DE3904958C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Positionsgeber für Maschinenteile gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus AT-PS 3 54 152 bekannt ist. Feldplatten- oder Hallsensoren in Verbindung mit einer Zahnscheibe werden vielfach zur berührungsfreien Drehzahlmessung an Motoren und Maschinen eingesetzt. So wird im "bauteile report 14" (1976) H. 3, S. 89-92 die Drehzahlmessung mit einem Feldplatten-Differentialfühler beschrieben.

Die DE-OS 36 39 208 zeigt einen magnetoresistiven Sensor zur Abgabe von elektrischen Signalen für ein Antiblockiersystem. Beim dortigen Sensor braucht kein Zahnkranz am Sensor vorbeibewegt zu werden. Vielmehr befindet sich mindestens ein Sensor ausschließlich im Bereich eines homogenen, möglichst großen Magnetfeldes eines Magneten, und auf einem Substrat des Sensors sind mindestens zwei jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnete Meßstreifen vorgesehen. Ausschließlich durch die Relativbewegung zwischen Sensor und Magnet wird das Magnetfeld verändert und ein Meßsignal erzeugt. Bei Verwendung von zwei gegeneinander um 45° verdreht auf dem Substrat angeordneten Sensoren werden deren Ausgangssignale je einem Schmitt-Trigger zugeführt. Die dadurch erzeugten Impulse werden durch ein EXOR-Glied miteinander verknüpft. Mit Hilfe eines Verzögerungselements wird die Impulsanzahl verdoppelt und in einem zweiten EXOR-Glied mit dem Ausgangsimpuls des ersten EXOR-Glieds verknüpft. Mit Hilfe eines weiteren Verzögerungselements kann die Anzahl der Impulse nochmals verdoppelt werden.

Auch als Winkelgeber zur Steuerung des Zündwinkels bei Verbrennungsmotoren finden Feldplatten- oder Hallsensoren Anwendung. Aus der eingangs erwähnten AT-PS 3 54 152 ist eine Einrichtung zur Messung des Drehwinkels einer Welle zwischen einer Bezugswinkelstellung und der Winkelstellung im Zeitpunkt des Eintretens eines bestimmten, von der Funktion der Maschine verursachten Ereignisses bekannt, wobei Geber beim Erreichen der Bezugswinkelstellung und beim Auftreten des maschinencharakteristischen Ereignisses mehrere Impulse aussenden. Diese werden einer Auswerteschaltung zugeführt, welche aus dem Zeitintervall zwischen Bezugswinkelstellung und maschinencharakteristischem Ereignis ein winkelproportionales Signal erzeugt. Die in AT-PS 3 54 152 beschriebene Einrichtung hat die Aufgabe, ein Überstreichen eines großen Drehzahlbereichs ohne Eingriff in eine das Ausblenden des dem ersten Impuls einer Impulsgruppe folgenden Impulses bewirkenden Schaltung zu ermöglichen. Es soll also bei unveränderter Drehrichtung ein möglichst großer Drehzahlbereich erfaßbar sein. Die Gebersignale werden einem Schwellwertschalter in Form eines Komparators zugeführt, dessen Ausgang mit einem Halbleiterschalter am Eingang eines nachfolgenden Konstantspannungs- Intergrators verbunden ist. Je nach Schaltzustand des Schwellwertschalters gibt der Halbleiterschalter entweder den Integrator frei oder stellt ihn zurück und blockiert ihn. Der Ausgang des Integrators ist mit einem ersten Eingang eines Vergleichers und mit einem durch Operationsverstärker oder einen Kondensator gebildeten Spitzenwertspeicher verbunden, dem ein mit seiner Mittelanzapfung mit dem zweiten Eingang des Vergleichers in Verbindung stehender Spannungsteiler nachgeschaltet ist. Der Ausgang des Schwellwertschalters und der Ausgang des Vergleichers sind an die beiden Eingänge eines NOR- oder UND-Gatters angeschlossen. Am Ausgang des Vergleichers steht jeweils am Beginn eines maschinencharakteristischen Ereignissen ein auswertbares Signal zur Verfügung. Die Schaltung gewährleistet, daß jeweils nur der erste durch das maschinencharakteristische Ereignis hervorgerufene Impuls ausgewertet wird und nachfolgende Impulse unterdrückt werden.

In beiden oben geschilderten Anwendungsfällen spielt entweder die Drehrichtung des Maschinenteils keine Rolle oder es kommt überhaupt nur eine Drehrichtung vor. Bisweilen werden aber auch Winkelgeber an mit unterschiedlichen Drehrichtungen betriebenen Maschinenteilen benötigt, deren Ausgangssignal gleichwohl nur von der tatsächlichen Winkelposition, nicht aber von der Drehrichtung abhängig sein soll. Dies ist beispielsweise bei der Messung des Polradwinkels elektrischer Maschinen der Fall. Der Polradwinkel ist ein Maß für das an der Welle abgegebene Drehmoment. Um gefährliche Lastzustände rechtzeitig erkennen zu können, beispielsweise wenn ein Pumpenmotor in eine verstopfte Leitung fördert, kann die Messung des Polradwinkels als zuverlässiges Kriterium für den ordnungsgemäßen Betriebszustand der Anlage dienen. Auch in zahlreichen anderen Fällen elektrischer Antriebe ist eine solche Lastüberwachung der angetriebenen Welle nützlich.

