DE102009060652B4

DE102009060652B4 - Messwertverstärker, umfassend Eingänge und Ausgänge, und Antriebssystem

Info

Publication number: DE102009060652B4
Application number: DE102009060652.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Mahlein Jochen; Steffen Quadt; Tobias Mahler
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2029-12-23
Also published as: DE102009060652A1

Abstract

Messwertverstärker, umfassend Eingänge und Ausgänge, wobei den Eingängen ein Referenzsignal und Positionssignale zugeführt werden, wobei ausgangsseitig ein dem Referenzsignal entsprechendes Referenzsignal zur Verfügung gestellt wird, wobei die Differenz zwischen einem jeweiligen Positionssignal und dem Referenzsignal verstärkt und einem jeweiligen Ausgang zugeführt wird, wobei zwischen dem eingangsseitigen Referenzsignal und dem ausgangsseitigen Referenzsignal ein Impedanzwandler angeordnet ist, wobei der Impedanzwandler einen Operationsverstärker (OP2) umfasst, wobei das eingangsseitige Referenzsignal dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP2) zugeführt wird und der Ausgang des Operationsverstärkers (OP2) als ausgangsseitiges Referenzsignal verwendet ist, wobei das ausgangsseitige Signal des Operationsverstärkers (OP2) dem invertierenden Eingang zugeführt wird, wobei der Operationsverstärker (OP2) die Differenz eines jeweiligen Positionssignals zum ausgangsseitigen Referenzsignal verstärkt, wobei das Referenzsignal dem Mittenwert eines der beiden oder beider Positionssignale entspricht, wobei die eingangsseitig zugeführten Signale aus einer Spannungsquelle mit einem ersten Innenwiderstand stammen und wobei die ausgangsseitigen Signale des Messwertverstärkers mit einem zweiten Innenwiderstand bereit gestellt sind, wobei der erste und zweite Innenwiderstand sich unterscheiden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messwertverstärker, umfassend Eingänge und Ausgänge, und ein Antriebssystem.
Operationsverstärker sind beispielsweise zum Verstärken einer Differenz verwendbar. Sie sind als integrierte Schaltkreise ausgeführt und weisen einen invertierenden und einen nicht-invertierenden Eingang auf. Somit ist am Ausgang eines Operationsverstärkers die verstärkte Differenz als Ausgangssignal dargestellt.
Es ist auch bekannt, einen Operationsverstärker als Impedanzwandler zu verwenden. Hierbei wird das Ausgangssignal dem invertierenden Eingang des Operationsverstärker zugeführt, so dass das am nicht-invertierenden Eingang zugeführte Eingangssignal mit verändertem Innenwiderstand ausgangsseitig zur Verfügung steht.
Aus der DE 2429953 A1 ist als nächstliegender Stand der Technik ein Messwertverstärker mit Eingängen und Ausgängen bekannt. Dem Eingang wird ein Referenzsignal und den Eingängen werden EEG-Signale zugeführt und die Differenz zwischen einem jeweiligen EEG-Signal und dem Referenzsignal wird von den Verstärkern verstärkt und den jeweiligen Ausgängen zugeführt. Weiterhin ist zwischen dem eingangsseitigen Referenzsignal und dem ausgangsseitigen Referenzsignal ein Impedanzwandler angeordnet.
Aus der DE 4136314 A1 ist eine Schaltung zur Isolierung der Erde bei elektronischen Schaltungen bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Messwertverstärker, umfassend Eingänge und Ausgänge, und Antriebssystem weiterzubilden, wobei das Übertragungsverhalten stabilisiert sein soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Messwertverstärker, umfassend Eingänge und Ausgänge, nach den in Anspruch 1 und bei dem Antriebssystem nach den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale bei dem Messwertverstärker, umfassend Eingänge und Ausgänge, sind, dass den Eingängen ein Referenzsignal und Positionssignale zugeführt werden,
insbesondere wobei ausgangsseitig ein dem Referenzsignal entsprechendes Referenzsignal zur Verfügung gestellt wird,
