG. 1 the arrangement of the impeller and the pulse generator, FIG. 2 the structure of the Wiegand module with individual elements, Fig. 3 sectional view of the impeller and pulse generator.

Wie Fig. 1 und 3 zeigen, sind das Laufrad 1 und der Impuisgeber 2 so zueinander angeordnet, daß bei der Drehbewegung des Laufrades 1 die Zähne 6.1,6.2 zeitweise eine magnetische Abschirmung zwischen dem Setzmagneten 4.1 und dem Wiegand-Modul 5 herbeiführen. Der Modul 5 befindet sich in der Nähe des Riicksetzmagneten 4.2 und deckt den Sektor S mit dem Winkel 0t ab, der durch je einen Zahn 6.1,6.2 und eine Lücke gebildet wird. Die Magnete 4.1,4.2 und der Modul 5 sind in der Halterung 3 des Impulsgebers 2 angeordnet.As FIGS. 1 and 3 show, the impeller 1 and the impulse generator are 2 so arranged to each other that the teeth 6.1,6.2 temporarily a magnetic shield between the setting magnet 4.1 and the Wiegand module 5 bring about. The module 5 is located near the reset magnet 4.2 and covers the sector S with the angle 0t, which is defined by a tooth 6.1,6.2 and a gap is formed. The magnets 4.1,4.2 and the module 5 are in the holder 3 of the pulse generator 2 arranged.

In Fig. 2 ist der erfindungsgemäße Aufbau des Wiegand-Moduls 5 dargestellt: mehrere Wiegand-Elemente 7 (dargestellt sind zwei), bestehend aus je einer Spule 8 mit einem Wiegand-Draht 9 als Kern, sind parallelgeschaltet (Serienschaltung ist ebenfalls möglich).In Fig. 2, the structure of the Wiegand module 5 according to the invention is shown: several Wiegand elements 7 (two are shown), each consisting of a coil 8 with a Wiegand wire 9 as a core, are connected in parallel (series connection is also possible).

Zur Beschreibung der Funktion der Anordnung wird ein Element 7 des Wiegand-Moduls 5 betrachtet, das gerade noch nicht durch einen Zahn 6.1 abgeschirmt wird. Bei dieser Stellung des Laufrades 1 dominiert das Feld des Setzmagneten 4.1; der weichmagnetische Kern im Wiegand-Draht 9 wird entsprechend magnetisiert. Wenn nun beim Weiterdrehen des Laufrades -1der Setzmagnet 4.1 durch den Zahn 6.1 abgeschirmt wird, Überwiegt das Feld des Rücksetzmagneten 4.2. Sobald der notwendige Schwellwert des Feldes Überschritten ist und innere Vorgänge im Wiegand-Draht 9 abgeschlossen sind, ändert der Kern des Wiegand-Drahts 9 sprungartig seine Magnetisierungsrichtung, wodurch in der Spule 8 ein Spannungsimpuls erzeugt wird. Verläßt der Zahn 6.1 den Bereich des gerade betrachteten Elementes 7 wieder, so wird das Element 7 erneut durch den Setzmagneten 4.1 ummagnetisiert, wobei nicht nur der notwendige Schwellwertes des Feldes erreicht, sondern auch Ummagnetisierungsvorgänge im Wiegand-Draht 9 abgeschlossen sind, ehe der nächste Zahn 6.2 das Feld des Setzmagneten 4.1 abschirmt.To describe the function of the arrangement, an element 7 of the Wiegand module 5 considered, which is barely shielded by a tooth 6.1 will. In this position of the impeller 1, the field of the setting magnet 4.1 dominates; the soft magnetic core in Wiegand wire 9 is magnetized accordingly. if Now when turning the impeller -1 the setting magnet 4.1 is shielded by tooth 6.1 The field of the reset magnet 4.2 predominates. As soon as the necessary threshold of the field has been exceeded and internal processes in the Wiegand wire 9 are completed are, the core of the Wiegand wire 9 suddenly changes its direction of magnetization, whereby a voltage pulse is generated in the coil 8. If the tooth 6.1 leaves the Area of the currently viewed element 7 again, the element 7 becomes again magnetized by the setting magnet 4.1, whereby not only the necessary threshold value of the field, but also complete magnetic reversal processes in the Wiegand wire 9 before the next tooth 6.2 shields the field of the setting magnet 4.1.

Die Ummagnetisierungsvorgänge im Wiegand-Draht erfordern also eine gewisse Breite der Zähne und Locken, wenn der Drehimpulsgeber für hohe Drehzahlen geeignet sein soll.The magnetic reversal processes in Wiegand wire therefore require a certain width of the teeth and curls when the rotary encoder for high speeds should be suitable.

Wäre nur ein Element im Wiegand-Modul vorhanden, wiirden größere Pausen zwischen den abgegebenen Impulsen auftreten. Diese Pausen werden durch die Anordnung mehrerer Elemente verkleinert oder vermieden, wodurch die Auflösung gesteigert wird.If there were only one element in the Wiegand module, there would be longer pauses occur between the delivered pulses. These breaks are determined by the arrangement reduced or avoided multiple elements, thereby increasing the resolution.

LeerseiteBlank page

Claims

Claims arrangement for pulse generation for speed and position measurement high resolution on rotating parts of machines, consisting of a) a ferromagnetic, toothed impeller (1) and b) a fixed pulse generator (2), which is in a holder (3) - a setting magnet (4.1) and a reset magnet (4.2), and - a Wiegand module (5) which:; o are arranged that between the setting magnet 4.1) and the Wiegand module (5) creates a recess through which the teeth (6.1,6.2) of the impeller (1), characterized in that c) the weighing and module (5) consists of several, consists of elements (7) arranged next to one another in the direction of rotation of the impeller (1), each composed of - a coil (8) with - a Wiegand wire (9) as a core and - are connected electrically in series or in parallel, where - the number (Z) the required elements (7) can be calculated using the formula Z - A w d / 360, where mean: A = desired resolution in pulses per revolution of the impeller (1) Ct = angle in sector (S), which is equal by one tooth (6.1,6.2) and one left Width is formed on the impeller (1), - the sector (S) is determined from the magnetic reversal times, through the Figenseha.ften of the Wl.egar1c3-tlementes (7) and the maximum speed of the impeller (1), - the limit of the resolution (A) is determined by the width of the pulse emitted by the Wiegand element (7).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the impeller (1) is designed so that the teeth (6.1,6.2) on the circumference of the impeller (1) in show axial direction.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the Wiegand elements (7) are arranged in this way, or the teeth (6.1,6.2! on the impeller (1) are designed so that the side edges of the teeth (6.1,6.2) and the Longitudinal axes of the Wiegand elements (7) run parallel.