DE1623819C - Verfahren zur Bestimmung der Winkel stellung einer Welle und Vornchtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Winkelstellung einer Welle und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es sind bereits Verfahren zur elektrischen Bestimmung der Winkelstellung einer Welle bekannt, bei denen ein unter der Bezeichnung »Resolver« bekannter drehbarer Transformator verwendet wird, dessen elektromagnetische Kopplung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen veränderbar ist.

Ein derartiger Resolver besitzt einen zwei Wicklungen aufv/eisenden Stator und einen zwei Wicklungen aufweisenden Rotor. Die Wicklungen des Stators und des Rotors bilden η Paare von Polen, wobei die Zahl η gleich oder größer als 1 ist. Die Wicklungen sind derart angeordnet, daß die Pole der ersten Wicklung so aufeinanderfolgen, daß in gleichmäßigen Abständen sich abwechselnde Nord- und Südpole entstehen; die Pole der zweiten Wicklung liegen bei gleichem Wechsel zwischen den Polen der ersten Wicklung in gleichen Abständen von ihnen.

Der Rotor des Resolvers ist starr mit der Welle verbunden, deren Winkelstellung zu bestimmen ist. Bei den bisher bekannten Verfahren werden einerseits an die Klemmen der beiden Primärwicklungen zwei Sinusspannungen von gleicher Frequenz und gleicher Amplitude angelegt mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 90°, und andererseits wird die Phasenverschiebung zwischen der Spannung an den Klemmen der ersten Primärwicklung des Stators und der Spannung an den Klemmen der ersten Sekundärwicklung des Rotors gemessen.

Diese Phasenverschiebung wird als Hauptphasenverschiebung bezeichnet und gestattet, die Winkelstellung des Rotors bis auf Winkelsektoren von 360°/n genau zu bestimmen. Bei einem bipolaren Resolver ist η is gleich der Zahl 1, und die Winkelstellung des Rotors kann nur auf 360° genau bestimmt werden. Außerdem ist die Bestimmung der Winkelstellung des Rotors mit einem systematischen Fehler behaftet, der einerseits durch die Ungenauigkeiten der Speisung der Primärwicklungen und andererseits durch mechanische und elektrische, dem Resolver anhaftende Fehler bedingt ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Fehler und Ungenauigkeiten zu vermeiden und die Genauigkeit der Bestimmung der Winkelstellung des Rotors zu verbessern. Die Erfindung macht von der Tatsache Gebrauch, daß die zweite Wicklung des Rotors nicht benutzt wird und die Messung einer berichtigenden Phasenverschiebung gestattet, die zwischen der Spannung an den Klemmen der zweiten Sekundärwicklung des Rotors und der Spannung an den Klemmen einer der anderen Wicklungen des Resolvers abgenommen wird.

Demzufolge geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Bestimmung der Winkelstellung einer Welle mitiels eines Resolvers, dessen Rotor mit der Welle drehfest verbunden ist, wobei die beiden Wicklungen des Stators und die beiden Wicklungen des Rotors /i Polpaare, wobei η gleich oder größer als 1 ist, bilden und so angeordnet sind, daß die Pole der ersten Wicklung so aufeinanderfolgen, daß in gleichmäßigen Abständen sich abwechselnde Nord- und Südpole entstehen und daß die Pole der zweiten Wicklung bei gleichem Wechsel zwischen den Polen der ersten Wicklung in gleichen Abständen von ihnen liegen, wobei einerseits an die Klemmen der beiden Primärwicklungen zwei Sinusspannungen von gleicher Frequenz und gleicher Amplitude angelegt werden, die gegeneinander eine Phasenverschiebung von 90° haben, und andererseits die sogenannte »Hauptphasenverschiebung« zwisehen der Spannung an den Klemmen der ersten Primärwicklung und der Spannung an den Klemmen der ersten Sekundärwicklung gemessen wird.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß der Hauptphasenverschiebung algebraisch eine zwischen der Spannung an den Klemmen der zweiten Sekundärwicklung und der Spannung an den Klemmen einer der anderen Wicklungen des Resolvers abgenommene berichtigende Phasenverschiebung hinzugefügt wird.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die berichtigende Phasenverschiebung zwischen der Spannung an den Klemmen der zweiten Sekundärwicklung und der Spannung an den Klemmen der zweiten Primärwicklung abgenommen wird.

Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß die berichtigende Phasenverschiebung zwischen der Spannung an den Klemmen der zweiten Sekundärwicklung und der Spannung an den Klemmen der ersten Primärwicklung abgenommen wird.

