DE2521163B1 - Einrichtung zur ermittlung einer der drehzahl oder dem drehwinkel einer achse entsprechenden groesse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ermittlung einer der Drehzahl oder dem Drehwinkel einer Achse entsprechenden Größe und zur Abgabe derselben in Form eines elektrischen Analogsignals gemäß Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung der genannten Art anzugeben, welche eine verschleißarme und berührungslose Abnahme des Drehzahlsignals ermöglicht, gegen Verschmutzung und Feuchtigkeit unempfindlich ist, sowohl hohe Beschleunigungen und Drehzahlen auszuwerten vermag als auch auf sehr langsame Winkelbewegungen anspricht und bei alledem fertigungstechnisch einfach und damit kostensparend ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch Maßnahmen, wie sie im Kennzeichen des ersten Patentanspruches sowie — bezüglich vorteilhafter Ausgestaltungen — in den Kennzeichen der Unteransprüche angegeben sind.

Die Erfindung und ihre besonderen Vorteile werden nachstehend anhand von in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Einrichtung unter Verwendung einer archimedischen Spirale in Form einer Herzkurve,

Fig.2 eine Einrichtung mit einer sich auf 360° erstreckenden archimedischen Spirale,

Fig.3 eine vorteilhafte Ausbildung der beiden

Linienspulen.

Gemäß F i g. 1 wird die linienförmige Primärspule 1 von dem Generator 2 mit Hochfrequenzenergie versorgt. Der Primärspule 1 steht die Sekundärspule 3 gegenüber und bildet mit ihr einen Luftspalt. In diesem Luftspalt bewegt sich der Rotor 4. Letzterer sitzt auf der Achse 5, deren Drehzahl ermittelt werden soll.

Der Rotor 4 besteht hier aus einer Glasfaserepoxydharzscheibe, auf die in aus der Elektronik bekannter

ίο Weise eine Metallscheibe 6 aufkaschiert ist. Diese hat hier die Form einer sogenannten Herzkurve. Wie bekannt, stellen die Ränder dieser Herzkurve Teile einer archimedischen Spirale dar. Wie ebenfalls bekannt, sind archimedische Spiralen dadurch gekennzeichnet, daß ihre Radiuszu- oder -abnähme proportional zum Drehwinkel erfolgt.

Die Linienspulen 1 und 3 bilden zusammen einen Transformator mit Luftkopplung. Zwischen beiden Spulen existiert bei Erregung der Primärspule 1 ein homogenes Streufeld. Bei der Bewegung des Rotors 4 wird linear zur Winkelstellung des Rotors die Kopplung zwischen Primärspule und Sekundärspule verändert. Dadurch wird die Ausgangsspannung der Sekundärspule amplitudenmoduliert. Die Kurve 7 zeigt den so erhaltenen Wellenzug auf der Verbindung 8. Wie ersichtlich, ist die Hochfrequenz linear ansteigend und absteigend moduliert.

In dem Demodulator 9 wird das Signal 7 in an sich bekannter Weise gleichgerichtet und geglättet. Es ergibt sich der Kurvenzug 10.

Das Signal 10 wird nunmehr einem Differentiator Il zugeleitet. Infolge der linearen Zu- bzw. Abnahme des Modulationsgrades ergibt sich nach der Differentiation der Kurvenzug 12. Dieser ist, wie ersichtlich, gekennzeichnet durch rechteckförmige Gleichspannungsblökke gleicher Fläche, aber unterschiedlicher Polarität.

Die Kurve 12 stellt an sich bereits ein analoges Abbild der Drehzahl der Welle 5 dar. Zwecks bequemer Weiterverarbeitung führt man das Signal 12 noch einem aktiven Gleichrichter oder Unipolator 13 zu. Dieser bewirkt, daß der negative Spannungsblock des Signals 12 umgepolt wird. Dadurch wird das Analogsignal 14 erhalten, mithin also eine reine Gleichspannung.

Wie sich aus Vorstehendem unschwer ergibt, ist der Grad, in dem die Kopplung zwischen den Spulen 1 und 3 durch den Rotor 4 verändert wird, unabhängig von der Drehzahl des Rotors 4. Jedoch wird durch die Drehzahl des Rotors die Modulationsfrequenz verändert. Damit ist die Modulationsfrequenz ihrerseits ein lineares Abbild der Drehzahl der Achse 5, wobei die Linearität der Modulationsflanken 7,10 erhalten bleibt.

Wie unschwer weiter entnehmbar, ist die Steilheit der Modulationsflanken 7 bzw. 10 um so größer, je schneller sich die Achse 5 mit dem Rotor 4 dreht. Diese dreizahlabhängige Steilheit wird durch den Differentiator 11 in entsprechende Amplituden der Analogblöcke 12 umgeformt. Mithin ist auch — nach Passieren des aktiven Gleichrichters 13 — der Gleichspannungswert 14 ein lineares Abbild der Drehzahl der Achse 5.

