DE2717178B2 - Elektronisches Schaltwerk - Google Patents

Elektronisches Schaltwerk

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Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Schaltwerk zur Erzeugung elektrischer Steuersignale bei bestimmten Winkelstellungen sich fortlaufend drehender Teile mit einem von den sich drehenden Teilen betätigten Drehpotentiometer, das eine der Drehung des Potentiometerabgriffs proportional ansteigende, beim Erreichen einer vollen Drehung wieder auf den Nullpunkt zurückspringende Meßspannung liefert, die zur Bestimmung des Ein- und des Ausschaltpunktes der Steuersignale mit einstellbaren Ein- und Ausschaltspannungea vergleichbar ist
Bekannte Schaltwerke an Vorrichtungen mit sich drehenden Teilen, beispielsweise an Stanzen oder Pressen, erzeugen Signale zum phasengerechten Ein- und Ausschalten bestimmter Arbeitsvorgänge auf mechanischem Wege durch Verwendung von drehfest mit den rotierenden Teilen verbundenen Nockenscheiben, die bei der Umdrehung entsprechende Nockenschalter betätigen. Bei derartigen Vorrichtungen ist es schwierig, die Einschaltzeitpunkte zu ändern, denn zu diesem Zweck müssen die Nockenscheiben auf den sich drehenden Teilen verdreht oder vollständig ausgewechselt werden. Außerdem ergeben sich bei hohen Drehgeschwindigkeiten Schaltverzögerungen durch die Trägheit der mechanischen Teile.
Es wäre daher wünschenswert, die Erzeugung der Steuersignale auf elektrischem Wege vorzunehmen. Die bisher dazu verwendeten Meßgeber, das sind Vorrichtungen, die eine der Winkelstellung des sich drehenden Teiles proportionale Spannung abgeben, sind beispielsweise als Resolver oder als Codiergeber ausgebildet; in jedem Fall iiandelt es sich um aufwendige und teure Vorrichtungen.
Wesentlich günstiger wäre in diesem Zusammenhang die Verwendung von durch die sich drehenden Teile verdrehten Potentiometern; der Einsatz solcher Teile scheitert bisher jedoch daran, daß sich dann Schwierigkeiten ergeben, wenn ein Steuersignal erzeugt werden soll, dessen Einschaltpunkt am Ende der Widerstandspiste, dessen Ausschaltpunkt jedoch am Anfang der Widerstandspiste liegt. In diesem Falle ist es bisher nötig, zwei getrennte Steuersignale zu erzeugen, ein erstes vcm Einschaltzeitpunkt bis zum Ende der Widerstandspiste und ein zweites vom Beginn der Widerstandspiste bis zum Ausschaltzeitpunkt
Diese Nachteile haben dazu geführt, daß billige Drehpotentiometer zur Erzeugung von winkelabhängigen Steuersignalen bisher nicht eingesetzt wurden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein elektronisches Schaltwerk der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, daß trotz der Verwendung von Drehpotentiometern eine exakte Erzeugung der Steuersignale auch über den Sprungbereich des Drehpotentiometers hinweg ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erster Komparator zum Vergleich der Meßspannung mit der Einschaltspannung, ein dritter Komparator zum Vergleich der Meßspannung und der Ausschaltspannung sowie ein zweiter Komparator zum Vergleich der Einschalt- und der Ausschaltspannungen vorgesehen sind und daß die Ausgänge der drei Komparatoren mit einer logischen Schaltung derart verbunden sind, daß ein Steuersignal immer dann eingeschaltet wird, wenn die Meßspannung die Einschaltspannung erreicht und immer dann ausgeschaltet wird, wenn die Meßspannung die Ausschaltspannung erreicht.
