DE4129577A1 - Messsystem zur drehwinkelmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem zur Drehwinkelmessung eines motorisch angetriebenen Drehgliedes, z. B. Welle, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Solche bekannten Meßsysteme arbeiten auf elektrischer, optischer oder magnetischer Basis (Dr. Hans Walcher "Winkel- und Wegemessung im Maschinenbau", VDI-Verlag, 1985). Bei der Digital-Inkrementalmessung erfolgt dabei eine Quantisierung der Meßgröße in Inkrementen und deren anschließende Zählung. Zum Festlegen und Wiederfinden einer definierten Ausgangsposition nach Stromausfall des Antriebsmotors ist das Referenzsignal erforderlich. Mit diesem Referenzsignal wird der Zähler in einer eindeutig beschriebenen Position auf Null oder einen anderen vorwählbaren Wert gesetzt. Die Möglichkeit, das Meßsystem mittels Referenzsignal auf einen beliebig vorwählbaren Wert voreinstellen zu können, ist ein Vorteil der inkrementalen Meßmethode mit ihrer Freiheit in der Wahl des Bezugssystems.

In vielen Anwendungsfällen besteht die Forderung neben oder anstelle der inkrementalen Drehwinkelmessung weitere Meßgrößen zu erfassen. Beispielsweise ist für Servoachsen die Erfassung der absoluten Achsposition über eine Vielzahl von Umdrehungen oder bei Synchronmotoren die Erfassung der absoluten Rotorlage während einer Umdrehung zur Motorregelung erforderlich. In solchen fällen muß zur Herstellung der Kompatibilität das Meßsystem bezüglich der Sensoren, der Signalübertragungsleitungen zu der Auswerteeinheit und Teilen der Auswerteeinheit modifiziert oder erweitert werden, was immer einen zusätzlichen individuellen Konstruktions- und Fertigungsaufwand erfordert.

In anderen Anwendungsfällen ist es wünschenswert, bei jeder Inbetriebnahme des Meßsystems spezifische Daten des Meßsystems und/oder des Antriebsmotors in der Auswerteeinheit automatisch zur Verfügung zu haben. Solche spezifischen Daten sind z. B. sog. Signalkonditionierungsparameter oder Motorkenndaten, wie Motortyp, Seriennummer, Nenndaten etc.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das in einem breiteren Anwendungsbereich zur Erfassung verschiedener Meßgrößen elektrisch kompatibel ist und/oder die Forderung nach Verfügbarkeit von systemspezifischen Daten in der Auswerteeinheit bei Inbetriebnahme erfüllt, trotzdem einen reduzierten elektrischen und mechanischen Fertigungsaufwand erfordert.

Die Aufgabe ist bei einem Meßsystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Meßsystem kann ohne Eingriff in das Meßsystem im Einzelfall je nach Anwendungsfall wahlweise die eine oder andere Meßgröße oder alle Meßgrößen gemessen und/oder die systemspezifischen Daten in der Auswerteeinheit verfügbar gemacht werden. Durch die Verwendung der gleichen Signal- bzw. Referenzsignal-Übertragungsleitungen für die Übertragung aller Sensor- und Speicherdaten an die Auswerteeinheit bleibt trotz Datenspeicher und hoher Sensorzahl einerseits der Leitungsaufwand gering und andererseits die Zahl der notwendigen Eingänge in der Auswerteeinheit konstant. Der elektrische Aufwand wird damit bei gesteigerter Leistungsfähigkeit des Meßsystems gering gehalten und ist nur geringfügig größer als bei dem Einfach- Meßsystem. Die Steuersignale für die Auswahl der jeweils zu übertragenden Daten werden von der Auswerteeinheit vorgegeben und über die Referenzsignal-Übertragungsleitungen übertragen.

Wird z. B. der weitere Sensor so ausgebildet, daß er die Drehung des Drehgliedes analog erfaßt, z. B. während einer Umdrehung des Drehgliedes jeweils eine Periode eines angenäherten Sinussignals und Cosinussignals erzeugt, so werden diese Signale über die Signalübertragungsleitungen bzw. Referenzsignal-Übertragungsleitungen der Auswerteeinheit zugeführt, die aus dem arctan des Quotienten der Signalamplituden den absoluten Drehwinkel bestimmt.

Ist der weitere Sensor in dieser Weise ausgebildet und werden zu dessen Signalübertragung die Signalübertragungsleitungen verwendet, so können z. B. wahlweise nur die Ausgangssignale des weiteren Sensors auf die Signalübertragungsleitungen aufgeschaltet werden. In diesem Fall kann das Meßsystem als Gebersystem für die Kommutierung bzw. Regelung eines Synchronmotors verwendet werden.

