SE516952C2 - Vinkelgivare - Google Patents

Description

70 75 20 25 30 516 952 Befintliga encodrar är ofta av optisk inkremental typ, vilket gör att de tappar all information om vinkelläget ändrats t.ex. efter ett strömavbrott eller avstängning av systemet.

Ett stort önskemål är därför att en vinkelencoder skall vara absolutvisande, dvs. korrekt information skall alltid finnas tillgänglig oavsett vad som hänt mellan avstängning och till- slag. Detta är en fördel vid system där säkerhetsaspekter har stor betydelse. En absolutmätande funktion medger även kon- struktion av nøtsystem för långtidsmätningar med liten ef- stängas av helt fektförbrukning, eftersom, mätsystemet kan mellan mättillfällena.

Ritningsfigurer Uppfinningen beskrives här nedan mot bakgrund av känd teknik och de därmed förknippade problemen, och med hänvisning till de åtföljande ritningsfigurerna, där Fig. 1 visar grundprin- cipen för kapacitiv längd- och vinkelmätning enligt SE paten- tet 7714010-1, Fig. 2 visar en vinkelencoder enligt SE paten- tet 7714010-l, Fig. 3 visar en vinkelencoder enligt känd teknik med förbättrad tålighet mot radiell felmontering av statorplattan, Fig. 4 visar en vinkelencoder med parallelli- tetsfel i statorns montering, Fig. 4a visar vinkelencodern i Fig. 4 i sidovy, Fig. 5 visar felmekanismen vid parallelli- tetsfel i statorns montering, Fig. 6 visar en mer detaljerad vy av felmekanismen vid parallellitetsfel i statorns monte- ring, Fig. 7a-c visar en felkurva över en vinkeldelning mel- lan två rotorelektroder vid parallellitetsfel i statorns montering, Fig. 8 visar en vinkelencoder enligt känd teknik med förbättrad tålighet mot radiell felmontering och radial- kast i rotorplattan sedd i sidovy, Fig. Ba visar vinkelenco- dern i Fig. 8 i schematisk planvy, Fig. 9 visar en vinkelen- coder enligt känd teknik med förbättrad tålighet mot radiell felmontering och radialkast i. rotorplattan j. en föredragen 10 15 20 25 30 516 952 utformning, Fig. 10 visar en vinkelencoder med axialkast i rotorplattans lagring, Fig. 11 visar schematiskt avståndsva- riationen mellan rotorplatta och stator över 360° vid axial- kast enligt Fig. 10, Fig. 12 visar~ planhetsfel hos en ro- torplatta, Fig. 13 visar schematiskt avståndsvariationen mellan rotorplatta och stator över 360° vid planhetsfel hos rotorplattan enligt Fig. 12, Fig. 14 visar statorelektroder vid statorelektroddelning = 1/2 rotorelektroddelning, Fig. 15 visar en princip för bortval av elektroder vid radiell kom- primering av elektrodsystemet i Fig.-14, Fig. 16 visar resul- tatet av ett första steg i den radiella komprimeringen, Fig. 17 visar elektrodsystemet i Fig. 16 efter slutlig geometrisk permutering, Fig. 18 visar ett generellt exempel när både rotor och stator är behäftade med vinkelfel relativt rota- tionsaxeln, överdrivet visat i ett extremläge, Fig. 19 visar också ett generellt exempel när både rotor och stator är behäftade med vinkelfel relativt rotationsaxeln, överdrivet visat men i ett annat extremläge, Fig. 20 visar en analys av läget i Fig. 18, Fig. 21 visar en analys av läget i Fig. 19, Fig. 22 visar en föredragen utformning av en absolut- encoderskalas matarelektroder på statorplattan, Fig. 23 visar en föredragen utformning av en absolut-encoderskalas motta- garelektroder på rotorplattan, Fig. 24 visar differentiellt anordnade skalor på rotorplattan för bättre signal/brus- förhållande, Fig. 25 visar snedställning vid en anordning med monterad vinkelgivare enligt uppfinningen, Fig. 26 visar radiell förskjutning vid anordningen enligt Fig. 25, Fig. 27 visar tilläggselektroder för att kontrollera ett_ mekaniskt (kast) rotationscentrum, Fig. za systems radiella avvikelser från Fig. 27a visar elektroderna enligt Fig. 27 i sidovy, visar tilläggselektroder för att kontrollera 'ett mekaniskt systems vinkelavvikelser (axialkast, wobbling) relativt rota- tionscentrum, Fig. 29 visar ett bättre arrangemang av elek- 70 15 20 25 30 516 952 troderna i Fig. 27 och Fig. 28, Fig. 30 visar ett exempel på en komplett rotorskiva enligt uppfinningen men utan anord- 31 visar en förstorad sektion ningar för glappmätning, Fig. av Fig. 30, Fig. 32 visar samverkan mellan stator och rotor- 33 visar ett exempel på hur signaler i de skulle elektroder, Fig. bàda differentiella mottagarelektrodfälten 2 och 2' kunna se ut, Fig. 34 visar ett exempel på komplett statorski- va enligt uppfinningen men utan anordningar för glappmätning, Fig. 35 visar en förstorad sektion av Fig. 34, Fig. 36 visar ett exempel på en komplett rotorskiva enligt uppfinningen med anordningar för glappmätning inkluderade, Fig. 37 visar ett exempel på en komplett statorskiva enligt uppfinningen med anordningar för glappmätning inkluderade, Fig. 38 visar elek- trodernas läge vid sändarelektroddelning = mottagarelektrod- delning/Ö, och Fig. 39 visar elektrodernas läge vid ett annat arrangemang.

Känd teknik Föreliggande uppfinning avser en lättillverkad och prisbillig vinkelencoder baserad på förut känd kapacitiv teknik, i allt väsentligt beskriven i SE patentet 7714010-1. En första plat- ta 1, Fig. l, är försedd med en uppsättning elektroder 2 som bildar en skala. En andra platta 4 belägen ovanför den första plattan, skild från denna genom en smal luftspalt, är försedd med en andra uppsättning elektroder 3 som matas med varsin växelspänning. Den växelspänningsmatade plattan benämns i den fortsatta beskrivningen oftast ”stator". En av elektroderna på den första plattan l bildar vid lämpliga förskjutningslä- gen tillsammans med en eller två av elektroderna på den andra plattan 4 kondensatorer, varvid den växelspänning som pàförts elektroden på den andra plattan överförs till någon av elek- troderna 2 på den första plattan 1. Vilka elektroder pà den första och den andra plattan som bildar kondensator bestäms 70 75 20 25 30 516 952 av' den relativa förskjutningen. mellan plattorna. Därigenom blir också den till den första plattan l överförda signalen beroende av det relativa läget mellan plattorna l och 4 och kan därigenom användas för att fastställa storleken av för- skjutningen mellan plattorna.

En av de väsentliga fördelarna med denna teknik är att de ingående skalelementen kan tillverkas med ordinär mönster- kortsteknik och därigenom blir enkla och billiga att tillver- ka.

Att åstadkomma en vinkelencoder är också känt enligt SE pa- 77l40lO-l. Fig. 2, mot ett för båda radiellt riktade elektro- tentet Därvid placeras, elektrodmönstren gemensamt centrum, der 2,3 i ett cirkelformat mönster för att bilda skalplatta 1 respektive matarmönsterplatta 4. Man kan därvid välja att antingen låta skalplattan vara stationär medan matarmönsters- plattan är vridbar eller vice versa. Alternativt kan man låta både skalplattan 1. och matarmönsterplattan 4 vara vridbara relativt ett fast läge. Enklast är att skalplattan 1 utgör det rörliga, dvs. roterbara elementet medan matarmönsterplat- tan 4 monteras stationärt. Detta förutsätts i fortsättningen vara det föredragna utförandet varvid skalplattan 1 i fort- sättningen benämnes rotor och matarmönsterplattan 4 stator.

