DE4439233A1 - Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Größen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils - Google Patents
Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Größen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden BauteilsInfo
- Publication number
- DE4439233A1 DE4439233A1 DE4439233A DE4439233A DE4439233A1 DE 4439233 A1 DE4439233 A1 DE 4439233A1 DE 4439233 A DE4439233 A DE 4439233A DE 4439233 A DE4439233 A DE 4439233A DE 4439233 A1 DE4439233 A1 DE 4439233A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- signal
- rotational acceleration
- angular position
- circuit
- input
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
- G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
- G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
- G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
- G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
- G01P3/486—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by photo-electric detectors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/003—Kinematic accelerometers, i.e. measuring acceleration in relation to an external reference frame, e.g. Ferratis accelerometers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein Gebersystem zur Ermittlung wenig
stens einer der drei Größen Drehbeschleunigung, Winkelge
schwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils.
Zur Führung einer rotierenden Maschine ist es zweckmäßig, eine
Regelung in Kaskadenstruktur mit einer innersten, unterlager
ten Regelschleife für die Drehbeschleunigung α des Rotors der
Maschine auszuführen. Diese innerste Regelschleife kann dann
auf einfache Weise durch einen überlagerten Regelkreis für die
Winkelgeschwindigkeit ω und die Winkellage ε des Rotors der
Maschine ergänzt werden. Dem Regelsystem müssen dabei die
Zustandgrößen α, ω und ε zugeführt werden. Zumindest dann,
wenn hohe Anforderungen an das Regelsystem gestellt werden,
wie dies beispielsweise bei hochwertigen Positionierantrieben
mit extremer Reaktionsgeschwindigkeit und gleichzeitig hoher
Steifigkeit und Positionierruhe oder bei Antriebssystemen für
die Druckmaschinentechnik der Fall ist, ist es vorteilhaft,
die Drehbeschleunigung α und die Winkellage ε zu messen und
die Winkelgeschwindigkeit ω in einer Streckenbeobachterschal
tung nachzubilden. Der bei diesem bekannten Gebersystem
(Bernhard Schwarz, Beiträge zu reaktionsschnellen und hochge
nauen Drehstrom-Positioniersystemen, Dissertation Universität
Stuttgart, 1986) zur Verfügung stehende Satz von Zustands
größen ermöglicht zwar eine wesentlich bessere Führung einer
Maschine und damit auch eine Verbesserung des Systemverhaltens
beim Auftreten von Störgrößen im Vergleich zu Gebersystemen,
bei denen dem Regelsystem nur die Meßwerte für die Winkellage ε
und die Winkelgeschwindigkeit ω zugeführt werden. Eine opti
male Führung einer Maschine läßt sich aber auch hiermit noch
nicht erreichen.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gebersy
stem der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine noch
weiter verbesserte Führung einer Maschine erreichbar ist. Die
se Aufgabe löst ein Gebersystem mit den Merkmalen des Anspru
ches 1.
Die drehstarre Verbindung der Signalgeber führt dazu, daß die
Übertragungsfunktionen, welche die Meßwerte für die Drehbe
schleunigung und die Winkellage beeinflussen, identisch sind,
und daß somit nicht nur die elektronische Bildung der Meßwerte
für die Drehbeschleunigung, die Winkelgeschwindigkeit sowie
die Winkellage derart erfolgt, daß ein direkt zusammengehöri
ger Satz von Zustandsgrößen entsteht, sondern daß bereits die
meßtechnische Erfassung der Drehbeschleunigung und der Winkel
lage derart erfolgt, daß schon diese Größen einen direkt zu
sammengehörigen Satz darstellen.
Bei bekannten Gebersystemen werden dagegen zwei mechanisch ge
trennte Einzel-Geber, nämlich ein Beschleunigungsgeber für die
Drehbeschleunigung und ein inkrementaler Drehgeber für die
Winkellage der Maschinenwelle verwendet. Diese sind an unter
schiedlichen Stellen mit der Maschinenwelle üblicherweise über
Kupplungen verbunden, welche ebenso wie die Maschinenwelle nie
völlig drehstarr ausgeführt werden können. Bestenfalls ist
einer dieser Einzel-Geber fest auf ein Ende der Maschinenwelle
aufgesteckt, die an diesem Ende dann aber abgestochen ist,
also einen reduzierten Durchmesser und infolgedessen auch eine
verringerte Torsionssteifigkeit aufweist. Die Einzel-Geber
sind daher sowohl mit dem Ort, an dem das beschleunigende oder
verzögernde Moment angreift, als vor allem auch wegen der
Kupplungen und der nicht völlig drehstarren Maschinenwelle,
über welche die Kupplungen miteinander verbunden sind, unter
einander nicht - wie eigentlich erstrebenswert - drehstarr,
sondern vielmehr elastisch verbunden. Der Zusammenhang zwi
schen den Größen, die am Ort der Einzel-Geber gemessen werden,
und den entsprechenden Größen, die an jenem Ort auftreten, an
dem das beschleunigende oder verzögernde Moment tatsächlich
angreift, wird bei herkömmlichen Gebersystemen daher durch
zwei völlig unterschiedliche Übertragungsfunktionen beschrie
ben, die im allgemeinen sehr hohe Ordnungszahlen aufweisen
sowie ausgeprägte Pole und Nullstellen besitzen. Das erfin
dungsgemäße Gebersystem erfaßt hingegen die Drehbeschleunigung
und die Winkellage am selben Ort. Selbst wenn eine drehstarre
Verbindung der mechanischen Einheit mit dem Ort, an dem das
beschleunigende und verzögernde Moment angreift, nicht möglich
sein sollte, sind die Übertragungsfunktionen identisch.
Die beiden Signalgeber können durch unterschiedliche Bereiche
eines einzigen Körpers, beispielsweise die äußere Randzone und
den innerhalb dieser liegenden Bereich einer Scheibe, gebildet
sein. Vielfach wird aber eine mehrteilig ausgebildete mecha
nische Einheit vorteilhafter sein, die vorzugsweise wenigstens
eine zur Rotationsachse des rotierenden Bauteils konzentrische
Scheibe aufweist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform be
steht die mechanische Einheit aus einem Verbund gleichachsig
angeordneter Scheiben mit einer den Signalgeber für die Win
kellage bildenden Scheibe zwischen zwei gleich ausgebildeten
Scheiben, welche den Signalgeber für die Drehbeschleunigung
bilden.
Wenn die Erwärmung des Rotationskörpers der mechanischen Ein
heit durch die in ihm im Betrieb auftretenden Wirbelströme zu
einer störenden Verfälschung des die Drehbeschleunigung kenn
zeichnenden Signales führt, kann man ein Material verwenden,
das einen besonders kleinen Temperaturkoeffizienten hat, bei
spielsweise Manganin oder andere Kupfer-Mangan-Legierungen.
Um mechanischen Deformationen des Rotationskörpers, die auch
zu einer Verfälschung des Drehbeschleunigungssignales führen
können, in einfacher Weise begegnen zu können, kann man, wenn
die mechanische Einheit aus mehreren Scheiben besteht, die der
Winkelpositionserfassung dienende Scheibe zwischen Scheiben
aus elektrisch leitfähigem, nicht magnetischem Material anord
nen. Optimale Verhältnisse erhält man dann, wenn der aus den
Scheiben gebildete Stapel symmetrisch zu seiner Quermitten
ebene ausgebildet ist.
Das von dem Signalerfassungssystem für die Drehbeschleunigung
ausgegebene Signal ist gegenüber der am Ort der Messung tat
sächlich herrschenden Drehbeschleunigung generell zeitlich
verzögert, und zwar gemäß dem Verhalten eines Tiefpasses
erster Ordnung. Diese Zeitverzögerung wirkt sich nachteilig
auf die Nachbildungen der Drehgeschwindigkeit und der Winkel
lage mittels der Streckennachbildung aus, die nachfolgend auch
als Streckenbeobachterschaltung bezeichnet ist. Bei einer be
vorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gebersystems
wird daher die zeitliche Verzögerung des Ausgangssignals des
Signalerfassungssystems für die Drehbeschleunigung gegenüber
der tatsächlichen Drehbeschleunigung zumindest unvollständig
mit Hilfe wenigstens einer Zusatzschaltung der Auswerteschal
tung kompensiert. Bei einer solchen Kompensation liefert das
Gebersystem einen verbesserten Datensatz. Das Ziel, einen ko
härenten Datensatz zu erhalten, also einen Datensatz, für den
gilt, daß die Winkelgeschwindigkeit gleich der zeitlichen Ab
leitung der Winkelposition und die Drehbeschleunigung gleich
der zeitlichen Ableitung der Winkelgeschwindigkeit ist, läßt
sich allerdings nur dann erreichen, wenn dazuhin die erwähnten
Übertragungsfunktionen identisch sind.
Vorzugsweise wird von dieser ersten Zusatzschaltung das vom
Signalerfassungssystem für die Drehbeschleunigung ausgegebene
Signal entsprechend Anspruch 7 gewichtet und in Form einer
Vorwärtskopplung zum Ausgangssignal der ersten Integrations
stufe der Streckenbeobachterschaltung addiert.
Auch mittels einer zweiten Zusatzschaltung in Form einer Beob
achterschaltung gemäß Anspruch 8 kann eine teilweise Kompensa
tion der unvermeidlichen Meßverzögerung bei der Messung der
Drehbeschleunigung erreicht werden. Die Meßverzögerung ist
dann in der Regel vernachlässigbar klein.
Die Auswerteschaltung kann rein digital ausgeführt sein. Vor
teilhaft ist dabei eine serielle Ausgabe der digitalen Werte.
Diese Werte können, was vielfach sehr vorteilhaft ist, über
einen Lichtwellenleiter geführt werden.
Sofern die Verwendung eines Materiales mit kleinem Temperatur
koeffizienten für den Signalgeber für die Drehbeschleunigung
nicht ausreichend sein sollte, um den Temperatureinfluß auf
das Drehbeschleunigungssignal im erforderlichen Umfange zu re
duzieren, oder wenn der Einsatz eines solchen Materials nicht
möglich ist, kann man die Temperaturabhängigkeit des Ausgangs
signals des Signalerfassungssystems für die Drehbeschleunigung
mittels einer Kompensationsschaltung beseitigen, in welcher
das von dem Signalerfassungssystem gelieferte Ausgangssignal
verändert wird. Vorzugsweise wird hierzu das Ausgangssignal in
einer Multipliziereinrichtung mit einem Korrekturfaktor multi
pliziert. Wenn man die temperaturabhängige Meßgliedverstärkung
des Signalerfassungssystems für die Drehbeschleunigung mit v
bezeichnet muß für den Korrekturfaktor die Beziehung gelten
Vorteilhafterweise wird der Eingang der Multipliziereinrich
tung für den Korrekturfaktor an einen Speicher angeschlossen,
in dem die meßtechnisch oder mittels eines thermischen Modells
für den Rotationskörper und seine Umgebung ermittelte Abhän
gigkeit der Meßgliedverstärkung von der Temperatur abgelegt
ist.
