DE2008403A1

DE2008403A1 - Nachlaufsystem, insbesondere fur Fahrt schreiber

Info

Publication number: DE2008403A1
Application number: DE19702008403
Authority: DE
Inventors: Manfred 7730 Villingen Fich ter Manfred 7731 Weiler Muller Ingo 7220 Schwenningen Sieber
Original assignee: Kienzle Apparate GmbH
Current assignee: Digital Kienzle Computersysteme GmbH and Co KG
Priority date: 1970-02-24
Filing date: 1970-02-24
Publication date: 1971-09-09
Also published as: CH517977A; DE2008403C3; FR2078953A5; DE2008403B2; SE359927B; GB1345403A

Description

17.2.1970 070/Dö/Kl · Akte: 1229

.KIui.ZLj!i AxJTiiJliV/Js GKBIi., VILLILGi I\i acj.il auf system, insbesondere für Fahrtschreiber

Die Erfindung betrifft ein Kachlaufsystem, insbesondere für Fahrtschreiber, auin Messen, Aufzeichnen und Anzeigen von Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten bestellend aus einer Vergleichsstelle, die die messwertproportionale· Gleichspannung (Sollwert) mit -einer rückgeführten dem Anzeigewert (Istwert), entsprechen- μ den Gleichspannung vergleicht, einem Verstärker, der durch geeignete Rückkopplung definierte Übertragungseigenschaften für die ermittelte Differenzspannung zeigt und einer Steuerschaltung, die den die Registrier— und Anzeigemittel betätigenden Stellmotor-auf Links- oder-Rechtslauf" steuert.

Aufgabe eines Paurtschreibers ist es bekanntlich, betriebsbedingte und für die Fahrt des Fahrzeuges charakteristische Daten zu messen, anzuzeigen und auf züz eic linen. .Von besonderer Bedeutung ist dabei das Messen der Geschwindigkeit des Fahrzeugessowie der Drehzahlen des Motors. Ausserdem erfasst der fahrtschreiber u₀a. die zurückgelegte (»erstrecke, sowie die Lenk-und Bereitschaftszeiten der fahrer in voneinander unterscheidbaren i Zeitdiagrammen. '

Unter vergleichbaren Registriergeräten nimmt der Fahrtschreiber insofern eine Sonderstellung ein, als er, eingebaut,in einem Kraftfahrzeug, abgesehen von Erschütterungen und Stössen, hervorgerufen durch die'Fahrbahn aber auch Beschleunigungen, .Hauptsächlich in Fahrtrichtung, Spannungsschwankungen der Fahrzeugbatterie bis zu AQfi der Nennspannung und TemperaturSchwankungen innenialb eines durchauo möglichen Bereiches von - 30° bis + 70° ausgesetzt ist. Diesen für ein Messgerät ziemlich ungün.-

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stigen Betriebsbedingungen steht andererseits die Forderung nach einem exakt aufgezeichneten Fahrdiagramm gegenüber, da die Aufzeichnung auf der Diagraianischeibe heute mehr und mehr als Beweismittel für die liechtüfindung bei Verkenrsunfällen, zu statistischen Zwecken und sogar als Grundlage für die Entlohnung der Fahrer herangezogen werden.

Bei den heute üblichen Fahr t sehr ei be. rn wird, insbesondere wegen seiner Robustheit, aber auch wegen seiner einfachen und billigen Herstellung, als Ließsystem allgemein das Wirbelstronsystem bevorzugt. Dabei mus3 jedoch neben der nicht linearen Drenzanl-Drehwinkel-Gharakteristik dieses Systems auch sein hohes Antriebsdrehmoment in Kauf genommen werden. Das bedeutet aber, dass der Antrieb des Wirbelstromraeflsystems über eine mechanische Verbindung, beispielsweise eine biegsame Y.eile oder Gelenkwelle, erfolgen inusso ISa i3t aucn solion vorgeschlagen worden, das Y.irbel3trommeJsystem durcti einen die zu messende Dreiizaül am Ort des Fahrt Schreibers nacnbildenden Elektromotor unmittelbar anzutreiben und den Messwert unter Vermeidung der bekannten Nachteile mechanischer Wellen, wie Schwergängigkuit und Bruch bei tiefen Temperaturen, sowie lie igung zu Toraionsschwingungen infolge der meist unvermeidlichen liinbaukrümmungen elektrisch zu übertragen. Diese Lösung erfordert aber einen hohen im Kraftfahrzeug nicht vertretbaren Energiebedarf und stellt, abgesehen von dem beträchtlicnen Aufwand, technisch gesehen einen Umweg dar.

