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Die Erfindung betrifft eine Drehbewegungsertassungsvorrichtung
mit den Merkmalen, des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Aus der Praxis ist bekannt insbesondere
bei hochdynamischen Servoantrieben zur Erfassung von Position und
Drehzahl hochauflösende
Winkelgeber zu verwenden. Die Position wird durch den Winkelgeber
direkt und die Drehzahl durch Differenzieren der Positionswerte
ermittelt.
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Solche Winkelgeber weisen oft Linearitätsfehler
auf, die bei Ermittlung der Drehzahl zu entsprechenden Fehlern führen. In
der Regel ist der Fehler um so größer, je höher die Drehzahl des entsprechenden
Antriebs ist. Wird in diesem Zusammenhang die ermittelte Drehzahl
zur Drehzahlregelung des Antriebs verwendet, ergeben sich aufgrund
der fehlerhaften Bestimmung der Drehzahl Schwankungen im Motorstrom
und entsprechend Schwankungen im Gleichlauf des Antriebs, wobei
die Schwankungen des Motorstroms zu einer verstärkten Erwärmung des Motors führen können.
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Aus der Praxis sind verschiedene
solcher Winkelgeber bekannt, wie beispielsweise Resolver, Inkrementalgeber
oder dergleichen. Ein solcher Resolver ist in der Regel ein robustes
und preiswertes Bauteil, zeigt allerdings nur begrenzte Genauigkeit bei
der Positions- und entsprechend der Drehzahlbestimmung.
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Bei höheren Anforderungen an die
Genauigkeit der Positions- und Drehzahlerfassung werden optische
Inkrementalgeber mit hochauflösenden Analogausgängen eingesetzt.
Diese zeigen zwar eine relativ hohe Genauigkeit, sind aber nur für geringere
Drehzahlen und für
einen begrenzten Temperaturbereich einsetzbar und außerdem relativ
teuer.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE-PS 1 064 739 ist
ein Tachometergenerator als Drehbewegungserfassungsvorrichtung bekannt,
der den nächstliegenden
Stand der Technik bildet. Bei diesem Tachometergenerator weist der
entsprechende Drehzahlsensor wenigstens einen Stator und einen Rotor
auf. Der Stator trägt
zumindest die Erregerwicklungen und gegebenenfalls Messwicklungen. Fließt durch
die Erregerwicklungen durch Anlegen einer entsprechenden Spannung
mittels einer Spannungsversorgung ein Strom, wird ein magnetischer Fluss
in einem Spalt zwischen Stator und Rotor erzeugt. Zumindest bei
Drehung des Rotors relativ zum Stator werden dann durch entsprechende
zeitliche Änderungen
des magnetischen Flusses im Rotor Spannungen induziert und entsprechende
Wirbelströme
erzeugt. Die Wirbelströme
selbst erzeugen entsprechende Magnetfelder und einen zugehörigen magnetischen
Fluss, der die Messwicklungen bei der Drehung des Rotors durchsetzt
und in diesen eine Spannung induziert. Aufgrund der induzierten
Spannung ist mittels einer Auswerteschaltung die Drehgeschwindigkeit
des Rotors bestimmbar.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des Tachometergenerators
nach DE-PS 1064739 sind die Erreger- und Messwicklungen beide an
einem Stator angeordnet, der in einem becherförmigen Rotor eingesteckt ist.
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Bei dem vorbekannten Stand der Technik
ist von Nachteil, dass eine separate Lagerung für den becherförmigen Rotor
notwendig ist und dieser in seiner Herstellung relativ aufwendig
ist. Eine einfache Lagerung des Rotors direkt an einer Welle, deren Drehzahl
bestimmt werden soll, ist nicht möglich. Ein weiterer Nachteil
ist, dass stets ein magnetischer Rückschluss notwendig ist, wodurch
der Aufbau der Drehbewegungsertassungsvorrichtung und insbesondere
des Drehzahlsensors aufwendig und teuer wird. Außerdem führt der magnetische Rückschluss zu
einer großen
elektrischen Zeitkonstante des Systems, so dass die Messung schnellster
Geschwindigkeitsänderungen
mit hoher Bandbreite, wie sie im Bereich der Servoantriebstechnik
erforderlich ist, nicht möglich
ist. In diesem Zusammenhang ist weiter zu beachten, dass der becherförmige Rotor
in einem Spalt zwischen Innenstator und äußerem magnetischen Rückschluss
gedreht wird, so dass hohe Anforderungen an die Präzision des
Spaltes sowie des Rotors gestellt werden müssen.
