DE10040385A1 - Drehbewegungserfassungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Drehbewegungserfassungsvorrichtung weist einen Drehzahlsensor auf. Dieser hat zumindest einen unbewegten Stator und einen relativ zu diesem drehbaren Rotor aus einem nicht magnetischen Material. Am Stator sind Erregerwicklungen und Messwicklungen angeordnet. Die Erregerwicklungen sind zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in einem Spalt zwischen Stator und Rotor mit einer Spannungsversorgung verbunden. Die Messwicklungen sind zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit auf der Grundlage einer von im Rotor fließenden Wirbelströmen in den Messwicklungen induzierten Spannung mit einer Auswerteschaltung verbunden. DOLLAR A Um die Drehbewegungserfassungsvorrichtung im Aufbau zu vereinfachen und kompakt und preiswert zu gestalten, ist der Rotor magnetisch rückschlussfrei innerhalb des Stators angeordnet und zylinder- oder ringförmig ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehbewegungserfassungssvorrichtung mit einem Dreh­ zahlsensor aus zumindest einem unbewegbaren Stator und einem relativ zu diesem drehbaren, nicht magnetischen Rotor, wobei am Stator Erregerwicklungen und Mess­ wicklungen angeordnet sind, welche Erregerwicklungen zur Erzeugung eines magne­ tischen Flusses in einem zwischen Stator und Rotor gebildeten Spalt mit einer Span­ nungsversorgung verbunden sind, und welche Messwicklungen mit einer Auswerte­ schaltung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit auf der Grundlage einer von im Rotor fließenden Wirbelströmen in den Messwicklungen induzierten Spannung ver­ bunden sind.

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.

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 auf­ grund 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.

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.

Bei höheren Anforderungen an die Genauigkeit der Positions- und Drehzahlerfassung werden optische Inkrementalgeber mit hochauflösenden Analogausgängen einge­ setzt. Diese zeigen zwar eine relativ hohe Genauigkeit, sind aber nur für geringere Drehzahlen und für einen begrenzten Temperaturbereich einsetzbar und außerdem relativ teuer.

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 Drehzahl­ sensor wenigstens einen Stator und einen Rotor auf. Der Stator trägt zumindest die Erregerwicklungen und gegebenenfalls Messwicklungen. Fließt durch die Erreger­ wicklungen durch Anlegen einer entsprechenden Spannung mittels einer Spannungs­ versorgung 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 Aus­ werteschaltung die Drehgeschwindigkeit des Rotors bestimmbar.

Bei einem Ausführungsbeispiel des Tachometergenerators nach DE-PS 1 064 739 sind die Erreger- und Messwicklungen beide an einem Stator angeordnet, der in einem be­ cherförmigen Rotor eingesteckt ist.

Bei dem vorbekannten Stand der Technik ist von Nachteil, dass eine separate Lage­ rung für den becherförmigen Rotor notwendig ist und dieser in seiner Herstellung re­ lativ 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 Drehbewe­ gungserfassungsvorrichtung und insbesondere des Drehzahlsensors aufwendig und teuer wird. Außerdem führt der magnetische Rückschluss zu einer großen elektri­ schen Zeitkonstante des Systems, so dass die Messung schnellster Geschwindig­ keitsänderungen 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 Präzisi­ on des Spaltes sowie des Rotors gestellt werden müssen.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gegenstand 7 der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein einfach aufgebau­ ter, 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 her­ kömmlichen Gebern, wie Resolver oder Inkrementalgeber, wesentlich verbessert wird.

Diese Aufgabe wird im Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Pa­ tentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Rotor magnetisch rückschlussfrei innerhalb des Stator angeordnet und zylinder- oder ringförmig ausgebildet ist.

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 erfindungs­ gemäßen Anordnung und Ausbildung des Rotors ein magnetischer Rückschluss ent­ fällt, 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 be­ reits eine elektrische Spannung induziert wird, können Messwicklungen und Erreger­ wicklungen elektrisch um 90° versetzt zueinander am Stator angeordnet sein.

Damit die erfindungsgemäße Drehbewegungserfassungsvorrichtung 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 ge­ schaltet sein, um über alle Erregerwicklungen gleichzeitig und einen gleichen magnetischen Fluss zu erzeugen und entsprechend gleichzeitig in allen Messwicklungen entsprechende Spannungswerte zu induzieren.

