DE4025279A1 - Anordnung zum messen des drehmomentes an der abtriebswelle eines stell- oder steuerantriebs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen des Drehmomen­ tes an der Abtriebswelle eines Stell- oder Steuerantriebs gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Aus der DE-PS 28 46 583 ist eine Vorrichtung zum Übertragen von Meßsignalen über einen Übertrager von einer Rotor- auf eine Statorseite und zum Übertragen einer Versorgungsspannung über den gleichen Übertrager von der Stator- auf die Rotorseite be­ kannt. Der Übertrager besteht aus einer feststehenden, mit dem Stator verbundenen Wicklung und einer drehbaren, mit dem Rotor verbundenen Wicklung. Die beiden Wicklungen sind über einen Luftspalt induktiv gekoppelt. Die Versorgungsspannung für eine mit dem Rotor verbundene, einen Meßwertaufnehmer enthaltende Schaltung wird dadurch erzeugt, daß die mit einem statorseiti­ gen Oszillator erzeugte Wechselspannung über den Übertrager einem rotorseitigen Gleichrichter mit nachgeschaltetem Stabili­ sator zugeführt wird. Das Meßsignal des Meßwertaufnehmers wird nach Verstärkung von einem Spannungs-Frequenz-Umformer in eine Impulsfolge umgesetzt, dessen Ausgangsstufe an die rotorseitige Wicklung des Übertragers angeschlossen ist. Von einem hoch­ ohmigen Punkt der Statorseite wird das Signal abgenommen und einem Demodulator zugeführt. Dessen Ausgangssignal entspricht dem des Spannungs-Frequenz-Umformers, d. h. eine niedrige Frequenz entspricht einem kleinen Meßsignal und eine hohe Frequenz einem großen Meßsignal.

In der DE-OS 37 21 065 ist eine Einrichtung zum Betrieb eines Stellantriebs für ein Stellglied beschrieben, mit der das Dreh­ moment des Stellgliedes mit einem Meßwertaufnehmer, und zwar einem Potentiometer, erfaßt und einem Grenzwertgeber zugeführt wird, der bei Erreichen eines vorbestimmten Grenzwertes das Ausschalten des Stellantriebs veranlaßt. Eine Regelung des Stellantriebs in Abhänbigkeit des abgegebenen Drehmomentes und die Übertragung eines Drehmoment-Meßwertes von einem Rotor zu einem Stator ist nicht angegeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine An­ ordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, die eine sichere und schnelle drehmomentabhängige Regelung oder Steuerung eines Stellantriebs ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Während die bekannten Spannungs-Frequenz-Umformer im Falle von Drehmoment-Meßwerten Impulsfolgen erzeugen, die beim Drehmoment Null eine mittlere Frequenz haben und deren Frequenz mit Zu­ nahme des Drehmomentes je nach dessen Richtung zu- oder ab­ nimmt, ist nach der vorliegenden Erfindung die Frequenz beim Drehmoment Null am kleinsten und nimmt mit dem Drehmoment, unabhängig von dessen Richtung, zu. Damit wird erreicht, daß hohe Drehmomente rasch erfaßt werden können, so daß auch der Antrieb schnell in Abhängigkeit des Drehmomentes geregelt oder geschaltet werden kann. Bei niedrigem Drehmoment ist zwar die Regelung träger, jedoch hat dies im allgemeinen keinen Nach­ teil.

Anhand der Zeichnung werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Ergänzungen näher beschrieben und erläu­ tert.

Es zeigen

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 das Schaltbild eines im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 enthaltenen Unipolarverstärkers und

Fig. 3 die Anordnung von Schaltungsteilen der Anordnung nach Fig. 1 auf der Abtriebswelle eines Stellantriebs.