wobei die Differenz zwischen einem jeweiligen Positionssignal und dem Referenzsignal verstärkt und einem jeweiligen Ausgang zugeführt wird,
wobei zwischen dem eingangsseitigen Referenzsignal und dem ausgangsseitigen Referenzsignal ein Impedanzwandler angeordnet ist.
Von Vorteil ist dabei, dass Schwingungsneigung verringerbar ist und somit ein stabileres Betriebsverhalten erreichbar ist. Denn für die von Operationsverstärkern zu verstärkenden Differenzen zwischen Referenzsignal und jeweiligem Positionssignal ist nun das Referenzsignal mit einem niederohmigen Innenwiderstand zur Verfügung stellbar, wodurch eine Rückkoppelung verminderbar ist und somit die Schwingneigung reduzierbar ist. Hierfür stellt der Impedanzwandler einerseits am Ausgang Strom zur Verfügung und andererseits ist er in der Lage, Strom aufzunehmen, um die Ausgangsspannung auf den Sollwert zu regeln.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die eingangsseitigen Positionssignale nicht-invertierenden Eingängen von Operationsverstärkern zugeführt, insbesondere über vor den Eingängen angeordnete Widerstände. Von Vorteil ist dabei, dass die von den Positionssignalen dargestellte Bewegungsrichtung, insbesondere Drehrichtung, nicht invertiert ist.
Bei einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung werden die eingangsseitigen Positionssignale invertierenden Eingängen von Operationsverstärkern zugeführt, insbesondere über vor den Eingängen angeordnete Widerstände, insbesondere wobei die ausgangsseitigen Positionssignale eine invertierte Bewegungsrichtung darstellen, insbesondere eine umgekehrte Drehrichtung. Von Vorteil ist dabei, dass zwar die Drehrichtung invertiert dargestellt wird mittels der ausgangsseitigen Positionssignale, jedoch sind die gegengekoppelten, geregelten, hochohmigen invertierenden Eingänge der Operationsverstärker verwendbar und somit die Schwingneigung reduzierbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Impedanzwandler einen Operationsverstärker, insbesondere wobei das eingangsseitige Referenzsignal dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zugeführt wird und der Ausgang des Operationsverstärkers als Ausgangsseitiges Referenzsignal verwendet ist, insbesondere wobei das ausgangsseitige Signal des Operationsverstärker dem invertierenden Eingang zugeführt wird. Von Vorteil ist dabei, dass der Impedanzwandler in einfacher und kostengünstiger Weise herstellbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung verstärkt jeder Operationsverstärker die Differenz eines jeweiligen Positionssignals zum ausgangsseitigen Referenzsignal, insbesondere wobei das ausgangsseitige Referenzsignal demjenigen anderen Eingang des zu einem jeweiligen Positionssignal zugehörigen jeweiligen Operationsverstärkers zugeführt wird, dem nicht ein Positionssignal zugeführt wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine differentielle Übertragung ermöglicht ist und somit auch lange Leitungen zwischen Sensor und Messverstärker zulässig sind. Denn auch bei in die Leitung eingekoppelten Störungen sind die gewünschten Signalamplituden der beiden Positionssignale durch Differenzierung wieder herstellbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Positionssignale zumindest ein Kosinussignal und ein Sinussignal. Von Vorteil ist dabei, dass auch bei unterschiedlicher Signalschwächung die Information über den detektierten Wert zur Verfügung steht, da diese im Amplitudenverhältnis kodiert ist, also im Verhältnis der Momentanamplituden, wenn die Positionssignalverläufe die gleiche Spitzenamplituden aufweisen.
