DE69113594T2

DE69113594T2 - Motorgesteuertes Positioniersystem mit optischem Reflexiv-Kodierer.

Info

Publication number: DE69113594T2
Application number: DE69113594T
Authority: DE
Inventors: Norman J Bergman; Donald T Dolan
Original assignee: Pitney Bowes Inc
Current assignee: Pitney Bowes Inc
Priority date: 1990-12-24
Filing date: 1991-12-24
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2011-12-25
Also published as: US5103225A; DE69113594D1; CA2058317A1; EP0492621B1; CA2058317C; EP0492621A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein motorgetriebenes Positionierungssystem, das eine optische Codiereinrichtung benutzt, und insbesondere solche Systeme, die einen bürstenlosen Gleichstrommotor nutzen.
Die EP-A-00 68 756 und die US-A-4 228 396 offenbaren Positionierungssysteme in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein reflektierender Photosensor, der einen Sender und einen Detektor in einer einzelnen Einheit umfaßt, ist in SIEMENS COMPONENTS, Vol.18, Nr. 6, Dezember 1983, Berlin, Deutschland, Seiten 229-234: R. Knauer: "SFH-900, a low cost miniature reflex optical sensor." offenbart. Dieses Dokument zeigt getrennte Anwendungen des Reflexphotosensors, für die Geschwindigkeitsregelungen eines Gleichstrommotors und zur Wellencodierung. Im letzteren Fall rotiert eine auf einer Welle montierte Scheibe, die Gittermuster trägt in Bezug auf ein stationäres Element, welches reflektierende Muster trägt. Zwei Reflexphotosensoren sind angebracht, um das Überlappen der beiden Muster zu erfassen und phasenverschobene Signale, die zwischen 0 % und 50 % Intensität variieren, zu erzeugen.
Desweiteren zeigt die DE-A- 2 840 963 einen Elektromotor mit einer reflektierenden optischen Wellencodiereinrichtung, wobei der Signalsender und seine beigeordneten Detektoren auf einer Leiterplatte zusammen mit der Prozeßschaltung auf der Seite seiner drehbaren Codierscheibe vom Motor weg angebracht sind.
Es gibt viele Systeme, die Motoren zum Bewegen verschiedener Objekte einsetzen. Ein Beispiel betrifft ein Postzuteilungssystem, das fünf getrennte Motoren in geschlossenen Kreislaufsystemen benutzt, um die einstelligen Druckräder gleichzeitg während der Postwerteinstellung einzustellen. Ein weiteres Beispiel ist eine Hochgeschwindigkeits-Postbearbeitungsmaschine, die mehrere Motoren zum Bewegen der Umschläge von einem Stapel durch eine Reihe von Stationen, welche Umschläge verdichten, versiegeln und wiegen, mit einem Postzuteilungsmechanimus stempeln und diese dann, mit oder ohne Sortierung gemäß Bestimmungsort, entleeren, benutzen. Siehe z.B. das allgemein anerkannte US- Patent Nr. 4 930 764. Ein darauf bezogenes, genauso allgemein anerkanntes Patent Nr. 4 935 078, beschreibt, wie die verschiedenen Stationen koordiniert werden, um den Prozeß zu beschleunigen. Dies erfordert das Vorhandensein von Motoren, welche genauen Geschwindigkeitsprofilen, einschließlich Starten zu einer bestimmten Zeit, Rampenfunktion zu einer Maximalgeschwindigkeit zu einer späteren, bestimmten Zeit und Beibehalten der Geschwindigkeit für eine bestimmte Zeit fahren können, dann unter kontrollierten Bedingungen verlangsamen und schließlich zu einer bestimmten Zeit und Position stoppen können. Solche Maschinen beinhalten im allgemeinen mikroprozessorgesteuerte, geschlossene Regelkreis(closed loop) -systeme mit bürstenlosen Gleichstrommotoren, die optische Codiereinrichtungen für beides, Positionierung und Kommutierung benutzen. Appliance, Dezember 1988, Seiten 88-92, und Machine Design, August 11, 1988, Seiten 109-113, bieten eine komplette Beschreibung gängiger bürstenloser Gleichstrommotoren, Rotorpositionssensoren, Statorkommutationslogik und der Antriebsschaltung, die erforderlich ist, um solche Motoren zu betreiben.
Heutige hochauflösende ( > 100 cpr [cycles per radiant]), optische Codiereinrichtungen für solche Motoren haben Scheiben, deren Schlitze mittels optischer Ätzungsmethode hergestellt sind. Ein "U"-geformter Sensor wird typischerweise dort verwendet, wo Licht von einem Sender auf einer Seite der Scheibe durch ein Muster beabstandeter Scheibenschlitze zu einem Detektor auf der anderen Seite der Scheibe übertragen wird. Eine phasenverschobene Ausgabe zur Ermittlung der Drehrichtung des Motors wird durch das Montieren zweier separater Senderdetektoren in dem Sensor erzielt, die von dem jeweils anderen durch eine Distanz, welche ein Modulo von α/4 mechanische Grade entlang des Scheibencodiereinrichtungsumfanges aufweist, das ist nα + α/4, wobei n = 0, 1, 2, 3, ... sein kann und α der Schlitz zu Schlitz Abstand ist. Da die Scheibe am Sensor vorbei rotiert, werden der TTL-Abgleich, Phasenverschiebungswelle und Ausgabesignale in Erst- und Zweitkanäle generiert, wobei die Signale im zweiten Kanal um 90º phasenverschoben zu denen des ersten Kanals sind.