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Ein Gegenstand mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der
DE-OS 24 25 872 bekannt. Ein Messwertwandler dient
zur Überwachung
von Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung eines Prüfobjekts.
Der Messwertwandler ist im Wesentlichen E-förmig mit zwei einander gegenüberliegenden
Polen. Auf diesen sind Spulen angeordnet. Senkrecht zu den beiden
Polen ist ein weiterer Pol mit einer Fühlspule angeordnet. Das Prüfobjekt
kann beispielsweise eine leitfähige
zylindrische Welle sein, die magnetisch oder auch nichtmagnetisch
ist. Die beiden Spulen sind mit einer Wechselspannungsquelle verbunden
und durch den durch diese Spule fließenden Strom wird ein magnetischer Wechselfluss
zwischen entsprechenden Polflächen und
der zylindrischen Welle erzeugt, der um diese verläuft. Die
entsprechenden Messwicklungen sind um 90° mechanisch gegenüber den
Erregerwicklungen versetzt und weisen jeweils eigenständige magnetische
Pole auf. Es erfolgt eine Induktion von Wechselströmen durch
das Erregerfeld mit Netzfrequenz, wobei die Wechselströme im Rotor
zirkulieren und deren Magnetfeld dem erregenden Feld entgegenwirkt.
Bei umlaufender Welle werden beide Felder gegeneinander verschoben.
Die Streuflüsse
zwischen den Polen kommen dabei aus dem Gleichgewicht und werden
entsprechend gemessen.
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EP 0 182 322 A1 betrifft einen Positionssensor,
wobei die Position eines drehenden Elements detektiert wird. Das
drehende Element besitzt anisotrope elektrische oder magnetische
Eigenschaften und ist beispielsweise nicht rotationssymmetrisch, oder
ist aus elektrisch gut leitfähigen
und magnetisch leitfähigen
Segmenten zusammengesetzt. Dabei soll die Reluktanz der Messwicklungen
möglichst
stark winkelabhängig
sein, um einen großen
Messeffekt zu erzielen. Die winkelabhängige Reluktanz führt zu einer
vom Winkel des drehenden Elements abhängigen Spannung in der Messwicklung.
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SU
613242 zeigt die Messung der Drehzahl von Asynchron-Motoren,
wobei über
Hilfswicklungen ein Teil des Rotorflusses gemessen wird. Da der
Rotor eine drehwinkelabhängige
Reaktanz aufweist, ändert
sich die Phasenlage der in der Messwicklung induzierten Wechselspannung
jedes Mal, wenn ein Rotorzahn an einer entsprechenden Spule vorbeidreht. Durch
Verstärkung
und phasenempfindliche Gleichrichtung erhält man ein Signal in Form.
einer Impulsfolge, deren Frequenz der der Rotorzähne entspricht.
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Wildermuth, E.: Der „Resolver" – ein moderner Analogierechenbaustein
aus Feinwerktechnik Jahrgang 63, N. 10. 1959, S. 369–373 betrifft
allgemein einen Einsatz von Resolvern in Analogrechentechnik.
