DE69017607T2

DE69017607T2 - Multiplex-Messvorrichtung mit einer Vielzahl von Sensoren.

Info

Publication number: DE69017607T2
Application number: DE69017607T
Authority: DE
Inventors: Jose Barros; Daniel Hobmaier
Original assignee: Baumer Electric AG
Current assignee: Baumer Electric AG
Priority date: 1989-12-06
Filing date: 1990-12-04
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2010-12-05
Also published as: EP0432101B1; CH681655A5; EP0432101A1; PL288080A1; DE69017607D1; CS603790A3; JPH03225217A; US5211063A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Winkelstellung einer Welle, die zwei oder mehrere Stellungssensoren mit drehbaren Elementen aufweist, wobei diese Stellungssensoren dazu ausgebildet sind, durch eine periodische symmetrische oder pulsförmige Spannung gespeist zu werden und Ausgangsleitern Signale in Abhängigkeit von der Winkelstellung der entsprechenden drehbaren Elemente zu liefern, welche Vorrichtung ferner eine Multiplexereinheit enthält, die an die genannten Sensoren angeschlossen und durch Ausgangsleiter mit einer Signalverarbeitungsvorrichtung verbunden ist
Eine solche Vorrichtung ist in der US-Patentschrift 4,207,505 beschrieben. Gemäss dieser Patentschrift sind mehrere Resolver unter der Steuerung von entsprechenden Auswahlschaltern an eine Multiplexervorrichtung angeschlossen. Die Multiplex-Technik erlaubt in einem solchen Fall die Anzahl Komponenten zu vermindern, und insbesondere können die Ausgangsleiter der Multiplexervorrichtung anzahlmässig gleich den Ausgangsleitern eines einzigen Resolvers sein. Jedoch benötigen die Resolver und die Multiplexervorrichtung eine äussere Speisung sowie eine Multiplexersteuerung und die Vorrichtung enthält folglich einerseits Verbindungen zu den verschiedenen Stromquellen und andererseits Verbindungen zu den Steuersignalquellen.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Anzahl der notwendigen Verbindungsleiter zwischen der die verschiedenen Sensoren und die Multiplexervorrichtung enthaltenden Einheit und den Speise-, Steuer- und Signalbearbeitungskreisen, die im allgemeinen in einer gewissen Entfernung von den Sensoren gelegen sind, zu vermindern. Dieses Problem ist in der Tat von grosser Bedeutung bei den Anwendungen, in denen zwei oder mehrere Sensoren pro Welle verwendet werden, und in denen folglich gemäss der üblichen Technik eine platzraubende, störende und kostspielige Verkabelung notwendig ist. Ferner handelt es sich in gewissen Fällen, zum Beispiel in der Robotik, darum, die Rotation mehrerer Wellen eines selben Apparates zu messen, und es ergibt sich somit eine entsprechend vervielfachte Kabelanzahl. Es ist ebenfalls zu bemerken, dass die Lösung, die darin besteht, verschiedene Sensoren mittels Zahnradgetrieben mit einem hohen Untersetzungsverhältnis derart zu verbinden, dass die Anzahl der zur Abdeckung eines gegebenen Arbeitsbereichs notwendigen Sensoren vermindert wird, Sensoren und Zahnradgetriebe von hoher Präzision erfordert und daher zu verhältnismässig hohen Herstellungskosten führt. Die Erfindung zielt ebenfalls darauf ab, eine Verminderung der Herstellungskosten der Gesamtvorrichtung zu ermöglichen und dabei gleichzeitig einen breiten Arbeitsbereich der Vorrichtung abzudecken, das heisst die Messung einer grossen Anzahl Umdrehungen einer Welle zu erlauben.
Zu diesem Zweck ist die Messvorrichtung gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Speisungs- und Multiplexersteuervorrichtung enthält, die so ausgebildet ist, dass sie der den Sensoren zu liefernden Speisespannung eine Verschiebungs-Gleichspannung überlagert, die unter mindestens so vielen Verschiebungsspannungen mit unterschiedlichen Werten und/oder Polaritäten ausgewählt wird, wie die Vorrichtung Sensoren über den ersten hinaus enthält, wobei jede dieser Verschiebungsspannungen einem bestimmten Sensor oder einem Teil eines bestimmten Sensors entspricht, und dass die Multiplexereinheit Diskriminatormittel zur Bestimmung des Wertes und/oder der Polarität der angelegten Verschiebungsspannung sowie Mittel zur Adressierung des entsprechenden Sensors oder Sensorteils enthält, so dass die Ausgangssignale dieses Sensors oder Sensorteils der Signalverarbeitungsvorrichtung übermittelt werden.