Logischerweise ware es, wenn man die Schwierigkeiten des mechanischen Antriebes vermeiden will, ricntig, einer elektrischen Uesswertübertragung, beispielsweise mittels Impulsen, auch eine elektrische Schaltung zur Messwertverarbeitung zuzuordnen. Derartige Versuche üind ebenfalls bereits bekannt, wobei es sich herausgestellt nat, dasa nur eine nach dem Kompensationsprinzip arbeitende Meßschaltung, mit anderen Worten ein Hachlaufs^stem, bestehend aus einer Vergleichsstelle, einem

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!.'.essverstärker und einem Stellmotor, den gestellten Forderungen gerecht werden kann· Zum elektrischen I<le3system ist ganz allgemein zu sagen, dasa es ira Vergleich zum elektro-mechanisch arbeitenden 'wirbelstromsystem mit den unvermeidlich grossen Massen wesentlich mehr und einfachere Möglichkeiten bietet, dynamische Fehler zu reduzieren. Die besonderen Eigenschaften der Kompensationsmessung, bei der der angezeigte Istwert fortlaufend mit dem vom' Geber gelieferten Sollwert verglichen und bei Ungleichheit*solange nachgestellt wird, bis die VergibichSdifferenz Hull erreicht ist, nämlich geringe Abhängigkeit der Anzeige von SpannungsSchwankungen der Batterie und VerstärkungSBChwankungen des Messverstärkers, sowie (J die erzielbaren grossen Verstellkräfte und der im abgeglichenen Zustand nahezu unendlich hohe EingangDwiderstand, lassen sich, insbesondere bei Geräten die rauhen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, vorteilhaft ausnützen.

Auf Grund des grossen Drehzahlbereichs der vom Fahrtschreiber angezeigt und aufgezeichnet werden soll, andererseits auch wegen der aüglicheii raschen Änderungen der Messgrösse, beispielsweise beim Umschalten in einen anderen Gang bei scharfen Anfahren und bei Vollbremming, wobei es für die Auswertung wesentlich ist,'«fass die wahre Anderungsgeschwindigkeit der I.iessgrösse aus den Diagramm ersichtlich ist, werden an die * Kegel geschwindigkeit und an die Regelgenauigkeit des nachlauf- * systems grosee Anforderungen gestellte

Lie bisher vorgeschlagenen elektrischen llaehlaufschaltungen konnten jedoch diesen regelungs technischen Anforderungen nicht gereoht werden» Selbst aufwendige und komplizierte rückgekoppelte Verstärkerschaltungen, im Prinzip Differenzverstärker,- mit der DP 1 229 325 ist auch ein Magnetverstärker bekannt geworden - ergaben zu lange Nachlaufzeiten und wurden in den Crenz-"ber.iohen durch die inner"vorhandene Restwelligkeit der ankom- £i9η:.ori MeßBpannung übersteuert. Auch die Hochlauizeit des

Stellmotors, was inabesondere auf zu geringe Verstärkung der Sndstufe zurückzuführen ist, war nicht ausreichend. Andererseits erforderte die jjndstufe in vielen fällen hohe Dauer« ströme, was in einen Kraftfahrzeug wiederum nicht tragbar ist. Hinzu kam der die I/Iessgrösse verfälschende und zur Verbleicn3-stelle rückgefünrte Schleuderfehler des ütellmotors, insbeaondere beim Auftreten von MesswertSprüngen infolge des meist nicht ausreicixenden üinstelldrehmoinents, wobei die bciJ-euderneigung durch die ait dem Motor in iSingriff stehenden erscnütterungcerapfindlichen !.!aasen der Anzeige- und liegistriercr,~ane begünstigt wurde.

