DE3346502A1

DE3346502A1 - Positionsabtasteinrichtung

Info

Publication number: DE3346502A1
Application number: DE19833346502
Authority: DE
Inventors: William Allen Andover Mass. Gerard
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1982-12-27
Filing date: 1983-12-22
Publication date: 1984-06-28
Also published as: GB2132362A; GB2132362B; FR2538535B1; IL70416A0; GB8334582D0; IL70416A; JPS59133408A; US4514689A; FR2538535A1

Description

Die Erfindung betrifft das Wahrnehmen der Position eines linear beweglichen Elements mit hoher Auflösung und bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zum Abtasten der Stellung eines rasch bewegten Elements mit hoher Auflösung, beispielsweise einer Abstimmwelle eines Nagnetrons, dessen Frequenz agil, d.h. leicht veränderlich ist.

Häufig muß die Stellung eines schnell bewegten Elements mit hoher Auflösung wahrgenommen werden können. Dieses Erfordernis besteht z.B. beim Abstimmen eines Magnetrons mit agiler Frequenz. Die Resonanzfrequenz des Magnetrons wird durch Antreiben eines Abstimmkolbens mit hoher Geschwindigkeit schnell variiert. Während des Antriebs des Abstimmkolbens muß die Resonanzfrequenz des Magnetrons mit hoher Auflösung bekannt sein. Im allgemeinen ist der Gesamtweg, den der Abstimmkolben zurücklegt nur klein und beträgt meistens weniger als 25,4 mm (1 ZolDj aber er bewegt sich sehr rasch, typischerweise mit 6,35 mm/ms (0,25 Zoll/ ms). T-^Tm die Position des Abstimmkolbens dabei mit hoher Auflösung wahrnehmen zu können, ist ein schnellwirkendes Abtastsystem nötig. Wenn z.B. die Geschwindigkeit 6,35 mm/ms (0,25 Zoll/ms) betragt und eine Auflösung von 0,13 mm (0,005 Zoll) nötig ist, müssen pro Sekunde mindestens 50 000 Abtastungen bzw. Abfragungen der Position vorgenommen werden.

Die nötige Auflösung kann mit optischen Kodierern erreicht werden, bei denen eine Optik Linien auf einem bewegten Glaskörper zählt. Diese optischen Kodierer sind jedoch für viele Anwendungsfälle zu teuer, es besteht die Gefahr, daß sie Fehler unterliegen und sie schaffen Räckungsprobleme, insbesondere wenn die Geräte unter ungünstigen Wmgebungsbedingungen eingesetzt werden müssen.

Zur exakten Wahrnehmung der Position eines linear beweglichen Elements sind auch bereits lineare variable Differentialtransformatoren (LVDT) benutzt worden. Ein LVDT ist eine elektrome-

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chanische Vorrichtung, die ein elektrisches Ausgangssignal proportional zu der Verschiebung eines getrennten, beweglichen Kerns erzeugt. An eine Primärspule wird dabei eine Wechselspannung angelegt, und die in zwei Sekundärspulen induzierte Spannung hängt dann von der Position des beweglichen Kerns ab, der an dem interessierenden beweglichen Element befestigt ist. Die in den Sekundärspulen induzierte Spannung wird für jeden Zyklus oder jeden Halbzyklus abgetastet, um die Kernstellung wahrzunehmen. Ein LVDT hat eine gute Linearität und hohes Auflösungsvermögen, solange die Kerngeschwindigkeit verhältnismäßig gering ist. Sobald aber die Bewegungsgeschwindigkeit des Kerns zunimmt_s verschlechtert sich bei einer gegebenen Erregerfrequenz die Auflösung der Position. Die Erregerfrequenz kann zwar gesteigert werden, aber bei höheren Erregerfrequenzen leidet die Leistung des LVDT. Normalerweise ist die Erregerfrequenz auf ca. 20 kHz begrenzt, was einer Ganzweilen-Abtastrate von ^O 000 Abtastungen pro Sekunde entspricht. Bisher ist die Anwendbarkeit eines LVDTs deshalb auf verhältnismäßig geringe Geschwindigkeiten der Kernbewegung beschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Positionsabtasteinrichtimg -* zu schaffen, die eine hohe Auflösung in der Wahrnehmung der Position eines beweglichen Gliedes insbesondere auch bei rascher linearer translatorischer Bewegung desselben ermöglicht.

Mit der Erfindung soll das Auflösungsvermögen einer Positionsabtasteinrichtung verbessert werden, die lineare variable Differentialtransformatoren aufweist.

