DE3411979C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehwinkel-Meßumformer mit einem Stator mit n 3 gegeneinander isolierten, gleich­ großen, kreissektorförmigen Elektroden, an denen die Aus­ gänge einer um jeweils einen gleichgroßen Phasenwinkel von 360°/n gegeneinander verschobene Eingangsspannungen abgeben­ den Schaltungsanordnung angeschlossen sind, mit einem bezüg­ lich des Stators in kleinem Abstand bewegbaren Rotor mit einer einzigen kreissektorfömigen Abtastelektrode mit einem Öffnungswinkel von 360°/n an der Welle des Rotors und mit einer an die Abtastelektrode angeschlossenen elektronischen Auswerteeinrichtung zur Gewinnung einer drehwinkelproportiona­ len Ausgangsspannung.

Bei einem bekannten Drehwinkel-Meßumformer dieser Art (US-PS 38 45 377) werden von einer Eingangsspannungen an die kreissektorförmigen Elektroden anlegenden Schaltungsanordnung Dreieckspannungen erzeugt, die bei vier kreissektorförmigen Elektroden jeweils um 90° in der Phase verschoben sind. An der kreissektorförmigen Abtastelektrode ist eine als Ladungs­ verstärker wirkende elektronische Auswerteeinrichtung ange­ schlossen, in der eine jedem Drehwinkel im Bereich zwischen 0° und 360° eindeutig zugeordnete Spannung erzeugt wird.

Bei einem weiteren bekannten kapazitiven Winkelmeßumformer (DE-OS 22 15 340) sind auf einem Stator ebenfalls vier gleich große, kreissektorförmige Elektroden angeordnet. Der Rotor trägt eine Abtastelektrode in Form eines gleichschenkligen Dreiecks, bei dem die Schenkellänge dem Radius der kreis­ sektorförmigen Elektroden entspricht. An den vier kreissek­ torförmigen Elektroden sind jeweils um 90° in der Phase verschobene Sinusspannungen angeschlossen. An einer kreis­ sektorförmigen Elektrode des Stators und an der Abtastelek­ trode ist jeweils ein Flip-Flop einer Impulsformerstufe einer elektronischen Auswerteeinrichtung angeschlossen; am Ausgang der Impulsformerstufe entstehen Impulse mit einem dem Drehwinkel proportionalen Tastverhältnis, aus denen mittels eines Filters eine Gleichspannung gebildet wird, die ein Maß für den Drehwinkel darstellt.

Ein anderer bekannter Drehwinkel-Meßumformer (DE-PS 12 90 345) mit einem Stator als Glasplatte, auf der zwei kreisringförmige Leitbeläge konzentrisch angebracht sind, und mit einem Rotor ebenfalls als Glasplatte mit einem durch eine mäanderförmige Aussparung in zwei gegeneinander isolierte Beläge unter Bil­ dung von Teilelektroden unterteilten kreisringförmigen Leit­ belag ist zur Umformung von Drehwinkeln bis zu 360° nur mit verhältnismäßig hohem schaltungstechnischem Aufwand herstell­ bar, weil bei ihm zur Umformung verhältnismäßig großer Dreh­ winkel vielfach Spannungen mit einem Phasenwinkel bis zu 360° erzeugt werden; die Anzeige größerer Drehwinkel ist bei dem bekannten Drehwinkel-Meßumformer daher ohne erheblichen Schaltungsaufwand mehrdeutig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehwinkel- Meßumformer zu schaffen, der eine eindeutige Umformung von Drehwinkeln bis zu 360° mit vergleichsweise geringem Aufwand, insbesondere geringem Schaltungsaufwand, ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe gibt bei einem Drehwinkel-Meßumformer der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die Schaltungs­ anordnung an ihren Ausgängen phasenver­ schobene rechteckförmige Spannungen ab, und die Auswerte­ einrichtung enthält einen Phasenkomparator, der eingangsseitig an eine kreissektorförmige Elektrode und über einen Tiefpaß an die Abtastelektrode angeschlossen ist.