Es ist auch möglich, alle Sensoren zeitlich nacheinander auf die Signalübertragungsleitungen bzw. die Referenzsignal- Übertragungsleitungen aufzuschalten. Beispielsweise wird bei stillstehendem Antriebsmotor zunächst der weitere Sensor auf die Übertragungsleitungen aufgeschaltet und damit in der Auswerteeinheit die absolute Position des Drehglieds ermittelt. Mit Einschalten des Antriebsmotors wird dann der erste Sensor mit inkrementaler Meßwerterfassung auf die Übertragungsleitungen aufgeschaltet. In der Auswerteeinheit wird nun der momentane Drehwinkel oder die momentane Drehposition des Drehglieds, bezogen auf die Absolutstellung vor Drehbeginn, ermittelt. Ein solches Meßsystem kann für Lageregelung an Werkzeugmaschinen eingesetzt werden.

Soll beispielsweise das Meßsystem auch für die absolute Drehwinkelerfassung über mehrere Umdrehungen des Drehglieds geeignet sein, so ist es von vornherein mit mehreren weiteren Sensoren zur analogen Meßwerterfassung auszustatten, wobei jeder weitere Sensor im Verhältnis i:1 untersetzt an dem vorhergehenden weiteren Sensor angekoppelt ist. Jeder dieser weiteren Sensoren mißt damit die Zahl der Umdrehungen des jeweils vorhergehenden weiteren Sensors in der sog. Sensorkaskade. Alle weiteren Sensoren werden zeitversetzt auf die Übertragungsleitungen zur Auswerteeinheit aufgeschaltet, und zwar bei stehendem Drehglied, so daß in der Auswerteeinheit bei Inbetriebnahme des Meßsystems die Absolutposition des Drehglieds nach vorausgegangenen beliebig vielen Umdrehungen festgestellt werden kann. Mit Einschalten des Antriebsmotors wird dann wiederum der erste Sensor auf die Übertragungsleitungen aufgeschaltet. In allen Fällen werden die Steuersignale zur Aufschaltung der Sensoren in der Auswerteeinheit generiert und über die Referenzsignal- Übertragungsleitungen übertragen. Die Aufschaltung der Sensoren auf die Signalübertragungsleitungen erfolgt vorzugsweise durch einen Multiplexer und auf die Referenzsignal-Übertragungsleitungen vorzugsweise unter Analog-/Digitalwandlung durch einen Mikrocomputer.

Sensoren zur analogen Meßwerterfassung sind bekannt. Ein Beispiel hierfür sind die sog. Resolver. Ein Resolver weist beispielsweise einen Rotor mit wechselspannungsgespeister Spule, der starr mit dem Drehglied zu koppeln ist, und zwei am Umfang des Rotors feststehende, zueinander räumlich versetzte Empfangsspulen auf. Bei der Drehung des Rotors wird in der einen Empfangsspule eine sinusmodulierte und in der anderen Empfangsspule eine cosinusmodulierte Wechselspannung gleicher Frequenz induziert. Der arctan des Quotienten beider induzierter Wechselspannungen ist ein Maß für die Drehposition des Rotors und damit des Drehglieds innerhalb einer Umdrehung.

Wird der Rotor eines weiteren Resolvers über ein Untersetzungsgetriebe von dem Rotor des ersten Resolvers und der Rotor eines dritten Resolvers über ein weiteres Untersetzungsgetriebe von dem Rotor des vorhergehenden weiteren Resolvers usw. angetrieben, so entsteht eine sog. Resolverkaskade, bei welcher der Rotor des letzten Resolvers in der Kette über den gesamten Arbeitsbereich nur eine Umdrehung ausführt. Die Absolutposition des nachfolgenden Rotors ist damit ein Maß für die Zahl der Umdrehungen des vorhergehenden Rotors. Die vorstehend beschriebene Sensorkaskade kann beispielsweise durch eine solche Resolverkaskade realisiert werden. Andere Sensoren zur analogen Meßwerterfassung arbeiten auf elektrischer, optischer oder optronischer Basis.

Die Aufschaltung des Datenspeichers zur Übertragung der Speicherdaten an die Auswerteeinheit bei Inbetriebnahme des Meßsystems erfolgt bevorzugt mittels eines Mikrocomputers auf die Referenzsignal-Übertragungsleitungen, und zwar unabhängig vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der vorstehend beschriebenen weiteren Sensoren. Die Speicherdaten werden bei Endprüfung des Meßsystems komplett in dem bevorzugt als Festwertspeicher (PROM, EPROM, EEPROM) ausgebildeten Datenspeicher abgelegt. Mit Einschalten der Versorgungsspannung (Netz-Ein) wird durch Reset am Mikrocomputer das Meßsystem in seinen Ausgangszustand gesetzt und anschließend der Datenspeicher auf die Referenzsignal- Übertragungsleitungen geschaltet. Damit beginnt der Transfer der Speicherdaten zu der Auswerteeinheit. Ist dieser abgeschlossen und sind auch bei vorhandenen weiteren Sensoren deren Ausgangssignale zu der Auswerteeinheit übertragen, was zeitlich vor oder nach dem Speicherdatentransfer erfolgen kann, so werden die Referenzsignal-Übertragungsleitungen mit dem Referenzsignalgeber verbunden. Das Meßsystem kann nunmehr zum Meßvorgang aktiviert, d. h. der Antriebsmotor für das Drehglied eingeschaltet werden.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Meßsystems mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines Meßsystems zur Drehwinkelmessung,

Fig. 2 eine Adressiertabelle des Adresskomparators in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 und 4 jeweils eine Schaltungsanordnung eines Meßsystems zur Drehwinkelmessung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele,

Fig. 5 und 6 jeweils eine schematische Darstellung eines Sensorelements zur analogen Meßwerterfassung im Meßsystem gemäß Fig. 1 oder 3 und 4 in Draufsicht (Fig. 5) und in Seitenansicht (Fig. 6).

