DE4040932A1 - Winkelmessvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels einer Welle gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Es sind Meßvorrichtungen zur Bestimmung des Winkels einer Welle bekannt, die mechanisch oder elektromechanisch ar­ beiten. Mechanische Vorrichtungen setzen den erfaßten Win­ kel der Welle direkt in eine Anzeige um. Diese Vorrich­ tungen haben den Nachteil, daß eine mechanische Abtastung des zu messenden Elementes erfolgt und die direkte Um­ setzung von der erfaßten Größe in einem Meßwert grob und ungenau ist. Durch die bei der Abtastung auftretende Rück­ wirkung auf die Wellen zum Beispiel durch große Reibwerte ist eine Beeinflussung der zu messenden Größe gegeben.

Elektrische Vorrichtungen nehmen den Meßwert induktiv oder kapazitiv auf und wandeln diesen in eine elektrische Größe um. Bekannte Meßvorrichtungen zur Bestimmung des Winkels einer Welle oder eines rotierenden Elementes sind ungenau und weisen einen engen Temperaturarbeitsbereich auf. Ge­ naue Meßvorrichtungen sind nachteiligerweise kosteninten­ siv.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meß­ vorrichtung zur Bestimmung des Winkels einer Welle bereit­ zustellen, die berührungslos arbeitet, eine hohe Meßgenau­ igkeit und einen weiten Temperaturarbeitsbereich aufweist.

Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gelöst, wobei das Spulensystem zwei gegenüberliegende Spu­ len aufweist und ein in der Mitte zwischen den beiden ge­ genüberliegenden Spulen an der Welle befestigter Kern be­ wegbar ist. Dies hat den Vorteil, daß die Meßwerterfassung berührungslos nach dem Wirbelstromverfahren erfolgt und die Vorrichtung einen weiten Temperaturarbeitsbereich auf­ weist.

In Weiterbildung der Erfindung weisen die beiden Spulen E-förmig ausgebildete Kerne (E-Kerne) auf, wobei auf jedem E-Kern zwei Wicklungen angeordnet sind. Dies hat zum Vor­ teil, daß dadurch ein symmetrischer Aufbau der Vorrichtung erreicht wird. Aus dem symmetrischen Aufbau der Vorrich­ tung resultiert darüber hinaus eine hohe Meßgenauigkeit.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Wicklungen auf den E-Kernen gegenphasig gewickelt und zu einer induktiven Vollbrücke verschaltet. Diese Wicklungsart hat zum Vor­ teil, daß sich die Impedanz der Kerne reduziert, was zu einem erhöhten Erregerstrom in den Brückenzweigen führt. Durch die Wicklung und die gegenläufige Bewegung des Meß­ mittels (Gegentaktverfahren) hat ein Axialspiel der Welle kaum Einfluß auf das Ausgangssignal der induktiven Voll­ brücke. Die Verschaltung der gegenüberliegenden Spulen zur induktiven Vollbrücke führt dazu, daß diese durch den an der Welle befestigten Kern und die durch diesen Kern her­ vorgerufenen Wirbelströme verstimmt wird.

Jeweils ein E-Kern mit den darauf angeordneten Wicklungen bildet einen Brückenzweig. Da die beiden Wicklungen auf jedem E-Kern gegenphasig gewickelt sind, führen sie zu einer Feldaddition im mittleren Schenkel der E-Kerne und es ergibt sich eine in der Zeichnungsbeschreibung darge­ stellte Winkel- Spannungscharakteristik.