Der erfindungsgemäße Drehwinkel-Meßumformer hat den Vorteil, daß er hinsichtlich des elektronischen Teiles keinen großen Aufwand erfordert, weil die Erzeugung von rechteckförmigen Spannungen unter exakter Einhaltung des Phasenwinkels zwischen ihnen beispielsweise unter Verwendung digitaler Schaltkreise verhältnismäßig einfach durchführbar ist. Auch der Aufwand für die elektronische Auswerteeinrichtung mit dem Phasenkomparator und dem Tiefpaß ist gering.

Die Ankopplung der elektronischen Auswerteeinrichtung an den mechanischen Teil des erfindungsgemäßen Drehwinkel-Meßumfor­ mers bzw. an die Abtastelektrode kann bei dem erfindungsge­ mäßen Meßumformer in unterschiedlicher Weise erfolgen. Be­ vorzugt wird eine kapazitive Kopplung, die in vorteilhafter Weise dadurch bewirkt werden kann, daß die kreissektorförmigen Elektroden von einem kreisringförmigen Leitbelag umgeben sind, der isoliert von den kreissektorförmigen Elektroden an­ bracht ist; auf dem Rotor der Abtastelektrode benachbart ist ein dem einen kreisförmigen Leitbelag gegenüberliegender wei­ terer Leitbelag, der mit der Abtastelektrode galvanisch ver­ bunden ist, und der weitere Leitbelag ist mit dem Phasenkom­ parator eingangsseitig verbunden. Ein derartiger Meßumformer hat den Vorteil, daß sein mechanischer Teil nur eine relativ geringe Bauhöhe aufweist, weil die Leitbeläge jeweils in der Ebene der flächenhaften Elektroden bzw. der Abtastelektrode angeordnet sind. Auch der konstruktive Aufbau eines solchen Meßumformers ist vergleichsweise einfach.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dreh­ winkel-Meßumformers und in

Fig. 2 ein Querschnitt durch den mechanischen Teil dieses Ausführungsbeispiels wiedergegeben.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Stator 1 eines Drehwinkel-Meßumformers mit vier Elektroden 2, 3, 4 und 5 versehen, die jeweils einen Kreissektor mit dem Radius r _o bilden. Die kreissektorförmigen Elektroden 2 bis 5 sind gleich­ groß und bedecken daher jeweils ein Viertel des Kreises. Sie sind im Abstand voneinander angeordnet und gegeneinander isoliert.

Dem Stator 1 ist ein Rotor 6 zugeordnet, der eine Welle 7 und eine daran befestigte Abtastelektrode 34 aufweist. Die Ab­ tastelektrode 34 weist dieselbe Form wie jede der kreissektor­ förmigen Elektroden 2 bis 5 auf, stellt also einen Viertel­ kreissektor dar, und ist an der Welle 7 befestigt. Die Abtast­ elektrode 34 weist an ihrer an der Welle liegenden Spitze einen rechten Winkel entsprechend dem Winkel der Kreissekto­ ren auf und besitzt an ihren Seiten 9 und 10 eine Länge, die dem Radius r _o entspricht.

Der dargestellte Drehwinkel-Meßumformer enthält ferner eine Schaltungsanordnung 13 zur Erzeugung der rechteckförmigen Eingangsspannungen, die an ihren Ausgängen 14 bis 17 jeweils um 90° phasenverschobene Rechteckspannungen abgibt. Bei der Schaltungsanordnung 13 kann es sich um einen Halbleiterbau­ stein MC 14013 B handeln, wie er beispielsweise in dem Daten­ buch von Motorola Semiconductors 1979, Seiten 9 bis 42 be­ schrieben ist.

Wird die Spannung am Ausgang 14 mit U _A bezeichnet, dann liegt aufgrund der elektrischen Verbindung dieses Ausganges mit der kreissektorförmigen Elektrode 2 auch an dieser die Spannung U _A . Am Ausgang 15 der Schaltungsanordnung 13 tritt aufgrund einer Phasenverschiebung um 90° eine Spannung U _B auf, die an der kreissektorförmigen Elektrode 3 liegt, weil diese mit dem Ausgang 15 verbunden ist. Der Ausgang 16 der Schaltungsanordnung 13 ist mit der kreissektorförmigen Elek­ trode 4 verbunden. Am Ausgang 16 entsteht eine Spannung U _C , die gegenüber der Spannung am Ausgang 15 um weitere 90° in der Phase verschoben ist und an der kreissektorförmigen Elek­ trode 4 liegt. Schließlich ist der Ausgang 17 der Schaltungs­ anordnung 13 mit der kreissektorförmigen Elektrode 5 verbun­ den, und legt an diese Elektrode eine Spannung, die um weitere 90° in der Phase verschoben und mit U _D bezeichnet ist.

