DE19641371A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Drehwinkels einer Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Drehwinkels einer Welle gemäß dem ersten oder zweiten Anspruch und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem dritten Anspruch. Anwendungen sind überall dort gegeben, wo im Betrieb einer drehenden Welle deren Drehwinkel bestimmt werden muß, so beispielsweise bei analogen Uhren, bei dynamischen Winkeldekodierern und in einem Fahrtschreiber zur Ermittlung des momentanen Drehwinkels der Diagrammscheibe.

Bei Winkeldekodierern wird zur Ermittlung des Drehwinkels einer Welle üblicherweise eine Kodierung ausgewertet, die auf einer Scheibe aufgebracht ist, welche mit einer rotierenden Welle in starrer Verbindung steht. Zur Erfassung der meist recht komplexen, in mehreren konzentrischen Kreisen oder Bogenstücken aufgebrachten Kodierung sind umfangreiche sensorische Einrichtungen erforderlich, die am Winkeldekodierer einen beachtlichen Kostenanteil ausmachen.

Ein Fahrtschreiber enthält eine Diagrammscheibe zum uhrzeitrichtigen Aufschrieb von diversen im Fahrzeug erfaßten Signalen. Wenn zusätzlich zum Diagrammscheibenaufschrieb Daten auch in elektronischen Speichern gespeichert werden sollen, ist für eine zeitrichtige Zuordnung dieser Daten zu der Aufzeichnung auf der Diagrammscheibe die genaue Kenntnis der momentanen zeitbezogenen Schreibposition erforderlich. Dieses Problem einer drehwinkelrichtigen Zuordnung diverser Registrierungen kann sich in vergleichbarer Form auch bei anderen rotatorisch aufzeichnenden Registriergeräten ergeben.

Bei funkgesteuerten Analoguhren besteht das Problem, die Gangabweichung des Uhrantriebes von dem per Funk übertragenen Zeitsignal festzustellen und gegebenenfalls auszugleichen. Diese Nachregelung muß im laufenden Uhrenbetrieb möglichst schnell erfolgen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Drehwinkels einer Welle aufzuzeigen. In Abhängigkeit vom Ergebnis der Ermittlung sind sodann diverse Steuer- und Regelungsaufgaben ausführbar.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten, des zweiten und des dritten Anspruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der gefundenen Lösung.

Die gefundene Lösung hat den Vorteil, mit sehr geringem konstruktiven Aufwand auszukommen. Insbesondere die Sensorik zur Erfassung der momentanen Istposition des Drehwinkels vereinfacht sich erheblich. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Meßaufbau zur Erfassung diverser Meßgrößen und einer diese Meßgrößen auswertenden Elektronik. Der Meßaufbau ist gegenüber bekannten Winkeldekodierern stark vereinfacht. Denn je nach Ausgestaltung der Vorrichtung besteht der Meßaufbau z. B. nur aus zwei Hilfswellen, die über ein einfaches Getriebe von derjenigen drehenden Welle angetrieben werden, deren Drehwinkel zu ermitteln ist, sowie aus zwei den Hilfswellen zugeordneten Lichtschranken. Ein derartiger Meßaufbau kann kostengünstig und in robuster Ausführung auf einfache Weise hergestellt werden, was gerade für KFZ-technische Anwendungen wie bei einem Fahrtschreiber sehr vorteilhaft ist. Alle die Auswertung betreffenden Merkmale sind mikroprozessorgerecht gestaltet und können von einem einfachen Mikrocontroller ausgeführt werden, der über eine CPU (Central Processing Unit) und ein wenig Speicher verfügt. Die vorgeschlagene Lösung ist auch geeignet, den Drehwinkel der Welle eines Uhrantriebes im laufenden Betrieb einer Analoguhr zu ermitteln, z. B. zum Abgleich der Zeigerstellungen in Verbindung mit dem Signal eines DCF77-Funkempfängers. In Anordnungen zur Drehzahlregelung einer Welle hat die vorgeschlagene Vorrichtung die Funktion eines Steuergerätes zur Ermittlung eines Istwertes, der dann mit einem Sollwert verglichen werden kann.

Ohne Beschränkung auf diese Anwendung soll die gefundene Lösung in Verbindung mit den beiden anliegenden Figuren anhand des Beispiels einer Uhrzeitermittlung erläutert werden.

Wie in der Fig. 1 schematisch dargestellt, treibt eine beispielsweise von einem Schrittmotor 20 angetriebene erste Welle 1 über ein Getriebe 21 eine zweite Welle 2 und eine dritte Welle 3 an. Die Art des Antriebs der ersten Welle 1 ist für die Erfindung nicht wesentlich. Die zweite Welle 2 und die dritte Welle 3 sind Hilfseinrichtungen zur Ermittlung des Drehwinkels Φ der ersten Welle 1. Der Drehwinkel Φ wird additiv aus zwei Teilmeßgrößen ermittelt, nämlich aus einem Hauptwinkelbereich Δϕ und aus einem Nebenwinkel δ. Hierbei sind der Hauptwinkelbereich Δϕ und der Nebenwinkel δ jedoch nicht bestimmte Stellungen oder Winkellagen der beiden Hilfswellen 2 bzw. 3, sondern sind auf die erste Welle 1 bezogene Teilmeßgrößen, wobei der Hauptwinkelbereich Δϕ einen Bezug zur Nullstellung des Drehwinkels Φ, d. h. Φ = 0°, hat und der Nebenwinkel δ als dessen feinere Unterteilung auf den Anfang des Hauptwinkelbereichs Δϕ bezogen ist.

Die Bedeutung der Teilmeßgrößen wird bei Anschauung einer analogen Uhr leicht verständlich. Der Hauptwinkelbereich Δϕ entspricht dort der Stundeneinteilung. Auch wenn das Ziffernblatt einer analogen Uhr üblicherweise eine Einteilung von 12 Stunden aufweist, so sind pro Tag 24 Hauptwinkelbereiche Δϕ zu berücksichtigen, da der Vollkreis der Uhr täglich zweimal durchlaufen wird.

Bei anderen Meßaufbauten mögen die Sektorbreite sowie die Anzahl der Hauptwinkelbereiche anders gewählt sein als bei einer Uhr, was für die Erfindung jedoch ohne Belang ist. Die Hauptwinkelbereiche reihen sich nahtlos aneinander zu einem geschlossenen Vollkreis, wobei jeder Hauptwinkelbereich seinen Anfang zu Beginn einer neuen "vollen Stunde" nimmt. Die Stunden von null bis elf Uhr bzw. von zwölf bis dreiundzwanzig Uhr bezeichnen einen Rang D des jeweiligen Hauptwinkelbereichs Δϕ, durch den seine Lage auf dem Vollkreis eindeutig festgelegt ist. Der Rang D0 bezeichnet die nullte Stunde, d. h. den Tagesbeginn. Bei einer Uhr bestehen für die Hauptwinkelbereiche Δϕ die Ränge D0 bis D23. Verallgemeinert ergibt sich: Dj mit j als Laufindex für die vorhandenen Hauptwinkelbereiche, hier mit j = 0, 1, . . . , 23.

Bei einer Uhr ist die Festlegung einer Rangfolge der Hauptwinkelbereiche Δϕ durch ihre Zuordnung zu einer Stundenbezeichnung zwar gegeben. Das muß aber bei anderen Anwendungen nicht in jedem Fall auch so sein, weshalb eine Rangfolge nicht als selbstverständlich vorausgesetzt, sondern ausdrücklich definiert wird.

Der Nebenwinkel δ entspricht bei einer Uhr der Minutenangabe. Jeder Hauptwinkelbereich Δϕ ist dabei in 60 Minuten oder 3600 Sekunden unterteilt. Jeder Nebenwinkel δ bezieht sich auf den Anfang eines Hauptwinkelbereichs Δϕ. Bei einer Uhr ist für eine Zeitangabe der Stundensektor, der Sektorrang und die Stellung des Minutenzeigers innerhalb des Stundensektors zu ermitteln. In vergleichbarer Weise wird bei dem vorliegenden Erfindungsgegenstand ein Hauptwinkelbereich Δϕ, dessen Rang und ein Nebenwinkel δ ermittelt, die zusammengenommen eine Aussage zum Drehwinkel Φ einer Welle 1 ergeben.

