DE1548834A1 - Digitales Messsystem fuer die Winkelstellung eines drehbaren Magnetfeldes - Google Patents

Description

• Digitales Meßsystem für-die Winkelstellung eines drehbaren Magnetfeldes Aus dem Buch von Alfred K. Susskind "Notes an Analog-Digital Conversion Technics", 1958, Verlag Chapman & Hall, Fig. 6-8, Seite 6-1$, ist die Methode bekannt, die Winkelstellung eines räumlich drehbaren magnetischen Wechselfeldes, das zum Beispiel durch Drehmeldergeber erzeugt werden kann, zu digitalisieren. Die bekannte Anordnung bedient sich zweier RC-Reihenschaltungen, welche gespeist worden von der Summe zweier phasengleicher Spannungen', deren Amplituden sich mit dem Sinus bzw.'den gosinus des Stellungswinkels ändern. Dabei entstehen zwei gegensinnig phasenbewegliche Wechselspannungen, welche Start- und Stoppizpulse für ein Tor liefern, das somit winkelproportionale Öffnungszeiten hat und dementsprechend winkelproportionale Impulsgruppen liefert. Diese Anordnung hat gegenüber solchen mit nur einer RC-8fickenschaltung und Ableitung des Start- oder Stoppimpulses aus der Speisespannung des Magnetsystems den Vorteil, wesentliche Fehlerquellen auszuschalten. Jeder Störeinfluß, der sich auf die beiden Brückenschaltungen in gleicher Weise auswirkt, dreht die beiden gegenläufigen Spannungszeiger in der gleichen Richtung. Dadurch wird sein Einfluß verringert und kommt so im Ergebnis nicht zum Vorschein. Die Phasenverschiebung zwischen Start- und Stoppsignal bleibt äuch unbeeinflußt durch Phasenverschiebungen im Magnetsystem. Endlich -ist bei gleicher Zählfrequenz die Auflösung des Stellungswinkels doppelt so groß,-wie wenn der Start- oder Stoppimpuls von einer phasenstarren .Spannung abgeleitet wird.
• Ferner ist aus der USA-Patentschrift 3 147 473 ein AD-Wandler mit einem Transformator in Scott-Schaltung bekannt. Hier ist aber nur eine RC-Brückenschaltung vorhanden und die Speisespannung des Magnetsystems dient als Referenz für die Phasenverschiebung.
• Die Anordnung mit Doppelbrücke nach Susskind hat jedoch den Nachteil, daß sie doppeldeutig ist, sofern der Stellungswinkel über 1800 hinausgeht. Sie ist daher nur für Winkel unter 184o zu gebrauchen.
• Ba ist daher "fgabe-der vorliegenden Erfindung, ein digitalen Msßs"ten, da* eich praktisch wie ein üblicher Drehmelderemptängev ah den D»hmeldergeber anschließen lä$t, $o weiter.. soildent das der" volle Vinkelbereich von 3600 unzweideutig übertsogon worden kann. bei wird von einem System ausgegangen, das den Phasen=terschied*zwischen zwei gegensinnig phasenbeweglichen Veahsolspannungen erfaßt, die mit Hilfe je *iper.VßC-Brückenschaltung aus zwei phasengleichen Spannungen gewonnen werden, deren Amplituden sich wiederum mit dem Sinus bzw. dem-Kosinus des Stellungswinkels ändern.
• Die Bctindung besteht durin, daß Frequenzteilor vorgesehen sind, wolche aua den phasenbeweglichen Spannungen solche von halber Frequenz bilden. Als Frequenzteiler werden insbesondere Flipflops verwendet. Diese nehmen jedoch@bekanntlich bei Betriebsbeginn eine vom Zufall abhängige Lage ein und können auch durch Störimpulse unkontrollierbar gekippt werden. In Weiterbildung der Erfindung wird daher eine KoppelschaltuÜg vorgeschlagen, welche die beiden als Frequenzteiler verwendeten Flipflops derart voneinander abhängig macht, daß durch Störeinflüsse hervorgerufene Kippvorgänge, soweit sie