DE2911420C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wandler der im Ober
begriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Umwandlung von
Bewegungen in elektrische Signale.
Ein derartiger Wandler ist insbesondere, jedoch
nicht ausschließlich für eine Verbrennungskraftmaschine
bestimmt, um ein elektrisches Signal zu liefern, das kenn
zeichnend für die Winkeldrehlage der Kurbelwelle der Maschi
ne ist und zur Steuerung der Funkenzündung der Maschine
dient.
Bei bekannten Verbrennungskraftmaschinen wird die
Zündung meistens durch mechanische Unterbrecherkontakte
gesteuert, die von einem sich drehenden Nocken betätigt
werden, der von der Kurbelwelle der Maschine angetrieben
ist. Der Zeitpunkt der Zündung wird dadurch gesteuert, daß
die Winkelstellung der Unterbrecherkontakte relativ zu der
Drehachse des Nockens in Abhängigkeit von dem Wert des
Teilvakuums bewegt wird, das im Einlaßstutzen der Maschine
abgenommen wird.
Vor kurzem sind elektronische Zündsysteme für
Verbrennungskraftmaschinen entwickelt worden. Elektronische
Systeme
gestatten die Steuerung des Zeitpunktes der Zündung in Ab
hängigkeit nicht nur von dem zuvor genannten Vakuumpegel,
sondern außerdem in Abhängigkeit von verschiedenen anderen
Betriebsparametern der Maschine, so daß damit die Maschine
mit einem größeren Wirkungsgrad betrieben werden kann. Die
elektronischen Zündsysteme benötigen nicht die herkömmlichen
Unterbrecherkontakte und Steuernocken, jedoch sind gewisse
Mittel erforderlich, um dem System ein elektrisches Signal
zu liefern, das die Drehwinkellage der Maschine angibt, so
daß so das System den Zeitpunkt der Zündung steuern kann.
Darüber hinaus ist eine sehr viel genauere Überwachung der
Drehwinkellage der Kurbelwelle der Maschine erforderlich,
als das mit der herkömmlichen Anordnung, bestehend aus Un
terbrecherkontakten und Nocken, möglich ist, wenn die Vor
teile hinsichtlich des Wirkungsgrades des Betriebs der Ma
schine, der durch die elektronischen Zündsysteme möglich ist,
auf ein Maximum gebracht werden sollen.
Ein älterer Vorschlag zur Überwachung der Rotation der
Maschine besteht darin, in das Schwungrad der Maschine eine
Reihe von Permanentmagneten in einem genauen Abstand am Um
fang des Schwungrades einzusetzen. Die Magneten stecken in
Löchern, die in das Schwungrad gebohrt sind. Eine Aufnahme
spule befindet sich an der Maschine dicht an dem Schwungrad,
so daß bei dessen Drehung jeder Magnet einen elektrischen
Impuls in der Spule induziert, wenn der Magnet die Spule
passiert. Jeder Impuls kennzeichnet somit das Auftreten einer
bestimmten Winkelstellung der Maschine. Es ist bei dieser
Anordnung jedoch schwierig, scharfe Impulse zu erzielen, wie
das für ein elektronisches Zündsystem erforderlich ist, um
genau anzugeben, wann jeder der Magnete sich in die Flucht
linie mit der Spule bewegt, da dann, wenn ein Magnet sich der
Spule nähert und diese passiert, ein relativ langer Anstieg
und Abfall der induzierten Impulse auftritt, so daß es schwie
rig ist, die Spitze des Impulses zu bestimmen und somit den
Augenblick des Fluchtens von Spule und Magnet. Zur Verringe
rung, jedoch nicht zur Vermeidung dieser Schwierigkeit ist
die Spule so nahe wie möglich an dem Schwungrad angeordnet,
beispielsweise näher als 0,2 mm, was in der Praxis schwierig
zu erreichen ist, ohne daß die Kosten der Maschine erhöht wer
den. Außerdem ist von Nachteil, daß das erforderliche genaue
Bohren des Schwungrades zum Einsetzen der Magnete merklich die
Kosten der Maschine erhöht. Eine weitere Schwierigkeit bei die
sem älteren Vorschlag besteht darin, daß bei Betrieb die Ten
denz besteht, daß sich Schmutz auf der Aufnahmespule absetzt,
was dazu führt, daß die Spitzenamplitude der erzeugten Impulse
sich mit der Zeit verringert, wenn sich der Schmutz aufbaut,
so daß es schwierig ist, Schwellwertkreise zu verwenden, um die
Form der induzierten Impulse zu verbessern. Wird ein Schwell
wertkreis mit festem Schwellwert verwendet, so muß die Ampli
tude des Schwellwertes relativ niedrig sein, um der Verringe
rung der Impulsamplitude Rechnung zu tragen, die im Laufe der
Zeit bei den magnet-induzierten Impulsen auftritt, wenn man
davon ausgeht, daß die induzierten Impulse immer den Schwellwert
überschreiten müssen. Der relativ niedrige Schwellwert
bedingt somit ungenaue Ergebnisse.