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Dem Anmeldungsgegenstand liegt die
Aufgabe zugrunde, einen Gegenstand der eingangs genannten Art dahingehend
zu verbessern, dass ein einfach aufgebauter kostengünstig herstellbarer
und robuster sowie für
hohe Drehzahlen einsetzbarer Drehzahlsensor ermöglicht wird, der aufgrund seiner hohen
Bandbreite auch für
hochdynamische Anwendungen in der Servoantriebstechnik geeignet
ist, wobei das Rundlaufverhalten beispielsweise eines Servoantriebs
gegenüber
solchen mit herkömmlichen Gebern,
wie Resolver oder Inkrementalgeber, wesentlich verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Der Rotor kann Teil einer Welle sein,
deren Drehzahl bestimmt werden soll, oder kann als Ring auf die
Welle aufgesteckt sein. Die Positionierung des Rotors relativ zur
Welle ist damit variabel und je nach Erfordernissen möglich. Da
bei der erfindungsgemäßen Anordnung
und Ausbildung des Rotors ein magnetischer Rückschluss entfällt, liegt
nur noch ein Spalt zwischen Stator und Rotor vor, und eine Anordnung
des Rotors insgesamt in einem Spalt zwischen Stator und magnetischem
Rückschluss
mit den in diesem Zusammenhang auftretenden Fertigungsschwierigkeiten
ist nicht mehr notwendig. Um zu vermeiden; dass in den Messwicklungen
auch ohne Drehung des Rotors bereits eine elektrische Spannung induziert
wird, sind Messwicklungen und Erregerwicklungen elektrisch um 90° versetzt
zueinander am Stator angeordnet.
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Weiterhin ist jeweils eine Erregerwicklung überlappend
mit einer Messwicklung angeordnet.
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Damit die erfindungsgemäße Drehbewegungsertassungsvorrichtung
auch für
hohe Drehzahlen einsetzbar ist und eine relativ hohe Messgenauigkeit
aufweist, kann an die Erregerwicklung durch die Spannungsversorgung
eine Wechselspannung hoher Frequenz anlegbar sein. Die Erreger-
wie die Messwicklungen können
in Reihe geschaltet sein, um über
alle Erregerwicklungen gleichzeitig und einen gleichen magne tischen
Fluss zu erzeugen und entsprechend gleichzeitig in allen Messwicklungen entsprechende
Spannungswerte zu induzieren.
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Um zu verhindern, dass über den
Stator eine Induktion in den Messwicklungen durch die Erregerwicklungen
erfolgt, kann der Stator geblecht oder in Ferrit- bzw. Eisenpulvermaterial
ausgeführt
sein.
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Der Rotor ist aus einem nicht magnetischen Material
und sollte elektrisch gut leitfähig
sein. Beispiele für
geeignete Rotormaterialien sind Kupfer, Aluminium, Messing und auch
Konstantan/Manganin.
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Um aus der in den Erregerwicklungen
induzierten Wechselspannung eine Information über die Drehrichtung des Rotors
relativ zum Stator in einfacher Weise zu erhalten, kann die Auswerteschaltung einen
phasenempfindlichen Gleichrichter, insbesondere Synchrongleichrichter,
aufweisen. Durch diesen Gleichrichter wird die Wechselspannung demoduliert und
man erhält
eine Gleichspannung, deren Vorzeichen jeweils einer Drehrichtung
des Rotors entsprechen.
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Um nicht nur die Drehzahl mittels
der erfindungsgemäßen Drehbewegungserfassungsvorrichtung
messen und überwachen
zu können,
kann die Bewegungserfassungsvorrichtung einen Positionssensor aufweisen.
Solche Positionssensoren wurden eingangs bereits erwähnt, wie
Inkrementalgeber oder Six-Step-Geber, wobei letzterer durch entsprechende
Hall-Elemente realisiert wird.
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Um einen robusten und für die Positionsbestimmung
in der Regel ausreichend genauen Positionssensor zu erhalten, kann
beispielsweise ein Resolver verwendet werden.
