PL158082B1 - System for making measurements of angular position and rpm - Google Patents

Abstract

Unit for measuring angular position and rotating speed, particularly the rotor of a miniature stepping motor, consisting of a system of mirrors embedded in the shaft of the rotor reflecting light beams at an angle of 90 degrees and containing an immobile impulse-rotating converter located in the plane of the mirrors, in the axis of the rotor, with which the converter is coupled by means of photo-detectors connected to a system measuring electric impulses, in particular, the converter (4) has a surface with a rotational symmetry from the inside reflecting light, on which is attached a scale, whereby on the axis (8) of the shaft (7) is located together with the light generator (1) and optical system (2, 3) of the light beam, reflected from the surface of the inside of the converter (4).<IMAGE>

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru położenia kątowego i prędkości obrotowej, zwłaszcza miniaturowego silnika skokowego.The subject of the invention is a system for measuring the angular position and rotational speed, especially a miniature stepper motor.

Znany jest układ do pomiaru położenia kątowego wirnika silnika skokowego według artykułu Fotooptisches Drehwinkeimessgerat zur messtechnischen Erfassung des dynamischen Verhaltens von Schrittmotoren fur Ouarzuhren W.Scheuble, R.Schmid, UT 1979, nr 2, str. 5-8 (RFN), w którym źródło światła umieszczone jest w osi obrotu wirnika. Promień światła pada na zwierciadło osadzone na wałku pod kątem 45°. Promień ten po odbiciu od zwierciadła biegnie prostopadle do osi obrotu wałka i pada na jedną z par światłowodów,które rozmieszczone są na obwodzie koła współosiowego z wirnikiem. Jeden ze światłowodów każdej pary połączony jest do jednego wspólnego fotodetektora, do drugiego zaś fotodetektora połączony jest drugi światłowód. Zastosowanie drugiego światłowodu w każdym punkcie pomiarowym pozwala na rozpoznanie kierunku obrotu wirnika.A system for measuring the angular position of a stepper motor rotor is known according to the article Fotooptisches Drehwinkeimessgerat zur messtechnischen Erfassung des dynamischen Verhaltens von Schrittmotoren fur Ouarzuhren W. Scheuble, R. Schmid, UT 1979, No. 2, pp. 5-8 (RFN), in which the source the light is placed in the axis of rotation of the rotor. The light beam falls on the mirror mounted on the shaft at an angle of 45 °. This ray, reflected from the mirror, runs perpendicular to the axis of rotation of the shaft and falls on one of the pairs of optical fibers, which are arranged on the circumference of the wheel coaxial with the rotor. One of the optical fibers of each pair is connected to one common photodetector, and the other optical fiber is connected to the other photodetector. The use of a second optical fiber at each measuring point makes it possible to recognize the direction of rotation of the rotor.

Znany jest także układ do pomiaru prędkości kątowej według zgłoszenia patentowego RFN nr 3 422 365, który zawiera tarczę z otworami. Źródło światła umieszczone jest mimośrodowo względem osi obrotu tarczy. Podczas obrotu tarcza przepuszcza poprzez otwory promienie świetlne, które po odbiciu od reflektora wracają i po przejściu przez układ optyczny, zawierający lustro półprzepuszczalne padają na fotodetektor. Liczba zliczonych impulsów w jednostce jest miarą prędkości obrotowej.Also known is an angular velocity measuring system according to German Patent Application No. 3,422,365 which comprises a disk with holes. The light source is placed eccentric to the axis of rotation of the disc. During rotation, the target transmits light rays through the holes, which, after being reflected from the reflector, return and after passing through the optical system containing a semi-transparent mirror, fall on the photodetector. The number of counted pulses in a unit is a measure of rotational speed.

