DE69636794T2

DE69636794T2 - Optischer kodierer zum betreiben eines elektromotors

Info

Publication number: DE69636794T2
Application number: DE69636794T
Authority: DE
Inventors: G. Ormonde Jordanville DURHAM
Original assignee: Opto Generic Devices Inc
Current assignee: Opto Generic Devices Inc
Priority date: 1995-02-27
Filing date: 1996-02-27
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2016-02-28
Also published as: CA2247353A1; JP4377427B2; CN1501051A; EP0885376B8; EP0885376B1; CA2247353C; EP0885376A4; US5665965A; WO1996027118A1; DE69636794D1; CN1982851B; CN1256571C; EP0885376A1; ATE349681T1; JP2008118853A; CN1982851A

Description

Allgemeiner Stand der Technik
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein optische Codiervorrichtungen und -verfahren, und insbesondere optische Codiervorrichtungen und -verfahren zum Umwandeln der periodischen Bewegung einer elektromechanischen Maschine in bedeutungstragende elektrische Signale, die dazu benutzt werden können, die Maschinen anzutreiben und zu steuern. Ein wichtiges Gebiet solcher Vorrichtungen und Verfahren betrifft die Steuerung des Betriebs eines Elektromotors.
2. Stand der Technik
Der für die vorliegende Erfindung relevanteste Stand der Technik liegt auf dem Gebiet der Elektromotorsteuerung und der Kommutierung. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Gebiet beschränkt ist. Da die wichtigste Anwendung der vorliegenden Erfindung die Steuerung des Betriebs eines Elektromotors betrifft, beziehen sich die nachfolgenden Erörterungen hauptsächlich auf dieses Gebiet.
Die vorliegende Erfindung kann als eine einfache Vorrichtung und als ein Verfahren für die variable Drehzahlsteuerung von Wechselstrom-(AC)-Motoren implementiert werden, die die normale Betriebseffizienz weiter verbessern oder erhöhen können. Diese Implementierung beinhaltet die direkte optisch-elektrische Kommutierung von Einzel- und Mehrphasen-AC-Induktionsmotoren, kann aber auch für andere AC- und bürstenlose Gleichstrom-(DC)-Motoren angepasst werden.
Im Allgemeinen beinhaltet die Kommutierung bei AC-Induktionsmotoren die Benutzung der AC-Leistungsfrequenz, um in den geeigneten Statorwicklungen einen induzierten Strom bereitzustellen, wodurch ein magnetischer Fluss erzeugt wird, der wiederum einen Strom und einen resultierenden magnetischen Fluss in den Ankerwicklungen induziert. Bei richtiger Synchronisierung oder Abstimmung wird zwischen den zwei Flüssen ein Drehmoment oder eine Kraft erzeugt, die den Anker in Bewegung versetzt.
Die Bewegung des Ankers, oder die Motordrehzahl, ist direkt proportional zu der Frequenz der Eingangsleistung bei einem spezifischen Spannungspegel. Normalerweise sind die AC-Motoreingangsspannung und die Frequenz unveränderlich, was wiederum die Drehzahl des Ankers festlegt. Bei AC-Induktionsmotoren kommt es zu einem bestimmten „Frequenzschlupf" zwischen der Stator- und der Ankerfrequenz. Das heißt, die Drehzahl des Ankers ist geringer als die Drehzahl des Magnetfelds des Stators. Die Steuerung der Drehzahl des Ankers kann durch richtige Koordination verschiedener Frequenzen, Spannungen, Polzahlen, Anzahlen von Wicklungen oder Phasen, Schlupfgröße usw. erreicht werden.
Gegenwärtige Verfahren zum Variieren und Steuern der Drehzahl eines AC-Motors (oder bürstenlosen DC-Motors) beinhalten normalerweise eine Art mit dem Motor verbundener Drehzahlmessvorrichtung, die einem Mikroprozessor, einem Wechselrichter oder einer Vektorsteuerung und einem Vektorantrieb Rückkopplungs- oder Eingangssignale zuführt, welche dann analysiert, angepasst, variiert, geformt usw. werden, um die Frequenz, die Spannung und den Leistungsbedarf des Motors abzustimmen. Das/die Signal(e) von dem Mikroprozessor, dem Wechselrichter oder dem Vektorantrieb steuern die Frequenz, Leistungsimpulsweiten, Strom- und Spannungsamplitude(n), Phase(n), oder verschiedene Kombinationen dieser Parameter. Diese Verfahren des Stands der Technik sind im Allgemeinen komplex, kostenintensiv und umständlich. Sie benötigen normalerweise eine Eingabevorrichtung oder ein Eingabeverfahren für die Drehzahlmessung, eine separate Analyse- und Steuersignalformungseinheit und einen Antrieb für den Leistungsausgang, die alle richtig miteinander verbunden und synchronisiert sein müssen.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von den oben genannten Verfahren, indem sie eine einzige Vorrichtung zum Messen, Analysieren und Steuern der Drehzahl sowie des Drehmoments und des Leistungsausgangs verwendet, und dabei weniger Energie verbraucht. Ähnlich wie andere Verfahren verknüpft die vorliegende Erfindung die Motordrehzahl mit der Eingangsleistungsfrequenz und -spannung, erreicht diese Verknüpfung jedoch ohne einen Großteil der Komponenten, die von anderen variablen Drehzahlverfahren benutzt werden. Der Codierer der vorliegenden Erfindung benutzt das neuartige Konzept der „optischen Programmierbarkeit", um über direkte Kommunikation die Drehzahl, die Richtung, den Schlupf und die Phasierung des Motors abzustimmen, anzupassen, zu profilieren und zu steuern, und bei geringerem Energieverbrauch das Drehmoment und die Leistung zu erhöhen.
Von anderer Seite wurden Verfahren zum Benutzen optischer Codierer für die DC-Elektromotorkommutierungssteuerung offenbart. Bei diesen Verfahren könnten die benutzten optischen Elemente – Lichtemitter, Detektoren und Codescheiben – jedoch ebenso Widerstands-, Magnet- oder „elektrisch" variierende Elemente sein. Der Grund dafür ist, dass diese Verfahren nur den eindimensionalen optischen „Blendenverschluss" betreffen, d.h. das bloße Senken und Erhöhen der Lichtintensität, oder das Blockieren und Freigeben des Lichtwegs, um entweder einen Sinuswellen- oder Rechteckwellenausgang zu erzeugen. Derartige Wellenformen können ebenso von nicht optischen Elementen erzeugt werden.
Die folgenden Patentschriften offenbaren optische Codierer, die eine rotierende Codescheibe verwenden, die in Kombination mit einer fest angeordneten Scheibe, Maske oder Zielmarke arbeitet, um eine sinusförmige Signalwellenform zu erzeugen: US-Patentschrift 3,193,744 an Seward; US-Patentschrift 4,160,200 an Imamura; US-Patentschrift 4,224,515 an Terrell; US-Patentschrift 4,429,267 an Veale; US-Patentschrift 4,599,547 an Ho; und US-Patentschrift 5,103,225 an Dolan et al. Die folgenden Patentschriften offenbaren die Benutzung eines optischen Codierers, der nur eine Codescheibe oder ein Coderad ohne stationäre Maske oder Zielmarke verwendet, wodurch Rechteckimpulse zur Benutzung für Kommutierungs- und Tachometerfunktionen erzeugt werden: US-Patentschrift 4,353,016 an Born; US-Patentschrift 4,882,524 an Lee; und US-Patentschrift 5,198,738 an Blaser et al. Zuletzt offenbart US-Patentschrift 5,177,393 an Webber einen optischen Codierer, der zur Kommutierung eines bürstenlosen DC-Motors benutzt wird und eine reflektierende Codescheibe verwendet, die mit einem sinusförmigen Muster bedruckt ist.
Alle in diesen Patentschriften offenbarten Codierer sind eingeschränkt, indem sie die Wellenform der Motorkommutierungssignale nicht optisch in eine gewünschte Form bringen können, um die Steuerung von Drehzahl, Richtung, Schlupf, Phasierung, Drehmoment und Leistungsausgang des Motors zu optimieren. Mit anderen Worten, sie sind nicht „optisch programmierbar". Außerdem benötigen viele der in diesen Patentschriften vorgestellten Codierer zusätzliche „Steuer"-Komponenten für die Kommutierung, um Rechteckwellen-Antriebssignale zu erzeugen und sie an die Pole und Wicklungen des Motors anzupassen. Darüber hinaus sind alle genannten patentierten Codierer von der physikalischen Anordnung, Größe, Form und Interaktion aller optischen Elemente abhängig. Außerdem bieten die Codierer dieser Patentschriften keine Flexibilität in der Auslegung, oder praktische und bezahlbare Implementierungen.
Die Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung verwenden den optischen Codierer selbst als eine „optisch programmierbare" Vorrichtung, die die mechanische Bewegung einer Maschine direkt messen, interpretieren und in programmierte elektrische Signale umwandeln kann, die mit der Maschine und mit anderen Steuerelementen kompatibel sind. Der Codierer wird optisch programmiert, indem er eine vorbestimmte optische Funktion implementiert und optische Elemente mit einbezieht, die graphisch oder geometrisch geformt werden können, so dass sie nahezu jede mathematische oder algebraische Wellenformfunktion darstellen können. Der Codierer kann wenigstens ein elektrisches Signal erzeugen, das eine vorbestimmte Wellenform aufweist, die eine Transformation der optischen Funktion ist. Da das elektrische Signal ein direktes Ergebnis der „periodischen" Bewegung der Maschine ist, an die der Codierer gekoppelt ist, kann es benutzt werden, um zu steuern (wie ein normaler Codierer), zu formen und zu verstärken (wie ein Mikroprozessor), zu modifizieren und zu kommutieren (wie ein Wandler) und zu variieren (wie ein Verstärker). Der Begriff „periodisch" soll für die Zwecke dieser Anmeldung, ohne Beschränkung, eine wiederkehrende, wiederholte, regelmäßige, rotierende, pendelnde und harmonische Bewegung einschließen.
Was die vorliegende Erfindung von den bisher vorgestellten Verfahren und Vorrichtungen abhebt, ist die Fähigkeit der Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung, nahezu jedes mathematische oder algebraische elektronische Ausgangswellenformmuster über optische Programmierung zu erzeugen, zu formen, zu modifizieren und zu steuern.
3. Die Philosophie des Erfinders
Meine Ansicht, mein Ansatz und mein Blickwinkel in Bezug auf Codierer und das Codieren weisen große Ähnlichkeit mit denen in Bezug auf Elektronik und elektrische Schaltkreise auf. Insbesondere glaube ich, dass die optische Codierung (optical encoding – OE) sich auf einer ähnlichen Schwelle befindet, wie dies vor 30 oder 40 Jahren für integrierte Schaltkreise (ICs) der Fall war. Bei ICs handelte es sich in vielerlei Hinsicht nur um eine neue Verpackung (Packaging) bekannter elektronischer Schaltkreise. Diese Neuverpackung bedeutete anfangs nicht mehr, als existierende elektronische Schaltkreise, Komponenten usw. in einer einzigen, kleineren, kosteneffizienteren Vorrichtung zu integrieren. Diese einfache „Neuverpackung" entwickelte sich jedoch rasch weiter und revolutionierte zuletzt nicht nur die Neuverpackung existierender Schaltkreise, sondern schuf im wahren Sinne des Wortes neue Märkte, Wirtschaftszweige und elektronische Schaltkreise. Viele dieser Schaltkreise waren von dem IC nur konzeptualisiert oder mathematisch dargestellt worden, und in einigen Fällen noch nicht einmal vorgesehen. Trotzdem wurden diese Schaltkreise durch die „Neuverpackung" oder die Konsolidierung zu einem einzigen Produktkonzept ermöglicht.
Ich glaube, dass mein Ansatz in Bezug auf Codierverfahren, insbesondere die optische Codierung, sich auf einer ähnlichen Schwelle befindet. Es existieren heute verschiedene optische Codierungsverfahren, doch das „Neuverpacken" in ein einzelnes oder miniaturisiertes, kosteneffektives kompaktes Produkt, wie mein allgemeiner Ansatz es vorsieht, bietet ein ähnliches Szenario an Möglichkeiten.
Um diese Analogie weiter zu verdeutlichen, habe ich in einem einzigen OE-Paket ein Verfahren zur „optischen Programmierung" entwickelt, wobei der optischen Codierung anhand dieses „Einzelproduktverfahrens" neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet werden, die nie zuvor genutzt worden oder, in einigen Fällen, auch nur geplant worden sind.
Wie bei dem IC haben in einigen Fällen viele dieser Anwendungen bereits in anderer Form oder mit einer Reihe anderer Komponenten existiert. Mein Verfahren und Ansatz haben sie zu einem einzelnen Produkt konsolidiert. Wie bei ICs war ich allerdings auch dazu in der Lage, Konzepte in die Praxis zu überführen, die bisher nur mathematisch dargestellt wurden, oder die nicht kosteneffektiv oder praktisch umgesetzt werden konnten.
Ferner glaube ich, dass ich ebenso zusätzliche neue Konzepte und Anwendungen geschaffen und entwickelt habe, die vor meinem neuen TC-Ansatz noch nicht erforscht wurden oder vorgesehen waren. Diese „optische Programmierbarkeit" (op), die ich im Zusammenhang mit einem optischen Codierer (OE) entwickelt haben, sind mit einem beliebigen Mikroprozessor (Mikro oder μp) vergleichbar, indem es sich bei einem Mikro um eine eindeutige Serie elektronischer Schaltkreise handelt, die verschiedene Fähigkeiten, Anpassbarkeit und „Programmierbarkeit" darstellen, und zwar häufig auf einem einzigen IC-Chip.