Der Korrekturfaktor kann unter Verwendung einer geeigneten
Regelschaltung aus gemessenen und/oder synthetisierten Größen
generiert werden. Beispielsweise kann durch zweifache Diffe
rentiation aus dem Meßwert für die Winkellage ein nachgebilde
ter Meßwert für die Drehbeschleunigung erzeugt werden. Die
Regelschaltung kann dann mit dem Korrekturfaktor als Stell
größe das modifizierte, von der Temperatur unabhängige Drehbe
schleunigungssignal der nachgebildeten Meßgröße nachführen.
Vorteilhafter ist es jedoch, dem Regler die Differenz aus dem
nur einmal differenzierten Meßwert für die Winkellage und dem
einmal integrierten, modifizierten Drehbeschleunigungssignal
zuzuführen.
Im folgenden ist die Erfindung an Hand von in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 das Schaltbild eines idealen Gebersystems mit Strecken
beobachterschaltung,
Fig. 2 das Schaltbild eines realen Gebersystems mit Strecken
beobachterschaltung,
Fig. 3 einen schematisch dargestellen Querschnitt eines ersten
Ausführungsführungsbeispiel des mechanischen Teils des
Gebersystems im montierten Zustand,
Fig. 4 einen Längsschnitt dieses Ausführungsbeispiels,
Fig. 5 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines
zweiten Ausführungsbeispiels des mechanischen Teils des
Gebersystems im montierten Zustand,
Fig. 6 einen schematisch dargestellten Längsschnitt dieses
zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 7 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines
dritten Ausführungsbeispiels des mechanischen Teils des
Gebersystems im montierten Zustand,
Fig. 8 einen schematisch dargestellten Längsschnitt des Aus
führungsbeispiels gemäß Fig. 7,
Fig. 9 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines
vierten Ausführungsbeispiel des mechanischen Teils des
Gebersystems im montierten Zustand,
Fig. 10 eine teils in Längsrichtung geschnitten dargestellte
Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 9,
Fig. 11 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines
fünften Ausführungsbeispiels des mechanischen Teils des
Gebersystems,
Fig. 12 eine teils in Längsrichtung geschnitten dargestellte
Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 11,
Fig. 13 das Blockschaltbild eines Gebersystems mit einer
Streckennachbildung Gebern für die Drehbeschleunigung
und die Winkellage mit einheitlicher Übertragungsfunk
tion,
Fig. 14 eine Blockschaltbild einer verbesserten ersten
Ausführungsform des Gebersystems gemäß Fig. 13,
Fig. 15 eine zu der Schaltung gemäß Fig. 14 äquivalente Schal
tung,
Fig. 16 ein Blockschaltbild einer zweiten, gegenüber der ersten
Ausführungsform verbesserten Ausführungsform des Geber
systems,
Fig. 17 ein Blockschaltbild einer dritten gegenüber der zweiten
Ausführungsform verbesserten Ausführungsform des Geber
systems,
Fig. 18 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer
Auswerteschaltung für die Signale des Signalerfassungs
systems für die Winkellage,
Fig. 19 das Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer
Auswerteschaltung für die Signale des Signalerfassungs
systems die Winkellage.
Fig. 20 eine Draufsicht auf den Signalgeber einer weiteren Aus
führungsform,
Fig. 21 einen Schnitt nach der Linie XXI-XXI der Fig. 20,
Fig. 22 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels mit
Temperaturkompensation,
Fig. 23 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 22
mit einer ersten Ausführungsform der Temperaturkom
pensation,
Fig. 24 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 22
mit einer zweiten Ausführungsform der Temperaturkom
pensation,
Fig. 25 eine schematisch dargestellte Ansicht eines Ausfüh
rungsbeispiels mit einer Temperaturerfassung des Rota
tionskörper der Meßvorrichtung für die Drehbeschleuni
gung,
Fig. 26 einen Schnitt nach der Linie XXVI-XXVI der Fig. 25,
Fig. 27 das Schaltbild des Temperatursensors.
In der elektrischen Antriebstechnik ist es häufig erforder
lich, die Antriebsmaschine zu regeln. Bei der Regelung sehr
hochwertiger Positionierantriebe mit extremer Reaktionsge
schwindigkeit und gleichzeitig hoher Steifigkeit und Positio
nierruhe, aber auch bei anderen Antriebssystemen, beispiels
weise solchen in der Druckmaschinentechnik, setzt die Regelung
eine Erfassung der Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit
und Winkellage der Welle der Antriebsmaschine, gegebenenfalls
auch der Welle der von ihr angetriebenen Arbeitsmaschine,
voraus. Nur dann können vorhandene Elastizitäten, insbesondere
der Verbindung zwischen Antriebsmaschine und Arbeitsmaschine,
die beispielsweise durch Getriebe und Kupplungen bedingt sind,
in hinreichender Weise regelungstechnisch beherrscht werden.
Zur Führung einer Maschine ist es zweckmäßig, eine Regelung in
Kaskadenstruktur mit einer innersten, unterlagerten Regel
schleife für die Drehbeschleunigung α des Maschinenrotors
auszuführen. Diese innerste Schleife kann dann auf einfache
Weise durch überlagerte Regelkreise für die Winkelgeschwindig
keit ω und die Winkellage ε des Maschinenrotors ergänzt wer
den. Diese Art der Regelung setzt voraus, daß dem Regelsystem
ein aus den Zustandsgrößen α, ω und ε bestehender Datensatz
zugeführt wird. Sinnvollerweise werden α und ε gemessen und
einer Streckennachbildung, im folgenden als Streckenbeobach
terschaltung bezeichnet, zugeführt, welche die Größen ωb und
εb liefert.
Wie Fig. 1 zeigt, benötigt eine solche Streckenbeobachter
schaltung 1 eine Streckennachbildung, die im vorliegenden Fall
aus den zwei Integrierern 2 bzw. 3 besteht, welche die Bewe
gungsgleichungen der Maschine gemäß
nachbilden. Ferner sind zwei Korrekturglieder 4 und 5 vorhan
den, welche die stationäre Genauigkeit der beobachteten Signa
le ωb und εb bei Verfälschungen des Meßsignals für die
Drehbeschleunigung α, z. B. durch Verstärkungs- und Offsetfeh
ler, sicherstellen. Diese beiden Korrekturglieder 4 und 5 sind
eingangsseitig an einen Vergleichspunkt 6 angeschlossen, in
dem die gemessene Winkellage ε mit dem Ausgangssignal des
Integrierers 3 verglichen wird. Dem Integrierer 2 wird die
Summe aus der gemessenen Drehbeschleunigung α und dem vom
Korrekturglied 4 gelieferten Korrekturwert zugeführt, dem
Integrierer 3 die Summe aus dem von Integrierer 2 gebildeten
Wert ωb der Winkelgeschwindigkeit und dem vom Korrekturglied
5 gelieferten Korrekturwert. Vorzugsweise wird dem Regelsystem
nicht die gemessene Winkellage ε, sondern die von der Beob
achterschaltung 1 gelieferte Zustandsgröße εb zugeführt.
Anzustreben ist, daß dem Regelsystem ein kohärenter Satz von
Zustandsgrößen zugeführt wird. Der Satz von Zustandsgrößen ist
dann kohärent, wenn die Zustandsgrößen die Gleichungen
erfüllen.
Das in Fig. 1 dargestellte, ideale System liefert einen derar
tigen kohärenten Satz von Zustandsgrößen. Allerdings setzt das
dort zugrundegelegte strukturdynamische Modell voraus, daß die
Zustandsgrößen ε und α dort gemessen werden, wo das die Ma
schine beschleunigende oder verzögernde Moment angreift, so
daß jegliche Elastizität zwischen dem Ort der Messung und dem
Ort, an dem das beschleunigende oder verzögernde Moment an
greift, vermieden ist. Voraussetzung ist hierfür also, mit
anderen Worten ausgedrückt, eine völlig starre Verbindung
zwischen dem Ort der Messung und dem Ort, an dem das Moment
angreift. Beispielsweise müßten bei einer Gleichstrom-Schei
benläufermaschine also α und ε direkt an der Ankerscheibe
gemessen werden, was aber praktisch nicht möglich ist.
Üblicherweise werden zwei separate Geber, nämlich ein Be
schleunigungsgeber für die Drehbeschleunigung und ein inkre
mentaler Drehgeber für die Winkellage der Maschinenwelle mit
dem häufig im Durchmesser reduzierten einen Ende der Maschi
nenwelle direkt oder unter Zwischenschaltung einer Kupplung,
verbunden. Die Orte, an denen die Drehbeschleunigung und die
Winkellage gemessen werden, sind deshalb elastisch mit jenem
Ort verbunden, an dem das beschleunigende oder verzögernde
Moment angreift. In Fig. 2, die ein reales System wiedergibt,
ist diese elastische Verbindung durch je ein Übertragungsglied
8 bzw. 9 berücksichtigt, welche die Übertragungsfunktionen
F GI(p) bzw. F GII(p) kennzeichnen, die unterschiedlich sind.
Hinzu kommt, daß der Beschleunigungsgeber selbst das Verhalten
eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung aufweist, was in Fig. 2
durch ein Übertragungsglied 11 berücksichtigt ist, das dem
Übertragungsglied 8 nachgeordnet ist und an seinem Ausgang das
durch Messung gewonnene Drehbeschleunigungssignal αm liefert.
Im Argument der obigen Übertragungsfunktionen FGI(p) bzw.
FGII(p) ist p die allgemein gebräuchliche komplexe Frequenz
variable der Laplace-Transformation.
Die Auswirkungen der Übertragungsfunktion F GI(p) auf das
Regelsystem sind zwar kritisch, können aber mittels bekannter
regelungstechnischer Maßnahmen (DE 41 15 010 A1) im unterla
gerten Beschleunigungsregelkreis beherrscht werden. Die
Tatsache, daß der Beschleunigungsgeber das Verhalten eines
Verzögerungsgliedes hat und daß die beiden
Übertragungsfunktionen F GI(p) und F GII(p) unterschiedlich
sind, führt jedoch zu schwerwiegenden, bisher nicht
beherrschbaren regelungstechnischen Problemen. Wie die
Erfindung zeigt, können diese Probleme darin gesehen werden,
daß dem Regelsystem nicht ein kohärenter Satz von
Zustandsgrößen zugeführt wird, sondern die nichtkohärenten
Zustandsgrößen αm, ωb, εb, die unterschiedlichen,
miteinander elastisch verkoppelten Systemen entnommen werden.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht deshalb ein Gebersystem vor,
bei dem die Meßvorrichtungen für die beiden grundsätzlich
erfaßten Größen αG und εG drehstarr miteinander verbunden
sind und als eine mechanische Einheit ausgebildet sind, bei
der zwischen den meßtechnisch erfaßten Größen αG und εG die
Beziehung
mathematisch korrekt und stets, also nicht nur statisch und
für kleine Frequenzen, sondern auch dynamisch bis zu einem
sehr hohen Frequenzbereich, erfüllt ist. Zum einen werden
durch die drehstarre Kopplung der beiden Meßvorrichtungen die
den beiden Übertragungsgliedern 8 und 9 zugrundeliegenden
Übertragungsfunktionen identisch. Es gilt dann
F GI(p) = F GII(p) = F G(p).