Um zu verhindern, dass über den Stator eine Induktion in den Messwicklungen durch die Erregerwicklungen erfolgt, kann der Stator geblecht oder in Ferrit- bzw. Eisenpul­ vermaterial ausgeführt sein.

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.

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 Wechselspan­ nung demoduliert und man erhält eine Gleichspannung, deren Vorzeichen jeweils ei­ ner Drehrichtung des Rotors entsprechen.

Um nicht nur die Drehzahl mittels der erfindungsgemäßen Drehbewegungserfas­ sungsvorrichtung messen und überwachen zu können, kann die Bewegungserfas­ sungsvorrichtung einen Positionssensor aufweisen. Solche Positionssensoren wurden eingangs bereits erwähnt, wie Inkrementalgeber oder Six-Step-Geber, wobei letzterer durch entsprechende Hall-Elemente realisiert wird.

Um einen robusten und für die Positionsbestimmung in der Regel ausreichend ge­ nauen Positionssensor zu erhalten, kann beispielsweise ein Resolver verwendet wer­ den.

Um die entsprechenden Signale von Positionssensor und Drehzahlsensor computeri­ siert auswerten zu können, kann die Auswerteschaltung A/D-Wandler zur Digitalisie­ rung 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.

Um zusätzlich zur Drehzahlinformation des erfindungsgemäßen Drehzahlsensors ei­ nen Vergleichswert für die Drehzahl zu erhalten, kann die Auswerteschaltung eine Differenziereinrichtung und eine Drehzahlvergleichseinrichtung aufweisen. Mittels die­ ser 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.

Dies kann beispielsweise dazu dienen, Offset-, Verstärkungs-, Linearitätsfehler oder dergleichen bei einer der Messungen festzustellen und mögliches Temperaturdriften eines Sensors auszugleichen.

In vorteilhafter Weise kann ein solcher Ausgleich dadurch erfolgen, dass die Auswer­ teschaltung beispielsweise eine mit der Drehzahlvergleichseinrichtung verbundene Abweichungskorrektureinrichtung aufweist. Durch diese wird der Drehzahlwert korri­ giert und der korrigierte Wert als Drehzahl-Istwert einer möglichen Weiterverarbeitung zugeführt.

Findet die Drehzahlbestimmung gemäß Erfindung beispielsweise bei einem Syn­ chronmotor oder einer anderen elektrischen Maschine statt, kann die Auswerteschal­ tung 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 Posi­ titonsregelung genutzt werden.

Um Störungen im Sensor und im Signalweg von Sensor zur Auswerteschaltung und damit entsprechende Fehler des Signals zu eliminieren, kann die Auswerteschaltung Filter aufweisen.

Um insgesamt einen mechanisch und elektronisch einfachen Aufbau der erfindungs­ gemäßen 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 Aus­ werteelektronik 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 derglei­ chen.

Außerdem erhält man durch die beiden Sensoren eine redundante Überwachung zu­ mindest der Drehzahl, wie es z. B. für eine Überwachung eines Schleichgangs in In­ dustrierobotern erforderlich ist.

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 vorhande­ nen Platine für die Hall-Sensoren integriert. In Verbindung mit einem entsprechend mikroprozessgesteuerten Regelgerät ist ein preiswerter, dynamisch hochwertiger und gegebenenfalls sinus-kommutierter Antrieb möglich.

Ebenso ist es möglich, aus dem Drehzahlsignal durch Integration eine Positionsinfor­ mation 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.

Um eine sich durch eine Polfrequenz des Drehzahlsensors ergebende Welligkeit des Signals weitestgehend zu kompensieren, kann der Stator wenigstens zweiteilig aus­ gebildet sein, wobei die entsprechenden Statorhälften insbesondere elektrisch mitein­ ander verschaltet und versetzt zueinander angeordnet sind. Die Versetzung zueinan­ der kann in diesem Zusammenhang insbesondere eine Polteilung betragen.

Um auf eine Synchrongleichrichtung gegebenenfalls verzichten zu können und trotz­ dem eine Signalauswertung mit Feldorientierung, Ermittlung einer Schlupfdrehzahl oder dergleichen zu erhalten, können je zwei Erregerwicklungen um je 90° versetzt zu entsprechend zwei Messwicklungen angeordnet sein.