Bei herkömmlichen Positionsgebern ist dem Hallsensor ein Schwellwertschalter nachgeschaltet, der jeweils einen Ausgangsimpuls liefert, sobald das gegebenenfalls noch verstärkte Ausgangssignal des Hallsensors einen vorgegebenen Schwellwert in einer bestimmten Richtung überschreitet. Da sich jedoch bei Drehrichtungsumkehr auch der Signalverlauf am Ausgang des Hallsensors in sein Spiegelbild umkehrt, tritt eine zeitliche Verschiebung des erwähnten Durchlaufs des Ausgangssignals durch den Schwellwert auf. Um diese Verschiebung, die im wesentlichen von der Zahnbreite der am Maschinenteil vorgesehenen Zähne, der konstruktiven Gestaltung des Hallsensors und von seiner Empfindlichkeit abhängt, ist die Messung der Winkelposition des Maschinenteils ungenau.

Aufgabe der Erfindung ist folglich die Schaffung eines von der Bewegungsrichtung, insbesondere von der Drehrichtung unabhängigen Positionsgebers mit Hallsensor. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Sie hat zur Folge, daß in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung die Verstärkungsrichtung des dem Hallsensor nachgeschalteten Schwellwertschalters, üblicherweise eines Schmitt- Triggers, umgepolt und folglich der Ausgangsimpuls immer von der gleichen Flanke des Sensorausgangssignals ausgelöst wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht nur bei Winkelgebern, sondern auch bei Positionsgebern an hin- und hergehenden Maschinenteilen, beispielsweise an Werkzeugmaschinen, vorteilhaft anwendbar.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Schaltungsbeispiel eines Winkelgebers;

Fig. 2 den Signalverlauf bei Drehung des Maschinenteils in der einen Richtung und

Fig. 3 den Signalverlauf bei entgegengesetzter Drehrichtung.

In Fig. 1 sind am Maschinenteil 1 gleichmäßig über dessen Umfang verteilt mehrere metallische oder magnetische Zähne 2 angebracht. Sie tauchen beim Umlauf des Maschinenteils 1 nacheinander in den Luftspalt 3 eines Differential-Feldplattensensors 4 ein, der mit einem Erregermagneten 5 ausgestattet ist. Solche Hallsensoren sind in zahlreichen Ausführungsformen auf dem Markt. Im Schaltbild werden die beiden Feldplatten 4′ und 4′′ aus einer Gleichstromquelle 6 gespeist. An die Feldplatte 4′′ ist ein Schmitt-Trigger 7 als Schwellwertschalter angeschlossen. Ihm ist ein Integrierglied bestehend aus einem Widerstand 8 und einem Kondensator 9 nachgeschaltet. Der Verbindungspunkt 10 von Widerstand 8 und Kondensator 9 liegt am einen Eingang 11 eines Exclusiv-Oder-Gatters 13, dessen anderer Eingang 14 mit dem Ausgang 15 des Schmitt-Triggers 7 in Verbindung steht. Am Ausgang 16 des Gatters 13 stehen allein von der Winkelposition des Maschinenteils 1 abhängige Impulse U_ex zur Verfügung während vom Ausgang 10 des Integrierglieds 8, 9 eine hinsichtlich ihrer Polarität von der Drehrichtung des Maschinenteils 1 abhängige Spannung U_a an die Klemme 17 gelangt.

An der Feldplatte 4′′ entsteht eine Spannung U_S, deren Verlauf in Abhängigkeit von der Zeit und damit von der Drehposition des Maschinenteils 1 in Fig. 2 bei Rechtslauf und in Fig. 3 bei Linkslauf wiedergegeben ist. In Fig. 2 überschreitet die Spannung U_S zum Zeitpunkt t 1 die Einschaltschwelle E des Triggers 7, so daß an seinem Ausgang 15 die ansteigende Flanke des Ausgangsimpulses U_a entsteht. Zum Zeitpunkt t 2 unterschreitet die Spannung U_S die Ausschaltschwelle A des Triggers, und damit ist der Ausgangsimpuls U_a beendet. Nimmt man die ansteigende Flanke des Impulses U_a als positionsabhängiges Signal, indem man beispielsweise den Impuls U_a differenziert, so tritt dieses drehwinkelabhängige Signal zur Zeit t 1 auf.