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Um die entsprechenden Signale von
Positionssensor und Drehzahlsensor computerisiert auswerten zu können, kann
die Auswerteschaltung A/D-Wandler zur Digitalisierung der Signale
von Positions- und/oder Drehzahlsensor aufweisen. In der Regel gibt
ein Resolver zwei analoge und der erfindungsgemäße Drehzahlsensor ein analoges
Signal aus. Das heißt,
mit drei A/D-Wandlern können
alle Signale der Sensoren und je nach Erfordernis auch hochauflösend digitalisiert
werden.
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Um zusätzlich zur Drehzahlinformation
des erfindungsgemäßen Drehzahlsensors
einen Vergleichswert für
die Drehzahl zu erhalten, kann die Auswerteschaltung eine Differenziereinrichtung
und eine Drehzahlvergleichseinrichtung aufweisen. Mittels dieser
beiden Einrichtungen wird einerseits das Positionssignal des Positionssensors
differenziert und anschließend
das durch die Differentation erhaltene Drehzahlsignal vom Positionssensor
mit dem entsprechenden Drehzahlsignal des Drehzahlsensors verglichen.
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Dies kann beispielsweise dazu dienen,
Offset-, Verstärkungs-,
Linearitätsfehler
oder dergleichen bei einer der Messungen festzustellen und mögliches
Temperaturdriften eines Sensors auszugleichen.
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In vorteilhafter Weise kann ein solcher
Ausgleich dadurch erfolgen, dass die Auswerteschaltung beispielsweise
eine mit der Drehzahlvergleichseinrichtung verbundene Abweichungskorrektureinrichtung
aufweist. Durch diese wird der Drehzahlwert korrigiert und der korrigierte
Wert als Drehzahl-Istwert einer möglichen Weiterverarbeitung
zugeführt.
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Findet die Drehzahlbestimmung gemäß Erfindung
beispielsweise bei einem Synchronmotor oder einer anderen elektrischen
Maschine statt, kann die Auswerteschaltung mit einer Drehzahlregelschaltung,
insbesondere einem Servoantriebsregler für die elektrische Maschine
verbunden sein. Dabei kann neben dem Positionswert der korrigierte
Drehzahlistwert für
die Drehzahl-/Geschwindigkeitsregelung und die Posititonsregelung
genutzt werden.
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Um Störungen im Sensor und im Signalweg von
Sensor zur Auswerteschaltung und damit entsprechende Fehler des
Signals zu eliminieren, kann die Auswerteschaltung Filter aufweisen.
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Um insgesamt einen mechanisch und
elektronisch einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Drehbewegungserfassungsvorrichtung
zu erhalten, können
Positionssensor und Drehzahlsensor in einem Bauteil integriert sein.
Wird beispielsweise ein Resolver als Positionssensor verwendet,
ist eine gemeinsame Wechselspannung zur Speisung von Positionssensor
und Drehzahlsensor ausreichend. Das Bauteil ist insgesamt nur wenig
größer als
der Resolver an sich und die Auswertung des Drehzahlsignals vom
erfindungsgemäßen Drehzahlsensor
kann auch von der bereits vorhandenen Auswerteelektronik direkt
oder mit nur minimalem Zusatzaufwand übernommen werden. Das Bauteil
kann auch als Nachrüstbausatz
verwendet werden, um beispielsweise Position und Drehzahl bei bestimmten
Vorrichtungen zu messen, die einen drehenden Bestandteil haben wie
Schweißroboter,
Pumpen, Mühlen,
Schrauber oder dergleichen.
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Außerdem erhält man durch die beiden Sensoren
eine redundante Überwachung
zumindest der Drehzahl, wie es z.B. für eine Überwachung eines Schleichgangs
in Industrierobotern erforderlich ist.
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Es ist selbstverständlich auch
möglich,
dass der erfindungsgemäße Drehzahlsensor
in Antrieben mit herkömmlichen
Hall-Sensoren für
die Kommutierung (Six-Step-Geber) kombiniert wird. Eine einfache Auswerteelektronik
wird auf einer ohnehin vorhandenen Platine für die Hall-Sensoren integriert.