Die Erfindung erlaubt auf diese Weise, Anlagen herzustellen, die ein Minimum an Verbindungskabeln aufweisen, wobei die gleiche Anzahl Drähte wie für einen einzigen Sensor für die Verbindung mit den Speisungs-, Steuer- und Signalbearbeitungsteilen der Messvorrichtung ausreicht.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erster Sensor der erfindungsgemässen Vorrichtung ein Sensor wesentlich höherer Präzision als die der anderen Sensoren der Vorrichtung und ist zur direkten Kopplung mit der Welle, deren Rotation zu messen ist, ausgebildet, wobei der oder die anderen Sensoren aufeinanderfolgend über mechanische Kopplungsvorrichtungen mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis mit dem drehbaren Element des ersten Sensors gekoppelt sind. Der erste Sensor kann insbesondere aus einem Resolver bestehen und die anderen Sensoren können vom induktiven Typ mit passivem drehbaren Element sein und so ausgebildet sein, dass sie Ausgangssignale desselben Formats wie der Resolver liefern. Die mechanischen Kopplungsvorrichtungen zwischen den verschiedenen Sensoren bestehen vorzugsweise aus Zahnradgetrieben.
Da die Anzahl der Verbindungsleiter unabhängig von der Anzahl der Sensoren wird, kann man zum Beispiel diese Anzahl so erhöhen, dass die Verwendung von weniger hohen Untersetzungsverhältnissen oder, allgemeiner, von weniger hohen Zähnezahlen und somit deutlich weniger kostspieligen Zahnradgetrieben möglich wird. Andererseits benötigt im allgemeinen nur der erste, direkt mit der Eingangswelle, deren Winkelstellung man messen möchte, gekoppelte Sensor die gewünschte Präzision zur Anzeige der Winkelstellung innerhalb einer Umdrehung der Welle, wobei die anderen Sensoren dazu dienen, die Anzahl der vollständigen Umdrehungen der Welle zwischen einer Ausgangsstellung und einer Endstellung anzuzeigen und somit nur eine zur Bestimmung dieser Anzahl Umdrehungen ausreichende Präzision benötigen. Diese Präzisionsanforderung verringert sich mit dem verwendeten Untersetzungsverhältnis. Es erweist sich, dass Sensoren von sehr wirtschaftlicher Konstruktion unter Verwendung eines passiven beweglichen Elementes hergestellt werden können, zum Beispiel gemäss dem Prinzip der Veränderung der Kopplung zwischen einer Primärwicklung und um 90º phasenverschobenen Sekundärwicklungen, wobei diese Sensoren geeignet sind, Ausgangssignale desselben Formats wie dasjenige der wesentlich kostspieligeren induktiven Sensoren des Resolver-Typs zu liefern. Durch die Verwendung von Sensoren dieses Typs als auf den ersten folgende Sensoren erlaubt die vorliegende Vorrichtung, die Herstellungskosten der Gesamtvorrichtung beträchtlich zu vermindern.
Im Fall der Speisung der Sensoren durch einen pulsförmigen Strom, enthält die Multiplexereinheit vorzugsweise Diskriminatormittel, die so ausgebildet sind, dass sie die Bestimmung des Wertes und/oder der Polarität der Verschiebungsspannung zu einem Zeitpunkt des Speisungszyklusses erlauben, der im Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen liegt.
Die Ziele, Vorteile und Besonderheiten der vorliegenden Vorrichtung gehen klarer aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor, das in der beiliegenden Zeichnung veranschaulicht ist, in welcher
die Fig. 1 ein Gesamtschema einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Messung der Winkelstellung einer Welle ist;
die Fig. 2 das Schaltbild der zur Vorrichtung der Fig. 1 gehörenden Speisungs- und der Multiplexersteuervorrichtung ist; und
die Fig. 3 das Schaltbild der zur Vorrichtung der Fig. 1 gehörenden Multiplexereinheit ist.
Gemäss Fig. 1 ist eine Eingangswelle 1, deren absolute Winkelstellung man messen möchte, das heisst die Stellung ab einer Ausgangsstellung, einschliesslich der Anzahl der zwischen dieser Ausgangsstellung und der zu messenden Stellung ausgeführten vollständigen Umdrehungen, mechanisch mit einem ersten Stellungssensor C1 gekoppelt, der im vorliegenden Fall aus einem Resolver besteht. Dieser Sensor C1 wird durch zwei in ihrer Gesamtheit mit MC1 bezeichnete Leiter gespeist und liefert Ausgangssignale auf vier in ihrer Gesamtheit mit SC1 bezeichneten Leitern.
