DE2829292A1

DE2829292A1 - Einrichtung zur messung des drehwinkels einer umlaufenden welle

Info

Publication number: DE2829292A1
Application number: DE19782829292
Authority: DE
Inventors: Peter Mantsch; Werner Dipl Ing Moser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-15
Filing date: 1978-07-04
Publication date: 1979-02-01
Also published as: GB2001177B; ATA514377A; US4188820A; AT353513B; DE2829292C2; GB2001177A

Description

Dipl.Ing.Dr.Dr.h.e. Hans LISiD Graz (Österreich)

Einrichtung zur Messung des Drehwinkels einer umlaufenden Welle

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Xessung des Drehwinkels einer umlaufenden Welle einer Ifoschine zwischen einer durch eine auf der Welle angebrachten I-Jaisce definierten Bezugswinkelstellung der Welle und der Winkelstellung zum Zeitpunkt des Eintretens einer von der"Funktion .der Maschine verursachten Erscheinung, bei der Geber vorgesehen sind, deren durch die Bezugswinkeltüarke bzw. cias luaschinencharakteristische Ereignis ausgelösten Signal* einer Auswerte schaltung zuführbar sind, Vielehe das durch dau Zeitintervall zwischen diesen beiden Signalen definierte Vorsignal in ein winkelproportionales Signal umwandelt.

Eine bekannte Methode der Umsetzung des Torsignales in ein winkelproportionales Signal besteht darin, an die Welle eine Gebereinrichtung anzubauen, welche pro Umdrehung k . 360 Impulse abgibt - wobei „k" ein Faktor ist, der von ' der gewünschten Auflösung abhängt - und die von der Gebereinrichtung während der Torsignalzeit abgegebenen Impulse zu zählen.

Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß derartige Gebereinrichtungen relativ groß sind und oft nicht oder nur sehr schwer 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 Einrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, welche die erwähnten Nachteile der bisher bekannten Einrichtungen vermeidet.

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:ij.*Ii' j.ij.uu.ngSg';!'u~c<.ij Vi^rCi. ύ&Λύ* VGrgu&Ciii-ijgü.ii, Οιίϊιί Q.XG .kU.3—

C»"inli;üng eine ?requonsvervielfacherscualtur.gj welche xi einer oder mehreren Be^ug.jwirj.kelotellungen definierte un; don Faktor oC. k, wo'oei „o^" den Winkel zwischen zwei n Bozugswinkal-uiarken bedeutet, eier im

?<-;lle nur einer Bezugsv/inkelaarko 3oO° beträgt, und im Falle von iuGhreren BezugswinkelmtV^ken kleiner als 360 ist, und „k" eine Konstante ist, velohe die Viinkelauflösung bestimiiit, vervielfacht und einen Zähler umfaßt, welcher die vervielfachten Signale zählt und dor durch eines der Signale, und ijv.-ar einera Bezugswinkelsignal (A) oder das durch des r-iaachinench-^r>ri«kteristische Ereignis ausgelöste Signal (A¹) rüclcGteli- und stortbar und von dera jeweils anderenSignal (A, A¹) blockierbar ist.

Damit ist es möglich, auf die Anbringung eines Itapulsgeoers auf der V.^relle zu verzichten. Außerdem läßt sich die erfindungsgeaäSe Einrichtung zur Gänze aus elektronischen Bau-"ceilen aufbauen, die praktisch verschleißfrei sind und auf cngatöiu Hau!« untergebracht werden können.

uör/iäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Frequenzvörvielfscherschaltung einen spannungsgesteuerten Oszillator u;;;fai?.t, der von der Ausgangs spannung eines einem Phasenkomparator nachgeschalteten Filters gesteuert ist, und dem eine Prequenzteilerschaltung nachgeschaltet ist, welche die Frequenz des Oszillators, dessen Signale dea Zähler zugeführt sind, um den Faktor c£-«k untersetzt und deren Ausgangssignale ebenso wie die Bezugswinkelsignale den Eingängen des Phasenkomparators zuführbar sind.

