DE4129577A1 - Messsystem zur drehwinkelmessung - Google Patents
Messsystem zur drehwinkelmessungInfo
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- DE4129577A1 DE4129577A1 DE19914129577 DE4129577A DE4129577A1 DE 4129577 A1 DE4129577 A1 DE 4129577A1 DE 19914129577 DE19914129577 DE 19914129577 DE 4129577 A DE4129577 A DE 4129577A DE 4129577 A1 DE4129577 A1 DE 4129577A1
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Description
Die Erfindung betrifft ein Meßsystem zur Drehwinkelmessung
eines motorisch angetriebenen Drehgliedes, z. B. Welle, der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Solche bekannten Meßsysteme arbeiten auf elektrischer,
optischer oder magnetischer Basis (Dr. Hans Walcher "Winkel-
und Wegemessung im Maschinenbau", VDI-Verlag, 1985). Bei der
Digital-Inkrementalmessung erfolgt dabei eine Quantisierung
der Meßgröße in Inkrementen und deren anschließende Zählung.
Zum Festlegen und Wiederfinden einer definierten
Ausgangsposition nach Stromausfall des Antriebsmotors ist das
Referenzsignal erforderlich. Mit diesem Referenzsignal wird
der Zähler in einer eindeutig beschriebenen Position auf Null
oder einen anderen vorwählbaren Wert gesetzt. Die
Möglichkeit, das Meßsystem mittels Referenzsignal auf einen
beliebig vorwählbaren Wert voreinstellen zu können, ist ein
Vorteil der inkrementalen Meßmethode mit ihrer Freiheit in
der Wahl des Bezugssystems.
In vielen Anwendungsfällen besteht die Forderung neben oder
anstelle der inkrementalen Drehwinkelmessung weitere
Meßgrößen zu erfassen. Beispielsweise ist für Servoachsen die
Erfassung der absoluten Achsposition über eine Vielzahl von
Umdrehungen oder bei Synchronmotoren die Erfassung der
absoluten Rotorlage während einer Umdrehung zur Motorregelung
erforderlich. In solchen fällen muß zur Herstellung der
Kompatibilität das Meßsystem bezüglich der Sensoren, der
Signalübertragungsleitungen zu der Auswerteeinheit und Teilen
der Auswerteeinheit modifiziert oder erweitert werden, was
immer einen zusätzlichen individuellen Konstruktions- und
Fertigungsaufwand erfordert.
In anderen Anwendungsfällen ist es wünschenswert, bei jeder
Inbetriebnahme des Meßsystems spezifische Daten des
Meßsystems und/oder des Antriebsmotors in der Auswerteeinheit
automatisch zur Verfügung zu haben. Solche spezifischen Daten
sind z. B. sog. Signalkonditionierungsparameter oder
Motorkenndaten, wie Motortyp, Seriennummer, Nenndaten etc.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßsystem der
eingangs genannten Art zu schaffen, das in einem breiteren
Anwendungsbereich zur Erfassung verschiedener Meßgrößen
elektrisch kompatibel ist und/oder die Forderung nach
Verfügbarkeit von systemspezifischen Daten in der
Auswerteeinheit bei Inbetriebnahme erfüllt, trotzdem einen
reduzierten elektrischen und mechanischen Fertigungsaufwand
erfordert.
Die Aufgabe ist bei einem Meßsystem der im Oberbegriff des
Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die
Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Meßsystem kann ohne Eingriff in das
Meßsystem im Einzelfall je nach Anwendungsfall wahlweise die
eine oder andere Meßgröße oder alle Meßgrößen gemessen
und/oder die systemspezifischen Daten in der Auswerteeinheit
verfügbar gemacht werden. Durch die Verwendung der gleichen
Signal- bzw. Referenzsignal-Übertragungsleitungen für die
Übertragung aller Sensor- und Speicherdaten an die
Auswerteeinheit bleibt trotz Datenspeicher und hoher
Sensorzahl einerseits der Leitungsaufwand gering und
andererseits die Zahl der notwendigen Eingänge in der
Auswerteeinheit konstant. Der elektrische Aufwand wird damit
bei gesteigerter Leistungsfähigkeit des Meßsystems gering
gehalten und ist nur geringfügig größer als bei dem Einfach-
Meßsystem. Die Steuersignale für die Auswahl der jeweils zu
übertragenden Daten werden von der Auswerteeinheit vorgegeben
und über die Referenzsignal-Übertragungsleitungen übertragen.
Wird z. B. der weitere Sensor so ausgebildet, daß er die
Drehung des Drehgliedes analog erfaßt, z. B. während einer
Umdrehung des Drehgliedes jeweils eine Periode eines
angenäherten Sinussignals und Cosinussignals erzeugt, so
werden diese Signale über die Signalübertragungsleitungen
bzw. Referenzsignal-Übertragungsleitungen der Auswerteeinheit
zugeführt, die aus dem arctan des Quotienten der
Signalamplituden den absoluten Drehwinkel bestimmt.
Ist der weitere Sensor in dieser Weise ausgebildet und werden
zu dessen Signalübertragung die Signalübertragungsleitungen
verwendet, so können z. B. wahlweise nur die Ausgangssignale
des weiteren Sensors auf die Signalübertragungsleitungen
aufgeschaltet werden. In diesem Fall kann das Meßsystem als
Gebersystem für die Kommutierung bzw. Regelung eines
Synchronmotors verwendet werden.