bei nur einem der beiden Flipflops auftreten, von-Zeit zu Zeit selbsttätig wieder rückgängig gemacht werden. Dies geschieht mit sog. statischen Setzimpulsen, das sind Impulse, welche in fester Phasenbeziehung zur Speisespannung des Magnetsystems erzeugt werden, und die das eine der beiden Flipf lops in seine richtige Lage zwingen, sofern erlese nicht'schon vorher eingenommen hat. Das richtige Funktionieren der Koppelschaltung wird gewährleistet durch Tonre, welche durch die phasenbeweglichen Spannungen gesteuert werdhn und die Setzimpulse wahlweise durchlassen. Hier ist festzustellen,äaß der Rückgriff auf die Speisespannung nur im Rahmen dieser der Sicherheit dienenden Koppelschaltung von Bedeutung iut und mit der Erzeugung der Start-und Stoppimpulse in Gegensatz zu den Einfachbrückenschaltungen nichts zu tun hat. Mit einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird erreicht, daß die genornate Kullatellung der üblichen dreiphasigen Drehmeldergeber (eynnehro transnitter) mit dem Zustand null Impulse am digitalen Ausgang übereinstimmt. Erfindungsgemäß wird ein Sc®tt-Transformator vorgesehen, dessen drei Primärklemmen an die Ausgangsklemimen eines dreiphasigen Drehmelder-Magnetsystems@angeschlossen werden können. Mindestens derjenige Teil des Bcott-Transformators, an dem in der Nullstellung des angeschlossenen Drehmelders keine Spannung liegt, muß zwei getrennte Sekundärwicklungen haben. Diese beiden Wicklungen werden in die beiden zu bildenden Phasenbrückenschaltungen entgegengesetzt eingeschaltet. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt das komplette Schaltbild mit den logischen` Elementen in Blockdarstellung, Fig. 2 zeigt das Schaltbild der Doppelbrücke mit eingetragenen Spannungsbeziehungen, . Fig. 3 bis Fig. 5 sind drei Spannungsdiagramme für die Wihkelstellungen 0o, 100 und 50o, Fig. 6 und 7 sind Impulsdiagramme für die Winkelstellungen 150 und 450. In Fig. 1 ist ein an sich bekannter Drehmeldergeber mit einer gestrichelten Linie umgrenzt und mit 1 bezeichnet. Die mit 2 bis 4 bezeichneten Wicklungen sind zu einem Sternverkettet und mögen feststehen, während eine Rotorwicklung 5 das Magnetfeld liefert, dessen Winkelstellung mit Hilfe der erfindungsgemäßen knordnLig als Digitalgröße erfaßt werden .soll. Der Stellungwinkel 6 wird .von einer mit 6-angedeuteten Bezugslinie aus gemessen. Der Geber befindet.s ich also in Nullstellung, wenn die Achse der Wicklung 5 mit der Linie 6 übereinstimmt, wobei an Wicklung 3 die größtmögliche Spannung liegt. Diese Nullstellung dreiphasiger Geber ist von der Society of Automotive F,ngineers für viele Gebiete der Technik genormt. Die mit 7 bezeichnete Anordnung stellt einen Transformator in Scott-Schaltung dar. Eine Primärwicklung 8 ist über einen ersten nicht dargestellten Eisenkern mit einer Sekundärwicklung 9 magnetisch verkettet, während zuder mittenangezapften Primärwicklung 10 zwei getrennte Sekundärwicklungen 11 und 12 gehören. Es ist leicht ersichtlich, daß in der Nullstellung Sekundärwicklung 9 die größtmögliche Spannung und die Sekundärwicklungen 11 und 12 keine Spannung führen. Dementsprechend bezeichnet man die Spannung der Sekundärdicklung 9 als cos-Spannung Ünd die Spannungen der Wicklungen 11 und 1? als sin-Spannungen. Ihre Phasenlagen verschieben 's ich nicht und sind durch die Impedanzen des Magnetsysteme gegeben. Ihre