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Vorrichtung zur Erkennung einer vorbestimmten
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Winkelstellung an rotierenden Einrichtungen Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Erkennung mindestens einer vorbestimmten Winkelstellung an
rotierenden Einrichtungen, die einen Tachogenerator mit einem Statorteil und einem
Rotorteil zum Erzeugen eines Tachosignals mit drehzahlabhängiger Frequenz aufweisen,
wobei der Statorteil und der Rotorteil des Tachogenerators jeweils mindestens vier
in Umfangsrichtung in im wesentlichen gleichmäßigen Abständen angeordnete Pol bereiche
bilden.
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Tachogeneratoren der genannten Art sind bekannt (DE-OS 29 27 958).
Sie gestatten es aber nicht, zusätzlich zu dem Tachosignal Winkelstellungssignale
für eine Anzahl von Winkelstellungen zu liefern, die kleiner ist als die bei jeder
vollen Umdrehung auftretende Anzahl von Tachosignalimpulsen.
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Oft besteht aber die Notwendigkeit, eine oder wenige vorbestimmte
Relativstellungen zwischen Statorteil und Rotorteil zu erkennen. Für diesen Zweck
muß dann zusätzlich zum Tachogenerator ein meist optischer oder magnetischer Winkel
geber benutzt werden. Dies führt jedoch zu relativ Icostipieligen und verhältnismäßig
ungenau arbeitenden Einrichtungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit Tachogenerator
zu schaffen, die auf besonders einfache und exakte Weise neben dem Tachosignal auch
ein Winkelstellungssignal zur Erkennung mindestens einer vorbestimmten Winkelstellung
an einer rotierenden Einrichtung bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgenäß dadurch gelöst, daß zwecks winkelstellungsabhängiger
Amplitudenmodulation des Tachosignals sowohl im Statorteil als auch im Rotorteil
des Tachogenerators jeweils eine Pollücke in mindestens einem der Pol bereiche vorgesehen
ist.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung gestattet es, ohne Einsatz eines
zusätzlichen Winkelgebers sowohl ein Tachosignal als auch ein Winkelstellungssignal
zu gewinnen, das während jeder Umdrehung nur einmal oder gegebenenfalls auch einige
wenige Male erscheint. Solche Winkelstellungssignale werden in der Praxis beispielsweise
beim Antrieb von Magnetplattenspeichern als Startmarkierung für den Spuranfang benötigt.
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Ein anderes Anwendungsbeispiel sind Antriebe für Videokopftrommeln.
Anhand der gewonnenen Winkelstellungssignale kann nicht nur eine Steilungserkennung,
sondern gegebenenfalls auch eine Winkelstellungsregelung (Phasenregelung) erfolgen.
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Weist der Tachogenerator einen mehrpoligen Dauermagneten auf, kann
die Pollücke zweckmäßig durch eine entsprechende Aussparung beim Magnetisieren des
Dauermagneten oder durch einen im betreffenden Pol bereich vergrößerten Luftspalt
gebildet sein. Im Falle von Wellen- oder Mäanderwicklungen können im Polbereich
der vorzusehenden Pollücke entsprechende Wicklungsabschnitte
ausgelassen
sen.
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Zur Auswertung der Amplitudenmodulation des Tachosignals kann dem
Tachogenerator in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein Hüllkurvenverstärker
nacngeschaltet sein, der vorteilhaft mit einer Schwellwertstufe versehen ist, die
im wesentlichen nur die aufgrund einer Deckung von Pollücken im Rotor- und Statorteil
des Tachogenerators entstehenden Winkelstellungssignale durchläßt.
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Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch
einen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten Motor entlang der Linie
l-I der Fig. 2, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Statorwicklung des Motors nach Fig.
1 entlang der Linie II- II der Fig. 1, wobei Einzelheiten der Welle und der Lageranordnung
weggelassen sind, Fig. 3 eine Draufsicht auf die Wicklung des Tachogenerators entlang
der Linie LIL-I1L der Fig. 1, wobei die Welle und die Lagerung ebenfalls nicht dargestellt
sind,
Fig. 4 in kleinerem Maßstab eine Draufsicht auf den Dauermagneten
des Tachogenerators entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform, Fig. 5 eine
Stirnansicht des Dauermagneten nach Fig. 4, Fig. ó ein Schaltbild des dem Tachogenerator
nachgeschalteten Hüllkurvenverstärkers so wie Fign. 7 bis 11 verschiedene der bei
der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 auftretenden Signale.