Ein Oszillator OS, der mit einer Versorgungsspannung +U_B, O gespeist ist, erzeugt eine Wechselspannung von z. B. 3 MHz. Sein Ausgang ist mit einer feststehenden Wicklung L2 eines Übertragers UE verbunden. Diese Wicklung kann scheibenförmig ausgebildet sein, in deren Mittelachse sich die Abtriebswelle eines Stellantriebs befindet. Auf dieser sitzt eine zweite Wicklung L1 des Übertragers UE. Die beiden Wicklungen, die gegeneinander verdrehbar sind, bilden mit Kondensatoren CR1, CR2 einen Parallel-Resonanzkreis für die Oszillatorfrequenz, der durch die Abtriebswelle und das Gehäuse des Stellantriebes gedämpft ist. Mit einem Gleichrichter GL und einem Ladekonden­ sator CL wird aus der übertragenen Wechselspannung die Gleich­ stromversorgung für eine mit der Abtriebswelle verbundene Schaltung erzeugt. Zunächst wird diese Gleichspannung in einem Stabilisator ST stabilisiert und über weitere Stabilisierglie­ der mit je einem Widerstand R1, R2 und einer Zenerdiode Z1, Z2 einer Brückenschaltung aus Dehnungsmeßstreifen DMS1, DMS2, DMS3, DMS4 zugeführt. Der Brücke ist zur Temperaturkompensation ein temperaturabhängiger Widerstand R4 vorgeschaltet. In den Brüc­ kenzweig mit den Dehnungsmeßstreifen DMS1, DMS2 ist ein Poten­ tiometer P geschaltet, mit dem die Brücke so eingestellt wird, daß die einem Vorverstärker VV zugeführte Meßspannung bei maxi­ malem Drehmoment in der einen Richtung nahe Null und bei maxi­ malem Drehmoment in der anderen Richtung den maximalen Wert hat. An den Vorverstärker VV ist ein Unipolarverstärker UV an­ geschlossen, der eine dem Betrag der Meßspannung entsprechende Ausgangsspannung abgibt. Dies bedeutet, daß bei unbelasteter Abtriebswelle sein Ausgangssignal etwa Null ist und daß mit zunehmendem Drehmoment, unabhängig von dessen Richtung, sein Ausgangssignal zunimmt. An ihn ist ein Spannungs-Frequenz- Umformer SFU angeschlossen, an dessen Ausgang ein Lastwider­ stand R3 liegt. Sein Ausgangswiderstand ist abhängig vom Si­ gnalzustand des binären Ausgangssignals. Zweckmäßig wird als Ausgangsverstärker ein Transistor in Open-Kollektorschaltung verwendet, so daß die Belastung der Gleichstromversorgung bei gesperrtem Transistor praktisch Null und bei in den leitfähigen Zustand geschaltetem Transistor etwa gleich dem Wert des Wider­ standes R3 ist. Dieser Belastungswechsel wirkt sich auf den Versorgungsstrom des Oszillators OS aus. In dessen Versorgungs­ leitung ist ein Tiefpaß TP mit einer oberen Grenzfrequenz geschaltet, die zwischen der höchsten Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers und der Oszillatorfrequenz liegt. Der Tiefpaß TP ist mit Widerständen Z1, Z2 abgeschlossen, die gleichzeitig Strom-Meßwiderstände sind. Die vom Tiefpaß TP ausgefilterte Wechselspannung, deren Frequenz gleich der Aus­ gangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers SFU ist, wird über einen Kondensator C einem Ausgabeverstärker AV zugeführt. Aus der Frequenz oder besser aus der Periodendauer seines Aus­ gangssignals kann der Betrag des Drehmomentes bestimmt werden. Dadurch, daß nur der Betrag des Drehmomentes in eine Impuls­ folge umgesetzt wird, verdoppelt sich die Auflösung des Span­ nungs-Frequenz-Umformers. Die Mindestzeit, die zum Messen des jeweiligen Drehmomentes erforderlich ist, ist die Periodendauer des Spannungs-Frequenz-Umformers. Diese ist bei hohem Drehmo­ ment unabhängig von dessen Richtung am kürzesten, so daß eine Drehmomentregelung oder eine Abschaltung des Motors dann am schnellsten erfolgt, wenn es notwendig ist, wenn nämlich der Motor vor Überschreiten eines kritischen Drehmomentes abge­ schaltet werden soll. Bei kleinem Drehmoment, wenn die Frequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers SFU niedrig ist, wird die Regelung oder Abschaltung zwar träge; da in diesem Fall aber das Überschreiten eines kritischen Drehmomentes nicht zu befürchten ist, hat die Trägheit der Regelung oder der Ab­ schaltung bei niedrigem Drehmoment keinen Nachteil. Soll die Abschaltung mit einer Verzögerung von maximal etwa 1 msec er­ folgen, ist eine maximale Ausgangsfrequenz des Spannungs-Fre­ quenz-Umformers von ca. 10 kHz erforderlich. Damit diese Fre­ quenz von der Frequenz der Versorgungsspannung des Oszillators OS gut getrennt werden kann, muß die Oszillatorfrequenz min­ destens 1 MHz, z. B. 3 MHz, betragen.

