METHOD FOR MEASURING FORCES AND FORCE-DEPENDENT FREQUENCY CONVERTER

Abstract: 1. Method for defining a force (F) effecting on a body (1; 1a) being longitudinally or rotatably movably located in a definite manner, characterized in that two electromagnets (4; 4a and 5; 5a) being stationary positioned with respect to the movable body (1; 1a) and effecting thereto through their magnetic forces (F54; F54a and F55; F55a) are clock-operated by a constant clock control signal (38) in such a way that always one of the electromagnets (4; 4a or 5; 5a) is excited and that it is decided at the beginning of each clock-puls, which of the magnets (4; 4a resp. 5; 5a) is excited during the new clock-puls in order to drive that magnet which moves the movable body (1; 1a) at first in the direction to its zero-position, whereby the magnets are excited in such a way that each magnet is effective on the body (1; 1a) with the same but oppositly directed force (F54; F54a resp. F55; F55a) and that the medium force per clock-puls is independent from the momentary position or movement, respectively, of the body (1; 1a) with respect to its zero-position and is maintained constant, wherein the clock-driving frequency of one of the magnets is used for the destination of the force being effective on the body (1; 1a) from outside.

Description: Kraftabhängiger Frequenzwandler Die Erfindung betrifft ein im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenes Verfahren sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 5. Neben mechanischen Kraftmessverfahren die wegproportionale Federelemente beinhalten, sind elektro-magnetische Kraftmessverfahren bekannt, bei denen das mechanische Federelement elektro-magnetisch nachgebildet wird. z.B. durch einen bestromten elektrischen Leiter in einem Magnetfeld. Hierbei wird entweder die magnetische Feldstäke wegabhängig ge r-ch oder die Bestromung wird wegproportional ge¸ndert. Beide Verfahren beinhalten neben einer messtechnisch auswertharen Leiterbestromung ein Wegmesssystem. Entweder die Weg-Messgrösse oder der Leiterstrom wird als Mass für die zu bestimmende Kraft ausgewertet. Der Wessausgang ist ele analoge Messspannung. Um eine genügend hohe Kraft pro Volumen- einheit erzeugen zu können wird das @agnetfeld von hoch wertigen Dauermagneten erzeugt. Derartige Kraftmesssysteme sind Feder-Masse-Systeme 2. Ordnung. Zur Erzielung eines bestimmten Frequenzganges müssen sie dynamisch dem jeweiligen Kessproblem angepasst werden. er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Kraft bzw rehmomenten-Messsystem zu schaffen, welches unter dem Ge sfchtspunkt der Aufwandminimierung ein digital einen zu verarbeitendes, kraftproportionales Ausgangssignal liefert. flese Aufgabe ist durch die in den Ansprüchen 1 bis Ergebenen terkrrale gelöst. Ler Erfindung liegt die Erkenntnis zu@nurde dass unter Vernachlässigung parasitärer Fehlerquellen wie z.B. Lagerreibung. die Summe aller Kräfte bzw. Momente, die auf einen gelagerten Trägheitskörper einwirken können, im Mittel null ist, wenn die Position des beweglich gelagerten Körpers im Mittel nicht verändert wird. Der beweglich gelagerte Träg heitskörper selbst kann als Zwischenspeicher für kurzzeitig auftretende Differenzkräfte dienen. Die im Mittel aufgenommene Bewegunsenergle des Tregheits- körpers ist jedoch null, wenn die mittlere Bewegungsge- schwindigkeit bzw. der mittlere Weg in Rezug auf die Nullposition null ist. Um den Trägheitskörperm 1;1a in einer bestimmten Position