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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
Bestimmung der Winkelposition zweier koaxialer, sich relativ
zueinander drehender Teile, mit variablem magnetischem
Widerstand. Sie bezieht sich ebenfalls auf eine
Anwendungsvorrichtung, welche mit mehreren Sensoren,
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 versehen ist.
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Insbesondere in der Robotertechnik ist es notwendig, über
Geräte zu verfügen, welche in der Lage sind, Winkelpositionen
sehr genau zu messen, und zwar zur Präzisionsbestimmung des
Arbeitswinkels der Gelenke der Roboterarme. In gewissem Maße
ist dieses Problem gelöst dank einer Reihe von Vorrichtungen,
welche miteinander gekoppelt sind oder durch
Winkelmultiplikatoren verlängert sind (insbesondere Getriebe),
so daß es möglich ist, kreisförmige Bewegungen mit großer
Genauigkeit in kleine Schritte aufzulösen.
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Die Veröffentlichung US-A 3 032 730 betrifft einen
Drehtransformator, der den Durchgang eines elektrischen Signals
in einer einen ferromagnetischen Aufbau umgebenden Wicklung
ermöglicht, unter dem Einfluß eines magnetischen Flusses,
welcher von einem sich bewegenden magnetischen Kreis erzeugt
wird.
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Das Wechselsignal im elektrischen Kreis hängt eng vom
magnetischen Fluß ab und kann diesen daher charakterisieren.
Als Funktionen dieser Charakteristiken ermöglichen es Sensoren,
die Relativposition der beiden den magnetischen Kreis bildenden
Teile zu erhalten.
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Die Geräte, welche dieses Phänomen umsetzen und die zur
Bestimmung der Winkelposition eingesetzt werden, weisen einen
Rotor und einen Stator auf, welche mit Zähnen versehen sind,
die durch einen Spalt voneinander getrennt sind. Die Benennung
des Stators und des Rotors ist jedoch wenig eindeutig für diese
Anwendung von Winkelpositionssensoren, da diese beiden
Benennungen sowohl auf den Induktor als auch auf den Läufer
zutreffen, d.h., sowohl auf das innere als auch auf das äußere
Bauteil oder auch auf zwei parallel beidseits eines ebenen
Spaltes angeordnete Teile. Diese Bemerkung betrifft auch die
Erfindung.
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Die Winkelposition der Sensoren, welche bisher entwickelt
wurden, und die in der Lage sind, Messungen mit großer
Präzision durchzuführen, lassen sich in zwei Typen einteilen,
von denen in den Figuren 1 und 2 Beispiele dargestellt sind.
Gemäß dem ersten dieser Beispiele ist das Teil, welches keine
Wicklung trägt, mit M Mustern versehen (Vertiefungen oder
Erhöhungen), welche regelmäßig entlang seines Umfangs verteilt
sind, während das induzierende Teil nxM kleinere Muster trägt,
wobei jede Gruppe von n Mustern von einer Wicklung umgeben ist,
die mit einem Wechselstrom gespeist wird, dessen Phase sich um
2 π/n von derjenigen unterscheidet, welche die benachbarten
Wicklungen speist, mit Ausnahme der zweiphasigen Wicklung für
die vier M Muster notwendig sind.
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Der Sensor weist also sich wiederholende Muster auf, die um 2 π
/M Radian zueinander verschoben sind; man kann sagen, daß der
elektrische Winkel gleich dem mechanischen Winkel ist,
multipliziert mit M.
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Sofern M erheblich ist, sind die Messungen im Prinzip genauer,
wobei man jedoch schnell an Grenzen stößt, aufgrund von
Ungenauigkeiten der Teilebearbeitung, insbesondere, wenn
mehrphasige Speiseströme fließen, welche zahlreichere Muster
auf dem mit den Wicklungen versehenen Teil erfordern.