Wichtige Merkmale bei dem Antriebssystem, umfassend eine von einem Elektromotor in Drehbewegung versetzbare Welle, an der ein Winkelsensor angeordnet ist, sind, dass die Signale des Winkelsensors über elektrische Leitungen einem Messwertverstärker einer Signalelektronik zugeführt werden, insbesondere wobei die Signalelektronik vom Winkelsensor beabstandet angeordnet ist oder Sensor und Messverstärker auf derselben Leiterplatte angeordnet ist, die von der Signalelektronik beabstandet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Beabstandung auch für große Werte, also Entfernungen, zulässig ist. Denn wenn dabei die Signale in ihrer Amplitude abgeschwächt werden, bleibt die Information, welche im Amplitudenverhältnis der Positionssignale kodiert ist, erhalten.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Elektromotor außerhalb eines Schaltschrankes angeordnet und die Signalelektronik samt Messwertverstärker in einem Schaltschrank, insbesondere in einem in dem Schaltschrank angeordneten Umrichter. Alternativ ist der Sensor samt Messwertverstärker außerhalb des Schaltschrankes, beispielsweise in der Nähe zum Elektromotor angeordnet, und andererseits die Signalelektronik im Schaltschrank. Von Vorteil ist im ersten Fall, dass die vom Sensor detektierte Information von der äußeren Umgebung in die innere Umgebung durchleitbar ist. Insbesondere wegen der Verwendung eines Referenzsignals ist nur der Unterschied des Positionssignals zum Referenzsignal notwendig, um die Information wiederherstellbar zu machen. Ein auf beiden Signalen gleichmäßig überlagertes Signal ist somit im Wesentlichen nicht störend. Denn dieses Signal verschwindet bei der durch die Operationsverstärker auszuführenden Differenzbildung. Die nachfolgende oder vom selben Operationsverstärker auszuführende Verstärkung ist dann nur auf dieselbe Spitzenamplitude vorzunehmen wie auch die Verstärkung der Differenz des anderen Positionssignal zum Referenzsignal. Im zweiten Fall wird nahe beim Sensor mittels des Messverstärkers ein verstärktes Signal zur Verfügung gestellt und somit über lange Leitungen bis in einen Schaltschrank hineinleitbar.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In 1 ist der prinzipielle Aufbau des Messverstärkers gezeigt.
In 2 ist eine erste erfindungsgemäße vorteilhafte Ausführung gezeigt.
In 3 ist eine alternative erfindungsgemäße vorteilhafte Ausführung gezeigt.
In der 1 ist eine bekannte Anordnung gezeigt, bei der ein Sensor, insbesondere Winkelsensor, die Information über erfasste Winkelwerte eines drehbar gelagerten Teils, wie beispielsweise einer Rotorwelle eines Elektromotors, als Sinussignal und Kosinussignal an seinen Ausgängen abgibt.
Zusätzlich wird ein Referenzsignal abgegeben. Diese drei Sensorsignale, also das Sinussignal, das Kosinussignal und das Referenzsignal, werden einem Messverstärker zugeführt, der vorzugsweise integriert auf einer Leiterplatte mit dem Messverstärker angeordnet ist.
Alternativ ist der Messverstärker vom Sensor beabstandet auf einer Leiterplatte angeordnet ist, die auch eine elektronische Schaltung umfasst, welcher die Ausgangssignale des Messverstärkers zugeführt werden.
In beiden Fällen ist die elektronische Schaltung vorzugsweise als Umrichterelektronik ausgeführt, wobei diese den Elektromotor speist.
In 1 ist der prinzipielle Aufbau des Messverstärkers gezeigt.
Hierbei sind zwei Operationsverstärker vorgesehen, wobei ein erster Operationsverstärker OP2 zur Verstärkung des Sinussignals und ein zweiter Operationsverstärker OP3 zur Verstärkung des Kosinussignals verwendet wird. Dem jeweils nicht-invertierenden Eingang der Operationsverstärker wird das jeweilige Positionssignal zugeführt, wobei Widerstände (R5, R9) zwischen dem Eingang des Messverstärkers und dem Eingang des Operationsverstärkers angeordnet sind. Zum Vergleich mit einem Referenzwert ist das Referenzsignal auf die invertierenden Eingänge des Operationsverstärkers geführt, wobei zwischen dem Eingang des Messverstärkers und dem Eingang des Operationsverstärkers wiederum Widerstände (R6, R10) angeordnet sind. Der nicht-invertierende Eingang ist über den Widerstand R4 beziehungsweise R8 mit dem Referenzsignal verbunden und die nicht-invertierenden Eingänge sind über die Widerstände R7 beziehungsweise R11 mit dem Ausgang der Operationsverstärker (OP2, OP3) verbunden, wodurch die Messverstärkung festlegbar ist.