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Der in den Fign. 1 und 2 veranschaulichte Motor 10 weist einen Stator
11 mit einer Basisplatte 12 aus weichferromagnetischem Werkstoff z.B. Eisen, auf,
die als magnetischer Rückschluß dient und vier Statorspulen 13, 14, 15, 16, ein
Axiallager 17 und ein als Gleitlager ausgebildetes Lagerrohr 18 für eine Rotorwelle
9 trägt. Das Axiallager 17 ist mit einer Kunststoffscheibe 19 versehen, gegen die
eine Spurkuppe der Rotorwelle 9 anliegt. Zur Einstellung des Axiallagers 17 dient
eine Einstellschraube 23. Die Basisplatte 12 ist mit einem Kunststoff-Formstück
24- umspritzt, welches das Lagerrohr durch Eindringen in dessen Ringnuten 25, 26,
27 hält und die Schraube 23 in einer zentralen Ausnehmung 28 faßt. Die Spulen 13
bis 16 sind von einem Kragen 29 des Formstücks 24 festgehalten. Eine Leiterplatte
34, die als Träger für einen Hallgenerator 35 oder ein anderes galvanomagnetisches
Sensorelement dient,
ist mit dem Formstück 24 über zwei Kunststoffnieten
36, 37 verbunden. In dem Formstück 24 und der Basisplatte 12 ist eine Durchführung
38 zum Durchleiten von Anschlußdrähten 39 eines Tachogenerators 40 ausgebildet.
Die Drähte 39 sind zur Leiterplatte 34 geführt und dort angelötet. Die Leiterplatte
34 trägt eine gedruckte Schaltung und elektrische Bauelemente 45, z.B. die Leistungstransistoren
für die Ansteuerung der Spulen 13 bits 16, Widerstände und dergleichen. Die Leiterplatte
34 kann z.B. in Form von integrierten Schaltungen auch die gesamt Regelschaltung
des Motors aufnehmen. Die Statorspulen 13 bis 16 sind, wie bekannt (DE-OS 27 30
142), etwa fünfeckförmig gewickelt und äquidistant angeordnet. Der Kotor 44 weist
eine magnetisch leitende Rückschlußplatte 50, z.B. aus Eisen, auf, die an einer
Buchse 51 angebördelt ist, die ihrerseits auf die Welle 9 aufgepreßt und dadurch
mit dieser fest verbunden ist.
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Auf die Rückschlußplatte 50 ist ein Motormagnetring 52, z.B.
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aus einem Oxidmagnetmaterial, aufgeklebt und in bekannter Weise (DE-OS
27 30 142) vierpolig axial magnetisiert.
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Der Magnetring 52 umschließt einen Hohlraum 53, in dem der Tachogenerator
40 raumsparend untergebracht ist. Letzterer weist eine ringförmige Dauermagnetplatte
54 auf, die z.B.
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aus einem Gummimagneten, d.h. einer Mischung aus Hartferriten und
einem Elastomer, bestehen kann. Die Magnetplatte 54 ist auf die Rückschlußplatte
50 aufgeklebt und rotiert.
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im Betrieb mit dieser. Die Magnetplatte 54 ist an ihrer Unterseite
in Umfangsrichtung abwechselnd mit Nord- und Südpolen magnetisiert und weist zweckmäßig
eine große Zahl von Polpaaren auf, um beispielsweise für eine Frequenzregelung entsprechend
Fig. 9 der DE-OS 25 33 187 eine ausreichend
hohe Frequenz bereitzustellen.
Fig. 3 zeigt in einem Ausschnitt bei 55 die Art der Magnetisierung der Platte 54,
wobei die Südpole 64 mit S und die Nordpole 63 mit N bezeichnet sind.