Die Ausgangssignale des spannungsgeregelten Oszillators worden außer der Frequenzteiierschaltung auch noch dem Zähler zugeführt, der sie wie bereits beschrieben, während der Torsignalzeit auszählt.

Für besonders hohe Ansprüche an die Meßgenauigkeit wird eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, bei der vorgesehen ist, daß die Frequenzteilerschaltung durch einen Hilfszähler, der durch eine Flanke eines durch eine zweite Bezugswinkelmarke ausgelösten Signales (E) rückstellbar

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ist, und einem diesen n&chgesch&ittiten Dekoder gebildet ui;, der bei Erreichung des ZählerstanaesX.k des KilfG;:i."i.hlerti einen Impuls an den Phasenkomparator Libjibt, wobei der Winkel „<■£■" zwischen zwei aufeinanderfolgendc-n. BezugswirJceli-iifvrken, vorzugsweise kleiner als 120° ist.

Damit wird erreicht, daß die 7requeiiü der; cpr.;:nuri_t,üoO-h&ngigen Oszillators, dessen Signale in dom w-^!".'"r-vr.d ur-r 1-v.uor dea Torsignales zählenden Zähler gezählt werden und deoijou während dieser Zeit erreichter Zählerstand ein Ka3 Tür d<:u Drehwinkel der Yfelle ißt, über den Phasenkomparator r*nd uao Filter von der Geschwindigkeit der Welle, mit der sio den Winkel zwischen den "beiden Bezu^^winkelmarken überstreicht, besticint wird.

Die Bezugswinkeln:a.rke 3 wird vortei7^hafterweiöö üo viele Grade vor der Bszu^swinkelru^rke A fir.geordnot, wie äio gröx^te zu erwartende Meßgröße beträgt. Dr.ο Anordnen dicoor Beaugswinkelraarke S raogliohst nahe vor der eigentlichen Bozugsv/inkelüiarke A bringt den Vorteil, daß der durch die iinonro elektronische Prequeniiverviei-achung und die UngleichiöriAigkeit der Umdrehung der Vielle - z.B. einer Brennkroftsiaöchine entstehende Fehler gering gehalten wird.

In Vervollkommnung der Erfindung ist vorgesehen, dai'3 der eine Eingang des Phasenkomparators und der Steuereingnng des Hilxszählers mit dem Ausgang einer, aus einem exklusiven OR-Glied bestehenden Logikschaltung verbunden sind, deren Eingänge mit dem Ausgang eines von einem Impulszug, den ein die Hilfs- und die Bezugswinkelmarke abtastender Geber liefert, gesteuerten J-K Flip-Flop und einem Integrierglied, welches seinerseits ebenfalls an den Ausgang des Flip-Flops angeschlossen ist, verbunden sind, wobei der Phasenkomparator die einen Flanken und der Hilfszähler die anderen Flanken des an dem Ausgang der logikschaltung anstehenden Impulszuges auswertet. Damit wird die Verwendung eines einzigen Gebers für beide Bezugswinkelmarken ermöglicht, da mittels der beschriebenen Anordnung eine Identifizierung beider Marken erfolgen kann.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert.

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Da ο ei zeigen

Fig. 1, 2, 4 und 5 verschiedene AusführungoJOruien üer Srfinuung und dio

Fig. 3» 5> 7 und 8 die den Au^i'ührungsforiuen gemäß l-'ij. 2, 4 und 6 Zugehorlgun Dr;rcr_uolluri_t;en der Signalverhültnisso an verschiedenen Punkten der Schaltungen.