Ich habe eine „Programmierbarkeit" oder verschiedene Anwendungsmöglichkeiten und Verarbeitungsmöglichkeiten ähnlich wie bei einem μp oder Mikro entwickelt, diese allerdings in einem einzelnen zusammenhängenden Paket vereint (wie ein IC). Es ist dieses neuartige und einzigartige Konzept der Vereinigung von Codierer, optischer Codierung, optischer Programmierung und allgemeinen Fähigkeiten in einem Paket, das mein Verfahren in Analogie zu dem integrierten Schaltkreis und Mikro setzt. Genauso, wie der IC zur Entwicklung und Schaffung des Mikro beigetragen hat, der wiederum neue Konzepte elektronischer Anwendungen und Möglichkeiten, ja sogar neue Wirtschaftszweige erschloss, könnte/sollte dies die optische Codierung und optische Programmierbarkeit tun.
Ich behaupte deshalb, dass die vorliegende Erfindung und das Konzept der optischen Codierung und optischen Programmierung dort einzuordnen sind, wo integrierte Schaltkreise und Mikroprozessoren vor 30 oder 40 Jahren angesiedelt waren. Der Umfang und das Ausmaß der Fähigkeiten, Möglichkeiten, Produkte und Wirtschaftszweige werden in meinem Ansatz lediglich angedeutet.
Diese umfassende und allgemeine Erwartung, die ich für optisch programmierte Codierer hege, macht dieses Konzept und Produkt so interessant, einzigartig und grenzenlos in seinen Möglichkeiten.
Aufgaben und Kurzdarstellung der Erfindung
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen und Verfahren für optische Codierer bereitzustellen, die die Einschränkungen und Probleme von optischen Codierern des Stands der Technik vermeiden.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Vorrichtungen und Verfahren für optische Codierer bereitzustellen, die das Konzept der optischen Programmierbarkeit verwenden, um viele unterschiedliche Signalwellenformen zu erzeugen, die für bestimmte Anwendungen angepasst werden.
Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Codiervorrichtung bereitzustellen, deren Elemente optisch programmierbar sind, um eine gewünschte elektrische Wellenform zu erzeugen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Vorrichtungen und Verfahren für optische Codierer bereitzustellen, um Einzel- und Mehrphasen-AC-Motoren und bürstenlose DC-Motoren direkt anzutreiben und zu steuern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Vorrichtungen und Verfahren für optische Codierer bereitzustellen, die auf einer einzigen Vorrichtung zum Messen, Analysieren und Steuern der Motordrehzahl beruhen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Vorrichtungen und Verfahren für optische Codierer bereitzustellen, die den Bedarf an elektrischen oder elektronischen Vorrichtungen zum Steuern des Motorbetriebs minimieren.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Vorrichtungen und Verfahren für optische Codierer bereitzustellen, die Effizienz, Drehmoment und Leistungsausgang erhöhen.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die optische Programmierbarkeit der Codiervorrichtung allein oder im Zusammenhang mit zugehörigen elektronischen Fähigkeiten des Motorantriebschaltkreises zu nutzen, um den Leistungsfaktor wesentlich zu erhöhen, oder die harmonische Verzerrung der Energieleitung zu reduzieren oder zu eliminieren.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Vorrichtungen und Verfahren für optische Codierer bereitzustellen, die allgemein für AC-Induktions-, AC-Synchron-, AC-Schlupf-, DC-Bürstenlos-, DC-Schritt-, Einzelphasen-, Mehrphasen-, Wenigpol- und Mehrpolausführungsformen und andere Bewegungssteuerungsanwendungen geeignet sind.
Es ist außerdem Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Codiervorrichtung zu einem einfachen und vollständigen Paket zusammenzustellen, das leicht an den meisten Motorwellen anbringbar ist, ohne dass jeder einzelne Motor modifiziert werden muss, oder schwere und hinderliche Anbringungshalterungen benutzt werden müssen.
Diese und andere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllt, wobei eine optische Codiervorrichtung zum Umwandeln der periodischen Bewegung einer elektromechanischen Maschine in wenigstens ein elektrisches Signal mit einer vorbestimmten Wellenform vorgesehen ist. Bei einer Ausführungsform des optischen Codierers weist die Codiervorrichtung wenigstens einen Photodetektor auf, der auf ein Muster einfallender Strahlungsenergie anspricht, um daraus ein elektrisches Signal zu erzeugen.
Ein optisch programmiertes Mittel ist optisch fluchtend mit dem Photodetektor ausgerichtet und dazu konfiguriert, von der periodischen Bewegung der Maschine ausgelöst zu werden. Das optisch programmierte Mittel modifiziert wenigstens ein Muster von Strahlungsenergie, die an dem Photodetektor einfällt, gemäß einer optischen Funktion, die eine geometrische oder graphische Funktion aufweist, in mehrere Richtungen. Die geometrische oder graphische Funktion kann eine Transformation einer äquivalenten Wellenformfunktion sein.
Das optisch programmierte Mittel weist ein optisches Element auf, z.B. eine optische Codescheibe, die wenigstens ein optisch detektierbares graphisches Muster aufweist. Das Muster enthält wenigstens eine graphisch geformte Periode, und kann Bruchzahlen dieser graphischen Perioden aufweisen. Das programmierte Mittel weist auch eine Maske auf, die wenigstens eine graphisch geformte Apertur enthält, die den Durchtritt eines Musters von Strahlungsenergie zum Photodetektor erlaubt.
Die graphische Funktion wird zunächst durch den kombinierten optischen Effekt des graphischen Musters der Scheibe und der Maskenapertur erzielt, indem das eine relativ zu der anderen entsprechend der periodischen Bewegung der Maschine abgetastet wird. Der Photodetektor weist eine photoelektrische Reaktion auf, und das Produkt dieser Reaktion und der optischen Funktion definiert eine vorbestimmte Wellenform. Das modifizierte Muster der auf den Photodetektor einfallenden Strahlenenergie wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das die vorbestimmte Wellenform aufweist.
Das optisch programmierte Mittel kann auch wenigstens einen Photoemitter aufweisen, der eine Menge an Strahlungsenergie abgibt. Die Menge an Strahlungsenergie von dem Emitter ist über einen graphisch oder geometrisch geformten optischen Weg an den Photodetektor gekoppelt.
Die optische Codiervorrichtung der vorliegenden Erfindung weist eine bestimmte Anwendung in der effizienten Steuerung des Betriebs eines elektrischen Motors auf, indem Signalwellenformen erzeugt werden, die speziell an einen jeweiligen Motor angepasst und mit diesem synchronisiert werden. Beispielsweise kann der Codierer als variable Drehzahlsteuerung benutzt werden, die die Frequenz der Antriebssignale mit der Motordrehzahl synchronisiert. In einem solchen Fall weist die Steuerung einen Verstärker zum Verstärken der elektrischen Signale auf, die von dem Codierer erzeugt werden, und zum Bereitstellen eines Mittels zum Anpassen des Spannungspegels der Antriebssignale, um eine Drehzahländerung einzuleiten.
Die optische Codiervorrichtung der vorliegenden Erfindung kann dazu implementiert sein, die Drehbewegung eines N-Phasenmotors in eine Anzahl von N elektrischen Signalen umzuwandeln, von denen jedes ein vorbestimmtes Phasenverhältnis aufweist, das zum Antreiben des Motors geeignet ist. In diesem Fall weist der Codierer für eine optische Codiererausfihrungsform eine Anzahl von N optischen Kanälen auf, von denen jeder einen Emitter, ein graphisches Muster, eine Maskenapertur und einen Detektor umfasst. In der bevorzugten Ausführungsform sind die graphischen Muster konzentrisch auf einer Codescheibe angeordnet, die zusammen mit der Motorwelle gedreht wird. Ein Weg, um die Phasendifferenz in den Signalen zu erreichen, ist eine progressive Verschiebung der graphischen Muster in ihrer Winkelposition auf der Codescheibe. Die relative Phase jedes Signals wird durch die relative Position des graphischen Musters und der zugehörigen Maskenapertur an einem bestimmten Punkt einer Umdrehung der Motorwelle bestimmt.
Die Erfindung sieht außerdem ein Verfahren zum Umwandeln der periodischen Bewegung einer elektromechanischen Maschine in wenigstens ein Signal mit einer vorbestimmten Wellenform vor. Außerdem sieht die vorliegende Erfindung Verfahren zum Steuern des Betriebs, einschließlich der Drehzahl, eines elektrischen Motors vor.
Ein bestimmtes Verfahren zum Steuern des Betriebs eines AC-Induktionsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Schritte: (1) Koppeln eines optischen Codierers an eine Motorwelle, der optisch mit einer Wellenformfunktion programmiert ist, die eine größere Anzahl elektrischer Perioden aufweist als notwendig ist, um die Nennleistungsfrequenz bei Nenndrehzahl und Nennspannung des Motors zu erzeugen; (2) Erzeugen eines Codiererausgangssignals, das für jede Umdrehung der Motorwelle im Wesentlichen die Wellenformfunktion repliziert; (3) Verstärken des Codiererausgangssignals auf einen Spannungspegel, der die Nenndrehzahl des Motors erzeugt; und (4) Antreiben des Motors mit dem verstärkten Codiererausgangssignal. Ferner kann gemäß diesem Verfahren der Spannungspegel des Codiererausgangssignals variiert werden, um die Drehzahl des Motors zu variieren und auf diese Weise die Frequenz des Codierersignals auf eine spezifizierte Zahl zu variieren.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen hervor, wobei auf die begleitenden Figuren Bezug genommen wird, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines optischen Einkanalcodierers ist, der gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist und an einen Einphasen-AC-Induktionsmotor gekoppelt ist;
2 eine schematische Darstellung eines Photodetektorelements des optischen Codierers aus 1 ist, die ein augenblickliches Muster von Strahlungsenergie zeigt, das auf die lichtempfindliche Fläche des Detektors fällt;
3 eine schematische Darstellung eines optischen Dreikanalcodierers ist, der gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist und an einen Dreiphasen-AC-Induktionsmotor gekoppelt ist;
4A und B jeweils eine optische Codescheibe, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist, und ein graphisches Muster zum Erzeugen einer Sinuswellenform aufweist sowie die zugehörige Wellenformfunktion zeigen;
5A bis C jeweils eine optische Codescheibe, die ein graphisches Muster zum Erzeugen einer Trapezwellenform aufweist, die entsprechende Wellenformfunktion, und eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) des kreisförmigen graphischen Musters aus 5A und die entsprechende Maskenapertur zeigen;
6 eine Draufsicht auf eine Maske ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist, und die mit den Codescheiben aus 4A, 5A und 7A benutzt wird, um Signale zu erzeugen, die Wellenformen aufweisen, die den Wellenformfunktionen aus 4B, 5B und 7B entsprechen;
7A bis C jeweils eine optische Codescheibe der vorliegenden Erfindung mit einem graphischen Muster zum Erzeugen einer Sinuswellenform, die entsprechende Wellenformfunktion und eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) des kreisförmigen graphischen Musters aus 7A und die entsprechende Maskenapertur zeigen;
8A bis C jeweils eine andere optische Codescheibe der vorliegenden Erfindung mit einem gleichförmigen und einem ungleichförmigen graphischen Muster, eine Wellenformfunktion, die dem ungleichförmigen Muster entspricht, und eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) des ungleichförmige graphischen Musters aus 8A sowie die entsprechende Maskenapertur zeigen;
9 eine Trapezwellenformfunktion mit einer elektrischen Periode und eine entsprechende Konfigurierung von Codemaske und -scheibe zeigt;
10 eine Dreieckwellenformfunktion mit einer elektrischen Periode und eine entsprechende Konfigurierung von Codemaske und -scheibe zeigt;
11A bis F jeweils eine bestimmte Wellenformfunktion und eine entsprechende Konfigurierung von Codemaske und -scheibe zeigen, die durch algebraische Flächenfüllgleichungen berechnet wurden;
12A bis C jeweils eine optische Codescheibe der vorliegenden Erfindung mit drei graphischen Mustern, die physikalisch um jeweils 0, 40 und 80 Grad winkelverschoben sind, um drei Signale zu erzeugen, die jeweils um 0, 120 und 240 elektrische Grad phasenverschoben sind, und eine Codemaske, die mit der Codescheibe aus 12A zu benutzen ist, und drei phasenverschobene Wellenformfunktionen zeigen, die den graphischen Mustern aus 12A entsprechen;
13A bis C jeweils eine optische Codescheibe der vorliegenden Erfindung mit drei graphischen Mustern, die jeweils um 0, 40 und 80 physikalische Grad verschoben sind, eine Codemaske, die mit der Codescheibe aus 13A zu benutzen ist und Aperturen aufweist, die um 0, -10 und -20 physikalische Grad winkelverschoben sind, und drei entsprechende Wellenformfunktionen zeigen, die um 0, 90 und 180 elektrische Grad phasenverschoben sind;
14A bis D jeweils eine optische Codescheibe der vorliegenden Erfindung mit einem graphischen Muster, das sechs Aperturen umfasst, eine Maske, die eine Apertur aufweist, die graphisch zum Erzeugen einer Sinuswellenform geformt ist, die entsprechende Wellenformfunktion und eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) des graphischen Musters aus 14A sowie die entsprechende Maskenapertur zeigen;
15A bis D jeweils eine optische Codescheibe der vorliegenden Erfindung mit einem graphischen Muster, das drei Aperturen umfasst, eine Maske, die ein Paar Aperturen aufweist, die zum Erzeugen einer Sinuswellenform geformt sind, die entsprechende Wellenformfunktion und eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) des graphischen Musters aus 15A sowie die entsprechende Maskenapertur zeigen;
16A bis F Wellenformdarstellungen zeigen, die ein Verfahren zum graphischen Korrigieren von Signalunterbrechungen sind, die von nicht ganzzahligen Funktionen verursacht werden;
17A bis D jeweils eine optische Codescheibe der vorliegenden Erfindung mit einem korrigierten graphischen Muster zum Erzeugen einer sich wiederholenden ungleichförmigen Wellenform zeigen, und eine vergrößerte Ansicht der Korrektur, die entsprechenden korrigierten und unkorrigierten Wellenformfunktionen, eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) des unkorrigierten graphischen Musters, und eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) des korrigierten graphischen Musters zeigen;
19 eine Querschnittansicht des Codierers aus 18 ist;
20 bis 22 eine Serie von Ansichten sind, die das Verfahren zum Anbringen eines optischen Codierers der vorliegenden Erfindung an einem Motor zeigen;
23A bis B jeweils eine Seitenansicht bzw. Draufsicht einer Antirotationsklemme sind, die dazu benutzt wird, das Gehäuse eines optischen Codierers der vorliegenden Erfindung zu verankern und die Winkelposition im Verhältnis zu einer Welle eines Motors zu justieren;
24 eine Draufsicht eines Codierers der vorliegenden Erfindung ist, der an eine Welle eines Motors angebracht ist, und justierbar mit einer Antirotationsklemme an dem Motor verankert ist;
25A bis B jeweils eine Draufsicht auf eine Codescheibe der vorliegenden Erfindung mit einem graphischen Muster, das einer nicht ganzzahligen Wellenformfunktion entspricht, bzw. eine graphische Darstellung einer nicht ganzzahligen Wellenformfunktion zeigen, die dem graphischen Muster aus 25A entspricht;
26A bis B jeweils eine Draufsicht auf eine andere Codescheibe der vorliegenden Erfindung bzw. eine graphische Darstellung eines kontinuierlichen Wellenformausgangs zeigen, der der Codescheibe aus 26A entspricht;
27A bis B Schaltdiagramme sind, die eine Wellenformung durch elektrische Wellenformkombination zeigen; und
28 ein Ablaufdiagramm ist, das die bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung umreißt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bezug nehmend auf 1 ist eine schematische Darstellung der wichtigsten Elemente einer Ausführungsform des optischen Codierers der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein Einphasen-AC-Induktionsmotor 10 mit drei Polpaaren weist eine Statoranordnung 12 und eine Rotoranordnung 14 auf. Der Stator 12 weist drei Wicklungspaare auf. Ein Wicklungspaar 16a und 16b ist seriell zwischen der Masse und einem AC-Eingang A verbunden. Die anderen Wicklungspaare sind ebenso verbunden, und alle Wicklungspaare sind, wie dargestellt, parallel miteinander verbunden. Wenn die Wicklungen von einem AC-Eingangssignal mit Energie beaufschlagt werden, werden in Stator 12 sechs Magnetpole erzeugt, und diese Pole induzieren eine entsprechende Anzahl von Polen in Rotor 14. Der Motor 10 kann mit Hilfe jedes beliebigen allgemein bekannten Verfahrens gestartet werden, z.B. durch eine Startwicklung (nicht dargestellt).