Die logische Schaltung kann ein Exklusiv-ODER-Element enthalten, dessen einer Eingang direkt mit dem Ausgang des ersten Komparators und dessen zweiter Eingang mit einer logischen Schalteinheit verbunden ist, die das Ausgangssignai des zweiten Komparators
ungeändert läßt, wenn die Einschaltspannung kleiner als die Ausschaltspannung ist, die das Ausgangssigna] des zwehen Komparators jedoch umkehrt, wenn die Einschaltspannung größer als die Ausschaltspannung ist
Dabei kann vorgesehen sein, daß die logische Schalteinheit zwei mit den beiden Eingängen eines Exklusiv-ODER-Gliedes verbundene UND-Glieder aufweist, daß der Ausgang des dritten Komparators mit dem einen Eingang des ersten UND-Gliedes direkt sowie mit dem einen Eingang des zweiten UND-Gliedes über einen Inverter und daß der Ausgang des zweiten Komparators mit dem anderen Eingang des ersten UND-Gliedes über einen Inverter sowie mit dem anderen Eingang des zweiten UND-Gliedes direkt verbunden ist is
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Schaltwerkes lassen sich vom gewählten Einschaltzeitpunkt bis zum gewählten Ausschaltzeitpunkt ununterbrochene Steuersignale erzeugen, auch wenn die gewählte Ausschaltspannung unterhalb der gewählten Einschaltspannung liegt, wenn sich also die Einschaltdauer des Steuersignals über den Sprung der am Drehpotentiometer abgegriffenen Meßspannung vom Maximalwert auf Null erstreckt
Zur Erhöhung der Sicherheit kann die die drei 2s Komparatoren und die logische Schaltung umfassende Steuerschaltung doppelt ausgebildet sein und bei Abweichung der erzeugten Steuersignale ein Fehlersignal erzeugen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausffiiirungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Ansicht eines in eine lineare Konfiguration abgewickelten Drehpotentiometers mit zwei Schleiferarmen;
Fig.2 eine Summierschaltung zur Erzeugung eines Schaltimpulses für einen Schalter zur abwechselnden Abnahme der Ausgangsspannung des Potentiometers vom vorderen und vom hinteren Schleiferarm;
F i g. 3 eine diagrammatische Darstellung der an den beiden Schleiferarmen des Drehpotentiometers anliegenden Spannungen und der Ausgangsspannung über dem gesamten Drehbereich des Potentiometers sowie die von der Steuerschaltung gelieferten Impulse zur abwechselnden Abnahme der Ausgangsspannung vom vorderen und hinteren Schleiferarm und
F i g. 4 eine Steuerschaltung zur Erzeugung eines von der vom Potentiometer abgegebenen Meßspannung abhängigen Steuersignales.
Anhand der F i g. 1 bis 3 wird zunächst Aufbau und so Funktionsweise eines Drehpotentiometers mit zwei Schleiferarmen erläutert, das zur Verwendung als Winkelgeber im Rahmen des erfindungsgemäßen elektronischen Schaltwerkes besonders geeignet ist. Ein solches Drehpotentiometer ist bereits vorgeschlagen worden, es ist daher nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, bei der die der Winkelstellung des sich drehenden Teiles entsprechende, periodische Spannung auf beliebige Weise erzeugbar ist.
In F i g. 1 ist die Piste 1 des Drehpotentiometers to abgewickelt dargestellt. Normalerweise ist diese Piste in sich geschlossen. An die aus einem elektrisch leitenden, mechanisch sehr widerstandsfähigen Material bestehenden Widerstandspiste 1 ist über Anschlußklemmen 2 und 3 eine Betriebsspannung U\ angelegt, die während des gesamten Betriebes konstant bleibt. Zwischen der Anschlußklemme 2 und einem ersten festen Spannungsabgriff 4 liegen eine Spannung Ui, zwischen der Anschlußklemme 2 und einem zweiten festen Spannungsabgriff 5 eine Spannung Ik und zwischen der Anschlußklemme 2 und einem dritten festen Spannungsabgriff 6 eine Spannung U4 an.