Es ist auch möglich, alle Sensoren zeitlich nacheinander auf
die Signalübertragungsleitungen bzw. die Referenzsignal-
Übertragungsleitungen aufzuschalten. Beispielsweise wird bei
stillstehendem Antriebsmotor zunächst der weitere Sensor auf
die Übertragungsleitungen aufgeschaltet und damit in der
Auswerteeinheit die absolute Position des Drehglieds
ermittelt. Mit Einschalten des Antriebsmotors wird dann der
erste Sensor mit inkrementaler Meßwerterfassung auf die
Übertragungsleitungen aufgeschaltet. In der Auswerteeinheit
wird nun der momentane Drehwinkel oder die momentane
Drehposition des Drehglieds, bezogen auf die Absolutstellung
vor Drehbeginn, ermittelt. Ein solches Meßsystem kann für
Lageregelung an Werkzeugmaschinen eingesetzt werden.
Soll beispielsweise das Meßsystem auch für die absolute
Drehwinkelerfassung über mehrere Umdrehungen des Drehglieds
geeignet sein, so ist es von vornherein mit mehreren weiteren
Sensoren zur analogen Meßwerterfassung auszustatten, wobei
jeder weitere Sensor im Verhältnis i:1 untersetzt an dem
vorhergehenden weiteren Sensor angekoppelt ist. Jeder dieser
weiteren Sensoren mißt damit die Zahl der Umdrehungen des
jeweils vorhergehenden weiteren Sensors in der sog.
Sensorkaskade. Alle weiteren Sensoren werden zeitversetzt auf
die Übertragungsleitungen zur Auswerteeinheit aufgeschaltet,
und zwar bei stehendem Drehglied, so daß in der
Auswerteeinheit bei Inbetriebnahme des Meßsystems die
Absolutposition des Drehglieds nach vorausgegangenen beliebig
vielen Umdrehungen festgestellt werden kann. Mit Einschalten
des Antriebsmotors wird dann wiederum der erste Sensor auf
die Übertragungsleitungen aufgeschaltet. In allen Fällen
werden die Steuersignale zur Aufschaltung der Sensoren in der
Auswerteeinheit generiert und über die Referenzsignal-
Übertragungsleitungen übertragen. Die Aufschaltung der
Sensoren auf die Signalübertragungsleitungen erfolgt
vorzugsweise durch einen Multiplexer und auf die
Referenzsignal-Übertragungsleitungen vorzugsweise unter
Analog-/Digitalwandlung durch einen Mikrocomputer.
Sensoren zur analogen Meßwerterfassung sind bekannt. Ein
Beispiel hierfür sind die sog. Resolver. Ein Resolver weist
beispielsweise einen Rotor mit wechselspannungsgespeister
Spule, der starr mit dem Drehglied zu koppeln ist, und zwei
am Umfang des Rotors feststehende, zueinander räumlich
versetzte Empfangsspulen auf. Bei der Drehung des Rotors wird
in der einen Empfangsspule eine sinusmodulierte und in der
anderen Empfangsspule eine cosinusmodulierte Wechselspannung
gleicher Frequenz induziert. Der arctan des Quotienten
beider induzierter Wechselspannungen ist ein Maß für die
Drehposition des Rotors und damit des Drehglieds innerhalb
einer Umdrehung.
Wird der Rotor eines weiteren Resolvers über ein
Untersetzungsgetriebe von dem Rotor des ersten Resolvers und
der Rotor eines dritten Resolvers über ein weiteres
Untersetzungsgetriebe von dem Rotor des vorhergehenden
weiteren Resolvers usw. angetrieben, so entsteht eine sog.
Resolverkaskade, bei welcher der Rotor des letzten Resolvers
in der Kette über den gesamten Arbeitsbereich nur eine
Umdrehung ausführt. Die Absolutposition des nachfolgenden
Rotors ist damit ein Maß für die Zahl der Umdrehungen des
vorhergehenden Rotors. Die vorstehend beschriebene
Sensorkaskade kann beispielsweise durch eine solche
Resolverkaskade realisiert werden. Andere Sensoren zur
analogen Meßwerterfassung arbeiten auf elektrischer,
optischer oder optronischer Basis.
Die Aufschaltung des Datenspeichers zur Übertragung der
Speicherdaten an die Auswerteeinheit bei Inbetriebnahme des
Meßsystems erfolgt bevorzugt mittels eines Mikrocomputers auf
die Referenzsignal-Übertragungsleitungen, und zwar unabhängig
vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der vorstehend
beschriebenen weiteren Sensoren. Die Speicherdaten werden bei
Endprüfung des Meßsystems komplett in dem bevorzugt als
Festwertspeicher (PROM, EPROM, EEPROM) ausgebildeten
Datenspeicher abgelegt. Mit Einschalten der
Versorgungsspannung (Netz-Ein) wird durch Reset am
Mikrocomputer das Meßsystem in seinen Ausgangszustand gesetzt
und anschließend der Datenspeicher auf die Referenzsignal-
Übertragungsleitungen geschaltet. Damit beginnt der Transfer
der Speicherdaten zu der Auswerteeinheit. Ist dieser
abgeschlossen und sind auch bei vorhandenen weiteren Sensoren
deren Ausgangssignale zu der Auswerteeinheit übertragen, was
zeitlich vor oder nach dem Speicherdatentransfer erfolgen
kann, so werden die Referenzsignal-Übertragungsleitungen mit
dem Referenzsignalgeber verbunden. Das Meßsystem kann nunmehr
zum Meßvorgang aktiviert, d. h. der Antriebsmotor für das
Drehglied eingeschaltet werden.
Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Meßsystems mit vorteilhaften Weiterbildungen und
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen
angegeben.
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines Meßsystems zur
Drehwinkelmessung,
Fig. 2 eine Adressiertabelle des Adresskomparators
in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 und 4 jeweils eine Schaltungsanordnung eines Meßsystems
zur Drehwinkelmessung gemäß weiterer
Ausführungsbeispiele,
Fig. 5 und 6 jeweils eine schematische Darstellung eines
Sensorelements zur analogen Meßwerterfassung
im Meßsystem gemäß Fig. 1 oder 3 und 4 in
Draufsicht (Fig. 5) und in Seitenansicht
(Fig. 6).
Das in Fig. 1 im Schaltplan dargestellte Meßsystem zur
Drehwinkelmessung eines hier nicht dargestellten motorisch
angetriebenen Drehgliedes, z. B. einer drehenden Welle, weist
drei Sensorelemente 11, 12, 13, einen Referenzsignalgeber 14
sowie eine Auswerte- und Regeleinheit 15 auf, die einerseits
aus den Ausgangssignalen der Sensorelemente 11-13 unter
Heranziehung des Referenzsignals den Drehwinkel bestimmt und
andererseits die Auswahl der Sensorelemente 11-13 steuert.
Die Stromversorgung der Sensorelemente 11-13 und des
Referenzsignalgebers 14 erfolgt ebenso von der Auswerte- und
Regeleinheit 15 aus über zwei Versorgungsleitungen 16, 17. Zur
Übertragung der Referenzsignale ist die Auswerte- und
Regeleinheit 15 über zwei Referenzsignal-
Übertragungsleitungen 18, 19 mit dem Referenzsignalgeber 14
verbunden. Die Signalübertragung von den Sensorelementen 11-13
zu der Auswerte- und Regeleinheit 15 erfolgt über vier
Signalübertragungsleitungen 20-23.
Das Sensorelement 11 dient zur inkrementalen
Meßwerterfassung. Ein solches inkrementales Sensorelement ist
beispielsweise aus der DE 34 35 867 A1 bekannt. Es besteht im
wesentlichen aus einem zahnradähnlichen Rotor aus
weichmagnetischem Material, der an zwei Feldplatten 24, 25
zweier Feldplatten-Differentialfühler 26, 27 mit geringem
Radialabstand vorbeidreht und dadurch die Widerstandswerte
der Feldplatten 24, 25 ändert. Die beiden Feldplatten-
Differentialfühler 26, 27 sind mit jeweils zwei Widerständen
28, 29 zu einer Brückenschaltung zusammengefaßt, deren
Brückenanschlüsse a und b mit den Versorgungsleitungen 16, 17
verbunden und deren Diagonalzweig-Anschlüsse c und d auf die
Signalübertragungsleitungen 20-23 aufschaltbar sind. Die
beiden Feldplatten-Differentialfühler 26, 27 sind dabei
räumlich feststehend und zueinander räumlich versetzt derart
angeordnet, daß die an den Anschlüssen c bzw. d der
Differentialfühler 26, 27 abgenommenen Signale S1, S2 bzw.
-S1, -S2 jeweils zueinander um 90° phasenverschoben sind. Die
Signale -S1, -S2 an den Anschlüssen d sind zu den Signalen
S1, S2 an den Anschlüssen c invertiert. In der Auswerte- und
Regeleinheit 15 werden aus den Signalen S1 bzw. S2 und den
invertierten Signalen -S1 bzw. -S2 jeweils die
Differenzsignale gebildet und aus den Differenzsignalen
Winkelschrittimpulse abgeleitet und gezählt. Die Anzahl der
Zählimpulse ist ein Maß für die Drehwinkelstellung der
drehenden Welle, bezogen auf einen beliebigen
Drehausgangspunkt. Zur Festlegung dieses Ausgangspunktes
dient der Referenzsignalgeber 14. Im einfachsten Fall besteht
der Referenzsignalgeber 14 wiederum aus einem Feldplatten-
Differentialfühler 31 mit den Feldplatten 41, 42 und aus
einem am Rotor des Sensorelements 11 angeordneten Radialzahn,
der während einer Umdrehung des Rotors einmal kurz am
Feldplatten-Differentialfühler 31 vorbeidreht und dadurch die
Widerstandswerte beider Feldplatten 41, 42 kurzzeitig
variiert. Die Ausgänge e, f des Feldplatten-
Differentialfühlers 31 sind über die Referenzsignal-
Übertragungsleitungen 18, 19 an der Auswerte- und Regeleinheit
15 und dort an den beiden Eingängen eines
Differenzverstärkers 32 angeschlossen. Dreht der Radialzahn
an dem Feldplatten-Differentialfühler 31 vorbei, so tritt am
Ausgang des Differenzverstärkers 32 ein sog. Referenzimpuls
auf, der eine bestimmte Rotorstellung definiert.