Der oben beschriebene Scheibenherstellungsprozeß für eine hochauflösende Codiereinrichtungsscheibe ist teurer als Metallstanzen oder Kunststoffspritzgießen einer niedrig auflösenden Scheibe. Auch verhindert eine "U"-geformte Sensorstruktur, die auf gegenüberliegenden Seiten der motorgetriebenen Scheibe angebracht ist, den Sender/Detektor als Teil einer angrenzenden Leiterplatte einzuschließen, genauso wie sie getrennte Verbindungen erfordert. Diese Verbindungskosten stellen einen nicht unbedeutenden Teil der Codiereinrichtungskosten dar. Mehr noch, bei hochauflösenden Anwendungen sowie den beschriebenen Postmaschinen ist die hochauflösende Codiereinrichtungsscheibe typischerweise hinter der Motorantriebsleiterplatte angebracht, was vor Ort Wartungsaustausch der auf der Leiterplatte montierten Elektronik hinter der Codiereinrichtungsscheibe unmöglich macht. Weiterhin muß bei dieser Anordnung die Motorwelle die Leiterplatte überqueren, was weniger Raum für elektrische Komponenten übrig läßt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Codiereinrichtung für ein motorgetriebenes Positionierungssystem zu schaffen, die mit relativ geringen Kosten hergestellt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Codiereinrichtung zu schaffen, die eine Scheibe umfaßt, welche bei niedrigen Kosten und niedrig auflösenden Methoden wie Metallstanzen oder Kunststoffspritzgießen hergestellt werden kann, und noch in der Lage ist, hochauflösende Leistungen zu bieten.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Codiereinrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor zu schaffen, bei welcher die optischen Sensoren sowie die Motorantriebselektronik alle auf der gleichen Leiterplatte montiert werden können.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile werden teilweise in Übereinstimmung mit der Erfindung wie in Anspruch 1 beschrieben durch Anwendung reflektierender Sensoren erreicht. Als reflektierender Sensor wird ein Sender und Detektor, der eine dem anderen gegenüber, verstanden, im Gegensatz zu den "U"-geformten Anordnungen wie sie in den Codiereinrichtungen gemäß dem Stand der Technik verwendet worden sind. Ein rotierendes Medium ist dem Sensor angrenzend vorgesehen, so daß der Sensor ein Muster von relativ reflektierenden und nicht-reflektierenden Gebieten "sieht", so daß der Detektor Strahlung aufnehmen kann, welche durch den Sender und Reflektor des reflektierenden Gebietes ausgesendet wird, wenn das Medium vor dem Sensor rotiert. Das Medium umfaßt zwei Teile, ein stationäres und das andere, eine rotierende Scheibe mit dem Motor. Die rotierende Scheibe ist angebracht und rotiert zwischen dem stationären Teil und dem Sensor. In einer bevorzugten Ausführung ist eine Spur von reflektierenden/nicht-reflektierenden Gebieten auf den stationären Teil ausgerichtet mit einer Spur beabstandeter, strahlungsdurchlässiger Gebiete auf der rotierenden Scheibe, so daß der Sensor ein Muster reflektierender Gebiete durch die rotierenden Fenster der strahlungsdurchlässigen Gebiete sieht.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wie im Anspruch 1 definiert, ist die rotierende Scheibe auf der Welle über dem stationären Teil angeordnet und eine fixierte Leiterplatte, welche auch auf dem Motor angeordnet sein kann, ist über der rotierenden Scheibe angeordnet, wobei die Leiterplatte sowohl die optischen Sensoren als auch die Motorantriebsschaltung trägt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind viele Spursegmente auf der Codiereinrichtung vorgesehen, welche um einen Bruchteil eines Codierzyklusses versetzt sind. Dies erlaubt relative Positionsinformationen der Motorwelle mit Richtung und verbesserte Auflösung zu erlangen.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die optische Codiereinrichtung zwei Spuren, jede verbunden mit ihren eigenen Sensoren. Eine Spur wird für die Positionserfassung genutzt, und die andere Spur wird für die Kommutierung genutzt. All die Sensoren sind vom reflektierenden Typ und alle sind auf der Seite der Leiterplatte montiert, welche dem Motor zugewandt ist.