In Weiterbildung der Erfindung ist die induktive Voll­ brücke an einer Brückendiagonalen mit einer Speisespannung versorgbar, während an der anderen Brückendiagonalen eine Brückenspannung abgreifbar ist. Die Brückeninduktivitäten werden dabei von einem Schwingungserzeuger (z. B. Gegen­ taktoszillator) gespeist. Entsprechend der Position des Kerns zwischen den gegenüberliegenden Spulen wird die in­ duktive Vollbrücke verstimmt. Die Brückenspannung (Ver­ stimmungsspannung) wird von einem Vorverstärker verstärkt und anschließend phasenrichtig gleichgerichtet (Demodula­ tor). Diese Anordnung hat zum Vorteil, daß die Spannung des Demodulators proportional zu der Stellung des Kerns zwischen den gegenüberliegenden Spulen ist und somit ein sehr genaues Maß für den Drehwinkel darstellt. Ist eine Verbindung der Vorrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels nicht direkt mit der Welle möglich, kann der Kern auf einer Meßwelle befestigt werden, die mit der Welle gekop­ pelt ist. Dies hat zum Vorteil, daß die Vorrichtung durch konstruktive Maßnahmen (Meßwelle) günstiger (z. B. platz- und raumsparend) untergebracht werden kann.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Kern als Taumel­ scheibe ausgebildet, die zur Welle oder der Meßwelle ge­ neigt ist und in dem Raum zwischen den gegenüberliegenden Spulen angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung des Kerns als Taumelscheibe können auch bei geringem Platzbedarf große Drehwinkel erfaßt werden. Durch die symmetrische An­ ordnung der Taumelscheibe oder der Wicklungen wird auch der weite Temperaturarbeitsbereich sichergestellt, da die Vorrichtung eine geringe thermische Drift aufweist. Mit­ tels der Neigung der Taumelscheibe zur Welle läßt sich eine vorgebbare Winkel- Spannungscharakteristik einstellen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kern als Scheibe ausgebildet und in der Längsebene der gegen­ überliegenden Spulen angeordnet. Damit ist eine Realisie­ rung der Vorrichtung für kleine Drehwinkel und eine kon­ struktive Anpassung auf den Meßbereich möglich. Zur Si­ cherstellung der Funktionsweise und zur weiteren Reduzie­ rung des Platzbedarfes der Vorrichtung ist die Taumel­ scheibe oder die Scheibe seitlich abgeflacht. Ebenso sind andere dreidimensionale geometrische Ausgestaltung der Taumelscheibe, bzw. der Scheibe und zur Gewichtsersparnis Ausnehmungen in der Taumelscheibe oder der Scheibe denkbar.

In Weiterbildung der Erfindung weist das Spulensystem zu­ mindest zwei Spulenpaare auf, wobei ein Spulenpaar aus zwei gegenüberliegenden Spulen besteht. Dadurch ist eine Richtungserkennung und eine Drehzahlzählung (Umdrehungs­ zählung) des Kerns bzw. der Scheibe möglich, so daß nicht nur kleine Winkelbereiche, sondern auch Winkeländerungen über große Bereiche hinweg meßbar sind.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Spulen der Spulenpaare im rechten Winkel zueinander um den an der Welle befestigten Kern angeordnet. Aufgrund der er­ findungsgemäßen Vorrichtung und der symmetrischen Anord­ nung der beiden gegenüberliegenden Spulenpaare stellt die Ausgangsspannung des ersten Spulenpaares den Sinus des Winkels und die Ausgangsspannung des zweiten Spulenpaares den Cosinus des Winkels der Welle dar. Mit einer geeigne­ ten Auswerteinheit, der die Brückenspannung bzw. die Aus­ gangsspannung der beiden Spulenpaare zugeführt wird, ist neben der Drehwinkelerfassung eine Richtungserkennung und eine Zählung der Umdrehungen der Welle möglich. Eine Rich­ tungserkennung kann beispielsweise dadurch realisiert wer­ den, daß die Änderung der Differenz der beiden Ausgangs­ spannungen ausgewertet wird. Eine Zählung der Umdrehungen ist beispielsweise durch Erfassen der Nulldurchgänge (Wen­ depunkte der Ausgangsspannungen) oder der Maxima bezie­ hungsweise Minima möglich. Eine Richtungserkennung erfolgt durch eine Flanken- und Polaritätsauswertung der Ausgangs­ spannungen. Die Positionsbestimmung der Scheibe oder der Taumelscheibe erfolgt durch eine vektorielle Addition der Ausgangsspannungen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen angegeben.