Weiteres Ausgestaltungsmerkmal des Verfahrens besteht darin, daß die Hälfte der berichtigenden Phasenverschiebung zwischen der Spannung an den Klemmen der zweiten Sekundärwicklung und der Spannung an den Klemmen der ersten Sekundärw.cklung abgenommen wird. , „ ■

Weiter ist für das Verfahren wesentlich, daß ein digitales Kodiersystem benutzt wird, um der Hauptphasenverschiebung algebraisch die berichtigende Phasenverschiebung hinzuzufügen, wöbe, d.e beiden an den Klemmen des Resolvers abgenommenen Spannungen mit der Frequenz zunächst in Komparator™ in Rechteckspannungen umgewandelt und dann an Tore angelegt werden, welche durch die (ansteigenden oder abfallenden) Flanken der ersten Rechteckspannung geöffnet und durch die (ansteigenden oder abfallenden) Flanken der zweiten Rechteckspannung geschlossen werden, worauf die so erhaltenen »Rechteckphasenverschiebungsspannungen« in< einem Mischer mit Impulsen der Frequenz aufgefüllt werden die durch ein Zählregister laufen, wobei e.ne Zahl dieser Impulse einer Phasenverschiebung von {m ■ / h 1 · W

entspricht. _ ,. ,·

Schließlich ist noch von Bedeutung, daß die an d.e Klemmen der beiden Primärwicklungen des Resolvers anzulegenden Spannungen mit der Frequenz: / ausgehend von einem mit der Frequenz F arbeitenden Hochfrequenzoszillator, erzeugt werden, wobei diese Frequenz F in einer Teilungskette vorzugsweise um Potenzen von Zwei oder Zehn herabgesetzt wird, so daß eine Rechteckspannung mit der Frequenz 2/entsteht die an einen Phasenschieber fur Rechteckspannungen angelegt wird, der zwei Rechteckspannungen mit der Frequenz /liefert, die nach Filterung in Filtern zwei Sinusspannungen mit der Frequenz/ werden, die gegeneinander eine Phasenverschiebung von 90

Die der Durchführung des Verfahrens dienende Vorrichtung ist gekennzeichnet durch Komparatoreru die an die Klemmen der Wicklungen des Resolvers angeschlossen sind, durch an die Komparator angeschlossene elektronische Tore, die durch die ansteigenden oder abfallenden Flanken der ersten Rechteckspannung geöffnet und durch die ansteigenden oder abfallenden Flanken der zweiten Rechteckspannung geschlossen werden, durch einen an die Torschaltung angeschlossenen Mischer und durch ein an den Mischer angeschlossenes Zählregister.

Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, daß ein an das Zählregister angeschlossenes Pufferregister vorgesehen ist.

Schließlich kennzeichnet sich em weiteres Merkmal der Vorrichtung noch durch einen Hochfrequenzoszillator mit der Frequenz F, durch eine an diesen Oszillator angeschlossene Teilungskette durch einen an die Teilungskette angeschlossenen Phasenschieber für Rechteckspannungen und durch zwei dem Phasenschieber für Rechteckspannungen parallelgeschaltete

Oie Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

F i g 1 zeigt die mathematischen Beziehungen fui den Fall eines zweipoligen zweiphasigen Resolvers

Fig 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung, wobei die Messung in digitaler Forir kodiert ist;

F i g. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der in dem Kodiersystem dieser Vorrichtung erzeugten Rechteckspannungen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, die Winkelstellung einer drehbaren Welle 1 zu bestimmen, welche eine ganze Reihe von verschiedenen Winkelstellungen einnehmen kann. Hierfür wird in an sich bekannter Weise ein Resolver mit einem Stator und einem Rotor benutzt, weiche zweiphasig und mehrpolig oder zweipolig sind, wobei der Resolver auf be- ίο liebige geeignete Weise ausgebildet sein kann, z. B. wie in l· i g. 2 dargestellt.

Dieser Resolver besitzt einen Stator 2. welcher die Aufgabe eines Be/ugssystems für die vorzunehmende Winkelmessung erfüllt, und einen mit der Welle 1 verbundenen Rotor 3.

Der Stator 2 und der Rotor 3 besitzen je zwei Wicklungen, wobei jede Wicklung η Polnaare bildet (wobei » eine ganze Zahl ist, welche größer als eins oder gleich eins ist). Auf dem Umfang des Stators sowie auf dem des Rotors folgen die Pole der ersten Wicklung so aufeinander, daß sie abwechselnd in gleichmäßigen Abständen Nord- und Südpole bilden, wobei die Pole der zweiten Wicklung mit dem gleichen Wechsel in der Mitte der die ersten Pole verbindenden »5 Umfangsbögen angeordnet sind.

In einem üblichen zweiphasigen Resolver mit zweipoligem Stator und Rotor (wobei /1 gleich eins ist), bilden die Wicklungen des Stators und die des Rotors zwei Spulen, deren Achsen rechtwinklig zueinander zu geben, soll dieser für den Fall eines zweiphasigen zweipoligen Resolvers (w gleich eins) unter Bezugnahme auf Fig. ] berechnet werden. Der Stator besitzt zwei je zwei Pole bildende Wicklungen S₁-S₂ und S₃-St, wobei die beiden Polachsen aufeinander senkrecht stehen und mit einem System von zueinander rechtwinkligen Achsen zusammenfallen. Der Rotor besitzt zwei je zwei Pole bildende Wicklungen /?,-/?₂ und R3-R4, wobei die beiden Polachsen miteinander einen rechten Winkel bilden und die Achse /?,-/?₂ mit der (mit O-.v zusammenfallenden) Achse Sj-S₁₁ einen die Stellung des Rotors gegenüber dem Stator deiinierenden Winkel Q bildet. An die Wicklungen S₁-S₂ und S₁-S₄ werden nun folgende Sinusspannungen angelegt:

^o . WtA, -rf α

Der Resolver bildet so einen Transformator, dessen

Primärwicklung entweder der Stator oder der Rotor sein kann. Bei dem nachstehenden Beispiel ist der Stator 2 als Primärwicklung gewählt, so daß dann der Rotor 3 die Sekundärwicklung ist.