Das in Fig. 1 im Schaltplan dargestellte Meßsystem zur Drehwinkelmessung eines hier nicht dargestellten motorisch angetriebenen Drehgliedes, z. B. einer drehenden Welle, weist drei Sensorelemente 11, 12, 13, einen Referenzsignalgeber 14 sowie eine Auswerte- und Regeleinheit 15 auf, die einerseits aus den Ausgangssignalen der Sensorelemente 11-13 unter Heranziehung des Referenzsignals den Drehwinkel bestimmt und andererseits die Auswahl der Sensorelemente 11-13 steuert. Die Stromversorgung der Sensorelemente 11-13 und des Referenzsignalgebers 14 erfolgt ebenso von der Auswerte- und Regeleinheit 15 aus über zwei Versorgungsleitungen 16, 17. Zur Übertragung der Referenzsignale ist die Auswerte- und Regeleinheit 15 über zwei Referenzsignal- Übertragungsleitungen 18, 19 mit dem Referenzsignalgeber 14 verbunden. Die Signalübertragung von den Sensorelementen 11-13 zu der Auswerte- und Regeleinheit 15 erfolgt über vier Signalübertragungsleitungen 20-23.

Das Sensorelement 11 dient zur inkrementalen Meßwerterfassung. Ein solches inkrementales Sensorelement ist beispielsweise aus der DE 34 35 867 A1 bekannt. Es besteht im wesentlichen aus einem zahnradähnlichen Rotor aus weichmagnetischem Material, der an zwei Feldplatten 24, 25 zweier Feldplatten-Differentialfühler 26, 27 mit geringem Radialabstand vorbeidreht und dadurch die Widerstandswerte der Feldplatten 24, 25 ändert. Die beiden Feldplatten- Differentialfühler 26, 27 sind mit jeweils zwei Widerständen 28, 29 zu einer Brückenschaltung zusammengefaßt, deren Brückenanschlüsse a und b mit den Versorgungsleitungen 16, 17 verbunden und deren Diagonalzweig-Anschlüsse c und d auf die Signalübertragungsleitungen 20-23 aufschaltbar sind. Die beiden Feldplatten-Differentialfühler 26, 27 sind dabei räumlich feststehend und zueinander räumlich versetzt derart angeordnet, daß die an den Anschlüssen c bzw. d der Differentialfühler 26, 27 abgenommenen Signale S1, S2 bzw. -S1, -S2 jeweils zueinander um 90° phasenverschoben sind. Die Signale -S1, -S2 an den Anschlüssen d sind zu den Signalen S1, S2 an den Anschlüssen c invertiert. In der Auswerte- und Regeleinheit 15 werden aus den Signalen S1 bzw. S2 und den invertierten Signalen -S1 bzw. -S2 jeweils die Differenzsignale gebildet und aus den Differenzsignalen Winkelschrittimpulse abgeleitet und gezählt. Die Anzahl der Zählimpulse ist ein Maß für die Drehwinkelstellung der drehenden Welle, bezogen auf einen beliebigen Drehausgangspunkt. Zur Festlegung dieses Ausgangspunktes dient der Referenzsignalgeber 14. Im einfachsten Fall besteht der Referenzsignalgeber 14 wiederum aus einem Feldplatten- Differentialfühler 31 mit den Feldplatten 41, 42 und aus einem am Rotor des Sensorelements 11 angeordneten Radialzahn, der während einer Umdrehung des Rotors einmal kurz am Feldplatten-Differentialfühler 31 vorbeidreht und dadurch die Widerstandswerte beider Feldplatten 41, 42 kurzzeitig variiert. Die Ausgänge e, f des Feldplatten- Differentialfühlers 31 sind über die Referenzsignal- Übertragungsleitungen 18, 19 an der Auswerte- und Regeleinheit 15 und dort an den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers 32 angeschlossen. Dreht der Radialzahn an dem Feldplatten-Differentialfühler 31 vorbei, so tritt am Ausgang des Differenzverstärkers 32 ein sog. Referenzimpuls auf, der eine bestimmte Rotorstellung definiert.