Bei einer Uhr treibt eine mechanisch oder elektrisch getriebene erste Welle, d. h. der Uhrantrieb, in einer starren Kopplung über ein Getriebe den Stundenzeiger und den Minutenzeiger an. Die Uhrzeitanzeige bezeichnet dabei einen bestimmten Drehwinkel Φ der ersten Welle. Auch wenn sich in Verbindung mit einer Uhr der Erfindungsgedanke gut veranschaulichen läßt, so kommt es bei der vorliegenden Erfindung jedoch auf die uhrspezifischen Besonderheiten bei der Ausgestaltung des Wellenantriebs und der Zeitanzeige mit zwei drehbaren Zeigern nicht an, sondern nur darauf, auf welche Weise der Drehwinkel Φ der Welle 1 ermittelt wird und welche Mittel dazu eingesetzt werden.

Beispielsweise besteht ein Unterschied auch darin, daß sich bei einer Uhr die Drehung des Stundenzeigers und Minutenzeigers zumeist in einem stetigen, kontinuierlichen Umlauf oder zumindest in der Aneinanderreihung äquidistanter Bogenstücke vollzieht, um eine ruhig und gleichmäßig wirkende Anzeige zu erzeugen, wohingegen der Erfindungsgegenstand darauf ausgerichtet ist, je Meßvorgang einen diskreten Meßpunkt für den Drehwinkel Φ der Welle 1 zu ermitteln, der für weitere Steuer- und Regelungsaufgaben eingesetzt werden kann. Die vorliegende Vorrichtung ist in der Lage, über den Umfang der Welle 1 verteilte konkrete Winkelstellungen zu ermitteln, die nicht notwendigerweise gleichmäßig voneinander beabstandet sind, die aber - abhängig von der Drehgeschwindigkeit der Welle 1 - nach sehr kurzer Meßzeit mit hoher Präzision festgestellt werden können. Der ermittelte Drehwinkel Φ der Welle 1 kann dann z. B. dazu verwendet werden, auf den Antrieb dieser Welle zum Zwecke einer Drehzahlregelung Einfluß zu nehmen.

Mit dem Meßergebnis kann aber auch z. B. eine digitale Anzeigevorrichtung zur Anzeige des Meßergebnisses angesteuert werden. Bei einem Registriergerät wie einem Fahrtschreiber können in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Diagrammscheibe, die von einem Uhrwerk ähnlichen Antrieb angetrieben wird, zeitrichtige und vor allem zeitgleiche Zuordnungen von Daten in anderen Speichermedien getroffen werden. Dadurch kann sichergestellt werden, daß die elektronische Registrierung von Ereignissen mit ihrer Aufzeichnung auf der Diagrammscheibe oder mit irgendeinem anderen dortigen zeitlichen Aufschrieb korrespondiert. Da der Aufschrieb auf einer Diagrammscheibe zu einem auf ihr vorgedruckten Zeitraster erfolgt, ist die korrekte zeitliche Zuordnung von Ereignissen von der Winkelstellung der Diagrammscheibe und damit von der Ganggenauigkeit ihres Antriebs abhängig.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die erste Welle 1, deren Drehwinkel Φ zu ermitteln ist, über ein Getriebe 21 eine zweite Welle 2 und eine dritte Welle 3 antreibt. Diese beiden letzteren Wellen weisen voneinander verschiedene Drehzahlen auf, stehen aber zueinander in einem konstanten Drehzahlverhältnis. Für die Wellen 2 und 3 ist eine relativ zu ihrer jeweiligen Drehung ortsfeste Justiermarkierung 5a bzw. 5b vorgesehen, die beispielsweise durch die Anordnung einer mit den Wellen in Verbindung stehenden Detektionseinrichtung 4a, 4b bzw. 12a, 12b verwirklicht sein kann. Durch die Justiermarkierungen 5a bzw. 5b ist ein fester Bezug der Drehwinkel der Hilfswellen 2 und 3 zu dem der ersten Welle 1 herstellbar.

Die zweite Welle 2 weist bezüglich ihres Umfangs in gleichmäßiger Teilung m Abschnitte α1, α2, . . . , αm auf. Ebenso besitzt die dritte Welle 3 bezüglich ihres Umfangs in gleichmäßiger Teilung n Abschnitte β1, β2, . . . , βn. Die Indizes m und n bezeichnen die jeweiligen Teilungszahlen. In der Fig. 1 weißt die zweite Welle beispielsweise m = 6 und die dritte Welle n = 8 Abschnitte auf. Es ist für die Erfindung nicht erheblich, ob die Teilung auf der Mantelfläche der Welle aufgetragen oder an der Stirnseite, z. B. auf einer starr mit der Welle verbundenen Scheibe, angebracht ist.

Alle Abschnitte α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn weisen ein Ordnungsmerkmal A1, A2, . . . , Am, B1, B2, . . . , Bn auf, das für jeden Abschnitt α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn in unverwechselbarer, eindeutiger Weise einen Rang X1, X2, . . . , Xm, Y1, Y2, . . . , Yn festlegt. Die Ordnungsmerkmale A1, A2, . . . , Am, B1, B2, . . . , Bn sind in dieser Ausführungsform des Meßaufbaus vorzugsweise konstruktive Merkmale und können durch Gravuren, Prägungen, Beschriftungen, Farbgebungen, Schlitze, Löcher oder andere beliebige konkav oder konvex ausgebildete Formgebungen realisiert sein, die sich für eine Detektion eignen und die Abschnitte α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn voneinander unterscheidbar machen. Dabei sind die Ordnungsmerkmale A1, A2, Am, B1, B2, . . . , Bn derart an oder auf den Wellen 2 oder 3 angeordnet, daß die Abschnitte α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn jeweils in Drehrichtung der betreffenden Welle 2 bzw. 3 eine aufeinanderfolgende und dabei stetig aufsteigende Kennung erhalten. Dadurch wird für die Abschnitte α1, α2, . . . , αm, (β1, (β2, . . . , βn eine sie ordnende Rangfolge definiert. Der Abschnitt α1, β1 mit dem niedrigsten Rang X1, Y1 ist derart angeordnet, daß dessen Anfang unter Berücksichtigung der Drehrichtung der jeweiligen Welle bei der Synchronisation aller Wellen mit der Justiermarkierung 5a bzw. 5b fluchtet. Diese Maßnahme bezweckt eine eindeutig definierte Kodierung der Abschnitte α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn. Die Synchronisation aller Wellen kann während des Herstellungsprozeß der Vorrichtung, bei ihrer ersten Inbetriebnahme oder auch noch später zu bestimmten Ereignissen während des Betriebs der Vorrichtung wiederholt erfolgen. Der Vorgang der Synchronisation der Wellen zeichnet sich dadurch aus, daß er die Wellen 2 und 3 jeweils mit ihrem rangniedrigsten Abschnitt in eine bekannte, definierte Lage zum Drehwinkel Φ = 0° der ersten Welle 1 bringt.

Mit einer ersten zweiteiligen Detektionseinrichtung 4a, 4b, deren einer Teil 4a der zweiten Welle 2 und deren anderer Teil 4b der dritten Welle 3 zugeordnet ist, wird einzeln für beide Wellen 2 und 3 während deren Drehung der Anfang jeden neuen Abschnitts α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn ermittelt. Jedesmal, wenn die Detektionseinrichtung 4a bzw. 4b an oder auf der umlaufenden Welle 2 bzw. 3 einen neuen Teilungsabschnitt erkennt, generiert sie ein erstes Detektionssignal 6a bzw. 6b. Die konkrete Ausgestaltung der Detektionseinrichtung 4a, 4b ist davon abhängig, von welcher Beschaffenheit die Ordnungsmerkmale A1, A2, . . . . . , Am, B1, B2, . . . , Bn sind. Eine bevorzugte Ausgestaltung verwendet Lichtschranken, die mit der Welle 2 bzw. 3 umlaufende Schlitze abtastet und an jedem Anfang und Ende eines jeden Schlitzes ein elektrisches Signal erzeugt. Die Schlitze sind dabei so angebracht, daß ihr Anfang immer mit dem Anfang eines Abschnitts zusammenfällt. Auf die Auswertung der Detektion des Endes des Schlitzes wird später bei der Ermittlung des Hauptwinkelbereiches Δϕ Bezug genommen. Bei der Ermittlung des Nebenwinkels δ ist nur die Detektion des Anfangs eines jeden Schlitzes von Belang.

