DE3618891A1 - Verfahren zur ermittlung von lageistwerten einer sich drehenden vorrichtung und schaltungsanordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermitt­ lung von Lageistwerten einer sich drehenden Vorrichtung unter Verwendung von zwei inkrementalen Lagegebern, die jeweils einen Sensor mit nachgeschaltetem Komparator ent­ halten, und einer Auswerteschaltung.

Es sind inkrementale Lagegeber im Handel erhältlich, die bei einer konstanter Drehzahl verschiedene Ausgangssi­ gnale liefern. Das direkte Abtastsignal besteht aus zwei um 90° verschobenen annähernd sinusförmigen Strömen. Zu­ sätzlich erscheint einmal pro Umdrehung ein Referenz­ signal. Dieses Referenzsignal wird beim Einrichten der zu überwachenden Maschine benutzt, um die Istwertzählung von einem definierten Ausgangswert aus zu beginnen. Diese Analogsignale werden in binäre Signale zur digitalen Weiterverarbeitung umgeformt. Hier nutzt man nur die Nulldurchgänge der Ausgangsspannung. Die sinusförmigen Analogsignale der Sensoren enthalten aber wesentlich mehr Information. So kann die Periode dieser Analogsi­ gnale interpoliert werden, d.h. in eine bestimmte Zahl von Meßschritten unterteilt werden, um die Auflösung zu erhöhen. Diese Interpolation erfolgt vor der Impuls­ formung und kann zusammen mit der Impulsformung im Drehgeber selbst oder extern in einer externen Impuls­ former-Elektronik, auch bezeichnet als EXE, angeordnet sein.

Nachteilig für eine externe Impulsformer-Elektronik ist die Übertragung der analogen Signale. Zur Übertragung werden die Signale mit Hilfe von Analog-Leitungsver­ stärkern aufbereitet, wobei der Aufbau der Analog-Lei­ tungsverstärker für die bei höchsten Drehzahlen auftre­ tenden Frequenzen sehr aufwendig und teuer wird. Beim Einbau einer empfindlichen Auswerte-Elektronik in dem Impulsgeber muß die Auswerte-Elektronik die notwendige Temperaturfestigkeit und Störfestigkeit aufweisen, wo­ durch die Auswerteelektronik teuer wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zur Ermittlung von Lageistwerten einer sich dre­ henden Vorrichtung und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, wodurch man einen preiswerten inkrementalen Lagegeber mit einer hohen Auf­ lösung erhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils dem zweiten Eingang der Komparatoren eine Modu­ lationsspannung zugeführt wird, so daß am Ausgang der Komparatoren jeweils ein pulsweitenmoduliertes Signal ansteht, dessen Pulsweite jeweils während eines vorbe­ stimmten Abtastintervalls mit Hilfe der Auswerteschal­ tung ausgewertet wird.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man die Lageinformation, die zwischen den Impulsflanken der Gebersignale, d.h. zwischen den Nulldurchgängen der analogen, sinusförmigen Signale der Sensoren des Lage­ gebers liegt. Dabei wird dem Lagegeber eine Modulations­ spannung zugeführt, die mit Hilfe der vorhandenen Kompa­ ratoren die analogen Signale der Sensoren der Lagegeber jeweils in ein pulsweitenmoduliertes Signal umwandelt. Das Tastverhältnis bzw. die Pulsweite dieser Signale wird jeweils während eines vorbestimmten Abtastinter­ valls, beispielsweise die Periodendauer der Modulations­ dauer, ausgewertet. Aus der Änderung des Tastverhält­ nisses von Abtastintervall zu Abtastintervall und den maximalen bzw. minimalen Tastverhältnis läßt sich die Lageinformation, die auch zwischen zwei Nulldurchgängen der analogen, sinusförmigen Signalen der Sensoren der Lagegeber liegt, ermitteln. Die Auflösung, die dabei er­ reicht wird, ist abhängig vom Verhältnis der Modulations­ frequenz zur Signalfrequenz der Sensoren.

Bei einem vorteilhaften Verfahren werden die pulsweiten­ modulierten Signale mit Hilfe von Zählern der Auswerte­ schaltung ausgewertet, in dem der an den Ausgängen der Zähler anstehende Zählerstand in einen ersten Speicher eingelesen wird, wobei der Zählerstand des jeweils vor­ ausgehenden Abtastintervalls aus dem ersten Speicher in einen zweiten Speicher eingelesen wird und daß mit Hilfe eines Mikroprozessors aus der Differenz der beiden Spei­ cherinhalte die Lage der sich drehenden Vorrichtung er­ mittelt wird.