Der Aufbau des Sensorelements 12 zur analogen Meßwerterfassung ist in Fig. 5 und 6 schematisch dargestellt. Es weist eine Meßscheibe 33 aus weichmagnetischem Material auf, das drehfest mit dem angetriebenen Drehglied bzw. der drehenden Welle zu verbinden ist. Die Meßscheibe 33 trägt auf ihrer einen Scheibenfläche eine Spiralnut 34, die im Beispiel mit drei vollen Umdrehungen um jeweils 360° ausgeführt ist. Räumlich feststehend sind zwei Feldplatten-Differentialfühler 35, 36 angeordnet, die axial zur Meßscheibe 33 ausgerichtet sind, so daß ihre jeweils beiden Feldplatten 37, 38 mit Luftabstand der Spiralnut 34 in Achsrichtung der Meßscheibe 33 gegenüberliegen. Die beiden Feldplatten-Differentialfühler 35, 36 sind auf einem zur Achse der Meßscheibe 33 konzentrischen Kreisbogen um 90° gegeneinander versetzt. Eine andere räumliche Anordnung der beiden Feldplatten- Differentialfühler 35, 36 ist ebenfalls möglich. In jedem Fall ist die Anordnung der Feldplatten-Differentialfühler 35, 36 und die Ausbildung der Spiralnut 34 so getroffen, daß pro Umdrehung der Meßscheibe 33 eine der beiden Feldplatten- Differentialfühler, hier der Feldplatten-Differentialfühler 35, eine Periode eines annähernden Sinussignals und der andere, hier der Feldplatten-Differentialfühler 36, eine Periode eines annähernden Cosinussignals liefert. Jeder Feldplatten-Differentialfühler 35, 36 ist wiederum mit zwei Widerständen 39, 40 zu einer Brückenschaltung zusammengefaßt (Fig. 1), wobei die Brückenanschlüsse a-d in gleicher Weise belegt sind, wie bei den vorstehend beschriebenen Feldplatten-Differentialfühlern 26, 27 des Sensorelements 11, d. h. der Anschluß a mit der 5-V-Versorgungsgleichspannung, der Anschluß b mit Nullpotential und die Anschlüsse c und d mit den Signalübertragungsleitungen 20-23. Damit steht pro Umdrehung der Meßscheibe 33 an dem Anschluß c des Feldplatten-Differentialfühlers 35 etwa ein Sinussignal, an dessen Anschluß d etwa ein invertiertes Sinussignal, an dem Anschluß c des Feldplatten-Differentialfühlers 36 etwa ein Cosinussignal und an dessen Anschluß d etwa ein invertiertes Cosinussignal an. In der Auswerte- und Regeleinheit 15 wird das Sinus- und invertierte Sinussignal sowie das Cosinus- und invertierte Cosinussignal je einem Differenzbildner (Differenzverstärker) zugeführt, und der Drehwinkel der drehenden Welle wird als arctan des Quotienten der beiden Ausgangssignale der Differenzbildner gewonnen.

Der beschriebene zahnradähnliche Rotor des Sensorelements 11 kann in der Weise mit der Meßscheibe 33 des Sensorelements 12 zusammengefaßt sein, daß die Meßscheibe 33 zusätzlich zu ihrer Spiralnut 34 noch eine Außenverzahnung trägt, die von den beiden radial angeordneten Feldplatten- Differentialfühlern 26, 27 abgetastet wird.

Das Sensorelement 13, das ebenfalls der analogen Meßwerterfassung dient, ist identisch dem Sensorelement 12 aufgebaut. Dessen Meßscheibe sitzt jedoch nicht auf der drehenden Welle, deren Drehposition erfaßt werden soll, sondern auf einer Abtriebswelle eines Untersetzungsgetriebes, das von der Meßscheibe 33 des Sensorelements 12 oder von der drehenden Welle selbst angetrieben wird. Die Meßscheibe des Sensorelements 13 ist damit im Verhältnis i:1 untersetzt und führt eine Umdrehung aus, wenn die Meßscheibe 33 des Sensorelements 12 i Umdrehungen ausführt. Die Sensorelemente 12 und 13 bilden eine sog. Drehmelderkaskade, wie sie beispielsweise in der Literaturstelle Prof. Dr. G. Stute "Die Lageregelung an Werkzeugmaschinen", FISW-Selbstverlag, Stuttgart, 1975, Seite 234 und 235 beschrieben ist. Mit dieser Meßkaskade kann der Absolutdrehwinkel der drehenden Welle über mehrere Umdrehungen gemessen werden.