Mit der ersten Detektionseinrichtung 4a, 4b ist eine Zeitmeßeinrichtung 8 verbunden, die durch ein Detektionssignal 6a der einen Welle einschaltet und durch ein diesem Detektionssignal zeitlich nächstfolgendes Detektionssignal 6b der anderen Welle abschaltet. Auf diese Weise wird eine durch die Schaltungen dieser beiden Detektionssignale begrenzte Zeit Δt erfaßt, wobei die Zeit Δt aufgrund des konstanten Drehzahlverhältnisses und der festgelegten Teilungszahlen m und n nur eine begrenzte, sich in jedem Hauptwinkelbereich Δϕ wiederholende Anzahl von diskreten Werten annimmt. Die Zeitmeßeinrichtung 8 wird in der Praxis durch einen Zähler realisiert. Wenn ein neuer Meßvorgang ausgelöst wird, ist es ohne Bedeutung, durch welche Welle der Zählvorgang eingeleitet wird. Wichtig ist, daß der Zählvorgang durch das zeitlich nächstfolgende Detektionssignal der anderen Welle beendet wird. Der ermittelte Zählerstand repräsentiert eine bestimmte zeitliche Dauer Δt. Die Zeitmeßeinrichtung 8 gibt diesen Zählerstand zur Registrierung an einen ersten Speicher 9 weiter. Auf diesen eine Zeit Δt repräsentierenden Zählerstand wird im Laufe der Auswertung wiederholt zugegriffen, weshalb dieser Parameter für den laufenden Meßvorgang gespeichert werden muß.

Mit der ersten Detektionseinrichtung 4a, 4b ist ein zweiter Speicher 7 verbunden, der ein der zweiten Welle 2 zugeordnetes Flagregister 7a und ein der dritten Welle 3 zugeordnetes Flagregister 7b enthält. Nach dem Start des aktuellen Meßvorgangs ändert dasjenige Flagregister 7a oder 7b seinen Pegel, bei dem in diesem Meßvorgang das Detektionssignal 6a bzw. 6b zuerst eintrifft, wodurch die Herkunft des die Zeitmeßeinrichtung 8 einschaltenden Detektionssignals ermittelt wird. Der neue Pegel bleibt für die Auswertung gespeichert.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein dritter Speicher 10 vorhanden, in dem für jede Kombination aus der Zeit Δt und dem Pegel der beiden Flagregister 7a und 7b eine Zuordnung zu einem diskreten Nebenwinkel δref gespeichert ist. Es handelt sich dabei vorzugsweise um eine Tabelle, die den Parametern, die aus der ermittelten Zeit Δt und der Information bestehen, welche Welle die Zeitmeßeinrichtung 8 einschaltete, einen Nebenwinkel δref zuordnet. Diese Zuordnung wurde z. B. bei der Inbetriebnahme der vorliegenden Vorrichtung erstellt und dient als Referenz für den vorliegenden Meßaufbau. Diese Vorgehensweise ist möglich, weil jeder bezüglich der Teilungszahlen m und n sowie der Drehzahlen der Wellen 2 und 3 gleiche Meßaufbau gleiche, sich periodisch in jedem Hauptwinkelbereich Δϕ wiederholende Kombinationen der genannten Parameter liefert.

Der den Parametern zuzuordnende Nebenwinkel δref kann dadurch ermittelt werden, daß man mit Hilfe eines Referenzwinkelmessers für jede Kombination experimentell das dazugehörige Winkelmaß δref ermittelt und diesen Wert im dritten Speicher 10 als Zuordnung zu der vorliegenden Parameterkombination speichert. Diese Referenzmessung wird einmalig vollzogen, z. B. im Fertigungsprozeß der Vorrichtung, und hat dann für diesen Meßaufbau bleibende Gültigkeit, solange am Meßaufbau keine konstruktiven Veränderungen durchgeführt werden. Dieses Winkelmaß bezieht sich immer auf den Anfang eines bestimmten Hauptwinkelbereichs Δϕ, wobei zu diesem Zeitpunkt des Meßvorgangs noch offen ist, zu welchem Hauptwinkelbereich Δϕ der ermittelte Nebenwinkel δ gehört. Die im Nebenwinkel δ bestehende Teilmeßgröße kann also ohne Kenntnis des Hauptwinkelbereichs Δϕ zuverlässig ermittelt werden, da sich die für den jeweiligen Meßaufbau möglichen Kombinationen aus der Zeit Δt und dem Pegel der beiden Flagregister 7a und 7b in jedem Hauptwinkelbereich Δϕ in gleicher Weise wiederholen.

Als Beispiel dient die nachstehende Zuordnungstabelle TAB1. Sie geht davon aus, daß die zweite Welle 2 eine Teilung von m = 6 und die dritte Welle 3 eine Teilung von n = 8 aufweist. Dabei soll die zweite Welle täglich 92 Umdrehungen ausführen und die dritte Welle täglich 63 Umdrehungen. Bei diesem Meßaufbau ergeben sich in jedem Hauptwinkelbereich Δϕ 43 Parameterkombinationen aus der Zeit Δt und dem Pegel der beiden Flagregister 7a und 7b. Um eine höhere Auflösung zu erreichen, d. h. eine größere Zahl von Parameterkombinationen zu erhalten, ist entweder die Drehzahl der beiden Wellen 2 und 3 zu erhöhen oder die Anzahl von deren Teilung m und n oder beides.

Die von der Zeitmeßeinrichtung 8 ermittelte Zeit Δt ist in diesem Beispiel in Sekunden bemessen. Die Werte 0 und 1 der Flagregister 7a und 7b sind logische Pegel, wobei der Pegel "1" auf einen die Zeitmeßeinrichtung 8 einschaltenden Impuls hinweist. Da sich das der Tabelle TAB1 zugrunde liegende Beispiel auf eine Uhr bezieht, ist die "Nebenwinkel" genannte erste Teilmeßgröße δ hier zum besseren Verständnis in Minuten und Sekunden angegeben. Es hätten aber auch ebensogut echte Winkelmaße angegeben werden können. Die in dieser Zuordnungstabelle gespeicherten Werte bilden Referenzwerte δref, die in späteren Meßvorgängen zum Vergleich herangezogen werden. In der anschließenden Tabelle TAB2 wurde der Inhalt der Tabelle TAB1 aufsteigend sortiert nach dem Betrag der Zeit Δt.

Tabelle TAB1

Tabelle TAB2

Die letzte Zuordnung in dieser Tabelle (157,1, 0) → δ = 31 : 19 wird gestrichen, da sie nicht eindeutig ist, so daß in diesem Beispiel in dem die Tabelle TAB2 enthaltenen dritten Speicher 10 insgesamt 42 auswertbare Zuordnungen verbleiben.

Mit dem ersten Speicher 9, dem zweiten Speicher 7 und dem dritten Speicher 10 ist eine erste logische Schaltung 11 verbunden, die im aktuellen Meßvorgang den diskreten Nebenwinkel δ dadurch feststellt, daß sie die aktuell vorliegende Kombination aus der im ersten Speicher 9 registrierten Zeit Δt und den im zweiten Speicher 7 registrierten Pegeln der Flagregister 7a und 7b mit den im dritten Speicher 10 gespeicherten Zuordnungen vergleicht und den zugeordneten Nebenwinkel δ registriert.

Zur Ermittlung des Hauptwinkelbereiches Δϕ wird in dem vorliegenden Meßaufbau eine zweite zweiteilige Detektionseinrichtung 12a, 12b benötigt, deren einer Teil 12a der zweiten Welle 2 und deren anderer Teil 12b der dritten Welle 3 zugeordnet ist und die einzeln für beide Wellen 2 bzw. 3 während deren Drehung durch Detektion der Ordnungsmerkmale A1, A2, . . . , Am, B1, B2, . . . , Bn ein zweites Detektionssignal 13a bzw. 13b generiert. Auch diese Detektionseinrichtung kann als Lichtschranke ausgebildet sein, was sich insbesondere dann empfiehlt, wenn die Ordnungsmerkmale A1, A2, . . . , Am, B1, B2, . . . , Bn als unterschiedlich lange Schlitze ausgebildet sind. Bei konstanter Drehzahl der Wellen 2 und 3 ist durch die unterschiedliche Länge der Schlitze jeder Abschnitt α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn eindeutig identifizierbar, wenn man mit einer Lichtschranke den Anfang und das Ende eines jeden Schlitzes bestimmt, denn die mittels der Detektionseinrichtungen 4a, 4b, 12a, 12b erzeugten Impulsdauern stehen in eindeutiger Relation zu einem bestimmten Abschnitt α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn.

Andere Meßaufbauten mögen es günstig erscheinen lassen, die Ordnungsmerkmale A1, A2, . . . , Am, B1, B2, . . . , Bn durch Farbgebungen zu gestalten, weshalb die zweite Detektionseinrichtung 12a, 12b dann als Farbdetektor auszubilden ist. Bei einem solchen Meßaufbau muß durch eine geeignete Kontrastabstufung sichergestellt sein, daß der Anfang jedes neuen Abschnitts α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn eindeutig erkennbar ist, um mit den Detektionssignalen 6a und 6b der ersten Detektionseinrichtung 4a, 4b die Zeitmeßeinrichtung 8 schalten zu können.

