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Anordnung zur Messung einer Verschiebung eines sich bewegenden Gegenstandes
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung einer Verschiebung
eines sich-bewegenden Gegenstandes oder Körpers, und insbesondere auf eine Anordnung
zur Messung einer derartigen Verschiebung durch Erfassung elektrischer Impulse,
die übereinstimmend mit der Verschiebung des Gegenstandes erzeugt sind, wobei die
erfaßten Impulse durch andere Impulse interpoliert werden, um eine sehr genaue digitale
Messung der Verschiebung durchzuführen.
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Bei einer Brennkraftmaschine ist es wichtig, die Winkelstellung der
Kurbelwelle genau zu messen, um die Zündperioden zu bestimmen.
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Wenn in diesem Fall eine einzige Zündung nicht genau eintritt, dann
nimmt die Konzentration von Stickstoffoxid im Abgas um etwa 100 ppm zu. Gewöhnlich
wird die Winkelstellung der Kurbelwelle durch eine mechanische Einrichtung, wie
beispielsweise eine Nocke, bestimmt.
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In einem derartigen Fall bestehen jedoch Probleme hinsichtlich der
Genauigkeit und der Lebensdauer der Einrichtung; deshalb liegt ein großer Bedarf
für eine elektrische kontaktlose Meßanordnung vor, um diese Probleme zu lösen. Für
die kontaktlose Messung können magnetische oder fotoelektrische Fühler verwendet
werden, aber es ist mit diesen Fühlern schwierig, die Abtastfrequenz zu erhöhen,
wobei die Grenze der Abtastgenauigkeit einige wenige Grade in Winkeln der Drehung
beträgt.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß sie durch ein Feinsignal
(genaues Signal) aus einer vorbestimmten Anzahl von Impulsen ein Grobsignal (Abtastsignal)
aus Impulsen interpoliert, die immer dann erzeugt werden, wenn sich der sich bewegende
Körper um einen vorbestimmten Betrag verschiebt. Die Interpolationsimpulse oder
das Feinsignal dienen zur Vergrößerung der Genauigkeit bei der Messung.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung,
Fig. 2 Signalverläufe, die an verschiedenen Punkten der
in der Fig. 1 gezeigten Schaltung auftreten, Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zweiten
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und Fig. 4 ein Blockschaltbild
eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Für die Fig. 1, die in einem Blockschaltbild eine Anordnung zur Messung
der Mittelstellung zeigt, sollen zunächst die einzelnen Bauteile mit den Bezugszeichen
näher erläutert. werden: RG ist ein Zahnrad zur Erzeugung eines Signals für die
Winkelstellungen (Grobsignal), das direkt oder über eine Antriebseinrichtung mit
der Kurbelwelle verbunden und auf seinem Umfang mit gleich beabstandeten Zähnen
versehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Zahnkranz des Anlaßmotors
der Maschine verwendet, der 120 Zähne aufweist.
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PU ist ein Winkelsignal-Meßwertgeber zur Erfassung der Weiterbewegung
der Zähne des Zahnrades, um die Impulse des Grobsignals zu erzeugen. Bei diesem
Ausführungsbeispiel wird ein magnetischer Meßwertgeber verwendet. Bei einer Maschine
mit sechs oder vier Zylindern wird eine Impulsfolge einer Frequenz von 16 kHz vom
Meßwertgeber bei der maximalen Drehzahl von 8000 U/min erhalten.
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FF ist ein durch das Grobsignal vom Winkelsignal-Meßwertgeber PU
angesteuertes Flipflop.
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OSC ist ein Oszillator mit einer Schwingfrequenz, die mindestens
das Zehnfache bis mehrmals das Zehnfache der maximalen Frequenz des Feinsignales
(Interpolationsimpulse) beträgt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Schwingfrequenz 15 MHz,
d. h. ungefähr das 1000fache der maximalen Frequenz des Grobsignals.
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C1 ist ein n-Ringzähler, der ein Ausgangssignal bei allen n Perioden
der Schwingung des Oszillators OSC erzeugt (wenn das Grobsignal durch n Impulse
interpoliert wird, ist n eine ganze Zahl).
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C - ist ein Zähler, der die Anzahl der vom n-Ringzähler C1 er-2 zeugten
Ausgangsimpulse zählt.
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C3 ist ein voreinstellbarer oder Vorwahlzähler, der entsprechend
einem Lastsignal zum Aufwärtszählen parallele Eingangssignale empfängt. Bei diesem
Ausführungsbeispiel haben die Zähler C1 C2 und C3 5, 11 bzw. 11 Bits.