In Verbindung mit einem entsprechend mikroprozessgesteuerten Regelgerät ist ein
preiswerter, dynamisch hochwertiger und gegebenenfalls sinus-kommutierter
Antrieb möglich.
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Ebenso ist es möglich, aus dem Drehzahlsignal
durch Integration eine Positionsinformation zu gewinnen. Diese ist
insbesondere für
kurzzeitige Relativwegmessungen ausreichend, um beispielsweise in
Druckluft-Pulsschraubem die Winkelerfassung durchzuführen. Die
Winkelerfassung kann dabei während
der kurzen Pulse erfolgen.
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Um eine sich durch eine Polfrequenz
des Drehzahlsensors ergebende Welligkeit des Signals weitestgehend
zu kompensieren, kann der Stator wenigstens zweiteilig ausgebildet
sein, wobei die entsprechenden Statorhälften insbesondere elektrisch miteinander
verschaltet und versetzt zueinander angeordnet sind. Die Versetzung
zueinander kann in diesem Zusammenhang insbesondere eine Polteilung
betragen.
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Um auf eine Synchrongleichrichtung
gegebenenfalls verzichten zu können
und trotzdem eine Signalauswertung mit Feldorientierung, Ermittlung
einer Schlupfdrehzahl o der dergleichen zu erhalten, können je
zwei Erregerwicklungen um je 90° versetzt zu
entsprechend zwei Messwicklungen angeordnet sein.
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Im folgenden werden vorteilhafte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der in Zeichnungen beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
prinzipielle Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drehbewegungserfassungsvorrichtung;
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2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II aus 3 durch
einen Drehzahlsensor mit einem beispielsweise 8-poligen Stator;
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3 eine
Draufsicht auf einen Stator eines Drehzahlsensors nach 2 von einer Innenseite her;
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4 Verlauf
der Stromdichte im Rotor und der Flussdichte im Luftspalt über zwei
Polteilungen des Stators, bei Drehzahl Null und Rotor in Ruhe;
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5 Messsignale
analog zu 4 für einen
drehenden Rotor;
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6 ein
Anwendungsbeispiel für
die erfindungsgemäße Drehbewegungserfassungsvorrichtung
bei einem Servomotor;
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7 eine
Prinzipdarstellung einer Auswerteschaltung für den Drehzahlsensor; und
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8 eine
Prinzipdarstellung zur Signalauswertung von Positionssensor und
Drehzahlsensor.
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In 1 ist
eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Drehbewegungserfassungsvorrichtung 1 dargestellt.
Diese weist einen Drehzahlsensor 2 und einen Resolver 15 als
Positionssensor 14 auf. Beide Sensoren können in
einem Bauteil mit zugehöriger
Auswerteelektronik oder -schaltung integriert sein.
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Beide Sensoren 4, 5 sind
einer drehenden Welle 29 zugeordnet und weisen zumindest
ein sich mit dieser Welle drehendes Bauelement auf.
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Bei dem Drehzahlsensor 2 dreht
ein Rotor 4 zusammen mit der Welle 29 und bei
dem Resolver 15 dreht sich wenigstens eine Wicklung zusammen
mit der Welle 29.
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Dem Rotor 4 ist ein äußerer Stator 3 zugeordnet,
siehe 2, in dem der
Rotor 4 sich dreht, wobei zwischen beiden ein Spalt 10 gebildet
ist.
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Auf einer Innenseite des Stators 3 sind
Erregerwicklungen, 6, 7, 8, 9 und
Messwicklungen 24, 25, 26, 27 angeordnet,
die in 1 zur Vereinfachung
jeweils zusammengefasst sind.
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Sowohl der Resolver 15 als
auch die Erregerwicklungen 6, 7, 8, 9 erhalten
von einer Spannungsversorgung 11 eine entsprechend hochfrequente
Wechselspannung, durch die beim Drehzahlsensor 2 ein Magnetfeld
bzw. ein magnetischer Fluss im Spalt 10 erzeugt wird.