Der Aufbau des Sensorelements 12 zur analogen
Meßwerterfassung ist in Fig. 5 und 6 schematisch dargestellt.
Es weist eine Meßscheibe 33 aus weichmagnetischem Material
auf, das drehfest mit dem angetriebenen Drehglied bzw. der
drehenden Welle zu verbinden ist. Die Meßscheibe 33 trägt auf
ihrer einen Scheibenfläche eine Spiralnut 34, die im Beispiel
mit drei vollen Umdrehungen um jeweils 360° ausgeführt ist.
Räumlich feststehend sind zwei Feldplatten-Differentialfühler
35, 36 angeordnet, die axial zur Meßscheibe 33 ausgerichtet
sind, so daß ihre jeweils beiden Feldplatten 37, 38 mit
Luftabstand der Spiralnut 34 in Achsrichtung der Meßscheibe
33 gegenüberliegen. Die beiden Feldplatten-Differentialfühler
35, 36 sind auf einem zur Achse der Meßscheibe 33
konzentrischen Kreisbogen um 90° gegeneinander versetzt. Eine
andere räumliche Anordnung der beiden Feldplatten-
Differentialfühler 35, 36 ist ebenfalls möglich. In jedem Fall
ist die Anordnung der Feldplatten-Differentialfühler 35, 36
und die Ausbildung der Spiralnut 34 so getroffen, daß pro
Umdrehung der Meßscheibe 33 eine der beiden Feldplatten-
Differentialfühler, hier der Feldplatten-Differentialfühler
35, eine Periode eines annähernden Sinussignals und der
andere, hier der Feldplatten-Differentialfühler 36, eine
Periode eines annähernden Cosinussignals liefert. Jeder
Feldplatten-Differentialfühler 35, 36 ist wiederum mit zwei
Widerständen 39, 40 zu einer Brückenschaltung zusammengefaßt
(Fig. 1), wobei die Brückenanschlüsse a-d in gleicher Weise
belegt sind, wie bei den vorstehend beschriebenen
Feldplatten-Differentialfühlern 26, 27 des Sensorelements 11,
d. h. der Anschluß a mit der 5-V-Versorgungsgleichspannung,
der Anschluß b mit Nullpotential und die Anschlüsse c und d
mit den Signalübertragungsleitungen 20-23. Damit steht pro
Umdrehung der Meßscheibe 33 an dem Anschluß c des
Feldplatten-Differentialfühlers 35 etwa ein Sinussignal, an
dessen Anschluß d etwa ein invertiertes Sinussignal, an dem
Anschluß c des Feldplatten-Differentialfühlers 36 etwa ein
Cosinussignal und an dessen Anschluß d etwa ein invertiertes
Cosinussignal an. In der Auswerte- und Regeleinheit 15 wird
das Sinus- und invertierte Sinussignal sowie das Cosinus- und
invertierte Cosinussignal je einem Differenzbildner
(Differenzverstärker) zugeführt, und der Drehwinkel der
drehenden Welle wird als arctan des Quotienten der beiden
Ausgangssignale der Differenzbildner gewonnen.
Der beschriebene zahnradähnliche Rotor des Sensorelements 11
kann in der Weise mit der Meßscheibe 33 des Sensorelements 12
zusammengefaßt sein, daß die Meßscheibe 33 zusätzlich zu
ihrer Spiralnut 34 noch eine Außenverzahnung trägt, die von
den beiden radial angeordneten Feldplatten-
Differentialfühlern 26, 27 abgetastet wird.
Das Sensorelement 13, das ebenfalls der analogen
Meßwerterfassung dient, ist identisch dem Sensorelement 12
aufgebaut. Dessen Meßscheibe sitzt jedoch nicht auf der
drehenden Welle, deren Drehposition erfaßt werden soll,
sondern auf einer Abtriebswelle eines Untersetzungsgetriebes,
das von der Meßscheibe 33 des Sensorelements 12 oder von der
drehenden Welle selbst angetrieben wird. Die Meßscheibe des
Sensorelements 13 ist damit im Verhältnis i:1 untersetzt und
führt eine Umdrehung aus, wenn die Meßscheibe 33 des
Sensorelements 12 i Umdrehungen ausführt. Die Sensorelemente
12 und 13 bilden eine sog. Drehmelderkaskade, wie sie
beispielsweise in der Literaturstelle Prof. Dr. G. Stute "Die
Lageregelung an Werkzeugmaschinen", FISW-Selbstverlag,
Stuttgart, 1975, Seite 234 und 235 beschrieben ist. Mit
dieser Meßkaskade kann der Absolutdrehwinkel der drehenden
Welle über mehrere Umdrehungen gemessen werden.