jJiß exnfnchste A.u&iUiij7Uiigi">zor..i enr j.ⁱi₁?xi.nuUi._tj ~....;ϋ in ./ig.1 cig rgo afc eilt. Uns von deüi die Boiiujnwinkelir.nrke de,? Wolle nb-Tcacifcenden Geber s ca mutende Signal A wird dem Eingang eineti ?roquenavervielfac^χfirc 6 zugeführt, weicher das einmal pro v'i'e.t-lonuuiurehung θi.uj.o«tjöüüö öi^jti.?»! A urrt den ?ciici.or j60 . k, wobei „k" die Winkelauiloaung 'oedoutet, verviulfachi.. Oor Au;;g-:ing ueo !''roquenavervielfctchuro ο ist mit einoui Zaaler 7 verauriußn, welcher durch an ο ii_t;n<\l A rüokf. teil- und :ii^\,-h.ir ist und durch aas von dem •.v.aschinencharakteriijtii-johen Sroignis auEgülöstcn Clgnal A' blockierbar ist. Der Wrüirii^u der durch day Einlangen der Signale A und A¹ definier ten ¹IOriii^iVilüoiü erreichte Zflhlerstand ist ein KaO für d»:;i Prei^/inke aer V/olle, den din.se während der ^orsignalzeit aui'üokgvjlOuö ':>vc, und wird beispielsweise uiittels einer entspreulionden Anüoigeeinrinhtung 5 entweder direkt oder in Winkelgrade u;,igo'.;andelt aur Anzeige gebracht. Eine mögliche Au&führung^AiUii der Iⁱ'ruquonüvervieifr'ichorooh;iltung ist in Eig. 2 dargeoOelix.

Die Eezugöwinkeirjarkeniriipulde A und die durch den Un'üorseöaer 4 in ihrer Frequenz um den Faktor 360 . k, wobei „k" wieder durch die gewünschte Winkeiauflösung bestimmt ist, untersetzten Signale B des spannungsgesfceuerten Oszillators 3 werden dem Phasenkomparator 1 zugeführt, dessen Ausgang C mit dem Filter ? verbunden ist, dessen Ausgangsspannung D die Frequenz des spannungsgeregelten Oszillators 3 so lange naohregeit, bis, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, die Phasenverschiebung zwischen den Bezugswinkelmarkensignal A und dem aua der um den Faktor 360 . k untersetzten Oszillatorfrequenz gewonnene Signal B Null oder ein Minimum ist. Damit stellt die Oszillatorfrequenz eine um den Faktor 360 . k vervielfachte Bezugswinkelmarkenimpulsfrequenz dar, wobei die vom Oszillator 3 gewonnenen Signale wieder mit dem Zähler 7 während der 2orsignalzeit ausgezählt werden. Zum Unterschied von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird bei der Ausführungsform gemäß

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? die Frequenz g;;g 06ί;ΐ1Ί<νΓ.ϋ;.·ο 3? aufgrund oer Synchroni— der Signale A und 3 durch den Piir.ο^πΙνΟΓ.ν/'.ΊϊΌ'ϊ,ΰΐτ 1 und dn

VaOJ? vvoj.j.e WtAn.cf?uu einer υu*dreAun^j oeo^j.Taruu, Lo.joh"! fiunigurigGphasen öex' Kaschine eine hohe Mei boiueiinl'ten wird.

Werden besonders hohe Anforderungen an die auch, bei einem starken üngieichföruiigkeitsgrad der Winkelgeschwindigkeit der Welle während einer Umdrehung gestellt, so können diese mit der Ausführungsfor'.ü gemäß Fig. A erfüllt werden. Allerdings ist dabei die Anbringung einer BezugdWinkel— marke S vor der eigentlichen Bezu^owinkelruarke A auf dor Welle notwendig.