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Ein zweiter Sensortyp ist in Fig. 2 dargestellt, entsprechend
dem Artikel "A New High Accuracy Angular Position Transducer",
PCIM, September 1985, S. 55, von I.B. Cushing, wobei M
Lagerstücke am Rotor und am Stator jeweils mit einer
quasigleichen Anzahl von Zähnen versehen sind. Die hier am Stator
angeordneten Wicklungen werden mit mehrphasigen Wechsel strömen
gespeist. Das wesentliche Kennzeichen dieses Sensors liegt
darin, daß die Lagerstücke eines der Teile keinen regelmäßigen
Abstand aufweisen, dergestalt, daß die Zähne der die Wicklungen
tragenden Lagerstücke der gleichen Phase immer in ähnlicher
Weise gegenüber den Zähnen des anderen Teils angeordnet sind.
Außerdem entspricht eine Drehung des Rotors, welcher ein
Lagerstück des Stators dahinbringt, gegenüber den Zähnen des
Rotors angeordnet zu sein, genau wie ein anderes Lagerstück des
Stators in der Ausgangsstellung einem elektrischen Winkel von
x, wobei x die Phasenverschiebung zwischen den Strömen ist,
welche die Spulen der beiden Lagerstücke des Stators speisen.
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Das Prinzip ist demzufolge das gleiche wie im vorhergehenden
Fall, wobei auch hier die Herstellungstoleranzen der Anzahl der
Muster, über die man verfügt, praktische Grenzen auferlegen.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, diese Begrenzung zu
umgehen, mittels eines Winkelpositionssensors einfacher
Herstellung, der insbesondere aus einem Rotor und einem Stator
besteht, wobei letzterer zweimal soviel Zähne aufweist wie der
Rotor, welche regelmäßig angeordnet sind; erfindungsgemäß sind
mehre derartige Sensoren parallel angeordnet und bilden eine
Anwendungsvorrichtung, mit welcher ein kleinerer Winkelschritt
erhältlich ist.
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Sie betrifft also eine Vorrichtung zur Bestimmung der
Winkelposition zweier koaxialer, sich relativ zueinander
drehender Teile gemäß den kennzeichnenden Teilen des Anspruchs
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition
ist der Verschiebewinkel zwischen den Zähnen des Rotors und den
Zähnen des Stators eines beliebigen Sensors ableitbar vom
zugehörigen Winkel bei jedem anderen Sensor durch Addition oder
Subtraktion des Quotienten aus 2 π und dem Produkt der Anzahl
der Zähne des Rotors und der Anzahl der Sensoren, oder einem
Mehrfachen dieses Quotienten, das kleiner ist als das Resultat
der Division von 2 π durch die Anteile der Zähne des Rotors,
wobei dieser Quotient oder jedes derart gebildete Vielfache
außerdem den Verschiebeunterschied zwischen den Zähnen des
Rotors und den Zähnen des Stators der beiden verwendeten
Sensoren darstellt; eine Ausnahme besteht jedoch für den Fall
zweier Sensoren, deren Verschiebung zwischen den Zähnen des
Stators und des Rotors vorzugsweise vom Quotienten π/2 oder 2π
/3 um die Anzahl der Zähne des Rotors abweicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt das
Verhältnis zwischen der Höhe der Zähne mit ungefähr
rechtwinkligem Querschnitt der Statoren und der Rotoren und dem
von ihren Enden gebildeten Kreisbogen zwischen 0,5 und 2, wobei
der zugehörige Winkel des von den Zähnen des Stators wie des
Rotors vollständig umschlossenen Kreises zwischen π/3 und π
liegt.
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Auf jeden Fall wird die Erfindung besser verstanden mit Hilfe
der Beschreibung der im folgenden aufgezählten Figuren, die in
beschreibender und nicht beschränkender Weise beigefügt sind;
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- Fig. 1 zeigt eine Axialansicht eines herkömmlichen Sensors,
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- Fig. 2 zeigt eine Asialansicht eines anderen herkömmlichen
Sensors,
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- Fig. 3 zeigt eine Axialansicht eines erfindungsgemäßen
Sensors,
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- Fig. 4 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht
einer möglichen Ausführungsform der Erfindung,
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- Fig. 5 zeigt einen Mittenschnitt durch ein anderes
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel und
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- Fig. 6 - 8 zeigen verschiedene Arten von möglichen
Signalen, die mit Widerstandsmaschinen erhalten werden.