Zur Aufschaltung der verschiedenen Sensorelemente 11, 12 und
13 ist zwischen den Ausgängen c und d der Sensorelemente 11-13
und den Signalübertragungsleitungen 20-23 ein
Multiplexer 30 vorgesehen, dessen insgesamt zwölf Eingänge
mit jeweils einem der Anschlüsse c und d der Sensorelemente
11-13 verbunden sind und dessen vier Ausgänge über jeweils
einen Signalverstärker 43 an je einer der
Signalübertragungsleitungen 20-23 angeschlossen sind. Der
Multiplexer 30 wird von einem Adresskomparator 44 gesteuert,
dessen beide Adressausgänge A0, A1 an dem Steuereingang des
Multiplexers 30 und dessen beide Steuereingänge 01 und 01- an
den beiden Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19
angeschlossen sind. Die Steuersignale für den
Adresskomparator 44 werden von zwei
Gleichspannungspotentialen unterschiedlichen Pegels gebildet.
Hierzu sind die beiden Referenzsignal-Übertragungsleitungen
18, 19 jeweils über einen Widerstand 45 bzw. 46 und einen
Transistor 47 bzw. 48 mit Nullpotential verbunden. Sind die
Transistoren 47, 48 gesperrt, so liegt auf jeder der
Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 und damit an jedem
Eingang 01 und 01- des Adresskomparators 44 eine 5-V-Gleichspannungspotential
an. Sind die Transistoren 47, 48
durchgeschaltet, so sinkt das Gleichspannungspotential auf
2,5 V ab. In Fig. 2 ist die Adressiertabelle für den
Multiplexer 30 dargestellt. Je nach Steuersignal an den
Eingängen 01 und 01- des Adresskomparators 44 werden die
beiden Ausgänge c und die beiden Ausgänge d des
Sensorelements 11, des Sensorelements 12 und des
Sensorelements 13 zeitlich nacheinander auf die
Signalübertragungsleitungen 20-23 aufgeschaltet.
Die Wirkungsweise des beschriebenen Meßsystems ist wie folgt:
Mit Einschalten der Betriebsversorgungsspannung 5 V werden von
der Auswerte- und Regeleinheit 15 aus die Steuersignale für
den Adresskomparator 44 über die Referenzsignal-
Übertragungsleitungen 18, 19 so an den Adresskomparator 44
gelegt, daß die vom Adresskomparator 44 an den Multiplexer 30
ausgelesenen Adressen diesen so schalten, daß zeitlich
nacheinander zunächst die Sensorelemente 12 und 13 auf die
Signalübertragungsleitungen 20-23 aufgeschaltet werden.
Damit wird in der Auswerte- und Regeleinheit 15 die
Absolutposition der Welle vor Einschalten des Antriebsmotors
für die Welle festgestellt, und zwar innerhalb der Gesamtzahl
der Drehungen der Welle im Arbeitsbereich. Wird nunmehr der
Antriebsmotor eingeschaltet und beginnt die Welle zu drehen,
so wird der Multiplexer 30 über den Adresskomparator 44 so
angesteuert, daß er nunmehr das Sensorelement 11 auf die
Signalübertragungsleitungen 20-23 aufschaltet. Bei Drehung
der Welle werden nunmehr die aus den Sensorsignalen des
inkrementalen Sensorelementes 11 abgeleiteten Zählimpulse,
ausgehend von der zuvor festgestellten Absolutposition der
Welle gezählt und der momentane Drehwinkel bestimmt.
Das in Fig. 3 im Schaltplan dargestellte Meßsystem ist
gegenüber dem Meßsystem in Fig. 1 insoweit modifiziert, als
die Adressierung des Multiplexers 30 nicht von einem
Adresskomparator sondern einem Mikrocomputer 50 vorgenommen
wird, und darüber hinaus im Mikrocomputer 50 ein
Datenspeicher 60 (EEPROM) integriert ist, in dem
systemspezifische Daten abgespeichert sind. Beispiele solcher
systemspezifischer Daten sind Geberdaten,
Signalkonditionierungsdaten, Reparaturdaten oder Motordaten
des die Welle treibenden Antriebsmotors, wie Motortyp,
Seriennummer, Nenndaten. Diese Speicherdaten werden bei der
Endprüfung des Meßsystems komplett im Datenspeicher 60
abgespeichert und bei jeder Inbetriebnahme des Meßsystems
automatisch der Auswerte- und Regeleinheit 15 angeboten. Die
Übertragung dieser Daten erfolgt über die Referenzsignal-
Übertragungsleitungen 18, 19, wozu die Datenausgänge 61, 62 des
Mikrocomputers 50 über Leitungen 58, 59 an einem Multiplexer
51 angeschlossen sind, der wechselweise die Referenzsignal-
Übertragungsleitungen 18, 19 mit den Datenausgängen 61, 62 und
den Ausgängen des Referenzsignalgebers 14 verbindet. Der
Multiplexer 51 wird von dem Mikrocomputer 50 gesteuert. Zur
Adressierung des Multiplexers 30 sind dessen Steuereingänge
mit Adressausgängen A0, A1 des Mikrocomputers 50 verbunden,
dessen Datenausgänge 61, 62 zugleich die Steuereingänge zum
Auslesen der abgespeicherten Steueradressen oder sonstigen
Steuerdaten für den Multiplexer 30 bilden.
Der Mikrocomputer 50 kommuniziert über die Referenzsignal-
Übertragungsleitungen 18, 19 mit einem in der Auswerte- und
Regeleinheit 15 vorhandenen weiteren Mikrocomputer 52, der
über einen Tri-state-Treiber 53 an die Referenzsignal-
Übertragungsleitungen 18, 19 angeschlossen ist. Die
Widerstände 45, 46 dienen zum Abschluß der Referenzsignal
Übertragungsleitungen 18, 19 bei Kommunikation der beiden
Mikrocomputer 50, 52, also bei bidirektionaler
Datenübertragung, durch Aufsteuern der Transistoren 47, 48.