Bei den bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art erfolgte die Bestimmung der Winkelstellung der Welle 1 dadurch, daß an die beiden Wicklungen S₁-S₁ und S₃-S₄ des Stators zwei Sinusspannungen gleicher Fiequenz und Amplitude angelegt wurden, welche jedoch um 90" gegeneinander phasenverschoben sind, wobei die Messung der Hauptphasenverschiebung zwischen der Sinusspannung an den Klemmen einer Statorwicklung, z. B. S₁-S₂, und einer Rotorwicklung. z. B. K₁-A₂, erfolgte. Diese Hauplphasenverschiebung wurde bis auf eine additive Konstante genau (oder was auf das gleiche hinausläuft, mit einer entsprechenden Wahl des Winkelnullpunkts) dem «-fachen des die Stellung des Rotors 3 definierenden Winkels gleich- so gesetzt. Die Messung dieser Hauptphasenverschiebung wurde vorzugsweise dadurch vorgenommen, daß die Zeit zwischen den Nulldurchgängen der Sinusspannungen an den Klemmen von S₁-St und RfR₂ m digitaler Form kodiert wurde, d. h. gezählt wurde. Die andere Rotorwicklung, R₃-R,, wurde für diese Messung nicht benutzt.

Dieses Verfahren liefert zwar eine Angabe über die Stellung des Rotors 3, diese ist jedoch mit einem systematischen Fehler behaftet, welcher einerseits von UnvoHkommenheiten der Speisung der Statorwicklungen (mit Spannungen, welche nicht genau die gleiche Amplitude haben und nicht genau um 90° gegeneinander phasenverschoben sind) und andererseits von UnvoHkommenheiten des Resolvers (Geo- metrie der Stator- und Rotorwicklungen, Exzentrizität des Rotors usw.) herrührt.

Um einen Begriff von diesem systematischen Fehler

und ν (Λ.,-ύ

-- α COS OtI

= b sin Unt \- »>),

weiche die Amplituden α und b und die K-reisfrequenzw haben. Die Zeil ist durch t dargestellt. Die Unvollkommenheiten dieser Speisung rühren davon her, daß α und b etwas verschieden sind und daß die Spannung V (S₃-S_t) gegenüber der Spannung V(S₁-S*) um einen Winkel (π/2 I- ψ) Radiant anstatt um π/2 phasenverschoben ist, wobei φ ein gegenüber einem Radiant kleiner Winkel ist. Unter Berücksichtigung der Unvollkommenheiten des Resolvers verlaufen die Vorgänge für den Rotor so, als ob die an die Wicklungen S₁-S₂ und S₃-S, angelegten Spannungen die Werte hätten

U(S-S) — α cos eof
und U(S_rSJ =■ a(l-e)an(mt-\ ψ),

wo e eine Zahl ist, deren Absolutwert klein gegenüber eins ist.

Der Rotor ist einem magnetischen Drehfeld ausgesetzt. Dieses Feld hat die Richtung des Winkels 0, wenn

d. h., wenn f und φ als unendlich klein erster Ordnung betrachtet werden, wenn

,„, = fl - _Ψ/2 ι (r sin 2 0 - ψ cos 2 0)/2

(bis auf ganze Vielfache von 2 π genau).

Die in der Wicklung R,-R_t des Roiors induzierte Spannung geht durch Null (z. B. von negativen Werten zu positiven Werten), wenn das Feld die Richtung (Ο—π/2) hat, d. h., wenn tot den Wert hat
_{ω/ {R R)} ^ ₉__π,_{2 /2+( cos 2 θ} __{ε ; θ}

V (S₁-SJ geht durch NoB (von negativen zn positfven Werten), wenn tot den Wert hat

Wt(S-SJ = —π/2.

und die Phasenverschiebung der Spannung an den Klemmen von R₁-R₂ gegenüber der Spannung an den Klemmen S₁-S₂ hat den Wert

D(R-R — S,-SJ — 9 —

Der systematische Fehler, welchen man begeht, wenn man für die NnDmessong «Se Phasexrverschiebung D (R₁-Rt — S₁-SJ nimmt, beträgt also

— φ/2 + (φ cos 2 β — ε sin 2 0)/2.

7 8

Der Ausdruck — ψβ ist störend, wenn die Ab- an den Klemmen von S_s-S_t hai den Wert
weichung von der Phasenverschiebung um 90'>

bei verschiedenen Messungen nicht die gleiche ist. /M-V«4 - A₃-A₄) =■--ω/<κ,-/<₄)₀ - ωί^-^ο

In diesem Fall kann dieser Ausdruck nicht durch eine d. h.

entsprechende Wahl des Winkelnullpunkts für θ 5 D(RRS S) OH m/2

ausgeschieden werden. Der Ausdruck (j cos 2 θ - r *' * ' ^r « _{(f sjn} * _ff _

sm 2 0) /2 ist stets störend, da er von dem Winkel 0 ' "

abhängt. in welcher man die Gesamtheit des obigen syste-

Es wäre also interessant, die bisher bekannten Meß- malischen Fehlers nach Zeichenwechsel wiederfindet: verfahren und -vorrichtungen so weiterzubilden, daß io _{/2 A ( cof}. _{2 β} - _c sin 2 ö)/2.
der obige Fehler gemildert oder sogar praktisch unterdrückt wird, was die Vornahme einer genaueren Durch Hinzufügung dieser zusätzlichen Phasen-Winkelmessung gestatten würde. verschiebung zu der Haupiphasenverschiebung