Bei einer vorteilhaften Schaltungsanordnung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens ist jeweils der zweite Eingang der Komparatoren der inkrementalen Lagegeber mit einem Modu­ lationsausgang der Auswerteschaltung verbunden, wobei der Modulationsausgang mit einem Modulationsspannungsgenera­ tor verknüpft ist, ist jeweils der Ausgang der Komparato­ ren mit einem Signaleingang der Auswerteschaltung verbun­ den, wobei jeweils der Signaleingang mit einem Zähler verbunden ist, wobei die Ausgänge der Zähler jeweils mit einem ersten Speicher verknüpft sind, ist der erste Speicher einerseits mit einem Mikroprozessor und ande­ rerseits mit einem zweiten Speicher verbunden, dessen Ausgang ebenfalls mit dem Mikroprozessor verbunden ist und ist ein Steuerwerk mit den Zählern und den beiden Speichern verbunden.

Mit dieser Schaltungsanordnung erhält man einen zweika­ naligen inkrementalen Lagegeber mit einer Auswerteschal­ tung, in der ein mit einfachen Mitteln aufgebauter Modu­ lationsspannungsgenerator vorhanden ist. Außerdem sind im Geber lediglich zwei Widerstände, also passive Bau­ elemente, zusätzlich zur Anpassung des Ausgangs des Modulationsspannungsgenerators jeweils an den zweiten Eingang der Komparatoren notwendig. Hinzu kommt auch noch eine Übertragungsleitung für die Modulationsspan­ nung, die gemeinsam mit den Übertragungsleitungen für die Signale geführt werden kann. Somit erhält man eine preiswerte Schaltungsanordnung zur Ermittlung von hoch­ auflösenden Lageistwerten.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in

Fig. 2 ist eine Signalspannung und eine Modulationsspan­ nung in einem Diagramm über die Zeit aufgetragen und die

Fig. 3 veranschaulicht ein pulsweitenmoduliertes Signal an einem Ausgang des Lagegebers, das in einem Dia­ gramm über die Zeit aufgetragen ist.

In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung von Lageistwerten einer sich drehenden Vorrichtung dargestellt, die eine Geber­ schaltung 2 und eine Auswerteschaltung 4 enthält. Die Geberschaltung 2 enthält zwei inkrementale Lagegeber 6 und 8, die jeweils einen Sensor 10 enthalten. Die Aus­ gänge der Sensoren 10 sind jeweils mit einem ersten Ein­ gang eines Komparators 12 verbunden. Jeweils ein zweiter Eingang der Komparatoren 12 ist über einen Modulations­ eingang 14 und einer Übertragungsleitung 16 mit einem Modulationsausgang 18 eines Modulationsspannungsgenera­ tors 20 der Auswerteschaltung 4 verbunden. Die Ausgänge 19 bzw. 21 der Komparatoren 12 sind jeweils über eine Übertragungsleitung 22 mit einem Signaleingang 24 bzw. 26 der Auswerteschaltung 4 verbunden. Die Übertragungs­ leitungen 16 und 22 sind gemeinsam in einem Kabel ver­ legt. Dem Signaleingang 24 bzw. 26 ist jeweils ein Zäh­ ler 28 bzw. 30 nachgeschaltet, deren Ausgänge mit einem ersten Speicher 32 verknüpft sind. Außerdem ist jedem Zähler 28 bzw. 30 über einen weiteren Eingang eine Takt­ frequenz f ₀ eines Steuerwerks 34 zugeführt. Ferner sind die Zähler 28 und 30 jeweils über ihren Setzeingang 36 mit dem Steuerwerk 34 verbunden. Der erste Speicher 32 ist einerseits mit einem Mikroprozessor 38 und anderer­ seits mit einem zweiten Speicher 40 verbunden, der eben­ falls mit dem Mikroprozessor 38 verbunden ist. Am Ausgang 42 des Mikroprozessors 38 steht der ermittelte Lageist­ wert an. Der erste Speicher 32 und der zweite Speicher 40 sind mittels ihrer Setzeingänge 44 mit dem Steuerwerk 34 verbunden. Der Modulationsspannungsgenerator 20 ent­ hält einen Zähler 46 mit nachgeschalteten Digital-Analog- Wandler 48, dessen Ausgang mit einem Verstärker 50 verbun­ den ist. Der Ausgang dieses Verstärkers 50 ist mit dem Modulationsausgang 18 des Modulationsspannungsgenerators 20 verknüpft. Dem Zähler 46 wird über seinen Takteingang 52 eine Taktfrequenz f ₀ vom Steuerwerk 34 zugeführt, wo­ bei außerdem ein Setzeingang 54 des Zählers 46 mit dem Steuerwerk 34 verbunden ist. Außerdem ist das Steuerwerk 34 über einen Umschaltausgang 56 mit dem Verstärker 50 verbunden.