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L ist ein Verriegelungsglied, das den Inhalt des Zählers C; in einen
Q-Ausgang überträgt und sperrt, wenn ein Verriegelungssignal empfangen wird.
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G1 ist ein erstes UND-Glied, das das A.usgangssignai des Flipflops
FF
und den Verriegelungsbefehl sperrt. Das Ausgangssignal des UND-Gliedes G1 löscht
die Zähler C 1 und C2.
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G2 ist ein zweites UND-Glied, das den Ausgang des Flipflops FF und
den Ausgang des Meßwertgebers PU sperrt und ein Verriegelungssignal erzeugt.
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Im folgenden wird der Betrieb der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung
näher anhand der Fig. 2 beschrieben. In der Fig. 2 bedeuten der Signalverlauf (a)
das vom Meßwertgeber PU erzeugte Impulssignal, der Signalverlauf (b) das A.usgangssignal
des Flipflops FF, der Signalverlauf (c) das Ausgangssignal des Oszillators OSC,
der Signalverlauf (d) das Ausgangssignal des n-Ringzählers C1, der Signalverlauf
(e) das Ausgangssignal des UND-Gliedes G2 (Verriegelungsbefehl des Verriegelungsgliedes
L), der Signalverlauf (f) das Ausgangssignal des UND-Gliedes G1 (das Signal zur
Löschung der Zähler C1 und C ) und der Signalverlauf (g) das Ausgangssignal des
Zäh-2 lers C3 (Interpolationsimpulse, auch um die Aufladung des Q -Ausganges des
Verriegelungsgliedes L zu befehlen).
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Zunächst betätigt das A.usgangssignal (a) des Meßwertgebers PU das
Flipflop FF, um das Ausgangssignal (b) zu erzeugen. Das Ausgangssignal (b) bewirkt,
daß die Gatter oder Tore der Zähler C1 und C2 öffnen; während die Gatter geöffnet
sind, wird das Ausgangs signal (c) des Oszillators OSC gezählt. Da der Zähler C1
ein n-Ring zähler ist, erzeugt er einen einzigen Impuls, wenn er n Impulse des Ausgangssignales
(c) empfangen hat. Die vom Zähler C1 erzeugten
Impulse werden durch
den Zähler C2 ihrerseits gezählt. Wenn das Ausgangssignal (b) des Flipflops FF auf
ein Nullpegel abfällt, hören die Zähler C1 und C2 zu zählen auf. Gleichzeitig dient
das Ausgangssignal (e) des UND-Gliedes G2 als Verriegelungsbefehl (Sperren) zum
Verriegelungsglied L, so daß der Inhalt des Zählers C2 zum Q-Eingang des Verriegelungsgliedes
L übertragen wird. Nach der Verriegelung werden die Zähler C1 und C2 durch das Ausgangssignal
(f) des Gliedes G1 gelöscht. Der Zähler C3 zählt das Ausgangssignal (c) des Oszillators
OSC, und der Zähler C3 erzeugt ein Übertrag-Ausgangssignal (e), wenn er voll ist.
Da das Ausgangssignal (g) die Belastung befiehlt, wird das Q-Ausgangssignal des
Verriegelungsgliedes L zum Zähler C3 übertragen, und nach der Übertragung beginnt
der Zähler C3 mit dem Aufwärts zählen. Danach werden die oben beschriebenen Betriebsabläufe
wiederholt.
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Im folgenden zord näher erläutert, wie das Ausgangssignal (a) des
Meßwertgebers PU durch n gleich beabstandete Impulse des Feinsignales interpoliert
werden kann.
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Wenn die Schwingfrequenz des Oszillators OSC f0 und die Wiederholfrequenz
der vom Meßwertgeber PU erzeugten Impulse fin betragen, dann bildet das Ausgangssignal
(b) des Flipflops FF ein Rechtecksignal mit einer Periode 2T, wobei gilt T = 1/f.
. Während der Zeit T m zählen die Zähler C1 und C2. Der Zähler C1 zählt das Ausgangssignal
(c) des Oszillators OSC, das bis zu N12 =f0T- (1) f.
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beträgt. Deshalb beträgt der Inhalt N2 des n-Ringzählers
C2: N2 = N12/n = f0/n . fin (2) Der Inhalt N2 des Zählers C2 wird dann zum Verriegelungsglied
L und schließlich zum voreinstellbaren oder Vorwahlzähler C übertragen. In diesem
Fall empfängt der voreinstellbare oder Vorwahlzähler C3 das umgekehrte oder invertierte
Eingangssignal des Verriegelungsgliedes L, um aufwärts zu zählen, und der Zähler
C3 wird abhängig von seinem eigenen Übertrag-Ausgangssignal mit neuen Daten gespeist.
