DE2541890B2

DE2541890B2 - Schaltungsanordnung für ein inkrementales digitales Weg- oder Lagemeßsystem

Info

Publication number: DE2541890B2
Application number: DE2541890A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8521 Bubenreuth Rumold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-19
Filing date: 1975-09-19
Publication date: 1978-04-06
Also published as: JPS5240159A; DE2541890C3; DE2541890A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für ein inkrementales digitales Weg- oder Lagemeßsystem mit zwei gleichartig aufgebauten, magnetfeldempfindlichen induktiven Sonden zur Abtastung mindestens einer Spur mit einer Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender, magnetisch wirksamer Zähne und Lücken, sowie mit einer Auswerteschaltung.

Bei der numerischen Steuerung von Werkzeugmaschinen und bei der Steuerung von stromrichtergespeisten elektrischen Maschinen werden translatorisch arbeitende und rotatorisch arbeitende digitale Wegoder Lagemeßsysteme benötigt (Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Simon »Die numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen«, zweite Auflage, 1971, Seite 47 - 99; DT-AS 53 594). Bei innerhalb einer Teilung einer Signalspur absoluten Meßsystemen wird die Lage des Meßobjektes innerhalb einer Signalspurteilung im Hinblick auf eine Bezugsgröße erfaßt. Bei inkrementalen Meßsystemen wird die Anzahl der von einem Bezugspunkt aus zurückgelegten Wegelemente erfaßt.

Es ist bekannt, für derartige digitale Weg- oder Lagemeßsysteme magnetfeldempfindliche Sonden als induktive Geber für die Registrierung von geradlinigen und drehenden Bewegungen zu verwenden (Feinwerktechnik, 1958, Seite 227 - 232). Die Sonden tasten eine Signalspur mit einer Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender magnetisch wirksamer Zähne und Lücken ab. Befindet sich ein magnetisch wirksamer Zahn unter einer solchen induktiven Sonde, so ist der wirksame Luftspalt kleiner und die Induktivität der Sonde größer als wenn sich eine Lücke unterhalb der Sonde befindet. Bei bekannten induktiven Gebern ist nachteilig, daß Veränderungen des Luftspaltes aufgrund von Temperatureinflüssen oder Fertigungstoleranzen oder aufgrund

μ von Lagerspielen das Meßergebnis verfälschen können. Außerdem kann sich der Einfluß von starken Fremdfeldern störend bemerkbar machen. Diese Störeinflüsse lassen sich auch bei Verwendung von induktiven Gebern nicht eliminieren, die zur Erhöhung ihrer Empfindlichkeit ein Zahnprofil aufweisen.

Es ist bereits eine impulszählende Einrichtung zur Ermittlung der Größe des Verschiebungsweges eines relativ zu einem Maßstab bewegten Objektes bekannt, bei der zwei gleichartig aufgebaute, in Fortbewegungsrichtung gesehen hintereinander sowie in gleichem Abstand von der Signalspur angeordnete magnetfeldempfindliche induktive Sonden vorgesehen sind, die eine Signalspur mit einer Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender, magnetisch wirksamer Zähne und Lücken abtasten (DT-AS 11 88 304). Um eine Kortrolle des Meßergebnisses zu ermöglichen, sind die beiden Sonden an eine Auswerteeinrichtung angeschlossen, die eine Koinzidenzschaltung und eine Antikoinzidenzschaltung enthält. Der Koinzidenzschaltung und der Antikoinzidenzschaltung ist jeweils eine Zähleinrichtung nachgeschaltet, deren Zählerstände miteinander verglichen werden. Aus Abweichungen der Zählerstände wird auf einen Fehler in der Maßstabteilung geschlossen. Bei dieser bekannten Einrichtung lassen sich jedoch nur Fehler in der Maßstabteilung ermitteln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Geberanordnung für ein digitales Weg· oder Lagemeßsystem anzugeben, bei der das Meßergebnis von Veränderungen des wirksamen Luftspaltes zwischen Signalspur und Sonde und von magnetischen Fremdfeldern unabhängig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Induktionsspulen der Sonden eine Brückenhälfte einer Brückenschaltung bilden, deren eine Brückendiagonale mit einem Wechselspannungsgenerator und deren andere Brückendiagonale mit der Auswerteschaltung verbunden ist, die eine phasenrichtige Gleichrichterschaltung und einen nachgeschalteten Grenzwertmelder mit kleiner Hysterese enthält.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist den Vorteil auf, daß durch Änderungen des Abstandes zwischen den Sonden und der Signalspur das digitale Signal nicht beeinflußt wird, das von der nachgeschalteten Auswerteschaltung gebildet wird. Eine Änderung des genannten Abstandes verursacht eine Veränderung des induktiven Widerstandes der Induktionsspulen der beiden Sonden um den gleichen Faktor. Die Abgleichbedingung der Brückensehaltung wird dadurch nicht

verändert. Der Einfluß von Fremdfeldern wird eliminiert.

