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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stellungserfassung von Stufenschaltern im Motorantrieb des Stufenschalters. Durch ein solches Verfahren wird die jeweilige aktuelle Stellung des Stufenschalters ermittelt und als elektrisches Signal weitergegeben.
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Eine solche Stellungsmeldeeinrichtung ist in der
WO 98/38662 beschrieben. Dort ist der Stufenschalter mit einem ihn antreibenden Motorantrieb verbunden. Durch eine diskrete Anzahl von Umdrehungen dieser Welle ist die Position des Stufenschalters auch hinsichtlich Anfangsposition und Endposition eindeutig beschrieben. Im Motorantrieb ist damit das Abbild der Position des mechanisch angetriebenen Stufenschalters an einer Stellungsanzeige mit einer Anzeigewelle verfügbar. Um diese Positionsanzeige, die hier mit einem Zeiger erfolgt, elektrisch an einem entfernten Ort, z. B. einer Schaltwarte, übertragen zu können oder diese Information für ein Steuer- oder Regelgerät bereitstellen zu können, wird die mechanische Drehbewegung in ein elektrisches Signal umgewandelt.
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Die
WO 98/36435 zeigt eine solche bekannte Signalumwandlung. Diese Signalumwandlung erfolgt über einen Kontaktfinger, der bei seiner Winkelbewegung einzelne Kontaktpositionen anfährt, die jeweils einer konkreten Stellung des Stufenschalters entsprechen. Werden zwischen den einzelnen Kontakten jeweils n – 1 elektrische Widerstände R
b dazwischengeschaltet, wobei n die Zahl der möglichen Stellungen des Stufenschalters ist, so erhält man eine Widerstandsreihe; der Kontaktfinger ändert bei jeder Positionsänderung das Teilerverhältnis dieser Widerstandsreihe zwischen der Anfangsposition 1 – hier ist der Widerstand zwischen Kontaktfinger und Kontakt idealerweise 0 Ohm – und der Endposition n – hier entspricht der Widerstandswert der Summe aller Widerstände der Widerstandsreihe.
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Die
WO 98/53276 beschreibt eine weitere Stellungsmeldeeinrichtung für Stufenschalter, die aus zwei separaten Baugruppen besteht, nämlich einer Meldekontaktanordnung und einem räumlich getrennten, unterschiedlich ausgestaltbaren Stellungsmeldemodul. Dabei werden die in der Meldekontaktanordnung gewonnenen Informationen in das Stellungsmeldemodul übermittelt, dessen Beschaltung ist abhängig von der Art und Weise der gewünschten Anzeige. Durch entsprechende Wahl der entsprechenden internen Verschaltung im jeweiligen Stellungsmeldemodul sind vielfältige Möglichkeiten der Informationsverarbeitung gegeben.
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Bei einer Art der dort beschriebenen Informationsverarbeitung ist ebenfalls eine Widerstandsreihe vorgesehen. Das Teilerverhältnis als Abbild der Position des Stufenschalters wird dabei in der Art bestimmt, dass entweder eine konstante Spannung an dem Gesamtwiderstand am Punkt n der Widerstandsreihe angelegt oder ein Konstantstrom in diesen Gesamtwiderstand eingespeist wird. Das Verhältnis der sich in beiden Fällen einstellenden Spannungsabfälle über den Gesamtwiderstand und der Spannung zwischen dem Kontaktfinger und dem Anfang der Widerstandskette R1 bis Rn-1 ist damit entsprechend der Spannungsteilerregel bei bekannten Potentiometerschaltungen ein eindeutiger Wert zur Identifikation der Stufenschalterposition.
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Die
WO 98/53276 beschreibt auch, dass dieser Spannungswert über größere Entfernungen übertragen werden kann.
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Die bekannten Verfahren zur Stellungserfasssung von Stufenschaltern mit Widerstandsanordnungen zur Erfassung von Winkelpositionen weisen verschiedene Nachteile auf:
Bei den bekannten Verfahren müssen die Widerstände der elektrischen Zuleitungen umständlich durch Schaltungsmaßnahmen, d. h. Kompensationen, oder Rechnungen eliminiert werden, da sie in die Addition des Gesamtwiderstandes der Anordnung der Widerstandsreihe mit eingehen und so das Widerstandsteilerverhältnis empfindlich beeinflussen und damit die Anzeige verfälschen können. Erschwerend kommt hinzu, dass unvermeidliche zeitliche Temperaturänderungen permanent den (unerwünschten) Widerstandswert der Zuleitungen verändern und damit eine Kompensation erschweren. Der Kontaktwiderstand des Kontaktfingers zum Abtasten des jeweiligen (stufenschalterstellungsabhängigen) Widerstandsteilerverhältnisses beeinflusst die Abbildung des realen Spannungswertes ebenfalls negativ. Besonders bei einer hohen Staubbelastung oder auch seltener Betätigung des Stufenschalters und damit des Kontaktfingers können Schmutz- oder Oxidschichten den Kontaktwiderstand extrem erhöhen, was das Ergebnis ebenfalls verfälscht. Die beschriebenen Verfälschungen der Messergebnisse durch die erläuterten Phänomene können zu schwerwiegenden Folgeerscheinungen führen. Werden derartige Verfahren zur Stellungsmeldung für Stufenschalter für die Rückmeldung an Spannungsreglern verwendet, die eine Parallelschaltung von mehreren Stufentransformatoren nach dem Master-Slave-Verfahren sicherstellen, so wird eine fehlerhafte Stellungsanzeige unter Umständen zum Schwingen des gesamten Regelsystems führen. Das daraus folgende permanente Schalten des Stufenschalters führt dann zwangsläufig zu dessen Fehlfunktion.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Verfahren zu beseitigen und ein verbessertes Verfahren unter Verwendung von Widerstandsanordnungen anzugeben, das Fehler durch parasitäre Widerstände in Folge von Kontaktwiderständen, Zuleitungswiderständen sowie deren Temperaturabhängigkeit ausschließt. Mit anderen Worten: Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das eine reale Abbildung eines Widerstandswertes auf eine ihm zugeordnete konkrete Stellung des Stufenschalters ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens.