Die gleiche Operation kann durch Vorwahl des nicht invertierten Ausgangssignales
des Verriegelungsgliedes L in den' Zähler C3 zum Abwärtszählen und durch Vorwahlspeisung
des Zählers C3 mit dem Entnahme-Ausgangssignal durchgeführt werden. Demgemäß ist
das Ausgangssignal (e) des Zählers C3 eine Folge von Impulsen, deren jeder immer
dann auftritt, wenn N2 Impulse des Oszillator-Ausgangssignales (c) gezählt wurden,
und die Wiederholfrequenz i t der Impulse des Ausgangssignales (c) beträgt: fout
= f0/N2 = f0/(f0/n . fin) = n . fin (3).
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Auf diese Weise wird ein Ausgangssignal mit einer n-fachen Frequenz
der Wiederholfrequenz der Impulse des Grobsignales erhalten, und die Interpolation
mit den gleich beabstandeten Impulsen ist durchgeführt.
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Im folgenden wird näher erläutert, wie der Inhalt oder die Kapazitäten
der
Zähler C2 und C3 und des Verriegelungsgliedes L verringert und Zählfehler ausgeschlossen
werden können, wozu auf das in der Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel verwiesen
wird. Bei der in der Fig. 1 dargestellten und oben beschriebenen Anordnung sind
mehr Stufen an Zählern C2 und C3 und einem Verriegelungsglied L erforderlich, wenn
sich die Drehzahl in einem beträchtlich weiten Bereich verändert, und darüber hinaus
werden Plus- oder Minus-Zählfehler bewirkt, wenn das Ausgangssignal des Oszillators
OSC nicht synchron mit dem Bezugspunkt, beispielsweise dem Anstiegspunkt, jedes
Impulses des Grobsignales ist. Das in der Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel weist
nicht diese Nachteile auf. In der Fig. 3 werden sich entsprechende Teile mit den
gleichen Bezugszeichen versehen wîe in der Fig. 1. Zusätzlich sind folgende Bauteile
vorhanden: OSC ist ein Oszillator mit einer Schwingfrequenz, die das Zehnfache bis
mehrmals das Zehnfache der maximalen Wiederholfrequenz der Impulse des Feinsignales
beträgt, wobei der Oszillator mit dem Eingangssignal am Synchronisiereingang SYNC
mit dem Eingangssignal synchronisierbar ist.
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FF1 ist ein erstes Flipflop, das durch das Ausgangssignal des Meßwertgebers
PU angesteuert ist.
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FF2 ist ein zweites Flipflop, das durch das Ausgangssignal des Oszillators
OSC angesteuert ist.
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S ist ein Logik-Glied, das als Schalt-Bauelement wirkt, um zwischen
den beiden Gliedern S1 und 2 umzuschalten.
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Die Merkmale dieser Schaltung sind, verglichen mit der in der Fig.
1 gezeigten Anordnung, die folgenden: Der Oszillator OSC ist synchron und kann synchron
mit dem Ausgangssignal des Meßwertgebers PU betrieben werden. Das Flipflop FF2 und
das Schalt-Bauelement 9 sind zwischen dem Ausgang des Oszillators OSC und den Zählern
C1 und C3 vorgesehen, und das Schalt-Bauelement wird durch das Ausgangssignal des
Verriegelungsgliedes L betätigt, so daß das Ausgangssignal des Oszillators OSC direkt
oder nach der Halbierung seiner Frequenz durch das Flipflop FF2 übertragen wird.
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Der Zähler Cz ist so ausgelegt, daß er zu zählen aufhört, sobald ein
Übertrag-Ausgangs signal erzeugt wurde, damit ein Über zählen des Zählers C2 verhindert
wird.