Nackdelar och problem med känd teknik Tekniken som beskrivs i SE patentet 7714010-1 är avsedd för tillverkning av längdmätskalor" med en relativt sett ganska låg upplösning och noggrannhet. För att erhålla den höga noggrannhet som krävs i en högupplösande vinkelencoder ställs betydligt högre krav på delningsprecisionen hos de elektroder som bildar mätsystemet. Likaså ställs stora krav på konstant avstånd i axialled mellan den platta l, Fig. 2, 10 15 20 25 30 516 952 som uppbär rotorelektroderna 2 och den platta 4 som uppbär Om detta avstånd inte är lika för alla "vikt" statorelektroderna 3. elektrodpar kommer dessa att få olika signalmässigt vilket resulterar i felaktiga värden. Orsaken till varierande avstånd mellan rotorplattan och statorplattan kan t.ex. bero på axialkast hos rotorplattan 1, Fig. 10, eller fel i ro- Fig. 12. En annan orsak till sådana torplattans 1 planhet, fel är dålig parallellitet mellan rotorplatta och statorplat- eller mellan ta, dvs. mellan plattorna ]_ och 4, i Fig. 1, plattorna l och 4 i Fig. 4, visat i Fig. 4a. Monteringen av rotorplatta 1 och statorplatta 4 måste garantera att de båda plattornas rotationscentra sammanfaller. I samtliga fall ovan uppträder fel av den typ som visas i Fig. 5 och Fig. 6, vilka resulterar i periodiska fel över en skaldelningsperiod, såsom visas i Fig. 7.

Likaså Inàste rotorplattan l lagras på ett sådant sätt att radialkast undviks, eftersom en radiell förskjutning av ro- torplattan relativt plattornas gemensamma rotationscentrum innebär en periodisk förändring över varvet av den effektiva delningsvinkeln mellan rotorplattans elektroder.

SE patentet 7714010-1 beskriver också en metod att bestämma absolutläget vid en linjär skala, vilken i princip också kan tillämpas på en vinkelskala. Nackdelen med den beskrivna metoden är att mycket hög tillverkningsnoggrannhet krävs av de båda delskalor som enligt patentet används för att genom ”svävning” bestämma grovläget av den relativa rörelsen mellan platta l och 4, Fig.l.

Uppfinningen Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstadkom- ma en vinkelgivare som eliminerar eller minimerar de krav på 10 75 20 25 30 516 952 7 tillverkning och inbyggnad som beskrivits ovan och ändå ger möjlighet till en mycket exakt vinkelmätning.

Ovannämnda ändamål med uppfinningen har uppnåtts med en vin- kelgivare innefattande en första platta, rotor, med cirkulärt anordnade och radiellt riktade mottagarelektroder samt en andra platta, stator, försedd, med cirkulärt anordnade och radiellt riktade sändarelektroder anordnade på samma radie som mottagarelektoderna och med på respektive platta bestämd delning mellan mottagarelektroderna och sändarelektroderna, varvid plattorna är koaxiellt anordnade och vridbara i för- hållande till varandra och plattorna är vidare åtskilda av en tunn luftspalt möjliggörande en kapacitiv eller induktiv koppling mellan elektrodsystemen på mottagarplattan och sän- darplattan, varvid sändarelektroderna vardera matas med en växelspänning med olika fas för intilliggande elektroder, varvid antalet matningsfaser, ®, är fler än två, och sändar- elektroddelningen == mottagarelektroddelningen/GL där enligt uppfinningen statorns sändarelektroder är geometriskt anord- nade så att fel i deras geometri i förhållande till geometrin för mottagarelektroderna alstrar lika stora. men motriktade felsignaler i rotorns mottagarelektroder. enligt den kapacitiva princip som I Fig.

Vinkelgivaren fungerar beskrivs i SE patentet 7714010-l. 1 visas en principi- ell bild av hur systemet anordnas vid en linjär skala.

I Fig. 2 visas hur systemet anordnas för mätning av rota- tionsvinklar i en vinkelencoder. Elektroder 2, Fig. 2, place- rade med jämn delning på en i systemet ingående rörlig del benämnd ”rotor” 1 bildar i kombination med elektroder 3 på en variabla kondensatorer. stationär platta. 4 kallad ”stator” 10 75 20 25 30 516 952 8 Båda elektrodsystemen är radiellt riktade mot ett gemensamt rotationscentrum.

De kondensatorplattor som finns på statorn matas med växel- spänningar som har samma frekvens och amplitud men med inbör- Vid ett föredraget utförande används des fasforskjutning. fyra sinsemellan 90° fasförskjutna växelspänningar R-S-T-U, varvid elektroddelningen mellan elektroderna 3 på statorplat- tan 4 är 1/4-del av vinkeldelningen mellan rotorelektroderna 2 på plattan l. Allmänt kan n stycken växelspänningar, där n>2, användas for matningen varvid statordelningen = rotor- delningen/n. När vridningsvinkeln mellan plattorna 1. och 4 ändras kommer i tur och ordning de elektroder som matas med växelspänningarna R-S-T-U att hamna i ett sådant läge att de får en kapacitiv koppling till någon av elektroderna 2 på rotorplattan 1. De på skalan befintliga elektroderna 2 upp- fångar därvid genom kapacitiv överföring en signal från någon av statorns 4 elektroder 3. Fasläget hos den i skalan upp- fångade signalen blir bestämt av fasläget hos de en eller två statorelektroder 3 med vilka rotorelektroden 2 har kapacitiv koppling varigenom fasläget hos den i skalan uppfångade sig- relativt den nalen blir beroende av skalans 1 vinkelläge stationära statorplattan 4. På detta sätt kan vinkelläget inom en skalperiod, dvs. inom vinkeln mellan två rotorelek- troder 2 entydigt bestämmas. krävs Efter- För att bestämma vinkelläget inom hela varvet 360° ytterligare kapacitiva anordningar avsedda for detta. som den effektiva kapacitansen rotorelektrod/statorelektrod blir mycket liten för varje enskilt elektrodpar används ett elektriskt sett parallellt R;S;T;U på statorn för att erhålla en acceptabel signalstyrka antal kopplade sändargrupper i den mottagna skalsignalen, elektroderna 3 i Fig. l. 10 15 20 25 30 516952 9 Enligt SE patentet 7714010-l placeras elektroderna på rotor respektive stator på det sätt som visas Fig. 1. Detta ger den enklaste elektriska förbindningen mellan statorelektroderna och den bästa ”packningen”, dvs. mest effektiv elektrodarea på ett givet utrymme. En vinkelencoder enligt samma princip visas i Fig.2.

Nackdelen med det enligt SE patentet 7714010-1 och Fig. 2 visade utförandet är att en sådan ”självklar” elektrodplacer- ing medför känslighet för de geometrifel som i praktiken uppstår i elektrodsystemen på rotor- respektive statorplatta.

Några fel av denna typ som mer eller mindre oundvikligt upp- träder är: l.Statisk radiell förskjutning mellan rotorplatta 1 och statorplatta 4, Fig. 2, på grund av nödvändiga monterings- toleranser. 2. Dynamiskt radiell förskjutning mellan rotorplatta 1 och statorplatta 4, Fig. 2, på grund. av radialkast hos ro- torplatta 1. 3.Statiskt och parallellitetsfel i avstånds- luftspalten mellan rotor 1 och stator 4, Fig. 2, orsakade av snedin- ställningar på grund av nödvändiga monteringstoleranser. 4. Dynamiskt avstånds- och parallellitetsfel i luftspalten mellan rotor och stator orsakade av radialkast hos den rörliga plattan 1 vid dess rotation, Fig. 10. 5. Dynamiskt avstånds- och parallellitetsfel i luftspalten mellan rotor och stator vid rotation orsakade av formfel hos den rörliga plattan 1 vid rotation, Fig. 12. 6. Inbyggda delningsfel i elektrodgeometrier hos rotor och stator härrörande från optiska mastrar för tillverkning av rotor- och statorplattor. 70 75 20 25 30 516 952 10 Föreliggande uppfinning syftar till att minska kravet på tillverkningstoleranserna för de båda elektrodplattorna 1 och 4 som bildar vinkelencodern och att även minska inbyggnads- kraven genom att eliminera inverkan av de geometriska fel som beskrivits ovan. hos elektrodmönster> och inbyggnadsgeometri.

Den i. denna patentansökan beskrivna metoden bygger på att eliminera fel som uppstår i rotorelektrodgeometri på grund av tillverkning eller montering medelst differentiell geometrisk utbalansering genom att arrangera elektrodsystemen på ett sådant sätt att varje fel i. rotor/stator-geometrin förutom skalsignaler med felbidrag +ö, också ger skalsignaler som innehåller ett differentiellt felbidrag -Ö. Genom att addera de båda skalsignalerna erhålls det önskade resultatet Ö=0.