Die Genauigkeit der Anzeige war daher über den geforderten I.:e::cbereich. nicht konstant genug. Aucft die Anzeige selbst war in gewissen Bereichen insbesondere bei niedrigen Drenzahlen unruhig. Der wesentlichste Nachteil der bisher untersuchten liacnlauf systeme war jedoch der, dass durch ihre Störanfälligkeit die Reproduzierbarkeit eines gleicnbleibend stabilen Kegelvernaltens, wie sie für derartige in Großserie gefertigte Geräte gefordert werden muss, in Frage gestellt war_o

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es demnach, die vorstehend genannten L'ängel zu beseitigen, d.h. also, sunacuKt einen Mes3verstärker vorsusenen, der eint genau definierte Verstärkung, eine hohe Konstanz der Verstärkung und eine geringe Uullpunktstrift aufweist und der im Zusammenwirken mit einer geeigneten Endstufe und dem Stellmotor ein Lachlaufsy-Qtem bildet, dessen Begelverhalten nicht nur im Laborversuch die gestellten Bedingungen erfüllt, sondern audh in der Grosaserienfertigung reproduzierbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe sieht vor, dass als Verstärker ein Operationsverstärker Anwendung findet, dem eine den Stellmotor steuernde doppelte Gegentaktendstufe in Emiterschaltung zugeordnet ist.

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Im folgenden sei die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 ein Blockachaltbild eines elektriüchen Drehzahl- bzw. Geschwindigkeit smeSsysteins,

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgenässen Nachlaufschaltung.

wie das Llockschaltbild (Fig. 1) zeigt, ist einem uollwertge— ber 1, der beispielsweise am Getriebeausgang angeordnet ist und als Tachodynamo, vorzugsweise"aber als Impulsgeber aus- a gebildet sein kann, eine Formerstufe 2, die beispielsweise . ^ eine Frequenz—Spannungs-Umformung durchfüiirt, nachgeschaltet. Der von der Formerstufe 2 aufbereitete Messwert steht am eingang einer Nachlaufscnaltung 3 an, d.h. an deren Vergleichsstelle 4, zu der die AU3gangsgrbsse dee Verstärkers 5 und als Istwert die Stellung des Stellmotors 6 rückgeführt werden. Dabei stellt 7 die elektrische Rückkopplung des Verstärkers 5 dar, während 8 den Istwert des Stellmotors in eine elektrische Grosse umformt. Ein Schaltungsteil 9 stellt die Endstufe des Verstärkers-5 dar und bewirkt die Steuerung des Stellmotors 6, auf dessen Achse oder in einer geeigneten getsäeb— liehen Verbindung mit ihr sowohl ein Zahnrad 10 angeordnet ist, das mit dem Registrierschlitten 11. in Eingriff steht | und somit die Schreibeinrichtung 12 antreibt, als auch ein Zeiger 13, der über der Skala 14 spielt, befestigt ist«.

In dem in Fi; ur 2 dargestellten SchaltungsbeispiM. für das Nachlaufsystem 3 ist die VerGlelcnsstelle 4 in dem erfindungsgemäss vorgesehenen Operationsverstärker mit eingeschlossen. Definitiorisgeraäss Hesse sich selbstverständlich auch die ündstufe 9 zusammen mit der Vergleichsstelle 4 und dem eigentlichen Verstärker 5 als eine Einheit auffassen und als IvIe save rs türker ansprechen. Die gewählte End«