Die Erfindung bezweckt nun die Milderung oder D(R-R S-S)

sogar die Unterdrückung dieses Fehlers durch Ein- 15 ' ^! ' '

führung wenigstens eines Berichtigungsausdrucks, erhält man die resultierende Phasenverschiebung E₁

weicher durch seine algebraische Hinzufügung zu der _ , _n

Hauptphasenverschiebung zwischen der Spannung L₁ - - υ _yn_rh_t ■■ Z₁-Z₂) , ~ _v.₃-„₄ - A₈-A₄),

an den Klemmen der Wicklung S₁-S₁ und derSpannung d. h.

an den Klemmen der Wicklung R₁-R₂ gestattet, ein 20 E — 20 + κ

Ergebnis zu erhalten, welches der gesuchten genauen ''

Messung näher liegt, als die alleinige obige Phasenver- Die resultierende Phasenverschiebung E₁ ist bis

Schiebung. auf eine einem Wechsel des Ursprungs des Winkels 0

Die Erfindung geht davon aus, daß zwischen ge- entsprechende additive Konstante (α) gleich dem

wissen Spannungen an den Klemmen der Wicklungen »5 Doppelten des Winkels Θ.

eines Resolvers mit Stator und Rotor, welche zwei- in dem allgemeinen Fall eines Resolvers mit zwei-

phasig und mehrpolig oder zweipolig sind, wie der in phasigem mehrpoligem Stator und Rotor wird die

F 1 g. 2 dargestellte Resolver, zusätzliche Phasenver- resultierende Phasenverschiebung E₁ als ein Maß

Schiebungen vorhanden sind, welche durch ihre genommen, welches bis auf eine additive Konstante

Stärke und ihr Zeichen den Charakter eines Serich- 30 gleich dem η-fachen des Doppelten des die Stellung

tigungsgliedes besitzen, und mit dem Resolver Ein- des Rotors 3 gegenüber dem Stator 2 definierenden

richtungen kombiniert werden, weiche gestatten, m Winkels ist.

der Hauptphasenverschiebung zwischen der Spannung Die für dieses Merkmal der Erfindung benutzte an den Klemmen der Wicklung5,-S₂ und derSpannung Vorrichtung ist schematisch in F i g. 2 dargestellt, an den Klemmen der Wicklung R₁-Ri algebraisch eine 35 Um das von dem erfindungsgemäßen Verfahren herder obigen zusätzlichen Phasenverschiebungen mit rührende Fehlen von Fehlern auszunutzen, werden berichtigendem Charakter hinzuzufügen. die Phasenverschiebungen mit einer großen Genauig-

Die gewählte Phasenverschiebung mit berichtigen- keit gemessen.

dem Charakter ist die zusätzliche Phasenverschiebung Es wird insbesondere ein System zur digitalen,

zwischen der Spannung an den Klemmen S₃-S₄ und 40 insbesondere binären Kodierung benutzt,

der Spannung an den Klemmen R₃-R,. Die Spannungen an den Klemmen der Wicklungen

Unter Fortsetzung der obigen einen zweiphasigen S₁-S₂, S₃-S₁, R₁-R₂ und R₃-R_t werden in Rechteckzweipoligen Resolver (F i g. 1) betreffenden Rech- spannungen in Komparatoren 4, 5, 6 und 7 umgenuiig soü jetzt nachgewiesen werden, daß diese zu- wandelt, welche beim Nulldurchgang dieser Spansäuliche Phasenverschiebung tatsächlich den ge- 45 nungen kippen. Die Tore einer Toranordnung 8 wünschten berichtigenden Charakter hat. werden durch die aufsteigenden (oder absteigenden)

Wenn die Achse R₃-R₄ (Polachse) nicht vollkommen Flanken der Rechteckspannungen geöffnet und gesenkrecht zu der Achse R₁-R₂ liegt, beträgt der Winkel schlossen, welche den Spannungen entsprechen, deren dieser beiden Achsen (n)2 - %) Radiant, wobei χ gegenseitige Phasenverschiebung man zu kennen eis fest« Winkel ist, dessen Absolutwert klein gegen- 50 wünscht. Hierdurch werden »Rechteckphasenverüber einem Radiant ist (raid somit als unendlich klein schiebungsspannungem erzeugt. Werm die die Wickerster Ordnung angesehen werden kann). Die in der laugen S₁-S₉ und S₃-S₄ speisenden Sinusspannungen Wicklang R₃-A₄ des Rotors induzierte Spannung geht eine Frequenz / haben, entspricht eine Phasenverdorcta Null (von negativen zn positiven Werten), Schiebung von 360° »Rechteckphasenverschiebungswenn das von dem Stator Drehfeld die 55 spannungen« mit einer Breite von Iff. Die »Recht-Richtong des Winkels (0 -+- «) hat, d. h-, wenn <at eckphasenverschiebungsspannungent werden dann nrit den Wert bat Impulsen der Frequenz F in einem Mischer 9 ausgefüllt. Eine ZaH m von Impulsen pri so einer

