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Geberanordnung für ein inkrementales und ein absolutes digitales
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WeR- oder Lagemeßsvstem Bei der numerischen Steuerung von Werkzeugmaschinen
und bei der Steuerung von stromrichtergespeisten elektrischen Maschinen werden translatorisch
arbeitende und rotatorisch arbeitende digitale Weg- oder-Lagemeßsysteme benötigt
(Prof. Dr.-Ing.
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Wilhelm Simon "Die numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen", zweite
Auflage, 1971, Seite 47 - 99; DT-AS 2 353 594). Bei absoluten Meßsystemen wird die
Lage des Meßobjektes im Hinblick auf eine Bezugsgröße erfaßt, während bei inkrementalen
Meßssystemen die Anzahl der von einem Bezugspunkt aus zurückgelegten Wegelemente
erfaßt wird.
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Es ist bekannt, für derartige digitale Weg- oder Lagemeßsysteme magnetfeldempfindliche
induktive Sonden als Geber zu verwenden, die eine Signalspur mit einer Anzahl gleichmäßig
aufeinanderfolgender magnetisch wirksamer Zähne und Lücken abtasten. Befindet sich
ein magnetisch wirksamer Zahn unter einer solchen induktiven Sonde, so ist der wirksame
Luftspalt kleiner und die Induktivität der Sonde größer als wenn sich eine Lücke
unterhalb der Sonde befindet. Bei bekannten derartigen Gebern mit induktiven Sonden
ist nachteilig, daß Veränderungen des Luftspaltes aufgrund von Temperatureinflüssen
oder Fertigungstoleranzen oder aufgrund von Lagerspielen das Meßergebnis verfälschen.
Außerdem kann sich der Einfluß von starken Fremdfeldern störend bemerkbar machen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Geberanordnung
für ein derartiges Weg- oder Lagemeßsystem anzugeben, bei der das Meßergebnis von
derartigen Veränderungen des wirksamen Luftspaltes und von magnetischen Fremdfeldern
unabhängig ist.
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Eine erste Variante der Erfindung bezieht sich auf eine Geberanordnung
für ein inkrementales digitales Weg- oder Lagemeßsystem mit zwei magnetfeldempfindlichen
induktiven Sonden zur Abtastung einer Signalspur mit einer Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender,
magnetisch wirksamer Zähne und Lücken, sowie mit einer Auswerteschaltung. Erfindungsgemäß
wird vorgeschlagen, daß die beiden Sonden gleichartig aufgebaut und in Fortbewegungsrichtung
gesehen hintereinander und um 1800 el. versetzt sowie in gleichem Abstand von der
Signalspur angeordnet sind, und daß ihre Induktionsspulen eine Briickenhälfte einer
Brückenschaltung bilden, deren eine Brückendiagonale mit einem Wechselspannungsgenerator
und deren andere Brückendiagonale mit einer Auswerteschaltung verbunden ist, die
eine phasenrichtige Gleichrichterschaltung und einen nachgeschalteten Grenzwertmelder
mit kleiner Hysterese enthält.
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Diese Variante der Erfindung kann vorzugsweise für einen Winkelschrittgeber
angewendet werden.
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Eine zweite Variante der Erfindung bezieht sich auf eine Geberanordnung
für ein absolutes digitales Weg- oder Lagemeßsystem mit zwei magnetfeidempfindlichen
induktiven Sonden zur Abtastung einer Signal spur mit einer Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender,
magnetisch wirksamer Zähne und Lücken und einer parallelen Bezugsspur, sowie mit
einer Auswerteschaltung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die beiden Sonden gleichartig
aufgebaut und in Fortbewegungsrichtung gesehen nebeneinander angeordnet sind, und
daß ihre Induktionsspulen eine Brückenhälfte einer Brückenschaltung bilden, deren
eine Brückendiagonale mit einem Wechselspannungsgenerator und deren andere BrUckendiagonale
mit der Auswerteschaltung verbunden ist, die eine phasenrichtige Gleichrichterschaltung
und einen nachgeschalteten Grenzwertmelder mit kleiner Hysterese enthält.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser zweiten Variante der Erfindung
sieht vor, daß zur Vergrößerung der Empfindlichkeit der Brückenschaltung die Bezugsspur
ebenfalls mit einer Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender, magnetisch wirksamer
Zähne und Lücken versehen ist, deren Abmessungen den Zähnen und Lücken der Signalspur
entsprechen, wobei jeweils ein Zahn der Bezugsspur in einer Lücke der Signalspur
steht, und daß die Sonden in gleichem Abstand von Signalspur und Bezugsspur angeordnet
sind. Hierdurch läßt sich eine Verdopplung der an der Brückendiagonale abgegriffenen
und der Auswerteschaltung zugeführten Spannung erzielen.