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stufe stellt jedocn. zusammen mit der »»aiii den Operationsverstärkers ein kennzeichnendes Merkmal der Erfindung dar dessen Funktion im folgenden noch näher erläutert wird. Der Operationsverstärker 5 selbst, der für die anwendung als Heehenverstärker in Analogrechnern geschaffen wurde, stellt einen Präzisionsverstarker dar, der den messteehnioenen ^nforderungen, auch des Fahrtschreibers, gerecht v.irdo ^r besteht im wesentlichen aus einen Gleichspannungs—Modulator-Verstärker und einem Y«echselspannungsver stärker, die geneinsam eine hohe, gcr.au definierte Verstärkung, Konstanz der Verstärkung und eine geringe Kullpunktdrifft garantieren und durch geeignete Rückkopplung relativ leicht das gewünschte Rerelvernalten zeigen.

Der Operationsverstärker, der in der Lescliriebenen weise eine handelsübliche und funktionsfertige Llnueic darstellt, weint 2 Eingänge Λ und B auf. An dem einer. Eingang A liegt über den Koppelwiderstand 15 die messwertproportionale Sollspannung an, den anderen Eingang B des Operationsverstärkers wird ebenfalls über einen Koppelwiderstand 16 die dem Anzeigewert proportionale Istspannung zugeführt. Die Istspannung wird in einem Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 17 und 1Θ, sowie dem Potentiometer 19 erzeugt, wobei anstelle des Potentiometers selbstverständlich, auch eine berünrungslos arbeitende ersatzschaltung treten kann. Die Verstellung dee LÜttelabgriffs 20 am Potentiometer 19 erfolgt über die mechanische Verbindung 21 durch den Stellmotor 6. Die Steuerung des Gleichatromstellmotors 6 auf Links- oder Rechtslauf wird durch die dem Ausgang C des Operationsverstärkers 5 nacngesciialtete doppelte Gegentuktendstufe gebildet aus den transistoren 22, 23 24 und 25 bewirkt. Durch die beiden Spannun_r 3teilorzweige, in denen die Ήid erstände 26, 27 und 28 einerseits und 29 und 30, sowie der Transistor 31 andererseits liegen, werden die Punkte D und D der Kndstufe auf der halben Batteriespannung gehalten, d.h., daijo im abgeglichenen Zustand der Stellmotor

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denmach stromlos ist und auch am Ausgang C des Operati ons ve ratärkers 1/2 IL, anliegt. Die beiden Dioden 32 und 33 kompensieren jeweils die Schwellwertspannung der Basis—ümiter-Dioden der Transistoren 22 und 23, sowie der Transistoren 24 und 25 und bewirken, dass der Totbereich dieser Transistoren aufgehoben wird, d.h.,dass selbst bei kleinstem Anstieg oder Abfall des Potentials am Ausgang C die Steuerung des Stellmotors 6 wirksam werden kann. Da der Operationsverstärker die verstärkte Llessgrösse lediglich an einem Ausgang zur Verfügung stellt, ist es in der Endstufe erforderlich, ein Komplimentärsignal zu dem am Ausgang 3edes Verstärkers entstehenden Signal su bilden. Dies wird durch die Umkehrstufe 34 erzielt. I Die Rückkopplung auf die beiden Eingänge A und B des Operationsverstärkers wird einerseits durch die Reihenschaltung des Tiiderotandes 35 mit dem Kondensator 36, andererseits des Widerstandes 37 mit den Kondensator 38 gebildet.

Bekanntlich lassen sich mit einer geeigneten Rückkopplung sämtliche Übertragungsverzerrungen und damit auch die Übertragungsfehler des gesamten Kachlaufsystems günstig beeinflussen. Die Rückkopplung ist also massgebend für die Güte der Regelung, d.h. die Zeit die erforderlich ist, bis die Regelabweichung ve rnachläefsigbar klein geworden ist. Da nun die am eingang A des Verstärkers anstehende Geberspannung durch

