DE2829292C2

DE2829292C2 - Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels einer rotierenden Welle

Info

Publication number: DE2829292C2
Application number: DE2829292A
Authority: DE
Inventors: Peter Graz Mantsch; Werner Dipl.-Ing. Moser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-15
Filing date: 1978-07-04
Publication date: 1986-04-17
Also published as: US4188820A; GB2001177B; DE2829292A1; ATA514377A; AT353513B; GB2001177A

Description

Fall umfaßt die Identifizierschaltung vorzugsweise ein J-K-Flip-Flop, dessen Takteingang die vom Geber erzeugten Bezugswinkelsignale und Hilfsmarkensignale zugeführt werden, ein einem Ausgang des Flip-Flops nachgeschaltetes Integrierglied und eine Logikschaltung mit einer EXKLUSIV-ODER-Funktion, deren erster Eingang mit demselben Ausgang des Flip-Flops wie das Integrierglied verbunden ist, während ihr zweiter Eingang mit dem Ausgang des Integriergliedes und ihr Ausgang sowohl mit dem ersten Eingang des Phasenkomparators als auch mit dem Rücksetzeingang des Hilfszählers verbunden sind.

Mit Hilfe einer solchen Identifizierschaltung wird die Verwendung eines einzigen Gebers zum Abtasten sowohl der Hilfsmarke als auch der Bezugswinkelmarke ermöglicht, da mittels der beschriebenen Anordnung eine Identifizierung beider Marken erfolgen kann. Damit ist es auch möglich, wenigstens eine zweite Bezugswinkelmarke vorzusehen, wobei vurieühaiterweisc zurr.ir. dest eine der beiden Bezugswinkelmarken gleichzeitig als Hilfsmarke für die andere Bezugswinkelmarke dienen kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt

F i g. 1 ein Blockdiagramm, das ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergibt.

F i g. 2 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels aus F i g. 1,

Fig.3 ein Blockdiagramm, das ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt,

F i g. 4 ein die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels aus F i g. 3 erläuterndes Impulsdiagramm,

F i g. 5 eine Identifizierschaltung zur Unterscheidung der von einem einzigen Geber beim Vorheilaufen von zwei Markierungen erzeugten Signale, von denen die eine als Bezugswinkelmarke und die andere Hilfsmarke dient, und

F i g. 6 und 7 zwei Impulsdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Identifizierschaltung aus F i g. 5.

Eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in F i g. 1 dargestellt Das von dem die Bezugswinkelmarke der Welle abtastenden Geber stammende Signal A wird dem einen Eingang eines Phasenkomparators 1 zugeführt, dessen Ausgang C mit einem Filter 2 verbunden ist, dessen Ausgangsspannung D die Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators 3 beeinflußt Dieser Oszillator vervielfacht das einmal pro Wellenumdrenung erzeugte Signal A um den Faktor 360 χ k, wobei k die Winkelauflösung bedeutet Der Ausgang des Oszillators ist einerseits mit einem Zähler 7 verbunden, der durch das Signal A rückstellbar und startbar und durch das von dem maschinencharakteristischen Ereignis ausgelöste Ereignissignal A' blockierbar ist Der Zählerstand, den der Zähler in der sogenannten Torsignalzeit, d. h. der Zeit zwischen dem Auftreten des Bezugswinkelsignals A und des Ereignissignals A', erreicht, ist ein Maß für den Drehwinkel der Welle, den diese während der Torsignalzeit zurückgelegt hat Dieser Zählerstand wird mittels einer entsprechenden Anzeigevorrichtung 5 entweder direkt oder in Winkelgrade umgewandelt zur Anzeige gebracht Weiterhin werden die Ausgar.gsiinpulss des Oszillators 3 einem Untersetzer 4 zugeführt, der sie in ihrer Frequenz um den Faktor 360 χ k untersetzt, wobei k wieder der die Winkelauflösung bestimmende Vervielfachungsfaktor des Oszillators 3 ist. Die untersetzten Ausgangssignale B des Untersetzers 4 werden dem zweiten Eingang des Phasenkomparator 1 zugeführt. Die so gebildete Regelschaltung regelt, wie aus Fig.2 ersichtlicht ist, die Phasenverschiebung zwischen den Bezugswinkelsignalen Λ und den aus der um den Faktor 360 χ k untersetzten Oszillatorfrequenz gewonnenen Signalen B auf den Wert Null oder ein Minimum ein. Damit stellt die Oszillatorfrequenz eine um den Faktor 360 χ £ vervielfachte ίο Bezugswinkelmarkenimpulsfrequenz dar.

