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Induktiver lagegeber Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven
lagegeber zum gegenseitigen Positionieren eines beweglichen Stellgliedes und eines
feststehenden Führungsgliedes, bei dem zu Mäandern ]Rit übereinstimmendem Sprossenabstand
ausgebildete elektrische leiter in engem Abstand zueinander an dem Stellglied und
dem Führungeglied angeordnet sind, ein als Sendemäander dienender Mäander an eine
Wechseletromquelle angeschlossen ist und von einem als Empfangemäander dienenden
Mäander ein Signal zum Postionieren des Stellgliedes abnehmbar ist.
Derartige
Lagegeber haben insbesondere bei Werkzeugmaschinensteuerungen bereits einen breiten
Anwendungsbereich gefunden und dienen der Ausführung von Vorschubbewegungen. In
ihrer Wirkungsweise ähneln sie stark einem Drehmelder, der durch die induktive Kopplung
zwischen feststehenden und bewegten elektrischen Leitern ein Ausgangesignal als
Funktion den Jeweiligen Drehviinkels abgibt. Beim Drehmelder wird der mechanische
Drehviinkel zwischen seinem Stator und seinem Rotor gewöhnlich über zwei um
90 elektrische Grade versetzte, auf zwei Polpaaren des Stators angebrachte
Wicklungen durch die in ihnen induzierten Spannungen bestimmt, die dem Sinus und
dem Koainus des mechanischen Drehwinkels proportional sind. Bei den induktiven lagegebern
bekannter Art werden demgegenüber die dem Sinus und dem Kosinus eines bestimmten
mechanischen Winkels proportionalen Spannungen bzvi. Ströme ala Eingangsgrößen den
betreffenden Wicklungen zugeführt. Die in dem Rotor induzierte Spannung folgt dann
ebenfalls einem einusförmigen Verlauf und besitzt in der den Eingangsgrößen-zugrundeliegenden
Winkelstellung ihr Maximum. Durch eine starke Erhöhung der Polzahl erreicht man
eine sehr genaue Einstellung eines Drehwinkels. Dabei ist es üblich, mäanderförmige
elektrische Leiter zu verwenden, die als Pole wirkende Sprossen mit übereinstim-_
menden Abständen besitzen. Damit ist die Zahl der Signalperioden bei einem vollen
Umlauf-des Rotors gleich der halben Sprossenzahl eines Mäanders. Werden die Mäander
linear in der
Ebene-ausgerichtet, erhält man die für eine lineare
Vorschubberiegung entsprechende Ausführung eines induktiven Lagegebers.
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Diese bekannten induktiven lagegeber gestatten zwar die Einstellung
jedes beliebigen Punktes auf einer Kreisbahn oder einer linearen Wegstrecke, sie
erfordern aber stets die Erzeugung zweier aufeinander und auf den einzustellenden
Punkt abzustimmender Spannungen bzw. Ströme und die örtliche Versetzung zweier Bendemäander
um 900. In all den Pällen, in denen lediglich äquidistante Punkte fixiert
werden müssen, wie z.B. bei der Einstellung eines Magnetkopfes auf eine der äquidistanten
Aufzeichnungsspuren eines Magnetplattenspeichers, wird damit ein unnütz hoher Aufwand
getrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven lagegeber
zu schaffen, der speziell zum Positionieren auf äquidistante Punkte ausgelegt ist
und einen dementsprechend einfachen Aufbau besitzt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nur ein Sendemäander
und ein Empfangsmäander Verwendung finden, dem Empfangsmäander ein phasenkritischer
Gleichrichter nachgeschaltet ist, der von der im Empfangsmäander induzierten Srannung
eine annähernd sinusförmi ge Hüllkurveals
Ortsfunktion der gegenseitigen
Verschiebung zivisehen den Sprossen des Sendemäanders und den Sprossen des Empfangsmäanders
als Signal zum Poeitionieren des Stellglie'des liefert, und daß . dieses
Signal einer Regeleinrichtung zugeführt wird, die das Stellglied-derart gegenüber
dem PührungE,«lied verschiebt, daß in der Hüllkurve der nächstliegendot.- Nulldurchgang
eingenommen wird.
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Um bei der im Empfangsmäander induzierten Spannung die Entstehung
eines von den Sprossenverbindungen herrührenden Gleichspannungsanteils möglichst
weitgehend zu unterdrücken, und um eine damit verbundene-Verschiebung der Nulldurchgänge
auf der Hüllkurve zu vermeideng wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung
der durch den Sendemäande:- fließende Strom über ein den Sendemäander-ergänzendes.