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Wenn bei der in der Fig. 3 gezeigten Schaltung das oberste Bit des
Inhalts des Zählers C2 s ist, dann ist das unterste Bit des Q-Ausgangssignales des
Verriegelungsgliedes L ot. In diesem Zustand werden der Schalter S1 und dann der
Schalter 2 auf die Seite des Flipflops FF2 gedreht. Folglich beträgt die verfügbare
Frequenz jedes Ausgangssignales des Schalters S die Hälfte der Frequenz des Ausgangssignales
des Oszillators OSC. Wenn andererseits zwei oberste Ziffern oder Bits des Inhalts
des Zählers C2 "0" und "0" sind, dann sind die Schalter S1 und S2 auf die Seite
des Oszillators OSC gedreht. Folglich ist die Frequenz bei jedem Ausgang des Schalters
S gleich zur Frequenz des Ausgangssignales des Oszillators OSC. Auf
diese
Weise kann die scheinbare Frequenz des Oszillators OSC verändert werden, so daß
die oben beschriebene Interpolation für ein Eingangssignal durchgeführt werden kann,
dessen Frequenz sich über einen weiten Bereich verändert, ohne daß die Anzahl der
Stufen der Zähler C2 und C3 und des Verriegelungsgliedes L zunimmt.
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Der Grund dafür, daß der Schalter S in die beiden Schalter und S2
unterteilt ist, wird im folgenden näher erläutert: Die Umschaltung des Schalters
S1 erfolgt am Zählstartpunkt, gerade nach dem der Inhalt des Verriegelungsgliedes
bestimmt wurde, und ein Ausgangssignal wird entsprechend zum Inhalt des vor der
Umschaltung des Schalters S1 eingestellten Verriegelungsgliedes erzeugt.
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Deshalb muß der Schalter S2 unverändert beibehalten werden. Der Schalter
S2 wird umgeschaltet, nachdem das Zählen mit der neuen Frequenz, die als Ergebnis
des Schalters S1 ausgewählt und umgeschaltet ist durchgeführt wurde. Weiterhin wird
die Schwingung des Oszillators OSC mit dem Ausgangs signal des Meßwertgebers PU
synchronisiert, so daß ein Plus- oder Minus-Zählfehler ebenfalls verhindert werden
kann.
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In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
dargstellt, das zur Messung von Winkelstellungen bestimmt ist, die um 90° voneinander
entfernt sind. Ein ein Winkelsignal erzeugendes Zahnrad und ein Meßwertgeber sind
jeweils mit RG1 und Pul bezeichnet. Ein Frequenzvervielfacher FM dient zur Multiplikation
der Frequenz des Ausgangssignales des Meßwertgebers PU mit einem Faktor n. Ein Zähler
C3 zählt die Ausgangsimpulse des Frequenzvervielfachers
FM. Ein
Zähler C4 zählt die Ausgangsimpulse des Meßwertgebers PU direkt. Weiterhin sind
bei diesem. Ausführungsbeispiel ein Zahnrad RG2 zur Erzeugung eines Signales für
die Bezugswinkelstellung und ein Meßwertgeber PU2 zur Erfassung des Bezugssignales
vorgesehen.
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Bei dieser Schaltungsanordnung werden die Ausgangsimpulse des Meßwertgebers
PU1 durch den Zähler C4 gezählt, während das Aus gangssignal, dessen Frequenz mit
einem Faktor n multipliziert ist, durch den Zähler C3 gezählt wird. Die Zähloperationen
der Zähler C3 und C4 sind als Einstellsignale (ENABLE-Signale) vom Meßwertgeber
PU2 dargestellt. Der Zähler C3 wird durch die Flanke des Aus gangssignales des Meßwertgebers
PU1 gelöscht, so daß das Zählen des Zählers C3 abhängig von der Flanke des Ausgangssignales
des Meßwertgebers PU1 wieder erneuert wird. Deshalb kann eine Ansammlung der Fehler
im Frequenzvervielfacher FM verhindert werden Die Zähler C3 und C4 fahren in ihrem
Betrieb fort, während das Ausgangssignal des Meßwertgebers PU2 weiterhin vorliegt,
d. h. das Zahnrad RG2 dreht sich um einen Winkel von 900, und danach werden die
Zähler gelöscht.
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Auf diese Weise kann eine Winkelsignulinformation erhalten werden,
die den Inhalt des Zählers C2 als oberstes Bit und den Inhalt des Zählers C3 als
unteres Bit hat.
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Wie oben erläutert wurde, kann mit der Erfindung das vom Meßwertgeber
in Übereinstimmung mit der Winkelstellung erhaltene Signal mit einer vorbestimmten
Anzahl von Impulsen interpoliert werden, um die Genauigkeit bei der Messung zu verbessern,
und darüber hinaus arbeitet die Schaltungsanordnung digital. Sie ist deshalb kaum
durch eine Temperaturveränderung oder dergleichen beeinflußbar, so daß sie - vorzugsweise
als Winkelstellungsfühler in einer Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine verwendbar
ist.