Es kann auch vorteilhaft sein, die Detektionssignale 6a und 6b der ersten Detektionseinrichtung 4a, 4b durch die Betätigung monostabiler Kippschaltungen zu generieren. Dazu schaltet die erste Detektionseinrichtung 4a, 4b bei der Erkennung des Anfangs eines neuen Abschnitts α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn ein Monoflop ein, bei dem die Dauer seines Ausgangsimpulses unter Berücksichtigung der Drehgeschwindigkeit der betreffenden Welle vor dem Erreichen des nächsten Abschnitts auf derselben Welle abgeklungen ist.

Die Detektionssignale 13a und 13b der zweiten Detektionseinrichtung 12a bzw. 12b und die im zweiten Speicher 7 gespeicherten Pegel der beiden Flagregister 7a und 7b werden zu einer zweiten logischen Schaltung 14 geführt, die diesen vier im aktuellen Meßvorgang ermittelten Meßgrößen durch deren Verknüpfung die Information entnimmt, welcher Abschnitt α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn die Zeitmeßeinrichtung 8 eingeschaltet sowie welcher Abschnitt α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . n βn sie abgeschaltet hat. Die Verknüpfung der Signale besteht in der Feststellung, welches der Detektionssignale 13a oder 13b zeitgleich mit einem Pegelwechsel in einem der Flagregister 7a oder 7b auftritt. Auf diese Weise kann der ein- bzw. ausschaltende Abschnitt identifiziert und der ihm zugeordnete Rang X1, X2, . . . , Xm, Y1, Y2, . . . , Yn für nachfolgende Schritte registriert werden.

In einer dritten logischen Schaltung 16 werden die im aktuellen Meßvorgang ermittelten Meßgrößen weiter ausgewertet. Aus der im ersten Speicher 9 registrierten Zeit Δt und den in der zweiten logischen Schaltung 14 ermittelten Rängen X und Y ist der Rang D des aktuellen Hauptwinkelbereichs Δϕ ermittelbar. Die Auswertung macht sich zu eigen, daß in jedem der j Hauptwinkelbereiche Δϕ andere Kombinationen aus der Zeit Δt und den die Zeitmeßeinrichtung 8 ein- bzw. ausschaltenden Abschnitten α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn vorliegen. Wie zuvor erwähnt, gibt es in jedem Hauptwinkelbereich Δϕ nur eine bestimmte Anzahl von unterschiedlichen Meßzeiten Δ. Im diskutierten Beispiel waren es 42 Zeiten je Hauptwinkelbereich Δϕ.

Ein Beispiel mag die Vorgehensweise verdeutlichen: Zur Meßzeit von Δt = 157 Sekunden gehört beispielsweise im Hauptwinkelbereich Δϕ mit dem Rang D = 2 der die Zeitmeßeinrichtung 8 einschaltende Abschnitt α mit dem Rang X = 6 und der die Zeitmeßeinrichtung 8 ausschaltende Abschnitt β mit dem Rang Y = 3. Im Hauptwinkelbereich Δϕ mit dem Rang D = 3 ergeben sich für die gleiche Meßzeit von Δt = 157 Sekunden die Ränge X = 5 und Y = 8. Tatsächlich ergeben sich in allen Hauptwinkelbereichen Δϕ zu gleichen Zeiten Δt unterschiedliche Kombinationen von X und Y, so daß aus dem Parametersatz {Δt, X, Y} eindeutig auf den Rang D des aktuellen Hauptwinkelbereichs Δϕ geschlossen werden kann.

Der im aktuellen Meßvorgang ermittelte Parametersatz {Δt, X, Y} wird dazu mit Tabellenwerten verglichen, die bei der vorliegenden Vorrichtung vor Durchführung des Meßvorgangs zu jeder möglichen Parameterkombination von Δ, X, Y ermittelt wurden und in einem vierten Speicher 15 hinterlegt sind. Dabei wurden die Parameter Δ, X, Y von allen diskreten Drehwinkeln Φ registriert, die mit dem vorliegenden Meßaufbau während einer vollen Umdrehung der ersten Welle 1 einstellbar sind, und im vierten Speicher 15 hinterlegt, indem alle durch den Meßaufbau festgelegten Drehwinkel Φ nacheinander eingestellt und die Ränge Dj der Hauptwinkelbereiche Δϕ zusammen mit den dazugehörenden Parametern gespeichert wurden.

Zusammen mit den für die Ermittlung des Nebenwinkels δ erforderlichen Parametern besteht der komplette, vor einem Meßvorgang zu registrierende Parametersatz aus folgenden Meßgrößen:

Δt, X, Y, Flag 7a und Flag 7b

Aus diesen fünf Parametern kann der Drehwinkel Φ der ersten Welle 1 eindeutig bestimmt werden, indem die Parameter im aktuellen Meßvorgang gemessen werden und der Drehwinkel Φ dann durch Vergleich mit den gespeicherten Tabellenwerten ermittelt wird. Aus den Parametern Δ, X, Y ist der Hauptwinkelbereich Δϕ bestimmbar, aus den Parametern Δt, Flag 7a und Flag 7b der Nebenwinkel δ.

Obwohl in der Fig. 1 die zur Bestimmung des Hauptwinkelbereichs Δϕ und die zur Bestimmung des Nebenwinkels δ erforderlichen Tabellenteile als getrennte Speicher dargestellt sind, nämlich als zwei Tabellen, die in dem dritten Speicher 10 und in dem vierten Speicher 15 hinterlegt sind, besteht technisch dazu kein zwingender Grund. In der praktischen Realisierung können beide Tabellenteile in einem einzigen Speicher zusammengefaßt werden, wobei die zur Bestimmung des Nebenwinkels δ erforderliche Tabelle eine Untermenge von der zur Bestimmung des Hauptwinkelbereichs Δϕ erforderlichen Tabelle bildet. Als Beispiel wird hier nachstehende Tabelle TAB3 angeführt, die den vollständigen Parametersatz für den ersten Hauptwinkelbereich Δϕ mit D = 0 angibt. Dieser Parametersatz kennzeichnet bei einer Uhr die erste Stunde von 0 bis 1 Uhr:

Tabelle TAB3

Bei einer Uhr mit j = 24 Hauptwinkelbereichen Δϕ ergibt sich für jeden Rang D0 bis D23 eine Zuordnungstabelle gemäß TAB3, wobei jeder nachfolgende Tabellenteil in der Abfolge der schaltenden Abschnitte α und β, repräsentiert durch ihre Ränge X und Y, den vorangehenden Tabellenteil gerade kontinuierlich fortgeführt. Nach einer vollen Umdrehung der ersten Welle 1 wiederholen sich die Parameterkombinationen.

Bei einer Uhr mit dem geschilderten Meßaufbau, d. h. den Teilungszahlen m = 6 und n = 8 sowie den Drehzahlen von täglich 92 Umdrehungen für die zweite Welle und täglich 63 Umdrehungen für die dritte Welle, liegen 24 _* 42 = 1008 unterschiedliche Parametersätze vor, da 24 Hauptwinkelbereiche Δϕ mit jeweils 42 diskreten voneinander unterscheidbaren Meßzeiten Δt vorliegen. Dies entspricht einer durchschnittlichen Auflösung von 85,7 Sekunden. Im vorliegenden Beispiel dauert die Ermittlung des diskreten Wertes für den Drehwinkel Φ längstenfalls Δt = 157 Sekunden entsprechend der durch den Meßaufbau bedingten längsten Meßzeit. Wenn man bei demselben Meßaufbau mit den Teilungszahlen m = 6 und n = 8 die Drehzahlen der Wellen auf z. B. täglich 236 Umdrehungen für die zweite Welle und täglich 183 Umdrehungen für die dritte Welle erhöht, was durch eine andere Auslegung des Getriebes 21 leicht möglich ist, erhält man bereits 24 _* 119 = 2856 unterschiedliche Parametersätze, was für den Drehwinkel Φ eine mittlere Auflösung von 30 Sekunden bedeutet. Die Meßzeit verbessert sich dabei aber bereits auf längstenfalls Δt = 590 Millisekunden, so daß der Drehwinkel Φ der ersten Welle 1 in sehr kurzer Zeit ermittelt werden kann. Hierin besteht ein besonderer Vorteil der Erfindung. Der Fachmann versteht, daß der Meßaufbau anwendungsbezogen optimiert werden kann, so daß die angeführten Werte für die Teilungszahlen und die Drehzahlen der zweiten und dritten Wellen nur beispielhaft sind und keineswegs eine Beschränkung darauf bedeuten.