dynamisch zu fixieren, sind an seinen beiden, den Elektromagneten zugewandten Seiten Joche 2;2a, 3;3a aus ferromagnetischen Material angebracht, die mit den beiden statlonir angeordneten Kernmagneten 4;4a, 5;5a jeweils einen Zugmagneten darstellen. Die Beiden Zugmagneten können auf den Trägheitskörper jeweils in entgegengesetzten çichtunger. eine Kraft ausüben. Ihre Erregung geschieht takt- weise, so dass immer nur einer cer Magneten eine Kraft auf den Trägheitskörper ausüben kann. Wenn die Ansteuerung der Magneten so vorgenommen wird, cass jeweils der Magnet für die Zeitspanne eines Zeittaktes erregt wlrd, der zu Beginn des Taktes den gröberen Luftspalt aufgewissen hat, so pendelt der Körper fortlaufend mm einebestiinmte Nullposition. Die Taktzeit ist so zu bemessen, da der zurück- gelegte Weg je Takt hinreichend klein gegenüber der Luftspaltlänge der magneten ist. @enn die mittlere Kraft je Zeitzakt und Magnet einheitlich zur und konstant ist ( F55 = F54 = const.); (v54z = 755a = const.), ergibt die Erregertaktfrequenz jedes der Magneten ein WaB für die von augen auf den Trägheitskörper einwirkenden mittleren Kraft . Für das translatorische System entsprechend Fig. 1 gilt: EMI2.1 das rotatorische System enisprechend Fig. 2 gelten die analogen Beziehungen mit den enisprechenden Drehmomenten. Um aus dem Frequenz-Messsignal einen digitalen Kraft- bzw. Drehmomenten-Messwert zu bilden, ist lediglich ein vre- quenz zähler 18 erforderlich. Messtechnisch kann ein solches System wie ein System 1. Ordnung behandelt werden mit einer Totzeit, die einer vollen Taktperlode entspricht. Messwertauflösung und -dynamik können durch Wahl der Tastzeit des Frequenzzählers variiert werden. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass kein gesondertes Wegmesssystem erforderlich ist. Der Luftspaltvergleich zu Beginn jeden neuen Taktes zur Positionsbestimmung des beweglich gelagerten Körpers 1; 1a geschieht mit den Magnetspulen E;8a und 9;9a. Da sich die Induktivität der Wagnet- spulen gekehrt proportional zur Luftspaltgrösse 6;6a,7;7a oder, wird der Luftspaltvergleich anhand eines Vergleiches der AnsIegsgeschwindigkeiten der Magnet-?fessströite, die sich nach einer Spannungsbeaufschlagung der Magnetspulen ausbilden, durchgeführt. Derjenige Magnet. dessen Messstrom als erster eine gegebene Schwelle erreicht hat, wird für den betreffenden Takt eingeschaltet. Zur Magnetkrafterzeugung wird an die Magnete eine R echt eckspannung angelegt, die zur Takthälfte umgepolt wird. Bei eine verlustlosen Erregerkreis bildet sich ein dreieckförmiger Strom aus, der am Anfang und am Ende des Taktes null ist. Die mittlere Zugkraft je Takt ist dann unabhängig vom Luftspalt. Es gilt : EMI3.1 mit F - mittlere magnetische Zugkraft o - magnetische Fe3dkonstante A - magnetisch aktiver Luftspaltcerscnitt U - Erregerspannung f - Taktfrequenz - Windungszehl der Mernetsnufe Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Darstellungen in den FIG. 1 bis FIG.4 beschrieben. Der Taktgenerator 15 erzeugt ein Rechtecksignal 38 konstanter Frequenz mit eine Tastverhaltnis von 0,5. Der Takt beginnt mit der von 1 nach 0 gehenden Taktflanke. Wenn Takt 38 null ist, wird der elektronische Schalter 24 über den Inverter 25 eingeschaltet. Vor der Einschalten sind beide Magnetströme i51 und i52 null. Schalter 24 schaltet die Ausgangsspannung 39 von Treiber 17 auf die beiden Mag- netspulen 8;8a und 9;9a. Die Magnetspulen sind andererseits über hochohmige Widerstände 22 bzw. 23 mit Masse