Leiterstück parallel zu den Sprosseii-v-e#..,bindungen des Sendemäanders derart
in die Nähe des Einspeisepunktes zurückgeführt,' daß das von den Sprossenverbindungen
des Sendemäanders herrührende Magnetfeld zumindest annähernd kompensiert wird.
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Eine noch genauere Kompensation der von den Sprossenverbindungen herrührenden
Störspannungsanteile wird nach einer zweiten Weiterbildung der Erfindung dadurch
erreicht, daß die Sprossenverbindungen des Empfangsmäanders in Bezug auf eine Symmetrielinie
paarweise mit entgegengesetzter Stromflußrichtung einander zugeordnet sind.
Ein
Äusführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar,gestellt und wird im
folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Figur
1 eine schematische Darstellung
eines erfindungsgemäßen induktiven Lagegebers,
| Figur 2 eine besonders -vorteilhafte Ausführungsform eines |
| eines |
| Sende- und/Empfangsmäanders, |
Figur
3 den Verlauf des durch den erfindungsgemäßen Lagegeber erzeugten Positionssignals.
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Figur 1 zeigt einen induktiven lagegeber zum Positionieren
auf äquidistante Punkte bei einer gradiinigen Stellbewegung, wie sie sich beispielsweise
bei der wahlweiaen Einstellung, eines Magnetkopfes auf eine der konzentrischen Aufzeichnungsspuren
eines Magnetplattenspeichere ergibt. An dem feststehenden Pührungsglied FG zum Pühren
des beweglichen Stellgliedes SG ist ein als Sendemäander SU dienender
elektrischer Leiter befestigt, dessen parallel ausgerichtete Sprossen
8 (vgl. Fig.2)-zur Bewegungsrichtung senkrecht stehen. In engem Abstand-'vbn
diesem Sendemäander SM ist ein entsprechender, wenn auch kürzerer, als Empfangsmäander
EM dienender Mäander an dem beweglichen Pührun8sglied FG derart angeordnet,
daß seine Sprossen S von den Sprossen 8 des Sendemäanders Sßl in den
betreffenden Stellungen überdeckt werden. Die Ausdehnung des Sendemäanders Sbi in
der Mjewegungsrichtung entspricht etwa dem maximal möglichen Hub bdi der Stellbebewegung
zuzüglich der Länge des Empfangsmäanders EM.
Wird nun der Sendemäander
SM an eine Wechselstromquelle Q angeschlossen, die vorzugsweise eine Q4#pe
Sinusschwingung von etwa 300 kHz liefert,-und wird der Empfangsmäander EM
gegenüber dem Sendemäander SM verschoben, so ändert -
sich die induktive
Kopplung zwischen beiden Mäandern derart, daß die Amplitude der im Empfangsmäander
EM induzierten Spannung u(t) eine annähernd sinusförmige Ortsabhängigkeit aufweist
(vgl. Fig.3). Diese im Empfangsmäander EM induzierte Spannung u(t) wird zunächst
in einem Verstärker V verstärkt und dann einem phasenkritischen Gleichrichter
PG
zugeführt, der von der Wechseletromquelle Q gesteuert wird und eine sinusförmige
Hüllkurve H(s) als Ortsfunktion liefert. Über eine Regeleinrichtung R und den an
diese Regeleinrichtung angeschlossenen Antrieb des bevieglichen Stellgliedes
SG
wird ein Regelkreis in der Weise geschlossen, daß sich automatisch in den
Nulldurchgängen der Hüllkurve H, also an den Punkten mit verschwindender induzierter
Spannung, stabile Arbeitspunkte einstellen.
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In Figur 2 sind Sendemäander SM und Empfangsmäander EM in einer
Stellung übereinander gezeichnet, in der alle Sprossen S des Empfangsmäanders
EM genau zwischen jeweils vom Sendestrom I gegensinnig durchflossene Sprossen
S des Sendemäanders SM zu liegen kommen. In diesem Fall heben sich
die Wirkungen der von den Sprossen S des Sendemäanders SM herrührenden
Magnetfelder am Ort des Empfangsmäanders EM auf.
Demgegenüber erhält
man im Empfangsmäander EM den Höchstwert der induzierten Spannung, sobald der Empfangsmäander
EM von der gezeichneten Stellung aus um eine halbe Sprossenbreite nach rechts oder
links verschoben wird. Es tragen aber auch die unvermeidlichen Sprossenverbindungen
SV des Sendemäanders-SM und des Empfangsmäanders#EM zur induktiven Kopplung der
beiden elektrischen Leitergebilde bei, und zwar in der Weise, daß bei der durch
den phasenkritischen Gleichrichter PG gewonnenen Hüllkurve li(sl durch eine
Gleichstromkomponente eine Verschiebung d r Nullinie auftritt (s Fig.3).