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Die zweite Variante der Erfindung eignet sich für einen Polradlagegeber
einer elektrischen Maschine, insbesondere einer kommutatorlosen Gleçchstrommaschine.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen Fig. 7 ein .Ausführungsbeispiel der ersten Variante der Erfindung für
ein translatorisches, inkrementales digitales Weg- oder Lagemeßsystem, Fig. 2 wesentliche
Signalverläufe aus der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel
der ersten Variante der Erfindung für ein rotatorisches, inkrementales digitales
Weg- oder Lagemeßsystem, Fig. 4 die prinzipielle Anordnung der magnetfeldempfindlichen
induktiven Sonden bei der zweiten Variante der Erfindung für ein translatorisches
absolutes digitales Weg- oder Lagemeßsystem in der Ansicht (Fig. 4a) und in der
Drautsich (Fig. 4b), Fig. 5 eine Anordnung ähnlich Fig. 4 mit verbesserter Empfindlichkeit,
Fig. 6 ein Ausfffhrungsbeispiel der zweiten Variante der Erfindung für ein rotatorisches
absolutes digitales Weg-oder Lagerneßsystem.
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Die schematische Darstellung der Fig. 1 zeigt zwei gleich aufgebaute
Sonden 1 und 2, die jeweils ein aus magnetisch wirksamem Material gefertigtes Joch
mit einer aufgewickelten Induktionsspule 11 bzw. 12 aufweisen. Die beiden Sonden
tasten eine Signalspur 3 abF die eine Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender magnetisch
wirksamer Zähne 3a und Lücken 3b aufweist. Die Signalspur 3 kann aus magnetisch
wirksamem Material hergestellt seinyz.B.
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aus Weicheisen, Aluminium oder aus lamelliertem Transformatorblech.
Die beiden Induktionsspulen bilden die zwischen den Punkten a und b liegende Brückenhälfte
einer Brückenschaltung, deren andere Brückenhälfte von einem Differentialübertrager
5 gebildet wird. Die Brückenschaltung wird zwischen den Punkten c und d von einem
Wechselspannungs-Generator 4 mit einer vorzugsweise sinusförmigen Wechselspannung
gespeist, die beispielsweise im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 100 kHz liegt.
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Die an der Brückendiagonale zwischen den Punkten a und b entstehende
Spannung wird über den Differentialübertrager 5 ausgekoppelt und einer nachgeschalteten
Auswerteschaltung zugeführt.
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Eine derartige Brückenschaltung ist abgeglichen, wenn das Verhältnis
der Widerstände in der einen Bruckenhälfte mit dem Verhältnis der Widerstände in
der anderen Brückenhälfte übereinstimmt. Die beiden Sonden 1 und 2 und ihre Induktionsspulen
11 und 12 sind gleichartig aufgebaut. Der komplexe Widerstand einer jeden Induktionsspule
hängt -vom wirksamen Luftspalt zwischen der Sonde und der Signalspur 3 ab. Die beiden
Sonden 1 und 2 sind um i00 el. versetzt, d.h. um eine halbe Periode der Zahnteilung
der Signalspur 3.
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In der dargestellten Lage befindet sich die Sonde 1 über den Zähnen,
während die Sonde 2 über den Lücken steht. Der wirksame Luftspalt der Sonde 1 ist
daher kleiner und ihre Induktivität großer als bei der Sonde 2. Die aus den beiden
Induktionsspulen 11 und 12 gebildete Brückenhälfte ist daher nicht abgeglichen und
an den Punkten a und b steht eine Spannung an.
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Von besonderer Bedeutung ist, daß Änderungen des Abstandes x zwischen
den Sonden 1, 2 und der Signalspur 3 das von der nachgeschalteten Auswerteschaltung
in ein digitales Signal umgesetzte Meßergebnis nicht beeinflussen. Eine Änderung
dieses Abstandes x verursacht eine Veränderung des induktiven Widerstandes in beiden
Induktionsspulen 11 und 12 um den gleichen Faktor. Dadurch wird die Abgleichbedingung
nicht verändert.
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Dies hat zur Folge, daß die an den Punkten a und b abgegriffene Spannung
- unabhängig vom Abstand x zwischen den Sonden und der Signalspur - Jeweils dann
Null ist, wenn die beiden Sonden 1 und 2 genau mittig über einer Zahnflanke stehen.