Zur Aufschaltung der verschiedenen Sensorelemente 11, 12 und 13 ist zwischen den Ausgängen c und d der Sensorelemente 11-13 und den Signalübertragungsleitungen 20-23 ein Multiplexer 30 vorgesehen, dessen insgesamt zwölf Eingänge mit jeweils einem der Anschlüsse c und d der Sensorelemente 11-13 verbunden sind und dessen vier Ausgänge über jeweils einen Signalverstärker 43 an je einer der Signalübertragungsleitungen 20-23 angeschlossen sind. Der Multiplexer 30 wird von einem Adresskomparator 44 gesteuert, dessen beide Adressausgänge A0, A1 an dem Steuereingang des Multiplexers 30 und dessen beide Steuereingänge 01 und 01- an den beiden Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 angeschlossen sind. Die Steuersignale für den Adresskomparator 44 werden von zwei Gleichspannungspotentialen unterschiedlichen Pegels gebildet. Hierzu sind die beiden Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 jeweils über einen Widerstand 45 bzw. 46 und einen Transistor 47 bzw. 48 mit Nullpotential verbunden. Sind die Transistoren 47, 48 gesperrt, so liegt auf jeder der Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 und damit an jedem Eingang 01 und 01- des Adresskomparators 44 eine 5-V-Gleichspannungspotential an. Sind die Transistoren 47, 48 durchgeschaltet, so sinkt das Gleichspannungspotential auf 2,5 V ab. In Fig. 2 ist die Adressiertabelle für den Multiplexer 30 dargestellt. Je nach Steuersignal an den Eingängen 01 und 01- des Adresskomparators 44 werden die beiden Ausgänge c und die beiden Ausgänge d des Sensorelements 11, des Sensorelements 12 und des Sensorelements 13 zeitlich nacheinander auf die Signalübertragungsleitungen 20-23 aufgeschaltet.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Meßsystems ist wie folgt:

Mit Einschalten der Betriebsversorgungsspannung 5 V werden von der Auswerte- und Regeleinheit 15 aus die Steuersignale für den Adresskomparator 44 über die Referenzsignal- Übertragungsleitungen 18, 19 so an den Adresskomparator 44 gelegt, daß die vom Adresskomparator 44 an den Multiplexer 30 ausgelesenen Adressen diesen so schalten, daß zeitlich nacheinander zunächst die Sensorelemente 12 und 13 auf die Signalübertragungsleitungen 20-23 aufgeschaltet werden. Damit wird in der Auswerte- und Regeleinheit 15 die Absolutposition der Welle vor Einschalten des Antriebsmotors für die Welle festgestellt, und zwar innerhalb der Gesamtzahl der Drehungen der Welle im Arbeitsbereich. Wird nunmehr der Antriebsmotor eingeschaltet und beginnt die Welle zu drehen, so wird der Multiplexer 30 über den Adresskomparator 44 so angesteuert, daß er nunmehr das Sensorelement 11 auf die Signalübertragungsleitungen 20-23 aufschaltet. Bei Drehung der Welle werden nunmehr die aus den Sensorsignalen des inkrementalen Sensorelementes 11 abgeleiteten Zählimpulse, ausgehend von der zuvor festgestellten Absolutposition der Welle gezählt und der momentane Drehwinkel bestimmt.

Das in Fig. 3 im Schaltplan dargestellte Meßsystem ist gegenüber dem Meßsystem in Fig. 1 insoweit modifiziert, als die Adressierung des Multiplexers 30 nicht von einem Adresskomparator sondern einem Mikrocomputer 50 vorgenommen wird, und darüber hinaus im Mikrocomputer 50 ein Datenspeicher 60 (EEPROM) integriert ist, in dem systemspezifische Daten abgespeichert sind. Beispiele solcher systemspezifischer Daten sind Geberdaten, Signalkonditionierungsdaten, Reparaturdaten oder Motordaten des die Welle treibenden Antriebsmotors, wie Motortyp, Seriennummer, Nenndaten. Diese Speicherdaten werden bei der Endprüfung des Meßsystems komplett im Datenspeicher 60 abgespeichert und bei jeder Inbetriebnahme des Meßsystems automatisch der Auswerte- und Regeleinheit 15 angeboten. Die Übertragung dieser Daten erfolgt über die Referenzsignal- Übertragungsleitungen 18, 19, wozu die Datenausgänge 61, 62 des Mikrocomputers 50 über Leitungen 58, 59 an einem Multiplexer 51 angeschlossen sind, der wechselweise die Referenzsignal- Übertragungsleitungen 18, 19 mit den Datenausgängen 61, 62 und den Ausgängen des Referenzsignalgebers 14 verbindet. Der Multiplexer 51 wird von dem Mikrocomputer 50 gesteuert. Zur Adressierung des Multiplexers 30 sind dessen Steuereingänge mit Adressausgängen A0, A1 des Mikrocomputers 50 verbunden, dessen Datenausgänge 61, 62 zugleich die Steuereingänge zum Auslesen der abgespeicherten Steueradressen oder sonstigen Steuerdaten für den Multiplexer 30 bilden.

Der Mikrocomputer 50 kommuniziert über die Referenzsignal- Übertragungsleitungen 18, 19 mit einem in der Auswerte- und Regeleinheit 15 vorhandenen weiteren Mikrocomputer 52, der über einen Tri-state-Treiber 53 an die Referenzsignal- Übertragungsleitungen 18, 19 angeschlossen ist. Die Widerstände 45, 46 dienen zum Abschluß der Referenzsignal­ Übertragungsleitungen 18, 19 bei Kommunikation der beiden Mikrocomputer 50, 52, also bei bidirektionaler Datenübertragung, durch Aufsteuern der Transistoren 47, 48.

