DE3921410A1 - Vorrichtung zum erkennen von bewegungszustaenden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen von Be­ wegungszuständen und -änderungen eines Objektes, beispiels­ weise zum Erkennen der Drehzahl oder der linearen Geschwin­ digkeit eines Objekts. Die Vorrichtung besteht im wesentli­ chen aus einem Signalgeber, einem Empfänger und einer zwi­ schen dem Signalgeber und dem Empfänger vorgesehenen Codier­ einrichtung mit darauf angeordneten Rasterelementen, wobei beispielsweise die Codiereinrichtung aus einer Codierscheibe bestehen kann, an deren Außenumfang Einschnitte oder Löcher o. dgl. ausgebildet sind.

Es sind derartige Vorrichtungen bekannt, bei denen das Emp­ fängerausgangssignal sinusförmig verläuft. Diese Sinuswelle stellt in der Regel die Intensität des Signals, das auf dem Empfänger auftritt, dar. Um zu einer verwertbaren Aussage des Ausgangssignals zu kommen, muß dieses umgeformt werden. Übli­ cherweise wird die Sinuswelle differenziert, so daß eine Ko­ sinuswelle entsteht, diese Kosinuswelle wird dann in einem nächsten Schritt gleichgerichtet, und man erhält ein Aus­ gangssignal, das in einer gewissen Schwankungsbreite relativ konstant ist. Diese Schwankungsabweichungen können durch einen Filter geglättet werden. Aus dem Filter ein konstantes Signal aus, das sich als Funktion der Bewegungsgeschwindig­ keit ändert. Diese bekannte Vorrichtung mit der dazugehörigen Schaltung hat jedoch den wesentlichen Nachteil, daß sie auf Geschwindigkeitsänderungen relativ träge reagiert, da insbe­ sondere beim Glätten ein relativ hoher Zeitfaktor auftritt, der dazu führt, daß die Geschwindigkeitsänderungen relativ verzögert von den Meßinstrumenten angezeigt werden. Um die Genauigkeit zu erhöhen, ist man dazu übergegangen, die Co­ dierscheibe mit möglichst vielen Rasterelementen zu bestücken, um eine möglichst hohe Anzahl von Schwingungen zu erhal­ ten, die dann wiederum eine genauere Fixierung des Ausgangs­ signals ermöglichen. Dies hat jedoch wiederum eine äußerst präzise gearbeitete und daher kostenträchtige Codierscheibe zur Folge.

Es sind des weiteren digital arbeitende Meßvorrichtungen zur Drehzahlmessung bekannt, die jedoch eine Vielzahl von Signa­ limpulsen pro Zeiteinheit erfordern, z. B. muß über mindestens 10 Schlitze gemittelt werden, um eine genaue Aussage zu be­ kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannten Gattung zu schaffen, mit der Änderungen von Be­ wegungszuständen rascher als bisher und bei einfacherer Ge­ staltung der Vorrichtung erfaßbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch glöst, daß jedes Rasterelement, der Signalgeber und/oder der Empfänger so aus­ gebildet sind, daß das Empfängerausgangssignal im wesentli­ chen eine Dreieckswelle ist. Die Dreieckswelle bietet den Vorteil, daß deren Differenzierung über die Zeit eine Rechteckwelle ergibt, in der jeweils zeitkonstante Abschnitte vorkommen. Nach einer Gleichrichtung dieser Rechteckwelle er­ hält man ein im wesentlichen konstantes Ausgangssignal, das lediglich an den Sprungstellen Peaks aufweist, deren Glättung jedoch mit Hilfe eines Kondensatorfilters keine so große Zeitkonstante in das System einführt, wie es beim Stand der Technik der Fall ist. Das auf diese Weise erhaltene meßtech­ nisch verwertbare Ausgangssignal, das eine Information über den Bewegungszustand beinhaltet, ist um einen Faktor 10 reak­ tionsschneller als mit der üblichen Methode.