Der Einfluß von Fremdfeldern wird ebenfalls eliminiert.
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Die Auswerteschaltung umfaßt eine phasenrichtige Gleichrichterschaltung
mit zwei elektronischen Schaltern, die symbolisch als Transistoren 7 und 8 dargestellt
und von einem Grenzwertmelder 6 gesteuert sind. Der Grenzwertmelder 6 ist eingangsseitig
von der Wechselspannung des Wechselspannungsgenerators 4 beaufschlagt und ändert
sein Ausgangsignal je nach dem, ob die Wechselspannung positive oder negative Polarität
aufweist. Ein positives Ausgangssignal des Grenzwertmelders 6 steuert den Transistor
8 durchlässig, während ein negatives Ausgangssignal des Grenzwertmelders 6 den Transistor
7 durchlässig steuert.
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Die an den Punkten a und b abgegriffene und vom Differential-Ubertrager
5 ausgekoppelte Meßspannung wird somit im Takt der Wechsel spannung des Wechselspannungsgenerators
4 phasenrichtig gleichgerichtet. Ein Filter 9 ist auf die Frequenz des Wechselspannungsgenerators
4 abgestimmt und siebt diese Frequenz aus.
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Ein nachgeschalteter Grenzwertmelder 10 gibt an seinem Ausgang 13
ein binäres Signal ab, Je nach dem, ob seine Eingangsspannung positiv oder negativ
ist. Der Grenzwertmelder 10 weist eine geringe Hysterese auf.
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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird anhand
der in Fig. 2 dargestellten zeitlichen Signalverläufe erläutert. Fig. 2a zeigt den
Verlauf der Wechselspannung U4
des Wechselspannungsgenerators 4
und Fig. 2b das Schaltsignal U6 am Ausgang des Grenzwertmelders 6. Die in der linken
Hälfte der Figuren 2c - 2e dargestellten Verläufe der Spannung Uab zwischen den
Punkten a und b, der Spannung Ul 0 am Eingang des Grenzwertmelders 10 und der Spannung
U13 am Ausgang 13 des Grenzwertmelders 10 entsprechen der in Fig. 1 dargestellten
Lage der beiden Sonden 1 und 2, bei der die Sonde 1 über den Zähnen und die Sonde
2 über den Lücken der Signalspur 3 steht. In diesem Fall ist der induktive Widerstand
der Induktionsspule 11 kleiner als der induktive Widerstand der Induktionsspule
12. Die an den Punkten a und b ausgekoppelte Spannung Uab ist bei positiver Generatorspannung
U4 positiv und bei negativer Generatorspannung U4 negativ. Nach ir phasenrichtigen
Gleichrichtung ergibt sich eine Spannung U10 mit positiven Halbwellen. Der Grenzt
wertmelder 10 erzeugt an seinem Ausgang 13 das digitale Signal H.
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In der rechten Hälfte der Figuren 2c bis 2e ist der Fall dargestellt,
daß sich die Sonde 1 über den Lücken und die Sonde 2 über den Zähnen der Signalspur
3 befindet. Der induktive Widerstand der Induktionsspule 11 ist somit größer als
der induktive Widerstand der Induktionsspule 12. Die Spannung Uab zwischen den Punkten
a und b ist bei positiver Generatorspannung U4 negativ und bei negativer Generibrspannung
U4 positiv. Nach der phasenrichtigen Gleichrichtung ergibt sich eine Eingangsspannung
U10 für den Grenzwertmelder 10, die nur negative Halbwellen enthält.
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Der Grenzwertmelder 10 erzeugt an seinem Ausgang 13 das digitale Signal
L.
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Fig. 3 zeigt einen sogenannten Winkelschrittgeber als Pusführungsbeispiel
für ein rotatorisches inkrementales digitales Weg- oder Lagemeßsystem. Eine Zahnscheibe
3' ist am Umfang mit gleichmäßig aufeinanderfolgenden magnetisch wirksamen Zähnen
und Lücken versehen, denen die induktiven Sonden 1 und 2 gegenüberstehen. Die Sonden
1 und 2 sind wiederum in Fortbewegungsrichtung gesehen um 1800 ei. zueinander versetzt,
d.h. um eine halbe Periode der Zahnteilung der Zahnscheibe. Damit eine Änderung
des
radialen Lagerspiels der Welle für beide Sonden eine gleichgroße Änderung des magnetisch
wirksamen Luftspaltes ergibt, sollen die Sonden unter einem möglichst kleinen WinkelXin
Bezug auf die Wellenachse angeordnet sein. Die Induktionsspulen 11 und 12 bilden
wiederum eine Brückenhälfte einer Brückenschaltung, deren andere Briickenhälfte
von den induktiven Widerständen 14 und 15 gebildet ist. Die induktiven Widerstände
14 und 15 sind gleich groß und mit Maßnahmen für einen Feinabgleich versehen.