158 082158 082

Znane jest rozwiązanie opisane w patencie radzieckim SU 1 216 727 A, w którym źródło światła, płytka światłodzieląca i układ optyczny fotodetektora znajdują się w osi obracającego się wałka. Z wałkiem związany jest elektrycznie układ bezwładnościowy ze zwierciadłem obwodowym. Na osi wałka pod kątem 45° umocowane jest zwierciadło centralne. Zmiany prędkości obrotowej wałka powodują przesuwanie się zwierciadła obwodowego w stosunku do zwierciadła centralnego, wskutek czego promień światła na fotodetektorze przemieszcza się po okręgu zmień nym promieniu. Zainstalowana przesłona powoduje zmniejszenie strumienia świetlnego zgodnie z wahaniami prędkości obrotowej wałka. W przypadku stałej prędkości wskazanie urządzenia jest takie samo niezależnie od prędkości obrotowej. Urządzenie nie ma zastosowania do pomiaru prędkości obrotowej ani przemieszczenia kątowego.The solution described in the Soviet patent SU 1 216 727 A is known, in which the light source, the light dividing plate and the photodetector optics are located on the axis of a rotating roller. An inertial system with a peripheral mirror is electrically connected to the shaft. A central mirror is mounted on the shaft axis at an angle of 45 °. The changes in the rotational speed of the roller cause the peripheral mirror to shift in relation to the central mirror, as a result of which the light beam on the photodetector moves along a circle of varying radius. The installed diaphragm reduces the luminous flux in line with fluctuations in the rotational speed of the shaft. With a constant speed, the device display is the same regardless of the speed. The device is not suitable for measuring rotational speed or angular displacement.

Znane układy, zwłaszcza z przetwornikami osadzonymi na wale silnika znacznie obciążają silnik dużym momentem bezwładności lub charakteryzują się małą rozdzielczością. Układ ze światłowodami mniej obciążający silnik mimo dużej stosunkowo średnicy obwodu ze światłowodami pozwala na zainstalowanie maksymalnie 180 par światłowodów co odpowiada tej samej liczbie punktów pomiarowych. Znane układy charakteryzują się więc małą przydatnością zwłaszcza przy sprzęcie miniaturowym, do dokładnych pomiarów w mikrosilnikach.Known systems, especially those with transducers mounted on the motor shaft, significantly load the motor with a large moment of inertia or are characterized by low resolution. The system with optical fibers, which is less stressful for the motor, despite the relatively large diameter of the circuit with optical fibers, allows the installation of a maximum of 180 pairs of optical fibers, which corresponds to the same number of measurement points. The known systems are therefore of little use, especially in the case of miniature equipment, for precise measurements in micromotors.

W układzie według wynalazku - pierwszej odmiany - przetwornik obrotowo-impulsowy ma powierzchnię o symetrii obrotowej, która od strony wewnętrznej odbija światło i naniesione są na niej znaczniki. Oś optyczna układu optycznego promienia świetlnego,odbitego od powierzchni wewnętrznej przetwornika pokrywa się z osią wirnika. Przetwornik ma postać cylindra z folii posrebrzanej z naciętymi rysami jako znacznikami. Przetwornik może byó też utworzony przez pryzmat stożkowy, nad którym zamocowana jest tarcza inkrementalna na światło przechodzące.In the system according to the invention - the first variant - the rotational-impulse converter has a rotational symmetry surface which reflects light from the inside and marks are applied thereon. The optical axis of the optical system of the light ray reflected from the internal surface of the transducer coincides with the rotor axis. The transducer is a silver-plated cylinder with cut scratches as markers. The transducer can also be formed by a conical prism over which an incremental disk for transmitted light is mounted.

W drugiej odmianie wynalazku przetwornik obrotowo-impulsowy ma powierzchnię o symetrii obrotowej przepuszczającą promienie świetlne. Na zewnątrz powierzchni zainstalowane jest liniowe źródło światła o symetrii obrotowej. Na tej powierzchni naniesione są znaczniki. Układ optyczny promienia świetlnego przetwornika obrotowo-impulsowego usytuowany jest w osi wirnika. Przetwornik obrotowo-impulsowy może byó też utworzony przez pryzmat stożkowy, nad którym zamocowana jest tarcza inkrementalna na światło przechodzące.In a second variant of the invention, the rotary-pulse converter has a rotational symmetry surface which transmits the light rays. A linear light source with rotational symmetry is installed outside the surface. Markers are applied to this surface. The optical system of the light beam of the rotary-pulse converter is located in the rotor axis. The rotational-pulse transducer can also be formed by a conical prism over which an incremental disk for transmitted light is mounted.