Der Rotor 14 weist eine Welle 18 auf, die sich um eine Mittelachse 20 dreht. An die Welle 18 ist ein optischer Codierer 22 gekoppelt, der gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist. Der Codierer 22 weist wenigstens eine Photoemittervorrichtung 24 auf, bei der es sich vorzugsweise um eine Leuchtdiode (LED) handelt. Eine Photodetektorvorrichtung 26 ist fluchtend mit dem Photoemitter 24 ausgerichtet, und spricht auf die Strahlungsenergie an, die von Emitter 24 abgegeben wird. Der Detektor 26 erzeugt ein elektrisches Signal, das proportional zu der Menge an Strahlungsenergie ist, die auf den Photodetektor 26 fällt. Der Detektor 26 ist vorzugsweise eine Phototransistor. Sowohl Emitter 24 als auch Detektor 26 sind fest angeordnet und entlang einem optischen Weg 28 fluchtend ausgerichtet. Ein optisches Element in der Form einer Codescheibe 30 ist an die Welle 18 gekoppelt und wird mit der Welle 18 gedreht. Die Codescheibe 30 weist ein optisch detektierbares graphisches Muster 32 auf, das wenigstens eine graphisch geformte Periode 34 aufweist. In der bevorzugten Ausführungsform ist die graphische Periode 34 in der Form eines optischen Fensters implementiert. In vielen Anwendungen, die die Steuerung eines elektrischen Motors betreffen, ist die Anzahl der graphischen Perioden 34 gleich der Anzahl der Polpaare im Rotor. Außerdem sind die Perioden 34 physikalisch (winkelförmig) fluchtend mit den Polpaaren ausgerichtet. In einigen Anwendungen wird diese Bedingung der Abstimmung der graphischen Perioden mit den Polen nicht eingehalten, wie im Folgenden beschrieben werden soll. Auch wird aus den nachfolgenden Erörterungen deutlich werden, dass die graphischen Perioden 34 nicht immer als gesonderte optische Fenster implementiert sind. In einigen Fällen kann eine graphische Periode langsam in eine andere übergehen. Außerdem können die Perioden 34 als lichtundurchlässige Bereiche auf einer transparenten (oder transluzenten) Codescheibe implementiert sein. In einer anderen Ausführungsform können die Perioden 34 als reflektierende Muster in einer reflektierenden Codiererausführungsform implementiert sein.
Indem weiterhin auf 1 Bezug genommen wird, weist die Codescheibe 30 eine Mittelachse 31 auf, die fluchtend mit Achse 20 von Rotor 18 ausgerichtet ist. Die Scheibe 30 dreht sich um die Mittelachse 31. Der Codierer 22 weist ferner eine Maske 36 auf, die vorzugsweise die Form einer Scheibe aufweist. Die Maske 36 weist eine keilförmige Apertur 38 auf. Die Maske weist eine Mittelachse 37 auf, die physikalisch fluchtend mit der Mittelachse 31 der Codescheibe 30 ausgerichtet ist. Die Maske 36 ist nicht an die Rotorwelle 18 gekoppelt, und soll während des Betriebs des Codierers 22 stationär bleiben.
Die Codescheibe 30 wird durch die Drehbewegung der Welle 18 betätigt, was dazu führt, dass das graphische Muster 32 den optischen 28 durchläuft. In diesem Sinne ist die Scheibe 30 optisch an den optischen Weg 28 gekoppelt. Wie in 1 gezeigt, ist das Muster 32 entlang einer imaginären Abtastspur koaxial um die Mittelachse 31 angeordnet.
Wie in 1 gezeigt, ist die Apertur der Maske 36 fluchtend mit dem optischen Weg 28 und dem Muster 32 ausgerichtet. Die Funktion der Apertur 38 ist es, eine begrenzte und graphisch gesteuerte Menge an Strahlungsenergie durch den Detektor 26 treten zu lassen. Die „y"-Dimension von Apertur 38 ist gleich der maximalen „y"-Dimension des graphischen Musters 32 (siehe 1). Dieses dimensionale Verhältnis ist beispielsweise in 5C und 7C gezeigt. 8C zeigt, dass die „y"-Dimension der Maskenapertur (360) und die maximale „y"-Dimension wenigstens einiger graphischer Perioden (364b und 364c) unterschiedlich sein können.
Die Dimensionen der Apertur 38 sind vorzugsweise kleiner als die photoresponsive Fläche des Detektors 26. Die Apertur 38 ist dazu konfiguriert und abgemessen, sicherzustellen, dass ein definiertes Strahlungsenergiemuster auf der photoresponsiven Fläche des Detektors 26 erstellt wird. Diese Anforderung soll im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 weiter beschrieben werden.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Potentiometer 40 elektrisch zwischen einer Spannungsversorgung V_CC und der Masse verbunden. Der Ausgang von Detektor 26 ist elektrisch mit einem justierbaren Nocken 42 von Topf 40 verbunden. Der Nocken 42 ist direkt mit einem Leistungsverstärker 44 verbunden. Der Verstärker 44 muss dazu in der Lage sein, den Niedrigspannungsausgang von Detektor 26 auf einen Spannungspegel zu verstärken, der mit dem Antrieb der Wicklungen des Motors 10 kompatibel ist. In vielen Anwendungen muss der Verstärker 44 den Detektorausgang auf einen Pegel von mindestens 120 Volt U/Sek. verstärken. Der Verstärker 44 kann entweder eine speziell ausgelegte und optimierte Vorrichtung oder ein standardmäßiger, kommerziell verfügbarer Leistungsverstärker sein. Auch Verstärker der Klasse „C" (Abstimmung von Frequenz zu Induktanz) mit hoher Effizienz können verwendet werden, wenn zu erwarten ist, dass die Kommutierungssignale sinusförmig sind. Vorzugsweise sollte der Verstärker über eine Gewinnregulierung aufweisen, damit sein Ausgang angepasst werden kann.
In einigen Ausführungsformen kann der Signalausgangspegel von Codierer 22 angepasst werden, indem die Spannungsversorgung variiert wird, die den Emitter 24 und/oder den Detektor 26 mit Energie beaufschlagt. Bei diesem Ansatz kann der Pegel des Codiererausgangssignals z.B. zwischen 1,5 Volt und 12 Volt variiert werden. Eine Pegelanpassung kann automatisch erfolgen, beispielsweise in Reaktion auf ein Systemsteuersignal.
Um die Rückkopplungsschleife des Codierers zu vervollständigen, ist der Ausgang des Verstärkers 44 mit dem Eingangsanschluss A von Motor 10 verbunden. Die Signalwellenform, die von dem Codierer 22 erzeugt wird, wird direkt auf die Wicklungen des Motors 10 angewandt. Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung eine direkte Kommutierungssteuerung des Motors 10 bereit.
Es versteht sich, dass die optischen Codierer der vorliegenden Erfindung optisch programmiert sind. Alle optischen Elemente des Codierers werden als programmierbare Parameter betrachtet, einschließlich, aber ohne Beschränkung darauf, der Photoemitter und ihrem Strahlungsenergieausgang, Codescheiben, Maskenaperturen, Linsen, Blenden, Prismen und aller anderen optischen Elemente oder Vorrichtungen, die verwendet werden, um ein Muster von Strahlungsenergie zu modifizieren, das auf das oder die Photodetektionselement(e) des Codierers fällt. Die Kennlinien der optischen Elemente, die in dem Codierer verwendet werden, werden so ausgewählt, konfiguriert und angepasst (d.h. programmiert), dass der Codierer einen vorbestimmten elektrischen Signalwellenformausgang erzeugen kann. Die kombinierte optische Reaktion dieser optischen Elemente, wie sie in dem Codierer konfiguriert sind, kann als eine optische Funktion bezeichnet werden. Deshalb wird das Muster von Strahlungsenergie, das auf das Photodetektormittel des Codierers fällt, gemäß einer optischen Funktion modifiziert, und diese Funktion stellt die kombinierte optische Reaktion der optisch programmierten Elemente dar, die das Einfallsmuster am Photodetektormittel beeinflussen.
In der bevorzugten Ausführungsform weist die optische Funktion wenigstens eine „graphische Funktion" auf, die die optische Reaktion eines graphischen Musters darstellt, das auf der Codescheibe vorhanden ist, oder die kombinierten Reaktionen der graphischen Muster und einer Maskenapertur. Es versteht sich, dass die optische Funktion andere graphische Funktionen mit einschließen kann, die anderen Elementen im optischen Weg des Codierers zuzuschreiben sind. Der Begriff „graphische Funktion" ist im Folgenden weiter definiert.
Wieder Bezug nehmend auf 1 sind sowohl die Codescheibe 30 als auch die Maske 36 optisch programmiert, indem ihre optisch responsiven Elemente (z.B. Perioden 34 und Apertur 38) gemäß einer graphischen Funktion positioniert, konfiguriert und abgemessen sind. Der Begriff „graphische Funktion" im Sinne dieser Anmeldung beinhaltet, ohne Beschränkung: mathematisch definierte geometrische, algebraische und dimensionale Funktionen; und empirisch hergeleitete graphische Darstellungen, die mathematisch definierbar sein können, aber nicht sein müssen.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die ausgewählte graphische Funktion eine Transformation einer elektrischen Wellenformfunktion. Bei Anwendungen der Motorsteuerung wird eine elektrische Wellenform zum optimalen Antreiben des Motors unter erwarteten Lastbedingungen spezifiziert. Beispielsweise erlebt ein Motor, der einen Verdichter in einer Klimaanlage antreiben soll, bei jeder Umdrehung der Motorwelle ungleichförmige Lastbedingungen. In einem solchen Fall kann eine entsprechende ungleichförmige Wellenform für das Antriebssignal optimal spezifiziert werden. Ein Beispiel für eine solche Wellenform ist in 8B gezeigt. Sobald eine optimale Wellenformfunktion identifiziert wurde, kann ihr graphisches oder algebraisches Äquivalent mit Hilfe von algebraischen Flächenfüllgleichungen (die im Folgenden beschrieben sind) hergeleitet werden. Bei Codierer 22 wird die graphische Funktion physikalisch durch den kombinierten optischen Effekt des graphischen Musters 32 und der Apertur 38 umgesetzt, indem die Codescheibe 30 mit der Motorwelle 18 rotiert, und das Muster 32 an Apertur 38 vorbeibewegt.
Strahlungsenergie von Emitter 24 wird entlang dem optischen Weg 28 gelenkt, bis sie auf die lichtresponsive Fläche von Detektor 26 fällt. Die einfallende Strahlungsenergie bildet auf der lichtresponsiven Fläche von Detektor 26 ein Muster. Diese Fläche ist in 2 gezeigt und mit Bezugszeichen 46 versehen. Das Muster der einfallenden Strahlungsenergie kann von der Gesamtabmessung von Fläche 46 begrenzt sein. Allerdings wird bevorzugt, dass die Apertur 38 die maximalen Abmessungen des Musters begrenzt. Wie in 2 (nur zur Veranschaulichung) gezeigt, begrenzt die Apertur 38 einen beschränkten Bereich 48. Man wird verstehen, dass der Bereich 48 in jeder beliebigen Form gemäß einer gewünschten graphischen Funktion konfiguriert werden kann.
Der kombinierte optische Effekt von Scheibe 30 und Maske 36 kann unter weiterer Bezugnahme auf 2 nachvollzogen werden. In Bereich 48 stellt eine nicht schattierte Region 50 das augenblickliche Muster von einfallender Strahlungsenergie auf Fläche 46 dar. Eine schattierte Region 52 stellt die Abwesenheit von Strahlungsenergie innerhalb des begrenzten Bereichs 48 dar. Bei einem reflektierenden Codierersystem würden die Regionen 50 und 52 variierende Intensitätsgrade einfallender Strahlungsenergie in einem komplexen Interferenzmuster darstellen.