Durch die DE-OS 19 13 517 ist ein Wandler der be
treffenden Art bekannt, bei dem die Sende- und Empfangsmit
tel aufgrund der innewohnenden elektrischen Eigenschaften
einer Langzeitdrift unterliegen, die sich nachteilig auf den
Wert der Ausgangssignale auswirken. Außerdem wirken sich
angesetzter Schmutz, Fett oder dergleichen nachteilig auf
den absoluten Wert der von dem Empfangsmittel abgegebenen
Signale aus. Da bei einer Verbrennungskraftmaschine naturgemäß
hohe Temperaturunterschiede, starke Vibrationen und
Ansätze von Schmutz oder Fett auftreten, fallen die genann
ten Langzeitdriftnachteile besonders stark ins Gewicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Wandler der betreffenden Art zu schaffen, der einfach und
billig ist, bei dem die Anforderungen an die Toleranzen für
die Anordnung der Teile gering sind und der ein genaues
Drehwinkelsignal liefert, auf das sich Langzeitänderungen
der Schaltung, der Anordnung sowie eine langsame Ansammlung
von Schmutz nicht nachteilig auswirken.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird
durch die im Anspruch 1 angegebene Lehre
gelöst.
Der Wandler gemäß der Erfindung hat den Vorteil,
daß das durch die Vergleichseinrichtung erzeugte Signal eine
genaue Anzeige des Beginns und des Endes der von dem beweg
lichen Teil gesetzten Unterbrechungen liefert, selbst im
Falle einer Änderung der Signalamplitude aufgrund von
Schmutz, der sich auf den Sende- und Empfangsmitteln aufge
baut hat. Dieser Vorteil ergibt sich aufgrund der Tatsache,
daß das Ausgangssignal von dem Empfangsmittel in der Ver
gleichseinrichtung mit einem Steuersignal verglichen wird,
das repräsentativ für einen Mittelwert der ersten und zwei
ten Werte ist. Eine Änderung der Signalamplitude aufgrund
von angesammeltem Schmutz ändert die ersten und zweiten
Werte des Ausgangssignals und ändert infolgedessen den Wert
des Kontroll- oder Steuersignals. Das Kontrollsignal defi
niert somit sehr wirksam einen variablen Schwellwert, der
sich automatisch ändert, um aufgebauten Schmutz oder anderen
Faktoren Rechnung zu tragen, die die Größe des Ausgangs
signals von den Empfangsmitteln ändern.
Die ersten und zweiten Inverter sind zweck
mäßigerweise CMOS-Inverter.
Eine alternative Lösung der der Erfindung zu
grundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 3
angegeben. Bei dieser Alternativlösung ist statt der Konden
satoranordnung gemäß Anspruch 1 ein Filternetzwerk
verwendet.