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Fig. 1 zeigt also ein bekanntes Gerät, welches aus einem Rotor
1 besteht, der mit M Zähnen 3 versehen ist und aus einem Stator
2 besteht, welche mit 3xM-Zähnen 4 versehen ist.
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Die elektrische Speisung erfolgt durch ein Dreiphasensystem,
welches sich aus den Wicklungen 5,6 und 7 zusammensetzt.
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Jeder Zahn 3 liegt demzufolge drei Zähnen 4 gegenüber; eine
Verdrehung des Rotors 1 um einen Winkel x = 2 π /M ermöglicht
eine identische Konfiguration zu erhalten, die einem
elektrischen Winkel von 2π entspricht. Bei einer kleineren
Verdrehung des Rotors 1 ist die Relativposition des Rotors 1
und des Stators 2 verändert: die magnetischen Flüsse, welche
die Spalte: 8,9, 10 und 11 durchsetzen, sind in ihrer
Intensität verändert als Folge der Veränderung der magnetischen
Durchlässigkeit zwischen den Zähnen des Stators 2 und des
Rotors 1. Das heißt, daß die Spannung an den Anschlüssen der
Wicklungen 5,6 und 7 - unter der Annahme konstanter Intensität
- kontinuierlich variiert, während einer Umdrehung des Rotors 1
mit einer Periode entsprechend dem Winkel α . Das Gesetz
dieser Veränderung ist sehr schwierig zu formulieren aufgrund
der komplizierten Phänomene und hängt weitgehend von den
Abmessungen der Zähne 3 und 4 ab (Spalt, Höhe, Ausdehnung des
umschlossenen Kreises, relative Gestalten dieser Zähne) sowie
von der Position der Wicklungen 5 bis 7. Trotzdem ist es
möglich, praktisch sinusförmige Variationen dieser Intensität
zu erhalten als Funktion des Verdrehwinkels, was sehr
vorteilhaft ist für die Auswertung der Messungen.
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Fig. 2 zeigt ein anderes bekanntes Beispiel zum Erhalt des
elektrischen Winkels von 2 π , entsprechend einem Teilwinkel
der mechanischen Periodizität. Hierbei werden die Zähne 4 des
Rotors 2 von Lagerstücken 12 getragen, die sie in Gruppen
zusammenfassen, welche von elektrischen dreiphasigen Spannungen
gespeist werden. Man sieht bei dieser Position, daß die Zähne 4
der Lagerstücke 12, die mit B bezeichnet sind, gegenüber den
Zähnen 3 des Rotors 1 angeordnet sind, im Gegensatz zu den
Zähnen der Lagerstücke A und C. Die Winkelverschiebung der
Zähne A bezüglich der Zähne 3 ist gleich einem Drittel des
Winkels, welcher zwei aufeinanderfolgende Zähne 3 trennt, und
diejenige der Zähne C gleich zwei Drittel dieses Winkels
entsprechend einer elektrischen Phasenverschiebung von 2 π/3
zwischen diesen drei Gruppen. Sie müssen also um einem
mechanischen Winkel entsprechend dieser Verschiebung verschoben
sein, d.h., um 2 π/3M, wobei M die Anzahl der Zähne 3 ist.
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Figur 2 stellt eine konkrete Verwirklichung eines Winkelsensors
dar und ermöglicht daher eine genaue Vorstellung dessen, was
man von ihm erwarten kann, was jedoch im Gegensatz eine sehr
genaue und teuere Bearbeitung des Rotors 2 erfordert. Aus
diesem Grunde verzichten die in Fig. 3 dargestellten
erfindungsgemäßen Sensoren auf diese Ausgestaltung und weisen
einen Rotor 1 und einen Stator 2 auf, die, wie in den
vorhergehenden Fällen, mit Zähnen 3 bzw. 4 versehen sind.
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Der elektrische Strom ist demzufolge einphasig. Der Rotor weist
eine Aussparung auf und ist mit einer Keilnut 21 an seinem
Innendurchmesser versehen, während der Stator 2 zwei Keilnuten
22 und 23 auf seinem Außendurchmesser aufweist. Die in diese
Nuten einsetzbaren Keile sind mit dem Bezugszeichen 41 und 42
(Fig. 4) versehen.