Nachdem im aktuellen Meßvorgang der Hauptwinkelbereich Δϕ und der Nebenwinkel δ ermittelt worden sind, werden beide Teilmeßgrößen in einem mit der ersten logischen Schaltung 11 und mit der dritten logischen Schaltung 16 verbundenen Summierer 19 zur Ermittlung des Drehwinkels Φ der ersten Welle 1 zu einem Gesamtergebnis zusammengesetzt. Das Ergebnis des ermittelten Drehwinkels Φ kann dann z. B. auf einer digitalen Anzeigeeinrichtung 23 zur Anzeige gebracht werden. Bei einer Uhr käme eine aus der Stundenangabe und der Minuten- und/oder Sekundenangabe bestehende Uhrzeit zur Anzeige. In anderen Anwendungen ist es ein Winkelmaß.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der mechanische Meßaufbau durch elektronische Mittel ersetzt. Darauf nimmt die Fig. 2 Bezug. Es werden zwei Speicherzellenanordnungen 30 und 31 mit einer unterschiedlichen Anzahl von adressierbaren Speicherzellen o1, o2, . . . , om, p1, p2 . . . ., pn vorgesehen, die beim mechanischen Meßaufbau den Abschnitten α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn mit den Rängen X1, X2, . . . , Xm, Y1, Y2, . . . , Yn entsprechen und die kontinuierlich und gleichmäßig in festen Zeiten gemäß einem gleichbleibenden Takt durchlaufen werden. Die Durchlaufzeit der Speicherzellen o1, o2, . . . ., om, p1, p2, . . . , pn ist so bemessen, daß die gesamte Speicherzellenanordnung 30 bzw. 31 während einer vollen Umdrehung der Welle 1 mehrfach durchlaufen wird. Auch beginnt der Durchlauf der Speicherzellen nach jeder vollen Umdrehung der Welle 1 stets bei der Speicherzelle mit der niedrigsten Adresse. Die Speichertiefe jeder Speicherzelle o1, o2, . . . , om, p1, p2, . . . , pn legt eine Verweilzeit fest, während der der Durchlauf durch die Speicherzellenanordnung an einer bestimmten Speicherzellenadresse verharrt.

Beispielsweise habe die Speicherzellenanordnung 30 z. B. m = 6 Speicherzellen und die Speicherzellenanordnung 31 habe z. B. n = 8 Speicherzellen. Die Durchlaufgeschwindigkeiten sind bei beiden Speicherzellenanordnungen zwar konstant, aber voneinander verschieden. In jeder Speicherzelle befinden sich Zählerstände, die eine unterschiedlich lange Wartezeit tA1, tA2, . . . , tAm, tB1, tB2, . . . , tBn definieren, welche in jeder Speicherzellenanordnung 30, 31 am Anfang jeder Speicherzelle beginnt und von einer Speicherzelle zur nächsten einen größeren Wert annimmt, aber stets kürzer ist als die für die Speicherzelle festgelegte Verweilzeit. Diese Wartezeiten entsprechen den Ordnungsmerkmalen A1, A2, . . . , Am, B1, B2, . . . , Bn. Sie sind in jeder Speicherzellenanordnung von der ersten bis zur letzten Speicherzelle bezüglich ihrer Dauer in aufsteigender Folge angeordnet. Bei jeder Speicherzellenanordnung befindet sich in der Speicherzelle mit der niedrigsten Adresse die kürzeste Wartezeit und in der Speicherzelle mit der höchsten Adresse die längste Wartezeit. Am Ende jeder Wartezeit wird ein dem Detektionssignal 13a bzw. 13b entsprechender Impuls generiert. Der Übergang zur nächsten Speicherzelle erfolgt aber erst am Ende der für die Speicherzelle vorgesehenen Verweilzeit.

Wenn der Meßvorgang in Gang gesetzt wird, während die Speicherzellenanordnungen mit den ihnen zugeordneten konstanten Durchlaufgeschwindigkeiten durchlaufen werden, wird von beiden Speicherzellenanordnungen 30 und 31 am Anfang der nächsten Speicherzelle o1, o2, . . . , om, p1, p2, . . . , pn ein erstes Impulssignal 6a bzw. 6b und am Ende der zu diesen Speicherzellen gehörenden Wartezeit tA1, tA2, . . . , tAm, tB1, tB2, . . . , tBn ein zweites Impulssignal 13a bzw. 13b an den Mikrocontroller 22 abgegeben, wobei das erste Impulssignal 6a bzw. 6b eine Information über seine Zugehörigkeit zur jeweiligen Speicherzellenanordnung 30 oder 31 und das zweite Impulssignal 13a bzw. 13b eine Information über die Adresse X1, X2, . . . , Xm, Y1, Y2, . . . , Yn der jeweiligen Speicherzelle o1, o2, . . . , om, p1, o2, . . . , pn an den Mikrocontroller 22 überträgt.

Nach dem Start des Meßvorgangs wird also wie beim mechanischen Meßaufbau beim Übergang von einer Speicherzelle zur nächsten von einer der beiden Speicherzellenanordnungen 30 oder 31 ein Detektionssignal 6a bzw. 6b ausgelöst, das eine Zeitmeßeinrichtung 8 einschaltet. Beim Eintreffen eines ebenso erzeugten Signals von der anderen Speicherzellenanordnung wird die Zeitmeßeinrichtung 8 wieder ausgeschaltet. Die dadurch ermittelte Zeit Δt wird in einem Speicher 9 für die weitere Auswertung gespeichert.

Gleichfalls wird mit der Erzeugung des Detektionssignals 13a bzw. 13b die Adresse der signalerzeugenden Speicherzelle festgestellt, um den Rang bzw. die Adresse X1, X2, . . . , Xm, Y1, Y2, . . . , Yn dieser Speicherzelle zu ermitteln. Auch wird gespeichert, von welcher Speicherzellenanordnung 30 oder 31 das die Zeitmeßeinrichtung 8 einschaltende bzw. ausschaltende Signal kam. Anschließend kann die Ermittlung des Drehwinkels Φ der Welle 1 derart erfolgen, wie es zuvor beim mechanischen Meßaufbau beschrieben wurde.

Um einen Bezug der Speicherzellenanordnungen zum Drehwinkel Φ der Welle 1 herzustellen, müssen die Durchläufe der Speicherzellenanordnungen 30 und 31 in definierter Weise mit einem Impuls, der dem Drehwinkel Φ = 0° entspricht, bei den Speicherzellen, die die niedrigste Adresse haben, gestartet werden können. Dieser Impuls entspricht einem RESET-Signal für die Adressierpointer der beiden Speicherzellenanordnungen 30 und 31. Der Impuls kann beispielsweise bei einer von einem Schrittmotor angetriebenen Welle 1 dessen Steuerschaltung entnommen werden. Andernfalls kann auch z. B. ein entsprechend angeordneter Nocken 32 auf der Welle 1 diesen Impuls durch Betätigung einer als Schaltelement ausgebildeten Rücksetzeinrichtung 33 generieren. Es wird vorausgesetzt, daß die Drehgeschwindigkeit der ersten Welle 1 gleichmäßig und mit den Durchlaufgeschwindigkeiten für die Speicherzellenanordnungen 30 und 31 synchronisiert ist.

Beim Ersetzen des mechanischen Meßaufbaus durch elektronische Mittel können nochmals Kosten für die beiden Hilfswellen 2 und 3, das Getriebe 21, die Justiermarkierungen 5a und 5b und die Detektionseinrichtungen 4a, 4b, 12a, 12b eingespart werden. Auch die Funktionen des zweiten Speichers 7 und die der zweiten logischen Schaltung 14 können bei entsprechender Ausbildung der Speicherzellenanordnungen 30 und 31 von diesen übernommen werden, so daß diese im Mikrocontroller 22 nicht redundant vorgehalten werden müssen.

Die elektronische Lösung ist ersichtlich prozessorgerecht gestaltet. Die gefundene Lösung hat den Vorteil, daß der Drehwinkel Φ einer gleichmäßig umlaufenden Welle sehr schnell und präzise auf sehr kostengünstige Weise ermittelt werden kann. Nachdem die erforderlichen Zuordnungen in Form von Tabellen in einem Speicher erst einmal hinterlegt sind, arbeitet ein in einem Mikrocontroller ablaufendes Programm alle Verfahrensschritte ab. Zur Durchführung des Verfahrens werden keine mechanischen, dem Verschleiß unterworfenen Bauteile benötigt.