Dem wurde auf der Sendeseite dadurch begegnet, daß der durch den Sendemäander SM
fließende Strom I über ein den Sendemäander SM ergänzendes Leiterstück L
parallel den Sprossenverbindungen SV des Sendemäanders SM derart in die Richtung
des Einspeisepunktes P zurückgeführt wird, daß die Wirkung des von den Sprossenverbindungen
SV des Sendemäanders SM herrührenden Magnetfeldes zumindest annähernd kompensiert
wird. Im Falle des in Fig..2 gezeigten Ausführungsbeispiels wird der durch den Sendemäander
SM fließende Strom I der Wechselstromquelle Q am Ausgang des Sendemäanders
SM geteilt und je zur Hälfte an den beiden Längsseiten des vom Sendemäander
SM belegten Rechtecks vorbeigeführt, die von dessen Sprossenverbindungen
SV markiert werden. liurch ähnliche Uberlegungen wurde auch die Form des
Empfangsmäanders EM bestimmt, der die Breite des vom Sendemäander SM belegten
Rechtecks
nur geringfügig unterschreitet und zu einer in seiner
Bewegungsrichtung weisenden Symmetrieachse SA
symmetrisch aufgebaut ist. Während
in der einen Hälfte der Sprossenverbindung SV des Empfangsmäanders EM Spannungen
induziert vierden, die die in den Sprossen S empfangene Nutzepannung unterstützen,
sind die Spannungsanteile der anderen Hälfte der Sprossenverbindungen
SV des Einpfangsmäanders EM der Nutzspannung entgegengerichtet. Die Störspannungen
aus den Sprossenverbindungen SV heben sich bei der in Fig.2 gezeigten Anordnung
auf, näherungsweise auch-dann noch, wenn die Symmetrieachse SA des Empfangsmäanders
EN nicht genau über der Mittellinie der-Sendemgander liegt. Beide Mäander,
der Sendemäander SN und der Empfangsmäander EM, lassen sich unter Einhaltung übereinstimme.nder
Sprossenabstände als geäzte leiterbahnen ausführen.
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Die Fig.3 soll zur weiteren Erläuterung der getroffenen Maßnahmen
dienen: u(t) stellt die im Empfangsmäander EM induzierte Spannung dar, H(A) die
zugehörige Hüllkurve als Ortsfunktion der gegenseitigen Verschiebung des Sendemäanders
SM und des Empfangsmäanders EM. Solange die Sprossenverbindungen SV keinen
Beitrag zur induzierten Spannung liefern, ist der Abstand zwischen benachbarten
Nulldurchgängen N n' N n+II N n+2'-' der vom
Phasenkritischen Gleichrichter PG
gelieferten Hüllkurve H(s) immer
so groß wie der gewählte Sprossenabstand. Durch die oben beschriebene Weiterbildung
der Erfindung wird also vermieden, daß die Nulldurchgänge N immer abwechselnd
einmal enger zusammenrücken (z.B. NI und N,1-;-1) und anschließend entsprechend
weiter n ni auseinanderliegen (z.B. NI und NI Genau genommen n+l n+2)* ist
die Hüllkurve keine reine Sinuakurve, sondern sie besitzt in Wirklichkeit einen
gewissen Oberwellengehalt, der durch die Leiterbahnbreite bedingt ist. Dieser Tatbestand
ist aber völlig bedeutungslos, da es hier allein auf die Auswertung der äquidistanten
Nulldurchgänge N ankommt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß beim Positionieren auf äquidistante Punkte der Aufwand für den dazu erforderlichen
Lagegeber beträchtlich herabgesetzt wird. Die Erfindung ist aber nicht auf die beschriebene
Ausführungsform beschränkt: Der Sendemäander SM und der Empfangsmäander EM
können auf dem beweglichen Stellglied SG und dem feststehenden Führungsglied
FG auch vertauschte Plätze einnehmen und zum Positionieren auf äquidistante Punkte
bei einer Kreisbeviegung a-uuh auf den ineinanderliegenden Mantelflächen zweier
senkrechter Kreiszylinder aufgebracht sein und schließlich sind zur Kompensation
der von den Sprossenverbindungen SV herrührenden Störfelder noch eine Reihe
anderer Leiterbahnmuster möglich.