Hela arrangemanget arbetar som ett samverkande systenl men kommer här nedan att beskrivas uppdelat stegvis med varje feltyp 1 till 5 var för sig.

Feltyp 1 och 2 En principiell metod att undvika inverkan av radialkast, eller radiell förskjutning av statorplattan kan t.ex. vara att förse vinkelgivaren i Fig. 2 med en andra uppsättning statorelektroder identiskt lika de statorelektroder 3 som förefinns på platta 4 men l80° förskjutna relativt den första plattan 4. Fig. 3 visar ett sådant arrangemang. Figuren visar rotorplattan 1 med elektroderna 2. Vidare återfinns stator- plattan 4 med statorelektroderna 3 och diametralt belägen mot plattan 4 en andra statorplatta 4' med elektroderna 3'. De båda statorplattorna är i verkligheten integrerade på en enda gemensam statorplatta 5 i Fig. 3. Vid en tänkt konstant sta- tisk förskjutning av plattans l rotationscentrum relativt plattornas 5 rotationscentra, t.ex. i pilens a riktning, 10 15 20 25 30 516 952 ll inses att signalerna i rotorplattan 1 exciterade från plattan 4 kommer att visa för liten vinkelrörelse, eftersom avståndet mellan statorelektroderna och det verkliga rotationscentret har blivit mindre vilket medför att den effektiva vinkeln mellan statorelektroderna blivit större. På motsvarande sätt kommer signalerna i rotorplatta l exciterade från plattan 4' att visa för stor vinkelrörelse. Den positiva och den negati- va ändringen av den effektiva omfattningsvinkeln mellan två närliggande elektroder blir generellt sett inte lika stora, men vid små radiella rörelser är skillnaden försumbar. Vid summeringen av signalerna exciterade från de båda plattorna 4 och 4' kommer summan av felen därför att ta ut varandra.

Vid ett dynamiskt radialkast, som visas i Fig. 8 och 8a, dvs. lagringscentrum 6 ej då rotorplattans l sammanfaller med rotorelektrodens l geometriska centrum, krävs för en full- ständig utbalansering av felet ytterligare en uppsättning statorplattor 4" och 4"' och 4'. 90° förskjutna mot plattparet 4 Detta framgår bäst i Fig. 8a. Generellt sett krävs minst tre uppsättningar av plattor 4 för att erhålla en felutjämningseffekt. 9 är att låta sta- 360° Ett föredraget utförande som visas i Fig. torelektroderna 3 omsluta hela varvet, dvs. av rota- tionsvinkeln, varvid antalet fasgrupper R-S-T-U för en full- ständig differentiell utbalansering skall vara jämnt delbart med tvâ.

Feltyp 3, 4 och 5 I Fig. 4 visas systemet dels framifrån, dels i en vy sett i pilens a riktning. Vid ett statiskt parallellitetsfel mellan rotor l och stator 4, Fig. 4a, bildas en kilformig luftspalt mellan rotor l och stator 4. Detta visas närmare i Fig. 5, 10 75 20 25 30 516 952 12 där en stator innehållande fyra sändarelektrodgrupper R-S-T-U visas och där snedställningen i systemets rörelseriktning är A.

Fig. 6 visar mer i detalj hur kopplingen mellan en av rotor- elektroderna 2 och de i längdled fördelade elektroderna inom en elektrodgrupp R-S-T-U påverkas 'av snedställningen. Som framgår av Fig. 6 blir kapacitansen mellan statorelektroden S och rotorelektroden 2 mindre än kapacitansen mellan stator- elektroden R och rotorelektroden 2 när respektive statorelek- troder befinner sig rakt ovanför rotorelektroden 2. På samma sätt blir i motsvarande läge kapacitansen mellan statorelek- troden T och rotorelektroden 2 mindre än kapacitansen mellan statorelektroden S och. rotorelektroden 2, samt kapacitansen för U mindre än kapacitansen för T. När man vid rörelsen av rotorplattan löpt igenom alla fyra faserna R-S-T-U kommer åter statorelektroden R att hamna i läge rakt ovanför en av rotorelektroderna 2. Det under sekvensen R-S-T-U ackumulerade ökande felet återgår då åter till ”nollfel”. Man erhåller ett systematiskt och periodiskt fel enligt diagrammet i Fig. 7a, där ordinatan y visar felets storlek och abskissan vinkelrö- relsen. Felets periodlängd Ä är lika med delningen mellan två rotorelektroder 2. Genom att enligt patentets tidigare be- skrivna princip lägga till en geometriskt differentiell utba- 3, med ytterligare en uppsättning statorelek- förhållande lansering, Fig. troder 3', l80° förskjutna i till den första uppsättningen, och där både den första elektroduppsättningen 3 och den andra elektroduppsättningen 3' är integrerade på en och samma platta blir snedställningen lika stor för elektrod- uppsättningen 3' men med motsatt tecken i fasriktningen R-S- T-U och ger därvid upphov till en felkurva enligt Fig. 7b, som är inversen av felkurvan i Fig. 7a, för den övre elek- troduppsättningen 3 i Fig. 4. Det summerade resultatet av de 10 15 20 25 30 516 952 13 båda felkurvorna i Fig. 7a och 7b blir därför en rät linje såsom visas i Fig. 7c i feldiagrammet med ett konstant off- setavstànd o till abskissan.

Vid ett dynamiskt parallellitetsfel, Fig. 10, mellan rotor och stator i form av axialkast hos den roterbara rotorplattan 1 relativt dess rotationsaxel 6 eller då en av rotor- eller statorplattorna är behäftad med ett formfel vilket starkt överdrivet visas i Fig. 12, krävs, Fig. 8, för en fullständig utbalansering av felet ytterligare en uppsättning statorplat- tor 4" och 4"' 90° förskjutna mot plattparet 4 och 4'.

Ett föredraget utförande, som visas i Fig. 9, är att låta statorelektroderna 3 omsluta 360° av rotationsvinkeln, varvid antalet fasgrupper R-S-T-U för en fullständig differentiell utbalansering bör vara jämnt delbart med två. Fig. ll och 13 visar hur avståndet d mellan (den stillastående) rotorplattan 1 och statorplattan 4 då varierar runt rotorplattans perife- ri, från ett största avstånd vid O° till ett minsta avstånd vid 180° och sedan åter till max vid 360°. Genom att stator- plattan omsluter 360° blir medelvärdet av avståndet d mellan rotor- och statorplatta i alla rotationslägen hos rotorplat- tan 1 konstant, varigenom den signal som exciteras i ro- torplattan också blir konstant i amplitud varigenom fasläget endast blir beroende av rotorelektrodernas förskjutning rela- av det axiella tivt statorelektroderna utan att påverkas kastet eller formfelet hos rotorplattan 1.

Generellt I den generella formen av axialkastfel är både rotorns 1 och relativt rotationsaxeln skild från 90°. statorns 4 vinkel Detta visas överdrivet i Fig. 18 och 19. I Fig. 18 har ro- torplattan 1 ett vinkelfel a och statorplattan 4 vinkelfelet 70 15 20 25 30 516 952 14 ß relativt systemets gemensamma rotationsaxel 6. I en vinkel- position av rotorplattan relativt statorplattan intar då systemet det läge som visas i Fig. 18. Efter l80° vridning av rotorplattan intar systemet läget enligt Fig. 19.

I Fig. 20 och 21 visas systemet mer schematiskt i de båda extremlägena. Avståndet mellan rotorplattans rotationscentrum och motsvarande punkt på statorplattan är betecknat med "d". och är betecknad Rotor- statorelektrodsystemens medelradie med "r". Vinkelfelen mellan 'rotor- respektive statorskiva relativt rotationsaxelns centrum är d och ß.

I Fig. 20 blir då nunsta avståndet mellan rotorplatta och statorplatta a = d - r(sind + sinß) och största avståndet b = d + r(sind + sinß). Medelvärdet över 360° = (a + b)/2, dvs. lika med "d" då man sätter in de i figuren utvecklade värdena för ”a” och "b".

I Fig. 21 blir avståndet a mellan rotorplatta och statorplat- ta a = d + r(sina - sinß) och avståndet b = d - r(-sind + sinß). Medelvärdet över 360° (a + b)/2, dvs. lika med ”d” då man sätter in. de i figuren ^utvecklade värdena för ”a” och /lbl/ .

