DE4103933C2 - Verfahren zum Feststellen der Position eines beweglichen Bauteils und Schaltung für einen Positionssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen der Position eines beweglichen Bauteils in bezug auf ein Bezugsbauteil gemäß Anspruch 1 und eine Schaltung für einen Positionssensor gemäß Anspruch 2 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.

Als Positionssensoren werden solche bezeichnet, welche die Position eines zugeordneten sich bewegenden Bauteiles in bezug auf einen Bezugs­ ort angeben.

Positionssensoren können in elektrischen Maschinen, wie beispielsweise bürstenlo­ sen Gleichstrom-Antrieben und Synchronmotoren benutzt werden. Maschinen und Antriebe dieser Art wer­ den in Werkzeugmaschinen und Robotern zum Positionie­ ren verwendet. Weitere bevorzugte Anwendungsgebiete sind die Drehwinkelbestimmung in bezug auf zwei ge­ geneinander drehbar angeordnete Bauteile allgemein bzw. zur Steuerung der Motorkommutation.

Bekannte Positionssensoren sind unter anderem inkremental-di­ gitale Kodiereinrichtungen sowie Resolver, Einrichtungen, die auf Kapazitäts-Variation beruhen, Halleffekt-Sensoren und Inductosyn^TM-Wandler.

In bestimmten Anwendungsbereichen erweisen sich diese Positionssensoren als zu kostspielig. Dies ist ins­ besondere dann der Fall, wenn die Sensoreinrichtung nur zum Feststellen einer bestimmten Winkel- oder Linearposition von zwei gegeneinander beweglichen Bauteilen dient. Weiterhin haben sich bekannte Senso­ ren als ungeeignet bzw. unzuverlässig bei Anwendungen unter schwierigen Umweltbedingungen erwiesen.

Des weiteren ist aus "Instru­ ments & Control Systems", Vol 33, Oct. 1960, S. 1724- 1732, ein Positionssensor bekannt, der auch in der Lage ist, ein der Summe der Signale der Sekundär-Sen­ sorwicklungen entsprechendes Signal vorzugeben, das einem Maximalwert entspricht.

In der DE 36 02 107 A1 ist dar­ über hinaus ein Differentialtransformator beschrie­ ben, dessen Transformatorkern als Wegsensor verwendet wird. Die Summenspannung zweier Sekundärspulen wird hier durch Regelung der Primärspannung konstant ge­ halten, um Temperatureinflüsse und weitere das Meß­ ergebnis beeinträchtigende Einflüsse eliminieren zu können. Es werden durch Temperatureinflüsse verur­ sachte Änderungen einer gleichgerichteten Sekundär­ spannung vermieden.

Neuerdings wurde auch ein Sensor vorgeschlagen, bei dem von der Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes zwischen gekoppelten Spulen mittels eines relativ zu deren Lage verschiebbar angeordneten Ab­ schirmbauteiles Gebrauch gemacht wird. Ein geeignet dimensionierter leitfähiger Schirm wird mechanisch mit dem Bauteil verbunden, das gegenüber einem zwei­ ten Bauteil eine Dreh- bzw. Linearbewegung ausführt, so daß der Schirm in Abhängigkeit von der genannten Dreh- bzw. Linearbewegung durch einen Luftspalt zwi­ schen wenigstens zwei magnetisch verkoppelten Spulen­ paaren bewegt wird. Der Schirm bewirkt eine seiner Lage entsprechende Veränderung der magnetischen Ver­ kopplung zwischen den Spulen und damit der Induk­ tionsspannung in mindestens einer jener Spulen. Aus der Variation der Induktionsspannung kann die Posi­ tion des Schirmes abgeleitet werden. Ein derartiger Positionssensor ist in US-A 4,737,698 beschrieben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben,
mit dem eine bestimmte Winkelposition eines rotierenden Gegenstandes oder eine lineare Position eines sich geradlinig bewegenden Gegenstandes in be­ zug auf einen Bezugspunkt bzw. einen zweiten Gegen­ stand zuverlässig erfaßt werden kann. Weiterhin hat die Erfindung zum Ziel, eine Schaltung für einen Positionssensor anzugeben, dessen Herstellung nicht kostspielig ist und der präzise und frei von thermischen bzw. Hystere-Einflüssen arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale in den Ansprüchen 1 bzw. 2 gelöst.