Die Wirkungsweise dieses Meßsystems ist wie folgt:

Mit Einschalten der Versorgungsgleichspannung (Netz-Ein) wird durch den Resetimpuls das gesamte Meßsystem in seine Grundstellung zurückgesetzt. Danach schaltet der Mikrocomputer 50 zunächst den Multiplexer 51 so, daß die Datenausgänge 61, 62 mit den Referenzsignal- Übertragungsleitungen 18, 19 verbunden sind. Nunmehr werden die Speicherdaten aus dem Datenspeicher 60 kodiert ausgegeben und über die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 der Auswerte- und Regeleinheit 15 zugeführt. Dies kann entweder durch eine Programmroutine im Mikrocomputer 50 oder durch ein Abfragesignal des Mikrocomputers 52 ausgelöst werden. Anschließend werden vom Mikrocomputer 52 über die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 entsprechende Steuersignale an die Steuereingänge 61, 62 des Mikrocomputers 50 gegeben, wodurch dieser die Adressausgänge A0, A1 und damit die Steuereingänge des Multiplexers 30 mit solchen Adressen belegt, daß die Sensoren 12 und 13 zeitseriell auf die Signalleitungen 20-23 aufgeschaltet werden. Ist die Übertragung der Daten der Sensoren 12, 13 beendet, wird durch ein von dem Mikrocomputer 52 ausgegebenes Steuersignal über die Adressierung durch den Mikrocomputer 50 der Multiplexer 30 umgeschaltet, so daß nunmehr die Ausgänge des ersten Sensors 11 mit den Signalübertragungsleitungen 20-23 verbunden sind. Gleichzeitig wird der Multiplexer 51 vom Mikrocomputer 50 zurückgeschaltet, so daß nunmehr der Referenzsignalgeber 14 an den Referenzsignal- Übertragungsleitungen 18, 19 liegt. Jetzt wird das Meßsystem durch Einschalten des Antriebsmotors für die Welle aktiviert. Zu diesem Zeitpunkt stehen in der Auswerte- und Regeleinheit 15 bereits alle Speicherdaten sowie die Sensordaten über die Ausgangsposition der Welle zur Auswertung zur Verfügung.

Bei dem Meßsystem gemäß Fig. 4 werden im Unterschied zu Fig. 3 für die Übertragung der Ausgangssignale der analogen Sensorelemente 12 und 13 nicht die Signalübertragungsleitungen 20-23 sondern die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 verwendet. Die Signalübertragungsleitungen 20-23 sind fest mit den Ausgängen c und d der beiden Differentialfühler 26, 25 des inkrementalen Sensorelements 11 verbunden, wobei wie in Fig. 1 jeder Signalübertragungsleitung 20-23 ein Signalverstärker 43 vorgeschaltet ist.

Die Ausgänge c und d der beiden Differentialfühler 35, 36 des Sensorelements 12 und des Sensorelements 13 sind jeweils an den Eingängen eines Differenzverstärkers 54 angeschlossen, so daß bei jeder Umdrehung der mit den Feldplatten- Differentialfühlern 35, 36 zusammenwirkenden Meßscheiben an den Ausgängen der Differenzverstärker 54 eine Periode eines angenäherten Sinus- bzw. Cosinussignals abgenommen werden kann. Die Ausgänge der Differenzverstärker 54 sind mit Analogeingängen eines Mikrocomputers 55 verbunden, dessen beide Digitalausgänge 61, 62 über die Ausgangsleitungen 58, 59 und dem Multiplexer 51 an den Referenzsignal- Übertragungsleitungen 18, 19 angeschlossen sind. Jeweils zwei Analogeingänge werden wechselweise auf die beiden Digitalausgänge 61, 62 aufgeschaltet, wobei die an den Analogeingängen anstehenden Analogsignale einer Analog- Digital-Wandlung unterzogen werden. Über die Referenzsignal- Übertragungsleitungen 18, 19 gelangen somit die Ausgangssignale des Sensorelements 12 bzw. des Sensorelements 13 digital gewandelt in die Auswerte- und Regeleinheit 15 und können hier entsprechend erfaßt und weiterverarbeitet werden. Die Digitalausgänge 61, 62 übernehmen gleichzeitig die Funktion der Datenausgänge 61, 62 wie beim Mikrocomputer 50 in Fig. 3, so daß über die Leitungen 58, 59 und den Multiplexer 51 die Speicherdaten aus dem Datenspeicher 60 auf die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 aufschaltbar sind. Der Multiplexer 51 schließt wiederum in seiner anderen Schaltstellung den Referenzsignalgeber 14 an die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 an. Der Multiplexer 51 wird von dem Mikrocomputer 55 in gleicher Weise gesteuert, wie dies zu Fig. 3 beschrieben ist. Über die Leitungen 56, 57 ist der Mikrocomputer 55 direkt mit den Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 verbunden und kann somit ständig mit dem Mikrocomputer 52 kommunizieren oder von dort einseitig Steuerbefehle empfangen.