Die Wirkungsweise dieses Meßsystems ist wie folgt:
Mit Einschalten der Versorgungsgleichspannung (Netz-Ein) wird
durch den Resetimpuls das gesamte Meßsystem in seine
Grundstellung zurückgesetzt. Danach schaltet der
Mikrocomputer 50 zunächst den Multiplexer 51 so, daß die
Datenausgänge 61, 62 mit den Referenzsignal-
Übertragungsleitungen 18, 19 verbunden sind. Nunmehr werden
die Speicherdaten aus dem Datenspeicher 60 kodiert ausgegeben
und über die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 der
Auswerte- und Regeleinheit 15 zugeführt. Dies kann entweder
durch eine Programmroutine im Mikrocomputer 50 oder durch ein
Abfragesignal des Mikrocomputers 52 ausgelöst werden.
Anschließend werden vom Mikrocomputer 52 über die
Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 entsprechende
Steuersignale an die Steuereingänge 61, 62 des Mikrocomputers
50 gegeben, wodurch dieser die Adressausgänge A0, A1 und damit
die Steuereingänge des Multiplexers 30 mit solchen Adressen
belegt, daß die Sensoren 12 und 13 zeitseriell auf die
Signalleitungen 20-23 aufgeschaltet werden. Ist die
Übertragung der Daten der Sensoren 12, 13 beendet, wird durch
ein von dem Mikrocomputer 52 ausgegebenes Steuersignal über
die Adressierung durch den Mikrocomputer 50 der Multiplexer
30 umgeschaltet, so daß nunmehr die Ausgänge des ersten
Sensors 11 mit den Signalübertragungsleitungen 20-23
verbunden sind. Gleichzeitig wird der Multiplexer 51 vom
Mikrocomputer 50 zurückgeschaltet, so daß nunmehr der
Referenzsignalgeber 14 an den Referenzsignal-
Übertragungsleitungen 18, 19 liegt. Jetzt wird das Meßsystem
durch Einschalten des Antriebsmotors für die Welle aktiviert.
Zu diesem Zeitpunkt stehen in der Auswerte- und Regeleinheit
15 bereits alle Speicherdaten sowie die Sensordaten über die
Ausgangsposition der Welle zur Auswertung zur Verfügung.
Bei dem Meßsystem gemäß Fig. 4 werden im Unterschied zu
Fig. 3 für die Übertragung der Ausgangssignale der analogen
Sensorelemente 12 und 13 nicht die
Signalübertragungsleitungen 20-23 sondern die
Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 verwendet. Die
Signalübertragungsleitungen 20-23 sind fest mit den
Ausgängen c und d der beiden Differentialfühler 26, 25 des
inkrementalen Sensorelements 11 verbunden, wobei wie in
Fig. 1 jeder Signalübertragungsleitung 20-23 ein
Signalverstärker 43 vorgeschaltet ist.
Die Ausgänge c und d der beiden Differentialfühler 35, 36 des
Sensorelements 12 und des Sensorelements 13 sind jeweils an
den Eingängen eines Differenzverstärkers 54 angeschlossen, so
daß bei jeder Umdrehung der mit den Feldplatten-
Differentialfühlern 35, 36 zusammenwirkenden Meßscheiben an
den Ausgängen der Differenzverstärker 54 eine Periode eines
angenäherten Sinus- bzw. Cosinussignals abgenommen werden
kann. Die Ausgänge der Differenzverstärker 54 sind mit
Analogeingängen eines Mikrocomputers 55 verbunden, dessen
beide Digitalausgänge 61, 62 über die Ausgangsleitungen 58, 59
und dem Multiplexer 51 an den Referenzsignal-
Übertragungsleitungen 18, 19 angeschlossen sind. Jeweils zwei
Analogeingänge werden wechselweise auf die beiden
Digitalausgänge 61, 62 aufgeschaltet, wobei die an den
Analogeingängen anstehenden Analogsignale einer Analog-
Digital-Wandlung unterzogen werden. Über die Referenzsignal-
Übertragungsleitungen 18, 19 gelangen somit die
Ausgangssignale des Sensorelements 12 bzw. des Sensorelements
13 digital gewandelt in die Auswerte- und Regeleinheit 15 und
können hier entsprechend erfaßt und weiterverarbeitet werden.
Die Digitalausgänge 61, 62 übernehmen gleichzeitig die
Funktion der Datenausgänge 61, 62 wie beim Mikrocomputer 50 in
Fig. 3, so daß über die Leitungen 58, 59 und den Multiplexer
51 die Speicherdaten aus dem Datenspeicher 60 auf die
Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 aufschaltbar sind.
Der Multiplexer 51 schließt wiederum in seiner anderen
Schaltstellung den Referenzsignalgeber 14 an die
Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 an. Der
Multiplexer 51 wird von dem Mikrocomputer 55 in gleicher
Weise gesteuert, wie dies zu Fig. 3 beschrieben ist. Über die
Leitungen 56, 57 ist der Mikrocomputer 55 direkt mit den
Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 verbunden und kann
somit ständig mit dem Mikrocomputer 52 kommunizieren oder von
dort einseitig Steuerbefehle empfangen.
