DE3920627A1 - Vorrichtung zum messen der winkellage und der drehzahl, insbesondere fuer elektromotore - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem für die Winkellage- und Drehzahlmessung, insbesondere für Elektro-, Kleinst- und Schrittmotore.

Es ist ein System zur Winkellagemessung eines Rotors eines Schrittmotors bekannt, das in dem Artikel "Fotooptisches Drehwinkelmeßgerät zur meßtechnischen Erfassung des dynamischen Verhaltens von Schrittmotoren für Quarzuhren", W. Scheuble, R. Schmid, UT 1979, Nr. 2, S. 5-8, Bundesrepublik Deutschland, beschrieben ist, wo eine Lichtquelle in der Drehachse des Rotors angeordnet ist. Der aus der Lichtquelle austretende Lichtstrahl fällt auf einen auf der Welle angeordneten, um 45° geneigten Spiegel. Der Strahl verläuft nach der Spiegelung senkrecht zur Drehachse der Welle und fällt auf ein Paar von zwei Paaren Lichtleiter, die auf dem Kreisumfang koaxial zum Rotor angeordnet sind. Einer der Lichtleiter jedes Paares ist an einen gemeinsamen Fotodetektor angeschlossen, wobei die beiden anderen Lichtleiter an einen anderen Fotodetektor angeschlossen sind. Die Verwendung eines zweiten Lichtleiters in jedem Meßpunkt ermöglicht es, die Drehrichtung des Rotors festzustellen.

Aus der DE-OS 34 22 365 ist eine Meßvorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit, d.h. der Drehzahl bekannt, die eine Lochscheibe aufweist. Die Lichtquelle ist exzentrisch gegenüber der Scheibendrehachse angeordnet. Während der Drehung der Lochscheibe gelangen die Lichtstrahlen durch die Löcher hindurch, die nach Reflektierung von einem Reflektor zurückgeworfen werden und nach Durchgang durch ein optisches System mit einem halbdurchlässigen Spiegel auf einen Fotodetektor fallen. Die Zahl der pro Zeiteinheit gezählten Impulse ist das Maß für die Drehgeschwindigkeit.

Die bekannten Systeme, insbesondere mit an der Motorwelle angeordneten Umformern, belasten den Motor durch ein großes Trägheitsmoment und sind durch ein geringes Auflösungsvermögen gekennzeichnet. Das System mit den Lichtleitern belastet den Motor in geringerem Maße und trotz des relativ großen Umfangsdurchmessers ist es nur möglich, maximal 180 Paare Lichtleiter vorzusehen, was gleichzeitig der Anzahl der Meßpunkte entspricht. Die bekannten Systeme sind daher nur eingeschränkt anwendbar, insbesondere zu genauen Messungen bei Kleinstmotoren. Im Falle einer zentralen Signalablesung gestatten sie auch keine eindeutige Bestimmung einer Drehrichtungsänderung, da sich die Laufrichtung des Markierungsbildes zweimal pro Drehung parallel zu einer Geraden verschiebt, die beide Fotoelemente verbindet, wobei die Phasendifferenz gleich 0° ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie auch bei Kleinstmotoren eine hohe Meßgenauigkeit der Winkellage und der Drehzahl gegebenfalls auch die Angabe der Drehrichtung erlaubt und die dennoch keine oder nur geringe Trägheitsmomente auf die Drehwelle des Motors überträgt.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen wiedergeben.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der optische Modulator (der Drehimpulsumformer) die Form einer Seitenfläche eines drehsymmetrischen Körpers auf, an deren Innenseite ein Inkrementalmuster angeordnet ist und an der die Lichtstrahlen reflektiert werden können. In der Wellenachse ist ein optisches System mit einer Lichtquelle angeordnet, deren Lichtstrahlen von der Innenfläche des optischen Modulators reflektiert werden, wobei die Lichtstrahlen von der Lichtquelle mittels eines Spiegels übertragen werden, der die Lichtstrahlen unter einem Winkel von 90° reflektiert und das erste Element des optischen Systems bildet, das das Signal vom optischen Modulator dem Eingang eines Fotodetektors zuführt.

Der optische Modulator weist vorzugsweise eine Zylinderform mit einer Reflektorfläche auf, die aus einer Silberfolie gebildet sein kann und ein Inkrementalmuster aufweist, das aus zu seiner senkrechten Zentralachse parallelen Markierungen besteht. Die Markierungen können eingraviert oder auf beliebige andere Weise, z.B. durch Farbgebung aufgebracht sein. Der das Inkrementalmuster aufweisende Zylinder kann auch lichtdurchlässig gestaltet sein, dann muß die Lichtquelle entlang des Umfangs des Zylinders angeordnet sein.