Die Frequenz des Oszillators 3 wird aufgrund der Synchronisation der Signale A und B durch den Phasenkomparator 1 und das Filter 2 praktisch nur durch die ' Durchschnittsgeschwindigkeit der Welle während einer Umdrehung bestimmt, wodurch auch in Beschleunigungsphasen der Maschine eine hohe Meßgenauigkeit beibehalten wird.

Werden besonders hohe Anforderungen an die Meßgeniiuigkeit auch hei einer starken Ungleichförmigkeit der Winkelgeschwindigkeit der Welle während einer Umdrehung gestellt, so können diese mit der Ausführungsform gemäß Fig.3 erfüllt werden. Allerdings ist dabei die Anbringung einer Hilfsmarke E vor der eigentlichen Bezugswinkelmarke .4 auf der Welle erforderlich.

Der wesentliche Unterschied der Ausführungsform gemäß F i g. 3 gegenüber jener gemäß F i g. 1 besteht darin, dr^ der Frequenzteiler 4 durch eine aus einem Hilfszähler 8, der durch ein von der Hilfsmarke E hervorgerufenes Signal £ rückstellbar ist, und einen Dekoder 9 ersetzt ist, der bei Erreichen des Zählerstandes cc χ k, wobei α den Winkel zwischen der Hilfsmarke E und der Bezugswinkelmarke A und k die Winkelauflösung bedeuten, ein Signal B abgibt, das wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 dem Phasenkomparator 1 zugeführt wird. Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, erfolgt über den Phasenkomparator 1 und das Filter 2 eine Synchronisation der Signale A und B, wodurch die Frequenz des Oszillators 3 wieder der um den Faktor 360 χ k vervielfachten Frequenz der Bezugswinkelsignale A entspricht, da der Hilfszähler erst bei Erreichen der Hilfsmarke E zu zählen beginnt und bei Erreichen des Zählerstandes λ χ k vom Dekoder 9 ein Signal B abgegeben wird. Da bei dieser Ausführungsform die Frequenz des Oszillators 3 praktisch nur durch die Geschwindigkeit der Welle bestimmt wird, mit der sie den unmittelbar vor der eigentlichen Meßstrecke liegenden Bereich, nämlich den durch die Hilfsmarke E und die Bezugswinkelmarke A definierten Winkel λ durcheilt, t leibt eine hohe Meßgenauigkeit auch bei einer starken Ungleichförmigkeit der Winkelgeschwindigke: der Welle während einer Umdrehung erhalten. Dies ist durch die indirekt über die Synchronisation der Signale A und B erfolgende Geschwindigkeitsmessung der WeI-Ie im Bereich des Winkels α bedingt, wobei eine Mittelwertbildung über eine volle Umdrehung vermieden wird.

Es ist keinesfalls notwendig, bei der Ausführungsform gemäß Fig.3 zwei Geber für die Abtastung der Bezugswinkelmarke A und der Hilfsmarke E zu verwenden. Es genügt die Verwendung eines einzigen Gebers für die Abtastung beider Marken. In diesem Fall ist die Einschaltung einer Identifizierschaltung vor dem einen Eingang des Phasenkomparators 1 und dem Steuereingang des Hilfszählers notwendig. Eine mögliche derartige Schaltung ist in Fig.5 dargestellt; sie besteht aus einem J-K-Flip-Flop 10, das von dem die beiden Marken abtastenden Geber stammenden Impulszug L gesteuert

ist, einem an den Ausgang des Flip-Flops 10 angeschlossenen Integrierglied 12 und"einer'Logikschaltung 11, die als EXKLUSIV-ODER-Glied ausgebildet ist, dessen Eingänge mit dem Ausgang des Flip-Flops 10 und dem Ausgang des Integriergliedes 12 verbunden sind. Der Ausgang Qder Logikschaltung kann mit dem einen Eingang des Phasenkomparator 1 und mit dem Steucrcingang £is Hilfszählers 8 verbunden werden, wobei der Phasenkomparator 1 die einen Flanken und der Hilfszähler 8 die anderen Flanken des am Ausgang Q auftretenden Impulszuges auswertet.

Der Zufall bestimmt, ob das J-K-Flip-Flop 10 durch die Hilfsmarke £(Fig.6) oder die Bezugswinkelmarke A (Fig. 7) auf den HIGH-Pegel geschaltet wird. In dem in F i g. 6 dargestellten Fall erreicht die Integrator-Ausgangsspannung N me den HIGH-Pegel P für die nachgeschaltete Logikschaltung 11, so daß der am Ausgang Qder Logikschaltung 11 erscheinende Impulszug identisch ist mit dfim am Ausgang M des J-IC-Flip-Flops 10 auftretenden Impulszug.