Betrachtet man nunmehr die Verhältnisse bei Linkslauf, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, so ist ersichtlich, daß die ansteigende Flanke des Feldplattensignals U_S zur Zeit t 3 die Einschaltschwelle E des Triggers 7 überschreitet und folglich der hieraus abgeleitete positionabhängige Ausgangsimpuls zu dieser Zeit t 3 auftreten würde. Er wäre gegenüber dem Impuls bei Rechtslauf, der zur Zeit t 1 erscheint, zeitlich versetzt. Die Winkelangabe wäre also drehrichtungsabhängig.

Das dem Trigger 7 nachgeschaltete Integrierglied 8, 9 leitet aus der Trigger- Ausgangsspannung U_a einen Gleichstrommittelwert ab, der bei Rechtslauf eine positive Spannung ist, vgl. Fig. 2. Er gelangt an den Eingang 11 des Exclusiv-Oder- Gatters 13. Am anderen Eingang 14 des Gatters 13 steht das Ausgangssignal U_a des Triggers 7. Der Ausgangsimpuls U_ex beginnt, sobald die Spannung U_a den Mittelwert überschreitet und endet, wenn U_a den Wert unterschreitet. Es entsteht somit die in Fig. 2 in der untersten Zeile dargestellte Impulsfolge U_ex. Bei Linkslauf hingegen entsteht am Ausgang 10 des Integrierglieds 8, 9 ein negativer Gleichstrommittelwert , wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. Hier beginnt nämlich der jetzt negativ gerichtete Impuls U_a, wenn die Feldplatten-Ausgangsspannung U_s die Ausschaltschwelle A des Triggers in negativer Richtung überschreitet, d. h. zur Zeit t 1. Der Impuls U_a endet wiederum, wenn das Signal U_S die Einschaltschwelle E des Triggers 7 in positiver Richtung überschreitet. Der Ausgangsimpuls U_ex beginnt hier, sobald der negativ gerichtete Impuls U_a den jetzt negativen Gleichstrommittelwert in negativer Richtung überschreitet. Leitet man wiederum aus der ansteigenden Flanke des Impulses U_ex den drehwinkelabhängigen Ausgangsimpuls ab, so erscheint dieser auch diesmal zur Zeit t 1, d. h. an der selben Stelle wie bei Rechtslauf. Damit ist die gestellte Aufgabe gelöst und das die jeweilige Winkelposition kennzeichnende Impulssignal von der Drehrichtung unabhängig.

Da die Polarität des Mittelwertsignals von der Drehrichtung abhängt, kann an der Klemme 17 ein durch seine Polarität die Drehrichtung anzeigendes Signal abgenommen werden. Mit dieser Messung des Polradwinkels läßt sich bei einer elektrischen Maschine auch feststellen, ob die Maschine als Motor oder als Generator betrieben wird. Die drehrichtungsunabhängige Drehwinkelmessung kann bei einer Vielzahl von Anwendungen von Bedeutung sein, beispielsweise bei Werkzeugmaschinen, Stellantrieben oder dergl. Die von der Bewegungsrichtung unabhängige Positionsmessung gemäß der Erfindung ist keineswegs auf die Positionsmessung bei rotierenden Maschinenteilen beschränkt, sondern kann gleichermaßen vorteilhaft auch bei sich auf einer beliebigen Bewegungsbahn bewegenden, insbesondere auch bei hin- und hergehenden Maschinenteilen eingesetzt werden. Als Maschinenteil sind dabei beliebige Bauteile anzusehen, deren jeweilige Position berührungsfrei erfaßt werden soll.

Claims (3)

1. Positionsgeber für Maschinenteile, insbesondere Winkelgeber für rotierende Maschinenteile, mit wenigstens einem am Maschinenteil (1) angebrachten metallischen Zahn (3) oder Ansatz, der mit einem stationär angeordneten Feldplattensensor (4, 5) als Impulsgeber zusammenwirkt, wobei an den Ausgang (15) einer dem Feldplattensensor (4′, 4′′) nachgeschalteten Triggerstufe (7) einerseits der eine Eingang (14) eines Logikgatters (13) und andererseits ein Integrierglied (8, 9) zur Erzeugung eines Gleichspannungsmittelwertes angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Logikgatter als Exclusiv-Oder-Gatter (13) ausgebildet ist;
• b) der Ausgang (10) des Integrierglieds (8, 9) mit dem anderen Eingang (11) des Exclusiv-Oder-Gatters in Verbindung steht; und
• c) am Ausgang (16) des Gatters (13) von der Bewegungsrichtung des Maschinenteils unabhängige, die Position des Maschinenteils kennzeichnende Schaltimpulse (U_ex) abgreifbar sind.

2. Positionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einer an den Ausgang (10) des Integrierglieds (8, 9) angeschlossenen Klemme (17) eine hinsichtlich ihrer Polarität die Bewegungsrichtung des Maschinenteils (1) kennzeichnende Spannung () abnehmbar ist.

3. Positionsgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Integrierglied aus einem Längswiderstand (8) und einem Ladekondensator (9) besteht.