DE3939278C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren mit den im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein solches Verfahren, welches zum Betrieb eines induktiven Drehmelders dient, ist aus der DE-Z "Industrie-Elektrik + Elektronik", 30. Jahrgang, 1985, Nr. 9, Seiten 62-69, be­ kannt. Der Drehmelder besteht hauptsächlich aus einem Sta­ tor mit zwei gleichen, unter einem rechten Winkel gekreuz­ ten elektrischen Wicklungen, welche nachfolgend als Rotor­ wicklung bezeichnet wird. Um die Drehwinkelstellung des Ro­ tors relativ zum Stator zu ermitteln, wird die eine Stator­ wicklung mit einem sinusförmigen Wechselstrom und die ande­ re Statorwicklung mit einem cosinusförmigen Wechselstrom mit übereinstimmender Frequenz erregt. Durch Überlagerung der beiden in den Statorwicklungen erzeugten Magnetfelder ent­ steht ein magnetisches Drehfeld, welches in die Rotorwick­ lung eine elektrische Wechselspannung induziert. Zum Bestim­ men der Drehwinkelstellung der Rotorwicklung wird die Zeit­ spanne zwischen dem Durchlauf des Feldstärkevektors durch eine vorgegebene Drehwinkelstellung und dem nächsten posi­ tiven oder negativen Nulldurchgang der Wechselspannung in der Rotorwicklung gemessen. Diese Zeitspanne ist direkt proportional der aktuellen Drehwinkelstellung der Rotor­ wicklung in bezug auf die vorgegebene Drehwinkelstellung des Feldstärkevektors des Drehfeldes. Unter dem positiven Nulldurchgang der Wechselspannung wird hier jener Nulldurch­ gang verstanden, bei dem das Vorzeichen der Wechselspannung von negativ nach positiv wechselt; entsprechend wird unter dem negativen Nulldurchgang jener verstanden, bei welchem das Vorzeichen der Wechselspannung von positiv nach negativ wechselt. Die zu messende Zeitspanne wird entweder nur durch den positiven oder nur durch den negativen Nulldurchgang der induzierten Wechselspannung beendet, um eine 180°-Zweideu­ tigkeit der Bestimmung der Drehwinkelstellung auszuschlies­ sen.

Die Amplitude des magnetischen Drehfeldes ist vom Drehwinkel unabhängig, wenn die beiden Wicklungen wie vorgesehen ein­ ander gleich sind und wenn sie mit Wechselströmen gleicher Amplitude gespeist werden. In die Rotorwicklung, welche sich in dem magnetischen Drehfeld bewegt, wird dann eine elektrische Wechselspannung induziert, deren Amplitude von der Drehwinkelstellung ebenfalls im wesentlichen unabhängig ist, was die Auswertung der induzierten Wechselspannung er­ leichtert.

Wie man bei der Durchführung des Verfahrens die Lage des rotierenden Feldstärkevektors wählt, von der aus man die Zeitdifferenz bis zum Nulldurchgang der Wechselspannung in der Rotorwicklung mißt, ist im Prinzip gleichgültig. Zweck­ mäßigerweise wählt man jedoch eine möglichst leicht fest­ stellbare Position des Feldstärkevektors, insbesondere eine solche Position, die durch den Nulldurchgang der Strom­ stärke eines der beiden in die Statorwicklungen eingespeis­ ten Wechselströme gekennzeichnet ist; so ist es auch bei dem bekannten Drehmelder-Auswerteprinzip. Die zu messende Zeitspanne stellt sich dann als Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen zweier sinusförmiger schwankender elektrischer Signale dar. Die Zeitspanne wird digital gemessen, indem man eine Folge von elektrischen Im­ pulsen in einen elektronischen Zähler einspeist, der durch ein vom ersten Nulldurchgang abgeleitetes Signal gestartet und durch ein vom zweiten Nulldurchgang abgeleitetes Signal gestoppt wird. Damit diese Zeitspanne mit hinreichender Ge­ nauigkeit bestimmbar ist, muß natürlich die Frequenz der Im­ pulsfolge, mit deren Hilfe die jeweilige Zeitspanne gemessen wird, groß sein gegen die Frequenz der in die Statorwicklun­ gen eingespeisten Wechselströme.

In den Offenlegungsschriften DE 37 37 435 A1 und DE 37 37 434 A1 sind weitere Verfahren gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 beschrieben.