Die Arbeitsweise der optischen Codiereinrichtung der Erfindung ist etwas verschieden von denjenigen, der bekannten Codiereinrichtungen, welche Übertragung nutzen. Bei letzteren sieht der Detektor typischerweise die durch einen einzelnen Schlitz hindurchgehende Strahlung von dem Sender, wobei er die Rechteckwellensignale, welche vorher beschrieben worden sind, erzeugt. Die reflektierte Strahlung, die bei der vorliegenden Erfindung erfaßt wird, ist weitergestreut und ist nicht so scharf definiert. Daher ist das Signal, welches durch den Detektor generiert wird, mehr wie eine Sinuswelle als eine Rechteckwelle, welche auf einem im allgemeinen schwach leuchtenden Hintergrund überlagert wird. Daher kann eine Signalaufbereitung erforderlich sein, um die Ausgabe in die konventionellen Reckteckwellen-Signale umzuwandeln, besonders falls es gewünscht ist, den konventionellen Prozeßschaltkreis zur Zuführung der Positions- und Kommutierungsinformationen zu dem Steuermikroprozeßor beizubehalten.
Die Erfindung wird nun mit größeren Details in Hinblick auf verschiedene Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In den Zeichungen sind:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines typischen, geschlossenen Regelkreissystems (closed loop system) zur Erregung eines bürstenlosen Gleichstrommotors;
Fig. 2 eine schematische Sicht, welche eine Form des verbesserten optischen Codiereinrichtungssystems der Erfindung illustriert;
Fig. 3 eine Draufsicht auf das stationäre Codierspurmuster der Codiereinrichtung von Fig. 2, welches die Positionsbestimmung oder nur die Codieraußenspur zeigt;
Fig. 4A, B und C zeigen jeweils oben die Positionen der reflektierenden und nicht-reflektierenden Flächen der bewegten Scheibe und stationäre Muster der optischen Codiereinrichtung aus Fig. 2 zusammen mit verschiedenen Formen der Ausgabesignale;
Fig. 5a ist eine Draufsicht auf die bewegte Scheibe, welche das Layout der Kommutatorspur relativ zu der Codierungsspur zeigt;
Fig. 5b ist eine korrespondierende Sicht der Kommutatorspur auf dem stationären Muster;
Fig. 5c ist eine Sicht, ähnlich Fig. 2, die den Ort des Sensors für die Kommutatorspur illustriert;
Fig. 6 ist eine untere Ansicht der Motorantriebsleiterplatte, die die Positionen der Codiereinrichtung und des Kommutatorsensors zeigt.
Fig. 1 zeigt ein typisches geschlossenes Regelkreissystem nach dem Stand der Technik zum Antreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Der Motor ist schematisch bei 10 gezeigt, auf der rechten Seite mit verschiedenen Kontakten, welche Anschlüsse für einen Multi-Phasen-Stator, welcher mit einem Permanent-Magnetrotor zusammenarbeitet, darstellen. Die gestrichelte Linie zeigt die Verbindung der Gleichstromwelle zu einer Last 11 auf einer Seite und auf der entgegengesetzten Seite zu einer optischen Codiereinrichtungsscheibe 12. Die Scheibe 12 hat beide, eine äußere und eine innere Kommutationsspur, wobei jede mit ihrem entsprechenden Sensoren zusammenarbeitet. Der Positionssensor für die äußere Codierspur ist mit einem Verstärker 13 verbunden, welcher ein elektrisches Signal, welches in einen Analog-Digital-Wandler 14 eingegeben wird, generiert und dessen digitale Ausgabe in einen Summierer 15 eingegeben wird. Der Summierer 15 empfängt auch eine Eingabe von einem Block 16, welcher die gewünschte Position darstellt. Typischerweise würde die Information, welche durch den Block 16 gegeben wird, eine bestimmte Anzahl von Zählern der Codierschlitze sein. Sollte die tatsächliche Position oder der Zähler, welcher von dem Analog-Digital-Wandler 14 abgeleitet ist, von der gewünschten Position, eingegeben von dem Block 16, abweichen, generiert der Summierer 15 ein Positionsfehlersignal, welches typischerweise gefiltert ist 16 und einem Digital-Analog-Wandler 17 eingegeben wird, dessen Ausgabe 18, gespeist durch die Stromversorgung 19 verstärkt ist und diese Ausgabe wird zu einem Schalter 23 gesandt. In der Zwischenzeit sind die inneren Kommutatorspurschlitze erfaßt und verstärkt 21 und einem Decodierer 22 eingegeben worden, und die Ausgabe des Decoders steuert die Position des Schalters 23, um sicherzugehen, daß der fehlergesteuerte Antriebsstromkreis durch die passenden Windungen des Multi-Phasen-Stators des Motors geschickt wird, um dafür zu sorgen, daß die Welle an die gewünschte Position gefahren wird. Dieses System ist detaillierter in den oben angegebenen bezogenen Anmeldungen, Serial-Nr. 423,330 und 423,822 (Patent-Nr. jeweils 5 021 781 und 5 121 327) beschrieben. Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte, optische Codiereinrichtung. Sie kann nicht nur in dem System, welches in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben worden ist, verwendet werden, sondern auch in vielen anderen Anwendungen, ob mit geschlossenem Regelkreis oder mit offenem Regelkreis, ob genutzt für Postmaschinen oder in anderen Anwendungen.