Um die Beschreibung zu unterstützen, wurde auf der Fläche 46 ein x-y-Koordinatensystem eingezeichnet. Zu einem jeweiligen Zeitpunkt wird das Muster einfallender Strahlungsenergie 50 durch eine jeweilige graphische Form in der x-y-Koordinatendomäne definiert. Wie aus 2 hervorgeht, variiert das Muster 50 in einer Anzahl unterschiedlicher Richtungen im zweidimensionalen Raum. Indem das graphische Muster 32 an Apertur 38 abgetastet wird, wird das einfallende Strahlungsenergiemuster 50 in mehrere Richtungen modifiziert oder umgeformt. Die Pfeile in 2 zeigen schematisch die Richtungen, in die das Muster modifiziert werden kann. Das einfallende Muster 50 wird gemäß der definierten graphischen Funktion modifiziert, die in diesem Fall realisiert wird, indem das graphische Muster 32 an Apertur 38 abgetastet wird.
Der Phototransistor 26 spricht auf das augenblickliche Strahlungsenergiemuster 50 an, und erzeugt ein elektrisches Signal, das proportional zu der Menge an Strahlungsenergie ist, die durch Muster 50 dargestellt wird. Der Detektor 26 ist durch eine photoelektrische Reaktion gekennzeichnet, die, wenn sie linear ist, ein elektrisches Signal erzeugt, das eine Wellenform aufweist, die mit der ursprünglich spezifizierten Wellenform übereinstimmt. Die photoelektrische Reaktion muss nicht linear sein. In der Tat kann die Reaktion als ein zusätzlicher programmierbarer Auslegungsparameter benutzt werden, um eine gewünschte Wellenform zu erzeugen. In dieser Ausführungsform definieren das Produkt der photoelektrischen Reaktion des Detektors 26 und der spezifizierten Wellenformfunktion die Wellenform des elektrischen Signals, das am Ausgang des Detektors erzeugt wird.
Bezug nehmend auf 3 ist eine Dreikanalimplementierung des optischen Codierers der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Codierer wird hier zum Antreiben eines Dreiphasen-AC-Induktionsmotors 100 mit drei Polpaaren verwendet. Der Motor 100 weist eine Statoranordnung 102 und eine Rotoranordnung 104 auf. Der Aufbau des Motors ist konventionell und soll nicht im Detail beschrieben werden. Die Statoranordnung 102 weist drei Wicklungspaare 106a und 106b für jede Phase auf (für jede Phase ist nur ein Paar gezeigt). Der Motor 100 weist drei AC-Eingangsanschlüsse A, B und C für die jeweiligen dreiphasigen Eingangssignale auf. Jedes Wicklungspaar 106a, 106b weist ein Polpaar in Rotor 104 auf (d.h. drei Polpaare für jede Phase). In der schematischen Ansicht aus 3 stellt jedes in Rotor 104 gezeigte Polpaar (N-S) drei tatsächliche Polpaare dar.
Wie in 3 gezeigt, ist ein Dreikanalcodierer 110 an eine Rotorwelle 108 von Motor 100 gekoppelt, und ist mechanisch fluchtend mit einer Rotationsachse 112 der Welle 108 ausgerichtet, ebenso, wie in Bezug auf den Codierer 22 aus 1 beschrieben. Der Codierer 110 weist drei Infrarot-LED-Emitter 114a bis c auf. Die Emitter 114a bis c geben entlang jeweiligen optischen Wegen, die zwischen den Emittern 114a bis c und einer entsprechenden Anzahl von Phototransistoren 116a bis c definiert sind, Infrarotenergie ab. Der Codierer 110 weist eine mehrspurige optische Codescheibe 118 auf, die dazu konfiguriert ist, sich um eine Mittelachse 119 zu drehen. Die Scheibe 118 enthält drei koaxial angeordnete, optisch detektierbare graphische Muster 120a bis c. Der Codierer weist ferner eine Maske 122 auf, die in der Form einer Scheibe ausgebildet ist, und drei Aperturen 124a bis c enthält. Wie bei Codierer 22 aus 1 bleibt die Maske 122 stationär, während die Codescheibe 118 durch die Drehbewegung von Welle 108 in Drehung versetzt wird. Die Maskenaperturen 124a bis c und die graphischen Muster 120a bis c sind jeweils fluchtend mit den optischen Wegen ausgerichtet, ebenso wie für Codierer 22 aus 1 beschrieben.
Wie in 3 gezeigt, sind drei Potentiometer 126a bis c elektrisch zwischen einer Spannungsversorgung V_CC und der Masse verbunden. Die Ausgangsleitungen der Detektoren 116a bis c sind jeweils mit dem justierbaren Nocken der Potentiometer 126a bis c verbunden. Die justierbaren Nocken der Töpfe 126a bis c sind mit dem Eingang eines jeweiligen Leistungsverstärkers 128a bis c verbunden. Die Niedrigspannungsausgangssignale der Detektoren 116a bis c werden auf Pegel verstärkt, die ausreichen, um den Motor 100 direkt anzutreiben, wie in Bezug auf die Implementierung aus 1 beschrieben. Die Ausgänge A, B und C der Verstärker 128a bis c sind direkt mit Eingängen A, B und C von Motor 100 verbunden. Der Codierer 110 erzeugt die elektrischen Signalausgänge ebenso, wie in Bezug auf 1 und 2 beschrieben.
Die relativen Phasen der Ausgangssignale der Detektoren 116a bis c werden bei einem bestimmten Drehwinkel der Welle 108 durch die relative Position von graphischen Mustern 120a bis c zu ihrer jeweiligen Apertur 124a bis c bestimmt. In 3 sollten die Ausgangssignale von Codierer 110 relative Phasen von 0, 120 und 240 elektrischen Grad aufweisen, um den Motor 100 richtig anzutreiben. Dieses Phasenverhältnis kann aufgestellt werden, indem die Position jedes einzelnen graphischen Musters um eine Anzahl physikalischer Grade gedreht wird, die gleich der gewünschten elektrischen Phasenverschiebung ist (z.B. 120 oder 240 elektrische Grad), geteilt durch die Anzahl graphischer Perioden im graphischen Muster.
Für die Ausführungsform aus 3 wird die Position von Muster 120b relativ zu Muster 120c um 40 physikalische Grad gedreht, um die gewünschte Phasenverschiebung um 120 elektrische Grad zu erzeugen. Ebenso wird die Position von Muster 120a relativ zu Muster 120 um 80 physikalische Grad gedreht, um die gewünschte Phasenverschiebung um 240 elektrische Grad zu erzeugen. In 3 sind die Winkelpositionen der Aperturen 124a bis c fluchtend zueinander ausgerichtet, und tragen also nicht zu der Phasenverschiebung bei.
Andere Beispiele für Mehrkanalphasenverschiebungen sind im Folgenden unter Bezugnahme auf 12A bis C und 13A bis C beschrieben.
Die Auslegung des optischen Codierers der vorliegenden Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die zwei Motorsteuerungsbeispiele beschrieben werden. Zunächst wird ein synchrones Beispiel eines Einphasen-AC-Motors mit drei Polpaaren wie in 1 betrachtet. Bei Synchrondrehzahl dreht sich dieser Motor bei 1.200 U/min oder 20 U/Sek. (Umdrehungen pro Sekunde). Der Motor benötigt 60 Hz und 120 Volt, um sich bei Synchrondrehzahl zu drehen. Diese Frequenz wird durch eine Kombination von optisch programmierter Codescheibe und Maske erzeugt, wobei die Codescheibe direkt an die Rotorwelle des Motors gekoppelt ist. Das optisch detektierbare graphische Muster, das auf der Codescheibe vorhanden ist, muss drei graphische Perioden aufweisen, um drei entsprechende elektrische Wellenformperioden pro Umdrehung der Rotorwelle zu erzeugen. Eine solche Anordnung ist in 4A für eine Sinuswellenform gezeigt.
In 4A weist eine Codescheibe 200 ein gaphisches Muster 202 auf, das drei graphische Perioden 204a bis c aufweist. Die Maskenapertur, die mit Scheibe 200 benutzt wird, ist in 6 gezeigt. Wenn sich die Scheibe 200 bei 20 U/Sek. dreht, wird von dem Codierer ein sinusförmiges AC-Signal von 60 Hz erzeugt (20 U/Sek. mal 3 elektrische Perioden pro Umdrehung). Wie in 4B gezeigt, erzeugt eine Umdrehung der Codescheibe 200 (0 bis 360°) drei elektrische Perioden 206a bis c. Dies ist die gewünschte Wellenformfunktion für das Beispiel.
Das graphische Muster 202 der Codescheibe 200 und die in 6 gezeigte Maskenapertur werden zunächst erzeugt, indem die gewünschte Wellenformfunktion in der Form einer Vektordatentabelle ausgedrückt wird. In diesem sinusförmigen Beispiel werden die Vektortabellenwerte anhand folgenden Ausdrucks ermittelt:
y = sin(elektrische Grad)
Über 360 mechanische Grad (eine physikalische Umdrehung) werden drei vollständige elektrische Perioden ausgedrückt. Bei einer Umdrehung der Scheibe liegen also 1.080 elektrische Grad vor. Die Vektordaten können gezeichnet werden, um einen optischen Eindruck dessen zu vermitteln, wie die finale Wellenform aussehen wird. (4B zeigt sowohl die gezeichnete Eingangswellenform als auch den resultierenden elektrischen Phototransistorausgang.)
Der nächste Schritt besteht darin, die Form graphischer Perioden 204a bis c im optischen Muster 202 zu bestimmen. Dies wird mit Hilfe algebraischer Füllflächengleichungen erreicht. Die Vektorwerte, die anhand der oben stehenden Gleichung berechnet wurden, werden in die folgenden Gleichungen eingefügt:
Wobei:

V: = Scheibenflächenfüllvektor
W: = Wellenformpunkt, mit Ursprung in der Wellenformeingangsdatei
p: = Anzahl der Punkte in der Wellenformeingangsdatei
m_i: = Maskenbreite, Eingangsparameter
m: = Maskenbreite, skaliert
n: = 1, 2, 3, ... p
v: = Vektorskalenfaktor, Eingangsparameter

Die Ausdrücke (W_n+1 – W_n)·v/8 und V_n-m nehmen den Wert null an, wenn die jeweils berechneten Ergebnisse negativ sind.
Die Maskenaperturform ist dazu ausgelegt, das optische Signal in geeigneter Weise abzuschwächen. In diesem Beispiel ist die Gleichung
m = m_i, wenn p/2 > m;
m = p/2, wenn p/2 < m;
Wobei:

p: = Anzahl der Punkte in einer Wellenformeingangsdatei
m_i: = Maskenbreite, Eingangsparameter
m: = Maskenbreite, skaliert und m_i >= 2.

Die oben stehenden Gleichungen sind nur Beispiele für eine X-Y-Flächenfüllung für die horizontale Bewegung des Scheibenmusters relativ zur Maske. Bei einer Drehbewegung werden polare Werte benutzt. Es versteht sich, dass zahlreiche Gleichungen, Algorithmen oder andere Verfahren zum Erzielen einer geeigneten Scheiben-/Maskenkombination vorliegen, um die benötigte optisch erstellte Wellenform zu erzeugen. Im letzten Schritt werden die Scheibe und die Maske gemäß den algebraischen Füllwerten bedruckt, die anhand der oben stehenden Gleichungen ermittelt wurden (angepasst für radiale gegenüber horizontaler Bewegung).
Als nächstes soll ein nicht synchrones Beispiel betrachtet werden. Zunächst ist anhand der Frequenz und der normalen Betriebsdrehzahl des Motors zu bestimmen, wie viele Perioden dieser pro Umdrehung benötigt. Wenn beispielsweise ein 60-Hz-Motor mit einer normalen Betriebsdrehzahl von 1.050 U/min vorliegt, werden bei 120 Volt AC 3,428 elektrische Perioden pro Umdrehung benötigt. Nach Bestimmung der benötigten Anzahl elektrischer Perioden, und nachdem festgestellt wurde, dass es sich nicht um eine Ganzzahl handelt, wird zur nächsten vollständigen Periode oder um einige weitere vollständige Perioden aufgerundet. Wenn der Motor beispielsweise 3,428 elektrische Perioden pro Umdrehung benötigt, können vier Perioden (oder fünf oder sechs Perioden) pro Umdrehung ausgewählt werden, um die Codescheibe auszulegen. (Dieses Verfahren des Aufrundens zur nächsten ganzzahligen Periode ist dann eine Option, wenn für bestimmte Drehzahlen eine niedrigere Antriebsspannung bevorzugt wird.)
In einem nächsten Schritt wird diese höhere Anzahl von Perioden pro Umdrehung unter Verwendung der oben beschriebenen Flächenfüllgleichungen optisch auf der Codescheibe programmiert. Die programmierte Scheibe kann, wenn sie an dem Motor unter Last installiert ist, ein Signal erzeugen, das den Motor (nach direkter Verstärkung) aufgrund der größeren Zahl von Perioden pro Umdrehung bei 120 Volt AC mit einer höheren Drehzahl als seiner normalen Betriebsdrehzahl antreibt. In einem solchen Fall wird die Motorleistung erhöht (d.h., es wird eine höhere Drehzahl bei gleicher Last und Eingangsleistung erzielt). Durch Senken des Spannungseingangs für den Motor werden der Motor und die Codescheibe auf eine normale Betriebsdrehzahl von 60 Hz verlangsamt. Der Motor wird unterhalb der spezifizierten Spannung (120 VAC) mit normaler Betriebsdrehzahl (60 Hz) angetrieben, was die Energiemenge senkt, die zum Antreiben des Motors bei gleicher Last benötigt wird. Wenn die Last mehr Energie benötigen würde (d.h. der Motor nicht beschleunigen würde), bestünde kein Bedarf an einer Senkung der Spannung, da der Codierer eine Drehzahl von 60 Hz nicht überschritten hätte, weshalb die Eingangsenergie mit der anspruchsvolleren Last übereinstimmen würde.