Wie aus Vorstehendem weiter ersichtlich, muß die Achse 5 nicht notwendigerweise volle Umdrehungen, also eine Drehzahl ausführen. Auch eine einmalige Winkelverdrehung um beispielsweise 90° oder eine hin- und hergehende Bewegung des Rotors 4 bewirkt das Entstehen einer Gleichspannung 14 bzw. 12, deren Amplitude konstant bleibt, solange nur die Drehbewegung des Rotors 4 ebenfalls linear ist. Ist hingegen bei einer einmaligen Winkelverdrehung des Rotors 4 diese

Verdrehung nicht zeitlinear, so äußert sich das in einer entsprechenden Änderung der Größe des Signals 14. Die gezeigte Einrichtung ist mithin sowohl für die Erfassung der Drehzahl oder der Änderung einer Drehzahl verwendbar als auch zur Erfassung der Existenz und/oder der Nichtlinearität einer einmaligen Winkelverdrehung der Achse 5.

Die Einrichtung nach F i g. 1 ist in den Fällen verwendbar, wo eine Drehrichtungsinformation nicht erforderlich ist, beispielsweise bei üblichen motorischen Antrieben.

Ist hingegen ein Ausgangssignal mit drehrichtungsabhängiger Information erwünscht, so ist die in F i g. 2 gezeigte Einrichtung am Platze. Und zwar ist der hier mit 15 bezeichnete metallische Rotor — der wieder auf einer Epoxydharzscheibe 4 aufkaschiert ist — als über 360° verlaufende archimedische Spirale mit abruptem Radiusabfall ausgebildet.

Wenn sich nun die Scheibe gemäß dem eingezeichneten Pfeil links herumdreht, so läuft auf der Verbindung 8 ein modulierter Spannungszug 16. Dreht sich hingegen die Scheibe 4 rechts herum, so läuft auf der Verbindung 8 der Spannungszug 17. Nach Demodulation im Gleichrichter 9 ergeben sich dann die Kurvenzüge 18 und 19. Diese werden, wie bei Fig. 1, im Differentiator 11 weiterverarbeitet. Als Ergebnis erhält man die Spannungsblöcke 20 und 21. Wie ersichtlich, besitzen diese bereits durch ihr Vorzeichen die erwünschte drehrichtungsabhängige Information.

Wenn die Radialkante 22 des Rotors 15 durch das Streufeld zwischen den Linienspulen 1 und 3 tritt, treten notwendigerweise kurzzeitige Spannungsspitzen 23 und 24 mit erheblicher Amplitude auf. Diese lassen sich jedoch durch einfache und bekannte elektronische Mittel, wie entsprechend gepolte Dioden, in ihrer Auswirkung eliminieren.

Die in den F i g. 1 und 2 veranschaulichte Einrichtung arbeitet um so genauer, je mehr sich die Geometrie der Spulen 1 und 3 einer Linie annähert. Damit eine einmal gegebene Meßgenauigkeit auf längere Zeit gewahrt bleibt, muß auch eine einmal gegebene Geometrie dieser Spulen erhalten bleiben. Weiterhin sollen diese Spulen, beispielsweise im Hinblick auf Anwendungen in Fahrzeugen, durch geeignete konstruktive Ausbildung sehr erschütterungsfest sein. Schließlich sollen diese Spulen möglichst kostensparend herstellbar sein. Alle diese Forderungen werden durch die nachstehend angegebene und besonders vorteilhafte Ausbildung erreicht.

Gemäß F i g. 3 dient als Träger der Spulen eine beidseitig kaschierte Druckplatine 25. Diese und die anderen Teile sind der besseren Deutlichkeit wegen in F i g. 3 nicht maßstabsgerecht dargestellt. Die Kaschierung der beiden Platinenseiten wird mit an sich bekannten und beliebigen Mitteln soweit entfernt, daß nur noch Streifen 26 und 27 bzw. 28 und 29 stehen bleiben. Die auf den Platinenseiten einander gegenüberliegenden Streifen werden miteinander verbunden, beispielsweise durchkontaktiert, wie bei 30 und 31 angedeutet. An die freien Enden dieser Streifen werden elektrische Anschlüsse 32,33 bzw. 34,35 angelötet oder sonstwie befestigt. Damit sind streifenförmige Spulen gegeben, von denen die obere beispielsweise als Primärspule, die untere als Sekundärspule verwendet werden kann. Zwischen diesen Spulen wird die Platte 25 ausgefräst. In dem damit gegebenen unveränderlichen Luftspalt 36 bewegt sich der Rotor 4. Wie aus F i g. 3 leicht entnehmbar, können durch die gezeigte Konstruktion die Leiter der Spulen sehr nahe aneinander angeordnet werden. Ihr gegenseitiger Abstand ist lediglich durch die Materialstärke der Druckplatine 25 begrenzt; er kann also sehr klein sein. Die verlangte linienförmige Geometrie ist daher sehr gut erreicht Infolge der Aufkaschierung der Leiter 26 bis 29 ist zudem ihre einmal gegebene Geometrie sehr gut gesichert Schließlich ist die Herstellung dieser Spulen samt ihrer Halterung (Platine) sehr preisgünstig, wie aus der Elektronik allgemein bekannt; als mechanische Arbeiten sind lediglich einfache Stanzoder Sägearbeiten erforderlich.

