DE2353039A1

DE2353039A1 - Messanordnung fuer die winkelstellung eines magnetfeldes

Info

Publication number: DE2353039A1
Application number: DE19732353039
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Ing Rogge
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1973-10-23
Filing date: 1973-10-23
Publication date: 1975-04-30
Also published as: DE2353039C2

Description

E L DIX Gib H
69Ό0. Heidelberg
Grenzhöfer Weg 36

Heidelberg, den 22. Okt. Ί975 G/Pt-Seh/Pr E-3Ö5

Meßanordnung für die Winkelstellung eines Magnetfeldes

Die Erfindung beti*if f t eine Meßanordnung für die Winkel- " stellung eines Magnetfeldes, enthaltend einen Meßgeber, welcher insbesondere als Erdfeldsonde ausgebildet ist und dessen Ausgangssignale zumindest Anteile aufvjeisen, deren Amplituden, sich mit dem Sinus bzw. Kosinus des Stellung swinkeIs ändern, und vorzugsweise zwei RO-Brückenschaltuitgen zur Bildung von gegensinnig phasenbeweglichen Signalen sowie eine AusWertesciialirung, iü welcher nach Frequenzteilung der Signale aus deren Phasenwinkel der Stellungswinkel bestimmt wird.

Stand der Technik

Eine derartige Meßanordnung ist aus der deutschen Patentschrift 1 5^8 854· bekannt, wobei beispielsweise die Winkelstellung eines durch die Primärwicklung eines Dx'ehmeldegebers erzeugten magnetischen Wechselfeldes gemessen

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werden kann. Dabei v/erden aus den Wechselspannungen der dreiphasigen Sekundärwicklung mittels eines Transformators in Scott-Schaltung Wechselspannung erzeugt, deren Amplituden sich mit dem Sinus bzw. Kosinus des Stellungswinkels sich ändern. Mit Hilfe von zwei nachgeschalteten RC-Brückenschaltungen werden daraus zwei gegensinnig phasenverschobene Wechselspannungen mit im wesentlichen konstanter Amplitude abgeleitet, wobei die Phasenverschiebung ein Maß für die Winkelstellung darstellt. Da über einen gesamten Drehwinkel der Primärwicklung, von 360° jede der Brücken die Phase um 360° dreht, ergibt sich eine maximale Phasenverschiebung von 720 , d.h. die Anordnung ist doppeldeutig. In der nachgeschalteten Auswerteschaltung wird durch Frequenzhalbierung der phasenverschobenen. Wechselspannimgen vorzugsweise mittels bistabilen Kippstufen sowie einer Koppelschaltung,mittels welcher die genannten Kippstufen in eine definierte Lage zueinander gezwungen werden, die Doppeldeutigkeit beseitigt. Durch, von außen eingestreute Störsignale oder beispielsweise durch-Temperaturänderungen der genannten Brücken nachgeschalteten Rechteckformern können jedoch erhebliche Heßfehler auftreten.

Zur Messung des Erdmagnetfeldes sind weiterhin sogenannte Erdfeldsonden bekannt, Vielehe auf einem Ringkern eine von einer Wechselspannung gespeiste Primärwicklung enthalten. Der Ringkern trägt außerdem vier um den Umfang gleichmäßig verteilte Sekundärwicklungen, wobei die jeweils diametral gegenüberliegenden hintereinander geschaltet sind. In den horizontal angeordneten Ringkern, welcher bevorzugt aus einem Material mit in einem Bereich weitgehend linear verlaufender Magnetisierungskennlinie sowie starker Sättigung;; charakteristik besteht_v überlagern sich somit der Fluß 'des Erdmagnetfeldes und der Wechselfluß der Primärwicklung. Die Ausgangssignale der beiden Sekundärwicklungsgruppen enthalten außer der Grunds chw ir; gung, welche die gleiche Frequenz wie die Speisespannung aufweist, erhebliche Anteile von harmonischen Schwingungen höherer Ordnung, wobei die Amplituden der zweiten harmonischen Schwingung mit

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dem Sinus bzw. Kosinus des Stellungswinkels sich ändern. Eine direkteWeiterverarbeitung der Ausgangssignale der , Erdfeldsonde mittels" der o. a. RC-Brückehschaltungen sowie der Auswerteschaltung ist jedoch nicht möglich, da den zweiten harmonischen Schwingungen, deren Affiplitudenverhältnis ein Haß für den Stellungswinkel darstelltV die übrigen Schwingungen der Ausgangssignale sozusagen als Störsignale überlagert sind. - -

Aufgabe und Lösung . .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Meßanordnung für die Winkelstellung eines Magnetfeldes die genannten Nachteile mit einfachen Mitteln zu-vermeiden. Es soll außerdem erreicht werden, daß diese Meßanordnung ohne wesentlichen Inderungen zur.Messung der Winkelstellung des Erdisagnetfeldes einsetzbar ist. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des"ersten Pätentanspruehes gelöst.