= β + λ — φ/2 Phasenverschiebung von (m · //F) · 360°. Die ge-

+ (Esm29 — ?cos20)/2. 60 samte Zahl von Impulsen, weiche der Summe der zu

messenden Phasenverschiebung entspricht, gelangt

K(SftS₄) geht durch Neil (von negativen zu posi- in ein Zählregister 10 und hierauf in ein Puffer-

trrea Vfettea), warn at den Wert hat register 11, wo sie gespeichert werden, bevor sie sichtbar gemacht oder durch ein zugehöriges Rechengerät

<** <Stf-Si)e = —Ψ·> ⁶S abgelesen werden.

Die Impulse mit der Frequenz F werden in eraem

xnaidkzBsäeikfePBHseHverschiebTffig der Spannung HochfreqeenzosziHator 12 (Frequenz F) groBer Sta-

aa den Klemme von Rg-R* eBei' der SpamoBg bSnät (welcher z. B. die Bauart eines doch emeu

quarzsynchronisierten Multivibrators hat) erzeugt. Die zur Anlegung an die Wicklungen S₁-S₂ und S₃-S₄ des Stators bestimmten Sinusspannungen mit der Frequenz / werden unter Ausgang von einer Frequenzquelle F erhalten. Eine Teilungsketle 13 Leih die Frequenz F durch Potenzen von 2 (oder auch durch Potenzen von 10 usw.) und ergibt Rechteckspannungen von der Frequenz 2/. Ein Phasenschieber 14 für Rechteckspannungen mit bistabilen Kippschaltungen ermöglicht die Herstellung von zwei Rechteckspannungen, welche gegeneinander um eine Viertelperiode phasenverschoben sind und die Frequenz / haben. So ist z. R. F ■=-- 8192 kHz, / -- 1 kHz und FIf -- 2¹³. Die Filter 15 und 16 formen diese Rechteckspannungen in Sinusspannungen mit der Frequenz / um. Die beiden Sinusspannungen werden schließlich verstärkt und bei 17 und 18 angepaßt, um die Wicklungen S₁-S₂ und S₃-S₄ des Stators 2 des Resoivers zu beaufschlagen. Die Sinusspaniiuiig an den Klemmen von S₁-S₂ hat die gleiche Amplitude wie die an den Klemmen S₃-S_t und eilt gegenüber dieser um 90" vor. Natürlich ist auch ein beliebiges anderes Mittel verwendbar, welches zwei um 90" gegeneinander phasenverschobcnene Sinusspannungen z. B. aus einer Sinusspannung der Frequenz / erzeugt, welche in einem Phasenschieber mit einem l'ransformator und einem Netz aus Widerstand und Kapazität um 90° phasenverschoben wird.

Die von den Komparatoren 4, 5, 6 und 7 erzeugten Rechteckspannungen C(S₁-S₂), C(S₃-Sf), C(R₁-R₂) und C(R₃-Rf) sind in F i g. 3 als Funktion der Zeit t für eine gegebene Stellung des Rotors 3 dargestellt.

Die algebraische Summe E₁ der Haupiphasenverschiebung wird zwischen der Spannung an den Klemmen von S₁-S₂ und der Spannung an den Klemmen von R₁-R₂ und der zusätzlichen Phasenverschiebung zwischen der Spannung an den Klemmen von S₃-S₁₁ und der Spannung an den Klemmen von R₃-R₁ gemessen.

Die Anordnung 8 enthält zweckmäßig zwei Tore, deren jedes vorzugsweise durch bistabile K:ppschaltungen^gebildet wird. Eine von diesen kann v. B. niir durch die aufsteigenden Flanken der Rechteckspannungen C (S₁-S₂) geöffnet und nur durch die aufsteigenden Flanken der Rechteckspannungen C (R₁-R₂) geschlossen werden, tvian erhält so »Rechieckpbasenverschicbungsspannungen« C(R₁-R₂ S₁-S₁). welche in Funktion der Zeit /in F i g. 3 dargestellt sind und bei welchen die positiven Abschnitte eine Länge haben, welche der Hauptphasenverschiebung zwischen der Spannung an den Klemmen von S₁-S₁ und der Spannung an den Klemmen von R₁-Aj entspricht. Das andere Tor kann nur durch die aufsteigenden Flanken der Rechteckspannungen C(S₁-SJ geöffnet und nur durch die aufsteigenden Flanken der Rechteckspannungen C(R₃-RJ geschlossen werden Man erhält so»Rechteckphasenverschiebungsspannungen«C(R₃-R₄ Sj-S₄). welche in Funktion der Zeit /in F ι g. 3 dargestellt sind und deren positive Abschnitte eine Breite haben, welche der zusätzlichen Phasenverschiebung zwischen der Spannung an den Klemmen von S₃-S_t und der Spannung an den Klemmen von R₁-Rf entspricht. Die positiven Abschnitte der Rechteckspannungen C(RrRi- ^Si-Si) und C(Ä,-Ä₄ - S,-S₄) haben praktisch die gleiche Breite. Die entsprechenden Phasenverschiebungen sind praktisch gleich und nehmen je von 0 bis 360^c zu, wenn der die Stellung des Rotors 3 definierende Winkel zunimmt