Wie bei dem Mikrocomputer im Meßsystem der Fig. 3 ist auch hier der Mikrocomputer 55 mit einem Datenspeicher 60 (EEPROM) ausgerüstet, in welchem die systemspezifischen Daten abgespeichert sind. Diese werden in gleicher Weise wie zu Fig. 3 beschrieben nach Netz-Ein automatisch über die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 an die Auswerte- und Regeleinheit 15 übertragen. Letztere weist wie in Fig. 3 den Mikrocomputer 52 auf, der über den Tri-state-Treiber 53 an den Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 angeschlossen ist. Bei der bidirektionalen Kommunikation der Mikrocomputer 55 und 52 stellen die Datenausgänge 61, 62 zugleich die Steuereingänge für Steuerdaten dar.

Die Wirkungsweise dieses Meßsystems ist wie folgt:

Durch den mit Netz-Ein ausgelösten Reset wird das Meßsystem in seine Ausgangsposition zurückgesetzt. Danach steuert der Mikrocomputer 55 den Multiplexer 51 so an, daß die mit den digitalen Datenausgängen 61, 62 verbundenen Leitungen 58, 59 an die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 angeschlossen werden. Nunmehr werden nacheinander einerseits die Speicherdaten aus dem Datenspeicher 60 kodiert ausgelesen und über die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 zu der Auswerte- und Regeleinheit 15 übertragen und andererseits jeweils zwei der Analogeingänge des Mikrocomputers 55 nacheinander auf die Digitalausgänge 61, 62 aufgeschaltet, wodurch die Ausgangssignale der Sensoren 12, 13 digital gewandelt über die Ausgangsleitungen 56, 57 und die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 an die Auswerte- und Regeleinheit 15 gelangen. Die zeitliche Reihenfolge der verschiedenen Vorgänge ist dabei beliebig definierbar. Ist diese Datenübertragung beendet, so steuert der Mikrocomputer 55 den Multiplexer 51 um, und dieser verbindet wieder den Referenzsignalgeber 14 mit den Referenzsignal- Übertragungsleitungen 18, 19. Nunmehr wird durch Einschalten des Antriebsmotors für die Welle das Meßsystem aktiviert und über die Signalübertragungsleitungen 20-23 werden die Ausgangssignale des Sensors 11 der Auswerte- und Regeleinheit 15 zugeführt. Die vorstehend beschriebenen Steuervorgänge können entweder durch eine Programmroutine im Mikrocomputer 55 zeitlich aufeinanderfolgend ausgelöst oder durch Kommunikation zwischen den beiden Mikrocomputern 55 und 52 von letzterem durch entsprechende Steuerdaten, die über Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 und den Leitungen 58, 59 an den Mikrocomputer 55 gelangen, einzeln aufgerufen werden. Im übrigen stimmt das Meßsystem gemäß Fig. 4 mit dem Meßsystem in Fig. 3 überein, so daß gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

In einer Abwandlung des Meßsystems gemäß Fig. 4 können auch die weiteren Sensoren 12 und 13 entfallen. Dann bleiben die Analog- und Digitalausgänge des Mikrocomputers 55 ungenutzt, und bei der Inbetriebnahme des Meßsystems werden nur die Speicherdaten aus dem Datenspeicher 60 kodiert ausgegeben und über die Referenzsignal-Übertragungsleitungen 18, 19 an die Auswerte- und Regeleinheit 15 übertragen.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So müssen die Sensorelemente 11-13 nicht auf magnetischer Basis arbeiten und als Feldplatten-Differentialfühler ausgebildet werden. Vielmehr sind hier beliebige optische, elektrische, optronische und magnetische Sensorelemente einsetzbar. Auch ist die Erfindung für die Messung anderer Meßgrößen als den Drehwinkel eines motorisch angetriebenen Drehgliedes anwendbar, beispielsweise auch zur linearen Wegmessung.

Des weiteren kann zu den beschriebenen Sensorelementen 12, 13 noch ein zusätzliches Sensorelement hinzugefügt werden, das beispielsweise durch eine auf der Meßscheibe 33 angeordnete zusätzliche Spiralnut mit größerer Steigung, die von zwei axial angeordneten Feldplatten-Differentialfühler abgetastet wird, realisiert wird. Die Ausbildung der Spiralnut ist dabei so getroffen, daß während einer Umdrehung der Meßscheibe der Sensor mehrere Perioden eines annähernden Sinus- und Cosinussignals erzeugt, die zur Feinauflösung des Absolutmeßwertes ausgewertet werden.