28 zeigt ein Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform des oben beschriebenen Verfahrens zum Betreiben eines Motors umreißt. Dieses Verfahren ist unabhängig davon anwendbar, ob für die Nenndrehzahl, Nennfrequenz und Nennspannung des Motors eine nicht ganzzahlige Anzahl von Perioden berechnet wurde. In Schritt 1 wird ein optischer Codierer der vorliegenden Erfindung an eine Welle eines Motors gekoppelt. Der Codierer ist optisch mit einer Wellenformfunktion programmiert, die eine größere Anzahl elektrischer Perioden aufweist, als nötig ist, um die Nennleistungsfrequenz bei der Nenndrehzahl und der Nennleistungsspannung des Motors zu erzeugen. In Schritt 2 wird für jede Umdrehung der Motorwelle ein Codiererausgangssignal erzeugt, das die Wellenformfunktion im Wesentlichen repliziert. In Schritt 3 wird das Ausgangssignal des Codierers auf einen Spannungspegel verstärkt, der die Nenndrehzahl des Motors erzeugt. Schließlich wird der Motor in Schritt 4 mit dem verstärkten Codiererausgangssignal angetrieben. Ferner kann gemäß diesem Verfahren der Spannungspegel des Codiererausgangssignals variiert werden, um die Geschwindigkeit des Motors zu variieren und auf diese Weise die Frequenz des Codierersignals auf eine spezifizierte Zahl zu variieren.
Im oben stehenden synchronen sowie nicht synchronen Beispiel kann, nach Kalibrieren der Codiererdrehzahl auf die Motorbetriebsfrequenz, die Drehzahl des Motors gesteuert werden, indem lediglich der Spannungseingang des Motors angepasst wird, wobei der kalibrierte Codierer sicherstellt, dass die Drehzahl stets mit der Frequenz abgestimmt ist.
Einige Beispiele für Codescheiben und die Wellenformfunktionen, die benutzt werden, um die Scheiben graphisch zu codieren, sind in 4A und B, 5A bis C, 7A bis C, 8A bis C, 9, 10, 11A bis F, 12A bis C und 13A bis C gezeigt. In 5A weist eine Codescheibe 250 ein graphisches Muster auf, das drei graphische Perioden 252a bis c umfasst. In diesem Beispiel sind die graphischen Perioden 252a bis c transparente optische Fenster. 6 zeigt eine Maske 254, die eine Maskenapertur 256 aufweist und mit der Scheibe 250 zu benutzen ist. Eine Wellenformfunktion 258 ist in 5B gezeigt, und wird benutzt, um die Formen der Perioden 252a bis c und der Maskenapertur 256 zu bestimmen. Die Wellenformfunktion 258 stellt auch den tatsächlichen elektrischen Signalausgang des Codierers dar. Eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) der graphischen Perioden 252a bis c und der Maskenapertur 256 sind in 5C gezeigt. Eine Maskenapertur 260 entspricht der Apertur 256, und Perioden 262a bis c entsprechen den Perioden 252a bis c.
7A bis C zeigen ein anderes sinusförmiges Beispiel, wobei sechs elektrische Perioden für jede Umdrehung der Codescheibe gewünscht sind. In 7A enthält ein Codierer 300 ein graphisches Muster 302, das sechs graphische Perioden umfasst. Die graphischen Perioden sind transparente optische Fenster. In diesem Beispiel wird Maskenapertur 256 (6) mit der Scheibe 300 benutzt. Eine Wellenformfunktion 304 ist in 7B gezeigt, und wird benutzt, um die Form der Muster 302 und der Maskenapertur 256 zu bestimmen. Die Wellenformfunktion 304 stellt auch den tatsächlichen elektrischen Signalausgang des Codierers dar. Eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) des graphischen Musters 302 und der Maskenapertur 256 ist in 7C gezeigt. Eine Maskenapertur 306 entspricht der Apertur 256, und ein graphisches Muster 308 entspricht dem Muster 302. Weitere Beispiele für Maskenaperturen von anderer geometrischer Form sind in 12B, 13B, 14B und 15B gezeigt.
8A bis C zeigen ein Beispiel mit einer ungleichförmigen Wellenform. In 8A weist eine transparente Codescheibe 350 ein gleichförmiges graphisches Muster 351 und ein ungleichförmiges graphisches Muster 353 auf. Das graphische Muster 351 weist vier gleichförmige graphische Perioden auf, und das Muster 353 weist drei ungleichförmige graphische Perioden 352a bis c auf, wie dargestellt. Die graphischen Perioden von Muster 351 und die Perioden 352a bis c von Muster 353 sind lichtundurchlässige optische Zielmarken, die auf die transparente Codescheibe 350 gedruckt sind („lichtundurchlässig auf klar"). 8A zeigt auch ein Paar Maskenaperturen 354a und 354b, die jeweils dazu konfiguriert und abgemessen sind, mit dem Muster 351 bzw. 353 benutzt zu werden. In diesem Beispiel wird das graphische Muster 351 nicht benutzt. Wie aus 8A und 8B hervorgeht, entsprechen die ungleichförmigen Größen der Perioden 352a bis c jeweils den ungleichförmigen Größen elektrischer Perioden 358a bis c einer vorbestimmten Wellenform 356. Die Wellenform 356 stellt die Wellenformfunktion dar, die benutzt wird, um die Formen der graphischen Perioden 352a bis c und der Maskenapertur 354b zu bestimmen. Die Wellenformfunktion 356 stellt auch die Form des Codiererausgangssignals dar, das z.B. benötigt wird, um einen Motor mit variabler Last anzutreiben. Eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) des graphischen Musters 353 und der Maskenapertur 354b ist in 8C gezeigt. Wie in 8C gezeigt, entspricht eine Maskenapertur 360 der Apertur 354b, ein graphisches Muster 362 entspricht Muster 353, und graphische Perioden 364a bis c entsprechen den Perioden 352a bis c.
Weitere Beispiele für Wellenformfunktionen und entsprechende codierte Scheiben und Masken sind in 9, 10 und 11A bis F gezeigt. In 9 ist eine Trapezwellenformfunktion 400 gezeigt, die pro physikalischer Bewegungsperiode (z.B. einer Umdrehung um 360°) eine elektrische Periode aufweist. Die Form eines graphischen Musters 402 und einer Maskenapertur 404 werden aus Wellenformfunktion 400 bestimmt. Außerdem ist in 10 eine Dreieckwellenformfunktion 500 gezeigt, die eine elektrische Periode pro Umdrehung aufweist. Die Form eines graphischen Musters 502 und einer Maskenapertur 504 werden anhand der Wellenformfunktion 500 bestimmt.
Bezug nehmend auf 11A bis F sind bestimmte Wellenformfunktionen und entsprechende Konfigurierungen von Codemaske und Codescheibe gezeigt. Die Konfigurierungen der Codemaske und der Codescheibe wurden durch die oben beschriebenen algebraischen Flächenfüllgleichungen berechnet. 11A und 11B zeigen, dass eine bestimmte Dreieckwellenform 550 von zwei völlig unterschiedlichen Masken- und Scheibengraphiken erzeugt werden kann. Wie in 11A gezeigt, wird eine Maskenapertur 552 mit einem graphischen Muster 554 zum Erzeugen der Dreieckwellenform 550 benutzt. In 11B wird eine Maskenapertur 556 mit einem graphischen Muster 558 benutzt, um dieselbe Dreieckwellenform 550 zu erzeugen.
Ebenso zeigen 11C und 11D, dass eine bestimmte Sinuswellenform 560 von zwei unterschiedlichen Masken- und Scheibengraphiken erzeugt werden kann. In 11C wird eine Maskenapertur 562 mit einem graphischen Muster 564 benutzt, um die Sinuswellenform 560 zu erzeugen. In 11D wird eine Maskenapertur 566 mit einem graphischen Muster 568 benutzt, um dieselbe Wellenform 560 zu erzeugen.
11E und 11F zeigen weitere Masken- und Scheibengraphikkombinationen, die weitere gewünschte Wellenformen erzeugen. In 11E wird eine am Boden abgerundete Trapezwellenform 570 mit einer Maskenapertur 572 und einem graphischen Muster 574 erzeugt. In 11F wird eine komplexe Wellenform 576 mit einer Maskenapertur 578 und einem graphischen Muster 580 erzeugt.
Bezug nehmend auf 12A bis C ist nun ein Beispiel eines Dreiphasencodierers gezeigt. Wie in 12A gezeigt, enthält eine kreisförmige Codescheibe 600 drei koaxial angeordnete und winkelverschobene Muster 602a bis c. In diesem Beispiel enthält jedes einzelne Muster 602a bis c jeweils drei identische graphische Perioden, um drei gleichförmige elektrische Perioden pro Umdrehung einer Motorwelle zu erzeugen. Es versteht sich, dass die graphischen Muster in vielfältiger Weise konfiguriert sein können, wie in 8, 9, 10 und 11A bis F gezeigt.
Jedes graphische Muster 602a bis c ist entlang einer kreisförmigen Spur von 360 physikalischen Grad auf Scheibe 600 angeordnet. Jede graphische Periode jedes Musters entspricht 360 elektrischen Grad in der zugehörigen Wellenformfunktion. Mit drei gleichförmigen graphischen Perioden pro Muster stellt jedes der Muster 602a bis c 360 elektrische Grad mal 3 dar, was 1.080 elektrischen Grad entspricht. Deshalb muss, um in einer Wellenform eine gewünschte elektrische Phasenverschiebung zu erreichen, das entsprechende graphische Muster um eine Anzahl von physikalischen Grad verschoben werden, die der gewünschten elektrischen Phasenverschiebung (in elektrischen Grad) entspricht, geteilt durch die Anzahl graphischer Perioden in dem graphischen Muster. Entsprechend müsste in diesem Beispiel, wenn eine Phasenverschiebung um 120° gewünscht wird, das graphische Muster in seiner Position um 120°/3 Perioden = 40 physikalische Grad winkelverschoben werden.
Bezug nehmend auf 12A wird das Muster 602b relativ zu Muster 602c um 40° winkelverschoben, um eine Phasenverschiebung von 120° zu bewirken. Das Muster 602a wird relativ zu Muster 602c um 80° winkelverschoben, um eine Phasenverschiebung von 240° zu bewirken. Wie in 12B gezeigt, weist eine Maske 604 drei Sätze von Maskenaperturen 603a bis c auf. Die Aperturen in Satz 603a sind radial fluchtend miteinander ausgerichtet, und so beabstandet, dass sie fluchtend mit dem jeweiligen Muster 602a bis c ausgerichtet sind. 12C ist eine Darstellung der phasenverschobenen Wellenformfunktionen, die benutzt werden, um die Muster 602a bis c zu erzeugen, und die auch die phasenverschobenen elektrischen Signalausgänge des Codierers darstellen. Wellenform 606a ist um 240 elektrische Grad gegenüber Wellenform 606c verschoben, und Wellenform 606b ist gegenüber 606c um 120 elektrische Grad verschoben.
Ein anderes dreiphasiges Beispiel ist in 13A bis C gezeigt. Wie in 13A gezeigt, weist eine Codescheibe 610 drei graphische Muster 612a bis c auf, die identisch zu denen sind, die auf Codescheibe 600 (12A) vorhanden sind. In diesem Beispiel werden phasenverschobene Wellenformen von 0°, 90° und 180° benötigt. Unter Benutzung derselben Codescheibe wird diese andere Menge von Phasenverschiebungen erreicht, wenn die Maske 604 (12B) so verändert oder physikalisch gedreht wird, dass sie den Apertursatz 603c benutzt. Wie in 13B gezeigt, ist eine Maske 614 identisch mit Maske 604, wurde jedoch um 90 physikalische Grad im Uhrzeigersinn gedreht. Apertursatz 603c auf Maske 614 weist drei Aperturen 616a bis c auf, die jeweils um 0°, -10° und -20° winkelverschoben sind.
Apertur 616b weist gegenüber Apertur 616a eine Differenz von 10 physikalischen Grad auf, was in diesem Fall -30 elektrischen Grad Phasenverschiebung entspricht. Die Phasenverschiebung von -30° wird zu der Phasenverschiebung von +120° hinzuaddiert, die auf Muster 612b (13A) zurückgeht, um die gewünschte Phasenverschiebung um 90° zu bewirken. Die Apertur 616c weist gegenüber Apertur 616a eine Differenz von 20 physikalischen Grad auf, was einer Phasenverschiebung von -60 elektrischen Grad entspricht. Die Phasenverschiebung von -60° wird zu der Phasenverschiebung von +240° hinzuaddiert, die auf Muster 612c (13A) zurückgeht, um die gewünschte Phasenverschiebung um 180° zu bewirken. Apertur 616a trägt nicht zu einer Phasenverschiebung bei, weshalb Muster 612a die gewünschte Phasenverschiebung um 0° erzeugt.
13 zeigt die phasenverschobenen Wellenformfunktionen, die den graphischen Mustern 612a bis c und dem Apertursatz 603c (13A und 13B) entsprechen. Wellenform 618c entspricht Muster 612c und Apertur 616c und ist gegenüber Wellenform 618a um 180 elektrische Grad verschoben; Wellenform 618b entspricht Muster 612b und Apertur 616b und ist gegenüber Wellenform 618a um 90 elektrische Grad verschoben; und Wellenform 618a entspricht Muster 612a und Apertur 616a.
Es wurde gezeigt, dass eine Maske multifunktional sein kann, indem sie eine Anzahl unterschiedlicher Apertursätze aufweist, die jeweils für eine bestimmte Anwendung ausgewählt werden können. Beispielsweise erlauben es die Apertursätze 603a bis c aus 12B und 13B einem einzigen Codierer, unterschiedliche Sätze von phasenverschobenen Signalen zu erzeugen, wie in 12C und 13C demonstriert. Jeder Signalsatz kann ausgewählt werden, indem die Position der Maskenapertursätze 603a bis c manuell justiert wird, indem zwischen zwei Sätzen von Phototransistoren elektronisch umgeschaltet wird, oder indem das Signal von mehreren Sätzen von Detektoren ausgegeben wird.