Wie bei dem Mikrocomputer im Meßsystem der Fig. 3 ist auch
hier der Mikrocomputer 55 mit einem Datenspeicher 60 (EEPROM)
ausgerüstet, in welchem die systemspezifischen Daten
abgespeichert sind. Diese werden in gleicher Weise wie zu
Fig. 3 beschrieben nach Netz-Ein automatisch über die
Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 an die Auswerte- und
Regeleinheit 15 übertragen. Letztere weist wie in Fig. 3
den Mikrocomputer 52 auf, der über den Tri-state-Treiber 53
an den Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19
angeschlossen ist. Bei der bidirektionalen Kommunikation der
Mikrocomputer 55 und 52 stellen die Datenausgänge 61, 62
zugleich die Steuereingänge für Steuerdaten dar.
Die Wirkungsweise dieses Meßsystems ist wie folgt:
Durch den mit Netz-Ein ausgelösten Reset wird das Meßsystem
in seine Ausgangsposition zurückgesetzt. Danach steuert der
Mikrocomputer 55 den Multiplexer 51 so an, daß die mit den
digitalen Datenausgängen 61, 62 verbundenen Leitungen 58, 59 an
die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 angeschlossen
werden. Nunmehr werden nacheinander einerseits die
Speicherdaten aus dem Datenspeicher 60 kodiert ausgelesen und
über die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 zu der
Auswerte- und Regeleinheit 15 übertragen und andererseits
jeweils zwei der Analogeingänge des Mikrocomputers 55
nacheinander auf die Digitalausgänge 61, 62 aufgeschaltet,
wodurch die Ausgangssignale der Sensoren 12, 13 digital
gewandelt über die Ausgangsleitungen 56, 57 und die
Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 an die Auswerte- und
Regeleinheit 15 gelangen. Die zeitliche Reihenfolge der
verschiedenen Vorgänge ist dabei beliebig definierbar. Ist
diese Datenübertragung beendet, so steuert der Mikrocomputer
55 den Multiplexer 51 um, und dieser verbindet wieder den
Referenzsignalgeber 14 mit den Referenzsignal-
Übertragungsleitungen 18, 19. Nunmehr wird durch Einschalten
des Antriebsmotors für die Welle das Meßsystem aktiviert und
über die Signalübertragungsleitungen 20-23 werden die
Ausgangssignale des Sensors 11 der Auswerte- und Regeleinheit
15 zugeführt. Die vorstehend beschriebenen Steuervorgänge
können entweder durch eine Programmroutine im Mikrocomputer
55 zeitlich aufeinanderfolgend ausgelöst oder durch
Kommunikation zwischen den beiden Mikrocomputern 55 und 52
von letzterem durch entsprechende Steuerdaten, die über
Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 und den Leitungen
58, 59 an den Mikrocomputer 55 gelangen, einzeln aufgerufen
werden. Im übrigen stimmt das Meßsystem gemäß Fig. 4 mit dem
Meßsystem in Fig. 3 überein, so daß gleiche Bauteile mit
gleichen Bezugszeichen versehen sind.
In einer Abwandlung des Meßsystems gemäß Fig. 4 können auch
die weiteren Sensoren 12 und 13 entfallen. Dann bleiben die
Analog- und Digitalausgänge des Mikrocomputers 55 ungenutzt,
und bei der Inbetriebnahme des Meßsystems werden nur die
Speicherdaten aus dem Datenspeicher 60 kodiert ausgegeben und
über die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 an die
Auswerte- und Regeleinheit 15 übertragen.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt. So müssen die Sensorelemente
11-13 nicht auf magnetischer Basis arbeiten und als
Feldplatten-Differentialfühler ausgebildet werden. Vielmehr
sind hier beliebige optische, elektrische, optronische und
magnetische Sensorelemente einsetzbar. Auch ist die Erfindung
für die Messung anderer Meßgrößen als den Drehwinkel eines
motorisch angetriebenen Drehgliedes anwendbar, beispielsweise
auch zur linearen Wegmessung.
Des weiteren kann zu den beschriebenen Sensorelementen 12, 13
noch ein zusätzliches Sensorelement hinzugefügt werden, das
beispielsweise durch eine auf der Meßscheibe 33 angeordnete
zusätzliche Spiralnut mit größerer Steigung, die von zwei
axial angeordneten Feldplatten-Differentialfühler abgetastet
wird, realisiert wird. Die Ausbildung der Spiralnut ist dabei
so getroffen, daß während einer Umdrehung der Meßscheibe der
Sensor mehrere Perioden eines annähernden Sinus- und
Cosinussignals erzeugt, die zur Feinauflösung des
Absolutmeßwertes ausgewertet werden.