Dabei wird die Einkoppelung der Positionssignale, also des Sinussignals und des Kosinussignals, minimiert über einen Widerstandsteiler mit hohen Impedanzwerten (R5 und R4 bzw. R9 und R8 in 1). Alternativ bietet sich die Erzeugung der invertierten Positionssignale über einen jeweiligen Invertierverstärker. Dabei wird eine differentielle Signalübertragung angewendet.
Nachteil ist dabei, dass die Positionssignale, also Sinus- und Kosinus-Signal, sich addieren durch die direkte Kopplung mit dem Referenzsignal, also mit dem Referenzausgang des Sensors. Hierdurch ist es sogar ermöglicht, dass das Referenzsignal in Schwingungen versetzt wird.
Das Sinussignal addiert sich über den Widerstandsteiler, bestehend aus den Widerständen R4 und R5, auf das Referenzsignal auf, wodurch sich eine Rückkopplung über R6 auf das Sinussignal und über R8 und R10 auf das Kosinussignal ergibt.
Das Kosinussignal addiert sich über den Widerstandsteiler R9, R8 auf das Referenzsignal auf, wodurch sich eine Rückkopplung auf das Kosinussignal und über R4 und R6 auf das Sinussignal ergibt.
Die Positionssignale werden also über einen Widerstandsteiler mit hohen Impedanzwerten eingekoppelt.
Im Unterschied zur 1 ist in 2 das am Eingang des Messverstärkers anliegende Referenzsignal nicht direkt an die Eingänge der Operationsverstärker (OP2, OP3) geführt sondern es ist ein Operationsverstärker OP1 als Impedanzwandler zwischengeordnet, insbesondere wobei der Ausgangswiderstand des OP1 niederohmig wirkt. Diesem wird das Referenzsignal an den nicht-invertierenden Eingang zugeführt und sein Ausgangssignal wird direkt dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 zugeführt. Außerdem wird das Ausgangssignal den invertierenden Eingängen der anderen Operationsverstärker (OP2, OP3) über Widerstände (R6 beziehungsweise R10) zugeführt Auch die nicht-invertierenden Eingänge erhalten über den Widerstand R4 beziehungsweise R8 dieses Signal.
Auf dieses Weise ist eine Entkopplung des an den Eingang des Messverstärkers zugeführten Referenzsignals von den an die Eingänge des Messverstärkers zugeführten Positionssignalen erreicht. Dadurch wird die Schwingneigung verhindert und eine Stabilisierung des Verstärkerverhaltens erreicht.
Als Alternative zur Lösung nach 2 ist bei der Ausführung nach 3 wiederum ein Operationsverstärker OP1 gezeigt, dem das Referenzsignal zugeführt wird und der als Impedanzwandler wirkt. Im Unterschied zur 2 werden aber die Positionssignale den gegengekoppelten, geregelten, invertierenden Eingängen der Operationsverstärker und das impedanzgewandelte Signal nur den nicht-invertierenden Eingängen der Operationsverstärker (OP2, OP3) zugeführt.
Der Ausgang der Messwertverstärker, umfassend Referenzsignal und Positionssignale, wird möglichst direkt einer Signalelektronik zugeführt, die dann eine entsprechende Auswerteschaltung zur Bestimmung des Winkels der mit dem Winkelsensor verbundene Welle aufweist. Vorzugsweise werden in der Auswerteschaltung Analog-Digital-Wandler vorgesehen, so dass eine digitale Weiterverarbeitung ermöglicht ist.
Die Operationsverstärker (OP1, OP2, OP3) sind entweder als separate oder als in einen Baustein integrierte Komponenten ausführbar.
Statt der genannten Operationsverstärker sind auch ähnlich wirkende Verstärkeranordnungen einsetzbar, welche eine invertierenden und einen nicht-invertierenden Eingang aufweisen.
Bezugszeichenliste