Dazu wird gemäß der Erfindung eine Positionsabtasteinrichtimg zum Wahrnehmen der Stellung eines beweglichen Gliedes während einer linearen translatorischen Bewegung desselben geschaffen. Ztt der Einrichtung gehören mindestens zwei linear variable Differentialtransformatoren (LVDT), die jeweils einen mit dem beweglichen Glied gekoppelten Magnetkern, eine Primärspule und zwei in Reihe geschaltete Sekundärspulen aufweisen. Ferner ge~

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hört zu der Positionsabtasteinrichtung eine Einrichtung, die ein Erregersignal für die Primärspule jedes LVDT liefert. Die Erregersignale haben die gleiche Frequenz, sind jedoch gegenüber den anderen Erregersignalen phasenverschoben und bewirken, daß in den Sekundärspulen der LVDTs sekundäre Spannungen induziert werden. Die Positionsabtasteinrichtung weist auch eine Ausgabeeinrichtung auf, die den Spitzenwert und die Polarität jeder Sekundärspannung wahrnimmt und ein diese Werte wiedergebendes Ausgangssignal liefert. Der Spitzenwert und die Polarität jeder sekundären Spannung entspricht der Stellung des jeweiligen Magnetkerns.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Schema einer Positionsabtasteinrichtung zum Wahrnehmen mit hoher Auflösung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. Ij

Fig. 3 ein Schema einer Anwendung der Positionsabtasteinrichtung gemäß Fig. 1 in einer abgestimmten Hohlraumresonatorvorrichtung.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein bewegliches Glied 10 von einer hier nicht gezeigten Antriebseinrichtung linear längs der Y-Aphse verschoben. Zu der Positionsabtasteinrichtung zum Wahrnehmen der Stellung des beweglichen Gliedes 10 mit hoher Auflösung gehört eine Vielzahl von linear variablen Differentialtransformatoren (LVDT), eine Eingabeeinrichtung, die für jeden LVDT ein Erregersignal liefert, sowie eine Ausgabeeinrichtung, die die Ausgangssignale jedes LVDT wahrnimmt und ein Ausgangssignal abgibt. Ein LVDT 12 weist einen mit dem beweglichen Glied 10 verbundenen Magnet-

kern 15s eine Primärspule 16 und zwei Sekundärspulen 17, 18 auf „ Ein weiterer LVDT 14 weist einen Magnetkern 19, eine Primärspule 20 sowie zwei Sekundärspulen 21, 22 auf. Die Primär- und Sekundärspulen jedes LVDT sind koaxial und so angeordnet, daß das Kopplungsausmaß zwischen der Primärspule und den Sekundärspulen von der Stellung des Magnetkerns abhängt. Ein Beispiel für einen geeigneten LVDT ist der von Schaevitz hergestellte Typ 250 MHR (+ 6,35 mm (0,25 Zoll) Bewegungsdistanz, 10 kHz maximale Betriebsfrequenz). Ähnliche Typen können bis zu 20 kHz eingesetzt werden. Die Eingabeeinrichtung der Positionsabtasteinrichtung gemäß Fig. 1 weist eine Wechselspannungs-Signalqüelle 30 auf, deren Ausgang mit der Primärspule 16 des LVDT 12 verbunden ist, sowie einen 90°-Phasenschieber 32. Der Eingang des Phasenschiebers 32 ist mit dem Ausgang der Signalquelle 30 verbunden. Das Ausgangssignal der Signalquelle 30 ist typischerweise eine Sinuswelle von ca. 20 kHz. Der Ausgang des Phasenschiebers 32 ist mit der Primärspule 20 des LVDT 14 verbunden.

Die Sekundärspulen 17, 18 des LVDT 12 sind in gegensinniger Reihenschaltung vorgesehen, so daß die beiden induzierten sekundären Spannungen entgegengesetzte Polarität haben. In ähnlicher Weise sind die Sekundärspulen 21, 22 des LVDT 14 gegensinnig in Reihe geschaltet. Die resultierenden sekundären Spannungenj, die die Ausgangs signale der LVDTs 12, 14 bilden, hängen von der jeweiligen Stellung des entsprechenden Magnetkerns 15 bzw» 19 ab. Zu der Ausgabeeinrichtung der Positionsabtasteinrichtung gemäß Fig. 1 gehören Synchrondetektoren 3^» 36 und ein Addierer 380 Der Synchrondetektor 34 erhält ein Eingangssignal von den in Reihe geschalteten Sekundärspulen 17, 18 und ein Synchronisiersignal von der Wechselspannungs-Signalquelle 30. Der Synchrondetektor 36 erhält ein Eingangssignal von den in Reihe geschalteten Sekundärspulen 21, 22 und ein Synchronisiersignal vom Phasenschieber 32. Jedes Synchronisiersignal liegt in Phase mit dem jeweiligen Erregersignal für jede Primärspule. Die Synchrondetektoren 34, 36 nehmen die Spitzenwerte und PoIa-

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rität der resultierenden Sökundärspannungen der LVDTs 12 bzw. 14 wahr und liefern Abtastergebnisse, die hierfür repräsentativ sind und von dem Addierer 38 zu einem Ausgangssignal kombiniert werden.

