DE4428790C1 - Vorrichtung zur bidirektionalen Informationsübertragung - Google Patents

Description

Vorrichtung zur bidirektionalen Informationsübertragung bei Systemen mit mindestens einer rotierenden Einheit, beispielsweise von einem Rotor auf einen Stator.

Zur Informationsübertragung beispielsweise von und auf Wellen sind mechanische Verfahren wie Schleifring­ verfahren, Quecksilberbad- und Telemetrieverfahren be­ kannt.

Bei derartigen Verfahren besteht das Problem einer be­ grenzten Übertragungsqualität und -quantität. Insbeson­ dere bei mechanischen Systemen sind Verschleiß und Übertragungsungenauigkeit aufgrund von Potentialschwan­ kungen problematisch. Diese sind bei Verwendung von Quecksilberzellen zwar geringer, doch ist diesen der Nachteil eines hohen Wartungsaufwandes aufgrund von zeitlichen Veränderungen des Quecksilberbades durch Verschmutzungen und Amalgambildung zu eigen.

Ein besonderes Problem stellt bei bekannten Übertra­ gungssystemen die systemtypische Bindung der Energie­ versorgung an das Massepotential und die Versorgungs­ spannung dar, da die Übertragung durch natürlich auf­ tretende Potentialschwankungen beeinträchtigt werden kann. Die Störungen werden zudem durch die übliche ana­ loge Signalübertragung noch verstärkt. Dadurch kann es bei der Übertragung zu einer Verfälschung der Informa­ tion kommen. Der hohe Verschleiß führt zu hohem War­ tungsaufwand aller mechanischen Übertragungssysteme.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 40 34 578 A1 beschreibt demgegenüber einen Drehübertrager, der die Nachteile der mechanischen und Quecksilber-Übertragungssysteme vermeidet. Dieser besteht aus einem Stator und einem Rotor. Der Stator besitzt eine Schnittstelle für ein digitales Steuersignal, eine Schnittstelle für eine Energieübertragung auf den Rotor und eine Schnittstelle für die eingehenden Signale vom Rotor, während der Ro­ tor Bausteine für die Verarbeitung der Meßsignale, die Verarbeitung der Steuersignale sowie eine Speisespan­ nungsaufbereitung besitzt. Die Energie für die Bau­ steine des Rotors wird mittels eines Schalenkerntrans­ formators übertragen, dessen Primärwicklung im Stator angeordnet ist, mithin feststeht, während sich die Se­ kundärwicklung im Rotor befindet und die beiden Wick­ lungen so angeordnet sind, daß sich eine induktive Energieversorgung des Rotors bzw. seiner Bausteine er­ gibt.

Zur optischen Übertragung der vom Rotor ausgehenden In­ formationen befindet sich auf der Rotationsachse des Rotors an der Schnittstelle zum Stator eine Sendediode und auf der Verlängerung dieser Achse im Stator eine der Sendediode zugewandte Empfängerdiode. Aufgrund des Verlaufs der Übertragungsstrecke auf der Rotationsachse lassen sich die von der Rotordiode ausgehenden Signale störungsfrei und durchgehend übertragen. Der Rotor be­ nötigt jedoch für die Steuerung seiner Bausteine ein Steuersignal, das vom Stator auf den Rotor übertragen werden muß. Da eine Übertragung auf der Rotationsachse, die bereits besetzt ist, ausscheidet, ist für eine an­ dere Übertragungsstrecke ein hoher Konstruktionsaufwand erforderlich.

Die Offenlegungsschrift schlägt für die Übertragung der Steuerinformation vom Stator zum Rotor eine zentrale rotorfeste Empfängerdiode mit einem statorseitig umlau­ fenden Ring äquidistant verteilter Sendedioden vor.