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht des verbesserten, optischen Codiereinrichtungssystems. Das System ist schematisch dargestellt durch einen Teil eines Motors, bezeichnet mit 30, mit einer Ausgangswelle 31. Auf der Ausgangswelle ist eine mit dieser rotierende, optische Codierscheibe 32 montiert. Die Codierscheibe 32 ist mit einer bestimmten Distanz, gekennzeichnet durch 33, von der flachen Oberseite der sogenannten Motor-Kunststoff-Endglocke 29 beabstandet, welche normalerweise am Motorgehäuse angebracht und montiert ist, und welche unter anderem der thermischen Isolierung der optischen und elektronischen Komponenten über ihr von der Hitze, welche von dem Motor erzeugt wird, dient. Eine Leiterplatte (PCB) 36 ist auf einem Träger, der unter 35 schematisch dargestellt ist, montiert, welcher den Schaltkreis oder den größten Teil des Schaltkreises, welcher den Motorantrieb für den Gleichstrommotor vorsieht, trägt und der in Fig. 1 dargestellt ist. Die Leiterplatte 36 ist parallel und in einer festen Position relativ zu der Codierscheibe 32 und der flachen Fläche 37 des Motors und der Endglocke 29 montiert. Der Antriebsstromkreis, welcher nicht gezeigt ist, ist typischerweise auf der oberen Fläche der Leiterplatte vorgesehen, obwohl Raum für einige der Stromkreise auf der unteren Fläche verfügbar ist. Die Motorwelle 31 endet unter der Leiterplatte 36. Ebenfalls auf der unteren Fläche der Leiterplatte ist ein reflektierender Sensor 40 montiert. Der reflektierende Sensor 40 ist eine konventionelle handelsübliche Komponente, welche dataillierter in den referenzierten aufeinander bezogenen, gemeinhin anerkannten US-Patenten Nr. 4 924 106 und 4 886 976 beschrieben ist. Er besteht im wesentlichen aus einem kleinen Strahlungssender (in den Zeichnungen mit E bezeichnet), typischerweise eine LED, welche Infrarot-Strahlung ausstrahlt, der neben und entlang eines Photodetektors (in den Zeichnungen mit D bezeichnet), typischerweise einem Phototransistor angebracht ist. Die Aktivfenster, durch welche der Sender Stahlung sendet, gezeigt durch den Pfeil 41, und durch welche der Detektor reflektierte Strahlung empfängt, angedeutet durch den Pfeil bezeichnet mit 42, liegen beide in der gleichen Ebene, in dieselbe Richtung weisend, in diesem speziellen Fall abwärts in Richtung der Codierscheibe 32 weisend. Der Abstand ist so, daß Strahlung von dem Sender, welche ausreichend von den Strukturen darunter reflektiert worden ist, von dem Detektor des Sensors empfangen wird, wobei sie ein elektrisches Signal erzeugt, welches in der gleichen Weise wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben verarbeitet werden kann, mit einigen kleineren Ausnahmen, welche detiallierter unten beschrieben werden.
In einer stationären Position auf dem Motor und der Glocke 29 ist ein stationäres Muster 34 angebracht, auf welches von Zeit zu Zeit als eine Scheibe Bezug genommen wird, die reflektierende und nicht-reflektierende Gebiete beinhaltet.
Alternativ kann das stationäre Muster auf einer stationären Scheibe eingeprägt sein, welche unter der beweglichen Scheibe 32 angebracht ist und ungefähr den gleichen Durchmesser hat.
Die Codierscheibe 32 hat in einer Ausführung eine äußere Spur 43 (Fig. 5A), welche ein gleichförmiges Muster reflektierender Gebiete und Löcher oder Öffnungen oder tranparenter Fenster, welche der Strahlung erlauben hindurchzugehen, beinhaltet. Falls die Scheibe 32 aus Kunststoff hergestellt ist, kann ein passendes, reflektierendes Material auf der Oberfläche 44, auf der den Sensor 40 zugewandten Seite beschichtet werden. Falls die bewegliche Scheibe aus einem reflektierenden Metall hergestellt ist, ist möglicherweise keine reflektierende Beschichtung erforderlich. In Fig. 5A, welche eine Ansicht der Fläche 44 der Codierscheibe 32, welche dem Sender 40 zugewandt ist, zeigt, sind die reflektierenden Flächen durch weiße Gebiete 45 bezeichnet, und die Löcher sind durch schraffierte Gebiete 46 bezeichnet. Die Breite der reflektierenden Gebiete 45 und der Löcher 46, jeweils durch die Nummern 47 und 48 in Fig. 5 dargestellt, sind die gleichen. Alternativ kann die gesamte Fläche 44 der beweglichen Scheibe 32, welche dem Sensor 40 zugewandt ist, mit einer reflektierenden Oberfläche beschichtet sein und die Löcher sind an den Stellen, die mit 46 in Fig. 5A bezeichnet sind, vorgesehen. In jedem Fall stellt die kombinierte Breite der angrenzenden Löcher und reflektierenden Gebiete einen Codierzyklus dar, der mit α in Fig. 5A bezeichnet ist und mit dem gleichen Symbol α korrespondiert, das weiter oben in Verbindung mit der Beschreibung des Systems vom Stand der Technik gebraucht worden ist. Da die bewegliche Scheibe 32 unter dem Sensor 40 rotiert, wird Strahlung vom Sender zu dem stationären Muster 34, welches unterhalb angeordnet ist, hindurchgehen, wenn oder jedes Mal, wenn ein Loch 46 in Deckung mit dem Sensor ist.