Av ovanstående framgår i det generella fallet med vinkelfel i både rotor- och statorplatta blir avståndsmedelvärdet mellan elektrodplattorna konstant i utformningen enligt uppfinning- en.

Feltyp 6 Inbyggda delningsfel kan finnas i elektrodgeometrier hos rotor och stator. Dessa kan exempelvis härstamma från de 10 75 20 25 30 516 952 is optiska mastrar som används för tillverkning av rotor- och statorplattorna. Vid ett systematiskt fel i delningen mellan rotor eller statorelektroderna erhålls ett monotont ökande felläge hos elektroderna elektrodl ----- elektrodn. Vid full- bordat varv uppträder i den sista delningen mellan elektrodn och elektrodl ett lika stort fel soni det som ackumulerats under de föregående n-l delningarna, men med ombytt tecken, eftersom summan av alla fel under ett varv måste vara = O ! Eftersom både rotor- och statorelektroderna enligt den före- dragna utformningen omfattar hela varvet 360°, inses att den geometriska felkompenseringen fungerar även i detta fall med resultat att felsumman i den i rotorplattan exciterade signa- len blir noll. Övriga skalgeometriskt betingade fel Den i SE patentet 7714010-1 beskrivna skalgeometrin förutsät- ter vid den föredragna utformningen, då fyra nmtningsfaser används, att statorelektrodernas bredd är högst l/4-del av delningen mellan rotorelektroderna. Allmänt sett om Q stycken bredd högst matningsfaser används blir statorelektrodernas 1/Q av delningen mellan rotorelektroderna. För att erhålla en teoretiskt riktig sinusformad överföringskarateristik mellan stator- och rotorelektroder bör emellertid statorelektroden dels vara sinusformad och dels i den föredragna utformningen med fyra matningsfaser ha en bredd av halva delningen mellan rotorelektroderna.

Ett sätt att anordna detta visas i Fig. 14. För enkelhets skull är elektrodarrangemanget visat i linjär form. Statorns sändarelektroder arrangeras i. två. i figuren 'vertikalt för- skjutna plan rl och r2. Rotorelektroderna utformas därvid så långa att de omfattar statorelektroderna i båda planen i Fig. 14. 70 15 20 25 30 516 952 16 En nackdel med detta arrangemang är att elektroderna erhåller en större omkrets i radiell riktning. Detta kräver större inbyggnadsdiameter och är en nackdel vid utformningen av vinkelencodern.

Den största nackdelen med arrangemanget är dock att de elek- troder som befinner sig på den större medelradien r2 har en större yta än de som befinner sig på den mindre medelradien rl. En konvertering där man genom att välja olika höjd på elektroderna fullt ut bibehåller såväl den sinusformade över- föringskarateristiken som den korrekta ytingreppsfunktionen är icke helt möjlig. Om man ändå gör en sådan konvertering alla elektroder med de kom- och l80° får man nackdelen att, Fig. 14, plementära faslägena Iš och 'T dvs. O° systematiskt hamnar på den större radien medan de båda andra S och U, 90° och 270° hamnar på en mindre radie rl. Detta skulle kunna ge upphov till ett systematiskt periodiskt fel i. överförings- funktionen mellan stator och rotor. Ett sådant fel kan elimi- neras genom kalibrering, där man genom jämförelse med ett noggrannare system över en rotorelektrodperiod med jämna mellanrum, registrerar avvikelsen. Denna lagras på lämpligt sätt i en ndnnesenhet som vid utläsning av vinkelläge från encodern anropas med en fråga om korrektionsvärde för den aktuella positionen.

Ovanstående förfarande är emellertid både komplicerat och opraktiskt. Uppfinningen innefattar dock en annan metod att arrangera elektroderna för att undvika sådana systematiska fel som beskrivits ovan.

I Fig. 15, 16 och 17 visas stegvis hur ett fullständigt utba- lanserat mönster kan extraheras ur systemet enligt Fig. 14 10 75 20 25 30 516 952 17 utan att påverka den ursprungliga ytingreppskarakteristik som erhålls enligt det åstundade elektrodmönstret i Fig. 14.

I Fig. 15 visas hur man genom att i den övre raden efter de fyra första statorelektroderna R-T-E-T (markerade streckade) avlägsnar de följande fem elektroderna R-T-R-T-R (omarkerade) varefter på nytt fyra elektroder behålls. På grund av att fem elektroder avlägsnats får denna grupp en annorlunda sekvens T-R-T-R. Efter denna grupp avlägsnas de följande fem elektro- derna T-R-T-R-T. Den tredje gruppen med fasmatning R och T börjar om med samma sekvens som den första R-T-R-T. På samma sätt avlägsnas i den undre raden elektroder med fasmatning S och U. Kvar blir de elektroder som markerats streckade i Fig. 15.

Fig. 16 illustrerar hur man därefter förskjuter R-T och S-U grupperna så att de hamnar på samma radie r.

Efter 18 stycken primärelektroddelningar om 1/2 rotorelek- troddelning i Fig. 15 upprepas samma mönster~ på nytt. Den sekundära delningen X2 i statorelektroduppsättningen blir därigenom 18 x den primära statordelningen, dvs. 9 rotorelek- troddelningar. För att en fullständig geometrisk symmetri i elektrodplaceringen skall uppstå bör antalet sekundära sta- torperioder X2 vara ett heltal. Eftersom X2 = 9 stycken ro- torelektroddelningar bör alltså, för ett helt antal perioder X2 per varv, antalet rotorelektroder vara n x 9 där n är ett positivt heltal större än 1.

Av praktiska skäl kan inte statorelektroderna placeras som visats i Fig. 14-16. Varje elektrod bör för bästa linearitet hos den signal som exciteras i rotorplattans elektroder om- fatta exakt 1/2 rotorelektroddelning. Vid den placering som 10 15 20 25 30 516. 952 18 visats i figurerna skulle de separata sändarelektroderna i fasgrupperna R-T respektive S-U komma att kortslutas inbördes eftersom ingen spalt får förekomma mellan elektroderna.

Genom att såsom i Fig. 17 ”vrida” varannan elektrod i grup- perna l80° bildas en acceptabel isolationsspalt runt varje elektrod med bibehållande av ideell elektrodbredd och del- ning. Som utan närmare förklaring inses blir ytingreppsfunk- tionen mellan de kilformade radiella segment som utgör rotor- elektroderna 2 och statorelektroderna R-S-T-U olika då elek- troderna är vända med sin breda sida utåt respektive inåt.

Dessutom hamnar tyngdpunkten för de elektroder som med sin smalaste del är riktade inåt mot centrum på en större radie än de som är riktade utåt.

En fördel är då att elektrodriktningen genom den i Fig. 17 illustrerade metoden. permuteras på ett sådant sätt att de elektroder som i den första gruppen är riktade med sin spets t.ex. utåt i radiens riktning, elektroderna R i elektrodgrup- pen a längst till vänster i Fig. 17 i nästa elektrodgrupp c innehållande samma matningsfaser är riktade i nmtsatt rikt- ning mot radiens centrum. På samma sätt sker med övriga fas- elektroder S-T-U i elektrodgrupperna b, c och d för att där- efter upprepas i samma mönster. Genom detta erhålls en full- ständig differentiell geometrisk utbalansering av de separata fel som skalgeometrin behäftas med.

Den ovan beskrivna geometriska faspermuteringen är givetvis ej begränsad till det föredragna utförandet med fyra. mat- ningsfaser utan kan på motsvarande sätt anpassas till andra antal matningsfaser. 70 15 20 25 30 51-6 9522 19 Absolutencoder För att bestämma det absoluta vinkelläget används en separat uppsättning radiellt riktade och sinusformade elektroder, placerade på en annan radie, ”finelektroderna”. Ett föredra- get utförande visas i Fig. 22 och omfattar fyra stycken ma- tarelektroder 3, matade med elektriska signaler av faserna R- S-T-U, och placerade på systemets statorskiva. De fyra sän- darelektroderna är i enlighet med intentionerna i uppfinning- en fördelade över 360° för att åstadkomma differentiell geo- metrisk utbalansering. Fig. 23 visar den enda mottagarelek- trod 2 som uppfångar signalen från statorelektroderna och som är placerad på rotorskivan.