Ein vorderer Schleiferann 7 und ein hinterer Schleiferarm 8 sind so winkelmäßig gegeneinander versetzt, daß zwischen ihnen eine Spannung besteht, die genau gleich der zwischen der Anschlußklemme 2 und dem ersten Abgriff 4 liegenden Spannung Lh ist Der Winkelabstand zwischen den beiden Schleiferannen bleibt konstant
Zur Erzeugung einer Potentiometermeßspannung, die bei einer vollen Umdrehung des Drehpotentiometers kontinuierlich vom Wert Null auf einen Maximalwert ansteigt und bei Erreichen desselben definiert auf den Nullwert zurückspringt, ist eine in Fi g. 2 dargestellte Schalteinheit 9 vorgesehen, die ein Schaltersteuersignal für einen elektronischen Schalter erzeugt, mit dem in einer weiter unten genauer beschriebenen Weise abwechselnd die am vorderen Schleifarm 7 und die am hinteren Schleifarm 8 anliegende Spannung abgenommen wird.
Die Schalteinheit 9 umfaßt zwei Komparatoren 10, 11, deren Ausgänge 12 bzw. 13 mit den Eingängen 14,15 eines Summierverstärkers 16 verbunden sind. An den beiden Plus-Eingängen 17 bzw. 18 der Komparatoren 10 und 11 liegt die Spannung zwischen der Anschlußklemme 2 und dem hinteren Schleiferarm 8 (Us), am Minus-Eingang 19 des Komparators 10 die Spannung Ua und am Minus-Eingang 20 des Komparators 11 die Spannung U3 an.
Wenn die Winkelstellung zwischen den beiden Schleiferarmen 40° beträgt und wenn der zweite feste Abgriff 5 bei einer Winkelstellung von 300° und der dritte feste Abtriff bei einer Winkelstellung von 330° liegen, dann ergibt sich beim Verschieben der beiden Schleiferarme 7 und 8 am Ausgang 13 des Komparators 11 der in Fi g. 3 unter A dargestellte Spannungsverlauf. Bei einer Winkelstellung des vorderen Schleifarmes 7 von 340° übersteigt die Spannung zwischen dem hinteren Schleiferarm 8 und der Anschlußklemme 2 die Spannung U3, so daß das Ausgangssignal des Komparators 11 kippt. Dieses Ausgangssignal kippt in die Ausgangslage zurück, sobald der hintere Schleifarm 8 den Übergang 360°—0° erreicht, also bei einer Winkelstellung des vorderen Schleifarmes 7 von 40°.
In ähnlicher Weise kippt das Ausgangssignal des Komparators 10 in der in F i g. 3 unter B dargestellten Weise sobald die Spannung Us die Spannung Ua, übersteigt, d. h. bei einer Winkelstellung des vorderen Schleiferarmes 7 von 10°. Auch dieser Komparator kippt in die Ausgangsstellung zurück, sobald der hintere Schleifer 8 am Übergang 360° - 0° vorbeiläuft.
Durch den eine Differenz der Ausgangssignale der Komparatoren 10 und 11 bildenden Summierverstärker 16 ergibt sich am Ausgang 21 desselben ein Signalverlauf, wie er in F i g. 3 unter Cdargestellt ist. Am Ausgang 21 liegt zwischen einer Winkelstellung des vorderen Schleiferarms 7 zwischen 340° und 10° eine Signalspannung an.
Diese Signalspannung wird in nicht näher dargestellter \veise dazu verwendet, die Ausgangsspannung des Potentiometers abwechselnd vom vorderen Schleiferarm 7 und vom hinteren Schleiferarm 8 abzunehmen.
Bei der folgenden Erläuterung sind die Winkelangaben immer auf die Stellung des vorderen Schleiferarms 7 bezogen.