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Der Erfindung liegt folgende allgemeine Idee zugrunde: Wurde bisher über den Gesamtwiderstand der Widerstandskette eine konstante Spannung angelegt bzw. ein konstanter Strom eingespeist, um den Widerstandswert des die Position des Stufenschalters abbildenden Widerstandes bestimmen zu können, so erfolgt erfindungsgemäß dies jetzt durch das Einspeisen eines Konstantstromes direkt auf den Anschluss des Kontaktfingers, der nach dem Stand der Technik das Teilerverhältnis zwischen Gesamtwiderstand Rges und Messwiderstand RMess als Teil von Rges festlegte.
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Die Erfindung soll nachfolgend beispielhaft noch näher erläutert werden. Die (einzige) Figur zeigt eine Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; an Hand dieser Zeichnung wird das Verfahren erläutert.
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Links in der Figur ist eine an sich bekannte Widerstandskette, bestehend aus einer Vielzahl identischer Widerstände Rb, gezeigt, zwischen denen sich auf ebenfalls bekannte Weise die einzelnen Abgriffe, die den Stellungen 1...n des zugeordneten Stufenschalters entsprechen, angeordnet sind. Diese Abgriffe werden als Kontakte vom Kontaktfinger K, abhängig von der jeweiligen Stellung des Stufenschalters, beschaltet. Die Bewegungsrichtung des Kontaktfingers K ist durch einen Doppelpfeil angedeutet. Erfindungsgemäß wird am Kontaktfinger K ein Konstantstrom Ical eingespeist. Der fest verdrahtete in der Figur obere Teil der Widerstandskette wirkt erfindungsgemäß lediglich als Spannungsfühler für die über den zu bestimmenden Messwiderstand RMess abfallende Spannung, da der eingespeiste Konstantstrom Ical nur durch RMess fließt. Am oberen Anschluss von Rges ist lediglich ein sehr hochohmiger Spannungsfühler OPV2 angeschlossen. Dieser Spannungsfühler ist hier durch einen Operationsverstärker in Spannungsfoler-Schaltung realisiert.
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Ebenfalls in der Figur symbolisch dargestellt sind die störenden Einflussgrößen, die beim Stand der Technik, wie beschrieben, Messfehler verursachen können. Dies ist zum einen der Übergangswiderstand RÜ zwischen dem Kontaktfinger K und den einzelnen Kontaktstellen der Widerstandsreihe. Dies ist zum anderen der Leitungswiderstand RLeitung bzw. RLeitung*, der sich jeweils an den elektrischen Verbindungsleitungen am Anfang und Ende der Widerstandskette einstellt und zudem auch noch temperaturabhängig ist.
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Weiter oben wurde bereits erläutert, dass ein hochohmiger Spannungsfühler OPV2 als Operationsverstärker ausgeführt ist. Es ist prinzipiell bekannt, diese Grundschaltung eines Operationsverstärkers in Spannungsfoler-Schaltung dazu zu nutzen, extrem hochohmige Eingangswiderstände zu realisieren und sie am Ausgang mit einem geringen Innenwiderstand für z. B. eine Analog-Digitalwandlung in einem Analog-Digitalumsetzer ADC bereitzustellen. Eine solche Schaltungsanordnung kann auch direkt Bestandteil der Innenschaltung eines Analog-Digitalwandler-Schaltkreises sein. Der digitale Ausgang dieses Schaltkreises ist direkt mit einem Mikrokontroller μC verbunden, um den digitalen Anzeigewert, der der Stellung des Stufenschalters entspricht, ausgeben zu können bzw. auch die Kalibrierung der gesamten Messanordnung zu steuern.