Eine Draufsicht auf das stationäre Muster 34, welches dem Sensor 40 gegenübersteht, ist in Fig. 3 dargestellt. Es beinhaltet eine Reihe nicht-reflektierender Gebiete, dargestellt durch Schraffur und bezeichnet durch die Referenz-Nr. 50 und angrenzende, reflektierende Flächen, welche hell in der Zeichnung dargestellt sind und mit 51 bezeichnet sind. Diese äußere Spur 52 des Musters ist unterteilt in 3 Segemente, welche als Segment #1, Segement #2 und Segment #n bezeichnet sind. Diese Bereitstellung mehrerer Segmente auf dem nicht-reflektierenden/reflektierenden Muster 52 auf der stationären Scheibe 34 wird genutzt, um die Rotationsrichtung zu erfassen und die Auflösung zu vergrößern. Wie bei der beweglichen Scheibe 32, ist die Breite der reflektierenden und nicht-reflektierenden Gebiete 51 und 50 auf dem stationären Muster die gleiche. Ähnliche und angrenzende Paare nicht-reflektierender 50 und reflektierender Gebiete 51 sind in Fig. 3 durch das Symbol α, welches einen Codierzyklus α repräsentiert, bestimmt. Daher ist über einen Zyklus der stationären Codierspur 52 eine Hälfte eines Zyklusses mit reflektierendem Material beschichtet, während die andere Hälfte mit einer nicht- reflektierenden Beschichtung ausgestattet ist. Tatsächlich müssen die nicht-reflektierenden Gebiete 50 nicht mit einer besonders nicht-reflektierenden oder anti-reflektierenden Beschichtung ausgestattet sein, falls das stationäre Muster aus einem Kunststoffüberzug geformt ist, da der Kunststoff- Luft-Übergang typischerweise nur einen Betrag von 4% der eigenen Stahlung der LED reflektiert.
Fig. 4A stellt den Betrieb mit den gleichen schraffierten und nicht-schraffierten Gebieten dar, die die gleichen Oberflächenbedingungen wie in den Figuren 3 und 5 repräsentieren. Im Betrieb, wenn die bewegliche Scheibe 32 zwischen dem stationären Muster 34 und dem feststehenden Sensor 40 rotiert, sieht der reflektierende Sensor 40 eine reflektierende Fläche, die zwischen 50% bis 100% der totalen Fläche, die für ihn sichtbar ist, variiert. Die Erfassungsspannung oder die Signalausgabe der Detektorhälfte wird in korrespondierender Weise variieren. Dieses Ausgabesignal ist unter 55 in Fig. 4B gezeigt. Wie beobachtet wird, ist die Detektorausgabe ein Minimum, wenn ein Loch 46 auf der beweglichen Scheibe 32 unter dem Sensor 40 vorhanden ist, während eine nicht-reflektierende Fläche 50 auf dem stationären Muster 34 ebenfalls vorhanden ist, wie an den linken und rechten Enden der Kurve 55 in Fig. 4 gezeigt. Die Detektorausgabe ist ein Maximum, wenn ein Loch 46 in der beweglichen Scheibe 32 sich in Deckung mit einer reflektierenden Fläche 51 auf dem stationären Muster befindet, welches in der Mitte der Kurve 55 von Fig. 4B dargestellt ist.
Es ist wünschenswert, die gleiche Elektronik nutzen zu können, wie sie in solchen konventionell geschlossenen Regelkreissystemen genutzt wird, aus welchem Grund die zu verarbeitenden Signale Rechteckwellenform haben sollten. Dies wird leicht durch die zur Verfügungstellung eines konventionellen Aufbereitungsstromkreises zur Konvertierung der Sinussignale, dargestellt in 55, in die Rechteckwellensignale, dargestellt darunter mit 56, erreicht, z.B. durch Anwendung einer Standard Schmidt-Trigger- Schaltung, die voreingestellt ist, dann auszulösen, wenn die Sinussignalspannung einen vorbestimmten Schwellenwert 57 überschreitet, welcher ungefähr 30% bis 60% der Amplitudenbreite zwischen ihrem Maximum- und Minimumsignal ist. Der Weg, dieses zu implemtieren, wird für die Fachleute offensichtlich sein.
In dem soweit beschriebenen Ausführungsbeispiel beinhaltet die bewegliche Scheibe 32 eine reflektierende Fläche, mit einem Muster strahlungsdurchlässiger Fenster, das mit einem stationären Muster, welches aus reflektierenden und nicht- reflektierenden Gebieten besteht, zusammenwirt, um ein im allgemeinen sinusförmiges Signal zu erzeugen, das zwischen ungefähr 50% bis 100% der totalen vom Sensor gesehenen sichtbaren Fläche variiert.