Beim Fehlen eines Ausgangssignales am Ausgang 21
(Winkelbereich zwischen 10° und 340°) entspricht die Ausgangsspannung der am vorderen Schleiferarm 7 anliegenden Spannung (ausgezogene Linien in Fig.3). Während des Auftretens eines Ausgangssignals am Ausgang 21 (Winkelbereich 340° bis 10°) entspricht die Ausgangsspannung der am hinteren Schleiferarm 8 anliegenden Spannung Us, der die konstante Spannung IJj hinzugefügt ist (punktierter Spannungsverlauf). Die Ausgangsspannung des Potentiometers wird also im Bereich zwischen 10° und 340° durch die ausgezogene Linie, zwischen 340° und 10° durch die punktierte Linie dargestellt. Man erkennt, daß diese Spannung für keine Winkelstellung auf den Wert Null zurückgeht. Um dies zu erreichen, wird von der Ausgangsspannung eine konstante Spannung abgezogen — man erhäit dabei die im folgenden als Meßspannung bezeichnete Spannung. Die konstante, von der Ausgangsspannung abzuziehende Spannung wird dabei so gewählt, daß die Meßspannung unmittelbar nach dem Umschalten, d. h. bei einer Winkelstellung von 10°, auf Null absinkt Bei einer Drehung des Potentiometers ergibt sich also eine linear vom Wert Null auf den Maximalwert ansteigende Meßspannung. Wesentlich ist dabei, daß der Sprung vom Maximalwert auf den Minimalwert scharf definiert ist, da er durch das Kippen des !Comparators IO ausgelöst wird. Dies erfolgt durch den hinteren Schleifer 8, der sich dabei noch in sicherer Entfernung von dem Undefinierten Endbereich der Widestandspiste befindet In F i g. 3 ist die Spannung an hinteren Schleiferarm 8 gestrichelt und die Meßspannung Stück punktiert dargestellt Die Verwendung des beschriebenen Drehpotentiometers ermöglicht also die Erzeugung einer der Winkelstellung des sich drehenden Teiles über den gesamten Bereich genau proportionalen, analogen Meßspannung. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird diese Meßspannung benutzt, um bei bestimmten Winkelstellungen Steuersignale zur Auslösung bestimmter Arbeitsgänge etc. zu erzeugen.
In F i g. 4 ist eine Schaltung dargestellt mit welcher ein solches Steuersignal erzeugt werden kann. Die Schaltung weist zwei veränderliche Potentiometer 22 und 23 zur Erzeugung einer einstellbaren Einschaltspannung Ue sowie zur Erzeugung einer einstellbaren Ausschaltspannung Ua auf. Der Abgriff 24 des Potentiometers 22 ist mit dem einen Eingang 25 eines ersten !Comparators 26 und mit dem einen Eingang 27 eines zweiten !Comparators 28 verbunden. Der Abgriff 29 des Potentiometers 23 ist mit dem einen Eingang 30 eines dritten !Comparators 31 sowie mit dem anderen Eingang 32 des zweiten !Comparators 28 verbunden. Die anderen Eingänge 33 und 34 des ersten !Comparators 26 und des dritten !Comparators 31 sind gemeinsam mit dem Ausgang 35 eines Entkopplungsgliedes 36 verbunden, über das den Eingängen 33 und 34 die von dem in der Zeichnung nur schematisch dargestellten, mit dem sich drehenden Teil verbundenen Drehpotentiometer 37 erzeugte Meßspannung zugeführt wird.
Der Ausgang 38 des ersten !Comparators ist mit dem Eingang 39 eines Exklusiv-ODER-Gliedes 40 verbunden. Der Ausgang des zweiten !Comparators 28 ist über einen Inverter 42 mit dem einen Eingang 43 eines ersten UND-Gliedes 44 und- direkt mit dem einen Eingang 45 eines zweiten UND-Gliedes 46 verbunden. Ebenso ist der Ausgang 47 des dritten !Comparators 31 fiber einen Inverter 48 mit dem anderen Eingang 49 des zweiten UND-Gliedes 46 und direkt mit dem anderen Eingang 50 des ersten UND-Gliedes 44 verbunden. Die Ausgänge 51 und 52 der UND-Glieder 44 bzw. 46 sind mit den Eingängen 53 bzw. 54 eines zweiten Exklusiv-ODER-Gliedes 55 verbunden, dessen Ausgang 56 mit dem anderen Eingang 57 des Exklusiv-ODER-Gliedes 40 in Verbindung steht.