Anhand der Zeichnungen sollen weitere Einzel
heiten und Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung nach
folgend näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt perspektivisch einen elektrischen
Verschiebewandler gemäß der Erfindung,
angebracht an einer Verbrennungskraft
maschine,
Fig. 2 zeigt perspektivisch und mehr im einzelnen
einen Teil des Wandlers gemäß Fig. 1,
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild des Wandlers, und
Fig. 4 verdeutlicht mehrere elektrische Wellenzüge,
die bei Verwendung der Schaltung gemäß Fig. 3
gebildet werden.
In Fig. 1 ist eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit sechs
Zylindern gezeigt, die mit einem elektrischen Verschiebewandler
gemäß der Erfindung ausgerüstet ist. Der Wandler weist ein Teil
auf, das von der Maschine gedreht wird und eine Metallscheibe 2
ist, die auf der Kurbelwelle der Maschine befestigt ist und
einen kronierten Rand hat. An dem Gehäuse der Maschine ist
ein elektrischer Abtaster 3 befestigt, der elektrische Signale
liefert, die die Drehwinkelstellung der Scheibe 2 angeben. Die
Anordnung 3 wird mit elektrischen Signalen aus einem Steuer
kreis 4 gespeist, während Ausgangssignale aus der Anordnung 3
in einen Kreis 4 gelangen.
Der Kreis 4 liefert Signale auf einer Leitung 5, die sehr
genau die Drehwinkelstellung der Scheibe 2 angeben, und diese
Signale gelangen in einen Rechenkreis 6, der die Signale als
Bezugssignale bei der Berechnung des passenden Zündzeitpunktes
für die Zündkerzen der Maschine verwendet, wobei der Zeitpunkt
in Abhängigkeit von abgetasteten Betriebsparametern der Ma
schine berechnet wird. Solche Rechenkreise sind bekannt, einer
ist z. B. in der britischen Patentschrift 14 81 683 beschrieben.
Das Ausgangssignal des Rechenkreises gelangt an eine Ein
richtung 7 zur Erzeugung und Verteilung der Zündfunken. Die Ein
richtung kann beliebiger, allgemein bekannter Art sein und
braucht daher nicht hier näher beschrieben zu werden. Die
Anordnung 7 speist elektrische Hochspannungssignale in her
kömmliche Zündkerzen 8 ein, die in der Maschine 1 eingebaut
sind.
Die Scheibe 2 und die Abtastanordnung 3 des Wandlers sind
im einzelnen näher in Fig. 2 gezeigt. Die Scheibe 2 weist
Kronierungen 9 mit drei Zacken auf, die sechs sich radial
erstreckende Kanten 10 haben, von denen jede eine vorbestimmte
Stellung der Winkeldrehung der Maschine definiert. Die Kanten
sind so angeordnet, daß sie beim Passieren der Tastanordnung 3
mit ihren entsprechenden Kanten einen vorbestimmten Winkel vor
dem oberen Totpunkt der sechs Kolben der Maschine definieren.
Die Abtastanordnung 3 stellt den Durchgang der Kanten 10 fest
und weist Sende- und Empfangsmittel auf gegenüberliegenden Sei
ten der Scheibe 2 auf, wobei die Sendemittel eine Spule 11 ent
halten, die auf einem U-förmigen Ferritkern 12 aufgewickelt
ist, deren Polstücke 12 a, b auf einer Linie liegen, die sich
radial zu der Scheibe erstreckt, während die Empfangsmittel
bei diesem Ausführungsbeispiel in gleicher Weise eine auf einem
Ferritkern 14 aufgewickelte und mit Mittelanzapfung versehene
Spule 13 aufweisen.