In dem Mischer 9 füllen die von dem Oszillator 12 kommenden Impulse mit der Frequenz Fdie positiven Abschnitte dieser Rechteckphasenverschiebungsspannungen aus, wie dies bei CC in Funktion der Zeit /in F i g. 3 dargestellt ist. Unter Berücksichtigung der Uberführungszeit der Zahl der erhaltenen Impulse von dem Zählregister 10 bis zu dem Pufferregister sowie der Rückführung der Zähler auf den Ausgangswert beträgt die Dauer eines Kodierungszyklus drei

j ο bis vier Perioden der Speisespannungen der Wickhingen des Stators (Frequenz/).

Wenn M die Gesamtzahl der gezählten Impulse ist, ist der die Stellung des Rotors in bezug auf eine feste Nullstellung bestimmende Winkel bis auf Winkel-Sektoren von 360 //; bekannt und gleich

Mit einem mehrpoligen zweiphasigen Resolver, bei welchem jede Wicklung fünfundzwanzig Polpaarc besitzt, und mit F/f ·-■ 2¹³ - 8192, kann die Winkelstellung des Rotors bis auf weniger als 10 Bogen-Sekunden genau mit einer Auflösung von 3,6 Sekunden innerhalb von Winkelsektoren von 14,4" festgestellt werden. Gegebenenfalls kann eine zusätzliche Grobmessung z. B. mittels eines Hilfsresolvers angeben, welcher der Winkeisektoren sich auf diese Winkelstellung bezieht.

Es ist auf die Bedeutung der Wahl des positiven Zeichens der Spannungen an den Klemmen der Wicklungen des Resoivers hinzuweisen, wie dies bereits oben ausgeführt wurde. Hieraus ergibt sich eine genau bestimmte Schaltungsart der Wicklungen des Resoivers in der Meßvorrichtung.

Jedenfalls wird die Berichtigung in allen Schaltungsfällen gewährleistet. Es ist eine Diskontinuität von 180 in dem erhaltenen Wen des Winkels vorhanden, und das Kodiersystem ist mit einer logischen Schaltung zur Aufhebung der Zweideutigkeit versehen, weiche angibt, ob zu dem in dem Zähiregister 10 erhaltenen Wert 360"' hinzugefügt werden müssen oder nicht, damit man einen richtigen Wert für den die Stellung des Rotors definierenden Winkel abliest. Diese Aufhebung der Zweideutigkeit ist in der Form S₁ S₂ — R₁ R₂ und S₃-S₄ - A₃-R₄ einfacher, da die Diskontinuität für 360° auftritt.

Bei einer weiteren Abwandlung iat die gewählte Phasenverschiebung mit Berichtigungscharakter (welehe algebraisch zu der Phasenverschiebung zwischen der Spannung an den Klemmen von S₁-S₂ und der 5c Spannung an den Klemmen von R₁-R₁ hinzugefügt werden muß) die zusätzliche Phasenverschiebung zwischen der gleichen Spannung an dee Klemmen vor Si-S₂ und der Spannung an den Klemmen A₁-R,.

Wie vorher soll durch eine einen zweiphasigea zweipoligen Resolver betreffende Rechnung

werden, daß diese zusätzfiche Pnasenverscbielranf Berichtigungscharakter besitzt. Mit den Bezeicb nungen der vorhergehenden Rechnung bat die z» sätzlicbe Phasenverschiebung der Spannung an dei Klemmen von /J₈-A₄ gegenüber der Spannung an da Klemmen von S₁-St den Wert

d.h.

- S_x-SJ = θ + xß + « - φβ + (β«ιι2β-β

In dieser Formel findet man trat Zdchenwechsd da

Teil (ψ cos 2 0 — κ sin 2 0)/2 des systematischen Fehlers wieder.

Durch Hinzufügung dieser zusätzlichen Phasenverschiebung zu der Hauptphasenverschiebung

D (R₁-Ri - S₁-S₂)

erhält man für die resultierende Phasenverschiebung E₂ E₈ = D (R_x-R., - S₁-S₁) I- D (R_x-R, - S₁-S₂)

E₂ = 2 0 f π/2 4 *

Falls der Fehler ψ der Phasenverschiebung um 9CT der Speisespannungen des Stators konstant ist, kann gesagt werden, daß die resultierende Phasenverschiebung E₂ bis auf eine einer Nullpunktänderung des Winkels 0 entsprechende additive Konstante

(π/2 4- /» - ψ)

gleich dem Doppelten dieses Winkels 0 ist.

In dem allgemeinen Fall eines Resolvcrs mit zweiphasigcm mehrpoligem Stator und Rotor wird die resultierende Phasenverschiebung E₂ als ein Maß genommen, welches bis auf eine additive Konstante gleich dem η-fachen des Doppelten des die Stellung des Rotors 3 gegenüber dem Stator 2 definierenden Winkels ist.

Die in dieser Ausführungsabwandlung der Erimdung benutzte Vorrichtung ist praktisch die gleiche v\ ie die oben beschriebene und in F i g. 2 dargestellte. Her Komparator 5 ist hier überflüssig, da die zu messenden Phasenverschiebungen nicht die Kenntnis icr Phase der Spannung an den Klemmen von S_x-S, erfordern.