Claims (9)
1. Meßsystem zur Drehwinkelmessung eines motorisch
angetriebenen Drehgliedes, z. B. Welle, mit einem Sensor
zur inkrementalen Meßwerterfassung, mit einer
Auswerteeinheit zur Ermittlung des Drehwinkels aus den
Sensorsignalen, mit Signalübertragungsleitungen, die den
Sensor mit der Auswerteeinheit verbinden, mit einem
Referenzsignalgeber, der ein die Bezugslage bei der
Drehwinkelermittlung definierendes Referenzsignal
erzeugt, und mit Referenzsignal-Übertragungsleitungen,
die den Referenzsignalgeber mit der Auswerteeinheit
verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein
weiterer Sensor (12, 13) für eine zusätzliche
Meßwerterfassung und/oder ein Datenspeicher (60) mit
abgespeicherten systemspezifischen Daten vorgesehen ist,
daß zur Übertragung der Ausgangssignale des mindestens
einen weiteren Sensors (12, 13) und/oder der
Speicherdaten an die Auswerteeinheit (15) die Ausgänge
(c, d) von Sensor (12, 13) und/oder Datenspeicher (60)
zeitweise auf die Signalübertragungsleitungen (20-23)
oder Referenzsignal-Übertragungsleitungen (18, 19)
aufschaltbar sind und daß Steuersignale zur Steuerung
des Aufschaltvorgangs auf den Referenzsignal-
Übertragungsleitungen (18, 19) übertragen werden.
2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der weitere Sensor (12, 13) zur analogen Meßwerterfassung
innerhalb einer Umdrehung des Drehgliedes ausgebildet
ist und die Auswerteeinheit (15) aus den
Ausgangssignalen des weiteren Sensors (12, 13) den
Absolutdrehwinkel ermittelt.
3. Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei mehreren weiteren Sensoren (12, 13) der jeweils
nächste weitere Sensor (13) an dem vorhergehenden
weiteren Sensor (12) im Verhältnis i:1 untersetzt derart
angekoppelt ist, daß die Auswerteeinheit (15) aus den
Ausgangssignalen der weiteren Sensoren (13) die Anzahl
der Umdrehungen des Drehgliedes ermittelt.
4. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausgänge (c, d) der Sensoren
(11-13) mit den Eingängen eines Multiplexers (30)
verbunden sind, dessen Ausgänge an den
Signalübertragungsleitungen (20-23) liegen, und daß die
Steuereingänge des Multiplexers (30) mit einer an den
Referenzsignal-Übertragungsleitungen (18, 19)
angeschlossenen Adressiereinheit (44, 50) verbunden sind.
5. Meßsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Adressiereinheit als Adresskomparator (44) mit zwei
an den Referenzsignal-Übertragungsleitungen (18, 19)
angeschlossenen Steuereingängen (01, 01-) und zwei an den
Steuereingängen des Multiplexers (30) angeschlossenen
Adressausgängen (A0, A1) ausgebildet ist, der
entsprechend der Kombination der an seinen beiden
Steuereingänge (01, 01-) anliegenden Steuersignale eine
zugeordnete, die Schaltstellung des Multiplexers (30)
vorgebende Adresse ausgibt.
6. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Datenspeicher (60) in einen
Mikrocomputer (50; 55) integriert ist, dessen digitale
Datenausgänge (61, 62) an einem mit den Referenzsignal-
Übertragungsleitungen (18, 19) verbundenen Multiplexer
(51) angeschlossen sind und daß der Multiplexer (51)
wechselweise die Referenzsignal-Übertragungsleitungen
(18, 19) mit den Datenausgängen (61, 62) und den Ausgängen
des Referenzsignalgebers (14) verbindet.
7. Meßsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Adressiereinheit vom Mikrocomputer (50) gebildet
ist, dessen an den mit den Referenzsignal-
Übertragungsleitungen (18, 19) verbundenen Multiplexer
(51) angeschlossenen Datenausgänge (61, 62) zugleich die
Steuereingänge zum Auslesen von abgespeicherten
Steueradressen für den mit den
Signalübertragungsleitungen (20-23) verbundenen
Multiplexer (30) bilden, und daß mit den ausgelesenen
Steueradressen belegbare Adressausgänge (A0, A1) des
Mikrocomputers (50) mit den Steuereingängen dieses
Multiplexers (30) verbunden sind.
8. Meßsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Mikrocomputer (55) Analogeingänge aufweist, die über
Differenzverstärker (54) mit den Ausgängen (c, d) der
weiteren Sensoren (12, 13) verbunden sind, daß die
Analogeingänge unter Analog-/Digital-Wandlung auf die
digitalen Datenausgänge (61, 62) aufschaltbar sind und
daß der Mikrocomputer (55) über Leitungen (56, 57)
ständig an den Referenzsignal-Übertragungsleitungen
(18, 19) zum Empfang von Steuerbefehle für das Auslesen
der Speicherdaten und Aufschalten der Analogeingänge
angeschlossen ist.
9. Meßsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der mit den Referenzsignal-
Übertragungsleitungen (18, 19) verbundene Multiplexer
(51) von dem Mikrocomputer (50; 55) derart gesteuert ist,
daß dieser nach Reset am Mikrocomputer (50; 55) die
Referenzsignal-Übertragungsleitungen (18, 19) zunächst
mit den Datenausgängen bzw. Steuereingänge (61, 62) des
Mikrocomputers (50; 55) und nach Abschluß der Übertragung
der Speicherdaten aus dem Datenspeicher (60) und/oder
der Ausgangssignale der weiteren Sensoren (12, 13) zu der
Auswerteeinheit (15) dann mit dem Referenzsignalgeber
(14) verbindet.
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