R1

Widerstand

R2

Widerstand

R3

Widerstand

R4

Widerstand

R5

Widerstand

R6

Widerstand

R7

Widerstand

R8

Widerstand

R9

Widerstand

R10

Widerstand

R11

Widerstand

OP1

Operationsverstärker

OP2

Operationsverstärker

OP3

Operationsverstärker

Claims

Messwertverstärker, umfassend Eingänge und Ausgänge, wobei den Eingängen ein Referenzsignal und Positionssignale zugeführt werden, wobei ausgangsseitig ein dem Referenzsignal entsprechendes Referenzsignal zur Verfügung gestellt wird, wobei die Differenz zwischen einem jeweiligen Positionssignal und dem Referenzsignal verstärkt und einem jeweiligen Ausgang zugeführt wird, wobei zwischen dem eingangsseitigen Referenzsignal und dem ausgangsseitigen Referenzsignal ein Impedanzwandler angeordnet ist, wobei der Impedanzwandler einen Operationsverstärker (OP2) umfasst, wobei das eingangsseitige Referenzsignal dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP2) zugeführt wird und der Ausgang des Operationsverstärkers (OP2) als ausgangsseitiges Referenzsignal verwendet ist, wobei das ausgangsseitige Signal des Operationsverstärkers (OP2) dem invertierenden Eingang zugeführt wird, wobei der Operationsverstärker (OP2) die Differenz eines jeweiligen Positionssignals zum ausgangsseitigen Referenzsignal verstärkt, wobei das Referenzsignal dem Mittenwert eines der beiden oder beider Positionssignale entspricht, wobei die eingangsseitig zugeführten Signale aus einer Spannungsquelle mit einem ersten Innenwiderstand stammen und wobei die ausgangsseitigen Signale des Messwertverstärkers mit einem zweiten Innenwiderstand bereit gestellt sind, wobei der erste und zweite Innenwiderstand sich unterscheiden.
Messwertverstärker nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein eingangsseitiges Positionssignal einem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP2) zugeführt wird, insbesondere über einen vor dem Eingang angeordneten Widerstand (R5, R6).
Messwertverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eingangsseitige Positionssignal einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP2) zugeführt wird, insbesondere über einen vor dem Eingang angeordneten Widerstand (R5, R6), insbesondere wobei das ausgangsseitige Positionssignal eine invertierte Bewegungsrichtung darstellt, insbesondere eine umgekehrte Drehrichtung.
Messwertverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgangsseitige Referenzsignal demjenigen anderen Eingang des zu einem jeweiligen Positionssignal zugehörigen jeweiligen Operationsverstärkers (OP2) zugeführt wird, dem nicht ein Positionssignal zugeführt wird.
Messwertverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionssignale zumindest ein Kosinussignal und ein Sinussignal umfassen.
Messwertverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor die Positionssignale erzeugt und einen Kreuzhallsensor oder einen magnetoresistiven Sensor umfasst, der mit einem Dauermagnet zusammenwirkt, der auf einem drehbar gelagerten Teil angeordnet ist, oder dass ein Sensor die Positionssignale erzeugt und einen optischen Sensor umfasst, der mit einem auf einem drehbar gelagerten Teil angeordneten Geberbereich zusammenwirkt.
Messwertverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Innenwiderstand zwischen 1 KiloOhm und 100 KiloOhm und/oder dass der zweite Innenwiderstand zwischen 10 Ohm und 1 KiloOhm beträgt.
Messwertverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an dem Operationsverstärker (OP2) außen beschalteten, die Verstärkung bestimmenden Widerstände im Wesentlichen dem ersten Innenwiderstand gleichen, insbesondere auch im Bereich zwischen 1 KiloOhm und 100 KiloOhm liegen.
Antriebssystem, umfassend eine von einem Elektromotor in Drehbewegung versetzbare Welle, an der ein Winkelsensor angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale des Winkelsensors über elektrische Leitungen einem Messwertverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche einer Signalelektronik zugeführt werden, insbesondere wobei die Signalelektronik vom Winkelsensor beabstandet angeordnet ist, insbesondere wobei der Sensor von dem Messwertverstärker beabstandet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor außerhalb eines Schaltschrankes angeordnet ist und die Signalelektronik samt Messwertverstärker in einem Schaltschrank, insbesondere in einem in dem Schaltschrank angeordneten Umrichter oder dass der Elektromotor samt Sensor und Messwertverstärker außerhalb des Schaltschrankes angeordnet ist und die Signalelektronik im Schaltschrank, insbesondere in einem in dem Schaltschrank angeordneten Umrichter.