Vorteile und Weiterbildungen ' .

Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung eines Filters sovrie einer Schaltvorriehtung v;ird erreicht, daß keine Störsignäle zu der Auswerteschaltung gelangen. Es hat sich hinsichtlich des Aufwandes und der Heßgenauigkeit als sehr· vorteilhaft erwiesen,/daß an die Ausgestaltung des Filters keine.hohen Ansprüche gestellt werden müssen, da dessen mögliche Riasen- oder;Amplitudenfehler bei beiden Signal-■gruppen in gleicher Weise in Erscheinung treten und somit auf das Meßergebnis keinen Einfluß haben. Das gleiche gilt für den nachgeschalteten Rechteckformea?,-so daß bei Herstellung kein aufviendiger Abgleich nötig ist. Der elektronische Aufv;and der digital arbeitenden Auswert^s^haltung ist gering. ' .. -- ;

Eine bevorzugte Weiterbildung vjird gemäß des vierten Patentanspruches geschaffen* Mittels des in der. Axiswerte-SClIaItUiIg₁ enthaltenen Zeitgliedes wird gewährleistet, daß Einseheingvorgänge in deia Filter« weiche durch Umschalten

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vom ersten phasenbewegliclien Signal auf das zweite phasenbewegliche Signal eintreten, abgeklungen sind, wenn die Messung des Phasenwinkels zwischen den genannten Signalen durchgeführt wird. Eine sehr vorteilhafte Ausbildung des Zeitgliedes wird mittels einer zweiten. Zähleinrichtung geschaffen, welche gemäß des fünften Patentanspruches der ersten Zähleinrichtung (Winkelzähler) nachgeschaltet ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigt

Pig. 1 - ein Prinzipschaltbild mit einer den RC-Brücken nachgeschalteten Schaltvorrichtung sowie einem Filter.

In Fig. Λ ist ein Meßgeber 1 dargestellt, an dessen Ausgänge 2, 3 Signale anstehen, die zumindest Anteile aufweisen, deren Amplituden sich mit dem Kosinus bzw. Sinus der Winkelstellung θ eines Magnetfeldes in Richtung des Pfeiles H sich ändern. Ist der Heßgeber beispielsweise als Resolver ausgebildet, dessen Sekundärwickltingen 4-, 5 räumlich senkrecht zueinander angeordnet sind, so wird durch die an der Primärwicklung (nicht dargestellt) liegende Eingangs-Wechselspannung mit der frequenz £* ein magnetisches Wechselfeld in Richtung des Pfeiles H erzeugt. Ist der Meßgeber hingegen als Erdfeldsonde ausgebildet, so sei durch die Richtung dos Pfeiles H das Erdmagnetfeld angedeutet und mit 4- bzw. 5 die jeweils hintereinander geschalteten, diametral auf einem Ringkern gegenüberliegenden Sekuruiämficklungen. Die Spannungen

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an den Ausgängen 2, 3 der Erdfeldsonde setzen sich zusammen aus der durch Unsymmetrien "bedingten Grundwelle, welche die gleiche Frequenz f^ aufweist wie die Eingangswechselspannung an der ringförmigen Primärwicklung, sowie ihrer zweiten harmonischen Schwingung und aus Oberwellen höherer Ordnung. Die Amplituden der zweiten harmonischen Schwingung ändern sich mit dem Kosinus bzw. Sinus der Winkelstellung zur Erdfeldrichtung. Die Ausgänge 2, 3 sind mit zwei gegensinnig drehenden RG-Brückeii 6, 7 verbunden, wobei für die ohmschen bzw. kapazitiven Widerstände die Bedingung R = 1/4Tf f^ C gilt. Bei dieser Dimensionierung wird die zweite harmonische Schwingung derart gedreht, daß zwischen dem Phasenwinkel Qd , der an den Brückenausgängen 8, 9 anstehenden phasenbeweglichen Signalen XL· und Up und der Winkelstellung θ die; Beziehung besteht: θ = 2 ο£ + 90°. Die genannten Ausgänge 8, 9 werden wahlweise mittels Schaltvorrichtung IO über eine Entkoppeliuigsstufe 11 auf ein !filter 12 gegeben, \tfelches vorzugsweise als aktives Filter ausgebildet ist. Dieses Filter 12 läßt lediglich die zweite harmonische Schwingung durch, so daß sämtliche Störsignale (s.B. ; Grundwelle, Ob er schwingungen, Streuspannuiigen) nicht zur Auswerteschaltung gelangen und das Meßergebnis nicht verfälschen können. Dem Filter 12 ist ein Rechteckformer 13 naehgeschaltet, beispielsweise ein Schmitt-Trigger, zur Erzeugung einer Rechteckspannung, die phasengleieh zu dem jeweils eingeschalteten Brückenausgangssignal ist.