Amplituden dagegen hängen sin- bzw. cos-förmig vom Stellungswinkel 0 ab. Ferner-sind zwei.RC-Reihenschaltungen bestehend aus den Widerständen 14 und 16 und den Kapazitäten 15 und 1? vorgesehen. Die eine dieser untereinander möglichst gleichen Reihen-.schaltungen wird von den ebenfalls in Reihe liegenden Sekundärwicklungen 9 und 11 und die andere von den Sekundärwicklungen 9.und 12 gespeist. Die ,finden der Wicklung 12 sind vertauscht. Der Verbindungspunkt aller drei Sekundärwicklungen liegt an Masse, während die, Verbindungspunkte von Kapazität und Widerstand-jeweils herausgeführt sind. Diese sog. Doppelbrückenschaltung liefert somit zwei Spannungen U und U*, die bei gleichbleibender Amplitude gegensinnig phasenbeweglich sind. Das wird aus Fig. 2 und deti zlxgehörigen Zeigerdiagrammen deutlich. In Fig. 2 ist die Doppelbrücke mit den sie speisenden Sekundärwicklungen des Scott-Transformators noch einmal aufgezeichnet. Wicklung.9 führt die Spannung Ucos = U ' --os 0 un.: die Wicklung 11 führt die Spannung Usin = U # sin 0 . Beide Spannungspfeile sind gleichgerichtet. Die zugehörigen Spannungen an Widerstand und Kapaiität.sind Ur und Uc. im unteren Brückenteil sind alle Spannungen mit einem Stern bezeichn t-i und der Spannungspfeil Usin* ist umgedreht. Für den Fall 9 = 0o er-gibt sich das Zeigerdiagramm nach Fig. 3. Die Spannungen an den Widerständen und Kapazitäten sowie die beiden Brückenspannungen U und U' fallen zusammen. Der Spannungszeiger UcoJ hat seinen Maximalwert, die Spannungszeiger Usin.und Usin* sind beide gleich 0. Das Zeigerdiagramm nach Fig. 4 gilt für einen Stellungswinkel ® a 100, Der Spannungszeiger.Ucos ist ein wenig kürzer geworden und an seine Spitze fügen sich die Zeiger Urin und U$in*,an. Darüber bauen Sich rechtwinklige Dreiecke mit den Natheten Ur üad U0 bzv* Ur* und Uc* auf. Von der Spitze des ]Pfoiles Ucos zu den rechtwinkligen Ecken der Dreiecke spannen sich die Zeiger U und U0; Sie bilden miteinander den Winkel ' 2 8 = 20 0. Weiter zeigt Fig. 5 das Diagramm für 8 = 500. Der Zeiger U cos ist etwas kürzer als die beiden Zeiger Usin und Usin*' Es ergibt sich ein großes rechtwinkliges Dreieck nit den Katheten Ur und Uc sowie ein sehr kleines, nach unten gekipptes Dreieck mit den Katheten Ur' und Uc'. Die beiden Zeiger U und f' bilden einen Winkel 2 9 = 100o miteinacnder. Der Vorteil dieser Doppelbrücke gegenüber der bekannten Doppelbrücke liegt im wesentlichen darin, daß für die Winkel-. stellung B. = 0o auch -.:ie beiden gegenläufigen Zeiger den Winkel Oo.zwischen sich einschließen, d. h. zusammenfaller. Da Jedoch der zwijchen den Zeigern zu messen('e Winkel 2 D betragt, ist auch diese Brücke an sich nur bis 8 = 1800 eindeutig.
• Nach der Erfindung werden daher (iie- Frequenten der Brückenau0gang,spannungen U und U# halbiert, so daß bei Aufrechterhaltung der Eindeutigkeit eine doppelt so große Phasenverschiebung möglich ist. Dies wird bei der weiteren Beschreibung von Fi6. 1 aeutlich.