Die Anordnung der Sonden kann in bekannter Weise in Fortbewegungsrichtung gesehen hintereinander sowie im gleichen Abstand von der Signalspur erfolgen, wobei die Sonden um 180° elektrisch gegeneinander versetzt sind. Diese Ausführungsform der Erfindung kann vorzugsweise für einen Winkelschritlgeber angewendet werden.

Eine weitere Möglichkeit sieht vor, daß bei Verwendung einer neben der eigentlichen Signalspur vorgesehenen Bezugsspur die beiden Sonden in Fortbewegungsrichtung gesehen in an sich bekannter Weise nebeneinander angeordnet sind. Bei dieser Anordnung kann die Bezugsspur ebenfalls mit einer Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender, magnetisch wirksamer Zähne und Lücken versehen sein, deren Abmessungen den Zähnen und Lücken der Signalspur entsprechen, wobei jeweils ein Zahn der Pezugsspur in einer Lücke der Signalspur steht, und wobei die Sonden in gleichem Abstand von Signalspur und Bezugsspur angordnet sind. Hierdurch wird die an der Brückendiagonale abgegriffene und der Auswerteschaltung zugeführte Spannung verdoppelt. Eine in dieser Weise ausgestaltete Schaltungsanordnung läßt sich insbesondere für einen innerhalb einer Polteilung ein absolutes Meßsignal erzeugendes Polradlagegeber einer elektrischen Maschine vorteilhaft einsetzen, insbesondere einer kommutatorlosen Gleichstrommaschine.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung für ein translatorisches, inkrementales digitales Weg- oder Lagemeßsystem,

F i g. 2 wesentliche Signalverläufe aus der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

F i g. 3 eine Schaltungsanordnung gemäß der ersten Ausführungsforin der Erfindung für ein rotatorisches, inkrementales digitales Weg- oder Lagemeßsystem,

Fig.4 die prinzipielle Anordnung der magnetfeldempfindlichen induktiven Sonden bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung für ein translatorisches, innerhalb einer Teilung einer Signalspur absolutes digitales Weg- oder Lagemeßsystem in einer Ansicht (F i g. 4a) und in einer Draufsicht (F i g. 4b),

Fig.5 eine prinzipielle Anordnung der magnetfeldempfindlichen induktiven Sonden bei der zweiten Ausführungsforr.i der Erfindung mit verbesserter Empfindlichkeit, in einer Ansicht (Fig.5a) und in einer Draufsicht (F ig. 5b),

Fig.6 die prinzipielle Anordnung der magnetfeldempfindlichen induktiven Sonden bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung für ein inneihalb einer Polteilung absolutes rotatorisches digitales Weg- oder Lagemeßsystem.

Die schematische Darstellung der F i g. 1 zeigt zwei gleich aufgebaute Sonden 1 und 2, die jeweils ein aus magnetisch wirksamem Material gefertigtes Joch mit einer aufgewickelten Induktionsspule 11 bzw. 12 aufweisen. Die beiden Sonden tasten eine Signalspur 3 ab, die eine Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender magnetisch wirksamer Zähne 3a und Lücken 3b aufweist. Die Signalspur 3 kann aus magnetisch wirksamen Material hergestellt sein, z. B. aus Weicheisen, Aluminium oder aus lamelliertem Transformatorblech. Die beiden Induktionsspulen bilden die zwischen den Punkten a und b liegende Brückenhälfte einer Brückenschaltung, deren andere Brückenhälfte von einem Differentialübertrager 5 gebildet wird. Die Brückenschaltung wird zwischen den Punkten c und d von einem Wechselspannungs-Generator 4 mit einer vorzugsweise sinusförmigen Wechselspannung gespeist, die beispielsweise im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 100 kHz liegt. Die an der Brückendiagonale zwischen den Punkten a und b entstehende Spannung wird über den Differentialübertrager 5 ausgekoppelt und einer nachgeschalteten Auswerteschaltung zugeführt.