Der wesentliche Unterschied der Ausführungsforin gemäß Jig. Ί gegenüber jener gemäß Fig. 2 besteht darin, daß der Frequenzteiler 4 durch eine aus einem Hilfczähler 8, eier durch ein von der Bezugswinkelmarke S hervorgerufenes Sign^ü IS rilckstellb^r ist, und einen Dekoder 9 ersetzt ist, der bei Erreichung des Zählerstandes jC. k, wobei „cC " den Winkel zwischen·» der Beaugswinkelmarke Ξ und der jezugswinkeltaarke A und „k" α ίο Winkelauflösung bedeuten, ein Signal B abgibt, weichet; wie bei der Ausführungsforia geaiäß Fig; 2 dem Phasenkomparator 1 zugeführt wird. Wie aus Fig. 5 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 . k vervielfachten Frequenz der einlangenden Bezugswinkelsignale A entspricht, da ja der Hilfszäliler erst bei Erreichung der Bezugswinkelmarke E zu zählen beginnt und bei Erreichung des Zählerstandes <£. k vom Dekoder 9 ein Signal B abgegeben wird. Da bei dieser Ausführungsforra die Frequenz des Oszillators 3 praktisch nur durch die Geschwindigkeit der Welle, mit der sie den unmittelbar vor der eigentlichen Meßstrecke liegenden Bereich, nämlich den durch die Bezugs winkelmarke E und die Bezugswinkelmarke A definierten Winkel oC durcheilt, bestimmt wird, bleibt eine hohe Meßgenauigkeit auch bei einem starken UngleichformigkeitBgrad der Winkelgeschwindigkeit der Welle während einer Umdrehung erhalten. Dies

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ist durch die indirekt über die Synchronisation der Signale A und B erfolgenden Geschwindigkeitsmessung der Welle im Bereich des Winkels dC bedingt, wobei eine Mittelwertbildung über eine volle Umdrehung vermieden wird.

Es ist keinesfalls notwendig»bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 zwei Geber für die Abtastung der Bezugswinke1-marke A und der Bezugswinkelmarke E zu verwenden, Es genügt die Verwendung eines einzigen Gebers für die Abtastung beider Karken. In diesem Falle ist die Einschaltung einer Identifiziersohaltung vor dem einen Eingang des Phaseokomparators 1 und aera Steuereingang des Hilfszählers notwendig. Eine mögliche derartige Schaltung ist in Fig. 6 dargestellt und besteht aus einem J-K Flip-Flop 10, das von dem die beiden Karken abtastenden Geber stammenden Impulszug L gesteuert ist, einem an den Ausgang des Flip-Flops 10 angeschlossenen Integrierglied 1?, und einer Logikschaltung 11, die' als exklusives OR-Glied ausgebildet ist, deren Eingänge mit dem Ausgang des Flip-Flops 10 und dem Ausgang des Integriergliedes 12 verbunden sind·. Der Ausgang Q der logikschaltung kann mit dem einen Eingang des Phasenkomparator 1 und mit dem Steuereingang des Hilfszählers 8 verbunden werden, wobei der Phasenkomparator 1 die einen Flanken und der Hilfszähler 8 die anderen Flanken des am Ausgang Q, anstehenden Impulszuges auswertet.

Der Zufall "bestimmt, ob das J-K Flip-Flop 10 durch die Bezugswinkelmarke E (Fig. 7) oder die Bezugswinkelmarke A (Fig. 8) auf HIGH-Level geschaltet wird. Im in Fig. 7 dargestellten Fall erreicht die Integratorausgangsspannung N nie den HIGH-Pegel P für die nachgeschaltete Logikschaltung 11, so daß der am Ausgang Q der logikschaltung 11 anstehende Impulszug identisch ist mit dem am Ausgang M des J-K Flip-Flops 10 anstehenden Impulszuges.

Im in Fig. 8 dargestellten Fall erreicht die Integratorausgangs spannung 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-Signal M ent-

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steht. In jedem der beiden Fälle ist nach einer bestimmten Zeit die positive Flanke des Logikausganges Q ident mit der Bezugswinkelmarke E und die negative Flanke ident mit der Bezugswinkelmarke A.