Außerdem gilt in diesem Falle für die Drehbeschleunigungswerte
und die Winkelpositionswerte
αGI = αGII = αG
ωGI = ωGII = ωG
εGI = εGII = εG.
ωGI = ωGII = ωG
εGI = εGII = εG.
Wie das Blockschaltbild gemäß Fig. 13 zeigt, unterscheidet
sich unter den vorstehend genannten Voraussetzungen das reale
System von dem idealen System, das dem Blockschaltbild gemäß
Fig. 1 zugrundeliegt, im wesentlichen nur durch das Übertra
gungsglied 10 mit der Übertragungsfunktion F G(p), das berück
sichtigt, daß αG und εG nicht direkt dort gemessen werden
können, wo das beschleunigende oder verzögernde Moment an
greift, sowie durch ein Übertragungsglied 11, welches die
unvermeidbare Tatsache berücksichtigt, daß der Beschleuni
gungsgeber selbst das Verhalten eines Verzögerungsgliedes
erster Ordnung aufweist.
Während bei dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 zugrunde
liegenden, idealen Modell die beiden Eingänge der Streckenbe
obachterschaltung 1 mit dem Eingang bzw. dem Ausgang der
mechanischen Teilstrecke 12 verbunden sind, welche durch die
beiden in Reihe geschalteten Integrierer 13 und 14 nachgebil
det ist, die den Zusammenhang zwischen den am Ort des Angrei
fens des Drehmomentes herrschenden Zustandsgrößen α, ω und ε
kennzeichnen, ist bei dem erfindungsgemäßen, dem Blockschalt
bild gemäß Fig. 13 zugrundeliegenden, realen System der
Eingang der Streckenbeobachterschaltung 1 für die Zustands
größe der Drehbeschleunigung mit dem Ausgang des Übertragungs
gliedes 11 und der Eingang für die Zustandsgröße der Winkella
ge mit dem Ausgang derjenigen mechanischen Teilstrecke verbun
den, welche durch die beiden in Reihe geschalteten Integrierer
15 und 16 nachgebildet ist, die den Zusammenhang zwischen den
am Ort der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung herrschenden
Zustandsgrößen αG, ωG und εG kennzeichnen. Zur Ausbildung
der Streckenbeobachterschaltung 1 wird auf die Erläuterungen
verwiesen, die im Zusammenhang mit Fig. 1 gegeben wurden.
Dem Regelsystem werden der Wert der Drehbeschleunigung αm und
die von der Streckenbeobachterschaltung 1 gebildeten Werte für
die Winkelgeschwindigkeit ωb und die Winkellage εb zuge
führt, welche einen Datensatz bilden, der schon eine recht
gute Annäherung an einen kohärenten Datensatz darstellt. Dies
gilt vor allem dann, wenn die Kopplung der Meßvorrichtungen
für die Drehbeschleunigung und die Winkellage nicht nur mit
einander, sondern auch mit dem Ort, an dem das Drehmoment
angreift, so starr ist, daß die Übertragungsfunktion des
Übertragungsgliedes 10 annähernd gleich 1 ist. Dies kann in
der Regel dadurch erreicht werden, daß man die Meßvorrichtun
gen starr mit einem unbelasteten Wellenende der Maschine
koppelt, und zwar vorzugsweise an einer Stelle, an welcher das
Wellenende noch den vollen Wellendurchmesser hat.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer mechanischen Baueinheit
zur Messung der Drehbeschleunigung und der Winkellage einer
Welle 17 ist schematisch in den Fig. 3 und 4 dargestellt.
Diese Einheit weist einen nach dem Ferraris-Prinzip arbeiten
den Beschleunigungsgeber mit einer Meßscheibe 18 als Signal
geber aus elektrisch leitfähigem, aber nicht ferromagnetischem
Material auf. Diese Meßscheibe 18 ist über die drehbare Welle
17 praktisch drehstarr mit dem Rotor der zugehörigen, nicht
dargestellten Maschine verbunden, also dem Ort, an dem das
Drehmoment angreift. Die Meßscheibe 18 wird in ihrer einen
Hälfte in der einen und ihrer anderen Hälfte in der entgegenge
setzten Richtung von einem magnetischen Gleichfeld durchsetzt,
das von einem nicht dargestellten, ortsfesten Magnetsystem
erzeugt wird. Die Symbole (·) und (×) kennzeichnen die eine
und die andere Durchtrittsrichtung des magnetischen Gleichfel
des. Wenn die Meßscheibe 18 zusammen mit der Welle 17 ro
tiert, entstehen in der Meßscheibe 18 Wirbelströme, welche in
sich geschlossenen Strombahnen folgen, die sich um zwei diame
tral bezüglich der Welle 17 angeordnete Zentren bilden, welche
auf der Trennlinie zwischen den beiden in entgegengesetzten
Richtungen vom magnetischen Gleichfeld durchdrungenen Hälften
liegen. Diese Wirbelströme, deren Betrag der Winkelgeschwin
digkeit der Meßscheibe 18 proportional ist, erzeugen ein mit
ihnen verkettetes Magnetfeld. Im Ausführungsbeispiel wird
dieses Magnetfeld mittels je eines Magnetflußleitkörpers 19
aufgenommen, die je einen magnetischen Kreis mit einem einzi
gen Luftspalt bilden, in den die Meßscheibe 18 eingreift. Die
in den Magnetflußleitkörpern 19 geführten magnetischen Flüsse
durchsetzen wenigsten eine, im Ausführungsführungsbeispiel
zwei auf jedem der Magnetflußleitkörper 19 angeordnete Meßspu
len 20. Letztere bilden zusammen mit den Magnetflußleitkörpern
19 das Signalerfassungssystem. Im Ausführungsbeispiel weisen
die Magnetflußleitkörper 19 vier geradlinige, ein Rechteck
definierende Schenkel auf, wobei der eine Schenkel durch den
Luftspalt unterbrochen ist, und die Meßspulen 20 sind auf den
sich gegenüberliegenden Schenkeln angeordnet, welche sich an
den durch den Luftspalt unterbrochenen Schenkeln anschließen.
Die in den Meßspulen 20 induzierten elektrischen Spannungen
sind proportional der Drehbeschleunigung der Meßscheibe. Im
Ausführungsbeispiel sind alle vier Meßspulen 20 in Reihe ge
schaltet, so daß das Drehbeschleunigungssignal gleich der
Summe der in den vier Meßspulen 20 induzierten Spannungen ist.
Damit die Winkellage an der gleichen Stelle wie die Drehbe
schleunigung gemessen wird, ist die Meßscheibe 18, vorzugs
weise längs ihrer äußeren Randzone, mit Markierungen versehen,
welche die von den Markierungen gebildete Ringzone in gleich
große Segmente unterteilt. Im Ausführungsbeispiel handelt es
sich bei den Markierungen um im Wechsel aufeinanderfolgende,
im Bereich des verwendeten Lichtes optisch transparente Fen
ster 21 und lichtundurchlässige oder weniger transparente
Bereiche 21′.
Zur Abtastung dieser Bereiche werden im Ausführungsbeispiel
zwei gegenüberliegend angeordnete Gabellichtschranken 22 ver
wendet, die ein Signalerfassungssystem bilden und je aus einer
Leuchtdiode sowie einem Fototransistor bestehen und in einem
U-förmigen Gehäuse angeordnet sind, zwischen dessen Schenkel
die mit den Markierungen versehene Randzone der Meßscheibe 18
eingreift. Die beiden Gehäuse der Gabellichtschranken 22 wer
den vom einen bzw. anderen Magnetflußleitkörper 19 umgriffen,
mit dem sie zur Bildung einer Baueinheit verbunden sind. Die
Fototransistoren liefern an ihren Ausgängen je ein Signal,
dessen Amplitude vom Grad der Überdeckung der jeweiligen
Lichtschranke mit einer Markierung der Meßscheibe 18 abhängt.
Die Auswertung dieser Signale zur Gewinnung der Zustandsgröße
des Drehwinkels kann entweder rein binär durch Auszählen
von Impulsen oder, weit genauer, unter Berücksichtigung der
stetig vom jeweiligen Überdeckungsgrad abhängigen Signalampli
tuden mit einem speziellen Auswerteverfahren erfolgen.
Im Ausführungsbeispiel sind zur Bildung der transparenten
Fenster 21 in die äußere Randzone der elektrisch leitfähigen,
nicht ferromagnetischen Scheibe 18 eine größere Anzahl von
Öffnungen in Form von radial verlaufenden Schlitzen einge
schnitten. Diese werden vorzugsweise mit Hilfe eines Laser
strahls hergestellt. Sollten das Laserstrahl-Schneidverfahren
oder andere Gründe dies erfordern, so kann die Dicke der Meß
scheibe im Bereich der von den einzuschneidenden Schlitzen ge
bildeten, ringförmigen Randzone deutlich reduziert sein gegen
über der Dicke der Meßscheibe in ihren restlichen Bereichen.
Es ist aber beispielsweise auch möglich, die Meßscheibe 18 aus
einer ersten, elektrisch leitfähigen und nicht ferromagne
tischen Scheibe und einer zu dieser konzentrisch angeordneten
und im Durchmesser größeren zweiten Scheibe aus transparentem
Material zu bilden und beide Scheiben beispielsweise miteinan
der zu verkleben. In der über die erste Scheibe überstehenden
Randzone der zweiten Scheibe können dann fotografisch oder
drucktechnisch lichtundurchlässige Segmente oder Striche auf
gebracht werden, welche die lichtundurchlässigen Bereiche 21′
bilden.