Der optische Modulator kann auch einen Kegelspiegel darstellen, an dessen Basisseite eine Scheibe mit Inkrementalmuster zur Reflektion von Lichtstrahlen angeordnet ist. Die Scheibe kann auch lichtdurchlässig ausgeführt sein, wobei dann in Reihenfolge hinter ihr eine am Umfang angeordnete Lichtquelle angeordnet ist.

Vorzugsweise besteht der Fotodetektor aus drei Fotoelementen in der Anordnung eines gleichschenkligen Dreiecks. Die Hälfte des Durchmessers der aktiven Fläche jedes Fotoelements ist vorzugsweise kleiner als die Bildbreite der Markierung des Inkrementalmusters im Bereich des Fotodetektors, wobei jedoch die Breite der Markierung des Inkrementalmusters nicht größer als die Breite der Zone zwischen den Markierungen ist. Im Falle, daß die Fotoelemente in Form eines rechtwinkligen und gleichschenkligen Dreiecks angeordnet sind, wird die Bildbreite der Markierung des Inkrementalmusters im Bereich des Fotodetektors in einem der folgenden Bereiche gewählt:
0,52a<A<0,7a und 0,73a<A<10a,
wobei a der Abstand zwischen den an den Katheten gelegten Fotoelementzentren ist. Wenn die Fotoelemente in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind, soll die Bildbreite der Markierung des Inkrementalmusters im Bereich des Fotodetektors in einem der beiden folgenden Bereiche liegen:
0,52a<A<0,85a und 0,89a<A<10a,
wobei a den Abstand der Zentren der Fotoelemente voneinander wiedergibt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht wegen der Anwendung von Markierungen mit sehr kleinen Abmessungen eine sehr große Genauigkeit und belastet die Motorwelle fast nicht. Sie gestattet eine sehr hohe Meßgeschwindigkeit, wobei die Messungen über zusätzliche Trägheitsmomente und durch Reibung nicht oder nur in unbedeutendem Maße verfälscht werden. Die Vorrichtung erlaubt Änderungen der Drehrichtung trotz Änderung der Verschiebungswinkel der Markierungen eindeutig zu bestimmen.

Nachstehend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen unter Bezug auf schematische Zeichnungen näher erläutert: Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Messen der Winkellage und der Drehzahl mit einem optischen Modulator in Zylinderform mit einem Inkrementalmuster für reflektierendes Licht,

Fig. 2 das gleiche wie in Fig. 1 mit einem lichtdurchlässigen Zylinder mit Inkrementalmuster,

Fig. 3 eine Ausführungsform mit einer das Inkrementalmuster tragenden reflektierenden Scheibe,

Fig. 4 das gleiche mit einer das Inkrementalmuster tragenden lichtdurchlässigen Scheibe,

Fig. 5 eine Ausführung eines Fotodetektors,

Fig. 6 eine andere Ausführungsform des Fotodetektors,

Fig. 7 beispielsweise Signalverläufe am Ausgang des Fotodetektors im Moment einer Drehrichtungsänderung.

Die Vorrichtung zur Messung der Winkellage und der Drehzahl gemäß Fig. 1 weist ein auf der Welle 1 eines Motors unter einem Winkel von 45° geneigt angeordnetes Pentagonprisma 2 auf, das axial zur Welle 1 auftreffende Lichtstrahlen unter einem Winkel von 90° reflektiert. Im Niveau des Pentagonprismas 2 ist koaxial ein optischer Modulator in Form eines Zylinders 3 aus versilberter Folie mit Markierungen 4 in Form von Strichen, die parallel zur Seitenwand des Zylinders 3 liegen und ein Inkrementalmuster 5 für reflektiertes Licht bilden, angeordnet. Weiterhin ist in der Systemachse eine teildurchlässige Platte 6 (ein teildurchlässiger Spiegel) unter einem Winkel von 45° sowie eine Lichtquelle 7 angeordnet. Auf einem zur Systemachse senkrechten Zweig ist hinter der teildurchlässigen Platte 6 ein Fotodetektor 8 angeordnet, der mit einem elektrische Impulse zählenden elektronischen System einer Zählschaltung 9 verbunden ist.