Es ist festzustellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Drehwinkels Φ einer Welle allgemein folgenden Schritten folgt:

• - Diskreten Werten des Drehwinkels Φ wird mit Bezug auf den Drehwinkel Φ = 0° und von dort aus entlang des Umfangs der Welle in deren Drehrichtung fortlaufend eine eindeutige Sollwert-Kennung zugeordnet.
• - Jede Sollwert-Kennung wird zusammen mit ihrer Zuordnung zu einem diskreten Wert des Drehwinkels Φ in einem Speicher gespeichert.
• - Die sich bei der Drehung der Welle einstellende Abfolge der Sollwert-Kennungen wird in einem mit der Drehung der Welle synchronisierten Meßaufbau nachgebildet.
• - Bei Auslösung eines aktuellen Meßvorgangs wird in dem Meßaufbau eine gemäß der Drehrichtung der Welle nächstfolgende Istwert-Kennung ermittelt.
• - Die mit dem Meßaufbau ermittelte Istwert-Kennung wird mit der im Speicher hinterlegten Sollwert-Kennung des Drehwinkels Φ verglichen, um den dazugehörenden diskreten Wert des Drehwinkels Φ aus der Zuordnung der Sollwert-Kennung zu entnehmen.

In der konkreten Ausführung besteht die Kennung aus einem Parametersatz mit folgenden Meßgrößen: Δt, X, Y, Flag 7a und Flag 7b. Die tabellarisch in einem Speicher hinterlegten Werte der Meßgrößen, die vor dem Meßvorgang ermittelt wurden, bilden die Sollwert-Kennung, wohingegen die im Meßvorgang ermittelten Werte der Meßgrößen die Istwert-Kennung darstellen. Anhand der aktuell im Meßvorgang gemessenen Werte der Meßgrößen kann durch Vergleich mit den gespeicherten Referenzwerten der aktuelle Wert des Drehwinkels Φ festgestellt werden.

Bezugszeichenliste

Φ zu ermittelnder Drehwinkel
Δϕ Hauptwinkelbereich
δ Nebenwinkel als Unterteilung eines Hauptwinkelbereichs Δϕ
j Anzahl der Hauptwinkelbereiche bei einer vollen Umdrehung des Drehwinkels Φ
Dj Rang eines Hauptwinkelbereichs
m Teilungszahl der zweiten Welle bzw. Anzahl der Speicherzellen der ersten Speicherzellenanordnung
n Teilungszahl der dritten Welle bzw. Anzahl der Speicherzellen der zweiten Speicherzellenanordnung
α1, α2, . . . , αm Abschnitte der zweiten Welle
β1, β2, . . . , βn Abschnitte der dritten Welle
A1, A2, . . . , Am Ordnungsmerkmale der Abschnitte der der zweiten Welle
B1, B2, . . . , Bn Ordnungsmerkmale der Abschnitte der dritten Welle
X1, X2, . . . , Xm Ränge der Abschnitte der der zweiten Welle bzw. Adressen der Speicherzellen der ersten Speicherzellenanordnung
Y1, Y2, . . . , Yn Ränge der Abschnitte der dritten Welle bzw. Adressen der Speicherzellen der zweiten Speicherzellenanordnung
o1, o2, . . . , om Speicherzellen der ersten Speicherzellenanordnung
p1, p2, . . . , pn Speicherzellen der zweiten Speicherzellenanordnung
tA1, tA2, . . . , tAm eine Wartezeit definierender Zählerstand in den Speicherzellen der ersten Speicherzellenanordnung
tB1, tB2, . . . , tBn eine Wartezeit definierender Zählerstand in den Speicherzellen der zweiten Speicherzellenanordnung
RESET Signal zum definierten Beginn des Durchlaufs der Speicherzellenanordnungen für die Synchronisation ihres Durchlaufs mit dem Umlauf der ersten Welle
1 erste Welle (Meßwelle)
2 zweite Welle (Hilfswelle)
3 dritte Welle (Hilfswelle)
4a erste Detektionseinrichtung zur Detektion des Anfangs der Abschnitte bezüglich der zweiten Welle
4b erste Detektionseinrichtung zur Detektion des Anfangs der Abschnitte bezüglich der dritten Welle
5a ortsfeste Justiermarkierung bezüglich der zweiten Welle
5b ortsfeste Justiermarkierung bezüglich der dritten Welle
6a zeitlich zuerst generiertes Detektionssignal der ersten Detektionseinrichtung
6b zeitlich als zweites generiertes Detektionssignal der ersten Detektionseinrichtung
7 zweiter Speicher
7a der zweiten Welle zugeordnetes Flagregister im zweiten Speicher
7b der dritten Welle zugeordnetes Flagregister im zweiten Speicher
8 Zeitmeßeinrichtung
9 erster Speicher
10 dritter Speicher
11 erste logische Schaltung
12a zweite Detektionseinrichtung zur Detektion des Rangs der Abschnitte bezüglich der zweiten Welle
12b zweite Detektionseinrichtung zur Detektion des Rangs der Abschnitte bezüglich der dritten Welle
13a Detektionssignal mit der Information bezüglich des Rangs der Abschnitte bezüglich der zweiten Welle
13b Detektionssignal mit der Information bezüglich des Rangs der Abschnitte bezüglich der dritten Welle
14 zweite logische Schaltung
15 vierter Speicher
16 dritte logische Schaltung
17 frei
18 frei
19 Summierer
20 Schrittmotor
21 Getriebe
22 Mikrocontroller
23 Anzeigeeinrichtung
24 bis 29 frei
30 erste Speicherzellenanordnung
31 zweite Speicherzellenanordnung
32 Nocken an der ersten Welle
33 Rücksetzeinrichtung

Claims (21)

1. Verfahren zur Ermittlung des Drehwinkels Φ einer Welle, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß diskreten Werten des Drehwinkels Φ mit Bezug auf den Drehwinkel Φ = 0° und von dort aus entlang des Umfangs der Welle in deren Drehrichtung fortlaufend eine eindeutige Sollwert-Kennung zugeordnet wird,
• b) daß jede Sollwert-Kennung zusammen mit ihrer Zuordnung zu einem diskreten Wert des Drehwinkels Φ in einem Speicher gespeichert wird,
• c) daß die sich bei der Drehung der Welle einstellende Abfolge der Sollwert-Kennungen in einem mit der Drehung der Welle synchronisierten Meßaufbau nachgebildet wird,
• d) daß bei Auslösung eines aktuellen Meßvorgangs in dem Meßaufbau eine gemäß der Drehrichtung der Welle nächstfolgende Istwert-Kennung ermittelt wird,
• e) daß die mit dem Meßaufbau ermittelte Istwert-Kennung mit der im Speicher hinterlegten Sollwert-Kennung des Drehwinkels Φ verglichen wird, um den dazugehörenden diskreten Wert des Drehwinkels Φ aus der Zuordnung der Sollwert-Kennung zu entnehmen.

2. Verfahren zur Ermittlung des Drehwinkels Φ einer Welle, bei dem die Ermittlung des Drehwinkels Φ additiv aus der Ermittlung eines auf die Nullstellung des Drehwinkels Φ bezogenen Hauptwinkelbereichs Δϕ sowie aus der Ermittlung eines innerhalb des Hauptwinkelbereichs Δϕ liegenden auf den Anfang des Hauptwinkelbereichs Δϕ bezogenen Nebenwinkels δ erfolgt, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die erste Welle (1) eine zweite Welle (2) und eine dritte Welle (3) antreibt, wobei die Drehzahlen der zweiten und dritten Welle voneinander verschieden sind und deren jeweiliges Drehzahlverhältnis zur ersten Welle konstant ist,
• b) daß die zweite Welle (2) bezüglich ihres Umfangs in gleichmäßiger Teilung m Abschnitte (α1, α2, . . . , αm) und die dritte Welle (3) bezüglich ihres Umfangs in gleichmäßiger Teilung n Abschnitte (β1, β2, . . . , βn) aufweist, wobei m und n die jeweiligen Teilungszahlen bezeichnen,
• c) daß alle Abschnitte (α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn) in einer identifizierbaren Rangfolge angeordnet sind,
• d) daß nach dem Start des Meßvorgangs der Nebenwinkel δ während der Drehung der zweiten und der dritten Welle aus der Zeitdifferenz Δt zwischen dem Anfang eines Abschnitts der einen Welle und aus dem Anfang des zeitlich nächstfolgenden Abschnitts der anderen Welle sowie aus der Information, welche Welle mit einem ihrer Abschnitte die Messung der Zeitdifferenz Δt ausgelöst hat, dadurch ermittelt wird, daß die im Meßvorgang ermittelten Parameter mit gespeicherten Zuordnungen verglichen werden und aus den Zuordnungen der zu der vorliegenden Parameterkombination gehörende Nebenwinkel δ abgelesen wird,
• e) daß nach dem Start des Meßvorgangs der Hauptwinkelbereich Δϕ während der Drehung der zweiten und der dritten Welle aus der bereits ermittelten Zeitdifferenz Δt sowie aus der Information, welcher Abschnitt die Messung der Zeitdifferenz Δt ausgelöst und welcher Abschnitt sie beendet hat, ermittelt wird, wobei die im Meßvorgang ermittelten Parameter mit gespeicherten Zuordnungen verglichen werden und aus den Zuordnungen der zu der vorliegenden Parameterkombination gehörende Hauptwinkelbereich Δϕ abgelesen wird, und
• f) daß die Ergebnisse der Ermittlung vom Hauptwinkelbereich Δϕ und vom Nebenwinkel δ zum gesuchten Maß des Drehwinkels Φ zusammengesetzt werden.