Vid fastställande av absolutvärdet hos rotationsvinkeln för- fares enligt följande metod, given som exempel: Vid en viss utvärderingsteknik kan positionsläget fastställas i en räkneenhet med en upplösning av 1/2048-del av delningen mellan två rotorelektroder. Med en rotorplatta som omfattar 126 stycken rotorelektroder på ett varv erhåller man då en 2048 x 126 = vinkelupplösning = 258048 delningar per varv, dvs. drygt 12 bàgsekunder. Med en absolutencoder-skala om en elektrod per varv erhåller man en upplösning av 1/2048-dels varv. Absolutencodern används för att avgöra vilken av de 126 positionerna i ”fin”-encodern som är gällande. I bestämningen av ”fin”-positionen finns därvid en överlappning i upplösning mellan ”grov”- och ”fin”-encodern som ger redundansen 1/126- dels varv, vilket är c:a 16 värdeenheter i grovräknaren.

Beräkningsgången vid beräkning av absolutvärdet av vinkeln är i princip enligt följande: Dividera värdet i grovräknaren med 16 för att beräkna inom vilken av ”fin”-skalans 126 positioner värdet skall ligga.

Efter avrundning till heltal som måste ske efter vissa prin- 10 75 20 25 30 516". 952 20 ciper erhålls ett heltal ”p” Antag vidare att ”fin”-skalans räknare t.ex. innehåller talet 1432. För att erhålla absolut- värdet för den totala vinkeln används en algoritm som princi- piellt ser ut som följer: * 2048 + innehållet i finräkna- Totala absolutvinkeln = (p-l) ren.

Antag i exemplet ovan att p = 27 Totala absolutvinkeln = (27-1) * 2048 + 1432 2 54680 räknar- enheter i finräknaren. 258048 enheter i finräknaren fås 360/258048 * 54680 = 76.28348°.

Eftersonl ett varv 360° = aktuell absolutvinkel ur: Vid encodrar med högre upplösningar t.ex. antalet rotorelek- troder = 1008 stycken kan vid behov två eller fler absoluten- coderfält med olika upplösning inläggas på rotor- respektive statorplattorna.

I exemplet kan t.ex. väljas ”fin”-encoder ”l” en rotorelek- trod per varv och ”grov”-encoder ”2” 24 stycken rotorelektro- ”Grov”-encoder ”2” Redundansen blir då 49512/1008 = ca. der per varv. ger en upplösning av 24 * 2048 = 49512 steg/Varv. 49 grovräknarsteg per ”fin”-delning på rotorn.

Elektrisk differentiell mätning I samtliga ovan beskrivna fall har systembeskrivningen inrik- tats på att visa funktionen hos den differentiella geometri som är utmärkande för uppfinningen. Systemet med sändarelek- troderna 3 på statorplattan 4 och mottagarelektroderna 2 på rotorplattan 1 har för enkelhets skull beskrivits i enlighet 10 75 20 25 30 516 952 21 med känd teknik enl. SE patentet 7714010-l med variationer av utförandet enligt uppfinningens principer. Detta innebär att matarelektroderna 3 på plattan 4, Fig. 1, samverkar med ett enda mottagarelektrodsystem 2 på sliden (rotorelektroden) l.

I en föredragen utformning av uppfinningen, Fig. 24, används två stycken skalor som geometriskt är en halv rotorelektrod- delning förskjutna relativt varandra, men som har samma me- delradie. Som tidigare beskrivits är matningsfaserna R-S~T-U Som en kon- sinsemellan 90° fasförskjutna relativt varandra. sekvens av detta är fas T l80° fasförskjuten relativt R, och U på samma sätt l80° relativt S. När de båda rotorelektrodsy- stemen exciteras från de för båda elektrodsystemen gemensamma sändarelektroderna på statorplattan medför detta att signalen i elektroderna 2' som ligger en halv rotorelektroddelning förskjutna i. relation. till elektroderna 2 också fasmässigt ligger l80° fasförskjutna relativt varandra. Som en följd av detta kan signalerna från elektrodsystemen 2 och 2' pàföras ingångarna av en elektrisk differentialförstärkare 7 av gäng- se slag. De båda i elektroderna 2 och 2' speglade signalerna summeras då till dubbla amplituden jämfört med den enkla skalan i Fig. 1.

Den stora fördelen ligger dock på ett annat plan: Vid utifrån pàförda störande elektriska impulser och fält alstrar dessa likformade störpulser i båda elektrodsystemen och elimineras genom differentialförstärkarens CMR. Dessutom bidrager elek- trodarrangemanget till ytterligare geometrisk utjämning av eventuella fel genom att medelvärde bildas över två skilda men fysiskt sammankopplade elektrodsystem.

Enligt SE patentet 7714010-l och Fig.l àterföres de i plat- tans l elektroder etc. mottagna signalerna på kapacitiv väg till den matande plattan 4 via separata överföringselektro- 10 15 20 25 30 .S16 952 22 der. Vidare är samtliga. mottagarelektroder 2,3 etc. elekt- riskt isolerade från varandra. Enligt uppfinningen kan en eller båda dessa utformningar tillämpas på anordningen enligt uppfinningen. Vid. t.ex. mätning av 'vinkelpositionen. hos en kontinuerligt roterande axel kan. det vara fördelaktigt att använda kapacitiv återmatning till statorplattan.

Som ett större tillämpningsområde för en vinkelencoder enligt uppfinningen betraktas system med naturligt begränsade rörel- sevinklar, t.ex. länkarmar, i. mätande eller positionerande system, industrirobotar etc. I dessa fall ansluts efterföl- jande differentialförstärkare med åtföljande utvärderings- elektronik direkt till elektrodsystemen på rotorplattan.

Antingen kan hela elektroniken i form av en integrerad krets appliceras på rotorplattan, eller också dras signalen via kabel eller optofiber till integrerad eller diskret uppbyggd elektronik placerad på annat ställe. Genom att signalen tas ut direkt från rotorplattan utan att passera via en kapacitiv överföring erhålls en brusfriare och mer oförvanskad signal.

Andra praktiska felkällor Vid mät- eller positioneringssystem innehållande en eller fler sammanlänkade ledarmar, ställs vid traditionella typer av vinkelencodrar stora krav på armarnas lagring för bibehål- lande av systemets noggrannhet vid systemets arbetspunkt.

Bristande precision i lagringen kan medföra stokastiska sned- ställningar av det slag som visas i Fig. 25 eller radiella 26. mets ll arbetspunkt kan bli behäftad med ett Cosinusfel bero- förskjutningar enligt Fig. Detta medför att ledarmssyste- ende på snedställning illustrerad i Fig. 25 och/eller radiell och axiell förskjutning illustrerad i Fig. 26. 70 15 20 25 30 516 952 23 Vid tillämpning av den här beskrivna uppfinningen bortkompen- seras dock effekten av snedinställningar, av rotorn 1 rela- tivt statorn 4, Fig. 25, eller rent radiella förskjutningar av rotor relativt stator, Fig. 26, avseende den avlästa vrid- ningsvinkeln direkt genom elektrodmönstrens 2 och 3 i Fig. 9 Utmärkande för den första delen av speciella utformning. uppfinningen är också att Cosinusfel eller radiell förskjut- ning av elektrodsystemen kan negligeras. I en tillämpning i ett verkligt system måste emellertid även inverkan på syste- mets arbetspunkt tas i beaktande. För en fullständig kontroll över systemets rörelse i. arbetspunkten xnáste- systemet även inhämta information om stokastiska vinkelfel av den typ som visas i Fig. 25 och stokastiska radiella förskjutningar en- ligt Fig. 26 samt stokastiska axiella förskjutningar enligt 25 och 26. Fenomen som med ett gemensamt namn brukar Fig. benämnas "glapp".