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Bevor die Erfindung weiter beschrieben werden wird, sei an die
weiter oben in allgemeiner Form gegebene Beschreibung
derartiger Sensoren erinnert: der Rotor kann innerhalb oder
außerhalb des Stators angeordnet sein, oder neben ihm auf
derselben Welle, wobei der Spalt eben ist; auch die Wicklung
kann entweder am Stator oder am Rotor angeordnet sein.
Allgemein läßt sich sagen, daß die Ausdrücke "Stator" und
"Rotor" zwar zur Klarheit der folgenden Beschreibung verwendet
wurden, jedoch nicht in dem Sinne interpretiert werden sollen,
daß sie den Rahmen der Erfindung beschränken.
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Während des Verdrehens des Rotors 1 verändert sich die Form des
Spaltes 24, so daß, wie bei den oben beschriebenen Beispielen,
die Permeanz des magnetischen Kreises, der durch den Stator 1
und den Rotor 2 gebildet wird, variiert, ebenso wie der Strom,
welcher in der Spule 20 fließt.
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Mit einem Fühler nach Fig. 3 erhält man ein Resultat, dessen
Fourier-Darstellung eine Spannung liefert:
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v = (v&sub0; + vl cos θ + +vi cos i θ + ) sin X t
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Ideal wäre es, alle Werte vi außer dem Wert vl zu annulieren.
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Die differentielle Montage der beiden einphasigen Wicklungen
ermöglicht es, den Ausdruck v&sub0; zu annulieren. Der Einfluß der
Werte v&sub2;, v&sub3; etc. kann durch sorgfältige Wahl der Geometrie der
Zähne verringert werden.
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Praktisch läßt sich so eine Spannung von v = v&sub1; cos θ sin X t
erzielen, wenn die Stromintensität konstant ist, wobei deren
Auswertung einfach ist. Man kann auch, ohne den Rahmen der
Erfindung zu verlassen, ein konstantes Spannungssignal
erzielen, dessen Intensität quasi-sinusförmig variiert als
Funktion von θ.
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i = (il cos θ + ... + in cos n θ ) sin X t : die
elektronische Verarbeitung dieses Signals ist dieselbe.
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Fig. 4 zeigt zwei ähnliche Sensoren 25 und 26 vom Typ, wie er
in Fig. 3 beschrieben ist.
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Die von den Sensoren gelieferten Signale als Funktion der
Verdrehung des Rotors sind in Fig. 8 dargestellt, wobei davon
ausgegangen wird, daß diese Darstellung nicht nur periodisch,
sondern auch sinusförmig ist.
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Jedoch gibt es eine Ausnahme für den Fall, daß zwei Sensoren
verwendet werden. Die Anwendung des oben dargelegten Prinzips
führt zu einer Anordnung der Sensoren mit einem elektrischen
Winkel von π/2. Fig. 6 zeigt, daß die elektrischen Winkel φ&sub0;, φ&sub1;,
die nicht um 2 π beabstandet sind, das gleiche Signal an den
beiden Sensoren erzeugen. Die eindeutige Übereinstimmung
zwischen den Signalen und dem elektrischen Winkel ist damit
verloren. Aus diesem Grund müssen die Statoren um einen
unterschiedlichen elektrischen Winkel zueinander verschoben
sein. Der allgemeinste Wert dafür beträgt π /2, wenngleich
auch 2 π/3 möglich ist. Dadurch erhält man die in Fig. 7
dargestellten Signale.
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Fig. 5 zeigt eine Variante dieses Ausführungsbeispieles gemäß
der Erfindung, und zwar im Diametralschnitt. Allgemein läßt
sich sagen, daß die Zentrierung des Rotors 1 zum Stator 2 bei
dieser Konstruktion nicht sehr präzise sein muß, aufgrund der
Identität der Rolle aller Zähne: die Fehler der Positionierung,
der Kreisförmigkeit und der Winkelverteilung der Zähne 3 und 4
sind bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Anordnungen erheblich
unschädlicher. Es ist akzeptabel, daß die Zentrierung durch
nicht dargestellte Kugellager erfolgt, die auf der Welle 27 und
der Hülle 40 angeordnet sind; die Anordnung zur Bestimmung der
Winkelposition beschränkt sich im wesentlichen auf die Sensoren
25 und 26 und ist demzufolge leichtgewichtig.