Wie die Fig. 5 und 6 zeigen, kann der Geber für die Winkellage
statt auf dem optischen Prinzip auf dem ebenfalls bekannten
magnetischen Prinzip beruhen. Das in den Fig. 5 und 6 darge
stellte zweite Ausführungsbeispiel einer Baueinheit zur Mes
sung der Drehbeschleunigung und des Drehwinkels einer Welle 23
am gleichen Ort unterscheidet sich deshalb von dem Ausfüh
rungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4 nur dadurch, daß die Meß
scheibe 24, die starr mit der Welle 23 verbunden ist, nur in
nerhalb ihrer äußeren Randzone aus einem elektrisch leitfähi
gen, nicht ferromagnetischen Material besteht. Die äußere
Randzone wird durch einen starr mit dem inneren Teil der Meß
scheibe 24 verbundenen, ferromagnetischen Ring 24′ gebildet,
der, wie Fig. 5 zeigt, radial nach außen ragende, ferromagne
tische Zähne 24′′ bildet. Innerhalb der beiden Magnetflußleit
körper 25, welche wie die Magnetflußleitkörper 19 ausgebildet
und angeordnet sind und je zwei Meßspulen 26 tragen, ist je
ein Magnetfeldfühler 27 angeordnet. Diese erzeugen elektrische
Impulse, wenn die Meßscheibe 24 rotiert. Bei dem Magnetfeld
fühler 27 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um Differen
tial-Feldplatten mit integrierten Permanentmagneten.
Ferromagnetische Zähne können in verschiedener Weise mit einer
elektrisch leitfähigen, nicht ferromagnetischen Scheibe ver
bunden werden. Statt der bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den
Fig. 5 und 6 vorgesehenen Fügeverbindung des kompletten Zahn
ringes 24′′ mit der Scheibe, die beispielsweise durch Ver
schweißung erfolgen kann, können auch einzelne Zähne durch
eine Fügeverbindung mit der Scheibe verbunden, beispielsweise
an deren äußeren Umfang angeschweißt sein. Eine andere Mög
lichkeit besteht darin, den Fußbereich einzelner Zähne in
schwalbenschwanzförmige Aussparungen der Scheibe einzupressen.
Sofern die Welle, an welcher die Drehbeschleunigung und die
Winkellage gemessen werden sollen, ausreichend starr ist, kann
man auch, wie die Fig. 7 und 8 zeigen, in einem geringen
Abstand von einer ersten Meßscheibe 28 eines Drehbeschleuni
gungsgebers, der wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den
Fig. 3 und 4 ausgebildet ist, eine zweite Meßscheibe 29 starr
mit der Welle 30 verbinden, an welcher die Messungen vorgenom
men werden sollen. Das Material für die zweite Meßscheibe 29
kann dann so gewählt werden, daß sie in einfacher Weise mit
den für einen inkrementalen Drehgeber erforderlichen Markie
rungen versehen werden kann. In dem Ausführungsbeispiel gemäß
den Fig. 7 und 8 weist die Vorrichtung zur Messung der Winkel
lage wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4
zwei Gabellichtschranken 31 auf, deren Lichtstrahl im Wechsel
durch die transparenten Fenster 32 freigegeben und durch die
lichtundurchlässigen Bereiche 33 unterbrochen wird. Die bei
den, je eine der Gabellichtschranken 31 enthaltenden Gehäuse
34 sind in je einem Halter 35 angeordnet, die mit den beiden
Magnetflußleitkörpern 36 des Drehbeschleunigungsgebers verbun
den sind.
Wie die Fig. 9 und 10 zeigen, kann man die mechanische Ein
heit, welche die beiden Geber für die Drehbebeschleunigung und
die Winkellage integriert, auch mittels eines topfförmigen
Körpers, eines sogenannten Glockenläufers 37 realisieren, des
sen hohlzylindrischer Teil konzentrisch zu einer Welle 38 über
seinen scheibenförmigen Boden starr verbunden ist. Der Glocken
läufer 37 besteht aus elektrisch leitfähigem, nicht ferro
magnetischem Material und wird in seinem hohlzylindrischem Be
reich von einem magnetischen Gleichfeld durchsetzt, das, wie
die Kennzeichnungen 39 andeuten, den hohlzylindrischen Teil
senkrecht zur Zeichenebene durchdringt. Das magnetische
Gleichfeld durchdringt deshalb den Glockenläufer 37 in der
einen Hälfte seines Umfangs von außen nach innen und in der
anderen Hälfte von innen nach außen. Hierdurch werden, wenn
der Glockenläufer 37 rotiert, Wirbelströme induziert, die
längs in sich geschlossener Linien verlaufen, welche sich um
den einen bzw. anderen von zwei Polen schließen, die auf den
beiden Linien liegen, welche den hohlzylindrischen Teil in die
beiden erwähnten Hälften teilen. Vorzugsweise ist das Innere
des Hohlzylinders mit einem ferromagnetischen Kern ausgefüllt,
welcher entweder bezüglich des magnetischen Gleichfeldes in
Ruhe ist oder aber aus einem Material besteht, dessen elektri
sche Leitfähigkeit so gering ist, daß die Größe der sich in
diesem Kern ausbildenden Wirbelströme vernachlässigbar klein
bleibt. Ein U-artiger Magnetflußleitkörper 40 nimmt zwischen
seinen an den beiden Schenkeln vorgesehenen Polschuhen 40′ den
Glockenläufer 37 auf, wie dies die Fig. 9 und 10 zeigen. Der
mit den Wirbelströmen verkettete Magnetfluß schließt sich über
den Magnetflußleitkörper 40, weshalb in einer auf diesem ange
ordneten Meßspule 41 eine Spannung induziert wird, die propor
tional der Drehbeschleunigung ist.
Die freie Randzone des hohlzylindrischen Teils des Glockenläu
fers 37 bildet eine Reihe äquidistanter Zähne 42 mit dazwi
schen liegenden Fenstern 43. Zwei gegenüberliegend angeordnete
Gabellichtschranken 44 bilden zusammen mit den Zähnen 42 und
den Fenstern 43 einen inkrementalen Drehgeber.
Das in den Fig. 11 und 12 dargestellte Ausführungsbeispiel
der mechanischen Einheit, in welche die Geber für die
Drehbeschleunigung und die Winkellage integriert sind,
weist auch einen Glockenläufer 45 des Drehbeschleunigungsge
bers mit zugehörigem Magnetflußleitkörper 46 und einer Meß
spule 47 auf. Es unterscheidet sich insoweit nicht von dem
Drehbeschleunigungsgeber des Ausführungsbeispiels gemäß den
Fig. 9 und 10. Abweichend von diesem Ausführungsbeispiel ist
hier für den Winkellagegeber eine ebene Scheibe 48 vorgesehen,
die an der Außenseite des Bodens des Glockenläufers 45 anliegt
und mit diesem sowie der Welle 49, an welcher die Messungen
vorzunehmen sind, starr verbunden ist. Wie insbesondere Fig. 11
zeigt, ist die äußere Randzone der Scheibe 48 durch trans
parente Fenster 50 und lichtundurchlässige Bereiche 51 in
gleich große Segmente unterteilt, wie dies auch bei dem Aus
führungsspiel gemäß den Fig. 3 und 4 vorgesehen ist. Durch die
Fenster 50 und die Bereiche 51 wird der Lichtstrahl von zwei
diametral angeordneten Gabellichtschranken 52 im Wechsel
freigegeben und unterbrochen, wenn die Welle 49 rotiert.
Auch bei einer vollständig drehstarren Verbindung der beiden
Meßvorrichtungen für die Drehbeschleunigung und die Winkellage
miteinander sowie mit dem Ort, an dem das Drehmoment angreift,
bilden, wie aus Fig. 13 hervorgeht, die zur Verfügung stehen
den Zustandsgrößen αm, ωb und εb noch keinen vollständig
kohärenten Datensatz, weil der Streckenbeobachterschaltung 1
das mit der Meßzeitkonstanten Tm verzögerte Signal
als Eingangsgröße zugeführt wird und bei der dargestellten
Struktur der Streckenbeobachterschaltung 1 davon ausgegangen
wurde, daß das tatsächliche, unverzögerte Signal αG zuge
führt wird. In obiger Gleichung ist p wieder die allgemein
gebräuchliche komplexe Frequenzvariable der Laplace-Trans
formation.
Die Beseitigung der sich aus dem soeben geschilderten Zusam
menhang ergebenden Nachteile gelingt mit der in Fig. 14 darge
stellten, verbesserten Ausführung der Streckenbeobachterschal
tung 101, die zu einer deutlichen Überlegenheit gegenüber den
bekannten Lösungen führt. In der Streckenbeobachterschaltung
101 wird das verzögerte Signal für die Drehbeschleunigung αm
in einem Block 53 mit dem Faktor Tm/To gewichtet, wobei To die
Integrationszeitkonstante des Integrierers 2 bedeutet, und zum
Ausgangssignal des Integrierers 2 addiert. Diese Vorwärtskopp
lung hat zur Folge, daß die Auswirkungen der Meßzeitkonstanten
Tm des Drehbeschleunigungsgebers auf die Funktion der
Streckenbeobachterschaltung 101 vollständig kompensiert wer
den, d. h. daß nun exakt gilt
Bei der in Fig. 14 dargestellten Ausführungsform bilden also
αG, ωb und εb einen Satz kohärenter Zustandsgrößen.
Da das Blockschaltbild gemäß Fig. 14 sich von demjenigen gemäß
Fig. 13 nur durch den Block 53 unterscheidet, der eingangs
seitig mit dem Eingang der Streckenbeobachterschaltung 101 für
das verzögerte Signal αm und ausgangsseitig mit einem Sum
mierpunkt verbunden ist, der zwischen dem Ausgang des Inte
grierers 2 und dem Abgriff für das Signal ωb liegt, sind die
einzelnen Komponenten der Streckenbeobachterschaltung 101 mit
den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet wie bei dem Ausfüh
rungsbeispiel gemäß Fig. 13.
Das Verhalten der in Fig. 14 dargestellten Schaltungsanordnung
ist nach außen völlig äquivalent zu dem Verhalten der in Fig.
15 dargestellten Ersatz-Schaltungsanordnung. Hier wird der
Streckenbeobachterschaltung 1 direkt das unverzögerte, in der
Realität jedoch nicht zugängliche Drehbeschleunigungssignal
αG als Eingangsgröße zugeführt. Im übrigen unterscheidet sich
diese Schaltungsanordnung nicht von derjenigen gemäß Fig. 13,
weshalb für weitere Einzelheiten auf die dort gemachten Aus
führungen verwiesen werden kann.
Bei einer Signalaufbereitung mit einer Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 14 oder, äquivalent hierzu, gemäß Fig. 15 weicht
das erfindungsgemäße Gebersystem nur noch in einem Punkt von
dem in dem Fig. 1 dargestellten, idealen Gebersystem ab. Das
vom realen Gebersystem ausgehende Signal αm für die Drehbe
schleunigung folgt der am Ort der Messung tatsächlich herr
schenden Drehbeschleunigung αG nämlich verzögert gemäß dem
Verhalten des Übertragungsgliedes 11, also eines Tiefpasses
erster Ordnung mit der Zeitkonstanten Tm.