Vorteilhafterweise wird die Dreieckswelle dadurch erzeugt, daß jedes Rasterelement und der Signalgeber jeweils mit einer deckungsgleichen Raster- bzw. Signalabgabefläche ausgebildet ist. Auf diese Weise nimmt die Signalintensität während der Verschiebung der Rasterfläche über die Signalabgabefläche li­ near zu, erreicht ihre maximale Intensität im Augenblick der Deckungsgleichheit und fällt anschließend wieder linear ab, bis die zugeordnete Rasterfläche an der Signalabgabefläche vorbei ist. Besonders günstige Ergebnisse werden zusätzlich erzielt, wenn die Empfängerfläche mit der Rasterfläche eben­ falls deckungsgleich ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die angesprochenen Flächen im wesentlichen viereckig geformt sind, wobei zumindest zwei Ränder dieser Flächen zur Bewegungsrichtung im wesentlichen senkrecht verlaufen. Eine einfache und wirkungsvolle Vorrich­ tung erhält man dann, wenn der Signalgeber ein optisches Si­ gnal abgibt und der Empfänger ein optischer Empfänger ist, beispielsweise eine Photozelle oder Photodiode.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung erzeugt der Si­ gnalgeber ein Magnetfeld und der Empfänger spricht auf dieses Magnetfeld an. Dieses Magnetfeld wird in der gleichen Weise durch einen Abdeckvorgang, der eine Funktion der Zeit ist, abgedeckt, wie bei der optischen Einrichtung.

Eine vorteilhafte weitere alternative Ausbildung besteht darin, daß der Signalgeber und der Empfänger zu einer Si­ gnaleinheit als Plattenkondensator ausgebildet sind, wobei zwischen den Platten die Codiervorrichtung bewegbar angeord­ net ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels im Detail näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Drehzahl bei einem Mo­ tor,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht ei­ ner schreibenförmig ausgebildeten Codiereinrichtung,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Details A aus Fig. 2,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Umwandlung von der Erzeugung des Empfängerausgangssignals bis zum verwertbaren Informationssignal, und

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung eines Analogschaltkreises, an dessen Ausgang das Informationssignal des Bewe­ gungszustands anliegt.

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Drehzahlmeßvor­ richtung für einen Elektromotor. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Anwendung beschränkt, sondern kann in gleicher Weise auch bei lineraren Bewegungszuständen Anwen­ dung finden.

Die in Fig. 1 an einem Motor 1 angeordnete Vorrichtung zum Erkennen von Bewegungszuständen oder -änderungen ist ein op­ tisches System. Auf Ende der Welle 2 des Motors 1 ist eine Codiereinrichtung 4 aufgesetzt. Die Codiereinrichtung besteht im vorliegenden Fall aus einer Scheibe mit am Außenumfang an­ geordneten Rasterelementen 7.

Diese Rasterelemente 7 können allseitig geschlossene Durch­ brüche durch die Scheibe sein. Sie können jedoch auch als Blendenelemente am Außenumfang so angeordnet sein, daß die Löcher nach radial außen frei sind. An geeigneter Stelle sind ein Signalgeber 5 und diesem gegenüberliegend ein Empfänger 6 angeordnet. Diese beiden Bauelemente sind so plaziert, daß der Signalstrom exakt auf die Rasterelemente gerichtet ist.

In Fig. 2 ist eine Codiereinrichtung 4 in Form einer Scheibe dargestellt, am Außenumfang dieser Scheibe sind Ausnehmungen in Form von viereckigen Lochflächen 9 ausgebildet, die mit Blenden 8 gleicher Abmessung regelmäßig abwechseln. Diese mit A gekennzeichnete Einzelheit ist in Fig. 3 größer darge­ stellt. Die in Fig. 3 dargestellte momentane Situation zeigt die Lochfläche 9 in exakter Flucht mit der Signalabgabefläche 10 des Signalgebers 5. Das als Lochfläche 9 ausgebildete Ra­ sterelement weist eine viereckige Form auf, praktisch im vor­ liegenden Fall ein Quadrat, das genau mit der Abgabefläche 10 des Signalgebers übereinstimmt.

Während die Rasterelemente der Codiereinrichtung 4 in Fig. 1 eine vollkommen umschlossene Lochfläche aufweisen, befinden sich demgegenüber die Rasterelemente 7 der Codiereinrichtung aus den Fig. 2 und 3 am Außenumfang.

Der Durchschnittsfachmann weiß, daß die in Fig. 1 darge­ stellte Ausführungsform sinngemäß abgeändert werden kann, beispielsweise können die Rasterelemente Spiegelflächen sein, die das aufgefangene Signal reflektieren, wobei der Empfänger dann so plaziert sein muß, daß er das Signal in analoger Weise empfangen kann.