die Formerstufe niemals ganz geglättet werden kann und dem- " nach das Eingangssignal eine Restwelligkeit aufweist, die verstärkt auf den Stellmotor gelangen würde, muss durch die Rückkopplung versucht werden, diese Restvielligkeit zu dämpfen. Ein reines F-Verhalten der Rückkopplung würde bewirken, dass bei der erforderlichen, und durch den Operationsverstärker auch gegebenen hohen Verstärkung, der Verstärker unzulässig hoch ausgesteuert werden würde. Bei einem reinen D-Verhalten würde, da die Verstärkung mit wachsender Frequenz ansteigt, die Wel— ligkeit noch mehr verstärkt werden· Durch die gewählte Rückkopplung wird nun erreicht, dass dem Verstärker im wesentlichen

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ein integrierendem VeZ¹LaIten aufgezwungen wird, wobei durch entsprechende Idmeiisionierung gewährleistet sein muse, dass der Verstärkungsfaktor nicht zn stark absinkt. Die !.löslichkeit in einem v/eiten Bereich linear £:u integrieren, u.;.. eine echte Integration durcnzufuhren und 2;u3-taiich die für die geforderte Genauigkeit erforderliche hohe Verstärkung zu bieten, ist erfindungsgemäss durch die Wahl des Cperationsvursturkers realisierbar geworden» Besondere Beueuoung gewinnt in der Lierienferti_oung die aJigenschuft des Operationsverstärkers, dass das gewünschte He gel verhalt en lediglich durch aussereu Beschälten erzielt werden kann.

Un die Regelgenauigkeit des Verstärkers nicht durch eine ungenaue Rückführung des Istwertes zusätzlich zu belasten, ist es ausaerdem erforderlich, dem Operationsverstärker eine, der Genauigkeit des Verstärkers angepasste Endstufe nacnzuschalten, die bewirkt, dass auch bei kleinsten Änderungen der I.;ei,sgrÖ8se eine exakte llacnführung des Potentiometers erfolgte Lie Funktion der erfindungsgeinäsB den Verstärker zugeordneten endstufe ist kurz folgende»

Steigt beispielsweise das Potentional am Ausgang C des Verstärkers auf Grund,, einer liesswertdnderung an, in abgeglichenen Zustand ist das Potentional an diesea !unkt wie bereits beucnrie-P ben 1/2 U^, so wird der transistor 22 melir geöffnet und der Transistor 23 niehr gesperrt. Gleichzeitig wird die lotentialerhöhung am Ausgang C an der Basis des Transistors 31 wirksam. Dieser wird als NPli-Transistor mehr leitend, so dass das Potential an den Basen der Transistoren 24 und 25 absinkt. Dadurch wird der Transistor 24 mehr gesperrt und der Transistor 25 weiter geöffnet. Der in Stellmotor 6 wirksame üteuerutrorc fliesst über den Leitungsteil 39, den Transistor 22, den Uotor 6 und den Transistor 25, sowie über den Leitungsteil 40. Sinkt das Potential am Ausgang C ab, so wird sich ein bteuerstrom einstellen, der über den Transistor 24, den Llotor 6 und den Tran-

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Bistor 23 flieset, wodurch der Motor in eine andere Drehrichtung gesteuert wird.

Durch die bewegte Masse des Motors und der angetriebenen Anzeige- und Registrierorgane wird, insbesondere bei sehr schnellen Messwertänderungen, der vorgegebene Sollwert nie ganz erreicht werden, d.h. der Motor wird im allgemeinen mehr oder weniger überschleudern. Dieser Eigenschaft, die den gesamten Regelkreis unzulässig belastet, wirkt die Schaltungsanordnung der Endstufe entgegen. Die Transistoren Bind dabei als Emiterfolger angeordnet, d.h., dass sie nicht nur von ihren Ba- . sen aus sondern auch durch den Motor 6 steuerbar sind. Läuft -ä nun der Motor auf Grund seiner Trägheit über den.Sollwert hinaus, so wirkt er; als Generator und liefert eine Spannung, die der eben noch wirksamen Stellspannung entgegengericjtot ist. Dadurch werden die eben noch stromführenden Transistoren, beispielsweise 22 und 25, noch mehr gesperrt und die Transistoren 23 und 24 geöffnet, so dass ein Bremsstrom fliessen kann, der den Motor in die entgegengesetzte Richtung treiben möchte und somit ein Überschleudern verhindert.