In einer letzten erlindungsgemäßen Ausfiihrungsah.vandlung ist die gewählte Phasenverschiebung mit Berichtigungscharakter die Hälfte der zusätzlichen Phasenverschiebung zwischen der Spannung an den Klemmen von R₁-R₂ und der Spannung an den Klemmen von R₃-R,-

Durch cmc einen zweiphasigen zweipoligen Resolver betreffend Rechnung soll der Berichtigungscharakter der Half ic· dieser zusätzlichen Phasenverschiebung nachprüfen werden. Die Hälfte der zusätzlichen Phase-, · Schiebung der Spannung an den Klemmen von R -h'_t gegenüber der Spannung an den Klemmen ν-."T: /' -R, hat den Wert

D (R₃-R, -

- (wt (

= π/4 -r */4 + */2 (« an 2 6 — φ cos 2 θ)/2.

worin man den Teil (φ cos 2 6 - 2θ)/2 des systematischen Fehlers mit Zeichenwechsel wiederfindet.

Wenn man die Hälfte dieser zusätzlichen Phasenverschiebung 231 der Hauptpbasenverschiebimg

hinzufügt, erhält man die resultierende Phasenverschiebung E₃:

E₃ = DiR₁-R₁ -

Wenn der Fehler φ der Phasenverschiebung um 90 konstant ist, kann gesagt werden, daß die resultierende Phasenverschiebung E., bis auf eine einem Wechsel des Ursprungs des Winkels 0 entsprechende additive Konstante (π/4 4- \/2 - (p/2) gleich dem Doppelten dieses Winkels 0 ist.

Es ist zu bemerken, daß die resultierende Phasenverschiebung E₁, gleich der Hälfte der vorhergehenden resultierenden Phasenverschiebung E₂ ist.

ίο In dem allgemeinen Fall eines Resolvers mit zweiphasigem vielpoligem Stator" und Rotor wird die resultierende Phasenverschiebung E_;1 als ein Maß genommen, welches bis auf eine additive Konstante gleich dem «-fachen des die Stellung des Rotors 3 gegenüber dem Stator 2 definierenden Winkels ist.

Die bei dieser Ausführungsabwandlung der Erfindung benutzte Vorrichtung ist wiederum praktisch die gleiche wie die oben beschriebene und in F i g. 2 dargestellte. Auch hier ist der Komparator S überflüssig.

Die der Hauptphasenverschiebung zwischen der Spannung an den Klemmen von 5,-S₂ und der Spannung an den Klemmen von R_x-R₁ entsprechenden Rechteckspannungen werden mit Impulsen der Frequenz Γ ausgefüllt, und die der Hauptphasenversjlnebung zwischen der Spannung an den Klemmen von R_x-R₁ und der Spannung an den Klemmen R_x-R, werden mit Impulsen halber Frequenz, d. h. F/2, ausgefüllt.

Das erlindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrischen Bcslimmung der Winkelstellung einer Welle besitzen gegenüber den bekannten Verfahren und Vorrichtungen zahlreiche Vorteile, insbesondere folgende·

55

DiR₃-R₄ - R_rRJß ^δ5

£, = θ + Φ + λ/2 - φ[2. Der unmittelbar von dem Meßprinzip der Benutzung eines Resolvers herrührende systematische Fehler wird abgeschwächt oder sogar unterdrückt;

wenn die Unvollkommenheiten der Speisung der Wicklungen des Stators und die Unvollkommenheiten des Resolvers gering sind, wird die Genauigkeit der Messung des die Winkelstellung einer Welle bestimmenden Winkeis praktisch nur durch die Genauigkeit der Messung der verschiedenen Phasenverschiebungen, d h. die Genauigkeit des Kodiersystems begrenzt; die Messung des die Winkelstellung der Welle bestimmenden Winkels bleib: selbst bei Unvolikommenheiten der Speisung der Wicklungen des Stators gui. Beispielshalber kann angegeben werden, daß der Fehler der Phasenverschiebung um 9<"i bei den Speisespannungen der Wicklungen des Stators mehrere Grad erreichen kann, ohne daß hierdurch die Messung beeinträchtigt wird; die Messung des die Winkelstellung der Welle bestimmenden Winkels bleibt selbst bei Unvollkomr-enheiten des Resokers gut. Von derartigen Unvolikommenheuen können ein Fehler der rechtwinkligen Lage der Wicklungen des Stators, die Ungleichheit der Übersetzungsverhältnisse zwischen den Wicklungen des Stators und den Wicklungen des Rotors, das Vorhandensein von verschiedenen Phasenverschiebungen zwischen den beiden Kanälen des Resolvers angeführt werden;

bei der Hauptausführung der Erfindung (resultierende Phasenverschiebung E₁) and bei der ersten Ausführungsabwandlung (resultierende Phasenverschiebung E₈) ist die zu messende resultierende