Enligt uppfinningen tillordnas elektrodsystemen ytterligare ett system Fig. 27 och 27a. På statorplattan 4 är placerat en cirkulär sändarelektrod 13. På rotorplattan 1 finns mottagar- elektroderna 14 och 15 vilka genom kapacitiv överföring från sändarelektroden 13 uppfàngar en signal. Amplituden av den mottagna signalen i 14 respektive 15 är beroende av det rela- tiva läget mellan 14/15 och matningselektroden 13. Vid symme- tri blir amplituden lika stor i elektroderna 14 och 15. Vid förskjutning från symmetriläget kommer amplituden att öka i den ena och minska i den andra elektroden 14,15. 14,15 likformigt Genom att placera minst tre elektrodpar fördelade utmed vinkelencoderns omkrets kan med' hjälp av lämplig matematisk behandling av amplitudvärdena från elek- troderna 14 och 15 den radiella förskjutningen av ledarmen ll beräknas. 70 75 20 25 30 516 952 24 För att bestämma felaktig vinkelinställning enligt Fig. 25 tillordnas elektrodsystemen ytterligare ett system, Fig. 28.

På statorplattan 4 är placerat en cirkulär sändarelektrod 16.

På rotorplattan 1 finns minst tre mottagarelektroder 17 lik- formigt fördelade utmed vinkelencoderns omkrets. Elektroder- nas 17 radiella utsträckning är mindre än elektrodens 16 radiella utsträckning i syfte att elektrodens 17 kapacitiva koppling till elektroden 16 vid. varje möjlig radiell för- skjutning skall förbli opáverkad.

Genom kapacitiv överföring från sändarelektroden 16 uppfångar mottagarelektroderna 17 varsin signal. Amplituden av den mottagna signalen i elektroderna 17 är beroende av det rela- Vid symme- Vid tiva avståndet mellan 17 och sändarelektroden 16. tri blir amplituden lika stor i samtliga elektroder 17. snedställning av ledarmen 11 enligt Fig. 25 blir amplituden hos respektive elektrod 17 beroende av felets storlek och riktning. Med hjälp av lämplig matematisk behandling av amp- litudvärdena från elektroderna 17 kan vinkelfel och axiell förskjutning hos ledarmen 11 beräknas.

I det föredragna I Fig. 29 visas ett föredraget utförande. utförandet placeras sändarelektroderna 13 och 16 på samma radie och utgörs av en och samma elektrod 18. Mottagarelek- troderna 14 och 15 respektive 17 placeras företrädesvis, för att spara utrymme i radiell led, så att vartannat läge utmed vinkelencoderns omkrets upptages av en elektrodgrupp 14,15 och vartannat av en elektrod 17.

Alternativt kan, där det radiella utrymmet är av underordnad betydelse, sändarelektroden 18 göras så bred att elektroderna 70 75 20 25 30 516 952 25 14, 15 och 17 kan fördelas oberoende av varandra utmed vinke- lencoderns omkrets.

Rotorelektroder En komplett rotorskiva för användning i en vinkelgivare en- ligt uppfinningen visas i Fig. 30.

En av egenskaperna hos kapacitiva mätsystem utformade enligt SE patentet 7714010-1 är att direkt och med hög noggrannhet kunna bestämma storleken av en relativ vinkelvridning som är mindre än mottagarelektroddelningen som i exemplet nedan är l/81-dels varv. Däremot erhålles ingen information om vilken mottagarelektroddelning (i exemplet vilken av 81 stycken möjliga) som är aktuell. Encodern är därför försedd med ett andra vinkelmätsystem med en mottagarelektroddelning av 360° dvs. ett helt varv. Detta andra system, kallat ”grovmätsystem”, tjänar enbart till att fastställa vilken av exemplets 81 mottagarelektroddelningar som är aktuell. mottagarelektroderna 2 I Fig. 30 återfinns rotorplattan 1, och 2', avsedda att samt inre mottagarelektroder 2c och 2c' mottaga signaler från grovmätsystemet (Fig. 34, 35). bildar därvid tillsam- statorplattan 4 det De yttre mottagarelektroderna 2 och 2' mans med motsvarande elektroder 3 på högupplösande vinkelmätsystemet, medan de inre mottagarelek- tillsammans med motsvarande elektroder 3' bildar troderna 2c och 2c' på statorplattan 4 grovmätsystemet, som bestämmer vinkelläget inom varvet 360°. I Fig. 31 visas ett avsnitt av rotorplattan i större skala.

Plattan är belagd med en ledande beläggning som företrädesvis utgörs av en tunn påvalsad kopparfolie. De svarta linjerna 70 15 20 25 30 516 952 26 markerar isolerande linjer som t.ex¿ kan åstadkommas medelst fotolitografisk etsning.

Linjerna 19,20 i Fig. 31, som bildar de polära begränsnings- linjerna för mottagarelektroderna, är riktade mot ett för alla på skivan befintliga cirkulära och polära element gemen- samt centrum. Bredden på elektroderna är därvid företrädesvis vald så att elektrodernas bredd är lika stor som mellanrummet och som närmare mellan elektroderna. Som framgår av Fig. 30, kan studeras i Fig. 31, lämnas företrädesvis ett smalt band av ledande material 21 kvar ovanför elektrodernas 2 övre gräns. Därigenom kommer samtliga elektroder 2 bà rotorplattan att vara elektriskt sammankopplade i form av parallellkopp- ling, vilket medför att den i en enstaka rotorelektrod mycket svaga mottagna signalens styrka mångfaldigas med en faktor son1 i huvudsak är beroende av antalet rotorelektroder 2 i skivan.

I ett tänkt utförande kan vinkeldelningen mellan rotorelek- troderna väljas så att 81 stycken elektroder finns över ett helt varv, 360°.

För att ytterligare öka den mottagna signalens styrka, men framför allt i syfte att minska encoderns känslighet för externa störningsalstrare, vilka alstrar elektriska växel- spänningsfält som kan uppfàngas av rotorskivans elektroder 2, är rotorskivan försedd med ett andra rotorelektrodsystem 2', 30 och 31. samma elektriska isolationslinje som formar den första elek- Fig. Denna andra elektroduppsättning 2' skapas av troduppsättningen 2, och eftersom elektrodbredden företrädes- vis valts så att elektrodernas bredd är lika stor som mellan- rummet mellan elektroderna kommer elektroduppsättningens 2' 70 75 20 25 516 952 27 form, yta och bredd att vara identiskt lika den första elek- troduppsättningens 2. I Även denna andra elektroduppsättning 2' är elektriskt hop- kopplad på samma sätt som den första elektroduppsättningen 2 genom att ett smalt band av ledande material 22 lämnas kvar nedanför elektroden.

I ett föredraget utförande överförs de i elektrodfälten 2 och 2' alstrade signalerna via genompläterade hål 23 och 24, Fig. 31, till på plattans baksida befintliga anordningar för att ansluta till signalbehandlande elektronik, t.ex. differenti- alförstärkaren 7 i Fig. 24.

Fig. 32 avser att förklara den differentiella signalbildning- en i rotorplattans elektroduppsättningar 2 och 2'. I Fig. 32 visas i ”röntgenbild” både rotorplatta och statorplatta i det läge som de befinner sig i. en nwnterad vinkelencoder. Ro- torplattan 1 med de mottagande rotorelektrod-arrayerna 2 och 2' visas därvid med tunna linjer och statorplattan 4 som är hjärtformade statorelektroderna försedd med de ”sändande” R,S,T,U med tjockare linjer. Den differentiella signalgeome- trin iakttages enklast vid de elektroder i FigL 32 som matas med växelspänningar med faserna S och U.

I det föredragna system som beskrivs här används fyra mat- ningssignaler R,S,T,U. Dessa är enligt SE patentet 7714010-1 fasförskjutna relativt varandra enligt följande mönster: Matnings- R S T U signal Fasläge o° 9o° 1so°27o° grader 10 15 20 25 30 516 952 28 Av tabellen framgår att matningssignalerna R och T är sins- emellan l80° fasförskjutna. Likaså 'är matningssignalerna S och U sinsemellan l80° fasförskjutna.

Av Fig. 32 framgår att i ett visst läge befinner sig samtliga stator-(sändar-)elektroder med fasen S rakt ovanför de inåt mot centrum riktade rotorelektroderna 2. Samtidigt befinner sig samtliga statorelektroder“ med fasen U rakt ovanför de utåtriktade rotorelektroderna 2'.