Eine derartige Brückenschaltung ist abgeglichen, wenn das Verhältnis der Widerstände in der einen Brückenhälfte mit dem Verhältnis der Widerstände in der anderen Brückenhälfte übereinstimmt. Die beiden Sonden 1 und 2 und ihre Induktionsspulen 11 und 12 sind gleichartig aufgebaut. Der komplexe Widerstand einer jeden Induktionsspule hängt vom wirksamen Luftspalt zwischen der Sonde und der Signalspur 3 ab. Die beiden Sonden 1 und 2 sind um 180° el. versetzt, d. h. um eine halbe Periode der Zahnteilung der Signalspur3.

In der dargestellten Lage befindet sich die Sonde 1 über den Zähnen, während die Sonde 2 über den Lücken steht. Der wirksame Luftspalt der Sonde 1 ist daher kleiner und ihre Induktivität größer als bei der Sonde 2.

Die aus den beiden Induktionsspulen 11 und 12 gebildete Brückenhälfte ist daher nicht abgeglichen und an den Punkten a und bsteht eine Spannung an.

Von besonderer Bedeutung ist, daß Änderungen des Abstandes χ zwischen den Sonden 1, 2 und der Signalspur 3 das von der nachgeschalteten Auswerteschaltung in ein digitales Signal umgesetztes Meßergebnis nicht beeinflussen. Eine Änderung dieses Abstandes χ verursacht eine Veränderung des induktiven Widerstandes in beiden Induktionsspulen 11 und 12 um den gleichen Faktor. Dadurch wird die Abgleichbedingung nicht verändert. Dies hat zur Folge, daß die an den Punkten a und b abgegriffene Spannung — unabhängig vom Abstand χ zwischen den Sonden und der Signalspur — jeweils dann Null ist, v/enn die beiden Sonden 1 und 2 genau mittig über einer Zahnflanke stehen. Der Einfluß von Fremdfeldern wird ebenfalls eliminiert.

Die Auswerteschaltung umfaßt eine phasenrichtige Gleichrichterschaltung mit zwei elektronischen Schaltern, die symbolisch als Transistoren 7 und 8 dargestellt

■•5 und von einem Grenzwertmelder 6 gesteuert sind. Der Grenzwertmelder 6 ist eingangsseitig von der Wechselspannung des Wechselspannungsgenerators 4 beaufschlagt und ändert sein Ausgangssignal je nach dem, ob die Wechselspannung positive oder negative Polarität aufweist. Ein positives Ausgangssignal des Grenzwertmelders 6 steuert den Transistor 8 durchlässig, während ein negatives Ausgangssignal des Grenzwertmelders 6 den Transistor 7 durchlässig steuert. Die an den Punkten a und b abgegriffene und vom Differential-Übertrager 5 ausgekoppelte Meßspannung wird somit im Takt der Wechselspannung des Wechselspannungsgenerators 4 phasenrichtig gleichgerichtet. Ein Filter 9 ist auf die Frequenz des Wechselspannungsgenerators 4 abgestimmt und siebt diese Frequenz aus. Ein nachgeschalte-

bo ter Grenzwertmelder 10 gibt an seinem Ausgang 13 ein binäres Signal ab, je nach dem, ob seine Eingangsspannup? positiv oder negativ ist. Der Grenzwertmelder 10 weist eine geringe Hysterese auf.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach

^h"> Fig. 1 wird anhand der in Fig. 2 dargestellten zeitlichen Signalverläufe erläutert. Fig.2a zeigt den Verlauf der Wechselspannung IM des Wechselspannungsgenerators 4 und F i g. 2b das Schaltsigna! U6 am

Ausgang des Grenzwertmelders 6. Die in der linken Hälfte der Fig.2c — 2e dargestellten Verläufe der Spannung U_ab zwischen den Punkten a und b, der Spannung 1/10 am Eingang des Grenzwertmelders 10 und der Spannung L/13 am Ausgang 13 des Grenzwertmelders 10 entsprechen der in F i g. 1 dargestellten Lage der beiden Sonden 1 und 2, bei der die Sonde 1 über den Zähnen und die Sonde 2 über den Lücken der Signalspur

3 steht. In diesem Fall ist der induktive Widerstand der Induktionsspule 12 kleiner als der induktive Widerstand der Induktionsspule 11. Die an den Punkten a und b ausgekoppelte Spannung U,b ist bei positiver Generatorspannung IM positiv und bei negativer Generatorspannung IM negativ. Nach der phasenrichtigen Gleichrichtung ergibt sich eine Spannung UiO mit positiven Halbwellen. Der Gi enzwertmelder 10 erzeugt an seinem Ausgang 13 das digitale Signal H.