ver bunden.Die sich ausbildenden Messströme steigen nach einer Exponentialfunktion mit den Zeitkonstanten EMI4.1 an. Wenn beide Magnete einander identisch sind und R22 = R23 ist, dann sind dIe Zeitkonstanten T4 und T5 lediglich variabel mit den Magnetluftspalten 6; 6a bzw 7;7a, die umgekehrt proportIonal die Spuleninduktivitäten L8;8a und L9;9a be einflussen. Die Stromanstiegsgeschwindigkeit ist umso grcser je grer der Luftspalt ist. Da die Magnete als Zugmagnete ausbebildet sind ist jeweils der Magnet mit dein grösseren Luftspalt einzuschalten. Im Verlaufe eines Zeittaktes wir der Luftspalt dann durch Einwirken der Zua- kraft auf den beweglich gelagerten Körper 1;1a verkleinert. Derjenige Komperator 26 bzw. 27, dessen positiver Eingang 23 bzw. 44 als erster die Schaltspannung 42 erreicht. schaltet zuerst und trigger Sorn die Gatterschaltung be stehend aus den Gattern 28 bis 31. Wenn z.B. Komperator 27 als erster schaltet, geht sein zU5- gan# 4t von D auf . Die Anfangszustände der Gatter werden aus ?ig. 4 hervor: Die Signale 38,37,47,40 und 41 sind 0, wenrend die Ausginge 42 und 50 der gAtter 28 und 29 eins sind. Nachdem 41 von @ auf geändert hat geht @0 von auf 0 und an dert somit den Ausgang von Gatter 31 von 0 auf 1. Darnit wird der Schalter 33 eingeschaltet. Schalter 33 schliesst den Widerstand R23 kurz, wodurch der Komparatorausgang 41 zurück auf 0 schaltet. Die Schaltzustände der Gatter 29 und 31 und des Schalters 33 bleiben jedoch unverändert, da Gatter 29 und 31 in Selbsthalteschaltung miteinanzer verbunden sind. Diese Selbsthaltung wird erst aufgehben, wenn Taktsignal 38 von 0 auf 1 geht. Ausgang 47 von Gatter 31 blockiert ausserdem Gatter 30 und verhindert das rinschalten von Schalter 32. Die Gatterschaltung ist symmetrisch aufgebaut. Schalter 32 und 33 sind nie gleichzeitig eingeschltet. Schalter 32 schaltet die Magnetspule L8;8a über den nieder ohm gen Messwiderstand 21 an Masse, während Schalter 33 die Magnetspule L9;9a schaltet. Nach dem Einschalten steigt der Erregerstrom in der betreffenden Spule kontinuierlich ar. amit die mittlere Magnetkraft eines Zugmagneten bei dynaischer Erregung unabhängig von der momentanen Luftspaltgrösse ist, zur der ohmsche Spannungsabfall in Erregerkreis nul' sein. Zu seiner Kompensation wird der Erregerstroin mit dem niederohmigen Messwiderstand 21 gemessen. Die messspannung 60 wird in Verstärker 20 verstäkt und irttels Summierer 16 zur Referenzspannung 31Taddiert. Der Additionswert entspricht damit dem ohmschen Spannungsabfal In: Erreger- kre s. Wenn das Taktsignal 38 von 0 auf 1 schaltet, werden die Schalter 24 und 22 bzw. 33 geöffnet. Der Erregerstrom wlrdd jetzt von der Spulen-EMK getrieben und flieht von nasse über den Messwiderstand 21, Diode 36, die Magnetspule T8;8a tzw. L9;9a und Diode 34 bzw. 35 zur Treiberausgangs @pannung 39. Die Stromumkehr im Messwiderstand 21 bedeutet eine Vorzeichenänderung für die stromabhängige Spannungs komponente 46, die jetzt von cer Referenzspannung 45 sub trahiert wird. Die Subtraktion ist erforderlich, @a sich in der zweiten Takthälfte der ohmsche Spannungsatfall im Erregerkreis als Gegenspannung auswirkt, ebense wie die Treiberausgangsspannung 39 als Gegenspannung wirkt. Die gesamte Spulengegenspannung ist ausserdem um den Betrag der beiden Diodenspannungen von Diode 36 und 34 bzw. 35 grösser als die Spulen-Erregerspannung. Dadurch nimmt der Strom etwas rascher ab als er ansteigt, damit bei Beginn des neuen Taktes der Spulenstrom sicher null ist.