Es zeigen:

Fig. 1 Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 3 Seitenansicht einer Taumelscheibe,

Fig. 4 eine elektrische Verschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 5 eine Auswerteinrichtung für die erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 6 eine Winkel-Spannungscharakteristik,

Fig. 7 eine erfindungsgemäße Vorrichtung für kleine Winkel (Querschnitt),

Fig. 8 eine erfindungsgemäße Vorrichtung für kleine Winkel (Seitenansicht),

Fig. 9 Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei symmetrisch angeordneten Seitenpaaren,

Fig. 10 eine Auswerteinrichtung für die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei symmetrisch angeordneten Spu­ lenpaaren,

Fig. 11 Kurvenverlauf der Ausgangsspannungen.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, die eine Welle 1 mit einer möglichen Dreh­ richtung 2 aufweist. Auf der Welle 1 befindet sich eine geneigte Taumelscheibe 3, die zur erhöhten Festigkeit mit einer Hülse 4 versehen ist. Je nach Ausgestaltung der Hül­ se 4 kann diese zur Verstimmung der induktiven Vollbrücke beitragen. Weiterhin vorhanden sind gegenüberliegende Spu­ len 5, die aus E-Kernen 6 bestehen. Auf den Schenkeln der E-Kerne 6 sind Wicklungen 7 bis 10 der induktiven Voll­ brücke angeordnet.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vor­ richtung, wobei in dieser Fig. 2 die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 gelten.

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht der Taumelscheibe 3. In dieser Figur ist die Neigung der Taumelscheibe 3 zur Welle 1 sichtbar.

Fig. 4 zeigt eine elektrische Verschaltung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung. Die sich auf den E-Kernen 6 der Spu­ len 5 befindenden Wicklungen 7 bis 10 sind zu einer induk­ tiven Vollbrücke verschaltet, wobei ein Brückenzweig von einer Speisespannung 11 versorgt ist, während an einem zweiten Brückenzweig eine Brückenspannung 12 abgegriffen wird. Die Verstimmung der induktiven Vollbrücke erfolgt durch Drehung der Meßwelle 1 und somit durch Verdrehung der Taumelscheibe 3.

Zur späteren Erläuterung der Fig. 6 sind in dieser Fig. 4 drei charakteristische Stellungen der Taumelscheibe 3 an­ gegeben. In einer Position 3.1 befindet sich die Taumel­ scheibe 3 beispielsweise in einer Ausgangsstellung. Nach einer Verdrehung der Welle 1 befindet sich die Taumel­ scheibe in einer Position 3.2 und erreicht nach einer wei­ teren Drehung der Welle 1 eine zweite Anschlagstellung 3.3. Je nach konstruktiver Auslegung der Taumelscheibe 3 (Neigung zur Welle 1) können beliebige Drehwinkel der Wel­ le 1 erfaßt werden. Durch eine besondere konstruktive Aus­ gestaltung der Taumelscheibe 3 sind aber auch bestimmte Winkelkombinationen denkbar. So kann die Positon 3.1 einem Stellwinkel von 0° entsprechen, während das Durchlaufen der Position 3.2 einem Winkel von 90° und das Erreichen der Position 3.3 einem Winkel von 180° entspricht. Darü­ ber hinaus kann die Spitze der Taumelscheibe 3 auch über das Ende des E-Kernes 6 herausragen.