Die Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Modulationsspannung U _M und die analogen, sinusförmigen Signale U _{S 1} und U _{S 2} des Sensors 10 des Lagegebers 6 über die Zeit t aufgetragen ist. Dabei ist als Modulationsspannung U _M eine Dreiecksspannung gewählt worden, die synchron zu den Signalen U _{S 1} und U _{S 2} verläuft. Die Signale U _{S 1} und U _{S 2} entsprechen jeweils einer Geschwindigkeit einer sich drehenden Vorrichtung, die mittels des inkrementalen Lagegebers 6 ermittelt werden. Dabei ist die Geschwindigkeit, entsprechend dem Signal U _{S 1}, gegenüber der Geschwindigkeit, entsprechend dem Signal U _{S 2}, größer. Die Signale U _{S 1} bzw. U _{S 2} sind jeweils Ausgangssignale des Sensors 10 des inkrementalen Lagegebers 6. Am Ausgang des Sensors 10 des inkrementalen Lagegebers 8 stehen ebenfalls analoge, sinusförmige Signale an, die gegenüber den Signalen U _{S 1} und U _{S 2} um 90° el. phasenverschoben sind. Das Signal U _{S 1} und die Modulationsspannung U _M liegen jeweils an einem Eingang des Komparators 12 des Lagegebers 6 an. Das phasenverschobene Signal _{S 1}, das aus Übersichtlichkeitsgründen in dieser Figur nicht dargestellt ist, und die Modulationsspannung U _M liegen ebenfalls jeweils an einem Eingang des Komparators 12 des Lagegebers 8 an. Mit Hilfe dieser Modulationsspannung U _M und der Komparatoren 12 wird jeweils das Signal U _{S 1} bzw. U _{S 2} und das Signal _{S 1} bzw. _{S 2} in ein pulsweitenmoduliertes Signal U _{PM 1} bzw. U _{PM 2} und _{PM 1} bzw. _{PM 2} umgewandelt. Die Signale U _{PM 1} und U _{PM 2} sind in der Fig. 3 dargestellt. Die Signale _{PM 1} bzw. _{PM 2} sind gegenüber den Signalen U _{PM 1} und U _{PM 2} jeweils um 90° el. phasenverschoben und aus Übersichtlichkeitsgründen in der Fig. 3 nicht dargestellt.

Diese erzeugten pulsweitenmodulierten Signale U _{PM 1} und U _{PM 2} bzw. _{PM 1} bzw. _{PM 2} werden mit Hilfe der Auswerteschaltung 4 weiterverarbeitet, wobei deren Tastverhältnisse bzw. deren Pulsweite jeweils während eines Abtastintervalls von den Zählern 28 und 30 ausgewertet wird. Als Abtastintervall kann die Periodendauer T _M der Modulationsspannung verwendet werden. Der anstehende Zählerstand wird dann in den ersten Speicher 32 einge­ lesen, wobei gleichzeitig der Zählerstand des vorange­ gangenen Abtastintervalls aus dem ersten Speicher 32 in den zweiten Speicher 40 eingelesen wird. Der Mikropro­ zessor 38 ermittelt aus den beiden Speicherinhalten bei Kenntnis der Abtastzeit und der Impulszahl pro Umdrehung die Lage und die Drehzahl der sich drehenden Vorrich­ tung. Die Impulszahl pro Umdrehung kann beispielsweise mit Hilfe eines Referenzsignals ermittelt werden.