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Der Magnetplatte 54 gegenüberliegend ist am oberen Ende des Lagerrohrs
18 an einer Ausdrehung 56 eine Isolierplatte 57 festgebördelt, die auf ihrer Oberseite
58 mit einer Wellen-oder Mäanderwicklung 59 in Form einer gedruckten Schaltung (Fig.
7) versehen ist. Die Mäanderwicklung 59 hat eine Vielzahl von radial verlaufenden
Abschnitten 60, wobei die Wicklungsteilung mit der Pol teilung der Magnetplatte
54 übereinstimmt. Das heißt, abgesehen von den im folgenden erläuterten Pollücken,
kommen auf jeden der Magnetpole 63 bzw.
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64 jeweils zwei der radialen Wicklungsabschnitte 60. Die Alsidnderwicklung
59 hat einen ersten Anschluß 65, der direkt zu einem radial verlaufenden Abschnitt
60' führt, während der dem Abschnitt 60' benachbarte Abschnitt 60" an eine Kompensationswicklung
66 angeschlossen ist, die auf der Innenseite der Mäanderwicklung rückwärts zu einem
zweiten Anschluß 67 zurückgeführt ist, der eng beim Anschluß 65 liegt.
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Die Leitungen .39 sind an die Anschlüsse 65, 67 angelötet.
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Wenn z.B. von der Statorwicklung 13 bis 16 kommende Streuflüsse die
Mäanderwicklung 59 durchdringen, induzieren sie in dieser eine Störspannung ul.
Gleichzeitig induzieren diese Streuflüsse in der Kompensationswicklung 66 eine Störspannung
u2, die etwa gleich -ul ist. Durch die Serenschaltung der beiden Spannungen erreicht
man, daß die Summenspannung. ul + u2 ungefähr gleich Null wird. An den Ausgangsklemmen
65, 67 ist daher die Störspannung weitgehend unterdrückt; dort liegt nur die von
der Magnetplatte 54 in der
Tachowicklung 59 induzierte Nutzspannung
an.
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Bei der insoweit erläuterten Anordnung erzeugt der Tachogenerator
40 ein Tachosignal, dessen Frequenz kennzeichnend für die Drehzahl des Rotors 44
bzw. der Rotorwelle 9 ist. Der Hallgenerator 35 wirkt dagegen mit den Polen des
Motormagnetrings 52 zusammen, um eine der Motorpolzahl entsprechende Anzahl von
Drehstellungssignalen zu gewinnen, wie sie insbesondere für die Ansteuerung einer
elektronischen Kommutierungsschaltung notwendig sind, über welche den Statorspulen
13 bis 16 in bekannter Weise drehstellungsabhängig Strom zugeführt wird.
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Um darüberhinaus ein Winkelstellungssignal zu gewinnen, das während
jeder vollen Umdrehung eine vorbestimmte Stellung der rotierenden Teile gegenüber
den stationären Teilen erkennen läßt,sind in zwei einander diametral gegenüberliegenden
Polbereichen der Mäanderwicklung 59 jeweils die beiden zugeordneten radialen Wicklungsabschnitte
ausgelassen. Auf diese Weise werden zwei Pollücken 61 erhalten. In ähnlicher Weise
sind zwei einander diametral gegenüberliegende Pollücken 62 auch in der Magnetplatte
54 des Tachogenerators ausgebildet, wie dies in Fig. 3 innerhalb des dort schematisch
angedeuteten Teils der Magnetisierung 55 angedeutet ist. Während bei der in Fig.