3. Vorrichtung zur Ermittlung des Drehwinkels Φ einer Welle (1), bei der die Ermittlung des Drehwinkels Φ additiv aus der Ermittlung eines auf die Nullstellung des Drehwinkels Φ bezogenen Hauptwinkelbereichs Δϕ sowie aus der Ermittlung eines innerhalb des Hauptwinkelbereichs Δϕ liegenden auf den Anfang des Hauptwinkelbereichs Δϕ bezogenen Nebenwinkels δ erfolgt, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß eine zweite Welle (2) und eine dritte Welle (3) vorhanden sind, die über ein Getriebe (21) von der ersten Welle (1) angetrieben werden, die voneinander verschiedene Drehzahlen aufweisen und deren jeweiliges Drehzahlverhältnis zur ersten Welle (1) konstant ist,
• b) daß für die Wellen (2) und (3) eine relativ zu ihrer jeweiligen Drehung ortsfeste Justiermarkierung (5a) bzw. (5b) vorhanden ist,
• c) daß die zweite Welle (2) bezüglich ihres Umfangs in gleichmäßiger Teilung m Abschnitte (α1, α2, . . . , αm) und die dritte Welle (3) bezüglich ihres Umfangs in gleichmäßiger Teilung n Abschnitte (β1, β2, . . . , βn) aufweist, wobei m und n die jeweiligen Teilungszahlen bezeichnen,
• d) daß alle Abschnitte (α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn) ein Ordnungsmerkmal (A1, A2, . . . , Am, B1, B2, . . . , Bn) aufweisen, das jedem Abschnitt (α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn) eindeutig einen Rang (X1, X2, . . . , Xm, Y1, Y2, . . . , Yn) zuweist,
• e) daß die Abschnitte (α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn) jeweils in Drehrichtung der betreffenden Welle (2) bzw. (3) stetig aufeinanderfolgend gemäß ihrem Rang (X1, X2, . . . , Xm, Y1, Y2, . . . , Yn) in aufsteigender Folge angeordnet sind, wobei jeweils derjenige Abschnitt (α1, β1) den niedrigsten Rang (X1, Y1) hat, dessen Anfang unter Berücksichtigung der Drehrichtung der jeweiligen Welle bei der Synchronisation aller Wellen mit der der jeweiligen Welle (2) bzw. (3) zugeordneten Justiermarkierung (5a) bzw. (5b) fluchtet,
• f) daß eine zweiteilige erste Detektionseinrichtung (4a, 4b) vorhanden ist, deren einer Teil (4a) der zweiten Welle (2) und deren anderer Teil (4b) der dritten Welle (3) zugeordnet ist und die einzeln für beide Wellen (2, 3) während deren Drehung durch die Detektion des Anfangs jeden neuen Abschnittes (α1, α2, αm, β1, β2, . . . , βn) ein erstes Detektionssignal (6a) bzw. (6b) generiert,
• g) daß eine mit der ersten Detektionseinrichtung (4a, 4b) verbundene Zeitmeßeinrichtung (8) vorhanden ist, die nach dem Start des Meßvorgangs durch das Detektionssignal (6a) der einen Welle einschaltet und durch das diesem Detektionssignal (6a) zeitlich nächstfolgende Detektionssignal (6b) der anderen Welle abschaltet und derart eine durch die Schaltungen dieser beiden Detektionssignale begrenzte Zeit Δt erfaßt, wobei die Zeit Δt aufgrund des konstanten Drehzahlverhältnisses und der festgelegten Teilungszahlen m und n nur eine begrenzte, sich in jedem Hauptwinkelbereich Δϕ wiederholende Anzahl von diskreten Werten annimmt,
• h) daß ein mit der Zeitmeßeinrichtung (8) verbundener erster Speicher (9) vorhanden ist, der die im Meßvorgang von der Zeitmeßeinrichtung (8) ermittelte Zeit Δt registriert,
• i) daß ein mit der ersten Detektionseinrichtung (4a, 4b) verbundener zweiter Speicher (7) vorhanden ist, der für die zweite Welle (2) ein Flagregister (7a) und für die dritte Welle (3) ein Flagregister (7b) enthält, wobei dasjenige Flagregister (7a oder 7b) seinen Pegel bis zur Auswertung des aktuellen Meßvorgangs ändert, bei dem in diesem Meßvorgang das Detektionssignal (6a) bzw. (6b) zuerst eintrifft, wodurch die Zuordnung für das die Zeitmeßeinrichtung (8) einschaltende Detektionssignal zu einer der beiden Wellen (2) oder (3) registriert wird,
• j) daß ein dritter Speicher (10) vorhanden ist, der für jede Kombination aus der Zeit Δt und den beiden Pegeln der Flagregister (7a) und (7b) eine Zuordnung zu einem diskreten Nebenwinkel δ enthält, wobei für die vorliegende Vorrichtung vor Ausführung des Meßvorgangs für jede Kombination die Zuordnung zu einem diskreten Nebenwinkel δ dadurch erfolgte, daß in einem beliebigen Hauptwinkelbereich Δϕ alle darin einstellbaren Kombinationen eingestellt und der dazugehörende Nebenwinkel δref mit einem Referenzwinkelmesser ermittelt und gespeichert wurde,
• k) daß eine mit dem ersten Speicher (9), mit dem zweiten Speicher (7) und mit dem dritten Speicher (10) verbundene erste logische Schaltung (11) vorhanden ist, die im Meßvorgang den diskreten Nebenwinkel δ dadurch ermittelt, daß sie die gemessene Kombination, bestehend aus der im Speicher (9) registrierten Zeit Δt und den im zweiten Speicher (7) registrierten Pegeln der Flagregister (7a) und (7b), mit den im dritten Speicher (10) gespeicherten Zuordnungen vergleicht und daraus den zugehörenden Nebenwinkel δ entnimmt,
• l) daß eine zweite zweiteilige Detektionseinrichtung (12a, 12b) vorhanden ist, deren einer Teil (12a) der zweiten Welle (2) und deren anderer Teil (12b) der dritten Welle (3) zugeordnet ist und die einzeln für beide Wellen (2, 3) während deren Drehung durch Detektion der Ordnungsmerkmale (A1, A2, . . . , Am, B1, B2, . . . , Bn) ein zweites Detektionssignal (13a) bzw. (13b) generiert,
• m) daß eine mit der zweiten Detektionseinrichtung (12a, 12b) und mit dem zweiten Speicher (7) verbundene zweite logische Schaltung (14) vorhanden ist, die durch eine Verknüpfung der zweiten Detektionssignale (13a) und (13b) mit den Pegeln der Flagregister (7a) und (7b) ermittelt, welcher Abschnitt (α1, α2, αm, β1, β2, . . . , βn) im Meßvorgang die Zeitmeßeinrichtung (8) eingeschaltet sowie welcher Abschnitt (α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn) sie abgeschaltet hat,
• n) daß ein vierter Speicher (15) vorhanden ist, der für jede Kombination aus der Zeit Δt und dem Rang (X1, X2, . . . , Xm, Y1, Y2, . . . , Yn) des die Zeitmeßeinrichtung (8) einschaltenden bzw. abschaltenden Abschnitts (α1, α2, αm, β1, β2, . . . , βn) für jede Welle eine Zuordnung zu einem einen Hauptwinkelbereich Δϕ kennzeichnenden Rang (D1, D2, . . . , Dj) enthält, wobei ein Laufindex j die Anzahl der vorhandenen Hauptwinkelbereiche bezeichnet,
• o) daß eine mit dem ersten Speicher (9), mit dem vierten Speicher (15) und mit der zweiten logischen Schaltung (14) verbundene dritte logische Schaltung (16) vorhanden ist, die für die im Meßvorgang ermittelte Kombination aus der im ersten Speicher (9) registrierten Zeit Δt und dem in der ersten logischen Schaltung (14) ermittelten Rang X und Y des die Zeitmeßeinrichtung (8) einschaltenden bzw. abschaltenden Abschnitts (α1, α2, . . . , αm, β1, β2, . . . , βn) den zugehörenden, einen Hauptwinkelbereich Δϕ kennzeichnenden Rang (D1, D2, . . . , Dj) ermittelt, indem sie die vorliegende Kombination mit den im vierten Speicher (15) gespeicherten Zuordnungen vergleicht und daraus den Rang D des zugehörenden Hauptwinkelbereichs Δϕ entnimmt,