Wenn die Primärspule jedes LVDT erregt wird, werden in den Sekundärspulen Spannungen induziert. Der Magnetkern bildet einen Weg für den Magnetfluß, der die Primär- und Sekundärspulen verkettet. Da die Sekundärspulen gegensinnig in Reihe geschaltet sind, gibt der LVDT im Endergebnis ein Ausgangssignal ab, welches der Differenz zwischen diesen Spannungen entspricht und den Wert Null hat, wenn der Kern sich in zentraler Stellung befindet. Sobald der Kern aus seiner Mittelstellung bewegt wird, nimmt die induzierte Spannung in derjenigen Spule zu, zu der der Kern bewegt wird, während die in der entgegengesetzten Spule induzierte Spannung abnimmt. Die resultierende Sekundärspannung ändert sich linear mit Änderungen der Kernstellung und wird in der Phase umgekehrt, wenn der Kern von einer Seite der Mittelstellung zur anderen bewegt wird.

Die Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Positionsabtasteinrichtung soll anhand von Fig. 2 erläutert werden, in der verschiedene Quantitäten als Funktion der Zeit dargestellt sind. Der Ort jeder Wellenform ist durch das entsprechende Bezugszeichen in Fig. 1 angedeutet. Die verschiedenen Wellenformen sind so angeordnet, daß vertikal miteinander ausgerichtete Werte gleichzeitig auftreten. Das Ausgangssignal der Signalquelle 30 ist als ein sinuswellenförmiges Erregersignal 40 gezeigt, während das Ausgangssignal des Phasenschiebers 32 als sinuswellenförmiges Erregersignal 42 dargestellt ist, welches in einer Phasenverschiebung von 90° gegenüber dem Erregersignal 40 vorliegt. Die Position des beweglichen Elements 10 in jedem beliebigen Augenblick ist als Y-Position 44 eingetragen. Ein Nullwert der Y-Position 44 gibt die Stellung wieder, bei der die Magnetkerne 15, 19 ihre Mittelstellung im LVDT 12 bzw. 14 einnehmen. Die als Ergebnis in den Sekundärspulen 1?, 18 induzierte Spannung ist als

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Sekundärspannung 46 eingetragen und die in den Sekundärspulen 21, 22 induzierte Spannung ist als sekundäre Spannung 48 gezeigt. Die Amplituden der Sekundär spannungen 46, 48 ändern sich linear im Verhältnis zu der Y-Position 44 des beweglichen Gliedes 10. Ferner sei darauf hingewiesen, daß die Polarität der Sekundärspannungen 46, 48 sich ändert, wenn die Polarität der Y-Position 44 umkehrt, d.h. wenn die Magnetkerne 15j 19 die Mittelstellung im jeweiligen LVDT 12, 14 durchlaufen»

Die Ausgangssignale der Synchrondetektoren 3^ und 36 sind als Abtastwerte 50 bzw. 52 der Sekundärspannungen gezeigt. Die Abtastwerte 50 geben den Spitzenwert und die Polarität der Sekundär spannung 46 wieder, während die Abtastwerte 52 den Spitzenwert und die Polarität der Sekundärspannung 48 betreffen. Die Synchrondetektoren 34, 36 arbeiten gemäß bekannten Wahrnehmungstechniken. So werden z.B. die Nulldurchgänge des Synchronisiersignals (entweder von der Signalquelle 30 oder vom Phasenschieber 32) wahrgenommen und die Sekundärspannung nach einer Verzögerung von 1/4-Zyklus abgetastet. Dadurch ist gewährleistet, daß die Abtastungen beim Spitzenwert der Sekundär spannungen 46, 48 vorgenommen werden. Die Abtastwerte werden sowohl in den positiven als auch in den negativen Halbzyklen der Sskundär spannungen 46, 48 abgenommen, um die größtmögliche Anzahl von Datenpunkten zu erzielen. Da die Sekundär-spannungen 46 und 48 relativ zueinander eine Phasenverschiebung von 90 haben, sind auch die Abtastwerte 50 der Sekundärspannung gegenüber den Abtast-■ werten . 52 zeitlich verschoben. Wenn die Y-Position 44 des beweglichen Gliedes 10 negativ ist, haben die -Sekundär-spannungen 46, 48 die entgegengesetzte Polarität zu der der jeweiligen Erregersignale 40 bzw. 42, und die entsprechenden Abtastwerte 50, 52 der Sekundärspannungen sind negativ. Im Addierer 38 werden die Abtastwerte 50 und 52 zu einem Ausgangssignal 54· addiert, bei dem die Abtastwerte mit der doppelten