Weitere Beispiele, die verdeutlichen, wie die Maske mit den graphisch geformten Aperturen konfiguriert sein kann, sind in 14A bis D und 15A bis D gezeigt. In 14A enthält eine Codescheibe 620 ein graphisches Muster von sechs gleichmäßig beabstandeten Aperturen 622 (physikalischer Abstand von 60 Grad). Die Scheibe 620 ist die sich drehende Scheibe. 14B zeigt eine Maske 624, die stationär sein soll. Die Maske 624 enthält eine gestreckte Apertur 626, die gemäß den Flächenfüllgleichungen geformt ist, um eine Sinuswellenform zu erzeugen. Hinter Maske 624 ist ein Array aus Photodetektoren 628 angeordnet, der sich über die gesamte Apertur 626 erstreckt. Alternativ kann das Array 628 durch einen einzigen gestreckten Photodetektor ersetzt werden. Im Fall eines Arrays können die Ausgänge des Arrays 628 unterschiedlich kombiniert werden, um ein einzelnes Wellenformsignal oder eine Serie von Signalwellenformen zu erzeugen. Da sich die Codescheibe 620 relativ zu Maske 624 dreht, tastet jede Apertur 622 über Apertur 626, und erzeugt eine Periode in einer Sinuswellenform (wenn ein einziger Detektor oder ein seriell verbundenes Array von Detektoren benutzt wird). 14C zeigt eine Wellenformfunktion 630 mit sechs Perioden, die der Codescheiben-/Maskenanordnung aus 14A und 14B entspricht. 14D zeigt eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) der Codescheiben- und Maskenanordnung aus 14A und 14B. Aperturen 632 entsprechen den Aperturen 622 der Codescheibe 620 in 14A, und Apertur 634 entspricht Apertur 626 von Maske 624 in 14B.
15A bis D zeigen eine zu Anordnung aus 14A bis D äquivalente Anordnung. In 15A enthält eine Codescheibe 640b ein graphisches Muster drei gleichmäßig beabstandeter Aperturen 642 (Abstand von 120°). Wie in 15B gezeigt, weist eine Maske 644 ein Paar graphisch geformter Aperturen 646 und 648 auf, die um 180° beabstandet sind. Hinter Maske 644 ist ein Array aus Photodetektoren 650 (oder ein einziger gestreckter Detektor) angeordnet, die sich über die gesamte Apertur 646 erstrecken, und deren Ausgänge verknüpft werden können. Ebenso ist hinter Apertur 648 ein Array aus Photodetektoren 652 (oder ein einziger Detektor) angeordnet, und die Ausgänge von Array 652 können verknüpft und dann mit dem Ausgang von Array 650 kombiniert werden, um einen einzigen elektrischen Signalausgang zu erzeugen. 15C zeigt eine Wellenformfunktion 654 mit sechs Perioden, die der Codescheiben-/Maskenanordnung aus 15A bis B entspricht. 15D zeigt eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) der kreisförmigen Codescheiben- und Maskenanordnung aus 15A bis B. Aperturen entsprechen den Aperturen 642 von Codescheibe 640 aus 15A, und Aperturen 658 entsprechen den Aperturen 646 und 648 von Maske 644 aus 15B.
In Anwendungen, bei denen es wünschenswert ist, eine nicht ganzzahlige Anzahl von elektrischen Perioden pro Umdrehung der Codescheibe zu erzeugen, kann eine bestimmte graphische Korrektur der graphischen Formen erforderlich sein, die von den Flächenfüllgleichungen erzeugt werden. Eine graphische Korrektur kann auch erforderlich sein, wenn die graphischen Formen für eine ungleichförmige Wellenformfunktion wie die aus 17B erzeugt werden. Die Korrektur kann nötig sein, da eine Wellenformfunktion, die ungleichförmig ist oder eine nicht ganzzahlige Anzahl von Perioden enthält, bei jeder Wiederholung eine Unterbrechung verursacht (d.h. bei jeder Umdrehung der Scheibe). 16A bis F veranschaulichen das Problem und einen Ansatz für seine Korrektur.
In 16A weist eine Sinuswellenfunktion 700 3,428 Perioden pro Umdrehung auf. 16B zeigt, dass diese Funktion drei Mal wiederholt wird (was drei Umdrehungen darstellt), und zeigt eine Unterbrechung 701, die am Ende jeder Umdrehung auftritt. Um dies zu korrigieren, wird die Wellenformfunktion 700 um etwa -90° (eigentlich -0,428 Perioden) phasenverschoben, wie in 16C gezeigt (phasenverschobene Wellenform 704). In 16D ist die phasenverschobene Wellenform 704 drei Mal wiederholt gezeigt. Wie dargestellt, wurde eine Unterbrechung 706 am Ende jeder Umdrehung verringert. Allerdings liegen immer noch steile Spitzen am Ende jeder Umdrehung vor. Diese Spitzen können geglättet werden, indem die finalen Formen auf der Codescheibe und/oder Codemaske empirisch graphisch geformt werden. 16E zeigt eine Wellenformfunktion 708, die sich aus empirisch angepassten graphischen Formen der Codescheibe und Codemaske ergibt. Es ist zu beachten, dass der Start- und Endpunkt der Wellenform 708 im Vergleich zu Wellenform 704 gerundet wurden. In 16F ist die Wellenform 708 in dreimaliger Wiederholung gezeigt, um zu verdeutlichen, dass die Unterbrechungen aus 16B und 16D verringert wurden. Die elektrische Signalwellenform, die von der korrigierten graphischen Funktion erzeugt wird, würde der Wiederholungsdarstellung aus 16F gleichen. Es ist zu beachten, dass das oben beschriebene Korrekturverfahren die Implementierung einer Wellenformphasenverschiebung erfordert, indem die Position des graphischen Musters, das auf der Codescheibe und/oder der Maskenapertur enthalten ist, in geeigneter Weise angepasst wird.
Ein Beispiel einer Codescheibe, die graphisch angepasst wurde, um eine Unterbrechung zu korrigieren, ist in 17A gezeigt. Eine Codescheibe 750 umfasst ein graphisches Muster mit drei graphischen Perioden 752a bis c. Eine Wellenformfunktion 754 (siehe 17B) ist auf Scheibe 750 codiert. Wie in 17B gezeigt, ist Wellenform 754 eine ungleichförmige Funktion mit einem Startpunkt 756 und einem Endpunkt 758. Wie dargestellt, befinden sich diese Punkte auf verschiedenen Ebenen, und erzeugen eine Unterbrechung, wenn die Funktion wiederholt wird. In diesem Fall kann der oben in Bezug auf 16A bis F beschriebene Schritt der Phasenverschiebung aufgrund der Ungleichförmigkeit der Wellenform nicht verwendet werden. Allerdings können der Startpunkt 756 oder der Endpunkt 758 oder beide angepasst werden, um die Unterbrechung zu minimieren.
Eine Anpassung des einfallenden Strahlungsenergiemusters in der „y"-Dimension (siehe 2) bewirkt die notwendige Korrektur. In diesem Beispiel wird die Anpassung erreicht, indem das graphische Muster auf Scheibe 750 modifiziert wird, wie in der vergrößerten Ansicht von 17A gezeigt. In der vergrößerten Ansicht von 17A ist die nicht korrigierte Verbindung zwischen den graphischen Perioden 752a und 752c an Punkt LC in durchgezogenen Linien dargestellt. Die graphisch korrigierte Verbindung ist in durchbrochenen Linien dargestellt. In diesem Fall besteht die graphische Korrektur aus dem Vereinigen der separaten Enden der graphischen Perioden 752a und 752c zu einem kontinuierlichen graphischen Übergang Y1. Diese Korrektur veranlasst den Startpunkt 756 (siehe 17B) dazu, sich auf eine höhere Ebene zu heben und sich dem Endpunkt 758 weiter anzunähern. 17C zeigt eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) des nicht korrigierten graphischen Musters auf Codescheibe 750, und 17D zeigt eine äquivalente lineare Darstellung (X – Y) des korrigierten graphischen Musters. Zu beachten ist der Unterschied zwischen dem Muster in 17C (an den Punkten 756 und 758) und dem Muster in 17D (an den Punkten Y1, Y1).. Die Punkte Y1, Y1 in 17D stimmen überein.
Ein bevorzugter Aufbau des optischen Codierers der vorliegenden Erfindung ist in 18 und 19 gezeigt. Der gezeigte Aufbau kann bevorzugt werden, da er einen Codierer mit geringem Gewicht und flachem Profil bereitstellt, der ohne zusätzliche (äußere) Abstützung an die Welle des Motors gekoppelt werden kann. Ein ringförmiges muffenförmiges Verbindungsstück 802 ist so abgemessen, dass es gleitend auf eine Welle 803 (siehe 19) eines Motors geschoben werden kann, der von Codierer 800 gesteuert werden soll. Das Verbindungsstück 802 ist durch eine Feststellschraube 804 fixiert. Das Verbindungsstück 802 kann aus einem leichten, aber starken Metall hergestellt sein. Das Verbindungsstück 802 weist eine Bohrung 805 auf, die für eine formschlüssige Aufpassung auf Welle 803 abgemessen ist. Das andere Ende des Verbindungsstücks 802 ist mit einer Spindelwelle 806 verbunden, entweder durch eine weitere Schraube (nicht dargestellt) oder durch Loctite, Klebstoff usw.
Weiterhin unter Bezugnahme auf 18 und 19 ist die Spindelwelle 806 Teil eines Spindelsystems, das eine Lageranordnung 808 aufweist. Wie in 19 deutlicher dargestellt, umfasst die Lageranordnung 808 zwei benachbarte Lagerelemente 810 und 812. Diese Elemente weisen jeweils einen inneren Laufring 811 bzw. 813 auf. Jedes Lagerelement weist zehn Kugellager 814 auf (von denen zwei für jedes Element dargestellt sind), die gleichmäßig um den Umfang des Laufrings beabstandet sind. Die Lagerelemente 810 und 812 weisen jeweils einen äußeren Laufring 816 auf.
In 18 ist die Lageranordnung 808 als separate Komponente gezeigt. Allerdings ist die Lageranordnung 808 in der bevorzugten Ausführungsform einstückig in das Codierergehäuse 818 eingeformt. Abhängig von der Anwendung kann die Lageranordnung 808 durch eine Muffe oder eine Kunststoffbuchse ersetzt werden. Das Codierergehäuse 818 ist aus Formkunststoff oder einem anderen geeigneten Formmaterial hergestellt.
Das Verfahren zum einstückigen Ausformen der Lageranordnung 808 mit dem Gehäuse 818 ermöglicht ein präziseres, kompakteres und leichteres Spindelsystem. Die einstückig geformte Anordnung eliminiert die Notwendigkeit von maschinengearbeiteten Naben, Unterlegscheiben, Abstandscheiben und anderen Stützelementen für die Lageranordnung. Dieses Verfahren eliminiert den Montageschritt zum Einsetzen der Lager in die Gehäusenabe, und verhindert so Ausrichtungsprobleme sowie die erforderliche Benutzung zusätzlicher präzisionsbearbeiteter Nabenspindelkomponenten.
Weiter unter Bezugnahme auf 18 und 19 sollen nun die inneren Komponenten des Codierers 800 beschrieben werden. Eine scheibenförmige LED oder Emitterschaltkarte 820 ist eng in das Gehäuse 818 eingepasst, und weist eine zentral angeordnete Öffnung 821 auf. An Karte 820 ist ein LED-Emitterelement 822 angeordnet, das vorzugsweise infrarot ist, und eine Kollimationslinse 823 aufweist (siehe 19). In alternativen Ausführungsformen kann mehr als ein Emitterelement 822 benutzt werden. Andere Komponenten können je nach Bedarf auch an Karte 820 angeordnet sein. In den Ausführungsformen aus 18 und 19 ist an Karte 820 ein Widerstand angeordnet, und seriell zwischen einer DC-Spannungsversorgung und der LED verbunden.
Ein Flansch 824 wird verwendet, um eine Codescheibe 826 für eine Drehbewegung abzustützen. Die Codescheibe 826 wird während der Montage mit Hilfe eines Zentrierstiftwerkzeugs an Flansch 824 ausgerichtet und angeordnet. Die Anordnung von Flansch 824 und Codierer 826 wird auf dem freien Ende der Spindelwelle 806 angeordnet, nachdem die Welle 806 mit Druck durch die inneren Laufringe der Lageranordnung 808 geschoben wurde. Die Codescheibe 826 kann aus einem klaren Substrat mit Kontaktphototransparenzmaterial oder -film hergestellt sein, das von vielen Quellen beziehbar ist. Das graphisch geformte optische Fenstermuster wird mit Hilfe standardmäßiger Kontaktphotoprozesse auf den Film der Scheibe 826 gedruckt, die auf dem Gebiet integrierter Leiterplatten allgemein bekannt sind. Im Wesentlichen wird die gesamte Fläche der Codescheibe 826, mit Ausnahme des optischen Fenstermusters, mit einer schwarzen Emulsion bedruckt. Ein Umkehrbild kann ebenfalls benutzt werden (d.h. lichtundurchlässig auf klar), wie in 8A gezeigt. Bei den meisten Anwendungen wird bevorzugt, dass die Druckauflösung höher als 1.000 Bildpunkte pro Zoll ist. Allerdings wurde bei Dreiperioden-Codescheiben eine akzeptable Leistung mit einem Laserdrucker mit einer Auflösung von 300 Bildpunkten pro Zoll erreicht.