Wie das nachfolgend näher erläutert wird, wird in die Spule
11 ein oszillierendes elektrisches Signal zur Induzierung eines
elektrischen Ausgangssignals in der Spule 13 eingespeist. Bei
Drehung der Scheibe 2 unterbrechen die Kronierungen 9 immer
wieder den Pfad des magnetischen Flusses von der Spule 11 zu
der Spule 13, und somit wechselt bei Drehung der Scheibe 2
das in der Spule 13 induzierte Ausgangssignal zwischen zwei
Spitzenamplituden, von denen die erste einen relativ gerin
gen Wert hat und während der Zeitspannen auftritt, während
deren die Kronierungen 9 die induktive Kopplung zwischen
den Spulen 11 und 13 unterbrechen, während die zweite davon
einen relativ großen Wert hat und während Zeitspannen zwi
schen den Unterbrechungen auftritt. Somit kennzeichnen die
Übergänge zwischen zwei Spitzenamplituden in dem in der Spule
13 induzierten Signal den Durchgang der Kanten 10 der Scheibe
2 durch die Abtastanordnung 3. Der Schaltkreis 4 dient zur
Feststellung dieser Übergänge zwischen den beiden Spitzen
signalamplituden.
Der Schaltkreis 4 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
die Fig. 3 näher erläutert, er ist mit gestrichelten Linien
gekennzeichnet. Die Schaltung wird durch einen Systemtakt
geber (nicht dargestellt) gespeist, der Taktimpulse an eine
Klemme 15 liefert. Die Taktimpulse haben typischerweise eine
Frequenz von 100 kHz oder mehr und sind in einen Treiberkreis
16 eingespeist, der mit der Frequenz der Taktimpulse eine
rechteckige oder sinusförmige Wellenform erzeugt, die dazu
dient, die Spule 11 zu erregen. Die Wellenform des in die
Spule 11 eingespeisten Signals ist in Fig. 4a gezeigt. Die
Wellenform des bei Drehung der Scheibe 2 in der Spule 13
induzierten Signals ist in Fig. 4b gezeigt, aus der sich
ergibt, daß das induzierte Signal aus dem Signal der Fig. 4a
besteht, wiederkehrend mit einer ersten Spitzenwertamplitude
amplitudenmoduliert, während die Kronierungen 9 die induktive
Kopplung zwischen den Spulen unterbrechen, und amplituden
moduliert auf eine zweite Spitzenwertamplitude für Zeitspannen
zwischen den Unterbrechungen durch die Kronierungen 9. Es ist
außerdem zu ersehen, daß an den Übergängen zwischen zwei
Spitzensignalpegeln eine endliche Anstiegs- oder Abfallzeit
auftritt als Resultat der Zeit, die die Kanten 10 zum Durch
laufen der Spulen 11, 13 benötigen.
Das in der Spule 13 mit Mittelanzapfung induzierte modu
lierte Signal gelangt über Leitungen 17 und 18 an einen Ganz
wellendemodulator 19, um die Trägerfrequenz der Taktwellen
form zu entfernen und ein Signal abzuleiten, das die Ampli
tudenmodulation wiedergibt, die durch die Rotation der Scheibe
2 bewirkt wird.
Der Demodulator weist zwei CMOS-Übertragungsgatter 20, 21
auf, die an Leitungen 17 und 18 und einen Inverter 22 ange
schlossen sind. Die Steuerelektroden der MOS-Transistoren der
Gatter 20, 21 werden entweder mit dem Taktwellenzug oder mit
einer Umkehrung davon, erzeugt durch einen Inverter 22, in
solcher Weise gespeist, daß die durch die Drehung der Scheibe
2 erzeugte Amplitudenhüllkurve wiedergewonnen wird. Das Aus
gangssignal des Demodulators 19 gelangt in ein Filter mit
einem Widerstand R 1 und einem Kondensator C 1, das die durch
den Demodulator erzeugten Harmonischen ausfiltert.
Das gefilterte Ausgangssignal des Demodulators 19 ist
in Fig. 4c gezeigt, aus der sich ergibt, daß das gefilterte
Ausgangssignal sich abwechselnd zwischen einem ersten Signal
pegel mit der Größe V₁ und einem zweiten Signalpegel von der
Größe V₂ jedesmal dann ändert, wenn eine der Kanten 10 der
Scheibe die Spulen 11, 13 passiert. Das Signal hat endliche
Anstiegs- und Abfallzeiten t r , t s , wenn die Kanten 10 zwi
schen den Spulen passieren.