Die für die Überdeckung der Lichtsignale bei einer Um­ drehung notwendige Zahl von zwölf Sendedioden befindet sich in dem die rotorseitige Empfängerdiode umgebenden Statorring. Die Informationsübertragung mittels drei­ zehn Dioden (zwölf Sender; ein Empfänger) zwischen Ro­ tor und Stator erfordert einen hohen konstruktiven Auf­ wand. Die Übertragungsstrecke, die auf der Drehachse liegt und eine einfache direkte Übertragung mit einem Sender und einem Empfänger ermöglicht, ist bereits durch den Sender des Rotors und den Empfänger des Sta­ tors besetzt. Neben dem Nachteil der hohen Anzahl von Sendedioden und dem zusätzlichen Herstellungsaufwand des Diodenträgers ist die übertragbare Datenmenge prin­ zipiell auf ca. zwei Mbit/S begrenzt. Dies resultiert daraus, daß zwischen dem Sendediodenkranz und der Emp­ fangsdiode aufgrund dem Rotation der Empfängerdiode keine durchgehende, sondern eine räumlich amplitudenmo­ dulierte Signalstrecke aufgebaut wird.

Die Deutsche Offenlegungsschrift DE 31 40 978 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum kontaktlosen Signalübertragen zwischen feststehenden und rotierenden Bauteilen mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, die eine kontinuierliche Signalübertragung durch exzentrisch zur Rotationsachse angeordnete Lichtsender und über ein Bündel von Lichtfasern beeinflußte Lichtempfänger er­ möglicht. Dabei werden die Lichtfasern die zu einem Bündel zusammenlaufen, von den vom Lichtsender abge­ strahlten Lichtsignalen überstrichen und leiten dem Lichtempfänger die Lichtsignale zu.

Diese Vorrichtung erfordert eine aufwendige und teure Konstruktion von Lichtfaserringen und ist zudem anfällig gegen mechanische Einflüsse, die bei den empfindlichen Lichtfasern zur Funktionsunfähigkeit oder zur Zerstörung führen können.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrich­ tung zur Informationsübertragung von und auf rotierende Systeme zu schaffen, die die Nachteile der mechani­ schen, berührenden und der Funkübertragung vermeidet, die Vorteile einer optischen direkten Signalübertragung für beide Übertragungsrichtungen ausnutzt, somit eine wesentlich höhere Datenmenge übertragen kann und der ein geringer Herstellungsaufwand zu eigen ist.

Der Lösung der Aufgabe liegt das Prinzip zugrunde, so­ wohl den Empfänger der rotierenden Einheit als auch den Empfänger der nicht rotierenden Einheit auf der Rotati­ onsachse bzw. deren Verlängerung zu positionieren und die jeweiligen Sender mit einem in bezug auf die Rota­ tionsachse geneigten, auf den gegenüberliegenden Emp­ fänger gerichteten Sendestrahl im Bereich der Rotati­ onsachse anzuordnen.

Die auf der Rotationsachse befindlichen Empfänger der in bezug aufeinander rotierenden Systeme liegen sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber. Im Ge­ gensatz zu herkömmlichen Übertragungssystemen kommt es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung direkt auf der Rotationsachse zu keinem Aufbau einer Übertragungs­ strecke.

Die Signale werden von jeweils einem oder mehreren Sen­ dern auf den ihnen gegenüberliegenden Empfänger über­ tragen. Diese Übertragung ist in zwei Richtungen mög­ lich, da gegenüber den bekannten Systemen der zentralen Übertragung die Rotationsachse, wie oben beschrieben, nicht belegt ist. Erfindungsgemäß besitzen die Sender einen in bezug auf die Rotationsachse geneigten Sende­ strahl, der auf den gegenüberliegenden Empfänger ausge­ richtet ist.

Die Sender können im direkten Bereich des Empfängers angeordnet sein, so daß der Öffnungswinkel des ihnen gegenüberliegenden Empfängers gering bleibt.

Vorzugsweise sind die Empfänger und Sender mit Pulscodemodulatoren verbunden, die eine Codierung der Sendesignale ermöglichen.