• :die Ausgangsspannungen werden zunächst in Rechteckformern 18 und '1c, .zu Rechteckspannungen A und B mit dem Tastverhältnis.1 : 1 umgeformt. Die Rechteckspannungen gelangen auf Flipflopa 20 und 21, die je einen Eingang haben und bei jedem folgenden negativen Potentialsprung ihrer Eingangsspannung einmal kippen. Die entstehenden Spannungen C und D bilden die Eingänge eines weiteren Flipflops 22, welches-so geartet ist, daB ein negativer Potentialsprung an dem einen Eingang ein Hin-und ein negativer Potentialsprung am anderen Eingang ein Zurückkippen bewirkt. Der Ausgang dieses Flipflops steuert ein: Tor 23, welches während seiner Öffnungszeiten schnelle Zählimpulse eines _ Taktgenerators 24 durchläßt. Auf diese Weise entstehen über einen unzweideutigen Stellungsbereich von 0 bis 360o zum Stellungawinkel proportionale Öffnungszeiten und Impulsgruppen. i Andererseits hängt die Eindeutigkeit des Digitalwertes von einer eindeutigen Ausgangastellurig der beiden Flipflops 20 und 21 ab und weiter davon, daB-nicht infolge irgendwelcher Störeinflüsse unbeabsichtigte Kippvorgänge an einem der beiden Flipflops auftreten: Soweit Kippvorgänge gleichzeitig an beiden auftreten, sind sie belanglos. Um die Auswirkungen der unbestimmten Flipflbp-Ausgangslagen und der Störimpulse in Grenzen zu halten, ist die erfindungsgemäße, mit statischen Setzimpulsen arbeitende Koppelschaltung vorgesehen._Von der. sinusförmigen Spannungsquelle 13 führt ein Abzweig zu einem Rechteckformer'25, dessen Ansprechschwelle so eingestellt ist, daß sich eine Rechteckspannung R vom Tastverhltnis'1:3 ergibt. Die eine Flanke dieser Rechteckspannung steuert ein Monoflop 26 und die andere Flanke ein Monoflop 2? an, welche .Nadelimpulse erzeugen. Diese Nadelimpulse sind die Setzimpulse S1 und 3.. Sie führen zu den Eingängen zweier Tore 28 und deren Ausgänge mit den statischen Eingängen'des Flipflops 21 verbunden sind. Die statischen Eingänge sind so zu verstehen, a..#xß, wenn an ihnen negatives Potential lieg, das Flipflop iri die entsprechende Iaage gezwungen wird. Den 'goren 28 und 29 wir('. ferner vom zweiten Ausgang des Flipf lops 20 die &Spannung zugeführt. Tor 28 erhält außerdem über ein Monoflop 30, welches durch den negativen_Potentialsprung der Spannung k angesteuert wird, eine Spannung Er. Dialabile Zeit des Monoflops 30 entspricht etwa*eines.Yiertel der Periodendauer der Spannungen A odet. B. Tor 29 erhält an ' dritter Stelle die Spannung B, welche aber einen Inverter '31 aus 8 gewonnen wird. FIS. 6 zeigt die -weeei>tlichen Spar ,ungen und Impulse über der Zeit aufgetragen für den Fall-6 .= 15o. Oben zunächst die phasenunbeweglichen Größen R mit der Periodendauer TR, sowie die Setzimpulse S1 uhd S". Darunter die-Gruppe A, C, Z` und TBC, we-ische sich mit _gteigendem Stellungswinkel nach rechts verschiebt. Die Gruppe B, Z und D verschiebt Sich dagegen mit steigendem Stellungswinkel nach links. Der negative Potentialsprung von D öffnet das Tor 23 und d(r tegative Fotentialsprung rin C schließt es wieder. Die Zeit t-- B ist angedeutet. F.ir 0 fallen die-beiden Spannungen mit üer strichpunktiert angedeuteten Nullinie 32 zusammen. Von dieser Nullinie ist einer der Impulse S1 um T./12 nach rechts verschoben. Diese Einstellung läßt sich durch einen nicht gezeichneten, dem Aechteckformer 25 vorgelagerten Phasenschieber bewirken: Wie den Bild zu entnehmen, kommt nur der rechte der beiden gezeichneten,S2-Impulse durch. Er setzt Flipflop 21 in die Stellung ".0", auch wenn es ;;ich zufällig nicht in dieser Lage befinden würde. Sollte dagegen Flipflop 20 sich in der falschen. Ausgangslage befunden haben oder durch Störungen gekippt sein, so würde der linke S,-Impuls durchkommen und das Flipflop 21 von der "l"- in die "0"-Lage .setzen.

