DE3111862A1

DE3111862A1 - Optischer frequenzgeber

Info

Publication number: DE3111862A1
Application number: DE19813111862
Authority: DE
Inventors: Helmuth Dr. 6330 Wetzlar Frenk
Original assignee: Individual
Current assignee: Johannes Huebner Fabrik Elektrischer Maschinen Gmb
Priority date: 1981-03-26
Filing date: 1981-03-26
Publication date: 1982-10-14
Also published as: DE3111862C2

Description

Optischer Frequenzgeber
Mit der steigenden Anwendung der digitalen Meß- und Rechentechnik werden incrementale Winkelgeber, die eine ihrer Drehzahl proportionale Frequenz erzeugen, immer häufiger als "Frequenzgeber" zur Messung von Drehzahl und Drehrichtung benutzt. Die einfachste Ausführung, eine Lichtschranke, die durch ein Winkel gitter periodisch unterbrochen wird, hat folgende Nachteile: 1.) Das gegen eine einmal eingestellte Referenzspannung gemessene Signal wird beim Abfallen der Lichtintensität (durch Erwärmung oder Altern der als Lichtquelle meist benutzten Leuchtdiode (LED) unsymmetrisch; beim Abfall unter die Hälfte verschwindet es ganz.
Hierzu ist noch zu bedenken, daß schon eine Erwärmung um 100 K die heute bekannnten LED um ca. 50% Lichtausbeute schwächt. Die Unsymmetrie bewirkt bei 2 Lichtschranken mit einer Sollphasenlage von 90" eine Phasenverschiebung, die beim Oberschneiden der Flanken zu einer falschen Vor-Rückwärts-Anzeige führt.
2.) Zwei auf verschiedenen Stellen des Umfangs angeordnete Lichtschranken zum Erzeugen zweier, um 90" (Rücklauf 270°) phasenverschobener Signale zeigen wegen der mechanischen Ungenauigkeiten der Anordnung eine dauerende Phasenschwankung, die bei höheren Impulszahlen 20° überschreiten kann.
Diese Schwankungen, zusammen mit der im 1) beschriebenen Unsymmetrie machen eine zuverlässige Drehrichtungsbestimmung sehr bald unmöglich.
Uie an sich bekannten Anordnungen, die diese Nachteile vermeiden, sind aufwendig und teuer. Die Anordnung nach der Erfindung vermeidet sie dagegen auf besonders wirtschaftliche, einfache Weise. Erfindungsgemäß wird mit einer kurzbrennweitigen zylindrischen oder sphärischen Linse die beleuchtete Teilung der Gitterscheibe so auf eine Reihe von 3 Fotozellen abgebildet, daß die beiden äußeren etwa gegenphasig beleuchtet werden. Die Differenz ihrer Signale wird einem Komparator zugeführt, der das "00 - Signal" abgibt.
Die Summe ihrer Signale wird in einem zweiten Komperator als Referenz mit dem Signal der mittleren Fotozelle verglichen. Dieser Komperator erzeugt das "900 Signal". Vorteilhaft kann statt einer Dreierreihe von Fotozellen auch eine Vierquadrantenfotozelle benutzt werden, deren Diagonale etwa parallel der Strichteilung ist und deren übereinander liegende Teilzellen als "mittlere Fotozelle" parallel geschaltet sind.
In einer anderen Ausführung der Erfindung werden die 3 Fotozellen bzw.
die Quadrantenfotozelle in radialer Reihe hinter 3 kleinen Gitterausschnitten 20, 21 u. 22 angeordnet, bei denen 21 gegen 20 um 90°, 22 gegen 21 um 1800 verschoben ist. Hierbei wird das rotierende Gitter derart auf die Teil gitter abgebildet, daß sich Bild und Teil gitter nacheinander decken.
In Fig. 1 stellt 1 eine rotierende Scheibe mit einem Durchlicht-Winkelgitter dar. Die Leuchtdiode 2 strahlt durch die Gitterteilung auf die Linse 3, die hier als Zylinderlinse dargestellt ist. Diese bildet die Teilung auf die Fotozellen 4, 5 und 6 ab. Wenn der Abbildungsmaßstab ergibt - wie in Fig. 2 - daß eine halbe Gitterkonstante gleich dem Abstand der äußeren Fotozellen ist, so werden die Fotozellen 4 und 6 immer gegenphasig (180°) beleuchtet, während 5 in der Mitte 900 phasenverschoben bestrahlt ist. Die Signale von 4 und 6 werden dem + und - Eingang des Komparators 7 zugeführt, ihre Spannungen also subtrahiert. Dadurch werden einmal die Gleichlichtanteile aufgehoben, auch wenn die Intensität des von 2 ausgestrahlten Lichts schwankt. Die gegenphasigen Wechsel lichtsignale dagegen werden durch die Subtrahtion gleichphasig und addieren sich, sodaß das Wechsel-Signal 110011 am Ausgang 8 erscheint. (Evtl. notwendige Vorverstärker zwischen Fotozellen und Komparator sind der Obersicht halber weggelassen.) Uieser Vorteil der gegenphasigen Lichtsignale ist an sich bekannt.
Er kann auch (Fig. 3) von einer 4-Quadrantenfotozelle wahrgenommen werden, in der die Teilzellen 15 und 18 die Funktion von 4 und 6, die Teilzellen 16 und 17, paarallel geschaltet, die von 5 übernehmen. Zusätzlicher Vorteil ist hierbei die geringere Individualstreuung der 4 Teilzellen auf einem Sustrat. Ein neuer Vorteil der Anordnung nach Fig. 1, 2 und 3 ergibt sich bei der Bildung des 90°-Signals. Hierbei wird die Summe der Signale von 4 u. 6, in der das Gleichlichtsignal erhalten, aber das Wechsellichtsignal unterdrückt wird, als Referenzsignal für 5 ausgenützt und dem Komparator 11 zugefUhrt. Das ergibt das "90°-Signal" am Ausgang 12, welches wegen der gemeinsamen Optik, erheblich geringere Phasenschwankungen aufweist als bei getrennten Optiken.
Hierbei zeigt sich ein unerwarteter zusätzlicher Vorteil der Erfindung (Fig. 4). Wenn, anders als in Fig. 2, der Abbildungsmaßstab größer oder kleiner ist, oder bei gleicher Optik eine andere Gitterteilung eingesetzt wird, so ist die Phasenverschiebung zwischen den Signalen von 4 (S4) und 5 (S5) größer oder kleiner als 1800. Sind die Amplituden S4, S5 und S 6 gleich und die Signalformen annähernd sinusförmig, so können die Differenz und die Summe der Wechsel signale für die Komperatoren 7 u. 8 nach dem Zeigerdiagramm Fig. 4 ermittelt werden. Es zeigt sich, daß zwischen S4-S6 und S5 immer eine Phase von 90" erhalten bleibt.
Fig. 5 zeigt, daß ohne mechanische Anderungen, nur mit einer veränderten schaltung auch die herkömmliche Betriebsart verwendet werden kann, bei der der Komparator 11 ein von dem "0"" - Fotozellen unabhängiges Gegentaktsignal von den Teilzellen 16 und 18 erhält. Hierbei entfällt dann aber der in Fig. 4 erklärte Vorteil und eine genaue Justierung der Abbildungsgröße ist erforderlich.
In der Anordnung Fig. 6 gelten wieder die Vorteile nach Fig. 4. Jedoch würde hier ein um 1 Gitterkonstante falscher Abbildungsmaßstab über die Länge der Gitterabschnitte das Wechselsignal auslöschen. Hierbei erkauft man aber für die genaue Abbildung eine Mittelwertbildung über mehrere Striche, Eliminierung von Fehlern durch verschmutzte Einzelschl itze und höhere Auflösung.