Układ według wynalazku zapewnia bardzo wysoką dokładność dzięki zastosowaniu znaczników o bardzo małych wymiarach i prawie nie obciąża wirnika, co pozwala na uzyskanie bardzo dużych szybkości pomiaru, nie zakłócanego dodatkowymi momentami bezwładności i tarcia lub zakłóconego w stopniu znacznie mniejszym niż dotychczas.The system according to the invention provides a very high accuracy due to the use of very small markers and hardly loads the rotor, which allows to obtain very high measurement speeds, not disturbed by additional moments of inertia and friction or disturbed to a much lesser extent than before.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig.l przedstawia schematycznie układ do pomiaru położenia kątowego i prędkości obrotowej z układem optycznym zawierającym płytkę światłodzielącą, fig.2 - przedstawia schematycznie układ do pomiaru położenia kątowego i prędkości obrotowej z fotodetektorem usytuowanym w osi wirnika badanego silnika, a fig.3 - układ do pomiaru położenia kątowego i prędkości obrotowej z tarczą inkrementalną.The subject of the invention is presented on an exemplary embodiment in the drawing, in which Fig. 1 schematically shows the system for measuring the angular position and rotational speed with an optical system including an imaging plate, Fig. 2 - schematically shows the system for measuring the angular position and rotational speed with a photodetector arranged in axis of the rotor of the tested engine, and Fig. 3 - a system for measuring the angular position and rotational speed with an incremental disk.

Układ do pomiaru położenia kątowego i prędkości obrotowej ma na wałku wirnika 7 badanego silnika zainstalowany układ zwierciadeł 3 w postaci pryzmatu pentagonalnego usytuowanego w osi tego wirnika. Na wysokości tego pryzmatu pentagonalnego usytuowany jest współosiowo prze twornik 4 z wewnętrzną powierzchnię zwierciadlaną, na której naniesione są znaczniki kąta w postaci kres równoległych do tworzącej walca. Dalej w osi optycznej usytuowana jest pod kątem 45° do tej osi płytka światłodzieląca 2, a za nią źródło światła 1. Na torze prostopadłym do osi układu, za płytką światłodzielącą 2 usytuowany jest fotodetektor 6 połączony z elektronicznym układem pomiarowym 9.The system for measuring the angular position and rotational speed has, on the rotor shaft 7 of the tested motor, a system of mirrors 3 in the form of a pentagonal prism situated in the axis of the rotor. At the height of this pentagonal prism, a transducer 4 is coaxially located with an inner mirror surface on which angle marks are applied in the form of lines parallel to the cylinder's generatrix. Further, in the optical axis, the light-dividing plate 2 is located at an angle of 45 ° to this axis, and behind it the light source 1. On the path perpendicular to the axis of the system, behind the light-dividing plate 2, there is a photodetector 6 connected to the measuring electronic system 9.

Promień ze źródła światła 1 po przejściu przez płytkę światłodzielącą 2 pada na pryzmat pentagonalny 3 obracający się wraz z wirnikiem 7 badanego silnika. Po odbiciu od tego pryzmatu pentagonalnego pod kątem 90° do osi 8 układu pada na lustrzaną powierzchnię walcową przetwornika 4. Po odbiciu trafia na wirujący pryzmat pentagonalny 3, a po odbiciu od pryzmatu, biegnąc po osi 8 układu trafia na płytkę światłodzielącą 2, od której odbija się pod k^ątem ⁹⁰° i ^tra^fia na fotodetektor ⁶.The ray from the light source 1, after passing through the light-dividing plate 2, falls on the pentagonal prism 3 rotating with the rotor 7 of the tested engine. After reflecting from this pentagonal prism at an angle of 90 ° to axis 8 of the system, it hits the mirror cylindrical surface of the transducer 4. After reflection, it hits the rotating pentagonal prism 3, and after reflecting from the prism, running along axis 8 of the system, it hits the light-splitting plate 2, from which reflects the ^Dukes em k ⁹⁰ and r ^{t fi} and at the photodetector ^6.