Die hier beschriebene Steuerschaltung erzeugt am Ausgang 58 des Exklusiv-ODER-Gliedes 40 das gewünschte Steuersignal.
Im folgenden wird die Wirkungsweise der Steuerschaltung erläutert. Ein positives Signal am Ausgang
ίο eines der in der Schaltung enthaltenen logischen Schaltelemente wird im folgenden mit 1, ein negatives mit 0 bezeichnet.
Am Ausgang 38 des !Comparators 26 liegt eine 1, wenn die Meßspannung größer ist als die am Potentiometer 22 eingeschaltete Einschaltspannung Ue, liegt die Meßspannung unterhalb von Ue, liegt am Ausgang 38 eine 0. Das gleiche gilt am Ausgang 47 des !Comparators 31 bezüglich der am Potentiometer 23 eingeschalteten Ausschaltspannung Ua-
Am Ausgang 41 des !Comparators 28 liegt eine 0, wenn die Ausschaltspannung Ua größer ist als die Einschaltsspannung UE- Das ist immer dann der Fall, wenn Ein- und Ausschaltzeitpunkt zwischen 0 und 360° liegen. Wenn der Einschaltzeitpunkt vor Erreichen der 360°, der Ausschaltzeitpunkt jedoch danach liegen, dann ist die Einschaltspannung Ue größer als die Ausschaltspannung Ua; am Ausgang 41 des !Comparators 48 erscheint dann eine 1. Wie sich durch die logischen Funktionen der Inverter 42 und 48, der UND-Glieder 44 und 46 und des Exklusiv-ODER-Gliedes 55 leicht ergibt, liegt am Ausgang 56 des Exklusiv-ODER-Gliedes 55 das gleiche Signal wie am Ausgang 47 des !Comparators 31 an, wenn das Ausgangssignal des !Comparators 28 0 ist Ist dieses Ausgangssignal 1, dann liegt am Ausgang 56 des Exklusiv-ODER-Gliedes 55 das umgekehrte Signal wie am Ausgang 47 des !Comparators 31 an.
Für den Fall, daß die Ausschaltspannung größer ist als die Einschaltspannung (Komparator 28 hat 0), ergibt sich immer dann ein Steuersignal am Ausgang 58 des Exklusiv-ODER-Gliedes 40, wenn die Meßspannung zwischen der Einschaltspannung Ue und der Ausschaltspannung Ua liegt. 1st die Ausschaltspannung Ua kleiner als die Einschaltspannung Ue, ergibt sich ein Steuersignal am Ausgang 58 immer dann, wenn die Meßspannung nicht zwischen der Einschalt- und der Ausschaltspannung liegt sondern nur dann, wenn die Meßspannung entweder oberhalb der Einschaltspannung oder unter halb der Ausschaltspannung liegt
Mit dieser Steuerschaltung gelingt also die kontinuierliche Erzeugung eines Steuersignals, das beginnt wenn die Meßspannung die Einschaltspannung erreicht und endet, wenn die Meßspannung die Ausschaltspan nung erreicht, unabhängig davon, ob während der Dauer des Steuersignals ein Sprung der Meßspannung auftritt oder nicht Es ist daher möglich, mit ein und derselben Steuerschaltung einen Steuerimpuls beliebiger Länge und beliebiger Phasenlage zu erzeugen.