Claims: Kraftabhängiger requenzwandler Patentansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung einer auf einen in definierter Art und Weise translatorisch oder rotatorisch beweglich gelagerten Körper 1;1a einwirkende Kraft F,dadurch gekenn zeichnet, daB zwei zum beweglichen Körper 1;1a stationär angeordnete Elektromagnete 4;4a und 5;5a, die auf den beweglichen Körper 1;1a Kräfte F54;F54a und F55;F55a aus üben können, von einem konstanten Zeittaktsignal 38 so getaktetwerden,dass jeweils einer der Elektromagnete 4;4a oder 5;5a erregt ist und zu beginn eines jeden neuen Zeit- taktes entschieden wird, welcher der Magnete 4;4a bzw. 5;sa während des neuen Taktes erregt sein wird mit der Massgabe, denjenigen Magneten anzusteuern, der den beweglichen Körper 1;1a zunächst in Richtung auf seine Nullposition -10; 10a hin bewegt, wobei die Erregung der Magnete so er folgt, dass jeder Magnet auf den Körper 1;la mit gleich grosser aber gegensinnig gerichteter Kraft F54;F54a bzw F55;F55a wirkt und die mittlere Kraft pro Zeittakt un abhängig von der momentanen Position bzw. Bewegung des Körpers 1;1a in Bezug auf sehne Nullage ist und konstant gehalten wird, wobei die Taktansteuerfrequenz eines tag- neten zur Bestimmung der von aussen auf den Körper 1; 1a einwirkenden Kraft ausgewertet wird 2. Verfahren nach Anspruch 1 zur dynamischen Fesselung des Körpers 1;1a und zur Erkennung seiner Position mit lediglich zwei Elektroinagneten 4;4a und 5;5a, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn jedes Zeittaktes 38 die Position des Körpers 1; 1a in Bezug auf seine Nullposition l0;10a durch Vergleich der Stroinanstiegsgeschwindigkeiten in beiden Elektromagneten 4;a und 5;5a nach einer Spannungssprungbeaufschlagung bestimmt wird. wobei die Ke@- stromanstiegsgeschwindigkeiten ein Mass für die Luft spalte 6;6a und 7;7a der -agretischen reise der Elektro magneten 4;4a und 5; ;5a darstellen und derjenige Magnet, dessen Messstrom als erster eine vorgegebene Schalt schwelle erreicht hat, eingeschaltet wird, während gleichzeitig das Einschalten des anderen Magneten während des laufenden Zeittaktes verhindert wird, so dass die Magnete praktisch im Zeitmultiplexverfahren zur Positionabestimmung und zur Krafterzeugung be trieben werden, wobei Messzeit und Messstrom vernach lässigbar klein sind in Bezug auf die Zeittaktlänge und Fesselungsbestromung. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Elektromagneten mit einer aufge prägen Spannung erfolgt, die jeweils nach der halben Taktzeit umgepolt wird, so dass sich ein von Null kon tinuierlich ansteigender und nach erfolgter Umpolung ein ebenso kontinuierlich abfallender Stromverlauf pro Zeiteinheit ergibt, dessen Anderungsrate sich aus der Höhe der angelegten Spannung und der Spuleninduktivi tat ergibt, wobei die angelegte Gegenspannung während der zweiten Takthälfte um einen konstanten Betrag höher liegt als die während der ersten Takt;halSte aufgeprägte Erregerspannung, der mindestens so gross gewählt wird, dass trotz einer möglichen Verkleinerung des Luftspaltes des magnetischen Kreises durch die Bewegung des Kör pers 1; ;7a in der geführten Bewegungsrichtung 11;71a während eines Zeittaktes und die damit einhergehende Erhöhung der Spuleninduktivitä und Yerlangsamung der Stroanderungsrate der Strom sicher innerhalb der zweiten Takthälfte wieder auf ';ull gebracht werden kann. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeich net, dass der Spannungsabfall güter dem ohmschen Wider- stand des Erregerkreises durch fortlaufende Addition in der ersten Takthälfte bzw. Subtraktion in der zweiten Takthälfte einer ents,rechenden erregerstrom proportionalen Spannungskompor.ente zur angelegten Erregerspannung bzw. Erregergegenspannung kompen siert wird. 5. Anordnung zur Durchführung des Verfahren nach den An sprüchen 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet, dass der kraft abhängige Frequenzwandler einen beweglich gelagerten Trägheitskörper 1; 1a beinhaltet, an dem beidseitig ferromagnetische Joche 2;2a und 3;3a befestigt sind, über die die Zugkräfte der Magnete 4;4a und 5;5a auf den Trägheitskörper 1; 1a übertragen werden, wobei die Kernspulen 8;8a und 9;9a der Elektromagnete von einer Elektronikeinheit 58 taktweise so erregt werden, dass die Ansteuerungs-Taktfrequenz 37 eines der elektro nischen Schalter 32;32a, 33;33a zur Einschaltung der Magnete 4;4a, 5;5a als ein W!? für die von aussen ein- wirkende Kraft mit einem Frequenzzähler 18 ausge wertet werden kann. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, da der Taktgenerator 15 ein Rechtecksignal 38 mit einem Tastverhältnis von 0,5 erzeugt, das den elektronischen Schalter 24 über den Inverter 25 einschaltet, wenn das Taktsignal 38 null ist, wodutch: beide Magnet- spulen 8;8a , 9;9a an die Erregerspannung 39 gelegt werden, so dass sich über den Schalter 24 In den Mag- netspulen 8;8a, 9;9a und den hochohmigen Me2wider- ständen 22 bzw. 23 Messströme ausbilden können, die nach einer Exponentialfunktion mit den Zeitkonstanten T4; 4a = L8; 8a/R22 L8; 8a - Induktivität der Kern spule 8; 8a bzw. T5;5a= LQ.9a/R23 L9;9a - Induktivität spule 9; 9a der Kern- ansteigen, wobei L8;8a und L9;9a abhängig sind von spulen und den Jochen 2;2a bzw. 3;3a des .rpers '; ;1a gebildet wird und die an den Messwiderständen 22,23 abgegriffen werden und den Komperatoren 26,27 zuge führt werden, die ihre Ausgänge 40,41 bei Erreichen des Referenzwertes 42 auf "eins" schalten und mit ihrem Ausgang eine Gatter-Kippschaltung triggern, die aus den Gattern 28 bis 31 besteht und die Aufgabe hat, die elektronischen Schalter 32,33 so anzusteuern, dass nur der Schalter eingeschaltet wird, dessen zugeordnetes Strominesssignal 43 bzw. 44 als erstes den Referenzwert 42 des betreffenden Komperators 26 bzw. 27 erreicht hat und diesen Schalter nachfolgend bis zum Ende der ersten Takthälfte vom Taktsignal 38 in eingeschaltetem Zu stand hält, während gleichzeitig der zweite Schalter uWer die gesamte Taktzeit unterbrochen bleibt, so dass sich jeweils nur in einer der Spulen 8;8a oder 9;9a ein Kraftstrom ausbilden kann, der in der ersten Takt hälfte, wenn das Taktsignal 38 null ist, von Erreger spannung 39 über Schalter 24, Magnetspule 8;8a bzw. 9;9a, Schalter 32 bzw 33 und Widerstand 21 nach Masse flieht und in der zweiten Takthälfte, wenn das Test signal 38 "eins" ist und die Schalter 24, 32 und 33 ge öffnet sind, von der Spulen-EMK getrieben wird und von Tasse über den Widerstand 21 , Diode 36, Spule 8,8a bzw. 9;9a und Diode 34 bzw. 35 zur nun als Gegenspannung wrkenden Treiberausgangsspannung 39 flieht, wodurch sich eine Spulengegenspannung ausbildet, die um die teine Diodenspannungen von Diode 36 B und Diode 34 bzw. lode 35 gröber ist als die Spulenerregerspannung in der ersten Takthälfte, wenn das Taktsignal 38 null ist. 7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6 , dadurch gekenn zeichnet, dass die Erregerspannung Ezw. Gegenspannung 39 mittels Summierer 16 aus der SUP zweier Spannungen gebildet wird. wobei eine die Konstantspannung 45 der Referenzspannungsquelle 14 ist und die andere dje erregerstro: :troportionale Spannungskomponente 46 Ist, die über den Widerstand 21 gebildet und mit dem Verstärkungsfaktor A im Verstärker 20 so verstärkt wird, dass ihr Wert dem gesamten ohmschen Spannungsabfall im Erregerkreis entspricht, wobei sich die Spannungskomponente 46 in der ersten Takthalfte positiv und in der zweiten Takthälfte negativ ausbildet, bedingt durch die schaltungstechnisch erzwungene Stromumkehr im Widerstand 21 bei gleichbleibender Stromrichtung in der erregten Magnetspule 8;8a bzw. 9;9a.

Inventors: BORBERG, HARTMUT, ING. GRAD.
Applicants: INGENIEURBURO FUR ELEKTROMECHANISCHE TECHNOLOGIEN DIPL.-ING. HARTMUT EUER
Application year: 1980
Main classification: G01L1
IPC codes: G01L1