Besonders vorteilhaft läßt sich das Übertragungssystem bei optischen Drehübertragern für rotierende Meß- und Informationssysteme einsetzen. Dabei kann die gesamte Vorrichtung bei dem oben beschriebenen Übertrager in­ nerhalb des Transformatorrings untergebracht sein. Es erübrigt sich somit ein aufwendiger Diodenkranz für die Übertragung von Signalen auf den Rotor. Des weiteren bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß die übertragbare Datenmenge in beiden Richtungen gleich ist und weit über den herkömmlichen Systemen liegt. Außerdem findet die Datenübertragung in beiden Richtungen gleichzeitig und kontinuierlich statt. Zudem ist ein problemloses Auswechseln aufgrund der einfachen Bauweise der Sende- und Empfangseinheiten möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des nähe­ ren erläutert. Die Zeichnung zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen exzentrischen Informationsüber­ trager.

Die Informationsübertragung findet an der Schnittstelle eines Rotors 1 mit einem Stator 2 im Bereich der Ro­ torachse 6 statt. Der Übertrager befindet sich im Zen­ trum 9 eines Schalenkerntransformators 3. Ein Empfänger 4 des Stators 2 und ein Empfänger 5 des Rotors 1 sind einander gegenüberliegend auf der Rotorachse 6 angeord­ net. Außerhalb der Rotorachse 6 befinden sich exzen­ trisch zur Rotationsachse im Bereich einer Statoremp­ fängerdiode 4 eine Statorsendediode 7 und im Bereich der Rotorempfangsdiode 5 eine Rotorsendediode 8. Die Sendedioden 7, 8 sind in ihrem Winkel so geneigt, daß das optische Signal der Sender auf die jeweils diesem gegenüberliegende, auf der Rotationsachse 6 liegende Empfangsdiode 4, 5 ausgerichtet ist. Die Empfangsdioden 4, 5 besitzen einen für den Empfang der Signale der ex­ zentrisch angeordneten Sendedioden ausreichenden Öff­ nungswinkel. Infolge der exzentrischen Position der Sendedioden 7, 8 führt die Sendediode 8 bei der Rotati­ on des Rotors eine Taumelbewegung aus, während derer der Sendestrahl durchgehend auf die Empfangsdiode 4 des Stators gerichtet bleibt. Gleichzeitig bleibt der Sen­ destrahl der Sendediode 7 des Stators ständig auf die sich drehende Empfangsdiode 5 des Rotors ausgerichtet. Innerhalb des geschützten Zentrums 9 des Schalenkern­ transformators 3 kann die optische Informationsüber­ mittlung problemlos und störungsfrei ablaufen. Durch Pulscodemodulation über Pulscodemodulatorbausteine 10, 11, 12, 13, die mit den Sendedioden 7, 8 und mit den Empfangsdioden 4, 5 verbunden sind, werden die Ein- und Ausgangssignale für eine optimale Übertragung codiert.

Durch diese Konstruktion läßt sich eine hohe bidirek­ tionale Datenübertragungsrate erreichen, gleichzeitig wird der Konstruktionsaufwand auf ein Minimum redu­ ziert.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur bidirektionalen Informationsüber­ tragung mit jeweils mindestens

• - einem rotierenden Bauteil (1),
• - einem weiteren Bauteil (2),
• - jeweils auf den Bauteilen (1, 2) einander auf der Rotationsachse gruppenweise gegenüberliegen­ den optischen Empfängern (4, 5),
• - exzentrisch in bezug auf die Rotationsachse auf den Bauteilen (1, 2) angeordneten optischen Sendern (7, 8), die
• - auf den korrespondierenden Empfänger (4, 5) aus­ gerichtet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sender (7, 8) und Empfänger (4, 5) auf den sich gegenüberliegenden Stirnseiten eines Ro­ tors (1) und eines Stators (2) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Übertragung innerhalb eines Transformators (3) mit gegeneinander verdrehbaren Primär- und Sekundärwicklungen angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Information für die Übertragung pulscodemoduliert wird.