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Der erfindungsgemäße Sensor ist unempfindlich gegen eine
Axialverschiebung, da er prinzipiell den Unterschied der
magnetischen Widerstände der beiden Wicklungen verwendet, und
diese magnetischen Widerstände sich im gleichen Verhältnis wie
die Axialverschiebung ändern.
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Es ist auch möglich, die Anordnung zur Bestimmung der
Winkelposition in geringfügig unterschiedlicher Art aufzubauen,
die hier nicht dargestellt ist, indem jedem Sensor 25, 26 eine
weitere, einphasige Wicklung um die Zähne 3 des Rotors 1 oder
51 zugeordnet wird: eine der Wicklungen wird dabei verwendet
zur elektrischen Versorgung (notwendigerweise diejenige des
Rotors 51, bei den Anwendungen, bei denen ein einziger Rotor
verwendet wird, wie es in Fig. 5 dargestellt ist), während die
andere Wicklung eines jeden Sensors 25, 26 zur Aufnahme der
induzierten elektrischen Signale dient.
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Schließlich läßt sich auch ein einzelner Sensor 25 isoliert
verwenden, z.B. derjenige von Fig. 3: die Spannung an den
Anschlüssen der Wicklung 20 und die Intensität des Signals,
welche sie durchfließt, können mittels eines
Sekundärschaltkreises verglichen werden, der sich z.B. aus
einem festen Widerstand zusammensetzt, die eine Intensität der
Spannung an den Anschlüssen der Wicklung 20 entsprechen läßt.
Der Vergleich gilt also für die Intensität des Signals in der
Wicklung 20 und die Intensität des Signals im
Sekundärschaltkreis.
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Der Nachteil der Verwendung eines isolierten Sensors 25 liegt
darin, daß die Messungen nur für einen elektrischen Winkel von π
durchgeführt werden können, da Unbestimmtheiten auftreten, wenn
bei größeren Intervallen gemessen werden soll. Auch ist die
erhaltene Präzision für einen einzigen Sensor 25 erheblich
schlechter.
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Bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen erfolgt die
elektronische Auswertung der erhaltenen Signale mittels an sich
bekannter Schaltkreise, wie sie z.B. in dem Werk "Synchro
Conversion Handbook", ILC Data Device Corporation, 1982,
beschrieben sind.
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Der Winkelpositionssensor 25 weist mehrere Vorteile auf. Seine
Form ist sehr einfach und erfordert keine komplizierte
Herstellung. Außerdem ermöglicht die Wahl einer einphasigen
Wicklung eine Begrenzung der Konsequenzen einer schlechten
Koaxialität der Achsen der Teile 27,40, welche den Rotor 1 und
den Stator 2 tragen oder Fertigungsungenauigkeiten der Zähne 3
und 4: dadurch erzeugte Fehler werden über den gesamten Spalt
24 augemittelt und damit weitgehend abgeschwächt.
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Zusätzliche Vorteile werden erhalten durch den Einsatz einer
Anordnung zur Winkelbestimmung, die aus mehreren derartiger
Sensoren 25 besteht: dadurch ist es möglich, feiner unterteilte
Winkelschritte zu erhalten, wobei andererseits die Verwendung
eines einzigen herausragenden Rotors 51 die Konsequenzen einer
schlechten axialen Positionierung der Tragteile 27 und 40
begrenzt wird. Die Anzahl der Sensoren 25, welche parallel
eingesetzt werden können, ist theoretisch unbegrenzt; da jedoch
die Regelung durch die Teile 41 und 42 sehr präzise ist, ist
die Anzahl in der Praxis sicherlich begrenzt. Dank der
vorliegenden Erfindung ist es also möglich, sehr präzise
Messungen von Winkelpositionen zu erhalten, wie sie
insbesondere in der Robotertechnik erforderlich sind.