W trakcie obrotu wirnika 7 promień światła omiata powierzchnię lustrzaną przetwornika 4 1 po odbiciu od kolejnych pól między znacznikami 5 wraca impulsowo do pryzmatu pentagonal4During the rotation of the rotor 7, the beam of light sweeps through the mirror surface of the transducer 4 1 after reflecting from the successive fields between the markers 5, it returns by impulse to the pentagonal prism4

153 ΰ'82 nego 3,następnie poprzez płytkę światłodzielącą 2 do fotodetektora 6. Liczba impulsów świetlnych docierających do fotodetektora 6 oraz impulsów elektrycznych otrzymanych na wyjściu fotodetektora 6 jest wprost proporcjonalna do przebytej drogi kątowej. Współpracujący z fotodetektorem 6 elektroniczny układ pomiarowy 9 zlicza i przetwarza impulsy pomiarowe pozwalając na bezpośredni odczyt kąta obrotu i prędkości obrotowej.153 × 82 ne 3, then through the splitting plate 2 to the photodetector 6. The number of light pulses reaching the photodetector 6 and the electric pulses received at the output of the photodetector 6 is directly proportional to the angular path traveled. The electronic measuring system 9 cooperating with the photodetector 6 counts and processes the measuring pulses, allowing for a direct reading of the angle of rotation and rotational speed.

Układ przedstawiony na fig.2 ma źródło światła 1 zainstalowane na zewnątrz walcowej powierzchni przetwornika 4. Promienie świetlne przechodzące przez przezroczystą powierzchnię walcową przetwornika 4 z naniesionymi znacznikami 5, padają na pryzmat pentagonalny 3. Na osi 8 układu pokrywającej się z osią wirnika 7, za pryzmatem pentagonalnym 3, usytuowany jest układ optyczny 2, za którym usytuowany jest fotodetektor 6. Liczba impulsów świetlnych docierających do fotodetektora 6 jest miarą mierzonego kąta.The system shown in Fig. 2 has a light source 1 installed outside the cylindrical surface of the transducer 4. The light rays passing through the transparent cylindrical surface of the transducer 4 with markings 5 are incident on a penta prism 3. On the axis 8 of the system coinciding with the axis of the rotor 7, a pentagonal prism 3, an optical system 2 is located, behind which a photo detector 6 is located. The number of light pulses reaching the photodetector 6 is a measure of the measured angle.

Układ przedstawiony na fig.3 różni się od układu z fig.l wykonaniem przetwornika 4. Jest on utworzony przez pryzmat stożkowy lub zwierciadło stożkowe 4b, nad którym współosiowo zainstalowana jest tarcza inkrementalna 4a. Promień świetlny po odbiciu od układu zwierciadeł w postaci pryzmatu pentagonalnego 3 pada na wewnętrzną powierzchnię zwierciadła 4b nachyloną pod kątem 45°, od osi 8 układu odbija się i kierując się w górę trafia na znaczniki tarczy 4a, skąd tą samą drogą powrotną dociera do pryzmatu pentagonalnego.The arrangement shown in Fig. 3 differs from that of Fig. 1 in the design of the transducer 4. It is formed by a conical prism or a conical mirror 4b over which the incremental disk 4a is coaxially installed. After reflection from the mirror system in the form of a pentagonal prism 3, the light ray falls on the inner surface of the mirror 4b inclined at an angle of 45 °, reflects from the axis 8 of the system and goes up to the markers of the target 4a, from where it reaches the penta prism via the same return path .

FIG. 3 FIG. 2FIG. 3 FIG. 2

FIG.1FIG.1

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.Department of Publishing of the UP RP. Circulation of 90 copies

Cena 5000 zł.Price PLN 5,000.