Ϊ3

Phasenverschbbung an das Doppelte des die Winkelstellung der Welle bestimmenden Winkels gebunden, ,as bei Benutzung eines Kodiersystems mit Impulsen fester Frequenz eine Auflösung bei der Messung dieses Winkels mit sich

bringt, welche halb so groß (d. h. doppelt so gut) sind und die Form von α ist wie die durch bereits bekannte Verfahren geordneten Zacken haben erzielte, bei welchen die zu messende Phasen- gegenüber Λρτ anderen un verschiebung an den Winkel und nicht an das welcher g Doppelte dieses Winkels gebunden ist. io Zacken ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Winkelstellung einer Welle mittels eines Resolvers, dessen Rotor mit der Welle drehfest verbunden ist, wobei die beiden Wicklungen des Stators und die beiden Wicklungen des Rotors η Polpaare, wobei η gleich oder größer als 1 ist, bilden und so angeordnet sind, daß die Pole der ersten Wicklung so aufeinanderfolgen, daß in gleichmäßigen Abständen sich abwechselnde Nord- und Siidpole entstehen und daß die Pole der zweiten Wicklung bei gleichem Wechsel zwischen den Polen der ersten Wicklung in gleichen Abständen von ihnen liegen, wobei einerseits an die Klemmen der beiden Primärwicklungen zwei Sinusspannungen von gleicher Frequenz und gleicher Amplitude angelegt werden, die gegeneinander eine Phasenverschiebung von 90" haben, und andererseits die sogenannte »Hauptphasenverschiebung« zwischen der Spannung an den Klemmen der ersten Primärwicklung und der Spannung an den Klemmen der ersten Sekundärwicklung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptphasenverschiebung algebraisch eine zwischen der Spannung an den Klemmen der zweiten Sekundärwicklung (R₃-Rt) und der Spannung an den Klemmen einer der anderen Wicklungen (S₁, S₂, S₃, S₁, R₁, R₂) des Resolvers abgenommene berichtigende Phasenverschiebunghinzugefügt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die berichtigende Phasenverschiebung zwischen der Spannung an den Klemmen der zweiten Sekundärwicklung (A₃-A₄) und der Spannung an den Klemmen der zweiten Primärwicklung (S₃-S₄) abgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die berichtigende Phasenverschiebung zwischen der Spannung an den Klemmen der zweiten Sekundärwicklung (R₃-Ri) und der Spannung an den klemmen der ersten Primärwicklung (S₁-S₂) abgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hälfte der berichtigenden Phasenverschiebung zwischen der Spannung an den Klemmen der zweiten Sekundärwicklung (R₃-R₄) und der Spannung an den Klemmen der ersten Sekundärwicklung (R₁-Rt) abgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein digitales Kodiersystem benutzt wird, um der Hauptphasenverschiebung algebraisch die berichtigende Phasenverschiebung hinzuzufügen, wobei die beiden an den Klemmen des Resolvers abgenommenen Spannungen mit der Frequenz (/) zunächst in Komparatoren (4, 5, 6, 7) in Rechteckspannungen umgewandelt und dann an Tore (8) angelegt werden, welche durch die (ansteigenden oder abfallenden) Flanken der ersten Rechteckspannung geöffnet und durch die (ansteigenden oder abfallenden) Flanken der zweiten Rechteckspannung geschlossen werden, worauf die so erhaltenen »Rechteckphasenverschiebungsspannungen« in einem Mischer (9) mit Impulsen der Frequenz (F) aufgefüllt werden, die durch ein Zählregister (10) laufen, wobei eine Zahl (m) dieser Impulse einer Phasenverschiebung von (m · fjF) · 360° entspricht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die an die Klemmen der beiden Primärwicklungen (S₁-S₂ und S₃-S₄) des Resolvers anzulegenden Spannungen mit der Frequenz (/), ausgehend von einem mit der Frequenz (F) arbeitenden Hochfrequenzosziliator (12), erzeugt werden, wobei diese Frequenz (F) in einer Teilungskette (13) vorzugsweise um Potenzen von Zwei oder Zehn herabgesetzt wird, so daß eine Rechteckspannung mit der Frequenz (2/) entsteht, die an einen Phasenschieber (14) für Rechteckspannungen angelegt wird, der zwei Rechteckspannungen mit der Frequenz (f) liefert, die nach Filterung in Filtern (15, 16) zwei Sinusspannungen mit der Frequenz (J) werden, die gegeneinander eine Phasenverschiebung von 90° haben.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch Komparatoren (4, 5, 6, 7), die an die Klemmen der Wicklungen (S₁-S₂, S₃-S₄; R₁-R₂, A₃-A₄) des Resolvers angeschlossen sind, durch an die Komparatoren (4, 5, 6, 7) angeschlossene elektronische Tore (8), die durch die ansteigenden oder abfallenden Flanken der ersten Rechteckspannung geöffnet und durch die ansteigenden oder abfallenden Flanken der zweiten Rechteckspannung geschlossen werden, durch einen an die Torschaltung (8) angeschlossenen Mischer (9) und durch ein an den Mischer (9) angeschlossenes Zählregister (10).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein an das Zählregister (10) angeschlossenes Pufferregister (11).

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen Hochfrequenzoszillator (12) mit der Frequenz (F), durch eine an diesen Oszillator angeschlossene Teilungskette (13), durch einen an die Teilungskette angeschlossenen Phasenschieber (14) für Rechteckspannungen und durch zwei dem Phasenschieber für Rechteckspannungen parallelgeschaltete Filter (15, 16).