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Durch den sich entsprechend zur Wechselspannung
verändernden
magnetischen Fluss und zusätzlich
durch Drehung des Rotors 4 in Bewegungsrichtung 5 werden
im Rotor 4 Wirbelströme
erzeugt, deren Größe im wesentlichen
durch die Erregerfrequenz, die geometrischen Abmessungen sowie den
spezifischen Widerstand des Rotormaterials bestimmt sind.
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Die Wirbelströme erzeugen ein dem durch die
Erregerwicklungen erzeugten Magnetfeld entgegengesetztes Magnetfeld
und einen entsprechenden magnetischen Fluss im Luftspalt 10.
Dieser wiederum durchsetzt die Messwicklungen 24, 25, 26, 27 und
induziert in diesen Wicklungen eine Spannung. Dieses Spannungssignal
wird ausgewertet, siehe beispielsweise die 6 und 7,
und enthält
eine Information über
die Drehrichtung und Drehzahl des Rotors 4.
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In 2 ist
ein Schnitt entlang der Linie II-II aus 3 dargestellt. Der Schnitt verläuft senkrecht zur
Welle 29, auf der beispielsweise ein ringförmiger Rotor 4 aufsteckbar
ist.
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Der Rotor 4 ist auf der
Welle zentriert, um eine Welligkeit mit Polfrequenz klein zu halten
und ist wie auch der Stator 3 so ausgebildet, dass der
Spalt 10 sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung
des Rotors 4 eine konstante Spaltbreite aufweist.
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Der Stator 3 ist als Hohlzylinder
ausgebildet und weist auf seiner Innenseite in Längsrichtung verlaufende Nuten
auf, in denen die Wicklungen 6, 7, 8, 9 und 24, 25, 26, 27 angeordnet
sind. Jeweils eine Erregerwicklung 6, 7, 8, 9 ist überlappend
mit einer Messwicklung 24, 25, 26, 27 angeordnet,
wobei jedes dieser Wicklungspaare elektrisch um 90° versetzt
zueinander angeordnet ist.
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In 3 ist
eine Ansicht der Innenseite des Stator 3 in vereinfachter
Weise dargestellt. Insbesondere zwei einander zur Hälfte überlappende
Wicklungen sind sichtbar, von denen eine Wicklung eine Erregerwicklung 6 und
die andere Wicklung eine Messwicklung 24 ist. Die anderen
Wicklungen nach 2 sind
in analoger Weise angeordnet, wobei alle Erregerwicklungen und alle
Messwicklungen in Reihe geschaltet sind.
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In 4 ist
ein Messdiagramm von Stromdichte 31 im Rotor 4 und
von Flussdicht 30 im Luftspalt 10 dargestellt,
wobei der Rotor sich relativ zum Stator nicht dreht.
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Diese Darstellung entspricht einem
stehenden Motor bzw. einer nicht drehenden Welle, wobei das resultierende
Feld durch Wirbelströme
im Rotor in den Messwicklungen Null ist, da sich das von den Wirbelströmen erzeugte
Feld in der einen geometrischen Hälfte der Messwicklung 24 mit
dem entsprechenden Feld in der komplementären Hälfte kompensiert. Daher wird
in der entsprechenden Messwicklung keine Spannung induziert.
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Dreht sich der Rotor, siehe 5, verschiebt sich das Luftspaltfeld
räumlich
durch zusätzliche
Wirbelströme
im Rotor, wobei sich das Feld in einer geometrischen Hälfte der
entsprechenden Messwicklung verstärkt und in der komplementären Hälfte ab schwächt. Dadurch
heben sich die Felder nicht mehr auf und es ergibt sich eine Spannung
in der Messwicklung 24, welche je nach Drehrichtung des
Rotors in Phase oder in Gegenphase zur entsprechenden Erregerspannung
in der Erregerwicklung ist.