Claims (5)

Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Układ do pomiaru położenia kątowego i prędkości obrotowej zwłaszcza wirnika miniaturowego silnika skokowego, zawierający osadzony na wałku wirnika układ zwierciadeł odbijających promienie świetlne pod kątem 90° i zawierający nieruchomy przetwornik obrotowo-impulsowy usytuowany w płaszczyźnie układu zwierciadeł, współosiowo z tym wirnikiem,który to przetwornik sprzężony jest poprzez układ optyczny z fotodetektorem połączonym z układem zliczającym impulsy elektryczne, znamienny tym, że przetwornik /4/ ma powierzchnię o symetrii obrotowej od strony wewnętrznej odbijającej światło, na której naniesione są znaczniki /5/, zaś w osi /8/ wirnika /7/ usytuowany jest wraz ze źródłem światła /1/ układ optyczny /2,3/ promienia świetlnego, odbitego od powierzcnni wewnętrznej przetwornika /4/.A system for measuring the angular position and rotational speed, in particular of a rotor of a miniature stepper motor, comprising a mirror system mounted on the rotor shaft reflecting the light rays at an angle of 90 ° and containing a stationary rotational-impulse transducer located in the plane of the mirror system, coaxial with the rotor, which is the transducer is coupled through an optical system with a photodetector connected to the electric pulses counting system, characterized in that the transducer / 4 / has a rotational symmetry surface on the inside reflecting light, on which markers / 5 / are applied, and in the axis / 8 / of the rotor / 7 / is located together with the light source / 1 / optical system / 2,3 / of the light ray reflected from the inner surface of the converter / 4 /. 2. Układ według zastrz.l, znamienny tym, że przetwornik /4/ ma postać cylindra z folii posrebrzanej, z naciętymi rysami jako znaczniki.The system according to claim 1, characterized in that the transducer / 4 / is in the form of a silver-plated foil cylinder with incised scratches as markers. 3. Układ według zastrz.l, znamienny tym, że przetwornik /4/ jest utworzony przez pryzmat stożkowy /4b/ nad którym zamocowana jest tarcza inkrementalna /4a/ na światło przechodzące .The system according to claim 1, characterized in that the transducer / 4 / is formed by a conical prism / 4b / over which an incremental disk / 4a / for transmitted light is mounted. 4. Układ do pomiaru położenia kątowego i prędkości obrotowej, zwłaszcza wirnika miniaturowego silnika skokowego, zawierający osadzony na wałku wirnika układ zwierciadeł odbijających promienie świetlne pod kątem 90° i zawierający nieruchomy przetwornik obrotowo-impulsowy usytuowany na poziomie układu zwierciadeł, współosiowo z tym wirnikiem, który to przetwornik sprzężony jest poprzez układ optyczny z fotodetektorem połączonym z układem zliczającym impulsy elektryczne, znamienny tym, że ten przetwornik /4/ ma powierzchnię o symetrii obrotowej, przepuszczającej promienie świetlne, na wewnątrz której zainstalowane jest liniowe źródło światła o symetrii obrotowej i na której to powierzchni naniesione są znaczniki /5/ zaś w osi /8/ wirnika /7/ usytuowany jest układ optyczny /2,3/ promienia świetlnego z przetwornika /4/.4.A system for measuring the angular position and rotational speed, in particular the rotor of a miniature stepper motor, including a mirror system mounted on the rotor shaft reflecting the light rays at an angle of 90 ° and containing a stationary rotational-pulse transducer located at the level of the mirror system, coaxial with the rotor, which the transducer is coupled through an optical system with a photodetector connected to the electric pulses counting system, characterized in that the transducer / 4 / has a rotational symmetry surface transmitting light rays, inside which a linear light source with rotational symmetry is installed and on which on the surface there are markers / 5 / and along the axis / 8 / rotor / 7 / there is an optical system / 2,3 / of the light ray from the converter / 4 /. 5. Układ według zastrz.4, znamienny tym, że przetwornik /4/jest utworzony przez pryzmat stożkowy /4b/, nad którym zamocowana jest tarcza inkrementalna /4a/ na światło przechodzące .The system according to claim 4, characterized in that the transducer / 4 / is formed by a conical prism / 4b / over which an incremental disk / 4a / for transmitted light is mounted. ******