Zur Auswertung der Phasenbeziehung ist an die Abtastelektrode 34 über einen Koppelkondensator 21 eine elektronische Auswerteeinrichtung 22 angeschlossen.

Die elektronische Auswerteeinrichtung 22 ist entsprechend den Ausgangsspannungen der Schaltungsanordnung 13 eingangs­ seitig mit einem Impedanzwandler 35 versehen, dem über einen Tiefpaß 36 ein Komparator 37 nachgeordnet ist. Dieser Kompa­ rator 37 ist wie ein weiterer Komparator 38 an jeweils einen Eingang eines Phasenkomparators 39 geführt, dem ein aus einem Widerstand 40 und einem Kondensator 41 bestehendes RC-Glied nachgeordnet ist. An einem Ausgang 42 der elektronischen Aus­ werteeinrichtung 22 kann dann eine Spannung Ua abgenommen werden, die dem Drehwinkel α proportional ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel des mechanischen Teils nach Fig. 2 sind die kreissektorförmigen Elektroden 2 bis 5 auf einer Leiterplatte 60 aufgebracht. Ferner befindet sich auf dieser Leiterplatte ein kreisringförmiger Leitbelag 61, der die kreissektorförmigen Elektroden mit Abstand umgibt und daher gegenüber den Elektroden isoliert angeordnet ist. Die Abtastelektrode 34 ist ebenfalls auf einer Leiterplatte 62 aufgebracht, die mit der Welle 7 des Rotors verbunden ist. Auf der Leiterplatte 62 befindet sich ein weiterer ringför­ miger Leitbelag 63, mit dem die Abtastelektrode 34 über Ver­ bindungsstege galvanisch verbunden ist. Die kreisringförmigen Leitbeläge 61 und 63 bilden eine Koppelkapazität, über die die Spannung an der Abtastelektrode 34 über eine elektrische Verbindungsleitung 66 an die elektronische Auswerteeinrich­ tung führbar ist. Bei dieser Ausführungsform ist also die Spannung an der Abtastelektrode 34 berührungslos auskoppel­ bar.

Claims (2)

1. Drehwinkel-Meßumformer mit einem Stator mit n3 gegenein­ ander isolierten, gleichgroßen, kreissektorförmigen Elektro­ den, an denen die Ausgänge einer um jeweils einen gleich großen Phasenwinkel von 360°/n gegeneinander verschobene Ein­ gangsspannungen abgebenden Schaltungsanordnung angeschlossen sind, mit einem bezüglich des Stators in kleinem Abstand be­ wegbaren Rotor mit einer einzigen kreissektorförmigen Abtast­ elektrode mit einem Öffnungswinkel von 360°/n an der Welle des Rotors und mit einer an die Abtastelektrode angeschlosse­ nen elektronischen Auswerteeinrichtung zur Gewinnung einer drehwinkelproportionalen Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (13) an ihren Ausgängen (14, 15, 16, 17) phasenverschobene rechteckförmige Spannungen (U _B , U _B , U _C , U _D ) abgibt, und daß die Auswerteeinrichtung (22) einen Phasen­ komparator (39) enthält, der eingangsseitig an eine kreis­ sektorförmige Elektrode (2) und über einen Tiefpaß (36) an die Abtastelektrode (34) angeschlossen ist.

2. Meßumformer nach Anspruch 1 , dadurch ge­ kennzeichnet, daß die kreissektorförmigen Elek­ troden (2, 3, 4, 5) von einem kreisringförmigen Leitbelag (61) umgeben sind, der isoliert von den kreissektorförmigen Elektroden (2, 3, 4, 5) angebracht ist, daß auf dem Rotor der Abtastelektrode (8) ein dem einen kreisringförmigen Leitbelag (61) gegenüberliegender weiterer Leitbelag (63) benachbart ist, der mit der Abtastelektrode (8) galvanisch verbunden ist, und daß der kreisringförmige Leitbelag (61) mit dem Phasen­ komparator (25) eingangsseitig verbunden ist.