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Die Kalibrierung wird für jede Widerstandsanordnung separat durchgeführt, da ihr Gesamtwiderstand mit der Anzahl der abzubildenden möglichen Stufen des Stufenschalters variieren kann. Übliche Werte sind hier z. B. 18 oder 26 in Reihe geschaltete Widerstände, die in diesen Fällen 19 bzw. 27 Stufenpositionen des Stufenschalters repräsentieren.
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Bei der eigentlichen Kalibrierung werden der erforderliche einzuprägende Konstantstrom und die vorhandenen Leitungswiderstände RLeitung ermittelt.
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Die Kalibrierung erfolgt softwaregesteuert über einen Mikrokontroller μC und erfordert lediglich das manuelle Versetzen des Schleifkontakts auf den maximalen Gesamtwiderstand der Widerstandskette.
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Zu Beginn wird der Schleifer bei Rmax positioniert und der Strom Ical schrittweise über die spannungsgesteuerte Stromquelle CPV1 erhöht, bis 90% des maximal möglichen Eingangsspannungsbereiches des ADC ausgenutzt werden. Zur Steuerung der Stromquelle kann der Mikrokontroller μC einen Digital-Analogumsetzer DAC, z. B. mit 12-Bit ansteuern, d. h. er hat die Möglichkeit, den Strom und damit den am ADC gemessenen Spannungsabfall über dem gesamten Widerstand der Anordnung einschließlich der unerwünschten Leitungswiderstände in max. 4096 äquidistanten Schritten zu verändern.
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Um 90% Aussteuerung des Eingangsspannungsbereichs zu erreichen, muss dem ohmschen Gesetz folgend bei kleinen Gesamtwiderständen der Widerstandskontaktreihe die Stromquelle einen wesentlich höheren Strom einspeisen als bei einem größeren Gesamtwiderstand.
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Die Stromerhöhung während des Kalibriervorgangs erfolgt dabei nicht linear, sondern ist softwareseitig über einen PI-Regler (Proportional-Integral-Regler) realisiert. Um die Zeit für den Abgleich zu verkürzen, wird die Schrittweite anfangs vergrößert, um die Differenz zum Sollwert möglichst schnell zu verkleinern. Die Annäherung an die 90% erfolgt dann im Zielbereich in immer kleiner werdenden Spannungsschritten.
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Werden die 90% überschritten, prüft das Programm, ob sich der gemessene Wert im festgelegten Toleranzband befindet (89,0%–90,5%) und erhöht bzw. erniedrigt bei Bedarf den eingeprägten Strom bis über drei Messzyklen ein konstanter Wert anliegt.
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Abschließend erfolgt als Abgleich eine Spannungsmessung mit der Positionierung des Kontaktfingers bei Rmin mit dem bei Rmax zuvor ermittelten Strom.
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Durch die Kenntnis des Stromes, der Position des Schleifers bei der Messung von Rmax und Rmin kann nun sehr einfach der genaue Widerstandswert der Widerstandsreihe und der Leitungswiderstand durch Subtraktion ermittelt werden.
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Der untere Leitungswiderstand wird bei allen folgenden Messungen zur Bestimmung der Position des Kontaktfingers ebenfalls subtrahiert.
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Eine automatische Nachkalibrierung im laufenden Betrieb wird bei Erreichen der Position 1 des Kontaktfingers hierdurch sehr einfach möglich.
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Der obere Leitungswiderstand RLeitung* spielt keine Rolle, da dieser Pfad stromlos bleibt und nur der Abtastung des Spannungsabfalls der vom Einspeisepunkt des Stromes Ical am Schleifer dient, da der Eingangswiderstand Rein von OPV2 um Größenordnungen höher als der Leitungswiderstand RLeitung* ist. Einen Beitrag zur Widerstandsberechnung kann nur der stromdurchflossene Pfad, beginnend vom Einspeisepunkt am Kontaktfinger bis einschließlich des Leitungswiderstandes RLeitung leisten.
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Entscheidendes Merkmal bei der Erfindung ist die Tatsache, dass ebenfalls die Größe des Kontaktwiderstandes R0 vom Kontaktfinger auf die Kontaktbahn keinen Einfluss auf die Widerstandsmessung haben kann, da die Spannungsmessung über den fest verdrahteten Pfad der Widerstandskette erfolgt, die zudem auch nicht stromdurchflossen ist.
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Ein sich ändernder Kontaktwiderstand Rü verursacht lediglich eine veränderte Aussteuerung der Stromquelle über OPV1, der Mess- bzw. Kalibrierstrom Ical bleibt jedoch konstant.
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Noch einmal zusammengefasst, besteht der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass die auch hier vorhandenen Überschaltwiderstände Rü sowohl Leitungswiderstände RLeitung und RLeitung* im Gegensatz zum aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht mehr als Fehler in das Messergebnis eingehen; beim erfindungsgemäßen Verfahren wird vielmehr ein unverfälschtes Abbild der jeweiligen Stufenschalterposition erzeugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 98/38662 [0002]
- WO 98/36435 [0003]
- WO 98/53276 [0004, 0006]