Der Positionssensor enthält zwei Primärspulen zum Erzeugen eines (elektromagnetischen) Vorwärts- bzw. Antriebsfeldes und zwei Sekundärspu­ len, in welchen das genannte Antriebsfeld eine Span­ nung induziert, sowie ein Schirmbauteil aus elektrisch leitfähigem Material, in dem in Gegen­ wart des Antriebsfeldes Wirbelströme erzeugt werden, die ein zum Antriebsfeld entgegengesetzt gerichtetes Feld ausbilden. Schirm und Sekundärspulen sind im Antriebsfeld relativ zueinander drehbar oder ver­ schiebbar angeordnet, so daß die in den Sekundärspu­ len induzierte Spannung als Funktion der Abschirmung der Sekundärspulen durch den Schirm variiert.

Sobald der Schirm die magnetische Verkopplung zwi­ schen einem Sensorspulenpaar in gleichem Maße blockiert wie in bezug auf das andere Spulenpaar, erzeugt der Sensorschaltkreis ein Markierungssignal, das der Position des Schirmes entspricht.

Die Zeichnungen zusammen mit der ausführlichen Be­ schreibung dienen zur Veranschaulichung der Erfin­ dung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Positionssensors,

Fig. 2A das Schirmbauteil in einer bestimmten Posi­ tion,

Fig. 2B das Schirmbauteil in einer weiteren Posi­ tion,

Fig. 2C das Schirmbauteil in einer dritten Posi­ tion.

Im folgenden wird zunächst ein Ausführungsbeispiel eines Posi­ tionssensors beschrieben und daran anschließend seine Arbeitsweise.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm, in dem zwei Primär­ spulen 10, 12 und zwei Sekundärspulen 14, 16 getrennt durch einen Luftspalt dargestellt sind. Ein Schirm­ bauteil 18, das mit einem eine Dreh- oder Linearbewe­ gung ausführenden Bauteil verbunden ist, kann durch den Luftspalt in Abhängigkeit von der genannten Dreh- oder Linearbewegung bewegt werden.

Ein Oszillator 20 versorgt die beiden Primärspulen 10, 12. Da das in den Sekundärspulen 14, 16 erzeugte Signal die gleiche Frequenz aufweist wie das Aus­ gangssignal von Oszillator 20, steuert dieser einen Gleichrichterschaltkreis, der die synchrone Gleich­ richtung des Signals bewirkt, welches der Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Sekundärspule 16 und der Sekundärspule 14 entspricht. Zur Steuerung der Gleichrichterschaltung wird der Ausgang des Oszilla­ tors 20 mit einem Komparator 22 und dieser mit dem Synchrongleichrichter 40 verbunden.

Jeder der Sekundärspulen 14 und 16 ist sowohl mit einem Differentialverstärker 28 als auch mit einem Summierverstärker 24 verbunden. Der Ausgang des Dif­ ferentialverstärkers 28 wird dem Synchrongleichrich­ ter 40 direkt und über den Umkehrverstärker 26 zuge­ führt. Der Ausgang des Synchrongleichrichters 40 ist mit dem Null-Komparator 62 verbunden.

Ein Gleichrichterstromkreis 30 richtet das Ausgangs­ signal des Summierverstärkers 24 gleich. Das gleich­ gerichtete Signal wird einem Minimum-Komparator 60 zugeführt. Weiterhin wird diesem eine Referenzspan­ nung von einer Referenzspannungsquelle 50 zugeführt. Die Referenzspannung muß so gewählt werden, daß der Ausgang des Minimum-Komparators 60 gleich V(1) ist, wenn der Schirm 18 das Feld zwischen den Sensoren unter bricht, und V(0), wenn der Schirm das Feld zwischen den Sensoren nicht beeinflußt.

Die Ausgänge des Null-Komparators 62 und des Minimum- Komparators 60 werden einem UND-Schaltkreis 70 zuge­ führt, dessen Ausgangssignal der Position des die Dreh- bzw. Linearbewegung ausführenden, mit dem Schirm 18 verbundenen Bauteiles entspricht.