Die besonderen Vorteile der in F i g. 1 und 2 gezeigten Einrichtungen werden nachstehend vor dem Hintergrund der einleitend umrissenen Aufgabenstellung erläutert

Die metallische Rotorscheibe 6 bzw. 15 kann bereits als homogenes Metallteil an sich beliebig dünn ausgebildet sein. Es ist auch möglich, hierfür eine entsprechend geätzte Druckplatine zu verwenden, wie F i g. 1 und 2 zeigen. In beiden Fällen sind sowohl sehr hohe Drehzahlen als auch Drehbeschleunigungen möglich, wie beispielsweise auch von den Scheibenläufergeneratoren bekannt. Es liegt auf der Hand, daß sich besonders Druckplatinenrotoren außerordentlich einfach und preisgünstig mit untereinander gleichbleibenden Eigenschaften herstellen lassen.

Da bei der Drehzahlerfassung das Induktionsgesetzt nicht zur Wirkung kommt, können auch sehr langsame Winkelbewegungen erfaßt werden. Wie aus der geschilderten Arbeitsweise leicht ersichtlich, können sogar quasistatische Drehbewegungen der Achse 5 erfaßt werden.

Obwohl keinerlei elektrische Abnahmekontakte am beweglichen System der Einrichtung erforderlich sind, wird als Ausgangsgröße eine reine Gleichspannung bzw. Gleichstrom erhalten mit all den Vorteilen, die derartige Gleichstromsteuergrößen in regelungstechnischen Anwendungen etc. bieten.

Da magnetische Streufelder, hier also das homogene Streufeld zwischen Primärspule 1 und Sekundärspule 3, von üblichen Verunreinigungen, wie Wasser, Öl, Staub, nicht beeinflußbar sind, ist in bekannter Weise von Haus aus eine außerordentliche Unempfindlichkeit gegen derartige Verschmutzungen und Feuchtigkeit gegeben.

Weil sowohl der Rotor 4 mitsamt einer Kaschierung als auch die Spulen 1 und 3 (vgl. F i g. 3) und auch die Umformungsbausteine 9,11,13 in einfacher Druckplatinentechnik herstellbar sind, ist eine Einrichtung nach der Erfindung insgesamt sehr kostengünstig und dabei gleichwohl in dauerhafter Ausführung herstellbar.

Die Frequenz des Generators 2 ist sehr unkritisch, da sie als solche prinzipiell nicht in das Meßergebnis eingeht. Es ist nur dafür zu sorgen, daß für jede Umdrehung der Rotorscheibe 4 eine verhältnismäßig große Anzahl von Richtungswechseln der die Primärspule speisenden Hochfrequenz erfolgt, damit am Ausgang des Gleichrichters 9 mit einfachen Mitteln ein pulsationsfreies Demodulationsprodukt erhalten wird. Die Frequenz des Generators 2 kann mithin um so niedriger gewählt werden, je kleiner die zu ermittelnde Drehzahl der Achse 5 oder je langsamer eine Drehbewegung derselben ist. In der Praxis haben sich Frequenzen von 1OkHz bis 100 kHz für die weitaus meisten Anwendungsfälle als ausreichend erwiesen. Derartige Frequenzen sind aber, wie an sich bekannt, mit den Mitteln der Elektronik sehr bequem zu erzeugen und zu verarbeiten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Ermittlung einer der Drehzahl oder dem Drehwinkel einer Achse entsprechenden Größe und Abgabe in Form eines Analogsignals, bei der zwei Induktionsspulen so angeordnet sind, daß sie einen Luftspalt bilden, in dem ein metallischer und auf der Achse sitzender Flachkörper mit mathematisch bestimmtem Umriß drehzahlabhängig bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachkörper (6) im homogenen Streufeld zweier, mit ihren Ebenen einander gegenüberliegender, linienförmig ausgebildeter Spulen (1, 3) angeordnet ist, von denen die eine an einem Hochfrequenzgenerator (2) und die andere am Eingang eines Amplituden-Demodulators (9) angeschlossen ist, an dessen Ausgang ein Differentiator (11) angeschlossen ist, welcher das drehzahlabhängige Analogsignal abgibt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachkörper in Form einer Herzkurve (6) ausgebildet ist und daß am Ausgang des Differentiators (H) ein aktiver Gleichrichter (13) angeschlossen ist, welcher das drehzahlabhängige Analogsignal abgibt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachkörper als Kaschierung einer nichtmetallischen Trägerplatte (4) ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte aus Glasfaserepoxydharz besteht.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linienspulen durch beidseitige Kaschierung (26,27; 28,29) der Ränder eines in einer Trägerplatte (25) befindlichen Schlitzes (36) gebildet sind, in dem sich der Flachkörper (4,6,15) erstreckt.