Bei höheren Drehzahlen, d.h. bei einem vorbestimmten Verhältnis von Periodendauer T _M der Modulationsspannung zur Periodendauer T _S der Signale der inkrementalen Lage­ geber 6 bzw. 8 wird mittels des Umschaltausgangs 56 der Verstärker 50 vom Steuerwerk 34 abgeschaltet. Dadurch wird keine Modulationsspannung dem zweiten Eingang der Komparatoren 12 zugeführt. Außerdem wird der Mikroprozes­ sor 38 auf ein bekanntes Lage- und Drehzahl-Meßverfahren vom Steuerwerk 34 umgeschaltet, wobei die Periodendauer ausgewertet bzw. Impulse in einem vorbestimmten Zeitin­ tervall gezählt werden.

Wie aus der FIG. 3 zu erkennen ist, wird die Auflösung mit Verringerung der Geschwindigkeit der sich drehenden Vorrichtung besser, da das Verhältnis der Periodendauer T _M der Modulationsspannung zur Periodendauer T _S des Si­ gnals U _{S 1} größer wird. Somit erhält man eine Schaltungsanordnung mit der man auch die Lageinformation erhält, die zwischen den Impulsflanken bzw. Nulldurchgängen der Signale U _{S 1} und _{S 1} der Sensoren 10 der Lagegeber 6 und 8 sich befinden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Ermittlung von Lageistwerten einer sich drehenden Vorrichtung unter Verwendung von zwei inkremen­ talen Lagegebern (6, 8), die jeweils einen Sensor (10) mit nachgeschaltetem Komparator (12) enthalten, und einer Auswerteschaltung (4), dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeweils dem zweiten Eingang der Komparatoren (12) eine Modulationsspannung (U _M ) zugeführt wird, so daß am Ausgang (19, 21) der Komparatoren (12) je­ weils ein pulsweitenmoduliertes Signal (U _PM ) ansteht, des­ sen Pulsweite jeweils während eines vorbestimmten Abtast­ intervalls mit Hilfe der Auswerteschaltung (4) ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das pulsweitenmodulierte Signal (U _PM ) mit Hilfe von Zählern (28, 30) der Auswerte­ schaltung (4) ausgewertet wird, in dem der an den Ausgän­ gen der Zähler (28, 30) anstehende Zählerstand in einen ersten Speicher (32) eingelesen wird, wobei der Zähler­ stand des jeweils vorausgehenden Abtastintervalls aus dem ersten Speicher (32) in einen zweiten Speicher (40) eingelesen wird und daß mit Hilfe eines Mikroprozessors (38) aus der Differenz der beiden Speicherinhalte die Drehzahl und die Lage der sich drehenden Vorrichtung ermittelt wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeweils der zweite Eingang der Komparatoren (12) der inkrementalen Lagegeber (6, 8) mit einem Modulationsausgang (18) der Auswerteschaltung (4) verbunden ist, wobei der Modulationsausgang (18) mit einem Modulationsspannungsgenerator (20) verknüpft ist, daß jeweils der Ausgang (19 bzw. 20) der Komparatoren (12) mit einem Signaleingang (24 bzw. 26) der Auswerte­ schaltung (4) verbunden ist, wobei jeweils der Signal­ eingang (24 bzw. 26) mit einem Zähler (28 bzw. 30) ver­ bunden ist, wobei die Ausgänge der Zähler (28 bzw. 30) jeweils mit einem ersten Speicher (32) verknüpft sind, daß der erste Speicher (32) einerseits mit einem Mikro­ prozessor (38) und andererseits mit einem zweiten Spei­ cher (40) verbunden ist, dessen Ausgang ebenfalls mit dem Mikroprozessor (38) verbunden ist, und daß ein Steuerwerk (34) mit den Zählern (28, 30, 46) und den beiden Speichern (32, 40) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulationsspan­ nungsgenerator (20) einen Zähler (46) mit nachgeschalte­ tem Digital-Analog-Wandler (48) enthält, dessen Ausgang mit einem Verstärker (50) verbunden ist, und daß der Zäh­ ler (46) mittels seines Takteingangs (52) und seines Setzeingangs (54) mit dem Steuerwerk (34) verbunden ist, das mit dem Ausgang des Zählers und mit dem Verstärker (50) verknüpft ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Modulationsausgang eine gegenüber der Signalfrequenz hochfrequente Dreiecks­ spannung ansteht.