• p) daß ein mit der ersten logischen Schaltung (11) und mit der dritten logischen Schaltung (16) verbundener Summierer (19) vorhanden ist, der zur Ermittlung des Drehwinkels Φ der ersten Welle (1) die im Meßvorgang ermittelten Werte für den Hauptwinkelbereich Δϕ und den Nebenwinkel δ addiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ordnungsmerkmale (A1, A2, . . . , An, B1, B2, . . . , Bm) als Schlitze ausgebildet sind, die in axial an den Wellen (2) und (3) angebrachten Scheiben eingebracht sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektion des jeweiligen Abschnitts (α1, α2, . . . , αn, β1, β2, . . . , βm) alle Schlitze einer Scheibe unterschiedlich lang sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ordnungsmerkmale (A1, A2, . . . , An, B1, B2, . . . , Bm) durch eine Farbgebung der Abschnitte (α1, α2, . . . , αn, β1, β2, . . . , βm) ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Detektionseinrichtung (4a, 4b) als Lichtschranke ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der ersten Detektionseinrichtung (4a, 4b) und diejenigen der zweiten Detektionseinrichtung (12a, 12b), die der gleichen Wellen (2) oder (3) zugeordnet sind, jeweils durch eine einzige Lichtschranke realisiert sind, wobei diese eine Lichtschranke jeweils den Beginn und das Ende eines jeden Schlitzes detektiert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Detektionseinrichtung (4a, 4b) impulsförmige Detektionssignale (6a) und (6b) durch die Betätigung monostabiler Kippschaltungen generiert, wobei die Impulsdauer jeweils so bemessen ist, daß sie unter Berücksichtigung der Drehgeschwindigkeit der betreffenden Welle vor der Detektion des nächsten Abschnitts auf derselben Welle abgeklungen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektionseinrichtung (12a, 12b) als Farbdetektor ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmeßeinrichtung (8) durch einen Zähler realisiert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher (7, 9, 10, 15), die logischen Schaltungen (11, 14, 16), der Summierer (19) und die Zeitmeßeinrichtung (8) Bestandteile eines Mikrocontrollers (22) sind oder funktionell von einem solchen realisiert werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß das Getriebe (21), die darüber angetriebene zweite und dritte Welle (2) und (3), die erste und zweite Detektionseinrichtung (4a, 4b, 12a, 12b) sowie der zweite Speicher (7) und die zweite logische Schaltung (14) durch zwei Speicherzellenanordnungen (30) und (31) ersetzt werden,
• b) daß die Speicherzellenanordnungen (30) und (31) eine unterschiedliche Anzahl m bzw. n von Speicherzellen (o1, o2, . . . , om, p1, p2, . . . , pn) aufweisen,
• c) daß die Speichertiefe jeder Speicherzelle (o1, o2, . . . , om, p1, p2, . . . , pn) eine Verweilzeit definiert,
• d) daß den Speicherzellen (o1, o2, . . . , om, p1, p2, . . . , pn) Adressen (X1, X2, . . . , Xm, Y1, Y2, . . . , Yn) zugeordnet sind,
• e) daß bei Drehung der Welle (1) die Speicherzellen (o1, o2, . . . , om, p1, p2, pn) kontinuierlich in einem konstanten Takt nacheinander durchlaufen werden, wobei der Takt in beiden Speicherzellenanordnungen (30) und (31) voneinander verschieden und so gewählt ist, daß während einer vollen Umdrehung der Welle (1) der Durchlauf der Speicherzellen (o1, o2, . . . , om, p1, p2, . . . , pn) mehrfach erfolgt und daß dieser Durchlauf nach jeder vollen Umdrehung der Welle (1) jeweils bei der Speicherzelle (o1, p1) mit der niedrigsten Adresse (X1, Y1) beginnt,
• f) daß in jeder Speicherzelle (o1, o2, . . . , om, p1, o2, . . . , pn) ein Zählerstand eingetragen ist, der eine Wartezeit (tA1, tA2, . . . , tAm, tB1, tB2, . . . , tBn) definiert, welche in jeder Speicherzellenanordnung (30, 31) am Anfang jeder Speicherzelle beginnt und von einer Speicherzelle zur nächsten einen größeren Wert annimmt, aber stets kürzer ist als die für die Speicherzelle festgelegte Verweilzeit,
• g) daß nach dem Start eines Meßvorgang zur Ermittlung des Drehwinkels Φ von beiden Speicherzellenanordnungen (30, 31) am Anfang der nächsten Speicherzelle (o1, o2, . . . , om, p1, p2, . . . , pn) ein erstes Impulssignal (6a, 6b) und am Ende der zu diesen Speicherzellen gehörenden Wartezeit (tA1, tA2, . . . , tAm, tB1, tB2, . . . , tBn) ein zweites Impulssignal (13a, 13b) an den Mikrocontroller (22) abgegeben wird, wobei das erste Impulssignal (6a, 6b) eine Information über seine Zugehörigkeit zur jeweiligen Speicherzellenanordnung (30) oder (31) und das zweite Impulssignal (13a, 13b) eine Information über die Adresse (X1, X2, . . . , Xm, Y1, Y2, . . . , Yn) der jeweiligen Speicherzelle (o1, o2, . . . , om, p1, p2, . . . , pn) an den Mikrocontroller (22) überträgt, und
• h) daß die Impulssignale (6a, 6b, 13a, 13b) im Mikrocontroller (22) weiter wie in der Vorrichtung nach Anspruch 3 durch eine Zeitmeßeinrichtung (8) und einen ersten Speicher (9), durch eine erste logische Schaltung (11) in Verbindung mit einem dritten Speicher (10) und durch eine dritte logische Schaltung (16) in Verbindung mit einem vierten Speicher (15) sowie durch einen Summierer (19) ausgewertet werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rücksetzeinrichtung (33) vorhanden ist, die durch ein dem Drehwinkel Φ = 0°
zugeordnetes RESET-Signal in beiden Speicherzellenanordnungen (30, 31) den Durchlauf der Speicherzellen (o1, o2, . . . , om, p1, p2, . . . , pn) jeweils bei der Speicherzelle (o1, p1) mit der niedrigsten Adresse (X1, Y1) beginnen läßt.

15. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere der vorgesehenen Speicher (7, 9, 10, 15) durch unterschiedliche Speicherbereiche in einem einzigen Speicherbaustein realisiert sind.

16. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Welle (1) von einem Schrittmotor (20) angetrieben wird, dessen Drehzahl durch das Ergebnis der Ermittlung des Drehwinkels Φ geregelt wird.

17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das RESET-Signal der Ansteuerung des die Welle (1) antreibenden Schrittmotors (20) entnommen wird.

18. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Uhrzeit ermittelt, wobei der zu ermittelnde Winkelbereich Δϕ einer Stundeneinteilung und die zu ermittelnde Winkelstellung δ einer Minutenangabe und/oder Sekundenangabe entspricht.

19. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in einem Regelkreis der Erkennung einer Gangabweichung gegenüber einem vorgegebenen Sollwert für den Drehwinkel Φ dient.

20. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (2) und (3) mit dem Antrieb einer Diagrammscheibe eines Fahrtschreibers in Wirkverbindung stehen.

21. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Summierer (19) verbundene digitale Anzeigeeinrichtung (23) zur Anzeige des in dem Summierer (19) ermittelten Wertes für den Drehwinkel Φ vorhanden ist.