Im folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der in Zeichnungen beigefügten Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer er­ findungsgemäßen Drehbewegungserfassungsvorrichtung;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 3 durch einen Drehzahlsen­ sor mit einem beispielsweise 8-poligen Stator;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Stator eines Drehzahlsensors nach Fig. 2 von einer Innenseite her;

Fig. 4 Verlauf der Stromdichte im Rotor und der Flussdichte im Luftspalt über zwei Polteilungen des Stators, bei Drehzahl Null und Rotor in Ruhe;

Fig. 5 Messsignale analog zu Fig. 4 für einen drehenden Rotor;

Fig. 6 ein Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Drehbewegungser­ fassungsvorrichtung bei einem Servomotor;

Fig. 7 eine Prinzipdarstellung einer Auswerteschaltung für den Drehzahlsen­ sor; und

Fig. 8 eine Prinzipdarstellung zur Signalauswertung von Positionssensor und Drehzahlsensor.

In Fig. 1 ist eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Drehbewegungs­ erfassungsvorrichtung 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.

Beide Sensoren 4, 5 sind einer drehenden Welle 29 zugeordnet und weisen zumindest ein sich mit dieser Welle drehendes Bauelement auf.

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.

Dem Rotor 4 ist ein äußerer Stator 3 zugeordnet, siehe Fig. 2, in dem der Rotor 4 sich dreht, wobei zwischen beiden ein Spalt 10 gebildet ist.

Auf einer Innenseite des Stators 3 sind Erregerwicklungen, 6, 7, 8, 9 und Messwicklun­ gen 24, 25, 26, 27 angeordnet, die in Fig. 1 zur Vereinfachung jeweils zusammenge­ fasst sind.

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.

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 Erregerfre­ quenz, die geometrischen Abmessungen sowie den spezifischen Widerstand des Rotormaterials bestimmt sind.

Die Wirbelströme erzeugen ein dem durch die Erregerwicklungen erzeugten Magnet­ feld entgegengesetztes Magnetfeld und einen entsprechenden magnetischen Fluss im Luftspalt 10. Dieser wiederum durchsetzt die Messwicklungen 24, 25, 26, 27 und indu­ ziert in diesen Wicklungen eine Spannung. Dieses Spannungssignal wird ausgewer­ tet, siehe beispielsweise die Fig. 6 und 7, und enthält eine Information über die Drehrichtung und Drehzahl des Rotors 4.

In Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 3 dargestellt. Der Schnitt verläuft senkrecht zur Welle 29, auf der beispielsweise ein ringförmiger Rotor 4 aufsteckbar ist.

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 Um­ fangsrichtung als auch in Längsrichtung des Rotors 4 eine konstante Spaltbreite auf­ weist.

Der Stator 3 ist als Hohlzylinder ausgebildet und weist auf seiner Innenseite in Längs­ richtung verlaufende Nuten auf, in denen die Wicklungen 6, 7, 8, 9 und 24, 25, 26, 27 an­ geordnet sind. Jeweils eine Erregerwicklung 6, 7, 8, 9 ist überlappend mit einer Mess­ wicklung 24, 25, 26, 27 angeordnet, wobei jedes dieser Wicklungspaare elektrisch um 90° versetzt zueinander angeordnet ist.

In Fig. 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 Mess­ wicklung 24 ist. Die anderen Wicklungen nach Fig. 2 sind in analoger Weise angeord­ net, wobei alle Erregerwicklungen und alle Messwicklungen in Reihe geschaltet sind.

In Fig. 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.

Diese Darstellung entspricht einem stehenden Motor bzw. einer nicht drehenden Welle, wobei das resultierende Feld durch Wirbelströme im Rotor in den Messwick­ lungen Null ist, da sich das von den Wirbelströmen erzeugte Feld in der einen geo­ metrischen Hälfte der Messwicklung 24 mit dem entsprechenden Feld in der komple­ mentären Hälfte kompensiert. Daher wird in der entsprechenden Messwicklung keine Spannung induziert.