In dem in Fig.7 dargestellten Fall erreicht die Integrator-Ausgangsspannung N nach einigen Umdrehungen den HIGH-Pegel P für die nachgeschaltete Logikschaltung 11, so daß am Ausgang Q der Logikschaltung 11 das invertierte Flip-Flop-Ausgangssignal M entsteht. In jedem der beiden Fälle ist nach einer bestimmten Zeit die positive Flanke des Logikausganges Q identisch mit der Hilfsmarke E und die negative Flanke identisch mit der Bezugswinkelmarke A.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels, den eine rotierende Welle einer Maschine zwischen wenigstens einer Bezugswinkelstellung und einer Winkelstellung durchläuft, die sie beim Eintreten eines von der Funktion der Maschine verursachten Ereignisses einnimmt, mit

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a) wenigstens eher auf der Welle angebrachten Bezugswinkelmarke,

b) wenigstens einem neben der Welle angeordneten Geber, der beim Vorbeilaufen der wenigstens einen Bezugswinkelmarke ein Bezugswinkelsignal erzeugt, welches anzeigt, daß die Welle die wenigstens eine Bezugswinkelstellung durchläuft,

c) einem Geber, der beim Auftreten des von der Maschin verursachten Ereignisses ein Ereignissignai erzeugt

d) einem Impulsgeber, der zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Bezugswinkelsignalen eine vorbestimmte gegenüber der Zahl der Bezugswinkelsignale vervielfachte Anzahl von Impulsen erzeugt die bei konstanter Drehzahl der Welle zeitlich äquidistant sind,

e) und mit einer Auswerteschaltung, die einen Zähler umfaßt, der die Impulse des Impulsgebers abzählt, die zwischen einem Bezugswinkelsignal und einem nachfolgenden Ereignissignal auftreten, so daß nach dem Auftreten des Ereignissigna's der Zählerstand jls Meßwert für den Drehwinkel dar rotierenden Welle zur Verfügung steht,

gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

f) der Impulsgeber ist ein Oszillator (3) mit veränderbarer Frequenz, und

g) die Auswerteschaltung umfaßt eine Regelschaltung, durch die die Frequenz des Oszillators (3) so regelbar ist, daß er zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Bezugswinkelsignalen (A, A) die vorbestimmte Anzahl von Impulsen erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Oszillators (3) durch die Regelschaltung so regelbar ist, daß der jeweils erste der Impulse, die der Oszillator zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bezugswinkelsignalen (A, A) erzeugt, mit den Bezugswinkelsignalen (A) synchronisiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung einen Phasenkomparator (1) umfaßt, dessen einem Eingang die Bezugswinkelsignale (A) und dessen anderem Eingang die um einen vorbestimmten Wert untersetzten Impulse des Oszillators (3) zugeführt werden

' und dessen Ausgang ein Filter (2) nachgeschaltet ist, daß der Oszillator (3) ein spannungsgesteuerter Oszillator ist, dessen Frequenz durch die Ausgangsspannung des Filters (2) steuerbar ist, und daß dem Oszillator (3) eine Untersetzerschaltung (4; 8, 9) nachgeschaltet ist, die dem zweiten Eingang des Phasenkomparators (1) die um den vorbestimmten Wert untersetzten Impulse des Oszillators (3) zuführt

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersetzerschaltung ein Frequenzteiler (4) ist, der die Impulse des Oszillators um einen vorbestimmten Wert untersetzt, der gleich der vorbestimmten Anzahl von Impulsen ist, die der Oszillator zwischen zwei Bezugswinkelsignalen (A, A) erzeugt

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß auf der Welle eine Hilfsmarke so angeordnet ist, daß ein Hilfsrnarkensigna! (E), das ein Geber bei ihrem Vorbeilaufen erzeugt dem Bezugswinkelsignal (A) um einen vorbestimmten Winkel (λ) voreilt und daß die Untersetzerschaltung

- einen Hilfszähler (8), der die vom Oszillator (3) erzeugten Impulse zählt und durch das Hilfsmarkensignal (E) rücksetzbar ist und

- einen Dekoder (9) umfaßt, der dann, wenn der Zählerstand des Hilfszählers (8) gleich einer zweiten vorbestimmten Anzahl (λ χ k) von Impulsen ist an den zweiten Eingang des Phasenkomparators (1) ein Signal abgibt