Dieses unerwünschte Tiefpaßverhalten des Drehbeschleunigungs
gebers läßt sich auch bei bestmöglicher Optimierung desselben
aus prinzipiellen Gründen nicht völlig vermeiden. Da die
Zeitkonstante Tm jedoch in der Regel sehr klein ist, bei
spielsweise 130 Mikrosekunden beträgt, ist sie in vielen
Anwendungsfällen nicht störend, solange die Bedingung einge
halten wird, daß die Drehbeschleunigung αG gleich der ersten
Ableitung der Winkelgeschwindigkeit ωb und der zweiten Ablei
tung der Winkellage εb ist, wie dies bei der erfindungsgemäßen
Signalaufbereitung gemäß Fig. 14 stets der Fall ist.
Sollte sich die Verzögerung des vom Gebersystem ausgegebenen
Signals αm gegenüber der am Ort der Messung tatsächlich
herrschenden Drehbeschleunigung αG dennoch störend auswirken,
kann man mit der in Fig. 16 dargestellten Schaltungsanordnung
die Meßverzögerung teilweise kompensieren. Das Ausführungs
beispiel gemäß Fig. 16 sieht zusätzlich zu der Streckenbeob
achterschaltung 1 eine zweite Beobachterschaltung 55 vor, in
welcher der Wert der Drehbeschleunigung synthetisiert wird.
Die zweite Beobachterschaltung 55 besteht aus einem Integrie
rer 56 mit der Integrationszeitkonstanten To, einem Korrektur
glied 57 mit der Verstärkung gm und einem Eingangsglied 58 mit
der Verstärkung kα.
Am Ausgang des Integrierers 56 wird ein Wert für die Winkelge
schwindigkeit nachgebildet. Dessen Abweichung vom Referenzwert
ωb, die an einem Vergleichspunkt 59 ermittelt wird, wird über
das Korrekturglied 57 zurückgeführt und additiv mit dem durch
das Eingangsglied 58 mit dem Faktor kα verstärkten, verzöger
ten Signal αm dem Eingang des Integrierers 56 zugeführt. Das
Eingangssignal des Integrierers 56 wird als Nachbildung der
tatsächlichen Beschleunigung αG interpretiert und als beob
achtetes Beschleunigungssignal αb vom Gebersystem ausgegeben.
Bei geeigneter Dimensionierung von gm und kα ist αb gegen
über αG deutlich weniger verzögert als dies bei αm gegeben
ist.
Eine weitere Verbesserung der in Fig. 16 dargestellten Ausfüh
rungsform zeigt Fig. 17. Hier wird an dem vor dem Eingang des
Integrierers 56 vorgesehenen Summierpunkt 60 das Ausgangssig
nal des Korrekturgliedes 4 der Streckenbeobachterschaltung 1
aufgeschaltet. Im übrigen ist dieses Ausführungsbeispiel
identisch mit demjenigen der Fig. 16.
Bei allen Ausführungsbeispielen kann, sofern gewünscht, statt
des Wertes εb der Winkellage auch der Wert εG ausgegeben
werden.
Die Auswertung der Signale des Winkellagegebers erfolgt durch
ein Auszählen der Impulse oder, falls die Signalamplitude der
Impulse einen sinusförmigen oder einen hierzu ähnlichen perio
dischen Verlauf hat, vorzugsweise mit bekannten Verfahren, für
die in den Fig. 18 und 19 Blockschaltbilder dargestellt sind
und die von dem Additionstheorem
cos (γ)·sin (β) - sin (γ)·cos (β) = sin (β-γ)
Gebrauch machen. Es können damit auch Zwischenwerte der Win
kellage innerhalb der durch die Markierungen definierten
Segmentbereiche ermittelt werden.
Der Winkel γ unterteilt den Segmentbereich zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Inkrementen des Gebers und nimmt Werte
zwischen Null und 2π an. Der Wert β ist eine digitale Nach
bildung des Winkels γ. Der Wert εm stellt den digitalen
Lageistwert dar. Für ihn gilt
Die gesamte Auswerteelektronik ist vorzugsweise in die Bauein
heit integriert, welche die beiden Meßvorrichtungen für die
Drehbeschleunigung und die Lage bilden. Die Auswerteschaltung
kann rein analog, gemischt analog/digital oder, vorzugsweise,
rein digital mit einem A/D-Wandler für αm realisiert sein.
Die Ausgabe der Meßwerte für die Winkellage und für die Win
kelgeschwindigkeit erfolgt vorzugsweise digital. Die digitalen
Werte werden vorzugsweise seriell ausgegeben. Die seriellen
Ausgabedaten können über einen Lichtwellenleiter geführt
werden.
Sofern eine Auswertung der Signale des Winkellagegebers
aufgrund der Signalamplitude erfolgen soll, kann man eine
ungerade Anzahl von optisch transparenten und weniger
transparenten Bereichen oder von Zähnen und Zahnlücken
vorsehen und die beiden Signalgeber diametral anordnen, wie
dies bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 3 bis 12 der
Fall ist, so daß nicht von beiden Signalgebern gleichzeitig
zwei Bereiche gleicher Transparenz oder zwei Zähne detektiert
werden können. Dies läßt sich aber auch dadurch erreichen, daß
die Signalgeber dementsprechend gegeneinander versetzt
angeordnet werden.
Der als Meßscheibe oder Glockenläufer ausgebildete Teil der
Meßvorrichtung für die Drehbeschleunigung ist vorzugsweise aus
einem Werkstoff oder Werkstoffgemisch gefertigt, das eine hohe
elektrische Leitfähigkeit mit einem geringen Temperaturkoeffi
zienten dieser Leitfähigkeit verbindet. Hierfür kommen insbe
sondere Legierungen, z. B. ISA 13, Manganin sowie andere
Kupfer-Mangan-Legierungen, oder Kombinationen verschiedener
Materialien in Frage.
Bei den in den Fig. 3 bis 10 dargestellten Ausführungsformen
des Rotationskörpers des Gebers für die Drehbeschleunigung
können erwärmungsbedingte Deformationen zu einer Verfälschung
des Meßsignales führen. Mit diesen Nachteilen ist ein in den
Fig. 20 und 21 dargestelltes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel
nicht behaftet, bei dem eine aus transparentem Material, bei
spielsweise sehr dünnem Glas, bestehende Meßscheibe 61 als
Signalgeber zur Ermittlung der Winkellage zwischen gleich
ausgebildeten Scheiben 62 gleichachsig zu diesen angeordnet
ist. Die drei Scheiben sind fest miteinander verbunden, bei
spielsweise verklebt, und bilden einen Stapel, der symmetrisch
ist zu seiner in der Mitte zwischen den beiden Stirnflächen
der Meßscheibe 61 liegenden Quermittenebene. Wie bei den zuvor
beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die beiden Scheiben
62, welche den Rotationskörper des Gebers für die Drehbe
schleunigung bilden, in ihren beiden Hälften von entgegenge
setzt gerichteten magnetischen Gleichfeldern durchsetzt. Die
über den äußeren Umfang der beiden Scheiben 62 überstehende
Randzone der Meßscheibe 61 ist im Wechsel lichtundurchlässigen
und lichtdurchlässigen Bereichen 63 bzw. 64 versehen. In Fig. 21
ist das lichtundurchlässige Material, das in den lichtun
durchlässigen Bereichen 63 auf die Meßscheibe 61 aufgebracht
ist, übertrieben dick dargestellt.
Damit das Ausgangssignal des Gebers für die Drehbeschleunigung
möglichst wenig von der Temperatur der Scheiben 62 abhängig
ist, bestehen sie aus einer Kupfer-Mangan-Legierung. Außer von
der Winkelgeschwindigkeit des Rotationskörpers der nach dem
Ferraris-Prinzip arbeitenden Meßvorrichtung für die Drehbe
schleunigung hängt nämlich der Betrag der in Rede stehenden
Wirbelströme insbesondere auch vom elektrischen Leitwert des
Rotationskörpers ab. Der Proportionalitätsfaktor zwischen der
tatsächlichen Drehbeschleunigung und der im dynamisch einge
schwungenen Zustand der Meßeinrichtung an den Meßspulen ab
greifbaren Signalspulen für die Drehbeschleunigung ist also
ebenfalls eine Funktion dieses elektrischen Leitwertes.
Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde
unterstellt, daß der genannte Proportionalitätsfaktor sich
nicht verändert und daß demzufolge für die normierten Größen
αG (der am Ort der Meßeinrichtung tatsächlich herrschenden
Drehbeschleunigung) und αm (dem vom Drehbeschleunigungsgeber
ausgegebenen Meßwert für diese Drehbeschleunigung) im dyna
misch eingeschwungenen Zustand der Meßeinrichtung der Zusam
menhang
gilt. Dies ist beispielsweise aus den Fig. 1, 2 und 13 bis 17
ersichtlich.
Tatsächlich ist der elektrische Leitwert des die Signalgeber
bildenden Rotationskörpers jedoch nicht konstant, sondern eine
Funktion von dessen Temperatur, die während des Betriebes des
in Rede stehenden Gebersystems erheblich schwanken kann. In
folge der durch die Wirbelströme im Rotationskörper hervorge
rufenen Verluste ist die Temperatur nach einem längeren Be
trieb mit hoher Drehzahl nämlich deutlich größer als nach
einem längeren Stillstand.
Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, ist in Bild 1a gegenüber
der Fig. 22 zusätzlich ein Block 65 vorgesehen, der eine
normierte Meßgliedverstärkung v berücksichtigt. Diese Meß
gliedverstärkung v besitzt einen von der Temperatur ϑ des
Rotationskörpers abhängigen, in der Nähe von Eins liegenden
Wert. Es ist
v = v(ϑ) ≈ 1.
Infolgedessen gilt für die normierten Größen αG (der am Ort
der Meßeinrichtung tatsächlich herrschenden Drehbeschleuni
gung) und αm (dem vom Drehbeschleunigungsgeber ausgegebenen
Meßwert für diese Drehbeschleunigung) im dynamisch einge
schwungenen Zustand der Meßeinrichtung der Zusammenhang
Alle folgenden Erläuterungen sollen beispielhaft anhand von
Fig. 22 erfolgen, welche im wesentlichen auf Fig. 13 beruht,
weshalb übereinstimmende Blöcke mit gleichen Bezugszahlen
gekennzeichnet sind und ergänzend zu den folgenden Ausführun
gen auf die Erläuterungen zu Fig. 13 Bezug genommen wird.
Ebenso können die im folgenden beschriebenen Maßnahmen aber
auch auf die in Fig. 14, 15, 16 und 17 dargestellten Systeme
angewandt werden.
Die angesprochene Temperaturabhängigkeit der Meßgliedverstär
kung v kann sehr klein gehalten werden, wenn der Rotationskör
per aus einem geeigneten Material gefertigt wird. Besonders
vorteilhaft sind beispielsweise bestimmte Kupfer-Mangan-Legie
rungen, die einen hohen elektrischen Leitwert mit einem gerin
gen Temperaturkoeffizienten dieses Leitwerts verbinden. Dann
beträgt die Änderung der Meßgliedverstärkung v im üblicherwei
se auftretenden Temperaturbereich von 25°-100°C lediglich
ca. 5%.