Die Lichtstrahlen der Lichtquelle 7 gelangen nach dem Durchgang durch die teildurchlässige Platte 6 auf das Petagonprisma 2, das sich zusammen mit der Welle 1 des Motors dreht. Die Lichtstrahlen werden von dem Pentagonprisma 2 unter einem Winkel von 90° zur Systemachse 10 reflektiert und fallen auf die Innenseite des spiegelnden optischen Modulators in Form eines Zylinders 3. Die dort reflektierten Strahlen treffen wieder auf das rotierende Pentagonprisma 2, werden dort unter einem Winkel von 90° abgelenkt und gelangen, indem sie der Systemachse 10 folgen, auf die teildurchlässige Platte 6, wobei sie unter einem Winkel von 90° reflektiert werden und auf den Fotodetektor 8 gelangen.

Während der Drehung der Welle 1 des Motors läuft der von der Lichtquelle 7 ausgesandte Lichtstrahl die Reflektionsfläche mit dem Inkrementalmuster 5 des Modulators ab und wird von den durch die Markierungen 4 unterbrochenen Spiegelfeldern impulsweise zurückgeworfen und gelangt durch das Pentagonprisma 2 und mittels der Platte 6 zum Fotodetektor 8. Die Zahl der Lichtimpulse, die an den Fotodetektor 8 gelangen und die Zahl der am Ausgang des Fotodetektors 8 erhaltenen elektrischen Impulse, ist direkt proportional zum zurückgelegten Winkelweg. Die elektronische Meßeinrichtung, die Zählschaltung 9, welche mit dem Fotodetektor 8 verbunden ist, zählt und verarbeitet die Meßimpulse, was eine direkte Ablesung des Drehwinkelwertes und der Drehgeschwindigkeit ermöglicht.

Die Vorrichtung, die systematisch in Fig. 2 dargestellt ist, weist eine gleichzeitig am Umfang des optischen Modulators 3 angeordnete Lichtquelle 7′ auf, wobei hier der optische Modulator 3 in Form eines lichtdurchlässigen, das Inkrementalmuster 5 aufweisenden Zylinders 3 ausgeführt ist. Die Lichtstrahlen gelangen hierbei, ausgehend von der Lichtquelle 7′, durch den lichtdurchlässigen Zylinder 3 zwischen den Markierungen 4 hindurch und fallen auf das rotierende Pentagonprisma 2, welches in der Systemachse und in der Achse der Welle 1 des Motors 1 angeordnet ist. Während des Drehens spiegelt das Prisma 2 die Lichtstrahlen um 90° abgelenkt in der Systemachse 10. Durch eine Linsenanordnung 11 werden die Lichtstrahlen zu einem Bündel gesammelt, das impulsweise auf die aktive Fläche des Fotodetektors 8 gelangt. Die Zahl der Lichtimpulse, die an den Fotodetektor 8 gelangen, der an seinem Ausgang erhaltenen elektrischen Impulse, ist direkt proportional zu dem zurückgelegten Winkelweg. In der elektronischen Meßeinrichtung, der Zählschaltung 9, werden die Meßimpulse gesammelt und verarbeitet, was eine direkte Ablesung des Drehwinkelwertes und der Drehgeschwindigkeit ermöglicht.

Das in Fig. 3 wiedergegebene optische System weist einen optischen Modulator in Gestalt eines Kegelspiegels 12 auf, dessen Kegelfläche unter einem Winkel von 45° zur Systemachse 10 angeordnet ist. In der Nähe der Basisseite des Kegelspiegels 12 ist koaxial eine Scheibe 18 mit einem Inkrementalmuster angeordnet, die geeignet ist, auftreffende Lichtstrahlen zu reflektieren. Die Vorrichtung arbeitet ähnlich der in Fig. 1 dargestellten, wobei ein von der Lichtquelle 7 ausgehender Lichtstrahl die teildurchlässige Platte 6 durchläuft und vom Pentagonprisma 2 um 90° so abgelenkt wird, daß er auf die Wand des Kegelspiegels 12 trifft, wo er gegen die Scheibe 13 abgelenkt und zwischen den Markierungen reflektiert wird, wobei er über den Kegelspiegel 12 das Pentagonprisma 2 zurückläuft und von der Platte 6 reflektiert wird und in den Fotodetektor 8 gelangt. Die mit dem Fotodetektor 8 verbundene elektronische Zählschaltung 9 zählt und verarbeitet die Meßimpulse, was eine direkte Ablesung der Drehwinkelwerte und der Drehgeschwindigkeit ermöglicht.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 3 dargestellten dadurch, daß die das Inkrementalmuster aufweisende Scheibe 13 lichtdurchlässig ist und daß hinter ihr eine gleichmäßig am Umfang angeordnete Lichtquelle 7′ vorgesehen ist. Der optische Modulator ist ebenfalls als Kegelspiegel 12 gestaltet, dessen Kegelwand zur Systemachse 10 unter einem Winkel von 45° geneigt ist. Die koaxial an der Basisseite des Kegelspiegels 12 angeordnete Inkrementalscheibe ist für Durchlicht geeignet, wobei hinter ihr eine Lichtquelle 7′ in Form eines Toros angeordnet ist. Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: die von der Lichtquelle 7′ ausgehenden Lichtstrahlen gehen zwischen den Markierungen 4 der Inkrementalscheibe durch, werden vom Kegelspiegel 12 auf das rotierende Pentagonprisma 2 geworfen und dort in die Systemachse 10 abgewinkelt. Die durch die Markierungen der Inkrementalscheibe 13 impulsweise dem Pentagonprisma 2 zugeführten Lichtstrahlen werden nach ihrer Reflektierung durch das Pentagonprisma 2 in der optischen Achse 10 des Systems mittels der Linsenanordnung 11 gebündelt und direkt dem in der optischen Achse angeordneten Fotodetektor 8 zugeführt, umgeformt und der Zählschaltung 9 zugeführt, die die Meßimpulse des Fotodetektors 8 verarbeitet.