Zur genauen Feststellung der Zeitlage der Übergänge in
der Wellenform der Fig. 4c wird das gefilterte Ausgangs
signal des Demodulators 19 in einen Eingang eines Differen
tialverstärkers 22 eingespeist, der als Rechteckvergleichs
einrichtung arbeitet. Der andere Eingang des Verstärkers 22
erhält einen Gleichspannungspegel Va, gewonnen aus dem Aus
gangssignal des Demodulators durch ein Filternetzwerk mit
einem Widerstand R 2 und einem Kondensator C 2. Der Gleich
spannungspegel V a ist so bemessen, daß er einen Mittelwert
der Werte der Signalpegel V₁, V₂ darstellt und vorzugsweise
folgenden Wert hat:
Va = ½ (V₁ + V₂)
Die Vergleichseinrichtung 22 wird nur dann ein Ausgangssignal
auf Leitung 23 liefern, wenn der in Fig. 4c gezeigte Signal
pegel den Wert Va übersteigt, was zu einem rechteckigen Wellen
zug auf Leitung 23 führt, wie das in Fig. 4d gezeigt ist.
Die vorderen und hinteren Kanten des Rechtecks geben sehr ge
nau den Durchgang der Kanten 10 der Scheibe 2 zwischen den
Spulen 11, 13 an, da die Größe des gefilterten Ausgangssignals
des Demodulators 19 gleich Va auf dem halben Weg der Anstiegs
zeiten t r , t s wird. Die Verwendung der Vergleichseinrichtung
22 und des mittelnden Filternetzwerks R 2, C 2 bedeutet einen
wesentlichen Vorteil, indem die Zeitlage der vorderen und
hinteren Kanten der Impulse der Wellenform gemäß Fig. 4d
nicht nachteilig durch langzeitiges Triften der Werte von
V₁ und / oder V₂ beeinflußt wird, da das gefilterte Aus
gangssignal des Demodulators 19 immer mit einem Mittelwert
von V₁ und V₂ verglichen und der Mittelwert im gleichen
Verhältnis durch das Langzeittriften von V₁ und / oder V₂
beeinflußt wird, so daß die vorderen und hinteren Kanten
der Wellenform gemäß Fig. 4d immer auf der Hälfte der Über
gänge zwischen V₁ und V₂ auftreten.
Es ist außerdem zu ersehen, daß Änderungen in der Fre
quenz der Taktwellenform an der Klemme 15 nicht wesentlich
die Genauigkeit des Ausgangssignals auf der Leitung 23 be
einflussen.
Darüber hinaus kann das Filternetzwerk C 2, R 2 so ausge
legt werden, daß der Wandler genau im normalen Geschwindig
keitsbereich der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine ar
beitet.
Der Schaltkreis 4 hat außerdem den Vorteil, daß er sich
sehr einfach durch integrierte CMOS-Schaltkreistechniken reali
sieren und in die Schaltkreiskomponente(n) des Rechenkreises 6
integrieren läßt.
Während bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die
Sende- und Empfangsmittel auf Ferritkernen angeordnete Spulen
aufweisen, können auch andere Einrichtungen, wie beispiels
weise l.e.d. oder ein Fotodetektor, verwendet werden. Die
beschriebene Spulenanordnung ist jedoch besonders zweck
mäßig, da sie einen weiten Abstand von z. B. 5 mm zwischen
den Kernen ermöglicht und praktisch nicht durch Schmutz oder
andere darauf angesammelte Ablagerungen beeinträchtigt wird
und Vibrationen, Stößen oder Temperaturänderunqen wider
stehen kann, die in der Nähe einer Verbrennungskraftmaschine
auftreten.
Während das beschriebene Ausführungsbeispiel der Er
findung bei einem Zündsystem für eine Verbrennungskraftma
schine Verwendung findet, bestehen auch andere Anwendungs
möglichkeiten, z. B. bei der Brennstoffeinspritzung, Abgas
rezirkulation und anderen Maschinensteuersystemen.