Außerdem darf der Absolutwert der gemessenen Drehbeschleuni
gung bei sehr vielen Anwendungen der erfindungsgemäßen Ein
richtung relativ große Toleranzen aufweisen. Als Beispiel
hierfür seien Positionsregelsysteme mit unterlagerter Be
schleunigungsregelung genannt, bei denen eine kleine Abwei
chung der Meßgliedverstärkung v vom Wert Eins nur ein gering
fügig verändertes Einschwingverhalten des Regelsystems zur
Folge hat.
Es gibt aber auch Anwendungen des erfindungsgemäßen Gebersy
stems, beispielsweise beim Einsatz in Prüfständen für Verbren
nungsmotoren, bei denen ein vorgegebenes Beschleunigungsprofil
exakt eingehalten werden muß. Hier werden sehr hohe Anforde
rungen an die statische Genauigkeit des Meßwerts für die
Drehbeschleunigung gestellt.
Mit den im folgenden beschriebenen, ergänzenden Maßnahmen läßt
sich die statische Genauigkeit des Meßwerts für die Drehbe
schleunigung gegenüber den bisher beschriebenen Ausführungs
beispielen deutlich verbessern.
Der Grundgedanke dieser ergänzenden Maßnahmen soll anhand von
Fig. 22 erläutert werden. Er besteht darin, den gemessenen,
mit der (temperaturabhängigen) Meßgliedverstärkung v behafte
ten Wert αm für die Drehbeschleunigung in einer Multiplizie
reinrichtung 66 mit dem Korrekturfaktor λ zu multiplizieren,
der derart einzustellen ist, daß das von der Multiplizierein
richtung 66 ausgegebene, modifizierte Drehbeschleunigungs
signal αm* statisch exakt die am Ort der Meßvorrichtung herr
schende tatsächliche Drehbeschleunigung αG wiedergibt. Dazu
muß gelten:
Wird der Korrekturfaktor λ entsprechend obiger Vorschrift
eingestellt, so gilt für die normierten Größen αG (der am Ort
der Meßeinrichtung tatsächlich herrschenden Drehbeschleunigung)
und αm* (dem von der Multipliziereinrichtung 66 ausgegebenen
modifizierten Drehbeschleunigungssignal) im dynamisch einge
schwungenen Zustand der Meßeinrichtung unabhängig von der
Temperatur des Rotationskörpers der Zusammenhang
Dieser Umstand wird in vorteilhafter Weise dazu verwendet, daß
überall dort, wo im erfindungsgemäßen Gebersystem bisher der
gemessene, mit der (temperaturabhängigen) Meßgliedverstärkung
v behaftete Wert αm für die Drehbeschleunigung Verwendung
findet, jetzt das von der Multipliziereinrichtung 66 ausge
gebene modifizierte Drehbeschleunigungssignal αm* verwendet
wird.
Für die Generierung des Korrekturfaktors λ stehen verschiede
ne Möglichkeiten zur Verfügung:
Eine erste Möglichkeit besteht darin, den bei bekannter Ab hängigkeit der Meßgliedverstärkung v von der Temperatur des Rotationskörpers und bei bekannter Temperatur des Rotations körpers in einfacher Weise zufolge der Beziehung λ= zu generieren. Die Abhängigkeit der Meßgliedverstärkung v von der Temperatur des Rotationskörpers ist für das verwendete Mate rial des Rotationskörpers meßtechnisch zu bestimmen und kann dann beispielsweise in einem eindimensionalen Kennfeld in einem Speicher 67 abgelegt werden.
Eine erste Möglichkeit besteht darin, den bei bekannter Ab hängigkeit der Meßgliedverstärkung v von der Temperatur des Rotationskörpers und bei bekannter Temperatur des Rotations körpers in einfacher Weise zufolge der Beziehung λ= zu generieren. Die Abhängigkeit der Meßgliedverstärkung v von der Temperatur des Rotationskörpers ist für das verwendete Mate rial des Rotationskörpers meßtechnisch zu bestimmen und kann dann beispielsweise in einem eindimensionalen Kennfeld in einem Speicher 67 abgelegt werden.
Zur Ermittlung der Temperatur des Rotationskörpers können
folgende Maßnahmen angewendet werden:
- a) Die Temperatur des Rotationskörpers wird direkt mit Hilfe eines berührungslos arbeitenden Temperaturmeßgeräts ermit telt, welches die vom Rotationskörper emittierte Infra rot-Strahlung auswertet.
- b) Die Temperatur des Rotationskörpers wird mittelbar über die Erfassung der Lufttemperatur in nächster Umgebung des Rotationskörpers mit Hilfe eines Temperatursensors gemes sen, welcher auf seiner Montagefläche thermisch isoliert angebracht ist.
- c) Die Temperatur des Rotationskörpers kann mit Hilfe eines
thermischen Modells für den Rotationskörper und seine
Umgebung elektronisch synthetisiert werden.
Das thermische Verhalten des Rotationskörpers und seiner Umgebung wird hierzu durch ein Wärmequellennetz mit kon zentrierten Wärmeleitwerten und Wärmekapazitäten nachgebil det. Dabei werden einzelne Gebiete des Rotationskörpers und seiner Umgebung als homogen betrachtet und deren mittlere Temperatur jeweils einem Knoten des Wärmequellennetzes geordnet. Die thermische Kopplung der einzelnen Gebiete un tereinander wird durch konzentrierte Wärmeleitwerte berück sichtigt. Die Wärmekapazität der Gebiete wird durch konzen trierte Wärmekapazitäten repräsentiert. Die Verlustleistun gen in den einzelnen Gebieten werden an den jeweiligen Knoten des Netzes als Wärmequellen angesetzt (Anlage 4).
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, den Korrekturfaktor
unter Verwendung einer geeigneten Regelschaltung aus gemesse
nen und/oder synthetisierten Größen zu generieren.
Diese Möglichkeit soll anhand von Fig. 23 erläutert werden.
Dort wird davon Gebrauch gemacht, daß die Winkellage εG des
rotierenden Bauteils sehr genau und ohne prinzipbedingte
Temperatureinflüsse gemessen werden kann und als Meßwert εm
zur Verfügung steht. Es ist daher möglich, den exakten Wert
der Drehbeschleunigung αG über eine zweifache Differentiation
des Meßwerts εm mittels eines Differenziergliedes 79 für die
Winkellage zu gewinnen. Eine derartige zweifache Differentia
tion kann allerdings in der Praxis nicht völlig ideal erfol
gen, sondern muß zur Unterdrückung hochfrequenter Störsignale,
die durch eine ideale Differentiation erheblich verstärkt
würden, deutlichen Tiefpaßcharakter aufweisen. Eine solcher
maßen gewonnene Drehbeschleunigungsnachbildung folgt der
tatsächlichen Drehbeschleunigung αG infolgedessen mit einer
Zeitverzögerung, die eine direkte Verwendung dieser Nachbil
dung ausschließt.
Die Drehbeschleunigungsnachbildung weist jedoch bei einem
Betrieb mit von Null verschiedener, konstanter oder nahezu
konstanter Drehbeschleunigung, dessen Zeitdauer deutlich
größer ist als die vorgenannte Zeitverzögerung, die gewünschte
statische Genauigkeit auf.
Wird ein länger andauernder Betrieb mit von Null verschiede
ner, konstanter oder nahezu konstanter Drehbeschleunigung von
der Steuerlogik 69 erkannt, so wird mit Hilfe eines Reglers 68
einer Regelschaltung, in welcher der Korrekturfaktor λ die
Stellgröße ist, das modifizierte Drehbeschleunigungssignal αm*
der Drehbeschleunigungsnachbildung nachgeführt. Die Lösung
hat allerdings den Nachteil, daß der von der Steuerlogik 69,
die von dem Ausgangssignal αm des Signalerfassungssystems für die
Drehbeschleunigung angesteuert wird, betätigte Schalter 70 nur
dann geschlossen werden und damit eine Nachführung erfolgen
kann, wenn der Meßwert αm zum einen nennenswert von Null
verschieden ist und zum anderen einen konstanten oder nahezu
konstanten Wert aufweist.
Die letztgenannte Einschränkung entfällt, wenn eine in Fig. 24
dargestellte, bevorzugte Anordnung verwendet wird. Die in Fig.
24 dargestellte Regelschaltung enthält einen Regler 72, wel
cher den Verstärkungsfaktor sgn(αm)·Kα aufweist. Dem Regler
71 wird an seinem Eingang die Differenz aus dem einmal diffe
renzierten Meßwert εm für die Winkellage (also das Signal
T₀ und mittels eines Integriergliedes 80 dem einmal
integrierten modifizierten Drehbeschleunigungssignal αm* (also
das Signal ∫ αm*dt), zugeführt. Dabei kann das erstgenannte
Signal T₀ in einfacher Weise direkt am Eingang des im
Beobachter 1 enthaltenen zweiten Integrierers 3 abgegriffen
werden. In dieser bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 24
wird also jegliche zusätzliche Differentiation vermieden. Dadurch
kann im Regler 72 auf die sonst erforderliche Tiefpaßeigen
schaft verzichtet werden. Desweiteren kann die Steuerlogik 69
als einfacher Schwellwertschalter für den Betrag des vom
Drehbeschleunigungsgeber ausgegebenen Meßwerts αm ausgeführt
werden, welcher den Schalter 70 also immer dann schließt, wenn
der Betrag des vom Drehbeschleunigungsgeber ausgegebenen
Meßwerts αm einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Bei einer dritten Möglichkeit wird der Korrekturfaktor λ über
eine meßtechnische Bestimmung des aktuellen, temperaturabhän
gigen elektrischen Leitwertes des Rotationskörpers generiert.
Letzterer kann beispielsweise mit Hilfe der in den Fig. 25 bis
27 dargestellten Anordnung durch Messung der Dämpfung eines
Schwingkreises ermittelt werden. Dieser Parallelschwingkreis
ist an eine Energiequelle 76 angeschlossen und weist außer
einem Kondensator 73 eine Induktivität auf, die ihrerseits aus
einem bis auf einen einzigen Luftspalt geschlossenen Magnet
flußleitkörper 74 mit einer Spule 75 besteht. In den Luftspalt
des Magnetflußleitkörpers 74 greift der scheibenförmige Rota
tionskörper 18 ein, dessen Temperatur gemessen werden soll. In
Fig. 27 ist wegen des temperaturabhängigen Widerstandes des
Rotationskörpers, der die temperaturabhängige Dämpfung ergibt,
außer der Spule 75 auch ein veränderlicher ohmscher Widerstand
77 dargestellt. Wie Fig. 25 zeigt, ist der Magnetflußleitkör
per 74, der im Prinzip wie die beiden Magnetflußleitkörper 19
ausgebildet ist, zwischen diesen angeordnet. Der Geber gemäß
den Fig. 25 bis 27 unterscheidet sich von denjenigen gemäß den
Fig. 3 und 4 also nur durch den Schwingkreis.