Der einfache Aufbau der in Fig.4 dargestellten Steuerschaltung ermöglicht es, diese Schaltung zur Überprüfung doppelt auszuführen. Das dabei erzeugte Ausgangssignal, also das am Ausgang 58 der Steuerschaltung erscheinende Steuersignal, wird mit dem jeweils gleichen Signal der Parallelschaltung verglichen. Beim Auftreten von Abweichungen wird in nicht näher erläuterter Weise ein Fehlersignal erzeugt, das einer Unterbrecherschaltung zugeführt werden kann, die
beim Auftreten eines einzigen Fehlersignales sofort den Antrieb für den sich drehenden Teil unterbricht. Solche Unterbrecherschaltungen sind an sich bekannt und werden daher nicht im einzelnen beschrieben.
Das vorstehend beschriebene elektronische Schalt-
werk ist durch die dargestellte Ausbildung nicht nur geeignet, Steuerimpulse beliebiger Länge und Phasenlage zu erzeugen, sondern es überprüft sich auch in allen Funktionen selbst, so daß ein vollkommen sicherer Betrieb gewährleistet ist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Elektronisches Schaltwerk zur Erzeugung elektrischer Steuersignale bei bestimmten Winkelstellungen sich fortlaufend drehender Teile mit einem von den sich drehenden Teilen betätigten Drehpotentiometer, das eine der Drehung des Potentiometerabgriffs proportional ansteigende, beim Erreichen einer vollen Drehung wieder auf den Nullpunkt zurückspringende Meßspannung liefert, die zur Bestimmung des Ein- und des Ausschaltpunktes der Steuersignale mit einstellbaren Ein- und Ausschaltspannungen vergleichbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Komparator (26) zum Vergleich der Meßspannung (Umcb) mit der Einschaltspannung (Ue), ein dritter Komparator (31) zurrt Vergleich der Meßspannung (Umcb) und der Ausschaltspannung (Ua) sowie ein zweiter Komparator (28) zum Vergleich der Einschaltspannung (UE) und der Ausschaltspannung (Ua) vorgesehen sind und daß die Ausgänge (38, 41, 47) der drei Komparatoren mit einer logischen Schaltung (44,46, 55,40) derart verbunden sind, daß ein Steuersignal immer dann eingeschaltet wird, wenn die Meßspannung (Usieß) die Einschaltspannung (Ue) erreicht, und immer dann ausgeschaltet wird, wenn die Meßspannung (Umcb) die Ausschaltspannung (Ua) erreicht
2. Schaltwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Schaltung ein Exklusiv-ODER-Element (40) enthält, dessen einer Eingang (39) direkt mit dem Ausgang (38) des ersten !Comparators (26) und dessen zweiter Eingang (57) mit einer logischen Schalteinheit (44, 46, 55) verbunden ist, die das Ausgangssignal des dritten !Comparators (31) ungeändert läßt, wenn die Einschaltspannung (Ue) kleiner als die Ausschaltspannung (Ua) ist, die das Ausgangssignal des dritten Komparator (31) jedoch umkehrt, wenn die Einschaltspannung (Ue) größer als die Ausschaltspannung (Ua) ist.
3. Schaltwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Schalteinheit zwei mit den beiden Eingängen (53, 54) eines Exklusiv-ODER-Gliedes (55) verbundene UND-Glieder (44, 46) aufweist, daß der Ausgang (47) des dritten !Comparators (31) mit dem einen Eingang (50) des ersten UND-Gliedes (44) direkt sowie mit dem einen Eingang (49) des zweiten UND-Gliedes (46) über einen Inverter (48) und daß der Ausgang (41) des zweiten Komparators (28) mit dem anderen Eingang (43) des ersten UND-Gliedes (44) über einen inverter (42) sowie mit dem anderen Eingang (45) des zweiten UND-Gliedes (46) direkt verbunden ist
4. Schaltwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die drei Komparatoren (26, 28, 31) und die logische Schaltung umfassende Steuerschaltung doppelt ausgebildet ist und bei Abweichung der erzeugten Steuersignale ein Fehlersignal erzeugt.
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