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Die Brückenschaltung ist an der Brückendiagonale mit den Punkten e
und f mit einem Wechselspannungsgenerator 4 verbunden. Die andere Brückendiagonale
mit den Punkten g und h ist über FET-Transistoren 17 und 18 als gesteuerte elektronische
Schalter und über ein Filter 9 mit dem Eingang eines Grenzwertmelders 10 verbunden.
Die FET-Transistoren 17 und 18 bilden zusammen mit dem Grenzwertmelder 16 und dem
Umkehrverstärker 19 eine phasenrichtige Gleichrichterschaltung. Die Wirkungsweise
dieser Auswerteschaltung entspricht der in Fig. 1 dargestellten Auswerteschaltung,
wobei an die Stelle der Spannung Uab die Spannung zwischen den Punkten g und h tritt.
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Fig. 4 zeigt als Ausführungsbeispiel für die zweite Variante der Erfindung
ein absolutes translatorisches digitales Weg-oder Lagemeßsystem in der Ansicht (Fig.
4a) und in der Draufsicht (Fig. 4b). Die Signalspur 20 enthält eine Anzahl gleichmäßig
aufeinanderfolgender magnetisch wirksamer Zähne 20a und Lücken 20b. Die parallele
Bezugs spur 21 verläuft etwa in halber Zahnhöhe. Die beiden Sonden 1 und 2 sind
in Fortbewegungsrichtung gesehen nebeneinander angeordnet.
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Die Induktionsspulen der beiden Sonden 1 und 2 sind wiederum an eine
elektrische Schaltung angeschlossen, wie sie bereits in den Figuren 1 bzw. 3 erläutert
wurde. Das digitale Ausgangssignal der entsprechenden Auswerteschaltung zeigt an,
ob sich die Sonde 1 über einem Zahn 20a oder einer Lücke 20b der Signalspur 20 befindet.
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In der Darstellung der Fig. 5 enthält die Signal spur 20 wiederum
gleichmäßig aufeinanderfolgende Zähne 20a und Lücken 20b. Die Bezugsspur 21' enthält
ebenfalls eine Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender magnetisch wirksamer Zähne
21a' und Lücken 21b', deren Abmessungen den Zähnen und Lücken der Signalspur 20
entsprechen. Die Signalspur 20 und die Bezugsspur 21' sind derart angeordnet, daß
Jeweils ein Zahn 21a' der Bezugsspur in einer Lücke 20b der Signalspur steht. In
Fig. 5a sind Bezugs spur 20 und Signalspur 21' lediglich zur besseren zeichnerischen
Darstellung übereinander angeordnet; in der praktischen Realisierung liegen die
beiden Spuren nebeneinander. Fig. 5b zeigt in der Draufsicht, wie sich Lücken und
Zähne von Bezugsspur und Signalspur gegenüberstehen. Durch diese Maßnahme wird eine
Verdopplung der Spannung in derjenigen Brückendiagonale erzielt, die mit der Auswerteschaltung
verbunden ist.
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Fig. 6 zeigt einen Polradlagegeber einer elektrischen Maschine als
Ausführungsbeispiel für ein absolutes rotatorisches Weg-oder Lagemeßsystem. Die
Scheibe 22 bildet eine Signalspur mit einer Anzahl gleichmäßig aufeinanderfolgender
magnetisch wirksamer Zähne und Lücken. Die Scheibe 23 bildet die Bezugsspur.
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Die beiden Scheiben 22 und 23 sind lediglich in der Zeichnung nebeneinander
dargestellt, in der praktischen Realisierung sitzen die beiden Scheiben auf einer
gemeinsamen Achse. Auch bei dieser Ausführungsform ist eine Ausgestaltung ähnlich
Fig. 5 möglich, wenn auch die Scheibe 23 mit Zähnen und Lücken versehen ist, wobei
jeweils ein Zahn der Scheibe 23 in einer Lücke der Scheibe 22 steht.
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Um das erfindungsgemäße Gebersystem unabhängig von axialen Verschiebungen
zwischen den Sonden und der Signalspur zu machen, wird die Breite der Signalspur
bzw. der Bezugs spur an die maximal auftretende Verschiebung angepaßt.
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5 Patentansprüche 6 Figuren