Claims

Ansprüche Optischer Frequenzgeber zur Erzeugung zweier um 90" (bei Drehrichtungsumkehr 270°) gegeneinander verschobenen Rechteckspannungen drehzahlproportionaler Frequenz, bestehend aus einem rotierenden Winkel gitter, mindestens einer Lichtquelle und mindestens zwei Fotozellen mit nachgeschalteter Elektronik, dadurch gekennzeichnet, daß das beleuchtete bzw.

durchleuchtete Gitter derart vergrößert oder verkleinert auf 3 Fotozellen 4, 5 u. 6 abgebildet wird, daß zwischen den äußeren Fotozellen 4, 5 u. 6 etwa 1/2 Gitterkonstante liegt. Die Signale der Fotozellen 4 u. 6 werden gegenphasigen Eingängen eines Komparators 7, die Summe der Signale 4 u. 6 gegenphasig zu dem Signal von 5 dem Komparator 11 zugeführt, der dann die Rechtecksignale ausgibt.
2.) Optischer Frequenzgeber nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Vierquadranten-Fotozelle anstelle der Fotozellen 4, 5 u. 6, deren Diagonale parallel zu den Gitterstrichen liegt und deren Teilzellen 15 und 18 die Funktion von 4 u. 6, während die Teilzellen 16 u. 17, parallel geschaltet, die von Fotozelle 5 übernehmen.
3.) Optischer Frequenzgeber nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 3 Gitterausschnitte 20, 21 u. 22, die (20-21) 90" bzw. (20-22) 1800 gegeneinander verschoben sind, und hinter denen die in radialer Reihe angeordneten Fotozellen 4 nur die Strahlung durch 20 5 " II II " 21 6 " " " " 22 empfangen, wobei das Gitterbild mit gleicher Gitterkonstante deckend auf die Teil gitter abgebildet wird.