Ein in der EP 3 08 656 A1 beschriebenes Verfahren benützt ebenso wie die zuvor beschriebenen Verfahren eine zweiphasige Dreh­ felderzeugung, bei dem das Rotorsignal drehwinkelabhängig verschoben wird. Jedoch wird bei dem Verfahren nach der EP 3 08 656 A1 ein Rotorsignal simuliert mit dem tatsächlichen Rotorsignal verglichen und dann abhängig von der Größe des Differenzsignals die Simulation des Rotorsignals so beein­ flußt, um die Phasendifferenz zwischen tatsächlichem und simuliertem Rotorsignal zu Null zu regeln. Die Parameter der Erzeugung des simulierten Rotorsignals enthalten die Winkel­ information.

Derartige Drehmelder werden z. B. in Werkzeugmaschinen ver­ wendet. Der Drehmelder arbeitet hierbei z. B. mit einer Spin­ del zusammen, durch die ein Werkzeug positioniert wird.

Nachteilig bei den bekannten Drehmeldern ist, daß z. B. bei Stromausfall einer Werkzeugmaschine die im Zähler stehende Umdrehungszahl und somit die Position des Werkzeuges verlo­ rengeht. Ein weiterer Nachteil der bekannten Drehmelder ist, daß der Drehmelder bei Stromausfall den Nachlauf einer strom­ losen Maschine nicht erfassen kann, sowie je nach Anwendungs­ fall die von Hand durchgeführten Verstellungen des Werkzeugs.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Drehwinkelstellung einer dreh­ bar gelagerten elektrischen Wicklung zu schaffen, welches auch bei einem Ausbleiben der Sinus-Cosinus-Erregung der Statorwicklungen sicher und zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen der Drehwinkelstellung einer drehbar gelagerten elektri­ schen Wicklung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Bei einem Ausfall der Stromversorgung oder beim Abschalten bleibt die Sinus-Cosinus-Erregung der Statorwicklungen aus.

Die Rotorwicklung wird über wenigstens eine der Statorwick­ lungen bzw. die Statorwicklungen werden über die Rotorwick­ lungen mit Gleichstromimpulsen gespeist und das Antwortsig­ nal in den Statorwicklungen bzw. in der Rotorwicklung be­ obachtet und nach dem zeitlichen Verlauf der Vorzeichen evtl. auch nach der Amplitude ausgewertet und z. B. die Null­ durchgänge gezählt.

Wird die Rotorwicklung mit den Gleichstromimpulsen gespeist, so ist hier ein geringerer Energieverbrauch gegenüber der Speisung der beiden Statorwicklungen zu verzeichnen. Je nach Stellung des Rotors relativ zum Stator erhält man in beiden Statorwicklungen unterschiedliche Antwortsignale. Teilt man die Stellung des Rotors in vier Quadranten ein und bezeich­ net die Antwortsignale in beiden Statorwicklungen mit A und B, dann ist deren Vorzeichen davon abhängig, in welchem Quadranten der Rotor steht. Bei Stellung auf den Quadranten­ achsen ist jeweils ein Antwortsignal gleich null, während das andere Antwortsignal sein Maximum hat. Die Amplitude eines jeden Antwortsignals hat über der Winkelstellung ge­ messen einen sinusförmigen Verlauf. Aus dem Vorzeichen des Antwortsignals läßt sich feststellen, in welchem Quadranten der Rotor steht und dadurch ist die Möglichkeit geschaffen worden der Zählung der Umdrehungszahlen. Aus der Abfolge der Vorzeichenwechsel zwischen den Quadranten kann man an der Folge der Antwortsignale auch zwischen Vorwärts- und Rückwärtslauf unterscheiden.

Vorteilhafterweise wird bei statorseitiger Erregung an je­ der Statorwicklung ein zeitlich versetzter Gleichstromimpuls zugeführt. Rotorseitig erhält man in entsprechender Weise vorzeichenbehaftete Antworten, die den jeweiligen Gleich­ stromimpulsen zugeordnet sind.

Vorteilhafterweise ist der Zählpunkt der Drehbewegung bei Stromausfall um 180° gegen den Zählpunkt bei vorhandener Stromversorgung versetzt. Damit wird erreicht, daß die To­ leranz des Zählpunktes im stromlosen Betrieb ohne Auswir­ kung auf die Genauigkeit der Umdrehungszahl bei Normalbe­ trieb (Stromversorgung vorhanden) bleiben kann. Der als Zählpunkt des im stromlosen Betrieb befindlichen Systems im gültigen Quadrantenübergang wird aus dem Vergleich der Quadranteninformation der ersten Prüfmessung nach dem Strom­ ausfall mit der letzten gültigen Quadranteninformation im Normalbetrieb ermittelt.

Eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beson­ ders geeignete Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen Drehmelders wird nachfolgend näher beschrieben.

Der Drehmelder besteht aus zwei untereinander gleichen, sich unter einem rechten Winkel kreuzenden Statorwicklungen 1 und 2 und einer demgegenüber drehbar gelagerten Rotorwick­ lung 3. Diese ist in dem Blockschaltbild seitlich neben den Statorwicklungen 1 und 2 angeordnet gezeichnet, im konkret ausgeführten Drehmelder ist sie jedoch so angeordnet, daß die um eine im rechten Winkel zur Längsachse der Rotorwick­ lung 3 durch deren Mittelpunkt verlaufende Drehachse zusam­ menfällt mit jener Achse 4, die im rechten Winkel zur Längs­ achse der beiden Statorwicklungen 1 und 2 sowohl durch die Mitte der einen als auch die Mitte der anderen Statorwick­ lung verläuft.

Zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes ist ein Sinus- Cosinus-Generator 5 vorgesehen, welcher in die eine Stator­ wicklung 1 sinusförmigen Wechselstrom und in die andere Sta­ torwicklung 2 einen sinusförmigen Wechselstrom von gleicher Frequenz und gleicher Amplitude, aber in der Phase um π/2 gegenüber dem ersten Wechselstrom, einspeist. Der sinusför­ mige Wechselstrom kann z. B. nach einem digitalen Verfahren erzeugt werden, wie es z. B. in der DE-OS 36 43 389 beschrie­ ben ist.

Das durch Einspeisen der Wechselströme in die Statorwick­ lungen 1 und 2 erzeugte magnetische Drehfeld induziert in die Rotorwicklung 3 eine sinusförmige Wechselspannung. Zur Bestimmung der Drehwinkelstellung der Rotorwicklung 3 rela­ tiv zu den Statorwicklungen 1 und 2 wird die Zeitspanne zwi­ schen einem Nulldurchgang des Wechselstroms, welcher in die Statorwicklung 1 und 2 eingespeist wird, und dem nächstfol­ genden Nulldurchgang des in die Rotorwicklung 3 fließenden Wechselstroms gemessen. Zu diesem Zweck ist die Rotorwick­ lung 3 mit einer Erkennungsschaltung 6 für den Nulldurchgang verbunden, dessen Ausgang mit dem Stoppeingang eines Posi­ tionszählers 7 verbunden ist. Sein Startsignal erhält dieser Positionszähler 7 vom Sinus-Cosinus-Generator 5, der ein Sig­ nal abgibt, welches im Positionszähler 9 startet. Zwischen diesem Startimpuls und dem nächstfolgenden von der Erken­ nungsschaltung 6 abgebenden Stoppimpuls zählt dieser Posi­ tionszähler 9 Impulse, die vom Taktgeber 8 übermittelt wer­ den, dessen Frequenz groß ist gegen die Frequenz der Wech­ selströme, die die Statorwicklungen 1 und 2 erregen. Der Zählerstand des Positionszählers 7 ist unmittelbar ein Maß für die Drehwinkelstellung der Rotorwicklung 3.

Die Position der Rotorwicklung, repräsentiert durch den Zählerstand im Ausgabezähler 10, kann mittels einer Ausgabe­ einheit 9 digital oder nach entsprechender Umformung analog angezeigt oder auf andere Weise ausgegeben werden.

Der Stromdetektor 11 ist einerseits mit der Spannungsversor­ gung 12 und andererseits mit einer batteriebetriebenen Schal­ tung verbunden. Stellt der Stromdetektor 11 fest, daß z. B. ein Stromausfall eingetreten ist, so gibt er mit einem Steuerimpuls die Schaltung frei. Die Schaltung weist eine Batterie 12 auf, welche zur Spannungsversorgung vorgesehen ist. Die Schaltung weist einen Speicher 13 auf, in den der letzte Stand des Positionszählers 7 vor einem Stromausfall übertragen wird.

Ein Impulsgeber 14, welcher von der Batterie 12 gespeist wird, führt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Ro­ torwicklung 3 Gleichspannungsimpulse zu.