Die Fig. 1 zeigt ferner, als nicht einschränkendes Beispiel, drei weitere Sensoren C2, C3 und C4, die ebenfalls Resolver sein könnten, die aber vorzugsweise aus induktiven Sensoren mit passivem beweglichen Element bestehen, die Ausgangssignale des gleichen Formats wie ein Resolver liefern und die somit durch die gleiche Umformervorrichtung bearbeitet werden können. Die drehbaren Elemente der Sensoren C1 bis C4 sind auf entsprechenden Achsen 2, 3, 4 und 5 angebracht und mittels Zahnradgetrieben, zum Beispiel Reduktionszahnradgetrieben wie 6, 7 zwischen C1 und C2, 8, 9 zwischen C2 und C3, und 10, 11 zwischen C3 und C4, gekoppelt. Das Untersetzungsverhältnis kann zum Beispiel 16:1 sein, was erlaubt, diese Zahnradgetriebe im Vergleich zu Zahnradgetrieben, die zum Beispiel ein Verhältnis von 100:1 aufweisen, wie sie üblicherweise in einer solchen Messvorrichtung verwendet werden, auf sehr wirtschaftliche Weise herzustellen. Im Falle einer Kopplung des Typs Master-Vernier zwischen den Sensoren ist es vorteilhaft, in ähnlicher Weise geringere Zähnezahlen zu verwenden als diejenigen der üblichen Vorrichtungen dieses Typs, zum Beispiel durch Herstellung von Master-Vernier-Verhältnissen von 16:17.
Die Speisungsleiter der Sensoren C2 bis C4 und die die Ausgangsklemmen dieser Sensoren mit einer Multiplexereinheit 12 verbindenden Leiter sind auf ähnliche Weise wie diejenigen des Sensors C1 jeweils mit MC2, MC3, MC4 und SC2, SC3, SC4 bezeichnet.
Die Multiplexereinheit 12 ist in der Nähe der Sensoren angebracht, zum Beispiel auf einer Maschine wie einem Industrieroboter, und sie ist mit einer schematisch durch die Blöcke 13, 14 dargestellten Signalverarbeitungsvorrichtung sowie mit einer durch die Blöcke 15, 16, 17 dargestellten Speisungs- und Multiplexersteuervorrichtung verbunden. Wie die Fig. 1 zeigt, wird diese Verbindung einerseits durch vier Leiter S1, S2, S3, S4 und andererseits durch zwei Leiter M1, M2, also durch im Ganzen sechs Leiter hergestellt. Die auf den Leitern S1 bis S4 auftretenden Signale werden zuerst im Block 13 verarbeitet, der im dargestellten Fall im wesentlichen aus einem Analog-Digital- Umsetzer R/D besteht, um die analogen Signale im Resolver-Format in digitale Signale umzuwandeln, und diese Signale werden dann in einer Auswertungsvorrichtung 14 zur Bestimmung der Winkelstellung der Eingangswelle und/oder der Rotationsgeschwindigkeit dieser Welle verarbeitet.
Eine Speisestromquelle für die Sensoren und die Einheit 12 ist durch den Block 15 dargestellt. Sie liefert über zwei Leiter R1, R2, eine sinus- bzw. pulsförmige Spannung an eine Codierschaltung 16, die durch die Leiter M1, M2 mit der Einheit 12 verbunden ist.
Die Auswahl der Sensoren C1 bis C4 zur Uebermittlung der entsprechenden Ausgangssignale im Multiplex-Verfahren an die Vorrichtung 13 erfolgt unter der Steuerung von Adressierungssignalen, die auf Leitern A1, A2, A3, A4 geliefert werden, wie Fig. 1 schematisch zeigt, mittels einer Steuervorrichtung, die ferner mit der Auswertungsvorrichtung 14 verbunden ist.
Die Fig. 2 zeigt das Schaltbild des Kreises 16 gemäss einem Ausführungsbeispiel, welches erlaubt, der zwischen R1 und R2 angelegten Spannung unterschiedliche Verschiebungsspannungen zu überlagern, die jeweils durch die Höhe der an die Leiter A1 bis A4 selektiv angelegten Gleichspannungen definiert sind. Die überlagerten Gleichspannungen, die zum Beispiel durch die Wahl der Widerstände r1 bis r6 der Fig. 2 bestimmt werden, haben vorzugsweise einen wesentlich kleineren Wert als die Speisespannung, müssen aber selbstverständlich ausreichend sein, um eine leichte Diskriminierung zu erlauben. Es ist ebenfalls zu bemerken, dass die Potentiale von M1 und M2 schwebend sind.
Die Fig. 3 ist ein vereinfachtes Schaltbild einer in der Vorrichtung der Fig. 1 verwendeten Multiplexereinheit 12. Die über die Leiter M1 und M2 angelegte Spannung wird einerseits durch Schaltungen 18 bis 21 gleichgerichtet und gefiltert, um eine Speise-Gleichspannung Vcc, insbesondere zur Speisung der durch einen Block 22 dargestellten analogen Multiplexer zu erhalten.
Die Spannung auf M1, M2 wird ferner über die Leiter MC1 bis MC4 den verschiedenen Sensoren zugeführt, wobei eine Filterung vorgesehen ist, um die Gleichstromkomponente mittels eines Hochpassfilters 23, das im vorliegenden Beispiel nach dem Speisekreis des ersten Sensors C1 angeordnet werden kann, auszufiltern.