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Im Zusammenhang mit den 4 und 5 wird darauf hingewiesen, dass Rotor
und Stator auch linear aufgebaut sein können, d.h., dass der Rotor
beispielsweise eine Aluminiumschiene ist und sich entlang eines
gradlinigen Stators, siehe 4 und 5, bewegt. In einer solchen
Weise kann die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung
beispielsweise in Linearmotoren eingesetzt werden, die eine sehr
feine Auflösung
von Geschwindigkeitsistwerten erfordern.
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In 6 ist
ein weiteres Anwendungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Drehbewegungsertassungsvorrichtung 1 dargestellt.
Es handelt sich um eine Messanordnung zur Prüfung der Rundlaufgenauigkeit
von Servoantrieben. Dabei ist der Drehzahlsensor 2 auf
einer Seite einer elektrischen Maschine, wie beispielsweise eines
Synchronmotors 28, auf einer durch diesen angetriebenen
Welle 29 und der Resolver 15 als Positionssensor 14 auf
der anderen Seite des Synchronmotors 28 ebenfalls auf der Welle 29 angeordnet.
Entsprechende Teile der beiden Sensoren drehen sich mit der Welle
und es werden Signale bezüglich
Drehzahl und Position der Welle erfasst.
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Die Signale des Drehzahlsensors 2 werden in
einer Auswerteschaltung 12 ausgewertet, die eine Ist-Drehzahl 46 abgibt. Über eine
Drehzahlregelschaltung 22 für den Synchronmotor 28 erfolgt
in diesem Zusammenhang gleichzeitig die Übermittlung einer entsprechenden
Versorgungsspannung 45 an Auswerteschaltung 12 und
ebenso an die entsprechenden Wicklungen des Drehzahlsensors 2.
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Der Resolver 15 übermittelt
entsprechende Positionsdaten an die Drehzahlregelschaltung 22, die
nach außen
Istwerte 43, 44 für Drehzahl und Position abgeben
kann. Außerdem
kann die Drehzahlregelschaltung 22 von außen einen
Sollwert 42 für die
Drehzahl empfangen.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass
der von der Drehzahlregelschaltung 22 nach außen abgegebene
Drehzahl-Istwert 43 ein durch Differenzieren des durch
den Resolver 15 gemessenen Positionswerte bestimmter Drehzahlwert,
der Drehzahlwert 46 der Auswerteschaltung 12 oder
ein aus diesen beiden Drehzahlen korrigierter Drehzahl-Istwert sein kann.
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In 7 ist
ein vereinfacht dargestelltes Ausführungsbeispiel für eine Auswerteschaltung 12 dargestellt.
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Von einer Spannungsversorgung 11 wird
ein hochfrequentes Spannungssignal über ggf. einen Leistungsverstärker 39 an
die Erregerwicklungen 6, 7, 8, 9 übermittelt.
Gleichzeitig wird das Spannungssignal an phasenempfindliche Gleichrichter,
wie beispielsweise Synchrongleichrichter bzw. Synchrondemodulatoren 13 übermittelt.
Das Leistungsverstärkersignal
wird vom Verstärker 39 ebenfalls
an einen Synchrondemodulator 13 übermittelt. Das Spannungssignal
der Messwicklungen 24, 25, 26, 27 wird zuerst
in einem Vorverstärker 40 verstärkt und
anschließend
gleichgerichtet im Synchrondemodulator 13. Die entsprechenden
Signale in den Synchrondemodulatoren 13 können durch
entsprechende Filter 23 gefiltert und anschließend an
einen Ausgangsverstärker 41 übermittelt
werden. Dort folgt eine Signalskalierung, ggf. eine weitere Filterung
durch Filter 23 und schließlich eine Ausgabe eines Spannungssignals,
das einer Ist-Drehzahl 46 des Rotors 4 entspricht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drehzahlsensor
ist ein Linearitätsfehler
einer Drehzahlkennlinie relativ gering und ein dynamisches Verhalten
des Drehzahlsensors zeigt im Vergleich zum Resolver trotz Filterung
im Synchrongleichrichter einen deutlichen Phasengewinn. Weiterhin
ist die Auflösung
der Ist-Drehzahl wesentlich höher
als bei einem Resolver und ein der Ist-Drehzahl überlagertes Rauschen ist äußerst gering
und kann durch digitale Signalerfassung unterdrückt werden.