In der rechten Hälfte der F i g. 2c bis 2e ist der Fall dargestellt, daß sich die Sonde 1 über den Lücken und die Sonde 2 über den Zähnen der Signalspur 3 befindet. Der induktive Widerstand der Induktionsspule 12 ist somit größer als der induktive Widerstand der Induktionsspule 11. Die Spannung U_ab zwischen den Punkten a und feist bei positiver Generatorspannung IM negativ und bei negativer Generatorspannung IM positiv. Nach der phasenrichtigen Gleichrichtung ergibt sich eine Eingangsspannung /710 für den Grenzwertmelder 10, die nur negative Halbwellen enthält. Der Grenzwertmelder 10 erzeugt an seinem Ausgang 13 das digitale Signal L

Fig.3 zeigt einen sogenannten Winkel Schrittgeber als Ausführungsbeispiel für ein rotatorisches inkrementales digitales Weg- oder Lagemeßsystem. Eine Zahnscheibe 3' ist am Umfang mit gleichmäßig aufeinanderfolgenden magnetisch wirksamen Zähnen und Lücken versehen, denen die induktiven Sonden 1 und 2 gegenüberstehen. Die Sonden 1 und 2 sind wiederum in Fortbewegungsrichtung gesehen um 180° el. zueinander versetzt, d. h. um eine halbe Periode der Zahnteilung der Zahnscheibe. Damit eine Änderung des radialen Lagerspieles der Welle für beide Sonden eine gleich große Änderung des magnetisch wirksamen Luftspaltes ergibt, sollen die Sonden unter einem möglichst kleinen Winkel λ in bezug auf die Wellenachse angeordnet sein. Die Induktionsspulen 11 und 12 bilden wiederum eine Brückenhälfte einer Brückenschaltung, deren andere Brückenhälfte von den induktiven Widerständen 14 und 15 gebildet ist. Die induktiven Widerstände 14 und 15 sind gleich groß und mit Maßnahmen für einen Feinabgleich versehen. Die Brückenschaltung ist an der Brückendiagonale mit den Punkten eund /"mit einem Wechselspannungsgenerator

4 verbunden. Die andere Brückendiagonale mit den ■Punkten gund h ist über FET-Transistoren 17 und 18 als gesteuerte elektronische Schalter und über einen Filter 9 mit dem Eingang eines Grenzwertmelders 10 verbunden. Die FET-Transistoren 17 und 18 bilden zusammen mit dem Grenzwertmelder 16 und dem Umkehrverstärker 19 eine phasenrichtige Gleichrichterschaltung. Die Wirkungsweise dieser Auswerteschaltung entspricht der in Fig. 1 dargestellter Auswerteschaltung, wobei an die Stelle der Spannung Uab die Spannung zwischen den Punkten g und h tritt Fig.4 zeigt als Ausführungsbeispiel für die zweite

Variante der Erfindung ein absolutes translatorisches digitales Weg- oder Lagemeßsystem in der Ansichl (F i g. 4a) und in der Draufsicht (F i g. 4b). Die Signalspur

to 20 enthält eine Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender magnetisch wirksamer Zähne 20a und Lücken 206 Die parallele Bezugsspur 21 verläuft etwa in halber Zahnhöhe. Die beiden Sonden 1 und 2 sind in Fortbewegungsrichtung gesehen nebeneinander angeordnet.

Die Induktionsspulen der beiden Sonden 1 und 2 sind wiederum an eine elektrische Schaltung angeschlossen wie sie bereits in den F i g. 1 bzw. 3 erläutert wurde. Das digitale Ausgangssignal der entsprechenden Auswerteschaltung zeigt an, ob sich die Sonde 1 über einem Zahn 20a oder einer Lücke 20b der Signalspur 20 befindet.