Die Vorteile eines Systems der Erfindung ist, daß vernünftig hohe Auflösung mit der Codierscheibe der Erfindung erreicht wird, obwohl sie, wie vorher beschrieben, mit einem erheblich niedrig auflösenden Herstellungsprozeß hergestellt werden kann. Ein anderer wichtiger Vorteil ist, daß die Sensoren auf der äußeren fixierten Leiterplatte montiert werden können, und daher leicht zugänglich für vor-Ort-Wartungsarbeiten sind. Desweiteren sind die Genauigkeitszwänge bezüglich der Anordnung der Sensoren niedriger. Auch ist mehr Leiterplattenraum für Schaltungen verfügbar. Das gleiche gilt für die Stromkreise, welche auf den Schaltungen vorhanden sind. Schließlich sind die Kosten des Systems relativ gering, da diese Sensoren vom reflektierenden Typ relativ billig sind.
Die vielfachen Segmente auf dem stationären Muster, welches oben beschrieben worden ist, haben die Funktion, die Richtung der Rotation der Motorwelle zu erfassen und die Codierauflösung zu verbessern. Wenn getrennte Segmente benutzt werden, von denen drei in dem Beispiel, dargestellt in Fig. 3, gezeigt sind, ist jedes Segment um einen Umfangsabstand α/n von jedem angrenzenden Segment versetzt. Die gestrichelte Linie 58 in Fig. 3 repräsentiert das, was als der virtuelle Ort des Segments #1-Spur bestimmt werden kann, um den Versatz für das zweite Segment darzustellen, und die gestrichelte Linien 59 zeigen den virtuellen Ort des #1- Segments für das n-te Segment. Die maximale Anzahl der genutzten Segmente wird im allgemeinen durch das elektronische Flackern, das durch zu enge Abstände gegenüber dem verfügbaren Detektor-Umschlagfenster resultieren kann, limitiert. Ein Minimum von zwei Segmenten ist für die Richtungserfassung erforderlich. Ein Sensor 40 ist über jedem Segment angebracht, so daß das Signal, welches von jedem erzeugt wird, leicht phasenverschoben mit dem des angrenzenden Sensors ist. Die Bearbeitung dieser phasenverschobenen Signale gibt die Richtung und vergrößerte Auflösung an. Dadurch erzeugt jedes Segment, bestehend aus einer Vielzahl reflektierender 51 und nicht-reflektierender 50 Gebiete, drei von jedem im Beispiel von Fig. 3, zusammen mit ihrem Sensor ein unabhängiges Signal, welches durch Umwandlungen eine Zykluswellenlänge entfernt charakterisiert ist. Der leichte Versatz der Segmente bedeutet, daß die jeweiligen Übergänge um einen Bruchteil einer Wellenlänge versetzt wind. So kann mit zwei Segmenten ein halber Zyklenversatz auftreten und mit drei Segmenten ein 1/3- Zyklusversatz. Der präzise Betrag des Versatzes ist nicht entscheidend, solange die resultierenden Signale identifiziert und durch entsprechende Logikschaltkreise in Steuersignale für den Motor verarbeitet werden können. Bei der einfachsten Anordnung könnten die Segmente gleich entlang der Spur verteilt sein. Die resultierende Codierauflösung wird 2 n bewegliche Scheibe Zähler pro Umdrehung sein, wobei n die Anzahl bestimmter Segmentgruppen auf dem stationären Muster von Fig. 3 ist. Die Standardschaltung, die in einer programmierbaren Datenfeldhalbleitereinrichtung codiert ist, kann dazu verwendet werden, die Ausgabe zu decodieren, um zusätzlich die Rotationsposition und Rotationsrichtung zur Verfügung zu stellen.
Ein Merkmal der Erfindung ist, daß eine Kommutationsspur für den bürstenlosen Motor leicht auf der gleichen Codiereinrichtungsstruktur eingebaut werden kann. Dies ist in den Figuren 5 und 6 illustriert. Eine Kollektorspule 60 ist auf der bewegten Scheibe 32 in der Codierspur 43 vorgesehen. Vier in 45º-Bogen ausgeschnittene segementierte Löcher, dargestellt durch die schraffierten Gebiete 62, sind auf der reflektierenen Fläche 44 der bewegten Scheibe 32 vorgesehen. Diese wirken zusammen mit und sind ergänzt durch eine nicht- reflektierende ringförmige Region 64 auf dem stationären Muster 34, dargestellt durch das schraffierte Gebiet in der Form einer kreisförmigen Spur innerhalb der Codierspur in Fig. 5B. Das Kommutierungssystem stellt drei reflektierende optische Sensoren 66 zur Verfügung, die auf der Leiterplatte 36 angebracht sind, welche an die Codierspur-Sensoren 40 angrenzen. Fig. 5c ist eine Ansicht ähnlich der Fig. 2, die einen der Sensoren 66 für die Kommutatorspule zeigt. Eine Unteransicht der Leiterplatte 36, die die Relativposition der beiden der Codierspur-Sensoren 40 und der Kommutatorspuren 66 zeigt, ist in Fig. 6 dargestellt. Drei reflektierende Sensoren 66 werden für einen 3-Phasen bürstenlosen Gleichstrommotor genutzt. Falls weniger oder eine größere Anzahl von Phasen oder Windungen vorhanden sein sollten, müßte ein Sensor für jede der Phasen zur Verfügung stehen. Eine passende Schaltung ist mit diesen Kommutatorsensoren 66 verbunden, um die notwendigen Kommutationslogiksignale zu erzeugen, welche die identische Schaltung sein kann, wie sie bei einem System nach dem Stand der Technik genutzt wird, aber wiederum mit der Modifikation der Signalaufbereitung, um das gewünschte Rechteckwellensignal für geeignete Bearbeitung zu erzeugen. Die Beabstandung 33 in Fig. 2 zwischen der beweglichen Scheibe 32 und dem stationären Muster 34 bewegt sich vorzugsweise zwischen 0,010 und 2,015 inch, um adäquate Reflektion in einer wohldefinierten Weise zu gewährleisten, wenn die bewegte Scheibe rotiert.