Abgesehen von einer guten Selektivwirkung für die zweite Harmonische (oder z.B. Grundwelle bei einem Resolver als Meßgeber) werden an das Filter 12 keine besonderen An- . forderungen gestellt. Bs sei darauf hingewiesen, daß anstelle der gezeigten Sehaltvorrichtung 10 an den Ausgängen 2, 3 eine Umschaltvorrichtung vorgesehen werden kann, so daß nur eine RC-3rücke erforderlich ist. Der Rechteck-

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former 13 ist über ein Gatter 16 mit einer bistabilen Kippstufe 18 verbunden. An dem genannten Gatter 16 liegt außerdem der Ausgang einer bistabilen Kippstufe 15i welche durch die Kippstufe 18 bzw. durch ein Auslösesignal an der Klemme 14 ansteuerbar ist.

Die Kippstufe 18 ist zum einen mit der Schaltvorrichtung 10 und zum anderen über ein Gatter 20 mit einer Zähleinrichtung 23 (Winkelzähler ) verbunden, über das Gatter 20 werden je nach Stellung der Kippstufe 18 die Impulse des Taktgenerators 21 zur Zähleinrichtung durchgelassen bzw. gesperrt. Die Kapazität des WinkelZählers 23 ist derart gewählt, daß er durch den-Taktgenerator für einen Stellungswinkel 0 = 560° gerade einmal durchgezählt wird. Es ist eine.weitere Zähleinrichtung 25 (Perioden-Zähler) nachgeschaltet, welche,wie weiter unten noch beschrieben wird, als Zeitglied arbeitet und sicherstellen soll, daß Einschwingvorgänge, die bei Umschalten der Schaltvorrichtung 10 im Filter 12 auftreten, das Meßergebnis nicht verfälschen.

Der Ausgang des Rechteckformers 13 ist auf den gemeinsamen auslösenden Eingang einer weiteren bistabilen Kippstufe 2? geführt, welche somit als Frequenzteiler für die anliegenden Signale wirksam ist. Die Set- bzw. Heset-Eingänge der genannten Kippstufe sind mit einer Koppelschaltung 29 verbunden. Diese Koppelschaltung verknüpft mittels hier nicht näher beschriebenen Gattern die Eingangs spannung (bei Erdfoldsonde eine Spannung mit doppelter Frequenz, da die zweite harmonische Schwingung ausgewertet wird) mit den Ausgängen der vorletzten bzw. letzten bistabilen Kippstufe des Winkelzäh3ers 23· Anstelle der letztgenannten bistabilen Kippstufe könnte auch eine als Frequenzteiler geschaltete Kippstufe zwischen Eechteckforiner 13 und Gatter 16 vorgesehen sein,

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um die Kippstufe 27 in eine definierte Lage zu bringen.

Zur Erläuterung.der--Funktionsweise sei ausgegangen von einer Erdfeldsonde -als Meßgeber und von bistabilen Kippstuf en, die durch die Rückflanke eines Eingangssignales gekippt-werden und dann am entsprechenden Ausgang ein logisches 1-Signal einnehmen. Die Gatter seien, wiedargestellt, als NAHD-Gatter ausgebildet. Je nach Stellung der Schaltvorrichtung 10 stehen am Ausgang desRechteckformers I3 in der Phase- verschobene Rechteckspannungen an, wobei die Phasenverschiebung ein Haß für den Stellungswinkel θ darstellt. Zu Beginn der Messung sei die Schaltvorrichtung; in der dargestellten Ruhestellung und das Gatter 16 gesperrt. Mit einem Signal an der Klemme 14·, welches beispielsweise durch einen Weggeber :eines Fahrzeuges erzeugt wird, wird, die Messung eingeleitet-. Kit diesem Signal worden die Zähler 23, 25 resetiert und über die Kippstufe 15 das Gatter 16_? welches vorher gesperrt war (O-Signal am Eingang), vorbereitet. Die-'Rückflanke-des nächstfolgenden Rechtecksignales.vom Rechteckformer 15 schaltet dann über das Gatter 16 die Kippstufe 18. Mit dem am oberen Ausgang der Kippstufe 18 ans teilenden Startsignal (logisch 1) wird das"Gatter 20 geöffnet und die l'akt impulse des Generators 21 -gelangen in den Winkelzähler 23. Da gleichseitig der untere Ausgang dex* Kippstufe 18 gekippt x^ird (logische 0), wird über die Kippstufe das Gatter 16 gesperrt. Aufgrund der gewählten Dimensionierung des. Vfinkelzählers-23» der in bekannter "Weise aus Kippstufen aufgebaut sei, erscheinen am Ausgang dessen vorletzter Kippstufe Signale von der gleichen Frequenz sowie im wesentlichen gleicher Phasenlage bezüglich den aus den Signalen IL abgeleiteten Rechtecksignaleii und- am Ausgang der letzten Kippstufe entsprechende Signale mit halber Frequenz. Die beiden letztgenannten Signale könnten im Prinzip auch direkt durch eine l^?requ.enzteiler— schaltung lauter dem. Eec.b-teckfor.niGr 13 gewonnen werden. ".