3 veranschaulichten Lösung die Pollücken 62 dadurch erhalten sind, daß an Stelle
eines der Südpole 64 ein zusätzlicher Nordpol 63' vorhanden ist, kann auch einer
der Nordpole 63 durch einen zusätzlichen Südpol ersetzt sein. Es ist weiter möglich,
für die gewünschte Pollücke dadurch zu sorgen, daß die Magnetplatte 54 in einem
Polpaarbereich unmagnetisiert bleibt, oder dort für
einen gegenüber
dem normalen Tachogenerator-Luftspalt 68 vergrößerten Luftspalt 68' durch eine entsprechende
Ausnehmung 69 in der Magnetplatte 54 gesorgt wird, wie dies in den Fign. 4 und 5
schematisch angedeutet ist. Entsprechend einer weiteren Alternative kann an Stelle
einer durchgehend ringförmigen Magnetplatte 54 auch eine entsprechend geschlitzte
Magnetplatte vorgesehen sein. rfäh rend in den Fign. 3 bis 5 jeweils zwei Pollücken
in der Mäanderwicklung 59 und der Magnetplatte 54 des Tachogenerators 40 gezeigt
sind, verstcht es sich, daß, falls erwünscht, in einem oder in beiden dieser Teile
auch nur eine oder mehr solcher Pollücc ausgebildet sein können, um in Abhängigkeit
von der Anzahl und der gegenseitigen Zuordnun2 der Pollücken je Umdrehung ein oder
mehr Winkelstellungssignale zu erzeugen. Gegebenenfalls kann auf diese Weise auch
auf den Hallgenerator 35 verzichtet werden, d.h. die Ansteuerung der Kommutierung
aufgrund der Winkelstellungssignale des Tachogenerators 40 erfolgen.
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Um den Rotor 44 herum ist ein hohlzylindrisches Teil 70 aus Kunststoff
so angeordnet, daß es den Rotor mit geringem Abstand umgibt, um das Eindringen von
Fremdkörpern in den Motor 10 zu verhindern. Das Teil 70 ist mit einem verbreiterten
Fuß 71 versehen, der am Stator 11 befestigt ist. Durch Verstellen der Schraube 23
können der Motorluftspalt 47 und der Luftspalt 68 des Tachogenerators 40 gemeinsam
justiert werden. Zur Abschirmung des Tachogenerators 40 gegen Motorstreuflder kann
unterhalb der Isolierplatte 57 eine Abschirmplatte 80, z.U. aus Eisen. angeordnet
sein, die in Fig. l strichpunktiert angedeutet ist.
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Das mit seiner Frequenz ein Maß für die Rotordrehzahl darstellende
Tachosignal, das an den Anschlüssen 65, 57 bei gegenseitigem Drehen von Magnetplatte
54.und Mäanderwicklung 59 erzeugt wird, kann in herkömmlicher und daher nicht näher
dargestellter Weise z.B. zur Drehzahlerkennung und/oder Drehzahlregelung ausgewertet
und weiterverarbeitet werden.
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Solange die Pollücken 61, 62 im stationären und im rotierenden Teil
des Tachogenerators 40 nicht deckungsgleich liegen, besteht das Tachosignal aus
einer Folge von Tachoimpulsen 76, die untereinander im wesentlichen gleiche Amplitude
haben, d.h. es erfolgt so lange keine durch die Pollücken 61, 62 bedingte Veränderung
der Ausgangsamplitu--de des Tachosignals. Drehen die Pollücen 61, 62 aber übereinander,
kommt es zu einer impulsartigen Amplitudenmodulation des Tachosignals, wie dies
in Fig. 7 und noch deutlicher in der vergrößerten Darstellung der Hüllkurve des
Tachosignals gemäß Fig. 8 bei 73 zu erkennen ist. Zur Erfassung dieser Winkelinformation
sind an den Tachogenerator (d.h. die Anschlüsse 65, 67 der Fig. 3) gemäß Fig. 6
ein Vorverstärker 74 und ein darauf folgender Hüllkurvenverstärker 75 angeschlossen.
Dabei liegt zwischen dem Ausgang des Vorverstärkers 74 und dem Eingang des Hüllkurvenverstärkers
75 ein Hochpaßfilter bestehend aus einem Kondensator C1 und einem dazu parallelgeschalteten
Widerstand R1. Der Hüllkurvenverstärker 75 weist eine von einem npn-Transistor T1
gebildete erste Verstärkerstufe auf, wobei die Bas-is des Transistors T1 mit dem
Ausgang des Hochpaßfilters C1, R1 verbunden ist. Zwischen dem Emitter des Transistors
T1 und Masse liegt in einem Gegenkopplungszweig ein weiteres Hochpaßfilter, das
von einem Speicherkondensator
C2 und einem dazu parallelgeschalteten
Widerstand R2 gebildet wird. Der Kollektor des Transistors T1 ist über einen Arbeitswiderstand
R3 an eine Versorgungsspannung UBatt angeschlossen. Die Basis eines eine zweite
Verstärkerstufe bildenden pnp-17ransistors T2 ist mit der Koppelstelle zwischen
dem Kollektor des Transistors T1 und dem Widerstand R3 verbunden. Der Emitter des
Transistors T2 ist an die Versorgungsspannung Um tut angeschlossen. Zwischen dem
Kollektor des Transistors T2 und Masse liegt ein Arbeitswiderstand R4, dem ein Kondensator
C3 parallelgeschaltet ist.