Über den bekannten, einmal ermittelten Zusammenhang zwischen
diesem Leitwert und der letztlich interessierenden Meßglied
verstärkung v kann dann λ gemäß der Beziehung λ= ermit
telt werden.
Claims (31)
1. Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei
Größen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder
Winkellage eines rotierenden Bauteils (17, 23, 30, 38,
49) mit
- a) zwei mit dem Bauteil (17, 23, 30, 38, 49) zu verbin denden Signalgebern (18; 24; 28, 29; 37; 45, 48; 61, 62), die drehstarr miteinander verbunden sowie als mechanische Einheit ausgebildet sind,
- b) den Signalgebern (18; 24; 28, 29; 37; 45, 48; 61, 62) zugeordneten Signalerfassungssystemen (19, 20, 22; 25, 26, 27; 31, 36, 36′; 40, 41, 44; 46, 47, 52), welche die Meßgrößen für die Drehbeschleunigung und die Winkellage liefern, und
- c) einer Auswerteschaltung für die Meßgrößen, die eine Streckennachbildung (1) aufweist, welche mit Hilfe einer ersten (2) und einer auf diese folgenden zweiten Integrationsstufe (3) die Werte für wenigstens die Winkelgeschwindigkeit nachbildet.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
beiden Signalgeber durch unterschiedliche Bereiche eines
einteiligen Körpers (18; 37) gebildet sind.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
mechanische Einheit mehrteilig ausgebildet ist und wenig
stens eine zur Rotationsachse des rotierenden Bauteils
(23; 30; 49) konzentrisch angeordnete Scheibe (24; 28, 29;
48; 61, 62) aufweist.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
mechanische Einheit aus einem Verbund mehrerer gleichach
sig angeordneter Scheiben (28, 29; 61, 62) besteht, von
denen wenigstens eine (28; 62) den Signalgeber für die
Drehbeschleunigung und wenigstens eine andere (29; 61) den
Signalgeber für die Winkellage bildet.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet
durch eine drehstarre Verbindung der mechanischen Einheit
mit dem rotierenden Bauteil (17; 23; 30; 38; 49).
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Auswerteschaltung (1) wenigstens eine
Zusatzschaltung (53, 55) zur zumindest teilweisen Kompen
sation der zeitlichen Verzögerung des Ausgangssignals (αm)
des Signalerfassungssystems für die Drehbeschleunigung
gegenüber der tatsächlichen Drehbeschleunigung (αG) ent
hält.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zusatzschaltung (53, 55) eine Gewichtungsschaltung (53)
aufweist, die das vom Signalerfassungssystem für die
Drehbeschleunigung gelieferte Signal (αm) mit dem Quo
tienten aus der Meßzeitkonstanten (Tm) dieses Signaler
fassungssystem und der Integrationszeitkonstanten (To)
der ersten Integrationsstufe (2) gewichtet und in Form
einer Vorwärtskopplung zum Ausgangssignal der ersten
Integrationsstufe (2) addiert wird.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zusatzschaltung eine Beobachterschaltung (55) aufweist,
die aus einem verstärkenden Eingangsglied (58), an dem
das von der Meßvorrichtung für die Drehbeschleunigung
gelieferte Signal (αm) anliegt, einer dem Eingangsglied
(58) nachgeschalteten Integrationsstufe (56) und einem
die Differenz aus dem Ausgangssignal (ωb) des Integrie
rers (2) der Streckennachbildung und dem Ausgangssignal
dieser Integrationsstufe (56) auf deren Eingang zurück
führenden, verstärkenden Korrekturglied (57) besteht und
mittels deren ein Drehbeschleunigungswert (αb) gebildet
wird, der gegenüber dem tatsächlichen Wert (αG) weniger
verzögert ist als der von der Meßvorrichtung für die
Drehbeschleunigung ausgegebene Wert.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf
den Eingang der Integrationsstufe (56) der Beobachter
schaltung (55) das Ausgangssignal eines Korrekturgliedes
(4) aufgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal additiv zum
Drehbeschleunigungssignal auch als Eingangssignal für den
Integrierer (2) einer Streckenbeobachterschaltung (1)
wirkt und dessen Eingangssignal die Differenz aus dem
Meßsignal (εG) für die Winkellage und dem Ausgangssignal
des Integrierers (3) der Streckenbeobachterschaltung (1)
ist.
10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Auswerteschaltung rein digital ausge
führt ist.
11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet
durch eine serielle Ausgabe der digitalen Werte der Aus
werteschaltung.
12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Auswerteschaltung wenigstens einen elektrooptischen Aus
gang aufweist, an den ein Lichtwellenleiter anschließbar
ist.
13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Auswerteschaltung in die Baueinheit
integriert ist.
14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Geber für die Drehbeschleunigung als ein
nach dem Ferraris-Prinzip arbeitender analoger Geber mit
einem Rotationskörper in Form einer Scheibe (18, 24, 28)
oder einem Hohlzylinder (37, 45) aus einem elektrisch
leitenden, nicht ferromagnetischen Material ausgebildet
ist, der von einem ortsfesten Magnetgleichfeld in der
einen Hälfte in der einen und in der anderen Hälfte in der
anderen Richtung durchsetzt wird, sowie als Signalerfas
sungssystem mindestens einen Magnetflußsensor (19, 20; 25,
26; 36, 36′; 40, 41; 46, 47) aufweist, der von dem mit den
im Rotationskörper fließenden Wirbelströmen verketteten
Magnetfluß durchsetzt wird, und wenigsten eine Spule (20;
26; 36′; 41; 47) aufweist, in welcher eine Änderung dieses
Magnetflusses eine elektrische Spannung induziert.
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der
Magnetflußsensor einen bis auf einen Luftspalt geschlos
senen Flußleitkörper (19; 25; 36; 40; 46) aufweist, in
dessen Luftspalt der zwischen den vom magnetischen Gleich
feld durchsetzten Bereichen liegende Teil des rotierenden
Körpers liegt.
16. System nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der Signalgeber für die Drehbeschleunigung wenigstens
eine zweite Scheibe (62) aus elektrisch leitendem, nicht
ferromagnetischem Material aufweist, zwischen der und der
ersten Scheibe (62) die der Ermittlung der Winkellage die
nende, auch mit der zweiten Scheibe (62) starr gekoppelte
Scheibe (61) angeordnet ist.
17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der
aus den Scheiben (61, 62) gebildete Stapel symmetrisch zu
seiner Quermittenebene ausgebildet ist und die erste und
zweite Scheibe (62) aus dem gleichen Material bestehen.
18. System nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste und die zweite Scheibe (62) aus einem Mate
rial mit kleinem Temperaturkoeffizienten bestehen.
19. System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Randzone (21, 24′′, 42, 43) der einen
Rotationskörper (18, 24, 37) bildenden mechanischen Ein
heit als Signalgeber zur Ermittlung der Winkellage ausge
bildet ist.
20. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die
als Signalgeber zur Ermittlung der Winkellage ausgebildete
Randzone im Wechsel für das verwendete Licht optisch
durchlässige (21; 32; 43; 50′) und optisch undurchlässige
oder weniger durchlässige Bereiche (21′, 33, 42, 50) bil
det und im Strahlengang einer Lichtschranke (22; 31; 44;
52) liegt.
21. System nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet,
daß der Signalgeber zur Ermittlung der Winkellage durch
eine Scheibe (61) aus Glas gebildet ist, die in ihrer
äußeren Randzone mit lichtundurchlässigen Segmenten (63)
oder lichtundurchlässigen Strichen versehen ist.
22. System nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Ausgangssignal (αm) des Signalerfas
sungssystems für die Drehbeschleunigung in einer Multipli
ziereinrichtung (66) mit einem die Temperaturabhängigkeit
des Ausgangssignals (αm) kompensierenden Korrekturfaktor
(λ) multipliziert wird.
23. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß für
den Korrekturfaktor (λ) die Beziehung
gilt, wobei v die temperaturabhängige Meßgliedverstärkung
des Signalerfassungssystems für die Drehbeschleunigung
bedeutet.
24. System nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der
Eingang der Multipliziereinrichtung (66) für den Korrek
turfaktor (λ) an einen Speicher (67) angeschlossen ist,
in dem die meßtechnisch oder mittels eines thermischen
Modells für den Rotationskörper der Meßvorrichtung und
seine Umgebung ermittelte Abhängigkeit der Meßgliedver
stärkung (v) von der Temperatur abgelegt ist.
25. System nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Regel
schaltung, in welcher der Korrekturfaktor (λ) die Stell
größe ist und mittels deren während einer von Null ver
schiedenen, wenigstens nahezu konstanten Drehbeschleuni
gung das am Ausgang der Multipliziereinrichtung (66) zur
Verfügung stehende, modifizierte Drehbeschleunigungssignal
(αm*) einen durch eine zweifache Differentiation des die
Winkellage kennzeichnenden Signals (εG) gewonnene Drehbe
schleunigungs-Nachbildung nachgeführt wird.
26. System nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Regel
schaltung mit einem Regler (71), der den Verstärkungsfak
tor sgn(αm)·Kα aufweist und an dessen Eingang ein Signal
anliegt, das gleich der Differenz aus dem einmal differen
zierten Meßwert (εm) für die Winkellage und dem einmal
integrierten modifizierten Drehbeschleunigungssignal (αm*)
ist.
27. System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der
einmal differenzierte Meßwert (εm) für die Winkellage am
Eingang des zweiten Integrierers (3) der Streckenbeobach
terschaltung (1) abgegriffen wird.
28. System nach einem der Ansprüche 25 bis 27, gekennzeichnet
durch eine Steuerlogik (69), an deren Eingang das Aus
gangssignal (αm) des Signalerfassungssystems für die
Drehbeschleunigung anliegt und die den Regelkreis nur bei
einer von Null verschiedenen, zumindest annähernd konstan
ten Drehbeschleunigung schließt.
29. System nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuerlogik (69) durch einen auf den Betrag des Ausgangs
signals (αm) des Signalerfassungssystems für die Drehbe
schleunigung ansprechenden Schwellenwertschalter gebildet
ist.
30. System nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch einen
Schwingkreis mit einer von der Temperatur des Rotations
körpers (18) der Meßvorrichtung für die Drehbeschleunigung
abhängigen Dämpfung.