Wesentlich für die voliegende Erfindung ist, daß das von dem Empfänger abgegebene Ausgangssignal infolge der Ausgestaltun­ gen der Signalabgabefläche und der Codiereinrichtung eine Dreieckswelle ist, die anschließend in der unten beschriebe­ nen Weise umgeformt wird. Um eine solche dreieckige Empfänge­ rausgangswelle zu erzeugen, ist es erforderlich, daß das auf den Empfänger auftreffende Signal linear mit der Bewegung wächst. Dies wird bei dem optischen System dadurch erreicht, daß die Blende 8 abhängig von der Zeit die Signalabgabefläche zunehmend frei gibt, so daß die Photozelle oder Photodiode einen linear in der Stärke zunehmenden Strom abgibt. Die Li­ nearität des Stromanstiegs wird dadurch erreicht, daß infolge der zur Bewegungsrichtung im wesentlichen senkrecht verlau­ fenden Kante der Blende das entstehende Rechteck stetig ver­ größert wird, was zu einer linearen Zunahme des Flächenin­ halts führt. Bei völliger Freigabe der Signalabgabefläche durch die gleich große Lochfläche erhält man den Maximalwert des Signals und somit auch des Empfängerabgabesignals. Die Abnahme des Empfängerabgabesignals wird durch die kontinuier­ liche Abdeckung der Signalabgabefläche durch die nachfolgende Blende erreicht, wodurch die im Ausführungsbeispiel quadrati­ sche Abgabefläche linear gegen Null reduziert wird.

Bei anderen Anwendungsgebieten kann es vorteilhaft sein, statt eines optischen Lichtsystems ein magnetisches System zu verwenden, das dann analog aufgebaut wird.

Eine wiederum andere Anwendungsform kann darin bestehen, daß statt eines Signalgebers und eines Empfängers ein Plattenkon­ densator vorgesehen ist, zwischen dem sich die Codiereinrich­ tung bewegt, wobei hier wiederum die Auslegung so zu erfolgen hat, daß stets eine Dreieckswelle abgegriffen werden kann, die dann in der unten näher erläuterten Weise umgeformt wird.

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild für das optische System dargestellt, das jedoch analog mit anwendungsbedingten Ände­ rungen auch für das magnetische oder kapazitive System gilt.

Der Ablauf in dem Blockschaltbild wird unter Zuhilfenahme der schematischen Darstellungen der Fig. 5 erläutert. Das vom Si­ gnalgeber abgegebene Signal wird durch die Codiereinrichtung codiert und in dieser codierten Form vom Empfänger aufgenom­ men. In Fig. 5A ist symbolisch die die Codierung mit den ab­ wechselnden bedeckten und freien Signalabgabeflächen darge­ stellt. Das Empfängerabgabesignal ist in Fig. 5B gezeigt, wo­ bei deutlich der ansteigende Bereich der Dreieckswelle für die zunehmende Freifläche und der abnehmende Bereich für die zunehmende Abdeckung zu erkennen ist. Diese Dreickswelle wird in einem Verstärkerglied so weit verstärkt, daß sie in einem nachfolgenden Differenzierglied zu einer Rechteckwelle mit Null-Durchgang differenziert werden kann. Diese Rechteck­ welle wird in einem Gleichrichter so ummoduliert, daß prak­ tisch der negative Teil um die Nullachse nach oben geklappt wird, so daß ein im wesentlichen von der Amplitude des Diffe­ renzierglied-Signals abhängiges konstantes Ausgangssignal er­ zielt wird. An den Sprungstellen der Rechteckfunktion ergeben sich in der Regel Peaks, die das konstante Ausgangssignal verfälschen. Dieser Nachteil läßt sich beispielsweise dadurch ausschalten, daß man zwei derartige Vorrichtungen so anord­ net, daß das Ausgangssignal des Empfängers 2 gegenüber dem Ausgangssignal des Empfängers 1 soweit phasenverschoben ist, daß bei einer Überlagerung der Ausgangssignale nach der Gleichrichtung die Peaks ebenfalls phasenverschoben sind und somit auf das konstante Ausgangssignal keinen Einfluß mehr ausüben können.