In der Postmaschinenanwendung, die vorhergehend beschrieben worden ist, ist die enge Koordination der verschiednen Stationen, welche die Post bearbeiten, wichtig. Typischerweise werden getrennte Motoren für den Transport innerhalb jeder Station und bei Gelegenheit zwischen Stationen verwendet. Wenn das System dafür ausgelegt ist, Post bei Hochgeschwindigkeit zu bearbeiten, ist genaue Positionierung der Poststücke erforderlich. Desweiteren sind viele der Motoren nicht kontinuierlich in Betrieb, sondern werden ständig gestartet und gestoppt. Wenn der Motor von einer vorher gestoppten Position startet, ist es in dieser Anwendung wichtig, die absolute Position der Welle zu kennen. Dafür sind Sensoren in dem Maschinenbett, welche die Anwesenheit von Poststücken erfassen, und ein Mikroprozessor wird dann aktiviert, um diese Information zu nutzen, um stromabwärts Motortransporte zu starten, so daß sie zu dem Zeitpunkt, wenn das zu bearbeitende Poststück ankommt, auf der entsprechenden Geschwindigkeit sind. Während in der Regel ein System, das reflektierende Sensoren benutzt, allein mit der bewegten Scheibe arbeiten kann, die mit einem gewünschten Muster reflektierender und nicht-reflektierender Gebiete ausgestattet ist, hat die Ausstattung des stationären Musters daneben den Vorteil, daß die Kombination der Muster, repräsentiert durch die reflektierten Signale, eine sehr viel genauere, relative Position der Motorwelle, welche abgeleitet werden kann, ermöglicht. Daher wird jemand mit solch einem System immer noch exakt wissen, wann es schließlich gestoppt ist, wieviele volle und Teilumdrehungen stattgefunden haben, basierend auf der Zahl der Rechteckwellenimpulse 56, dargestellt in Fig. 4C, falls es möglich ist, die genaue Position der Motorwelle in einem stehenden Zustand festzustellen und wann es gestartet und betrieben wird und zu einer neuen Position bewegt wird über vielleicht viele Umdrehungen. Dies vereinfacht erheblich die Überarbeitung und das Spuren der verschiedenen Postbearbeitungstationen, weil die Koordination auf den Bett-Sensor-Trigger-Puls, und die Anzahl der Zähler, die die Differenz zwischen der alten und der neuen Rotorposition des Motors repräsentieren, gegründet werden kann. Aus diesem Grund sind auch der zweite Satz der phasenversetzten Signale in einem zweiten Kanal der Codiereinrichtungsspur 52 notwendig, und werden in ähnlicher Weise, wie bei einem System nach dem Stand der Technik, bearbeitet. Daher würden, für die Codiereinrichtungsspur 43 zwei Segmente angenommen, zwei separate Sensoren 40, die in Fig. 4 gezeigt sind, mit dem Umfangsabstand 70, der im wesentlichen = Iα + α/n ist, wobei I ein Integer Wert und n die Anzahl der Segmente, hier = 2, ist, zur Verfügung gestellt. Daher wird die Ausgabe vom Führungssensor in Phase sein und die Ausgabe von dem Folgesensor um 90º phasenverschoben sein, für dieses zwei-Segment-System wie in dem konventionellen System. In einer praktischen Ausführung mit einer 10 mil (10 10-3 inches)Breite der reflektierenden und nicht-reflektierenden Gebiete ist es möglich, eine Auflösung zu erzielen, die 250 Zählern pro Motorwellenumdrehung entspricht. Dies ist bemerkenswert hoch, wenn man die niedrigauflösende Herstellungsmethode für beide, die bewegte Scheibe und das stationäre Muster, berücksichtigt. Die Anwesenheit dieser drei Kollektorsensoren wie in dem Beispiel, dient, wie oben angedeutet, dazu, die drei Windungen eines konventionellen 3-Phasen-Motors anzutreiben.
Während die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungen beschrieben und dargestellt worden ist, können viele Variationen und Modifikationen die für Fachleute offensichtlich sind, durchgeführt werden, ohne sich vom Umfang der Erfindung, wie sie anhängend definiert ist, zu entfernen. Die Erfindung, wie sie in den anhängenden Ansprüchen fortgeführt ist, ist daher nicht auf die präzisen Details der Konstruktion, wie oben ausgeführt einzuschränken, da solche Variationen und Modifikationen im Umfang der anhängenden Ansprüche eingeschlossen sind.