Dreht sich der Rotor, siehe Fig. 5, verschiebt sich das Luftspaltfeld räumlich durch zu­ sätzliche Wirbelströme im Rotor, wobei sich das Feld in einer geometrischen Hälfte der entsprechenden Messwicklung verstärkt und in der komplementären Hälfte abschwächt. 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.

Im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 5 wird darauf hingewiesen, dass Rotor und Stator auch linear aufgebaut sein können, d. h., dass der Rotor beispielsweise eine A­ luminiumschiene ist und sich entlang eines gradlinigen Stators, siehe Fig. 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.

In Fig. 6 ist ein weiteres Anwendungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Drehbewe­ gungserfassungsvorrichtung 1 dargestellt. Es handelt sich um eine Messanordnung zur Prüfung der Rundlaufgenauigkeit von Servoantrieben. Dabei ist der Drehzahlsen­ sor 2 auf einer Seite einer elektrischen Maschine, wie beispielsweise eines Syn­ chronmotors 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.

Die Signale des Drehzahlsensors 2 werden in einer Auswerteschaltung 12 ausge­ wertet, die eine Ist-Drehzahl 46 abgibt. Über eine Drehzahlregelschaltung 22 für den Synchronmotor 28 erfolgt in diesem Zusammenhang gleichzeitig die Übermittlung ei­ ner entsprechenden Versorgungsspannung 45 an Auswerteschaltung 12 und ebenso an die entsprechenden Wicklungen des Drehzahlsensors 2.

Der Resolver 15 übermittelt entsprechende Positionsdaten an die Drehzahlregel­ schaltung 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.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass der von der Drehzahlregelschaltung 22 nach au­ ßen abgegebene Drehzahl-Istwert 43 ein durch Differenzieren des durch den Resol­ ver 15 gemessenen Positionswerte bestimmter Drehzahlwert, der Drehzahlwert 46 der Auswerteschaltung 12 oder ein aus diesen beiden Drehzahlen korrigierter Dreh­ zahl-Istwert sein kann.

In Fig. 7 ist ein vereinfacht dargestelltes Ausführungsbeispiel für eine Auswerteschal­ tung 12 dargestellt.

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 bei­ spielsweise Synchrongleichrichter bzw. Synchrondemodulatoren 13 übermittelt. Das Leistungsverstärkersignal wird vom Verstärker 39 ebenfalls an einen Synchrondemo­ dulator 13 übermittelt. Das Spannungssignal der Messwicklungen 24, 25, 26, 27 wird zuerst in einem Vorverstärker 40 verstärkt und anschließend gleichgerichtet im Syn­ chrondemodulator 13. Die entsprechenden Signale in den Synchrondemodulatoren 13 können durch entsprechende Filter 23 gefiltert und anschließend an einen Ausgangs­ verstärker 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.

Bei dem erfindungsgemäßen Drehzahlsensor ist ein Linearitätsfehler einer Drehzahl­ kennlinie 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.

In Fig. 8 ist eine vereinfachte Signalauswertung von Drehzahlsensoren 2 und Positi­ onssensor 14 mittels einer Drehzahlregelschaltung 22 für einen Servomotor darge­ stellt. Eingangssignale der Drehzahlregelschaltung 22 sind beispielsweise sin-Signale 33 und cos-Signale 34 vom Resolver 15, siehe Fig. 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.

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 dre­ henden Welle 29, siehe Fig. 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.

Durch die Drehzahlvergleichseinrichtung 20 werden die beiden auf unterschiedliche Weise bestimmten Drehzahlen miteinander verglichen und dienen zur Kompensation von beispielsweise Offsetfehlern, Temperaturdriften, Verstärkungsdriften oder derglei­ chen bei der Messung einer der Drehzahlen. Ein entsprechend korrigierter Drehzahl­ wert wird in der Abweichungskorrektureinrichtung 21 bestimmt und nach außen als korrigierte Drehzahl 37 abgegeben. Insbesondere dieser korrigierte Drehzahlwert 38 kann zur Drehzahlregelung des Synchronmotors 28, siehe Fig. 6, herangezogen wer­ den.