Eine Drehzahländerung der Motorwelle führt zu einem steileren Anstieg der Steigung der Dreieckswelle, da der volle flächen­ abhängige Stromwert in kürzerer Zeit erreicht wird. Die stär­ kere Steigung der Welle hat bei der Differenzierung eine hö­ here Amplitude der Rechteckwelle zur Folge und somit nach dem Gleichrichten ein insgesamt höheres Ausgangssignal.

Dieser Sachverhalt soll anhand der folgenden Überlegungen nä­ her erläutert werden:

(1) F = h · l; (2) I_Photodiode = c · F (experimentell ermittelt)
C: Proportionalitätsfaktor je nach Typ
(3) V = 2π · r · n

F = h · l = h · 2π · r · n · t
I_Photo = c · h · 2π · r · n · t
U_Vers = -R₁ · I_Photo = -R₁ · c · h · 2π · r · n · t
U_A = -R₂ · C₂

U_A = + R₂ · C₂ · R₁ · c · h · 2π · r · n
U_A = {R₂ · C₂ · R₁ · c · h · 2πr} · n
konstant.

In den Gleichungen bedeuten:

F = Fläche des Rasterelements = Fläche des Signalgebers = Fläche des Empfängers,
h = Höhe der Fläche in radialer Richtung,
l = Breite der Fläche in Umfangsrichtung
I = _Photodiode = Ausgangsstrom des Empfängers hier Photodi­ ode,
C = Proportionalitätsfaktor des Empfängers
r = mittlerer Radius der Flächen
n = Drehzahl
t = Zeit
v = Geschwindigkeit
U_Vers = Spannung des Verstärkers
R₁ = Widerstand des ersten Widerstands
R₂ = Widerstand des zweiten Widerstands
U_A = Signalspannung nach der Gleichrichtung ist identisch mit der Information über die Geschwindigkeit.

In Fig. 6 ist ein Prinzipschaltbild einer Analog-Schaltung dargestellt, die als Ausgang ein Spannungssignal in Abhängig­ keit der Drehzahl liefert. Das Stromsignal der Photodiode wird im ersten mit OP1 bezeichneten Integrator zu der Drei­ eckswelle geformt, die dann im mit OP2 bezeichneten Span­ nungsverstärker mit davor geschaltetem Kondensator differen­ ziert wird. Das sich daraus ergebende Signal in Form der Rechteckwelle gemäß Fig. 5C wird in dem Gleichrichter zu dem Ausgangssignal mit der Geschwindigkeitsinformation umgewan­ delt. Der Glätter filtert die Peaks aus dem Signal, das bei sich verändernder Drehzahl auf der x-Achse steigt und fällt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Erkennen von Bewegungszuständen und -änderungen, mit einem Signalgeber, einer aus Rasterele­ menten bestehenden Codiereinrichtung und mit einem Emp­ fänger, wobei eines der genannten Vorrichtungselemente mit einem sich bewegenden Objekt gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rasterelement R1, der Signal­ geber S1 und/oder der Empfänger E1 so ausgebildet sind, daß das Empfängerausgangssignal im wesentlichen eine Dreieckswelle ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rasterelement R1 und der Signalgeber S1 mit je­ weils deckungsgleichen Signalabgabe- bzw. Rasterflächen SA1 bzw. RF1 ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Empfängerfläche EF1 des Empfängers E1 dec­ kungsgleich mit der Rasterfläche RF1 ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen SF1, RF1, EF1 im wesentlichen viereckig geformt sind.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum mindesten zwei Ränder RD1 der Flächen SF1, RF1, EF1 zur Bewegungsrichtung im we­ sentlichen senkrecht verlaufen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Codiereinrichtung als Lochblende ausgebildet ist, wobei sich der Fläche RF1 eines Lochs eine Blende BL mit gleich großer Fläche BL1 anschließt.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber S1 ein opti­ scher Signalgeber und der Empfänger E1 ein optischer Empfänger, z. B. eine Fotozelle oder Fotodiode ist.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber S1 ein Ma­ gnetfeld erzeugt und der Empfänger E1 auf das Magnetfeld anspricht.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber S1 und der Empfänger E1 zu einer Signaleinheit als Plattenkondensa­ tor FL1 ausgebildet und zwischen den Platten P1 die mit dem Objekt bewegungsverbundene Codiereinrichtung ange­ ordnet ist.