Wie in 18 und 19 gezeigt, ist ein Abstandring 828 eingeführt, der an Schaltkarte 820 anliegt. Der Ring 828 wird ebenfalls ausgeformt, kann jedoch eine zweite eingekerbte Stufe in dem Gehäuse sein. Eine Maske 830, die in Form einer Scheibe ausgebildet ist, ist an einem Maskensubstrat 832 angeordnet. Die Maske 830 ist aus dem gleichen Filmmaterial hergestellt wie die Codescheibe 826. Die Maske ist ebenfalls bedruckt, wie oben in Bezug auf die Codescheibe 826 beschrieben. Das Maskensubstrat 832 weist eine Öffnung 833 auf, die den erforderlichen optischen Weg durch die Maske sicherstellt. Im Allgemeinen kann das Substrat 832 eine Anzahl von Öffnungen aufweisen, um eine Anzahl von optischen Wegen zu erzielen. Die Maske 830 wird in einem Vormontageschritt ebenfalls fluchtend mit der Welle 806 ausgerichtet. In der vollständigen Anordnung ist der Abstandring 828 zwischen der Schaltkarte 820 und der Maske 830 angeordnet. Der physikalische Abstand von Codescheibe 826 und Maske 830 beträgt typischerweise zwischen 0,1 mm und 0,5 mm (0,004 und 0,020 Zoll), abhängig vor allem von der Anzahl graphischer Perioden, die auf Scheibe 826 gedruckt sind, und der optischen Wegelemente.
An der anderen Seite des Substrats 832 ist eine zweite Schaltkarte 834 angeordnet, die eine Öffnung 835 aufweist, die fluchtend mit der Öffnung 833 in Substrat 832 ausgerichtet ist. Bei einer Mehrkanalimplementierung würde in Karte 834 eine Vielzahl von Öffnungen 835 vorliegen, die mit einer Vielzahl von Öffnungen 833 im Substrat 832 übereinstimmen würden. An der freien Seite der Karte 834, und fluchtend mit Apertur 835 ausgerichtet, ist ein Phototransistor 836 mit einer Linse 837 angeordnet. Ein Potentiometer (nicht dargestellt) ist ebenfalls an Karte 834 angeordnet. In einer Ausführungsform ist der Emitter des Phototransistors 836 mit der Masse verbunden, und sein Kollektor dient als der elektrische Signalausgang. Der Potentiometer ist zwischen der Masse und einer DC-Spannungsversorgung verbunden. Der bewegliche Kontakt des Potentiometers ist mit dem Kollektorausgang verbunden. Das Codiererpaket wird durch eine Abdeckung 838 vervollständigt, die wie Gehäuse 818 aus geformtem Material hergestellt ist.
Wie in 18 und 19 gezeigt, ragt ein Paar Veranlkerungsstreifen 840 und 842 aus dem Gehäuse 818 bzw. der Abdeckung 838 hervor, mit deren Hilfe das Gehäuse mit einer Antirotationsklemme (im Folgenden beschrieben) verankert werden kann, um zu verhindern, dass das Gehäuse 818 sich mit der Welle dreht. Diese Funktion soll unter Bezugnahme auf 20 bis 24 beschrieben werden.
Unter Bezugnahme auf 20 bis 24 soll nun das Anbringen des optischen Codierers an einen Motor beschrieben werden. In 20 weist ein optischer Codierer 900, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, ein Verbindungsstück 902 auf, das fluchtend mit einer hinteren Welle 904 eines Motors 906 ausgerichtet ist. Der Innendurchmesser der Bohrung in Verbindungsstück 902 ist so gearbeitet, dass er mit dem Außendurchmesser von Welle 904 übereinstimmt, um gleitend auf diese aufpasst zu werden. Bei Bedarf kann die Winkelposition einer Codescheibe, die im Codierer 900 angeordnet ist, fluchtend mit den Motorpolen ausgerichtet werden, indem das Verbindungsstück 902 (das die Codescheibe dreht) auf der Welle 904 in die geeignete Winkelposition gedreht wird. Das Verbindungsstück 902 ist mit einer Stellschraube 908 fest an der Welle 904 gesichert.
Wie in 21 bis 22 gezeigt, ist eine Antirotationsklemme 910 an einen der Verankerungsstreifen gehakt, die von dem Codierer 900 vorspringen. Das andere Ende der Klemme 910 kann an eine existierende Schraube oder einen Bolzen geklemmt sein, die oder der direkt am Motor 906 gesichert ist. Es wird allerdings bevorzugt, die Klemme 910 unter individueller Anpassung an dem Motor 906 anzubringen. Dies kann erreicht werden, indem ein Abstandsbolzen 912 mit einer Schraube am Motor 912 angebracht wird, wie in 21 bis 22 gezeigt. Der Abstandsbolzen 912 sollte tangential zu dem Codierer 900 angeordnet sein, wie in 22 gezeigt. Diese Anbringungsanordnung stellt eine erhöhte Genauigkeit beim Verhindern eines „Winkelbewegungsfehlers" des Codierers sicher.
Wie in 21 gezeigt, kann der Codierer 900 in einer Abdeckung 914 aufgenommen sein, die an den Motor geschraubt ist. Die Abdeckung 914 kann „stabilisiert", belüftet usw. werden und auf unterschiedliche Weise am Motor angebracht werden, ohne die Ausrichtung und die Leistung des Motorcodierers zu beeinträchtigen oder zu verändern. Wahlweise kann ein Leistungsverstärker 916 an der Innenwand von Abdeckung 914 angebracht sein und benutzt werden, um das Ausgangssignal des Codierers zu verstärken.
23A und B sind eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht einer Antirotationsklemme 910. Die Klemme 910 kann beispielsweise aus federnd vorgespanntem 302-SS-Draht hergestellt sein, der einen Durchmesser von 0,94 mm (0,037 Zoll) aufweist. Wie in 23A gezeigt, weist die Klemme 910 eine Anbringschlaufe 911a auf, die benutzt wird, um die Klemme 910 an einem Motor, einem Abstandsbolzen oder einem Ausleger anzubringen. Wie in 23B gezeigt, weist die Klemme 910 auch eine Verankerungsschlaufe 911b auf, die sich mit einem Verankerungsstreifen verhakt, der von dem Gehäuse des Codierers 900 vorspringt.
Wie in 24 gezeigt, kann die Antirotationsklemme 910 auch als Justierarm zum Justieren der Winkelposition des Codierergehäuses, und also der Position der Maske im Verhältnis zu der Codescheibe, dienen. Eine solche Justierung ist wünschenswert für eine Feineinstellung der Maskenposition relativ zu den Wicklungen des Motors, nachdem der Codierer 900 ausgerichtet und gesichert wurde. Diese Justierung ermöglicht es, die Codierersignale richtig zu takten, um die Motorwicklungen für ein optimales Drehmoment und eine optimale Leistungsanpassung voreilen oder nacheilen zu lassen. Wie in 24 gezeigt, wurde der Abstandsbolzen 912 durch einen aufrechten Ausleger 912a ersetzt. Der Ausleger 912a weist eine Schraube 918 auf, die durch sein distales Ende geführt ist, wobei eine Mutter das Ende der Antirotationsklemme 910 hält. Die Winkeljustierung des Codierers 900 wird durch einfaches Drehen der Schraube 918 bewirkt, was die Klemme 910 dazu veranlasst, sich entlang dem tangentialen Weg relativ zu Codierer 900 zu bewegen.
Wie oben erwähnt, kann es in bestimmten Anwendungen wünschenswert sein, einen AC-Motor mit einem Signal anzutreiben, das für jede Umdrehung der Motorwelle eine nicht ganzzahlige Anzahl von Perioden aufweist. In dem oben erörterten Beispiel kann ein Signal mit 3,428 Perioden pro Umdrehung wünschenswert sein, um eine Leistungssignalfrequenz von 60 Hz von dem Codierer zu erzielen, wenn der Motor bei Nenndrehzahl (unter der Synchrondrehzahl) arbeitet. Es wurde vorgeschlagen, dass eine Wellenformfunktion, die 3,428 Perioden aufweist, auf einer Codescheibe codiert werden könnte. 25A und B zeigen eine Draufsicht auf eine Codescheibe 950, die ein graphisches Muster 952 aufweist. Das graphische Muster 952 stellt eine optisch codierte Wellenformfunktion mit 2,6 elektrischen Perioden dar. 25B zeigt eine Wellenformfunktion 954, die graphisch auf Scheibe 950 als Muster 952 codiert ist. Die Punkte La, Pa, Lb, Pb, Lc und Pc markieren Winkelpositionen entlang dem graphischen Muster 952 (siehe 25A), und entsprechende Punkte La, Pa, Lb, Pb, Lc und Pc sind an der Wellenformfunktion 954 markiert (siehe 25B). Wie in 25B gezeigt, stimmt ein Startpunkt A der Wellenformfunktion 954 mit einem Endpunkt B der Funktion überein.
Bezug nehmend auf 26A und B ist ein anderer Weg zum Erzeugen einer nicht ganzzahligen Wellenform gezeigt. In 26A weist eine Codescheibe zwei graphische Muster 957a und 957b auf, sowie eine Lokalisierungsapertur 957c. Die graphischen Muster 957a und b stellen Wellenformfunktionen dar, die jeweils 3,5 elektrische Perioden aufweisen. Jede physikalische Umdrehung der Codescheibe 956 um 360° erzeugt als Ergebnis der Lokalisierungsapertur 957c ein Übergangssignal. Jedes Übergangssignal veranlasst in Kombination mit elementaren Schaltungen den Codiererwellenformausgang dazu, zwischen den Mustern 957a und 957b hin und her zu wechseln. Der kontinuierliche Wellenformausgang dieses Verfahrens ist in 26B gezeigt. Wie zu erkennen ist, erzeugt dieses Beispiel sieben vollständige elektrische Perioden für jeweils zwei vollständige physikalische Umdrehungen der Scheibe 956 um 360°, oder 3,5 elektrische Perioden pro Umdrehung. Andere nicht ganzzahlige Wellenformperioden können mit Hilfe dieses Verfahrens erzeugt werden, indem die Anzahl konzentrischer graphischer Muster und die Anzahl graphischer Perioden in jedem Muster variiert wird.
27A und B zeigen ein alternatives Verfahren zum Erzeugen eines Signals, das eine nicht ganzzahlige Anzahl von Perioden pro Umdrehung aufweist. In diesem alternativen Verfahren wird die gewünschte Wellenform elektrisch hergeleitet, indem in einfacher Weise zwei oder mehr Wellenformen kombiniert werden. Wie in 27A gezeigt, weist beispielsweise ein Signal 960 an Eingang A N1 Perioden pro Umdrehung auf, was eine Frequenz F1 erzeugt. Ein Signal 962 an Eingang B weist N2 Perioden pro Umdrehung auf, was eine Frequenz F2 erzeugt. Die Signale 960 und 962 können in unterschiedlicher Weise kombiniert werden, um weitere Frequenzen Fn zu erzeugen. Diese verschiedenen „neuen" Frequenzergebnisse Fn können anhand vieler standardmäßiger Mischverfahren des Stands der Technik hergeleitet werden. Aufgrund der nichtlinearen Natur einiger Ausgangssignale, die sowohl bei einer elektrischen Periode oder im Verlauf von „N" Perioden von dem Codierer der vorliegenden Erfindung erzeugt werden (d.h. variable Amplitude, Phase, Tastverhältnis usw.), sollten auch andere Frequenzergebnisse erreichbar sein.
Auch können gemäß der vorliegenden Erfindung derartige Frequenzen (Perioden oder Wellenformen) innerhalb oder außerhalb des Codierers „gemeinsam genutzt" werden. 27A und B zeigen ein einfaches Verfahren zum Kombinieren von nur zwei Signalen. Diese zwei Signale werden mit einem Potentiometer 964 kombiniert, und der Ausgang A/B von Potentiometer 964 ergibt ein Signal, das eine neue Zahl von Perioden (Frequenzen) aufweist.
Wie in 27A gezeigt, können verschiedene Kombinationen der Signale 960 und 962 anhand des Netzes aus 27A erzielt werden.
Die Verfahren der elektrischen Kombination, Modifikation und Summierung, wie in 27A beschrieben, können auch benutzt werden, um die Ausgangssignale des Codierers der vorliegenden Erfindung weiter zu formen. Wie 27A zeigt, kann eine Dreieckwellenform 966 mit Sinuswellenformen 962 kombiniert werden, um eine anders geformte Wellenform an Ausgang B/C zu ergeben. 27A zeigt ein einfaches „passives" Verfahren der Wellenformmodifikation. Allerdings können die Wellenformtypen und mathematischen Ableitungen in unterschiedlicher Weise geformt, verstärkt oder kombiniert werden, was jedoch ohne dieses einzigartige Verfahren der Wellenformerzeugung bisher nicht möglich war.
27B zeigt ein ähnliches Netz zum Kombinieren von Wellenformen, und zeigt seine Fähigkeit, eine Amplitudenvariationsfunktion 968 an Eingang D mit einer willkürlichen Funktion 970 an Eingang E zu kombinieren, um einen speziellen Wellenformausgang an D/E zu erzeugen. Wie in 27B gezeigt, kann der Wellenformausgang D/E auch mit einer Frequenzvariationswellenform 972 kombiniert werden, um einen Ausgang F/(D/E) zu erzeugen.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen in der Beschreibung im Detail beschrieben und in den Figuren dargestellt wurden, versteht es sich, dass die Erfindung nur durch die beiliegenden Ansprüche begrenzt ist.