Fig. 5 zeigt eine Auswerteinrichtung für die erfindungsge­ mäße Vorrichtung. Ein Brückenzweig der induktiven Voll­ brücke wird von einem Schwingungserzeuger 13 (Gegentakt­ oszillator) mit der Speisespannung 11 versorgt. An den zweiten Brückenzweig der induktiven Vollbrücke wird die Brückenspannung 12 abgegriffen und von einem Vorverstärker 14 verstärkt. Die vorverstärkte Brückenspannung 12 geht von dem Vorverstärker 14 in einen Demodulator 15, der eine Ausgangsspannung 17 liefert und über eine Verbindungslei­ tung 16 mit dem Schwingungserzeuger 13 verbunden ist. Die von dem Demodulator 15 gelieferte Ausgangsspannung 17 ist somit eine Funktion des Winkels. Durch diese phasenrichti­ ge Gleichrichtung ergibt sich eine Winkel-Spannungscharak­ teristik gemäß der folgenden Fig. 6.

Fig. 6 zeigt eine Winkel-Spannungscharakteristik der er­ findungsgemäßen Vorrichtung, die sich aus der in Fig. 5 vorgestellten Auswerteinrichtung ergibt. Die größte Aus­ lenkung der Taumelscheibe 3 (Position 3.1) entspricht einer größten positiven Ausgangsspannung 17 und in Posi­ tion 3.3 einer größten negativen Ausgangsspannung. Mit der in Fig. 5 gezeigten Auswerteinrichtung ergibt sich beim Durchlaufen der Position 3.2 ein Phasensprung der Aus­ gangsspannung. In diesem Bereich des Phasensprunges ist neben der höchsten Genauigkeit und der geringsten thermi­ schen Drift auch eine Linearität gegeben. Die Ausgangs­ spannungen in Position 3.1 und 3.3 können selbstverständ­ lich auch entgegengesetzte Vorzeichen zu den beschriebenen Vorzeichen haben. Je nach konstruktiver Ausgestaltung des Kerns (Taumelscheibe 3) und/oder der Hülse 4 oder je nach Wicklungsart oder in Abhängigkeit der verwendeten Mate­ rialien sind auch nicht-lineare Kurvenverläufe bezogen auf den Drehwinkel möglich. Die Positionen 3.1 sowie 3.3 kön­ nen auch im Maximum beziehungsweise Minimum der Kurve lie­ gen. Dieser Fall ist in Fig. 6 mit der punktierten Kurve wiedergegeben.

Fig. 7 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung für kleine Drehwinkel. Die Scheibe 18 ist an den Seiten abgeflacht und befindet sich in der Längsebene zwischen den beiden gegenüberliegenden Spulen 5. Auch in dieser Ausgestaltung der Erfindung befinden sich die Wicklungen 7 bis 10 auf den E-Kernen 6 der beiden gegenüberliegenden Spulen 5. Die Scheibe 18 weist wieder die Drehrichtung 2 auf und kann zwischen den gezeigten Positionen 18.1 bis 18.3 verdreht werden. Eine weitere Verdrehung der Scheibe 18 über die gezeigten Endstellungen 18.1 und 18.3 ist ebenfalls mög­ lich. Auch eine Rotation der Scheibe 18 ist ebenso wie in der Ausgestaltung in Fig. 1 denkbar, wobei dann eine Aus­ wertung der Drehungen (bspw. mittels einer Zählschaltung und einer Drehrichtungserkennung) erfolgen muß, um eine der Anzahl der Drehungen entsprechende Winkelerfassung zu gewährleisten.

Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vor­ richtung für kleine Drehwinkel, bei der die Scheibe 18 in einen rechten Winkel zur Welle 1 angeordnet ist, die sich zwischen den beiden gegenüberliegenden Spulen mit den E-Kernen 6 befinden.

Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vor­ richtung mit zwei symmetrisch angeordneten Spulenpaaren. Zusätzlich zu den in Fig. 2 gezeigten Spulen 5, die gegen­ überliegend angeordnet sind, sind im rechten Winkel zu diesen beiden Spulen 5 zwei weitere Spulen 5′ angeordnet. Auch diese beiden Spulen 5′ weisen E-förmig ausgebildete Kerne 6′ auf, auf denen Wicklungen 7′, 8′ und 9′, 10′ an­ geordnet sind, wie dies analog in Fig. 1 gezeigt ist.