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Winkel (λ), um den das Hilfsmarkensignal (E) dem Bezugswinkelsignal f/U vorauseilt, kleiner als 120° ist

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Bezugswinkelmarke und die Hilfsmarke von ein und demselben Geber abgetastet werden, der somit sowohl die Bezugswinkelsignale (A) als auch die Hilfsmarkensignale (E) erzeugt, und daß eine Identifizierschaltung vorgesehen ist, die die Bezugs winkeisignaie (A) dem ersten Eingang des Phasenkomparators (1) und dem Starteingang des Zählers (7) und die Hilfsmarkensignale (E) dem Rücksetzeingang öei Hilfszählers (8) zuführt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingang des Phasenkomparators (1) und der Rücksetzeingang des Hilfszählers (8) auf einander entgegengesetzt verlaufende Impulsflanken reagieren, und daß die Identifizierschaltung folgende Bestandteile umfaßt:

- ein J-K-Flip Flop (10), dessen Takteingang die vom Geber erzeugten Bezugswinkelsignale (A) und Hilfsmarkensignale (E) zugeführt werden,

- ein einem Ausgang (M) des Flip-Flops (10) nachgeschaltetes Integrierglied (12), und

- eine Logikschaltung (11) mit einer EXCLUSIV-ODER-Funktion, deren erster Eingang mit demselben Ausgang (M) des Flip-Flops (10) wie das Integrierglied (12) verbunden ist, während ihr zweiter Eingang mit dem Ausgang des Integriergliedes (12) und ihr Ausgang sowohl mit dem ersten Eingang des Phasenkomparators (1) als auch mit dem Rücksetzeingang des Hilfszählers (8) verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine zweite Bezugswinkelmarke vorgesehen ist und daß zumindest eine der beiden Bezugswinkelmarken gleichzei-

tig als Hilfsmarke für die andere der Bezugswinkelmarken dient

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels, den eine rotierende Welle einer Maschine zwischen wenigstens einer Bezugswinkelstellung und einer Winkelstellung durchläuft, die sie beim Eintreten eines von der Funktion der Maschine verursachten Ereignisses einnimmt, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bei einer derartigen Vorrichtung, wie sie beispielsweise aus Elektronische Rundschau (1960), Nr. 8, Seiten 324 bis 326, entnehmbar ist, besteht der Impulsgeber aus einer an die Welle angebauten, mechanischen Gebervorrichtung, die pro Umdrehung k χ 360 Impulse abgibt, wobei k ein Faktor ist, der von der gewünschten Auflösung abhängt. Dabei werden die von der Gebervorrichtung zwischen einem Bezugswinkelsignal und einem nachfolgenden Ereignissignai abgegebenen impulse mit Hilfe eines Zählers gezählt, so daß nach dem Auftreten des Ereignissignals der Zählerstand als Meßwert für den Drehwinkel der rotierenden Welle zur Verfugung steht

Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß die verwendeten mechanischen Gebervorrichtungen relativ groß sind und oft nicht oder nur sehr schwer an der Welle angebracht werden können. Überdies sind derartige Geber teuer und verschleißbehaftet, und es läßt sich damit nur ein relativ bescheidenes Auflösungsverhältnis erzielen.

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auf einfache Weise an einer Maschine mit einer rotierenden Welle angeordnet werden kann und ein hohes Auflösungsvermögen ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Anspruch 1 niedergelegten Merkmale vor.

Gemäß der Erfindung wird die bekannte, als Impulsgeber dienende mechanische Gebervorrichtung durch einen Oszillator mit veränderbarer Frequenz ersetzt, dessen Frequenz so geregelt wird, daß er zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Bezugswinkelsignalen die vorbestimmte Anzahl von Impulsen erzeugt. Dieser Impulsgeber muß nicht mehr an der Welle selbst, ja noch nicht einmal in ihrer unmittelbaren Nähe angeordnet werden. Es genügt vielmehr, wenn auf der Welle selbst die wenigstens eine Bezugswinkelmarke vorgesehen und neben der Welle der Geber angeordnet wird, der das Vorbeilaufen dieser Bezugswinkelmarke erkennt und entsprechende Bezugswinkelsignale abgibt. Alle anderen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung können an beliebigen Stellen untergebracht werden, so daß sich bei dem ohnehin geringen Raumbedarf von elektronischen Schaltungen hier keinerlei Schwierigkeiten mehr ergeben. Der Wert, auf den die Frequenz des Oszillators eingeregelt wird, kann innerhalb weiter Grenzen frei und insbesondere sehr groß gewählt werden, so daß sich ein sehr hohes Auflösungsvermögen erzielen läßt.