Der Unipolarverstärker nach Fig. 2 besteht im wesentlichen aus zwei Operationsverstärker OP1, OP2, denen je eine Diode D1, D2 nachgeschaltet ist. Die Meßspannung U_M wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 und dem nichtinvertieren­ den Eingang des Operationsverstärkers OP2, eine Referenzspan­ nung U_Ref dem jeweils anderen Eingang der Verstärker zugeführt.

Die Operationsverstärker OP1, OP2 sind mit nicht bezeichneten Widerständen so beschaltet, daß sie für das Meßsignal U_M den­ selben Verstärkungsgrad haben. An die Dioden D1, D2 ist ein Summierwiderstand R4 angeschlossen, von dem das dem Drehmoment entsprechende Signal abgenommen wird.

In Fig. 3 ist mit 1 das Gehäuse eines Stellantriebs bezeich­ net, in dem eine Abtriebswelle 2 gelagert ist. Mit dem Gehäuse 1 ist eine ringförmige Leiterplatte 3 verbunden, auf der einen Leiterbahn ausgeätzt ist, welche die feststehende Spule L2 des Übertragers UE (Fig. 1) bildet. Auf der Abtriebswelle sitzt eine zweite ringförmige Leiterplatte 4, deren Leiterbahn die Spule L1 des Übertragers UE bildet. Die Leiterplatte 4 trägt ferner Bauelemente 5, z. B. die Kondensatoren CR2, CL und den Gleichrichter GL (Fig. 1).

In einem abgedrehten Bereich der Abtriebswelle 2 sind die Deh­ nungsmeßstreifen angebracht, von denen zwei Dehnungsmeßstreifen DMS1, DMS2 in Fig. 3 sichtbar sind. Die Dehnungsmeßstreifen sind mit einer Vergußmasse abgedeckt. Auf einer dritten ring­ förmigen Leiterplatte 6 sind die weiteren mit der Abtriebswelle verbundenen Bauelemente der Anordnung nach Fig. 1 angeordnet. Die Leiterplatten 4 und 6 bilden die stirnseitigen Abschlüsse eines Gehäuses mit einer zylindrischen Seitenwand B, das die elektronischen Bauteile einschließt.

Claims (7)

1. Anordnung zum Messen des Drehmomentes an der Abtriebswelle eines Stellantriebs

• - mit einem auf der Abtriebswelle angebrachten Drehmomentsensor,
• - mit einem Übertrager (UE), der zwei gegeneinander verdrehbare Wicklungen (L1, L2) aufweist, von denen die eine mit der Ab­ triebswelle verbunden ist und die andere feststehend ist und über welche die in einem Oszillator erzeugte Versorgungsspan­ nung für eine mit der Abtriebswelle fest verbundene, einen Sensor und einen Spannungs-Frequenz-Umformer enthaltende Meßschaltung und das Ausgangssignal der Meßschaltung über­ tragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß­ schaltung das Ausgangssignal eines Drehmomentsensors (DMS1, DMS2, DMS3, DMS4) in eine Impulsfolge umsetzt, deren Frequenz mit dem Betrag des Drehmomentes zunimmt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßsignal des Drehmomentsensors (DMS1 ...) über einen Unipolarverstärker (UV) einem Spannungs- Frequenz-Umformer (SFU) zugeführt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausgangsstufe des Span­ nungs-Frequenz-Umformers (SFU) an die mit der Abtriebswelle verbundene Wicklung (L1) des Übertragers (UE) angeschlossen und so ausgebildet ist, daß sie im einen Binärsignalzustand des Ausgangssignals niederohmig und im anderen Binärsignalzustand hochohmig ist und daß die Belastung des Oszillators ermittelt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stromaufnahme des Oszillators (OS) ermittelt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Versorgungsstrom des Oszillators (OS) über einen Tiefpaß (TP) geführt ist, dessen obere Grenz­ frequenz zwischen der maximalen Frequenz des Spannungs-Fre­ quenz-Umformers (SFU) und der Frequenz des Oszillators (OS) liegt, und an dem das frequenzmodulierte Signal abgenommen ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen (L1, L2) des Übertragers (UE) Leiterbahnen von ringförmigen Leiter­ platten sind, deren Leiterbahnenseiten einander zugewandt sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine weitere ringförmige Leiterplatte (6) mit der Abtriebswelle verbunden ist, auf der elektronische Bauelemente angebracht sind, und daß die beiden mit der Ab­ triebswelle verbundenen ringförmigen Leiterplatten die Stirn­ seiten eines zylindrischen Gehäuses für die Bauelemente bil­ den.