Der Fotodetektor 8 kann ein solcher sein, der jederzeit die Möglichkeit bietet, die Drehrichtung der Welle 1 des Motors zu bestimmen. Hierzu kann er aus drei Fotoelementen 14, 15, 16 in der Anordnung eines gleichschenkligen, rechtwinkligen Dreiecks bestehen, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Der Abstand zwischen zwei gleichweit von einander entfernten Fotoelementen 14-15 bzw. 14-16 trägt a.

Während des Drehens der Welle 1 des Motors bildet sich auf der aktiven Fläche des Fotodetektors 8 ein Bild 17 der Markierungen 4 von einer Breite A ab, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Dieses Bild 17 der Markierungen 4 verschiebt sich während der Rotation der Welle 1 und ändert die Drehrichtung des Vorschubs so, daß die Markierungsbilder schrittweise auf einzelne Fotoelemente 14, 15, 16 gelangen. Am Ausgang jedes Fotoelementes 14, 15, 16 entstehen Spannungsimpulsfolgen entsprechend der Formung der Katheten U _{D 1}, U _{D 2}, U _{D 3}, die gegenseitig phasenverschoben sind, wie es in Fig. 7 dargestellt ist.

Der von der Welle 1 ausgeführte Winkelweg zwischen zwei benachbarten Markierungen 4 entspricht einer Verschiebung des Bildes 17 der Markierungen 4 um die Breiten A+B und gleichzeitig durch einen Winkel , wobei N die Zahl der Markierungen 4 des Inkrementalmusters 5, 13 und B die Breite der Zone 18 zwischen zwei Markierungen 4 bedeutet. Im Verlaufe jeder Drehung der Welle 1 ändert sich die Versetzungsrichtung des Bildes der Markierungen 4 schrittweise um 360°. Während einer Richtungsänderung der Welle 1 ändert sich die Richtung der Versetzung des Bildes 17 der Markierungen 4 um 180°. Dieser Moment ist bei t _z in Fig. 7 mit einem zur Abszissenachse parallelen Strich dargestellt. Von diesem Moment an erscheinen die Impulse U _{D 1}, U _{D 2}, U _{D 3} der Fotoelemente 14, 15, 16 in gekehrter Reihenfolge als vorher.

Alle drei Fotoelemente 14, 15, 16 sind an ein System angeschlossen, das auf dieser Grundlage die Drehrichtung der Welle 1 des Motors bestimmt. Wenn nur der Wert der Winkeldrehung der Welle 1 des Motors angegeben werden muß, ist lediglich ein beliebiges Fotoelement direkt mit der elektronischen Zählschaltung 9, die die Impulse dieses Fotoelementes zählt, verbunden.