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Der Gleichstromarbeitspunkt des als Impulsgleichrichter geschalteten
Transistors Tl wird durch das Tachosignal bzw. den Vorverstärker 74 bestimmt. Sehr
tieffrequente Amplituden- oder Arbeitspunktscankungen werden an der Basis des Transistors
T1 durch das Hochpaßfilter C1, R1 unterdrückt. Der Kondensator C2 wird über den
Transistor T1 entsprechend den Tachosignalspitzen geladen. Bei jedem sprunghaften
Amplitudenanstieg des Tachosignals (Spitze 73 in den Fign. 7 und 8) erfolgt eine
besonders kräftige Nachladung des Speicherkondensators. Der Kondensator C2 und der
Widerstand R2 sind in Abhängigkeit von der im Normalbetrieb auftretenden Frequenz
des Tachosignals und dem zeitlichen Abstand der die Winkelstellungssignale bildenden
Amplitudeninformationen (Spitzen 73) so dimensioniert, daß ein größtmöglicher Unterschied
zwischen den normalen Nachladeimpulsen für den Kondensator C2 und den Überlagerungsimpulsen
(Spitzen 73) erhalten wird. Insbesondere ist das Hochpaßfilter C2, R2 in der Weise
bemessen, daß der Kondensator C2 die regelmäßig auftretende Spitzenspannung,
d.h.
den Spitzenspannungswert der normalen Tachoimpulse 76 (Fign. 7 und 8) speichert
und auch langsamen Spannungsänderungen des Tachosignals folgen kann, daß aber keine
Speicherung der vereinzelt auftretenden Eingangsimpulsspitzen 73 erfolgt. Die Impulsspitzen
73 rufen infolgedessen jeweils einen kräftigen Emitterstromimpuls des Transistors
Tl hervor. Der Emitterstrom des Transistors T1 fließt zum größten Teil über den
Kollektor dieses Transistors, und er verursacht an dem Arbeitswiderstand R3 einen
entsprechenden Spannungsabfall. Das am Widerstand R3 auftretende Signal ist in Fig.
9 dargestellt. Wie dort zu erkennen ist, sind aufgrund der erläuterten Schaltungsauslegung
die Winkelstellungsimpulse 73 bereits deutlich größer als die normalen Tachoimpulse
76. Der Widerstand R3 ist so dimensioniert, daß nur die größeren Winkelstellungsimpulse
(Spitzen 73), nicht aber die kleineren normalen Nachladeimpulse (Tachoimpulse 76)
die Basis/Emitter-(BE) Schwellspannung des Transistors T2 überschreiten. Am Widerstand
R4 steht dann ein sauberer Triggerimpuls 73' als Winkelstellungssignal zur Verfügung,
wie dies aus Fig. 10 hervorgeht. Die Form dieses Triggerimpulses ist in Fig. 11
mit gedehntem Zeitmaßstab (beispielsweise bei einer Zeitbasis von 100 ps) veranschaulicht.
Die Triggerimpulse haben eine exakte Phasenlage zum Tachosystem. Aufgrund des Kondensators
C3 werden unerwünschte HF-Schwingungen unterdrückt.
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Aus Vorstehendem folgt, daß der hüllkurvenverstärker 75 eine Schwellwertstufe
bildet, die im wesentlichen nur die aufgrund einer Deckung der Pollücken 61, 62
im Rotor- und
Statorteil des Tachogenerators 40 entstehenden Winkelstellungssignale
durchläßt und verstärkt.
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