Claims

Optischer Kodierer, der die periodische Bewegung einer elektromechanischen Maschine (10) in ein Kodiererausgangssignal umwandelt, worin der Kodierer (22) aus einem Photoemitter (24), aus einem mit dem Photoemitter (24) fluchtend ausgerichteten Photodetektor (26), der auf vom Photoemitter (24) ausgesendete Strahlungsenergie responsiv ist, und aus einem ersten und einem zweiten optischen Element (30, 36) besteht, die zwischen dem Photoemitter (24) und dem Photodetektor (26) angeordnet sind und betätigbar sind, um ein Muster der am Photodetektor (26) einfallenden, vom Photoemitter (24) bereitgestellten Strahlungsenergie gemäß der periodischen Bewegung der elektromechanische Maschine (10) zu modifizieren, wenn die elektromechanische Maschine (10) und der Kodierer (22) wirksam miteinander gekoppelt sind, worin der Photodetektor (26) auf die einfallende Strahlungsenergie responsiv ist, um ein elektrisches Signal, welches das Kodiererausgangssignal bereitstellt, zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass: das erste und das zweite optische Element (30, 36) gemäß einem ersten und einem zweiten Muster (32, 38) kodiert sind, die durch eine graphische Funktion definiert sind, die unter Verwendung von Flächenfüllungsgleichungen von einer Wellenformfunktion abgleitet wird, die basierend auf dem Folgenden bestimmt wurde: (i) einer für das Kodiererausgangssignal ausgewählten, vorbestimmten Wellenform; und (ii) einer ausgewählten Anzahl an elektrischen Perioden des Kodiererausgangssignals pro Bewegungsperiode der elektromechanischen Maschine (10), wodurch das erste und das zweite optische Element (30, 36) das Muster der auf den Photodetektor (26) einfallenden Strahlungsenergie in Übereinstimmung mit der graphischen Funktion modifizieren, wenn die elektromechanische Maschine (10) in Betrieb ist und mit dem Kodierer (22) wirksam gekoppelt ist, sodass der Kodierer ein Ausgangssignal erzeugt, das die vorbestimmte Wellenform und Anzahl der elektri schen Perioden pro Bewegungsperiode der elektromechanischen Maschine (10) aufweist.
Optischer Kodierer nach Anspruch 1, worin das erste optische Element eine Kodescheibe (30) ist, die gemäß einem graphisch geformten Muster kodiert ist, und das zweite optische Element eine Maske (36) ist, die gemäß einer graphisch geformten Apertur kodiert ist.
Optischer Kodierer nach Anspruch 1 oder 2, worin das erste optische Element (30) mit der elektromechanischen Maschine (10) gekoppelt ist.
Optischer Kodierer nach Anspruch 3, worin die zyklische Bewegung der elektromechanischen Maschine (10) an eine Drehwelle (18) übertragen wird, mit der das erste optische Element (30) gekoppelt ist.
Optischer Kodierer nach Anspruch 4, worin das Kodiererausgangssignal gemäß einer relativen Phase spezifiziert ist, und worin das graphisch geformte Muster (34) relativ zu einer Position des Photodetektors (26) für einen bestimmten Drehwinkel der Welle (18) positioniert ist, wobei die relative Position des graphisch geformten Musters (34) ausgewählt wird, um die relative Phase des Kodiererausgangssignals zu erzeugen.
Optischer Kodierer nach Anspruch 1, worin die elektromechanische Maschine (10) ein Elektromotor ist, dessen periodische Bewegung an eine Drehwelle (18) übertragen wird, worin das Kodiererausgangssignal eine Wellenform und Frequenz für die Ansteuerung des Motors aufweist, und worin der Kodierer (22) mit der Welle des Motors (10) gekoppelt ist.
Optischer Kodierer nach Anspruch 6, worin das erste optische Element eine Kodescheibe (30) ist, die gemäß einem graphisch geformten Muster (34) kodiert ist und mit der Welle (18) des Motors (10) gekoppelt ist, und eine relative Phase für das Kodiererausgangssignal spezifiziert ist, und worin das erste Muster (34) relativ zu ei ner Position des Photodetektors (26) für einen bestimmten Drehwinkel der Welle (18) positioniert ist, wobei die relative Position des ersten Musters (34) ausgewählt wird, um die relative Phase des Kodiererausgangssignals zu erzeugen.
Optischer Kodierer nach Anspruch 6, worin das erste optische Element eine Kodescheibe (30) ist, die gemäß einem graphisch geformten Muster (34) kodiert ist, und der Motor (10) einen Rotor (14) umfasst, dem mehrere Polpaare zugeordnet sind, wobei das graphisch geformte Muster der Anzahl an Polpaaren entspricht, und worin die Kodescheibe (30) mit der Welle (18) des Motors (10) gekoppelt ist, und worin das graphisch geformte Muster (34) im Wesentlichen mit der Anzahl an Polpaaren des Rotors (14) fluchtend ausgerichtet ist.
Optischer Kodierer nach Anspruch 8, worin das zweite optische Element eine Maske (36) mit einer Apertur (38) ist, worin die Maske (36) zwischen der Kodescheibe (30) und dem Photodetektor (26) angeordnet ist, und worin die Apertur (38) eine graphisch geformte Apertur (38) ist, die in der Maske (36) enthalten ist, wobei die Apertur (38) Strahlungsenergie aus der Kodescheibe (30) den Durchtritt zum Photodetektor (26) ermöglicht.
Optischer Kodierer nach Anspruch 9, worin der Motor einen Stator (12) umfasst, dem Wicklungen zugeordnet sind, und worin: (i) die Position der Apertur (38) der Maske (36) und des Photodetektors (26) relativ zu den Wicklungen des Stators (12) einstellbar ist.
Elektromotor, umfassend: eine Statoranordnung (12) mit einer Vielzahl an Wicklungen; eine Rotoranordnung (14) mit einer Welle (18), die sich als Reaktion auf ein Ansteuerungssignal, das die Wicklungen der Statoranordnung (12) mit Energie beaufschlagt, dreht; ein erstes optisches Element (30), das ein erstes graphisch geformtes, optisch detektierbares Muster (34) aufweist, wobei das erste optische Element (30) mit der Welle (18) der Rotoranordnung (14) gekoppelt ist, sodass sich das erste Muster (34) in Übereinstimmung mit der Drehung der Welle (18) dreht; ein zweites optisches Element (36), das ein zweites graphisch geformtes, optisch detektierbares Muster (38) aufweist, das relativ zu den Wicklungen der Statoranordnung (12) positioniert ist; wobei das erste und das zweite graphisch geformte Muster (34, 38) durch eine graphische Funktion definiert sind, wobei die graphische Funktion unter Verwendung von Flächenfüllungsgleichungen von einer Wellenformfunktion abgeleitet wird, wobei das erste graphisch geformte Muster (34) optisch mit dem zweiten graphisch geformten Muster (38) gekoppelt ist, um eine kombinierte optische Antwort zu erzeugen, wenn sich die Welle (18) der Rotoranordnung (14) relativ zur Statoranordnung (12) dreht; einen Photodetektor (26), der optisch mit dem ersten und dem zweiten Muster (34, 38) gekoppelt ist, um die kombiniere optische Antwort in ein erstes Kodiererausgangssignal umzuwandeln, wobei das erste Kodiererausgangssignal mit der Drehposition der Welle (18) der Rotoranordnung (14) relativ zu den Wicklungen der Statoranordnung (12) synchronisiert ist, wobei das erste Kodiererausgangssignal eine Wellenform und Frequenz aufweist, die zur Wellenformfunktion in Beziehung stehen; und ein mit dem Photodetektor (26) gekoppeltes Mittel (44) zur Erzeugung des Ansteuerungssignals aus dem ersten Kodiererausgangssignal.
Elektromotor nach Anspruch 11, worin das erste optische Element eine Kodescheibe (30) ist, die gemäß einem graphisch geformten Muster (34) kodiert ist, und das zweite optische Element eine Maske (36) ist, die gemäß einer graphisch geformten Apertur kodiert ist.
Elektromotor nach Anspruch 11, worin das Mittel zur Erzeugung des Ansteuerungssignals einen Verstärker (44) zur Verstärkung des ersten Kodiererausgangssignals auf einen Pegel umfasst, der zur Beaufschlagung der Wicklungen der Statoranordnung (12) mit Energie geeignet ist.
Elektromotor nach Anspruch 11, worin das Mittel zur Erzeugung des Ansteuerungssignals ein Mittel zur Erzeugung eines zweiten Kodiererausgangssignals, das mit der Drehposition der Welle der Rotoranordnung relativ zu den Wicklungen Statoranordnung synchronisiert ist; und ein Mittel zum Kombinieren des ersten Kodiererausgangssignals mit dem zweiten Kodiererausgangssignal umfasst, um ein kombiniertes Kodiererausgangssignal zu erzeugen, aus dem das Ansteuerungssignal erzeugt wird.
Elektromotor nach Anspruch 11, worin das Mittel zur Erzeugung des Ansteuerungssignals ein Mittel zum Kombinieren des ersten Kodiererausgangssignals mit zumindest einem willkürlichen Funktionssignal umfasst, um ein kombiniertes Kodiererausgangssignal zu erzeugen, aus dem das Ansteuerungssignal erzeugt wird.
Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Elektromotors (10), umfassend: das wirksame Koppeln einer Ausgangswelle (18) des Elektromotors mit einem optischen Kodierer (22), der gemäß der Drehung der Ausgangswelle ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, worin: der Kodierer aus einem Photoemitter (24), aus einem mit dem Photoemitter fluchtend ausgerichteten Photodetektor (26), der auf vom Photoemitter ausgesendete Strahlungsenergie responsiv ist, und aus einem ersten und einem zweiten optischen Element (30, 36) besteht, die zwischen dem Photoemitter und dem Photodetektor angeordnet sind und betätigbar sind, um ein Muster der am Photodetektor einfallenden, vom Photoemitter bereitgestellten Strahlungsenergie gemäß der Umdrehung des Elektromotors zu modifizieren; und der Photodetektor auf die einfallende Strahlungsenergie responsiv ist, um ein elektrisches Signal, welches das Kodiererausgangssignal bereitstellt, zu erzeugen, das Kodieren des ersten und des zweiten optischen Elements gemäß einem ersten und einem zweiten Muster (32, 38), die durch eine graphische Funktion definiert sind, die unter Verwendung von Flächenfüllungsgleichungen von einer Wellenformfunktion abgeleitet wurde, die basierend auf dem Folgenden bestimmt wurde: einer für das Betreiben des elektrischen Motors ausgewählten, vorbestimmten Wellenform; und einer gewählten Anzahl an elektrischen Perioden des Kodiererausgangssignals pro Umdrehung des Elektromotors, wodurch das erste und das zweite optische Element das Muster der auf den Photodetektor einfallenden Strahlungsenergie in Übereinstimmung mit der graphischen Funktion modifizieren, wenn der Elektromotor in Betrieb ist und mit dem Kodierer wirksam gekoppelt ist, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die vorbestimmte Wellenform und Anzahl der elektrischen Perioden pro Umdrehung des Elektromotors aufweist; und das Verwenden des Kodiererausgangssignals zur Steuerung des Elektromotors.
Verfahren nach Anspruch 16, weiters umfassend die folgenden Schritte: das Spezifizieren einer Phasenbeziehung zwischen dem Kodiererausgangssignal und der Drehposition der Ausgangswelle (18) des Elektromotors; das Koppeln des ersten optischen Elements (30) für die Drehung durch die Ausgangswelle des Elektromotors; und das Positionieren des ersten optischen Elements in einer Winkelposition relativ zur Ausgangswelle, um die gewünschte Phasenbeziehung festzulegen.
Verfahren nach Anspruch 16, worin das erste optische Element (30) eine Kodescheibe ist, die für die Drehung durch die Ausgangswelle (18) des Elektromotors gekoppelt ist und das erste Muster trägt.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 18, worin das zweite optische Element (36) eine stationäre Maske ist, die das zweite Muster trägt.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 18, worin das zweite Muster durch eine Apertur (38) in der stationären Maske gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, worin der Elektromotor (10) einen Rotor (14) mit einer Vielzahl an Polpaaren umfasst; und worin die Anzahl der elektrischen Perioden des Kodiererausgangssignals in Bezug auf die Anzahl der Polpaare ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 20, worin der Elektromotor (40) einen Stator (12) mit diesem zugeordneten Wicklungen (16A, 16B) umfasst, und worin das Verfahren weiters den folgenden Schritt umfasst: das Einstellen der Position der Apertur (38) der Maske und des Photodetektors (26) in Bezug auf die Wicklungen des Stators.
Verfahren nach Anspruch 16, worin der Elektromotor (10) einen Stator (12) umfasst, der Wicklungen auf sich aufweist, und worin das Verfahren weiters die folgenden Schritte umfasst: das Erzeugen eines zweiten Kodiererausgangssignals, das mit der Drehposition der Elektromotor-Ausgangswelle (18) der Rotoranordnung (14) relativ zu den Wicklungen (16A, 16B) der Ststoranordnung (12) synchronisiert ist; und das Kombinieren des ersten Kodiererausgangssignals mit dem zweiten Kodiererausgangssignal, um ein kombiniertes Kodiererausgangssignal zur Steuerung des Elektromotors zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 16, worin der Elektromotor (10) einen Stator umfasst, der Wicklungen auf sich aufweist, und worin das Verfahren weiters den folgenden Schritt umfasst: das Kombinieren des Kodiererausgangssignals mit zumindest einem willkürlichen Funktionssignal, um ein kombiniertes Kodiererausgangssignal zur Steuerung des Elektromotors zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 16, worin der Elektromotor (10) durch Koppeln des Kodiererausgangs zur Beaufschlagung der Statorwicklungen des Elektromotors mit Energie gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 25, weiters umfassend den Schritt des Verstärkens des Kodiererausgangssignals auf einen Pegel, der zur Beaufschlagung der Statorwickiungen mit Energie geeignet ist.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, worin der Elektromotor ein Mehrphasenmotor mit separaten Statorwicklungen für jede Phase ist, und weiters umfassend die folgenden Schritte: das Erzeugen separater Kodiererausgangssignale in einer der Anzahl der Phasen des Elektromotors entsprechenden Phasenbeziehung; und das Koppeln der separaten Kodiererausgangssignale mit entsprechenden Statorphasenwicklungen.
Verfahren nach Anspruch 27 worin die separaten Kodiererausgangssignale durch Folgendes erzeugt werden: das Kodieren von zumindest einem aus dem ersten und dem zweiten optischen Element mit separaten Mustern in der Phasenbeziehung, die der Anzahl der Phasen des Elektromotors entspricht; und das Bereitstellen separater Photodetektoren, die mit jedem der separaten Muster fluchtend ausgerichtet sind.