Der technische Fortschritt der Erfindung liegt daher insbesondere in der Kombination des Operationsverstärkers mit der beschriebenen Endstufe die ein, für das gewählte Anwendungsbeiapi el erforderliches optimales Regelverhalten des gesamten I Nachlaufsystems gewährleistet. Das bedeutet, dass das günstige dynamische Regelverhalten des Operationsverstärkers, der als handelsüblicher Verstärker einerseits eine garantierte Qualität und durch Serienfertieung auch eine gleichbleibende Funktionakonstanz bietet, durch die angeschlossene Endstufe nicht^ wie das normalerweise bei HachlaufSystemen üblich ist, verschlechtert wird. Von besonderem Vorteil ist aber auch die Tatsache, dass durch einfaches von aussen durcnfiihrbares BeBChalten des als gekapselte Einheit verwendbaren Operationsverstärkers und durch den einfachen Aufbau der Endstufe, die für die Serienfer-

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tigung geforderte Reproduzierbarste ic des Re ge 1 ve mal te nu deo gesamten i<aclilauf3yste.ms gewährleistet ist.

Die gewühlte Endstufe bietet ausserdea den /orteil, duaü eic im abgeglichenen Zustand keinen Ütrom aufniant, die Batterie also nicht belastet, wie dies beispielsweise bei bpannungsteilern bekannter Nachlauf systeme zur bcaaffung, eines >ünü clichen, niederobigen Nullpunkts der x'all ist. .iuaseräea ernält der Llotor in beiden LaufVicntungen die volle Batteriespannung, was sicü besonders günstig auf die licciilaufzeit des Motors auswirkt»

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Claims

- 1:1 -

Patentansprüche

1 ,J !»achlauf system, insbesondere für Fahrtschreiber zum Messen,

ν. S -

Aufzeicnnen und Anzeigen von Drehzanlen bzw. Geschwindigkeiten bestehend aus einer Vergieicnsstelle, die die mess— wertproportionale Gleichspannung (Sollwert) mit einer rückgeführten dem Anzeigewert (Istwert) entsprechenden Gleichspannung vergleicht, ei'nem Verstärker, der durch geeignete Rückkopplung definierte ÜbertragungseigenBChaften für die ermittelte Differenzspannung zeigt und einer Steuerschaltung, die den die Regietrier- und Anzeigemittel betätigenden Stellmotor auf Links- oder Rechtslauf steuert, \ d a d u r c η g e It e η η ζ e i c h η e t , dass als Verstärker ein Operationsverstärker (5) .Anwendung, findet, den eine den Stellmotor (6) steuernde doppelte Gegentaktendstufe (22, 23, 24 und 25) in Emitterschaltung zugeordnet ist. .
2. Nachlaufsystem nacη Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Operationsverstärkers (5) mit einer aus zwei Spannungsteilern (26, 27_f 28 sowie 29» 30, 31) gebildeten Brückenachaltung verbunden ist und die Basen der den Stellmotor (6) steuernden Tranaistoren (22, 23,

24t 25) in der Diagonalen der Brückenscaaltung paarweise ή parallel angeordnet sind· ^/ ^
3. Nachlaufsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Zweig der Brückenschaltung parallel zu den Emiterstrecken der Transistoren (22, 23 sowie 24, 25) eine Diode (32 bzw. 33) angeordnet ist.
4. Nachlaufsystem nach Anspruch 1 - 3» dadurch gekennzeich-

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net, dass in dem einen Brüc-renzweig (29, 30, 31) ein durch das Ausgangspotential des Operationsverstärkers (5) steuerbares Element (31) angeordnet ist.

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