Vor dem Hintergrund des physikalischen Aufbaus des Positionssensors, wie in Fig. 1 gezeigt, wird nach­ stehend seine Funktionsweise erläutert.

Der Stromkreis liefert verschiedene Ausgangssignale, deren Wert von der jeweiligen Position des Schirmbau­ teiles 18 im Verhältnis zu den Sensorwicklungen 10, 12, 14, 16 bestimmt wird. Das Verhalten des Sensors wird anhand der in den Fig. 2A, 2B und 2C darge­ stellten drei verschiedenen Schirmpositionen erläu­ tert.

Unabhängig von der Position des Schirmes treibt Os­ zillator 20 die Primärspulen 10 und 12. Ist der Schirm 18 in der Stellung entsprechend Fig. 2A, indu­ ziert die Primärspule 10 in der Sekundärspule prak­ tisch die gleiche Spannung wie die Primärspule 12 in der Sekundärspule 16. Die Spannung am Punkt 21 ist damit im wesentlichen gleich jener in Punkt 23.

Da die Spannungen annähernd gleich sind, ist das Aus­ gangssignal des Verstärkers 28 annähernd Null. Ähn­ lich ist der Ausgang des Synchrongleichrichters 40 annähernd Null, was bedingt, daß der Ausgang des Kom­ parators 62 auf V(1) geht.

Ist der Minimum-Komparator 60 auf V(0) und der Null- Komparator auf V(1), dann bleibt das Ausgangssignal des UND-Schaltkreises 70 und damit der Ausgang des Positionssensors auf V(0).

Während sich der Schirm auf die Spulen 10, 12, 14 und 16 hin bewegt, erreicht er schließlich die in Fig. 2B gezeigte Position. In dieser Position verhindert Schirm 18, daß ein Spannungssignal in der Sekundär­ spule 14 induziert wird. Als Folge ist das Spannungs­ signal im Punkt 21 nicht gleich dem in Punkt 23.

Da die Spannungen nicht gleich sind, liefert Diffe­ rentialverstärker 28 ein "Nicht-Null"-Signal, wel­ ches, nachdem es synchron gleichgerichtet ist, den Ausgang des Komparators 62 auf V(0) gehen läßt.

Der Minimum-Komparator 60 allerdings geht auf V(1). Da praktisch keine Spannung in der Sekundärspule 14 induziert wird, lädt das gleichgerichtete Ausgangs­ signal des Summierverstärkers 24 den Kondensator 52 auf eine Spannung unterhalb der Referenzspannung 50. Dabei geht der Ausgang der UND-Schaltung 70 auf V(0).

Erreicht Schirm 18 die in Fig. 2B gezeigte Position, so gehen der Minimum-Komparator 60 auf V(1) und der Null-Komparator 62 auf V(0) und der Ausgang des UND- Kreises 70 auf V(0).

Schließlich zeigt Fig. 2C den Schirm 18 in der Posi­ tion, in der die magnetische Kopplung zwischen Pri­ märspule 10 und Sekundärspule 14 im gleichen Maß blockiert wird wie jene zwischen Primärspule 12 und Sekundärspule 16. Dann ist das Signal im Punkt 21 praktisch gleich dem Signal im Punkt 23.

Wenn die beiden Signale praktisch gleich sind, geht der Ausgang des Differentialverstärkers 28 annähernd auf Null und damit der Null-Komparator 62 auf V(1).

Die Spannung am Kondensator 52 bleibt unterhalb der Referenzspannung 50, und damit bleibt der Minimum- Komparator 60 auf V(1).

Sind die Komparatoren 62 und 60 auf V(1), so beträgt der Ausgang der UND-Schaltung 70 und damit des Posi­ tionssensors V(1). Das zeigt an, daß sich der Schirm 18 in der in Fig. 2C dargestellten Position befindet.