Ausserdem wird die Spannung auf M1, M2 durch ein Tiefpassfilter 24 gefiltert, um die Verschiebungs-Gleichspannung an einen in der Fig. 3 schematisch dargestellten Amplitudendiskriminator 25 anzulegen. Dieser Diskriminator liefert Adressierungseingängen A1', A2', A3', A4' ein entsprechendes Adressierungssignal, das die Ausgangssignale des entsprechenden Sensors auf den Uebermittlungsleitern S1 bis S4 auftreten lässt.
Im Falle einer Speisung der Sensoren durch einen pulsförmigen Strom erfolgt das Erfassen der Verschiebungs-Gleichspannung vorzugsweise im Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen.
Es ist zu bemerken, dass das erfindungsgemässe Multiplex- Verfahren ganz allgemein die Gesamtstruktur der Messvorrichtung praktisch nicht kompliziert, da es die Verwendung eines einzigen Analog-Digital-Umsetzers oder einer einzigen anderen Signalverarbeitungsvorrichtung erlaubt. Dagegen verschafft die Verwendung eines Minimums an Verbindungsleitern und, insbesondere in dem als Beispiel beschriebenen Fall, die Möglichkeit, einfache und wirtschaftlichere Sensoren und Zahnradgetriebe mit einer verhältnismässig niederen Zähnezahl zu verwenden, entscheidende technische und wirtschaftliche Vorteile.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Winkelstellung einer Welle (1), die zwei oder mehrere Stellungssensoren mit drehbaren Elementen (C1, C2, C3, C4) aufweist, wobei diese Stellungssensoren dazu ausgebildet sind, durch eine periodische symmetrische oder pulsförmige Spannung (via MC1, MC2, MC3, MC4) gespeist zu werden und Ausgangsleitern (SC1, SC2, SC3, SC4) Signale in Abhängigkeit von der Winkelstellung der entsprechenden drehbaren Elemente zu liefern, welche Vorrichtung ferner eine Multiplexereinheit (12) enthält, die an die genannten Sensoren angeschlossen und durch Ausgangsleiter (S1, S2, S3, S4) mit einer Signalverarbeitungsvorrichtung (13, 14) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Speisungs- und Multiplexersteuervorrichtung (15, 16, 17) enthält, die so ausgebildet ist, dass sie der den Sensoren zu liefernden Speisespannung eine Verschiebungs-Gleichspannung überlagert, die unter mindestens so vielen Verschiebungsspannungen mit unterschiedlichen Werten und/oder Polaritäten ausgewählt wird, wie die Vorrichtung Sensoren über den ersten hinaus enthält, wobei jede dieser Verschiebungsspannungen einem bestimmten Sensor oder einem Teil eines bestimmten Sensors entspricht, und dass die Multiplexereinheit (12) Diskriminatormittel (24, 25) zur Bestimmung des Wertes und/oder der Polarität der angelegten Verschiebungsspannung sowie Mittel (22) zur Adressierung des entsprechenden Sensors oder Sensorteils enthält, so dass die Ausgangssignale dieses Sensors oder Sensorteils der Signalverarbeitungsvorrichtung (13, 14) übermittelt werden.

2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, in welcher die Sensoren durch einen impulsförmigen Strom gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Multiplexereinheit (12) Diskriminatormittel enthält, die so ausgebildet sind, dass sie die Bestimmung des Wertes und/oder der Polarität der Verschiebungsspannung zu einem Zeitpunkt des Speisungszyklusses erlauben, der im Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen liegt.

3. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Sensor (C1) ein Sensor wesentlich höherer Präzision als die der anderen Sensoren (C2, C3, C4) der Vorrichtung ist und zur direkten Kopplung mit der genannten Welle (1) ausgebildet ist, und dass der oder die anderen Sensoren (C2, C3, C4) aufeinanderfolgend über mechanische Kopplungsvorrichtungen (6 - 11) mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis mit dem drehbaren Element des ersten Sensors gekoppelt sind.

4. Vorrichtung gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (C1) aus einem Resolver besteht und dass die anderen Sensoren vom induktiven Typ mit passivem drehbaren Element sind und so ausgebildet sind, dass sie Ausgangssignale desselben Formats wie der Resolver liefern.

5. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten mechanischen Kopplungsvorrichtungen zwischen den verschiedenen Sensoren aus Zahnradgetrieben (6 - 11) bestehen.