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In 8 ist
eine vereinfachte Signalauswertung von Drehzahlsensoren 2 und
Positionssensor 14 mittels einer Drehzahlregelschaltung 22 für einen Servomotor
dargestellt. Eingangssignale der Drehzahlregelschaltung 22 sind
beispielsweise sin-Signale 33 und cos-Signale 34 vom
Resolver 15, siehe 6,
und das Spannungssignal der Messwicklungen 24, 25, 26, 27 des
Drehzahlsensors 2 oder alternativ das bereits aufbereitete
Drehsignal 46 des Drehzahlsensors 2 bzw. der Auswerteschaltung 12.
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Zur weiteren computerisierten Verarbeitung dieser
Werte bzw. Signale werden diese in A/D-Wandlern 16, 17, 18 digitalisiert.
Anschließend erfolgt
aus den Resolver-Signalen 33, 34 die
Ermittlung einer entsprechenden Position beispielsweise der drehenden
Welle 29, siehe 6,
in einer Winkelerfassungseinrichtung 35 und aus dem Positionswert
wird in einer Differenziereinrichtung 19 ein Drehzahlwert
bestimmt. Ein entsprechender Positionswert 36 kann zur
Lageregelung, zur Kommutierung oder dergleichen von der Drehzahlregelschaltung 22 nach außen abgegeben
werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit,
dass die aus dem Positionswert 36 bestimmte Drehzahl 37 ebenfalls
nach außen
zur Regelung der Drehzahl abgegeben wird oder einer Drehzahlvergleichseinrichtung 20 und
einer Abweichungskorrektureinrichtung 21 zusammen mit Positionswert 36 und
der digitalisierten Drehzahl 32 zugeführt wird.
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Durch die Drehzahlvergleichseinrichtung 20 werden
die beiden auf unterschiedliche Weise bestimmten Drehzahlen miteinander
verglichen und dienen zur Kompensation von beispielsweise Offsetfehlern,
Temperaturdriften, Verstärkungsdriften
oder dergleichen bei der Messung einer der Drehzahlen. Ein entsprechend
korrigierter Drehzahlwert wird in der Abweichungskorrektureinrichtung 21 bestimmt und
nach außen
als korrigierte Drehzahl 38 abgegeben. Insbesondere dieser
korrigierte Drehzahlwert 38 kann zur Drehzahlregelung des
Synchronmotors 28, siehe 6,
herangezogen werden.
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Erfindungsgemäß ergibt sich somit eine Drehbewegungsertassungsvorrichtung
mit insbesondere einem Drehzahlsensor, der auch bei sehr hohen Drehzahlen
einsetzbar ist, der robust, ist und im mechanischen Aufbau sehr
einfach und in großen Stückzahlen
preiswert herstellbar ist. Die Drehzahl wird durch den erfindungsgemäßen Drehzahlsensor direkt
erfasst und eine Erfassung der Drehzahl über den Umweg des Differenzierens
von Positionswerten entfällt.
Damit ist die Drehzahlauflösung
nicht mehr von einer Abtastfrequenz der Regelung abhängig, sondern
nur noch von der Auflösung
einer nachgeschalteten Elektronik zur Signalauswertung.
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Je hochpoliger der Stator ausgelegt
ist, desto geringer ist eine Welligkeit des Messsignals, d.h. der Drehzahl
und desto geringer sind die Anforderungen an den Rotor bzw. desto
besser ist der Gleichlauf. Erfindungsgemäß kann der Drehzahlsensor mit
einem Positionssensor in einfacher Weise kombiniert werden. Werden
die Messsig nale des Positionssensors außerdem differenziert, so erhält man eine
redundante Überwachung
der Drehzahl.