31. System nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die
Induktivität des Schwingkreises einen bis auf einen Luft
spalt geschlossenen Magnetflußleitkörper (74) aufweist, in
dessen Luftspalt der Rotationskörper (18) des Signalerfas
sungssystems für die Drehbeschleunigung eingreift.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4439233A DE4439233A1 (de) | 1993-12-29 | 1994-11-03 | Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Größen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils |
DE59405841T DE59405841D1 (de) | 1993-12-29 | 1994-11-23 | Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Grössen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils |
EP19940118374 EP0661543B1 (de) | 1993-12-29 | 1994-11-23 | Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Grössen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4344875 | 1993-12-29 | ||
DE4439233A DE4439233A1 (de) | 1993-12-29 | 1994-11-03 | Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Größen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4439233A1 true DE4439233A1 (de) | 1995-07-06 |
Family
ID=6506478
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4439233A Withdrawn DE4439233A1 (de) | 1993-12-29 | 1994-11-03 | Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Größen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils |
DE59405841T Expired - Lifetime DE59405841D1 (de) | 1993-12-29 | 1994-11-23 | Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Grössen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE59405841T Expired - Lifetime DE59405841D1 (de) | 1993-12-29 | 1994-11-23 | Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Grössen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (2) | DE4439233A1 (de) |
Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10039915A1 (de) * | 2000-08-16 | 2002-02-28 | Schaeffler Waelzlager Ohg | Linearführung |
DE10039916A1 (de) * | 2000-08-16 | 2002-02-28 | Schaeffler Waelzlager Ohg | Linearführung |
DE10219091A1 (de) * | 2002-04-29 | 2003-11-20 | Siemens Ag | Drehbewegungsdetektor |
US6661126B2 (en) | 2000-08-16 | 2003-12-09 | Ina-Schaeffler Kg | Linear guide |
DE102004025388A1 (de) * | 2004-05-17 | 2005-12-15 | Balluff Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Position und/oder einer oder mehrerer Bewegungsgrößen eines Gegenstandes |
DE10024394B4 (de) * | 2000-05-17 | 2007-02-01 | Siemens Ag | Ermittlungsverfahren für eine Istgeschwindigkeit eines bewegbaren Verfahrelements |
US7253609B2 (en) | 2001-10-08 | 2007-08-07 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh | Encapsulated measuring apparatus for detecting a velocity and/or acceleration of a rotationally or linearly moved component |
DE102006031667A1 (de) * | 2006-07-08 | 2008-01-10 | Dr.Ing.H.C. F. Porsche Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen eines Winkels bzw. einer Winkelgeschwindigkeit zwischen Bauteilen |
US7482802B2 (en) | 2004-03-16 | 2009-01-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and apparatus for determining the rotor position of an electric motor from the electric current and the angular acceleration |
DE102013106818A1 (de) * | 2013-06-28 | 2014-12-31 | Valeo Systèmes d'Essuyage | Verfahren zur Berechnung des Drehwinkels einer Welle, Verwendung eines Verfahrens und Scheibenwischermotor |
EP2113742B1 (de) | 2008-04-30 | 2015-11-18 | Baumer Electric AG | Messvorrichtung mit Zwei-Kanal-Abtastung |
CN105987657A (zh) * | 2015-02-12 | 2016-10-05 | 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 | 用于转轴的电涡流传感器和转轴装置 |
DE102006059258B4 (de) | 2006-12-15 | 2019-01-31 | Hengstler Gmbh | Verfahren zur synchronen Auswertung von Positions-Encodern mit Sinus/Kosinus Signalen und eine nach dem Verfahren arbeitende Schaltung |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3932214A1 (de) * | 1989-09-27 | 1991-04-04 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren und vorrichtung zur nachbildung der geschwindigkeit bei inkrementalen messsystemen |
DE9107498U1 (de) * | 1991-06-18 | 1991-09-26 | Heidelberger Druckmaschinen Ag, 6900 Heidelberg | Elektrische Maschine |
DE4115010A1 (de) * | 1991-05-08 | 1992-11-12 | Boehringer Andreas | Verfahren und einrichtung zur regelungstechnischen fuehrung von uebertragungsstrecken dritter oder hoeherer ordnung mit einer oder mehreren ausgangsgroessen |
-
1994
- 1994-11-03 DE DE4439233A patent/DE4439233A1/de not_active Withdrawn
- 1994-11-23 DE DE59405841T patent/DE59405841D1/de not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3932214A1 (de) * | 1989-09-27 | 1991-04-04 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren und vorrichtung zur nachbildung der geschwindigkeit bei inkrementalen messsystemen |
DE4115010A1 (de) * | 1991-05-08 | 1992-11-12 | Boehringer Andreas | Verfahren und einrichtung zur regelungstechnischen fuehrung von uebertragungsstrecken dritter oder hoeherer ordnung mit einer oder mehreren ausgangsgroessen |
DE9107498U1 (de) * | 1991-06-18 | 1991-09-26 | Heidelberger Druckmaschinen Ag, 6900 Heidelberg | Elektrische Maschine |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
GANBACH, Herbert: Servoantriebe mit unterlagerter Zweipunktregelung ihrer Drehbeschleunigung, Dissertation Universität Stuttgart 1993, S. 14-41 und S. 111-122 * |
SCHWARZ, Bernhard: Beiträge zu reaktionsschnellen und kochgenauen Drehstrom-Positioniersystemen, Dissertation Universität Stuttgart 1986,S.120-133 * |
Cited By (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10024394B4 (de) * | 2000-05-17 | 2007-02-01 | Siemens Ag | Ermittlungsverfahren für eine Istgeschwindigkeit eines bewegbaren Verfahrelements |
DE10024394C5 (de) * | 2000-05-17 | 2008-11-06 | Siemens Ag | Ermittlungsverfahren für eine Istgeschwindigkeit eines bewegbaren Verfahrelements |
DE10039916A1 (de) * | 2000-08-16 | 2002-02-28 | Schaeffler Waelzlager Ohg | Linearführung |
US6661126B2 (en) | 2000-08-16 | 2003-12-09 | Ina-Schaeffler Kg | Linear guide |
DE10039915A1 (de) * | 2000-08-16 | 2002-02-28 | Schaeffler Waelzlager Ohg | Linearführung |
US7253609B2 (en) | 2001-10-08 | 2007-08-07 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh | Encapsulated measuring apparatus for detecting a velocity and/or acceleration of a rotationally or linearly moved component |
US6906513B2 (en) | 2002-04-29 | 2005-06-14 | Siemens Aktiengesellschaft | Rotary motion detector |
DE10219091A1 (de) * | 2002-04-29 | 2003-11-20 | Siemens Ag | Drehbewegungsdetektor |
US7482802B2 (en) | 2004-03-16 | 2009-01-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and apparatus for determining the rotor position of an electric motor from the electric current and the angular acceleration |
DE102004025388B4 (de) * | 2004-05-17 | 2006-06-14 | Balluff Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Position und/oder einer oder mehrerer Bewegungsgrößen eines Gegenstandes |
DE102004025388A1 (de) * | 2004-05-17 | 2005-12-15 | Balluff Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Position und/oder einer oder mehrerer Bewegungsgrößen eines Gegenstandes |
DE102006031667A1 (de) * | 2006-07-08 | 2008-01-10 | Dr.Ing.H.C. F. Porsche Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen eines Winkels bzw. einer Winkelgeschwindigkeit zwischen Bauteilen |
DE102006059258B4 (de) | 2006-12-15 | 2019-01-31 | Hengstler Gmbh | Verfahren zur synchronen Auswertung von Positions-Encodern mit Sinus/Kosinus Signalen und eine nach dem Verfahren arbeitende Schaltung |
EP2113742B1 (de) | 2008-04-30 | 2015-11-18 | Baumer Electric AG | Messvorrichtung mit Zwei-Kanal-Abtastung |
EP2113742B2 (de) † | 2008-04-30 | 2019-01-02 | Baumer Electric AG | Messvorrichtung mit Zwei-Kanal-Abtastung |
DE102013106818A1 (de) * | 2013-06-28 | 2014-12-31 | Valeo Systèmes d'Essuyage | Verfahren zur Berechnung des Drehwinkels einer Welle, Verwendung eines Verfahrens und Scheibenwischermotor |
EP3014221A1 (de) * | 2013-06-28 | 2016-05-04 | Valeo Systèmes d'Essuyage | Verfahren zur berechnung des drehwinkels einer welle, verwendung eines verfahrens und scheibenwischermotor |
CN105987657A (zh) * | 2015-02-12 | 2016-10-05 | 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 | 用于转轴的电涡流传感器和转轴装置 |
CN105987657B (zh) * | 2015-02-12 | 2018-12-07 | 珠海格力电器股份有限公司 | 用于转轴的电涡流传感器和转轴装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE59405841D1 (de) | 1998-06-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0661543B1 (de) | Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Grössen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils | |
DE3882962T2 (de) | Multidrehungs-Positionsgeber. | |
DE4439233A1 (de) | Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Größen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils | |
EP0582111B1 (de) | Induktiver Stellungsgeber | |
DE2011222A1 (de) | Geräte zur selbsttätigen Bestimmung von Koordinatenpunkten | |
DE3821083A1 (de) | Drehmomenterfassungsgeraet | |
DE102008015837A1 (de) | Positionsmessgerät und Verfahren zu dessen Betrieb | |
DE2305384C2 (de) | Anordnung zur Bestimmung der Windelstellung und Drehzahl | |
DE3831248A1 (de) | Drehwinkelgeberanordnung | |
DE3631042A1 (de) | Winkelsensor | |
EP2965043A1 (de) | Magnetischer linear- oder drehgeber | |
DE10160450A1 (de) | Anordnung zum Detektieren der Bewegung eines Encoders | |
DE2158320A1 (de) | Vorrichtung zur beruehrungsfreien relativen abstandsmessung | |
DE2332110C3 (de) | Berührungsfreies Meßsystem zur Leistungsmessung | |
DE2923644A1 (de) | Positionsfuehler | |
DE2315471A1 (de) | Stellungsgeber fuer elektrische nachfuehreinrichtungen bei registriersystemen | |
DE3017202C2 (de) | Einrichtung zur Ermittlung der Drehzahl eines drehbaren oder der Frequenz eines linear schwingenden Bauteils aus magnetisch permeablem Material | |
EP2385353A1 (de) | Magnetischer Encoder, insbesondere zur Verwendung in einem Messsystem zur Messung der Absolut-Position eines gegenüber einem Referenzkörper verschiebbaren oder verdrehbaren Körpers, und Messsystem | |
EP2580599B1 (de) | Geschwindigkeitssensor mit costas-schleife | |
DE2407240A1 (de) | Elektromagnetischer impulsgeber zur verschluesselung der winkelstellung und der drehgeschwindigkeit einer drehbaren achse | |
DE4213507C2 (de) | Vorrichtung zum berührungslosen Messen der axialen Lage eines rotierenden Körpers | |
DE2924093A1 (de) | Induktiver differentialweggeber | |
EP0729562B1 (de) | Positionsmelder für die automation | |
DE4320834A1 (de) | Verfahren, Einrichtung und Vorrichtung zur Drehmomenterfassung an Wellen | |
EP0059770B1 (de) | Vorrichtung zum Erfassen eines Magnetfeldes |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8130 | Withdrawal |