Claims (2)

1. Verfahren zum Feststellen der Position eines beweglichen Bauteiles in bezug auf ein Bezugs­ bauteil- unter Verwendung von durch einen Luft­ spalt getrennt angeordneten Paaren von Primär- und Sekundärspulen (10, 12, 14, 16) sowie eines Oszillators (20) zur Vorgabe eines Erregerstro­ mes und eines Schirmbauteiles (18) aus elek­ trisch leitendem Material, das mit dem bewegli­ chen Bauteil derart verbunden wird, daß dessen Position bestimmt werden kann, wobei der Oszil­ lator (20) mit den Primärspulen (10, 12) derart verbunden wird, daß diese parallel geschaltet mit Erregerstrom versorgt werden, die Sekundär­ spulen (14, 16) mit Schaltkreisen (24, 28) ver­ bunden werden, die Signale erzeugen, die der Summe und der Differenz der von den Sekundärspu­ len gelieferten Ausgangssignale entsprechen, wobei durch das Summensignal ein Maximumwert und das Differenzsignal ein Minimumwert erreicht wird, wenn das Schirmbauteil (18) sich außerhalb des Luftspaltes befindet, und durch das Diffe­ renzsignal ein weiterer Minimumwert und das Sum­ mensignal ein Minimumwert erreicht wird, wenn das Schirmbauteil (18) sich in einer bestimmten Lage innerhalb des Luftspaltes befindet, und wobei ein Minimumwert-Test (60) in bezug auf das Summensignal durch Vergleich mit einem Referenz­ signal (50) durchgeführt wird, welches so ge­ wählt wird, daß das Summensignal größer bzw. kleiner als das Referenzsignal (50) ist, wenn das Schirmbauteil (18) sich außerhalb bzw. in­ nerhalb des Luftspaltes befindet, sowie ein Null-Signal-Test in bezug auf das Differenzsi­ gnal durchgeführt wird und die erhaltenen Ergeb­ nisse in einem UND-Kreis (70) zugeführt werden, der daraus ein Signal ableitet, das die bestimm­ te Lage des Schirmbauteiles (18) im Luftspalt anzeigt.

2. Schaltung für einen Positionssensor zur Durch­ führung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Erregerstrom liefernden Oszillator (20), durch einen Luftspalt getrennten Paaren von Primär- und Sekundärspulen (10, 12, 14, 16) und einem Schirmbauteil (18) aus elektrisch leitendem Ma­ terial, dessen Lage im Luftspalt der Lage eines mit ihm verbundenen beweglichen Bauteiles ent­ spricht, dessen Position zu bestimmen ist, mit folgenden Merkmalen:
das Paar Primärspulen (10, 12) sowie das Paar Sekundärspulen (14, 16) sind so geschaltet, daß die Primärspulen (10, 12) mit dem Oszillator (20) verbunden sind und von diesem in Parallel­ schaltung mit Erregerstrom versorgt werden, um dadurch in den Sekundärspulen (14, 16) korre­ spondierende Ströme zu induzieren;
eine erste Schaltkreiseinrichtung (24) liefert ein erstes Signal, das der Summe der von den Sekundärspulen (14, 16) gelieferten Signale ent­ spricht, und eine zweite Schaltkreiseinrichtung (28) liefert ein zweites Signal, das der Differenz der von den Sekundärspulen gelieferten Signale entspricht, wobei das erste Signal einem Maximumwert und das zweite Signal einem Minimum­ wert entspricht, wenn das Schirmbauteil (18) sich außerhalb des Luftspaltes befindet und das erste Signal ein Minimumwert und das zweite Si­ gnal einem weiteren Minimumwert entspricht, wenn das Schirmbauteil (18) sich in einer bestimmten Lage innerhalb des Luftspaltes befindet;
und ein Schaltkreis (22, 26, 30, 40, 50, 52, 60, 62, 70) mit einem Minimumkomparator (60) zur Durchführung eines Minimumwert-Testes in bezug auf das erste Signal durch Vergleichen mit einem Referenzsignal (50), welches so gewählt ist, daß das erste Signal größer bzw. kleiner als das Referenzsignal (50) ist, wenn das Schirmbauteil (18) sich außerhalb bzw. innerhalb des Luftspaltes befindet, mit einem Nullkompara­ tor (62) zur Durchführung eines Null-Signal- Testes in bezug auf das zweite Signal und mit einem UND-Kreis (70), dem die Ausgangssignale des Minimumkomparators (60) und des Nullkompara­ tors (62) zuführbar sind, und der ein Signal liefert, das die bestimmte Lage des Schirmbau­ teiles (18) im Luftspalt anzeigt.