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Rate der Abtastwerte 50 bzw. 52 auftreten. Wenn die Erregersignale 40, 42 z.B. eine Frequenz von 20 kHz haben, haben die Abtastwerte 50, 52 aufgrund der Ganzwellen-Abtastung der Sekundärspannungen 46, 48 eine Wiederholungsrate von 40 kHz, und das Ausgangssignal 5^ hat eine Wiederholungsrate von 80 kHz.

Wie schon erwähnt, haben die LVDTs eine vorgeschriebene maximale Betriebsfrequenz und folglich eine begrenzte Auflösung, wenn sich die Y-Position 44 des beweglichen Gliedes 10 rasch ändert. Mit der in Fig. 1 gezeigten Positionsabtasteinrichtung 1 wird die wirksame Auflösung durch Benutzung von zwei LVDTs und Phasenverschiebung der Erregersignale verdoppelt. Diese Verbesserung des Auflösungsvermögens ist in Fig. 2 dargestellt. Zwischen aufeinanderfolgenden sekundären Abtastspannungen 50 kann sich die Y-Position 44 um ein Ausmaß ΔΥ ändern. Folglich hat der einzelne LVDT, der einen einzigen Satz sekundärer Abtast spannungen 50 liefert, ein Auflösungsvermögen von ^Y. Die

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Auflösung wird zu -^- verbessert, wenn die Abtastgeschwindigkeit der Y-Position 44 verdoppelt wird, wie die Darstellung des Ausgangssignals 5^ in Fig. 2 zeigt. Es wird also eine Vorrichtung geschaffen, mit der das Auflösungsvermögen beim Wahrnehmen der Position verdoppelt werden kann, ohne daß die Betriebsfrequenz des LVDT erhöht wird.

Die Auflösung beim Messen der Stellung eines beweglichen Gliedes kann dadurch weiter verbessert werden, daß die Anzahl der benutzten LVDTs erhöht wird, mit denen die Stellung des beweglichen Gliedes wahrgenommen wird. Wenn drei LVDTs benutzt werden, werden die Erregersignale um 0°, 60° und 120° phasenverschoben, um effektiv eine Verdreifachung der Abtastrate zu erzielen. Ähnlich werden die Erregersignale bei Benutzung von vier LVDTs um 0°, 45°, 90° und 135° verschoben, was zu einer Vervierfachung der Abtastrate · führt. Ferner können alternative Abtasttechniken angewandt werden. So können beispiels.

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weise die Abtastungen der Sekundärspannungen 46, 48 von mit den jeweiligen LVDT-Ausgangen verbundenen A/D~^Timsetzern unmittelbar in digitale Form umgewandelt werden. Ein Ausgangssignal von hoher Auflösung kann durch Tastung oder Torsteuerung der Ausgangangssignale der A/D-T^Tmsetzer erhalten werden. Es ist nicht erforderlich, daß die Magnetkerne 15, 19 längs einer gemeinsamen Linie angeordnet sind. Die Magnetkerne müssen nur mit dem beweglichen Glied so verbunden sein, daß alle gemeinsam als Einheit bewegbar sind.

Ein Änwendungsfall für die in Fig. 1 gezeigte Positionsabtasteinrichtung zum Überwachen der Frequenz einer Hohlraumresonatorvorrichtung ist in Fig. 3 gezeigt. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist eine abstimmbare Hohlraumresonatorvorrichtung 60 eine Yakuumhülle 62 auf, die eine abgedichtete Vakuumkammer 64 umschließt. Innerhalb der Vakuumhülle 62 ist eine Resonanzkammer 66 ausgebildet, die ringförmige Gestalt haben kann. Der Resonanzkammer 66 ist eine Resonanzfrequenz zugeordnet, die durch Bewegen eines Abstimmkolbens 68 geändert werden kann. Der Abstimmkolben 68 ist mit einer Abstimmanordnung verbunden, deren Aufgabe es ist, die Stellung des Abstimmkolbens 68 nach einem vorherbestimmten Abstimmuster zu ändern. Der Abstimmkolben 68 ist über einen Balg 70 mit einer langgestreckten Abstimmwelle 72 verbunden, die außerhalb der Vakuumkammer 64 liegt. Die Abstimmwelle 72 ist mit einer Antriebseinrichtung, wie einem Linearmotor 7k verbunden, der die Abstimmwelle 72 und den Abstimmkolben 68 mit hoher Geschwindigkeit antreibt. Als Beispiel für eine solche Hohlraumresonatorvorrichtung sei auf ein frequenzagiles Koaxialmagnetron hingewiesen. Koaxialmagnetron sind allgemein bekannt und weisen weitere, in Fig. 3 nicht gezeigte Bauelemente auf.