Außerdem läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung völlig aus elektronischen Bauteilen aufbauen, die praktisch verschleißfrei sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen einer erfindungsgemäßen· Vorrichtung sind in den Unteransprüchen niedergelegt. Dabei umfaßt insbesondere die Regelschaltung einen Phasenkomparator, dessen einem Eing&ng die Bezugswinkelsignale und dessen anderem Eingang die um einen vorbestimmten Wert untersetzten Impulse dfts Oszillators zugeführt werden und dessen Ausgang ein Filter nachgeschaltet ist. Verwendet man in einem solchen Fall als Oszillator einen spannungsgesteuerten Oszillator, dessen Frequenz durch die Ausgangsspannung des Filters steuerbar ist, und schaltet man dem Oszillator eine Untersetzerschaltung nach, die dem zweiten

to Eingang des Phasenkomparators die um den vorbestimmten Wert untersetzten Impulse des Oszillators zuführt, so erhält man eine besonders günstige Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Regelschleife. Vorzugsweise ist die Untersetzerschaltung ein Frequenzteiler, der die Impulse des Oszillators um einen vorbestimmten Wert untersetzt, der gleich der vorbestimmten Anzahl von Impulsen ist, die der Oszillator zwischen zwei Bezugswinkelsignalen erzeugt. Die Ausgangssignale des spannungsgesteuerten Oszillators werden dabei außer der Frequenzteilerschaltung auch dem Zähler zugeführt, der sie in der ^Uoreits beschriebenen Weise abzählt.

Für besonders hohe Ansprüche an die Meßgenauigkeit wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung auf der Welle eine Hilfsmarke so angeordnet, daß ein Hilfsmarkensignal, das ein Geber bei ihrem Vorbeilaufen erzeugt, dem Bezugswinkelsignal um einen vorbestimmten Winkel voreilL In diesem Fall umfaßt die Untersetzerschaltung einen Hilfszähler, der die vom Oszillator erzeugten Impulse zählt und durch das Hilfsmarkensignal rücksetzbar ist, sowie einen Dekoder, der dann, wenn der Zählerstand des Hilfszählers gleich einer zweiten vorbestimmten Anzahl von Impulsen ist, an den zweiten Eingang des Phasenkomparators ein Signal abgibt. Dabei ist der vorbestimmte Winkel, um den das Hilfsmarkensignal dem Bezugswinkelsignal vorauseilt, vorzugsweise kleiner als 120°.

Damit wird erreicht, daß die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators, dessen Sig^Ie in dem Zeitraum zwischen einem Bezugswinkelsignal und einem Ereignissignal gezählt werden, wobei der während diener Zeit erreichte Zählwert ein Maß für den Dreh- -winkel der Welle ist. über den Phasenkomparator und das Filter von der Geschwindigkeit Her Wolle, mit der sie den Winkel zwischen der Hilfsmarke und der Bezugswinkelmarke überstreicht, bestimmt wild. Die Hilfsmarke £wird vorteilhafterweise so viele Grade vor der Bezugswinkelmarke A angeordnet, wie die größte zu erwartende Meßgröße beträgt. Das Anordnen dieser

so Hilfsmarke E möglichst nahe vor der eigentlichen Bezugswinkelmarke A bringt den Vorteil, daß der durch die lineare elektronische Frequenzvervielfachung und die Ungleichförmigkeit der Umdrehung der Welle, z. ß. einer Brennkraftmaschine, entstehende Fehler gering gehalten wird.

In Weiterbildur.j der Erfindung ist vorgesehen, daß die wenigstens eine Bezugswinkelmarks und die Hilfsmarke von ein und demselben Geber abgetastet wer den, der somit sowohl die Bezugswinkelsignale als auch die Hilfsmarkensignale erzeugt, und daß eine Identifizierschaltuiig vorgesehen ist. die die Bezugswinkelsignale dem ersten Eingang des Phasenkomparatprs und dem Starteingang des Zählers undidje HiHsmarkensignaie dem Rücksetzeingang des Hilfszählers zuführt.

Vorzugsweise ist die Anordnung so getroffen, daß der erste Eingang des Piiasenkomparators und der Rücksetzeingang des Hilfszählers auf einander entgegengesetzt verläufende Impulsflanken reagieren. In diesem