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Mo/Fr

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE

H. SCHROEi"F.R _ κ.

LipcwsKyst-aBe 10
D-8000 Muncnen 70

Dipl.-Ing.Dr.Dr.h.c. Hans List -X- k-li-l¹!

3. 7. 1978

Pat ent-r; :i3T)rüc he

Einrichtung zur Kossung des Drehwinkela einer umlaufenden Welle einer Maschine zwischen einer durch eine auf der Welle angebrachten Marke definierten Bezugswinkelstellung der Welle und der Winkelstellung zura Zeitpunkt des Eintretens einer von der Funktion der Maschine verursachten Erscheinung, bei der Geber vorgesehen sind, deren durch eine oder mehrere Basugawinkeltnarken bzw. das raaschinencharalcteristische Ereignis ausgelösten Signale einer Auswerteschaltung ssuführbar sind, weiche das durch das Zeitintervall zwischen einem Beaugüwinkelmarkensignal und dein maschinencharakteristischen Signal definierte Torsignal in ein winkelproporfcionales Signal umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dnß die Auswerteschaitung eine Frequenzvervielfacherachalbung, welche das von einer odor mehreren Bezugswinkelstellungen definierte Signal um den Paktor oi-.k, wobei „<£ " den Winkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bezugswinkelmarken bedeutet, der im Falle nux' einer Bezugswinkelmarke 360° beträgt, und im Falle von mehreren Bezugswinkelmarken kleiner als 360° ist, und „k" eine Konstante ist, welche die Winkelauflösung bestimmt, vervielfacht und einen Zähler (7) umfaßt, welcher die vervielfachten Signale zählt und der durch eines der Signale, und zwar einem Bezugswinkelsignal (A) oder das durch das maschinencharakteristische Ereignis ausgelöste Signal (A¹) rückstell- und startbar und von dem jeweils anderen Signal (Α,Α¹) blockierbar ist. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzvervielfacherschaltung einen spannungsgesteuerten Oszillator (3) umfaßt, der von der Ausgangsspannung eines einem Phasenkomparator (1) nachgeschalteten Filters (2) gesteuert ist, und dem eine Frequenzteilerschaltung nachgeschaltet ist, welche die Frequenz des Oszillators (3), dessen Signale dem Zähler (7) zugeführt sind, um den Faktor °C.k untersetzt und deren Ausgangssignale (B) ebenso wie die

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Bezugswinkelsignale (Λ) den Eingängen des Phasenkomparator (1.) zuführbar sind. '

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzteilerschaltung durch einen Hilfszähler (8), der durch eine Planke eines durch eine zweite Bezugswinkelmarke ausgelösten Signales (S) rückstellbar ist, und einem diesen nachgeschalteten Dekoder (9) gebildet ist, der bei Erreichung des Zählerstandes cC.k des Hilfszählers (8) einen Impuls an den Phasenkomparator (1) abgibt, wobei der Winkel „oC" zwischen den zwei aufeinanderfolgenden Bezugswinkelmarken, vorzugsweise kleiner als 120° ist.

^. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Eingang des Phasenkomparator (1) und der Steuereingang des Hilfszählers (8) mit dem Ausgang einer, aus einem EXCLIISIVEN OR-Glled bestehenden Logikschaltung (11) verbunden sind, dor en Eingänge mit clor-i Ausgang (M) eines von einem Impulszug (L), i~en ein die ITIIf s- und die Besuf.'-vinkelmnrke abtastender C-obor liefert, gesteuerten J-IC Plip-Plop (10) und einem Integrierglißd (12), welches seinerseits ebenfalls an don Aungang des ΠΙρ-ΙΊορ (10) angeschlossen ist, verbunden sind, wobei der Phasenko^.parator (1) die einen Planken und der Hilfszähler die anderen Planken des an den /luggnng (Q) der Logilcschaltung (11) anstehenden Inipulszuges auswertet.

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