  Das zweite Beispiel, nach Fig. 7, welches für 0 = 45o ge-

  zeichnet ist, macht deutlich, daß.nun außer dem rechten SZ-Impuls

  auch die beiden äußeren. SZ-Impulse über Tor 29 @durchkommeri.

  Beide Setzimpulse haben keine Augwirkung, da sie das Flipflop 21

  schon in der jeweils richtigen Stellung finden. Eine falsche

  Ausgingslage-oder ein durch. Störung hervorgerufener Kippvor-

  gang würde hier also.schon nach längstens der Periode von D

  berichtigt sein. Ebenso--würde eine eventuell falsche Lage

  des "F1lpflops. 20 dtiroh den mittleren SZ- und die äußeren .

  Se-Impulae-s1sb*Id berichtigt sein.

  Diese Überlegungen lassen sich für die übrigen WinkelatP »>innen

  systematisch fortführen, vom Stellungswinkel 30obis 3000 setzt

  Si über L' und ?X das Flipflop 21 in Lage "1" und von 240" bis

  3G0° sowie von 00 bis 600 setzt ä2 das Flipflop über 7 und 11

  in Lage "0".

Claims (1)

1. Patentansprüche '?. Digitales MeBsystem für c:ie Winkelstellung eines räumlich drehbaren nagnetischen Wechselfeldes mit--Hilfe des Phasen- ' uuterschiedes zwischen iwei gegensinnig phasenbeweglichen Wechselspannungen, die mit Hilfe je einer RC-Hrückenschältung aus zwei phasengleichen Spannungen gewonnen werden, deren Amplituden sich mit dem Sinus bzw. dem KOSInus des-Stellungs- winkela ändern, da ,urh , Gekennzeichnet, daß Frequenzteiler (2a, 21) vorgesehen sind, welche aus den phasenbeweglichen Spannungen (#, B) solche (C, D) von halber Frequenz bilden. 'aigitalea Meßeysteg nach Anspruch 1, dadurch -gekennzeichnet, . d" plipflaxps (24, .?.1) als Preguenzteiler verwendet und mittels einer .xoppelgibältW4 (25 bis. 3't) derart voneinander abhangiE .dlässe hervorgerufme Kippvorgänge, :.@ @-s,, "e'bl: ., s#en der beiden hlipf3ops auftreten, von Zeit »fit selbstUtig...vieder rückgängig genecht werden. Digitales IKelsasten nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn- zeichnet, daB in tester Phasenbeziehung Zur Speisespannung (13) des (1) Impulse (31 und S2) erzeugt werden, .welche über Tore (28, 29) als statische Setzimpulse auf dar eine (?1) der beiden ?lief Tops gelangen und daß diese Tore in fester Phasenbeziehung zu den phasenbeweglichen Spannungen (A, 3) gesteuert Werder.. Digitalei Vießaystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eirt Transformer (?) in Scott-3chaltwig mit zwei Setrena- ten Sekundärwicklungen (11, 12) arL zumindest demjenigen Trans- rornatorenteil vorgesehen ist, an' dem bei- Nullstellung des Magnetfeldes keine Spannung liegt, und daß zwei RC-Reihen- ischaltungen (14, 15 und 16,17) von den Summen der bellen verschieüenen Sekund:r: pannungen gespeist werden,, wobei je- doch in einer der ,so,gebildeten Brücken (9, 12, 14, 15) eine (1^) der doppelten, bei 'Mullstellung des Magnetfeldes stromlosen Sekundirwicklungen mit'vertauschten Enden hngeächlossen int.