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Da die beiden KG—Brücken bei einer Winkeldrehung θ von 560° eine relative Phasenverschiebung der Signale TL·' und Uo von 720° bewirken, wird mittels der Koppelschaltung 29 die Kippstufe 27 in eine zum Signal U^ definierte Lage gezwungen und somit die ,Doppeldeutigkeit beseitigt. Diese Kopp el schaltung enthält vorzugsx^eise zwei NAliD-Gatter (nicht dargestellt), die jeweils mit dem Ausgang der letzten und vorletzten Kippstufe des Winkelzählers verbunden sind. Auf die genannten HAND-Gatter gelangen weiterhin Impulse, abgeleitet aus der Yorder- bzw» Rückflanke eines aus der Speisespannung abgeleiteten Signal^es mit doppelter Frequenz (da die zweite harmonische Schwingung ausgewertet wird) sowie einer gewissen Phasenverschiebung (wegen der Phasendrehung der Erdfeldsonde).

Mittels des o.a. Startsignales wird außerdem die Schaltvorrichtimg 10 betätigt, so daß die gegenüber den Signalen IL der SC-Brücke 7 phasenverschobenen Signale TJp der RC-Brücke 6 über die Entkoppelungsstufe 10 zu dem Filter 12 gelangen, welches nur die zweite harmonische Schwingung hindurchläßt. Die Kapazität des Periodenzählers 25» welcher lediglich als Zeitglied dient, ist derart bemessen, daß erst nach Abklingen, der durch das Umschalten liervorgerufenen Einschwingvorgäiige ein Stopslgnal für den Winkelzähler auftreten kann« 1st der Periodenzähler 25 nach mehrfachem Durchzählen des ¥inkelZählers 23 durchgezählt _t so wird durch das Ausgangs signal (logische 1) des Periodensählers das Gatter 28 vorbereitet» Die Bückflanke der durch die Koppel schaltung 29 richtig gesetzten Kippstufe 27 kippt über das Gatter 28 die Kippstufe 18₁ an deren oberen Ausgang das Stopsignal (logische O) auftritt. Damit wird das Gatter JSO gesperrt und der Zählerstand des Winkelzählers entspricht dem zu messenden Stellungswinkel«

-> Patentansprüche -

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Claims

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Patentansprüche ·

Meßanordnung- für die Winkelstellung eines Magnetfeldes, enthaltend einen Meßgeber, welcher insbesondere als Erdfeldsonde ausgebildet ist und dessen Ausgangssignale zumindest Anteile aufweisen, deren Amplituden sich mit dem Sinus bzw. Kosinus des Stellungswinkels ändern, und vorzugsweise-" zwei HC-Brückenschaltungen zur Bildung von gegensinnig phasenbeweglichen Signalen sowie eine Auswerteschaltung, in welcher nach Frequenzteilung der Signale,aus deren Phasenwinkel der Stellungswinkel bestimmt wird, dadurch-..gekennzeichnet, d-aß vor der Auswerteschaltung ein Filter für Störsignale vorgesehen ist und daß weiterhin eine Schaltvorrichtung vorgesehen ist zum vmhiweisen Leiten eines der phasenbeweglichen Signale auf das genannte Filter.

Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung zwischen den genannten ßC-Brücken und dem Filter angeordnet ist.

Meßanordnung nach Anspruch Λ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise mittels einer in der Auswerteschaltung enthaltenen Kippstufe Signale zum Betätigen der Schaltvorrichtung erzeugbar sind.

Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus dem ersten phasenbeweglichen Signal ein Startsignal und aus dem zweiten phasenbeweglichen Signal ein Stopsignal, insbesondere für eine Zähleinrichtung abgeleitet wird,.-dadurch, gekennzeichnet, daß ein Zeitglied vorgesehen ist, welches das Stopsignal um ein geradzahliges Vielfaches der Periodendauer der phasenbeweglichen Signale verzögert.

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Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Zähleinrichtung eine derartige Kapazität aufweist, daß sie für einen St el lungs winkel von 560° von einem Taktgenerator gerade einmal durchgezählt wird und daß dieser Zähleinrichtung eine zweite Zähleinrichtung als Zeitglied nachgeschaltet ist.

Heidelterg, 22. Oktober 1973
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