Geometriskt är som tidigare beskrivits ovan de båda rotor- elektroduppsättningarna 1/2 rotorelektroddelning förskjutna relativt varandra. Eftersom sändarelektroderna S och U matas med lika stora spänningar som är l80° fasförskjutna relativt varandra blir de i rotorelektroderna 2 och 2' mottagna signa- lerna lika stora men med motsatt tecken. Detta illustreras principiellt i Fig. 33. De båda diagrammen visar hur amplitu- den U hos den i rotorns mottagarelektroder 2 och 2' mottagna signalen varierar vid en relativ vinkeländring d mellan rotor och stator.

Det övre diagrammet illustrerar principiellt amplituden hos den signal som alstras i rotorelektroderna 2 och det undre motsvarande för den signal som alstras i rotorelektroderna 2'. Som framgår utgör de signaler som erhålls från elektrod- uppsättningen 2' en spegling av signalen i elektroduppsätt- ningen 2. Detta gör det mycket lämpligt att tillföra de båda signalerna till varsin ingång på en differentialförstärkare 7 som visas i Fig. 24. Därvid erhåller man effekten att de båda signalerna adderas och den resulterande utsignalen från för- stärkaren får dubbelt så stor amplitud. Dessutom dämpas på detta sätt inflytanden av störsignaler alstrade i mottagar- elektroderna 2 och 2' på grund av externa elektriska växel- 70 75 20 25 30 516 (952 29 fält genom differentialförstärkarens egenskap att undertrycka likfasiga signaler på dess ingångar (Common Mode Rejection).

Statorelektroder Den med rotorskivan samverkande statorskivan innehållande stator-(sändar-) elektroderna visas i Fig. 34. På denna är elektroderna cirkulärt anordnade enligt den princip som vi- sats i Fig. 17 med tillhörande beskrivning. Fig. 34 visar statorplattan 4 på vars yta sändarelektroderna 3 och grovmät- finns. Statorplattan tillverkas Fig. 35 Fig. 35 systemets sändarelektroder 3' på liknande sätt som beskrivits för rotorplattan. visar ett avsnitt av statorplattan i större skala. visar även att sändarelektrodernasb permuterade geometriska läge är enligt de principer soni beskrivs i det ovannämnda patentet samt matningssignalernas fasläge för en komplett elektrodgrupp. Ett varv på vinkelencodern måste omfatta ett helt antal sådana grupper.

Förklaring av permuteringen För ett kapacitivt system av här beskriven princip, 4-fasigt, gäller att sändarelektroderna måste uppfylla villkoret att delningen mellan dessa måste vara = ro- tor(mottagnings)elektrodernas delning/Ö, dvs. i detta fall = I exemplet innebär l/4 dvs. rotor(mottagnings)elektrodernas delning/4. detta att sändarelektroddelningen skal vara l/81 * 1/324-dels varv.

Detta leder till den elektrodkonfiguration som visas i Fig. 14. Denna konfiguration är emellertid av flera orsaker icke lämplig för applikation j. en vinkelencoder. Den främsta av dessa orsaker är att den i Fig. 14 visade konfigurationen har stor utsträckning i. vertikalled, dvs. vid applikationen på statorskivan i radiell led. Detta medför att ytan på de elek- 70 15 20 25 30 516 952 30 troder vars tyngdpunkt befinner sig på den mindre radien rl blir mindre än ytan på de elektroder som befinner sig på den större radien r2 eftersom elektroderna på den mindre radien visserligen har samma vinkeldelning som elektroderna på den större radien men omfattar en mindre båglängd än dessa.

Teoretiskt skulle man kunna kompensera för detta genom att kompensera geometrin för elektroderna på den mindre radien så att ytan och ytingreppsfunktionen blir densamma som för elek- troderna på den större radien. Nackdelen med ett sådant för- farande är den påtagliga risken att genom detta introducera ett systematiskt symmetrifel eftersom, som framgår av Fig. 14, då samtliga elektroder på den mindre radien rl matas med växelspänningar med fasläge S eller U medan samtliga elektro- der på den större radien r2 matas med växelspänningar~ med fasläge R eller T.

Detta skulle också bryta mot den grundläggande filosofin i detta patent som säger att all signalöverföring från den sändande statorplattan till den mottagande rotorplattan skall vara arrangerad på ett sådant sätt att differentiell felut- jämning åstadkommes. För att åstadkomma detta krävs en full~ ständig symmetri av elektrodernas placering på ett sådant sätt att ett eventuellt fel, t.ex. avvikande radie, avvikande area, eller avvikande ingreppsgeometri, överhörningseffekter genom parasitiska kapacitanser etc. blir lika mycket repre- var och en av faselektroduppsättningarna 34, 35 senterade på R,S,T,U. Ett exempel på denna symmetri visas i Fig. och Fig. 17. Elektroderna är som visas i figurerna dels rik- tade med den smalaste delen inåt mot rotationscentrunx och dels utåt från rotationscentrum. Trots att samtliga elektro- der har samma yta och ligger på samma radie kan ändå på grund av systemets stora känslighet något olika signaler överföras till rotorplattans mottagarelektroder beroende på vilken 10 15 20 25 30 516 952 31 riktning som statorelektroden har. Orsaker till sådana fel kan t.ex. vara mindre felaktigheter i statorelektrodernas geometri eller fasöverhörningar. På grund av patentets grund- läggande regel om differentiell symmetri är därför statorns sändarelektroder anordnade så att inom varje fasmatningsgrupp R,S,T,U finns lika många utåtriktade och inåtriktade elektro- der. Vidare innehåller även grupperna R,S,T,U relativt var- andra lika många utåtriktade och inàtriktade elektroder.

För att ändra elektrodkonfigurationen kan man, utan att påver- ka signalöverföringsfunktionen på annat sätt än att den totala signalamplituden sjunker, plocka bort ett godtyckligt antal sändarelektroder R,S,T,U för att åstadkomma en utglesning av elektrodfältet.

Fig. 38 och 39 vill närmare förklara hur den i Fig. 14 till 17 visade permutationen är möjlig, samt hur sändarelektrodernas delning, trots villkoret i SE patentet 7714010-l som säger att sändardelningen. skall vara ”mottagarelektroddelningen/Q där ®= antalet matningsfaser”, kan modifieras men ändå funktio- nellt bibehålla det i nämnda patent givna villkoret. Som nämndes i början av stycket skall sändarelektroderna geomet- riskt vara placerade så att den första faselektroden R, i ett visst tänkt startläge, befinner sig rakt ovanför en mottagar- elektrod 2 på rotorplattan, Fig. 38. Nästa faselektrod S skall därvid vara l/4 mottagarelektroddelning förskjuten och befin- ner sig därför endast till hälften ovanför samma mottagarelek- trod 2. Den därpå följande faselektroden T skall vara 2 * l/4 dvs. 1/2 mottagarelektroddelning förskjuten och befinner sig rakt ovanför mellanrummet mellan mottagarelektroderna 2, dvs. rakt över mottagarelektroden 2'. På samma sätt är U förskjuten 3/4 mottagarelektroddelning. 70 75 20 25 30 "S161 952 32 14 och 38 görs förskjutningen av sändarelektroderna i 1/4, 1/2 och 3/4 mottagarelektroddel- I Fig. gruppen R,S,T,U med 0, ning relativt en och samma mottagarelektrod. Éör signalöver- föringsfunktionen är det emellertid inte nödvändigt att för- skjutningen görs relativt en och samma mottagarelektrod.

Eftersom alla mottagarelektroder 2 är elektriskt sammankopp- lade erhålles samma funktion, i det fall R som tidi- Fig. 39, gare förutsätts ligga rakt ovanför mottagarelektrod nummer 1 men sändarelektrod med fas S är positionerad 1 + 1/4 motta- garelektroddelning och befinner sig då till hälften ovanför nästa mottagarelektrod 2. Men elektroden T placeras med en förskjutning av 2 + 2/4, och U med 3 + 3/4 mottagarelektrod- delningar. I detta fall blir därigenom den faktiska sändar- 1/4 funktionella elektroddelningen 1 gånger mottagarelektroddelningen, medan den sändarelektroddelningen, dvs. för- skjutningen relativt mottagarelektroden, fortfarande är 1/4, 2/4 respektive 3/4 gånger mottagarelektroddelningen.

Ovanstående ger ett signalriktigt men mycket kraftigt ”urglesat” sändarelektrodfält där antalet sändarelektroder är färre än rotorns mottagarelektroder (med en faktor 1,25).