Claims (4)
1. Wandler zur Umwandlung von Bewegungen in elektrische
Signale, mit im Abstand zueinander angeordneten Sende- und
Empfangsmitteln zur Aussendung von Energie und zum Empfang
der Energie, mit einem Teil, das zwischen dem Sendemittel
und dem Empfangsmittel bewegbar ist und zur wiederkehrenden
Unterbrechung des Pfades der Energie von dem Sendemittel zu
dem Empfangsmittel in Abhängigkeit von der Bewegung des
Teils zwischen den beiden Mitteln dient, wobei das Empfangs
mittel ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das während
der wiederkehrenden Unterbrechung einen ersten Wert annimmt
und während der zwischen den Unterbrechungen liegenden
Zeitspannen einen zweiten, unterschiedlichen Wert, wobei
- - die genannten Sende- und Empfangsmittel im Abstand zueinander angeordnete und miteinander induktiv ge koppelte Spulen aufweisen,
- - ein Treiberkreis mit einem Eingang zur Aufnahme von Taktimpulsen vorgesehen ist, der oszillierend elek trische Signale in eine der genannten Spulen mit einer Frequenz einspeist, die durch die Frequenz der Takt impulse gesteuert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Empfangsmittel einen Demodulator aufweisen, der Übertragungsgatter mit Transistoren aufweist, deren Elektroden die Taktimpulse oder deren Kehrwerte er halten und
- - Ausgangsmittel vorgesehen sind, die auf das ge nannte Ausgangssignal ansprechen und ein gesteuertes Signal einer Größe erzeugen, das für einen Mittelwert der genannten ersten und zweiten Größen repräsentativ ist, wobei die Ausgangsmittel einen Kondensator auf weisen, der mit ersten und zweiten Invertern verbun den ist, die die gleiche thermische Umgebung haben, wobei der erste Inverter ein Ausgangssignal der glei chen allgemeinen Form liefert, wie sie durch den ge nannten Demodulator an den genannten Kondensator ge liefert wird, die jedoch auf ein vorbestimmtes Poten tial verschoben ist, während der zweite Inverter den Schaltschwellwert des genannten ersten Inverters im Sinne einer Kompensation von Langzeittemperaturdriften des Wandlers steuert.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die ersten und zweiten Inverter CMOS-Inverter sind.
3. Wandler zur Umwandlung von Bewegungen in elektrische
Signale, mit im Abstand zueinander angeordneten Sende- und
Empfangsmitteln zur Aussendung von Energie und zum Empfang
der Energie, mit einem Teil, das zwischen dem Sendemittel
und dem Empfangsmittel bewegbar ist und zur wiederkehrenden
Unterbrechung des Pfades der Energie von dem Sendemittel zu
dem Empfangsmittel in Abhängigkeit von der Bewegung des
Teils zwischen den beiden Mitteln dient, wobei das Empfangs
mittel ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das während
der wiederkehrenden Unterbrechung einen ersten Wert annimmt
und während der zwischen den Unterbrechnungen liegenden
Zeitspannen einen zweiten, unterschiedlichen Wert, gekennzeichnet
durch Mittel (17-22, R 2, C 2), die auf das Ausgangssignal
ansprechen und ein Steuersignal von einer Größe erzeugen,
die repräsentativ für das Mittel der ersten und
zweiten Werte ist, wobei die genannten Mittel zur Erzeugung
eines Steuersignals ein an einen Demodulator angeschlossenes
und das genannte Steuersignal erzeugendes Filternetzwerk um
einen einen Differenzverstärker aufweisenden Komparator
aufweisen, der mit einem ersten Eingang an das genannte
Filternetzwerk angeschlossen ist und von dort das genannte
Steuersignal erhält und der mit einem zweiten Eingang zur
Einspeisung des demodulierten Signals von dem Demodulator
angeschlossen ist, so daß die Größe eines solchen Signals
von den genannten Empfangsmitteln mit der Größe des Steuersignals
verglichen wird, um so das genannte Ausgangssignal
zu bilden.
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