Erfindungsgemäß ergibt sich somit eine Drehbewegungserfassungsvorrichtung mit insbesondere einem Drehzahlsensor, der auch bei sehr hohen Drehzahlen einsetzbar ist, der robust ist und im mechanischen Aufbau sehr einfach und in großen Stückzah­ len preiswert herstellbar ist. Die Drehzahl wird durch den erfindungsgemäßen Dreh­ zahlsensor direkt erfasst und eine Erfassung der Drehzahl über den Umweg des Diffe­ renzierens von Positionswerten entfällt. Damit ist die Drehzahlauflösung nicht mehr von einer Abtastfrequenz der Regelung abhängig, sondern nur noch von der Auflö­ sung einer nachgeschalteten Elektronik zur Signalauswertung.

Je hochpoliger der Stator ausgelegt ist, desto geringer ist eine Welligkeit des Mess­ signals, 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 Messsignale des Positionssensors außerdem differenziert, so erhält man eine redundante Ü­ berwachung der Drehzahl.

Claims (16)

1. Drehbewegungserfassungsvorrichtung (1) mit einem Drehzahlsensor (2) aus zu­ mindest einem unbewegten Stator (3) und einem relativ zu diesem drehbaren Ro­ tor (4), wobei am Stator (3) Erregerwicklungen (6, 7, 8, 9) und Messwicklungen (24, 25, 26, 27) angeordnet sind, welche Erregerwicklungen (6, 7, 8, 9) zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in einem zwischen Stator (3) und Rotor (4) gebildeten Spalt (10) mit einer Spannungsversorgung (11) verbunden sind und welche Messwicklungen (24, 25, 26, 27) mit einer Auswerteschaltung (12) zur Bestimmung der Drehzahl auf der Grundlage einer von im Rotor (4) fließenden Wirbelströmen in den Messwicklungen (24, 25, 26, 27) induzierten Spannung verbunden sind, da­ durch gekennzeichnet, dass der nichtmagnetische Rotor (4) magnetisch rück­ schlussfrei innerhalb des Stators (3) angeordnet und zylinder- oder ringförmig ausgebildet ist.

2. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass Erregerwicklungen (6, 7, 8, 9) und Messwicklungen (24, 25, 26, 27) jeweils elektrisch um 90° versetzt zueinander am Stator (3) angeordnet sind.

3. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass an der Erregerwicklung (6, 7, 8, 9) durch die Spannungsversor­ gung (11) eine Wechselspannung hoher Frequenz anlegbar ist.

4. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) geblecht oder in Ferrit- bzw. Eisenpulvermaterial ausgeführt ist.

5. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) aus Kupfer, Alumi­ nium, Messing, Konstantan/Manganin oder anderen elektrisch gut leitfähigen Werkstoffen gebildet ist.

6. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach wenigstens einem vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (12) einen phasenempfindlichen Gleichrichter (13), insbesondere Synchrongleichrichter, auf­ weist.

7. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegungserfassungs­ vorrichtung (1) einen Positionssensor (14) aufweist.

8. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (14) ein Re­ solver (15) ist.

9. Drehbewegungsserfassungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (12) A/D- Wandler (16, 17, 18) zur Digitalisierung der Signale von Positionssensor (14) und/oder Drehzahlsensor (2) aufweist.

10. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (12) eine Differenziereinrichtung (19) und eine Drehzahlvergleichseinrichtung (20) aufweist.

11. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (12) eine mit der Drehzahlvergleichseinrichtung (20) verbundene Abweichungskorrekturein­ richtung (21) aufweist.

12. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (12) mit einer Drehzahlregelschaltung (22), insbesondere einem Servoantriebsregler für eine elektrische Maschine verbunden ist, wobei Positionssensor (14) und Dreh­ zahlsensor (2) entsprechend einer Welle der Maschine zugeordnet sind.

13. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (12) Filter (23) zur Reduktion von Welligkeiten der Signale des Drehzahlsensors (2) aufweist.

14. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Drehzahlsensor (2) und Positi­ onssensor (14) in einem Bauteil integriert sind.

15. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) wenigstens zweiteilig ausgebildet ist, wobei die entsprechenden Statorhälften, insbesondere elektrisch miteinander verschaltet und versetzt zueinander angeordnet sind.

16. Drehbewegungserfassungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei Erregerwicklungen (6, 7, 8, 9) um je 90° versetzt zu entsprechend zwei Messwicklungen (24, 25, 26, 27) angeordnet sind.