Genom exemplet ovan inser man att sändarelektroderna R,S,T,U kan grupperas och flyttas på ett i det närmaste godtyckligt sätt under förutsättning att man följer nedanstående grund- regler. 1.Sändarelektroden måste bibehålla sin bestämda geometriska 1/4, 2/4, relativt ett godtyckligt valt mottagarelektrodläge. förskjutning av 0, 3/4 mottagarelektroddelningar 2. Statorn måste innehålla lika många sändarelektroder av varje fas. 70 75 20 25 30 516 952 33 3. Den geometriska symmetrin måste bibehållas, eller skapas genom permutationen, t.ex. lika många utåtriktade som in- åtriktade elektroder.

En sådan utglesning av elektrodfältet kan som ovan påpekats göras på ett stort antal sätt. I Fig. 14-17 visas en metod för utglesning som föredrages i denna beskrivning.

Genom permutering av statorns fasmatningselektroder som visas i Fig. 17 bibehålls alltså fortfarande funktionellt den pri- mära delningen mellan på varandra följande fasmatningselek- troder R,S,T,U av l/4-dels rotorelektroddelning.

Detta visas i Fig. 32 där i det visade läget sändarelektroden R till hälften befinner sig över en mottagarelektrod 2' och till hälften över en mottagarelektrod 2. Sändarelektroden S befinner sig rakt över en mottagarelektrod 2 och är därigenom till sin funktion 1/4-dels mottagarelektroddelning förskjuten relativt elektrod R. Nästa elektrod T befinner sig till hälf- ten över en mottagarelektrod 2 och till hälften över en mott- agarelektrod 2', och därigenom alltså 1/2 nwttagarelektrod- delning förskjuten relativt elektrod R och 1/4 mottagarelek- troddelning förskjuten relativt elektrod S. På-detta sätt kan visas att samtliga elektroder fortfarande till sin funktion är fördelade med en delning 1/4-dels mottagarelektroddelning relativt en av mottagarelektroderna. Dock är denna fördelning inte relativt en och samma elektrod som fallet är i Fig. 14. som beskrivits ovan ingen betydelse Detta har emellertid eftersom alla mottagarelektroder är elektriskt hopkopplade. 10 15 20 25 30 515 952 34 Komplettering av systemet med anordningar för att mäta stor- leken av radiella och axiella glapp i det mekaniska system där vinkelencodern ingår. ' Trots att vinkelencodern utförd enligt uppfinningen elimine- rar fel i vinkelmåttsangivelsen som beror på bristfälligheter i lagringen hos de maskinelement där encodern är inbyggd, påverkas ändå positioneringsnoggrannheten i det totala syste- met mekaniskt och geometriskt av glapp och kast i dess lag- ringar. Även om vinkelläget är riktigt avläst av vinkelmätsy- stemet kan ändå fel uppstå genom glapp i det mekaniska syste- met av det slag som visas i Fig. 25 och 26.

Genom att tillföra ytterligare elektrodsystem kan även sådana fel mätas och kompenseras i realtids Sådana .elektrodsystem beskrivs på sid. 23-25 och exemplifieras i Fig. 27, 28 och 29 där Fig. 27 och 28 var för sig exemplifierar hur man mäter radialkast respektive axiella förskjutningar. I Fig. 29 visas hur dessa båda kan sammanföras till ett gemensamt system.

Till den ursprungliga beskrivningen av denna funktion bör infogas att utsignalerna från varje enskild platta 14, 15 i Fig. 27 resp. 29 ansluts till en elektronikenhet som genom att mäta amplituderna hos de sex plattorna 14,15 momentant kan bestämma storlek och riktning av eventuellt radialkast.

På samma sätt är varje enskild platta 17 i Fig. 28 och 29 kopplad till en elektronikenhet soul momentant kan bestämma storleken av axialförskjutningen och även eventuell vinkling enligt Fig. 25.

Fig. 36 visar en komplett rotorplatta utrustad med glappmät- ningselektroder. 14 och 15 är de tidigare beskrivna elektro- derna för mätning av radialglapp och 17 elektroderna för 516 9521 35 mätning av axialglapp. Streckprickat visas hur den på stator- plattan belägna signalmatningselektroden 16 samverkar med elektroderna 14, 15 och 17.

Fig. 37 visar en komplett statorplatta utrustad med glappmät- ningselektroder varvid det for glappmätningen tillkommande elementet är signalmatningselektroden 16.

Claims (14)

70 75 20 25 30 516 952 36 Patentkrav rotor (1), med cirkulärt anordnade och radiellt riktade mottagarelektro- (4), riktade

1. l. Vinkelgivare innefattande en första platta, der (2) stator försedd med cirku- lärt samt en andra platta, anordnade och radiellt sändarelektroder (3) anordnade på samma radie som mottagarelektroderna (2) och med (l;4) bestämd delning mellan mottagar- (3), är koaxiellt anordnade och vridbara i förhållande till (1,4) på respektive platta elektroder (2) (1,4) och sändarelektroder varvid plattorna varandra och plattorna är vidare åtskilda av en tunn luftspalt möjliggörande en kapacitiv eller induktiv koppling (2,3) och stator- mellan elektrodsystemen på rotorplattan (1) (4), en växelspänning med olika fas för intilliggande elektroder, plattan varvid sändarelektroderna (3) vardera matas med varvid antalet matningsfaser, Q, är fler än två, och sändar- elektroddelningen == mottagarelektroddelningen/GL k ä n n e - t e c k n a d av att statorns (4) sändarelektroder (3) geometriskt är anordnade så att fel i deras geometri i för- hållande till geometrin för mottagarelektroderna (2) alstrar lika stora men motriktade felsignaler i rotorns (1) mottagar- elektroder (2).

2. Vinkelgivare enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att n stycken mottagarelektroder (2) är jämnt fördelade över rotorns (1) hela omkrets, varvid n är ett heltal, och att n * Q stycken sändarelektroder (3) är jämnt fördelade över sta- torns (4) hela omkrets.

3. Vinkelgivare enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att sändarelektroderna (3) är uppdelade i grupper, där varje grupp innefattar minst Ö stycken elektroder matade av varsin 70 75 20 25 30 'växelspänning av olika 516 952 37 fas, varvid statorn (4) 'innefattar minst tre sådana grupper av sändarelektroder.

4. Vinkelgivare enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k - n a d av att antalet rotorelektroder (2) är valt så att z*(2®+1), där z är ett heltal lika med eller större än 1. 13 H

5. Vinkelgivare enligt något av kraven 2-4, k ä n n e - t e c k n a d av att n är jämnt delbart med 2.

6. Vinkelgivare enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att ordningen på. faserna i. sta- torns (4) elektroder (3) är underkastad en geometrisk konti- nuerlig permutering för tillförande av en sekundär statorpe- rioddelning med storleken (ZQHJJ * rotorelektroddelningen. (Fig. 17)

7. Vinkelgivare enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att rotorplattan HJ och stator- plattan (4) innefattar ett andra system av elektroder för att direkt mäta rotorplattans (1) vinkelläge inom ett helt varv Om 3600. (Fig. 22, 23)

8. Vinkelgivare enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att den' vidare innefattar ett särskilt elektrodsystem (13-17) för att mäta en ingående rörlig mekanisk dels rörelser på grund av glapp i systemet.

9. Vinkelgivare enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att rörelsen är stokastiska rörelser i radiell led.

10. Vinkelgivare enligt krav' 9, k ä n n e t e c k n a d av det elektroder att särskilda elektrodsystemet innefattar 10 15 516- 952 38 och statorplattor _(l;4) och (16) (17;16) integrerade i rotor- exciteras av en sändarelektrod på statorplattan.

11. Vinkelgivare enligt något av kraven 8-10, k ä n n e - t e c k n a d av att rörelsen är rörelse i axiell led.

12. Vinkelgivare enligt krav 11, k ä n n e t e c k n a d av att det (l4,l5;13) elektroder (l;4) särskilda elektrodsystemet innefattar integrerade i rotor- och statorplattor och exciteras av en sändarelektrod (13) på statorplattan.

13. Vinkelgivare enligt krav 10 och 12, k ä n n e t e c k - n a d av att sändarelektroden är en gemensam sändarelektrod (18).

14. Vinkelgivare enligt något av kraven 8-13, k ä n n e - av att rörelsen är en vinkelvridning relativt (10). t e c k n a d en ingående stationär del