In der Darstellung der Fig.5 enthält die Signalspur 20 wiederum gleichmäßig aufeinanderfolgende Zähne 20a und Lücken 206. Die Bezugsspur 21' enthält ebenfalls eine Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender magnetisch wirksamer Zähne 21a'und Lücken 2\b', deren Abmessungen den Zähnen und Lücken der Signalspur 20 entsprechen. Die Signalspur 20 und die Bezugsspur 21' sind derart angeordnet, daß jeweils ein Zahn 21a' der Bezugsspur in einer Lücke 2Oi der Signalspur steht. In Fig.5a sind Bezugsspur 20 und Signalspur 21' lediglich zur besseren zeichnerischen Darstellung übereinander angeordnet; in der praktischen Realisierung liegen die beiden Spuren nebeneinander. F i g. 5b zeigt in der Draufsicht, wie sich Lücken und Zähne von Bezugsspur und Signalspur gegenüberstehen. Durch diese Maßnahme wird eine Verdoppelung der Spannung in derjenigen Brückendiagonale erzielt, die mit der Auswertespannung verbunden ist.

F i g. 6 zeigt einen Polradlagegeber einer elektrischen Maschine als Ausführungsbeispiel für ein absolutes rotatorisches Weg- oder Lagemeßsystem. Die Scheibe 22 bildet eine Signalspur mit einer Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender magnetisch wirksamer Zähne und Lücken. Die Scheibe 23 bildet die Bezugsspur. Die beiden Scheiben 22 und 23 sind lediglich in der Zeichnung nebeneinander dargestellt, in der praktischen Realisierung sitzen die beiden Scheiben auf einer gemeinsamen Achse. Auch bei dieser Ausführungsform ist eine Ausgestaltung ähnlich Fig.5 möglich, wenn auch die Scheibe 23 mit Zähnen und Lücken versehen ist, wobei jeweils ein Zahn der Scheibe 23 in einer Lücke der Scheibe 22 steht.

Um das erfindungsgemäße Gebersystem unabhängig von axialen Verschiebungen zwischen den Sonden und der Signalspur zu machen, wird die Breite der Signalspur bzw. der Bezugsspur an die maximal auftretende Verschiebung angepaßt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für ein inkrementales digitales Weg- oder Lagemeßsystem mit zwei gleichartig aufgebauten, magnetempfindlichen induktiven Sonden zur Abtastung mindestens einer Spur mit einer Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender, magnetisch wirksamer Zähne und Lücken, sowie mit einer Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspulen (Hl, 12) der Sonden (1, 2) eine Brückenhälfte einer Brückenschaltung (11, 12, 5; 11, 12, 14, 15) bilden, deren eine Brückendiagonale (c, d; e, I) mit einem Wechselspannungsgenerator (4) und deren andere Brückendiagonale (a, b;g, h)m\t der Auswerteschaltung 6—10; 16—19, 10) verbunden ist, die eine phasenrichtige Gleichrichterschaltung (6,7,8; 16,17, 18, 19) und einen nachgeschalteten Grenzwertmelder (10) mit kleiner Hysterese enthält.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in bekannter Weise in Forbewegungsrichtung gesehen hintereinander sowie im gleichen Abstand von der Signalspur angeordreten Sonden (1, 2) um 180° elektrisch gegeneinander versetzt sind (F i g. 1 — 3).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer neben der eigentlichen Signalspur vorgesehenen Bezugsspur die beiden Sonden (1,2) in Fortbewegungsrichtung gesehen in an sich bekannter Weise nebeneinander angeordnet sind (F i g. 4—6).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspur (2Γ) ebenfalls mit einer Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender, magnetisch wirksamer Zähne (2Xa') und Lücken (21 b') versehen ist, deren Abmessungen den Zähnen (20a; und Lücken (20ό; der Signalspur (20) entsprechen, wobei jeweils ein Zahn der Bezugsspur (2Ia'; in einer Lücke (2OZ?; der Signalspur (20) steht, und daß die Sonden (1, 2) in gleichem Abstand von Signalspur (20) und Bezugsspur (21') angeordnet sind (F ig. 5).

5. Anwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4 für einen innerhalb einer Polteilung ein absolutes Meßsignal erzeugenden Polradlagegeber einer elektrischen Maschine, insbesondere einer kommutatorlosen Gleichstrommaschine.