Fig. 10 zeigt eine Auswerteinrichtung für die erfindungsge­ mäße Vorrichtung mit zwei symmetrisch angeordneten Spulen­ paaren. In Fig. 10 ist die in Fig. 5 gezeigte Auswertein­ richtung quasi doppelt vorhanden. Von den ebenfalls zur induktiven Vollbrücke geschalteten Wicklungen 7′ bis 10 wird eine Brückspannung 12′ geliefert. Diese Brückenspan­ nung 12′ gelangt über einen Verstärker 14′ zu einem Demo­ dulator 15′, der wie der Demodulator 15 über die Verbin­ dungsleitung 16 mit dem Generator 13 verschaltet ist. Der Demodulator 15′ liefert eine Ausgangsspannung 17′, die ein Maß für die Winkelstellung der Welle ist. Durch entspre­ chende Auswertung der Ausgangsspannungen 17 und 17′ (beispielsweise durch Flanken- und Polaritätsauswertung der beiden Ausgangsspannungen), die von einer nicht ge­ zeigten Auswerteinheit vorgenommen werden kann, ist eine Richtungserkennung und Zählung möglich. Durch die symme­ trische Anordnung der beiden gegenüberliegenden Spulenpaa­ re (6 und 6′) ist gewährleistet, daß die Ausgangsspannung 17 dem Sinus der Position der Welle und die Ausgangsspan­ nung 17′ dem Kosinus der Position der Welle entspricht.

Ein möglicher Kurvenverlauf der beiden Ausgangsspannungen 17 und 17′ ist in Fig. 11 wiedergegeben.

Es gilt bei symmetrischer Anordnung der Spulenpaare (6 und 6′) im rechten Winkel zueinander folgende Beziehung:
U_A1(17)=f(sin (Winkel)),
U_A1(17′)=f(cos (Winkel)).

In Fig. 11 ist der Winkel im Bogenmaß auf der x-Achse auf­ getragen und die beiden Ausgangsspannungen 17 und 17′ als Funktion des Winkels auf der y-Achse wiedergegeben.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels einer Welle (1), wobei der Drehwinkel mit einem Spulensystem er­ mittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem zumindest zwei gegenüberliegende Spulen (5) aufweist und daß in der Mitte zwischen den beiden gegenüberliegenden Spulen (5) ein an der Welle (1) befestigter Kern bewegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen (5) E-förmig ausgebildete Kerne (6) (E-Kerne) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem E-Kern (6) zumindest zwei Wicklungen (7, 8) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (7, 8, 9, 10) auf den E-Kernen (6) gegenphasig gewickelt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei gegenüberlie­ gende Spulen (5) als induktive Vollbrücke verschaltet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Vollbrücke an einem Brückenzweig mit einer Speisespannung (11) versorg­ bar ist und an einem weiteren Brückenzweig eine Brücken­ spannung (12) abgreifbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern auf einer Meßwelle befestigt ist, die mit der Welle (1) gekoppelt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern als Taumelscheibe (3) ausgebildet ist, die zur Welle (1) oder der Meßwelle ge­ neigt ist und in dem Raum zwischen den gegenüberliegenden Spulen (5) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern als Scheibe (18) aus­ gebildet ist und in der Längsebene der gegenüberliegenden Spulen (5) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelscheibe (3) oder die Scheibe (18) seitlich abgeflacht sind und daß die Taumel­ scheibe (3) und die Hülse (4) aus einem Stück, beispiels­ weise als Drehteil, fertigbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem zumindest zwei Spulenpaare aufweist, wobei ein Spulenpaar aus zwei gegenüberliegenden Spulen (5) besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (5) der Spulenpaare im rechten Winkel zueinander um den an der Welle (1) be­ festigten Kern angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenspannungen (12, 12′) oder die Ausgangsspannungen (17, 17′) der beiden Spu­ lenpaare einer Auswerteinheit zuführbar sind.