Um die Richtung der Verschiebung des Bildes 17 der Markierungen 4 in jedem Moment einer Messung zu bestimmen, was die Beseitigung einer Situation, in der sich alle Impulse genau in derselben Phase oder Gegenphase befinden, verbunden ist, müssen einige Bedingungen für das Muster und das Bild auf der aktiven Fläche des Fotodetektors 8 gewährleistet sein. So darf die Zonenbreite zwischen den Markierungen nicht größer als die Breite der Markierungen 4 sein, was mit der Beziehung, daß BA ist, wiedergegeben ist. Das Bild der aktiven Fläche des Detektors 8 wird in einer Vergrößerung mittels eines Mikroskops beobachtet. Zu diesem Zweck muß man, mit entsprechender Vergrößerung, eine größere Bildbreite der Markierung als die Hälfte des Durchmessers der aktiven Fläche der Fotoelemente 14, 15, 16 entspricht, erreichen. Zu diesem Zweck wurde auch die Breite A des Bildes 17 im Bereich des Fotodetektors so angepaßt, daß sie 0,6a beträgt, wobei a der Abstand zwischen zwei Fotoelementzentren ist. Um in jedem Moment die Drehrichtung der Welle 1 des Motors zu bestimmen, muß die Breite A einer der beiden folgenden Bedingungen entsprechen:
0,52a<A<0,7a und 0,73a<A<10a
Aus praktischen Gründen ist es vorteilhaft, die Fotoelemente 14, 15, 16 in den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks der aktiven Fläche des Fotodetektor-Systems anzuordnen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Das Prinzip der Drehrichtungsänderungs-Bestimmung der Welle 1 verläuft hier wie oben beschrieben. Jedoch muß, um in jedem Moment die Drehrichtung der Welle 1 angeben zu können, die Bildbreite A der Markierung 4 der Bedingung entsprechen, daß sie größer als die Hälfte des Durchmessers der aktiven Fotoelementfläche sein muß, ein vorzugsweiser Wert beträgt 0,66a, wobei in jedem Fall eine der folgenden Bedingungen eingehalten sein muß:
0,52a<A<0,85a und 0,89a<A<10a
Es wurde dasselbe Inkrementalmuster angewandt, das im Falle der Anordnung der Fotoelemente 14, 15, 16 in Form eines rechtwinkligen, gleichschenkligen Dreiecks verwendet war.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Messen der Winkellage und der Drehzahl, insbesondere für kleine Elektromotoren, enthaltend eine Lichtquelle (7) und einen auf der Motorwelle (1) angeordneten Spiegel (2), der die Lichtstrahlen von der Lichtquelle (7) unter einem Winkel von 90° reflektiert, einen stationären optischen Modulator in der Höhe des Spiegels (2), der koaxial in der Vorrichtung angeordnet und über ein optisches System mit einer Zählschaltung (9) der elektrischen Impulse verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator die ein Inkrementalmuster (5) aufweisende Seitenwand eines drehsymmetrischen Körpers (3) bildet, dessen Innenwand das Licht reflektiert und daß der Spiegel (2) das erste Element des optischen Systems (2, 6, 11, 8) ist, der das vom optischen Modulator reflektierte Licht einem Fotodetektor (8) der Zählschaltung (9) der elektrischen Impulse zuführt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator ein Zylinder (3) ist, an dessen Innenfläche das Inkrementalmuster (5) für das zu ­ reflektierende Licht aufgebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator für die Lichtimpulse ein Zylinder (3) ist, lichtdurchlässig ist und auf der Innenfläche das Inkrementalmuster (5) aufweist und daß außen um den Zylinder (3) eine gleichmäßige Lichtquelle (7′) installiert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator ein Kegelspiegel (12) ist, an dessen Basisseite eine das Inkrementalmuster aufweisende Scheibe (13) zum Reflektieren des Lichtes befestigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator ein Kegelspiegel (12) ist, an dessen Basisseite eine das Inkrementalmuster aufweisende lichtdurchlässige Scheibe 13 befestigt ist und dahinter in axialer Anordnung die gleichmäßige Lichtquelle (7′) installiert ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotodetektor (8) aus drei Fotoelementen (14, 15, 16) in der Anordnung eines gleichschenkligen Dreiecks besteht, wobei die Hälfte des Durchmessers der aktiven Fläche jedes Fotoelementes (14, 15, 16) kleiner als die Breite A des Bildes (17) der Markierung (4) des Inkrementalmusters im Bereich des Fotodetektors (8) ist, wobei die Breite einer Markierung (4) des Inkrementalmusters (5) nicht größer als die Breite der Zone zwischen den Markierungen (4) sein darf.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle, daß die Fotoelemente (14, 15, 16) in Form eines rechtwinkligen und gleichschenkligen Dreiecks angeordnet sind, die Breite A des Bildes (17) einer Markierung (4) des Inkrementalmusters im Bereich des Fotodetektors (8) in einem der zwei folgenden Bereiche liegt:
0,52a<A<0,7a und 0,73<A<10a,
wobei a der Abstand zwischen den an den Endpunkten der Katheten gelegenen Fotoelementzentren ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle, daß die Fotoelemente 14 bis 16 in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind, die Breite A des Bildes (17) der Markierung (4) des Inkrementalmusters im Bereich des Fotodetektors (8) in einem der zwei folgenden Bereiche liegt:
0,52a<A<0,85a und 0,89a<A<10a,
wobei a der Abstand zwischen den Zentren der Fotoelemente (14, 15, 16) ist.