Zu der Positionsabtasteinrichtung, die die Stellung der Abstimmwelle 72 mit hoher Auflösung wahrnimmt, gehören LVDTs 82 und 84, die koaxial zu der Abstimmwelle 72 angebracht sind. Diese LVDTs

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82, 84 entsprechen den in Fig. 1 gezeigten und vorstehend beschriebenen LVDTs 12, 14. Die Magnetkerne der LVDTs 82, 84 sind in die Abstimmwelle 72 eingebaut und bewegen sich gemeinsam mit dieser. Die LVDTs 82, 84 sind an eine Erreger- und Detektorschaltung 86 angeschlossen, die Bauelemente entsprechend der Signalquelle 30, dem Phasenschieber 32, den Synchrondetektoren 34, 36 und dem Addierer 38 gemäß Fig. 1 aufweist. Die in Fig. gezeigte Vorrichtung zum Wahrnehmen der Position arbeitet ebenso wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, dessen Arbeitsweise vorstehend beschrieben wurde. Jede Stellung der Abstimmwelle entspricht einer vorgeschriebenen Betriebsfrequenz der Resonanzkammer 66. Die Positionsabtasteinrichtung wird also zum Überwachen der Betriebsfrequenz der Hohlraumresonantorvorrichtung 60 benutzt.

Claims

Pos i ti onsabtas te inri ch tung

Priorität: 27- Dezember I982 - USA - Serial No. 453

Patentansprüche

(l.< Einrichtung zum Wahrnehmen der Position eines beweglichen Gliedes während einer linearen translatorischen Bewegimg desselben,
gekennzei ohne t durch

- mindestens zwei lineare variable Differentialtransformatoren (LVDT), die jeweils einen mit dem beweglichen Glied verbundenen Magnetkern, eine Primärspule und zwei in Reihe geschaltete Sekundärspulen aufweisen,

- eine Eingabeeinrichtung, die ein Erregersignal für die Primärspule jedes LVDT liefert, wobei die Erregersignale die gleiche Frequenz haben, aber gegenüber den anderen Erregersignalen phasenverschoben sind und bewirken, daß in den Sekundärspulen der LVDTs sekundäre Spannungen induziert werden, und

- eine Ausgabeeinrichtung, die den Spitzenwert und die Polarität jeder der sekundären Spannungen wahrnimmt und ein diese wiedergebendes Ausgangssignal liefert, wobei der Spitzenwert und die Polarität jeder sekundären Spannung der Position des jeweiligen Magnetkerns entspricht.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Eingabeeinrichtung eine Wechselspannungs-Signalquelle und einen Phasenschieber aufweist, um phasenverschobene Erregersignale zu liefern.

3. Einrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgabeeinrichtung Synchrondetektoren aufweist, die mit den Sekundärspulen jedes der LVDTs verbunden sind und einen Abtastwert des Spitzenwertes und der Polarität jeder sekundären Spannung liefern, sowie eine Einrichtung zum Kombinieren der Abtastwerte zu einem Ausgangssignal.

4. Einrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß die Erregersignale so phasenverschoben sind, daß die Abtastwerte des Ausgangssignals den gleichen zeitlichen Abstand haben, wodurch das Ausgangssignal eine Frequenz hat, die ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Erregersignale ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß zwei LVDTs und zwei Erregersignale vorgesehen sind, von denen eins gegenüber dem anderen um 90° phasenverschoben ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Kombinieren der Abtastwerte einen Addierer aufweist, der die Abtastwerte addiert.

7. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das bewegliche Glied eine langgestreckte Welle ist, die koaxial translatorisch verschiebbar ist, und daß jeder der Vielzahl von LVDTs koaxial der Welle angebracht ist.

δ» Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß die langgestreckte Welle mit einem Abstimmkolben in einer Hohlraumresonatorvorrichtung verbunden ist, wodurch die Resonanzfrequenz der Hohlraumresonatorvorrichtung durch translator!sehe Bewegung der Welle veränderbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Hohlraumresonatorvorrichtung ein Magnetron ist.