An den Statorwicklungen 1 und 2 werden die Antwortsignale ab­ genommen und einer Auswerteschaltung 15 zugeführt und ausge­ wertet. Die effektive Zahl der Rotorumdrehungen wird nicht flüchtig mit einer Auflösung von 90° in einem Zähler 16 ge­ speichert.

Ist der Stromausfall beendet, so kann die aktuelle Position des Rotors über die Ausgabeeinheit 9 angezeigt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Bestimmen der Drehwinkelstellung einer drehbar gelagerten elektrischen Rotorwick­ lung durch Einspeisen von in der Phase um π/2 gegeneinander verschobenen sinusförmigen Wechselströmen in zwei gleiche, unter einem rechten Winkel gekreuzte Statorwicklungen, um ein mag­ netisches Drehfeld am Ort der Rotorwicklung zu erzeugen, dessen Feld­ stärkevektor mit einer Geschwindigkeit rotiert, welche groß gegen die Drehgeschwindigkeit der Rotorwicklung ist, und Messen der Zeitspanne zwischen dem Durchlauf des Feldstärke­ vektors durch eine vorgegebene Winkellage und dem nächsten positiven oder negativen Nulldurchgang des infolge magneti­ scher Induktion in der Rotorwicklung fließenden elektrischen Wechselstroms, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ausbleiben der sinus-cosinus-Erregung der Sta­ torwicklungen (1, 2) infolge eines Stromausfalls wenigstens eine der Statorwicklungen (1, 2) oder die Rotorwick­ lung (3) mit Gleichstromimpulsen aus einer batteriebetriebe­ nen Gleichstromquelle (12) gespeist wird und das Antwortsig­ nal in der Rotorwicklung (3) oder in den Statorwicklungen (1, 2) beobachtet und nach dem zeitlichen Verlauf der Vor­ zeichen und nach der Amplitude ausgewertet wird und die Nulldurchgänge gezählt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Erregung der Rotorwicklung (3) über die Statorwicklungen (1, 2) diesen zwei zeitlich versetzte Gleich­ stromimpulse zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zählpunkt der Drehbewegung bei Stromausfall um 180° gegen den Zählpunkt bei vorhandener Stromversorgung ver­ setzt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählpunkt der Übergang zwischen zwei benach­ barten Quadranten ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang aus einem Vergleich der ersten Prüf­ messung nach dem Stromausfall und der letzten gültigen In­ formation über den Quadranten vor dem Stromausfall ermittelt wird.

6. Schaltungsanordnung zum Bestimmen der Drehwinkelstel­ lung einer drehbar gelagerten elektrischen Rotorwicklung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Taktgeber (8), mit zwei gleichen, sich unter einem rechten Winkel kreuzenden Statorwicklungen (1, 2), welche zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes mit ei­ nem Sinus-Cosinus-Generator (5) verbunden sind, mit einer ersten Erkennungsschaltung (17) für den Nulldurchgang des sinus-cosinus-förmigen Wechselstroms und mit einer zweiten Erkennungsschaltung (6) für den Nulldurchgang der in der Rotorwicklung (3) induzierten Wechselspannung, und mit einem Positionszähler (7), welcher durch ein beim Nulldurchgang auftretendes Ausgangssignal der ersten Erkennungsschaltung (17) gestartet und durch ein beim Nulldurchgang auftretendes Erkennungssig­ nal der zweiten Erkennungsschaltung (6) gestoppt wird, wo­ bei dem Positionszähler (7) die Impulse des Taktgebers (8) als Zählimpulse zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ausbleiben der sinus-cosinus-Erregung der Statorwicklungen (1, 2) infolge eines Stromausfalls ein Stromdetektor (1, 2) eine bat- teriebetriebene Schaltung freigibt mit einem Speicher (13), in dem der letzte Stand des Positionszählers (7) gespeichert wird, mit einem Impulsgeber (14), welcher der Rotorwicklung (3) oder den Statorwicklungen (1, 2) Gleichspannungsimpulse zu­ führt, mit einer Auswerteschaltung, der die Antwortsignale von den Statorwicklungen (1, 2) bzw. der Rotorwicklung (3) zur Auswertung zugeführt werden und mit einem mit der Auswerteschal­ tung (15) verbundenen Zähler (16), in dem die effektive Zahl der Rotorumdrehungen nichtflüchtig gespeichert wird.