Claims (9)

1. Meßsystem zur Drehwinkelmessung eines motorisch angetriebenen Drehgliedes, z. B. Welle, mit einem Sensor zur inkrementalen Meßwerterfassung, mit einer Auswerteeinheit zur Ermittlung des Drehwinkels aus den Sensorsignalen, mit Signalübertragungsleitungen, die den Sensor mit der Auswerteeinheit verbinden, mit einem Referenzsignalgeber, der ein die Bezugslage bei der Drehwinkelermittlung definierendes Referenzsignal erzeugt, und mit Referenzsignal-Übertragungsleitungen, die den Referenzsignalgeber mit der Auswerteeinheit verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Sensor (12, 13) für eine zusätzliche Meßwerterfassung und/oder ein Datenspeicher (60) mit abgespeicherten systemspezifischen Daten vorgesehen ist, daß zur Übertragung der Ausgangssignale des mindestens einen weiteren Sensors (12, 13) und/oder der Speicherdaten an die Auswerteeinheit (15) die Ausgänge (c, d) von Sensor (12, 13) und/oder Datenspeicher (60) zeitweise auf die Signalübertragungsleitungen (20-23) oder Referenzsignal-Übertragungsleitungen (18, 19) aufschaltbar sind und daß Steuersignale zur Steuerung des Aufschaltvorgangs auf den Referenzsignal- Übertragungsleitungen (18, 19) übertragen werden.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Sensor (12, 13) zur analogen Meßwerterfassung innerhalb einer Umdrehung des Drehgliedes ausgebildet ist und die Auswerteeinheit (15) aus den Ausgangssignalen des weiteren Sensors (12, 13) den Absolutdrehwinkel ermittelt.

3. Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren weiteren Sensoren (12, 13) der jeweils nächste weitere Sensor (13) an dem vorhergehenden weiteren Sensor (12) im Verhältnis i:1 untersetzt derart angekoppelt ist, daß die Auswerteeinheit (15) aus den Ausgangssignalen der weiteren Sensoren (13) die Anzahl der Umdrehungen des Drehgliedes ermittelt.

4. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (c, d) der Sensoren (11-13) mit den Eingängen eines Multiplexers (30) verbunden sind, dessen Ausgänge an den Signalübertragungsleitungen (20-23) liegen, und daß die Steuereingänge des Multiplexers (30) mit einer an den Referenzsignal-Übertragungsleitungen (18, 19) angeschlossenen Adressiereinheit (44, 50) verbunden sind.

5. Meßsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Adressiereinheit als Adresskomparator (44) mit zwei an den Referenzsignal-Übertragungsleitungen (18, 19) angeschlossenen Steuereingängen (01, 01-) und zwei an den Steuereingängen des Multiplexers (30) angeschlossenen Adressausgängen (A0, A1) ausgebildet ist, der entsprechend der Kombination der an seinen beiden Steuereingänge (01, 01-) anliegenden Steuersignale eine zugeordnete, die Schaltstellung des Multiplexers (30) vorgebende Adresse ausgibt.

6. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenspeicher (60) in einen Mikrocomputer (50; 55) integriert ist, dessen digitale Datenausgänge (61, 62) an einem mit den Referenzsignal- Übertragungsleitungen (18, 19) verbundenen Multiplexer (51) angeschlossen sind und daß der Multiplexer (51) wechselweise die Referenzsignal-Übertragungsleitungen (18, 19) mit den Datenausgängen (61, 62) und den Ausgängen des Referenzsignalgebers (14) verbindet.

7. Meßsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Adressiereinheit vom Mikrocomputer (50) gebildet ist, dessen an den mit den Referenzsignal- Übertragungsleitungen (18, 19) verbundenen Multiplexer (51) angeschlossenen Datenausgänge (61, 62) zugleich die Steuereingänge zum Auslesen von abgespeicherten Steueradressen für den mit den Signalübertragungsleitungen (20-23) verbundenen Multiplexer (30) bilden, und daß mit den ausgelesenen Steueradressen belegbare Adressausgänge (A0, A1) des Mikrocomputers (50) mit den Steuereingängen dieses Multiplexers (30) verbunden sind.

8. Meßsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (55) Analogeingänge aufweist, die über Differenzverstärker (54) mit den Ausgängen (c, d) der weiteren Sensoren (12, 13) verbunden sind, daß die Analogeingänge unter Analog-/Digital-Wandlung auf die digitalen Datenausgänge (61, 62) aufschaltbar sind und daß der Mikrocomputer (55) über Leitungen (56, 57) ständig an den Referenzsignal-Übertragungsleitungen (18, 19) zum Empfang von Steuerbefehle für das Auslesen der Speicherdaten und Aufschalten der Analogeingänge angeschlossen ist.

9. Meßsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Referenzsignal- Übertragungsleitungen (18, 19) verbundene Multiplexer (51) von dem Mikrocomputer (50; 55) derart gesteuert ist, daß dieser nach Reset am Mikrocomputer (50; 55) die Referenzsignal-Übertragungsleitungen (18, 19) zunächst mit den Datenausgängen bzw. Steuereingänge (61, 62) des Mikrocomputers (50; 55) und nach Abschluß der Übertragung der Speicherdaten aus dem Datenspeicher (60) und/oder der Ausgangssignale der weiteren Sensoren (12, 13) zu der Auswerteeinheit (15) dann mit dem Referenzsignalgeber (14) verbindet.