Claims

1. Rotorwellengetriebenes Posititionierungssystem für einen Elektromotor mit einer optischen Codiereinrichtung zum Zuführen mindestens eines ersten elektrischen Signals zum Bestimmen der Rotor(31) -position und eines zweiten elektrischen Signals zum Kommutieren des Motorantriebsstromes, wobei

(a) die optische Codiereinrichtung ein Muster von relativ reflektierenden und nicht-reflektierenden Gebieten aufweist und eine an der Motorwelle befestigte und mit dieser drehbare Scheibe umfaßt,

(b) mehrere Strahlungssende(E)-, und Detektor(D) -einrichtungen (40) so angebracht sind, daß die Strahlung von mindestens jeweils einer der mehreren Sendeeinrichtungen, die von den reflektierenden Gebieten reflektiert worden ist, von mindestens jeweils einer der mehreren Detektoreinrichtungen erfaßt wird,

(c) eine Einrichtung, die mit der Detektoreinrichtung verbunden ist, zum Gewinnen mindestens eines der ersten und zweiten elektrischen Signale von der erfaßten Strahlung, die von den reflektierenden Gebieten reflektiert wird, vorgesehen ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die optische Codiereinrichtung ein stationäres Muster (34) aus reflektierenden und nicht- reflektierenden Gebieten aufweist und die Scheibe (12, 32) zwischen dem stationären Muster und mehreren Sende- und Detektoreinrichtungen angeordnet ist und ein Muster reflektierender Gebiete (45) und Gebiete (46) aufweist, welche der Strahlung erlauben hindurchzugehen, um teilweise durch das stationäre Muster reflektiert zu werden;

und des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß

(e) die Sende(E)- und die Detektor(D) -einrichtungen auf einer Leiterplatte (PCB) (36) montiert sind, die auf der dem Motor abgelegenen Seite der Scheibe montiert ist, wobei die Leiterplatte auch die Motorantriebsschaltung trägt.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung des Elements (c) so funktioniert, daß sie beide, die ersten und zweiten elektrischen Signale gewinnt.

3. System nach Anspruch 2, wobei mindestens die Scheibe oder das stationäre Muster getrennte Codiereinrichtungs(43)-, und Kollektor(60) -spuren zum Gewinnen der jeweils ersten und zweiten elektrischen Signale umfaßt, wobei die Codiereinrichtungsspur Paare von Licht beeinflussenden und nicht Licht beieinflussenden Gebieten, welche jeweils eine Breite eines Codierzyklusses α aufweisen, umfaßt.

4. System nach Anspruch 3, wobei zwei Strahlungs- und Sendeeinrichtungen für die Codiereinrichtungsspur vorgesehen sind, jede über einem Segment des stationären Musters angebracht, um Iα + α/n von einem angrenzenden Segment versetzt, wobei I ein Integer Wert ist, und n die Anzahl der unterschiedlichen Segmente des Musters darstellt.

5. System nach Anspruch 4, wobei das stationäre Muster eine erste Spur angrenzender reflektierender und nicht- reflektierender Gebiete umfaßt.

6. System nach Anspruch 5, wobei die erste Spur in mehrere Segmente unterteilt ist, jedes leicht von dem angrenzenden Segment versetzt.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die bewegliche Scheibe ein erstes Spurmuster aus Löchern umfaßt.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das stationäre Muster in ersten und zweiten Spuren angeordnet ist und die Scheibe erste und zweite Spuren gemusterter Löcher aufweist.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motor eine Endglocke aufweist und das stationäre Muster auf der Endglocke ist.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motor ein bürstenloser Gleichstrommotor ist.

11. Postbearbeitungsmaschine, welche ein System umfaßt wie es in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht wird.