DE2945266C2 - Potentiometer zur Koordinatendrehung - Google Patents

Description

A_x = Csm(K-P)
und/oder

A₂ = Ccos (K - P)

mit einer kreisförmig geschlossenen Widerstandsbahn, mehreren auf dem Umfang der Widerstandsbahn verteilten Einspeisungen für Koordinatensignale und mindestens einem Schleifer zur Abnahme der Ausgangssignale A_x, A₂, dadurch gekennzeichne», daß die Widerstandsbahn linienförmig ist. und ds9 von den Eingangssignalen Qx und Q₁ abgeleitete, den festen Winkelwerten (P) der Einspeisepunkte gegenüber dem Einspeisepunkt für Q₁ entsprechend verschobene Koordinatensignale eingespeist werden.

2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung^ des Potentiometers gleichmäßig auf dessen Umfang verteilt sind.

3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsbelag als Funktion des Winkels P so gestaltet ist, daß der Winkelfehler /gemindert oder beseitigt wird.

4. Baugruppe nach Anspi- .ch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellung fder Potentiometerweile auf einer Skal* angezeigt wird, die (ungleichmäßig) so geteilt ist, daß der wahre elektrische Drehwinkel P + f direkt abgelesen werden kann.

Die Erfindung betrifft Ausbildung und Beschallung eines Potentiometers, dergestalt daß aus einem Paar von analogen Signalen

Qx = C ■ sin AT und Q₂ = C · cos K

(oder Linearkombinationen der beiden) die um den Winkel Pdes Potentiometers gedrehten Signale

Αχ = C- s\n(K-P)\mAA₂ = C cos (K-P)

gewonnen werden.

Die Anordnung kann z. B. angewendet werden zur Verarbeitung der Signale eines als Kompaß verwendeten Zwei-Achsen-Magnetometers (DE 27 54 888 A 1). Ein solcher Kompaß gibt seine Information in Form zweier Spannungen ab, die dem Sinus und dem Kosinus des Kurswinkels K proportional sind. Wendet man auf diese Signale die oben angegebene Koordinatendrehung an, so erhält man mit A\ = C ■ sin (K — P) ein Signal, das die Abweichung vom am Potentiometer eingestellten Sollkurs P repräsentiert. Dieses kann mit einem Drehspulinstrument angezeigt oder einer Selbststeueranlage zugeführt werden. Die Anlage kann auch zur kontinuierlichen, unbegrenzten Verstellung der Phase von Wechselspannungen verwendet werden (K = ω ■ t), sowie zur Verarbeitung von Winkelinformation im sogenannten »Resolver«-Format (C= C- sin mi). Schließlich braucht die Winkeldifferenz zwischen den Eingangssignalen nicht 90° zu betragen. Geeignet sind z. B. auch Signale im sogenannten »Synchros-Format bei dem drei Signale mit je 120° Winkeldifferenz übertragen werden.

Zur Verarbeitung analoger elektrischer Winkelinformation werden bisher überwiegend trägerfrequente

ίο Methoden mit sogenannten Synchros bzw. Resolvern angewendet Dies sind induktive Bauelemente, bei denen die Kopplung zwischen verschiedenen Spulen durch mechanische Drehung verändert wird. Die Eingangssignale werden dabei als Repräsentation eines

υ Vektors aufgefaßt, dieser wird als magnetisches Wechselfeld nachgebildet und das Feld mit drehbaren Spulen abgetastet. In DE 20 63 471 B 2 ist eine Anordnung beschrieben, bei der statt eines magnetischen Feldes zur näherungsweisen Nachbildung des Vektors ein elektrisches Feld in einem flüssigen Elektrolyten aufgebaut wird. Eine v/eitere, in US 28 64 924 beschriebene Anordnung verwendet einen Flächenwiderstand in der Form eines Zylindermantels mit linien- und punktförmigen Kontaktierungen.

Außerdem sind sogenannte Sinus-Kosinus-Potentiometer im Handel, Ringpotentiometer mit geschlossener Widerstandsbahn, meist vier Einspeisungen im Abstand von 90° und ein oder zwei Schleifern. Der Widerstandsbelag der Bahn ist dabei stark ungleichmäßig und so ausgelegt, daß annähernd eine Sinus-Kosinus-Charakteristik entsteht.

Die trägerfrequenten Methoden haben einen hohen Leistungsbedarf, begrenzte Bandbreite und bedingen, falls Gleichspannungen verarbeitet werden sollen, einen großen Schaltungsaufwand für Modulation und Demodulation. Die Anordnungen mit flüssigem Elektrolyten bzw. Flächenwiderstand haben den Nachteil, daß zu ihrer Herstellung eine besondere, unübliche Technologie erforderlich ist Außerdem ist ihr Leistungsübertragungsmaß ungünstig, mit der Folgt, daß entweder relativ hohe Eingangsleistungen oder sehr fehlerarme Abfrageverstärker erforderlich sind. Herkömmliche Sin-Cos-Potentiometer sind wegen des ungleichmäßigen Widerstandsbelags schwer herzustellen und entsprechend ungenau und teuer. Für die oben angegebene Koordinatendrehung gemäß den Formeln

C · cos (K-P)= C ■ cos K ■ cos P+ C ■ sin K ■ sin P C- Un(K-P)=C- UnK- cos P-C- cos K ■ sin P

wären zwei Sin-Cos-Potentiometer in Tandemanordnung mit je zwei Schleifern erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die genannte Koordinatendrehung mit einem einzigen Potentiometer möglichst gleichmäßigen Widerstandsbelags durchzuführen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Auf der Widerstandsbahn des Ringpotentiometers sind die Einspeisungen vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt und befinden sich dann bei den Winkeln

Pi = i ■ 360°/n /= 0,1,2,. ../?- 1.
Sie werden mit den Spannungen
Ei=C- Sm(K-P₁)

beaufschlagt Diese Spannungen E/sind Linearkombinationen der Eingangssignale und können deshalb z. B. mittels Widerständen und Operationsverstärkern aus ihnen gebildet werden. Bei den Winkelstellungen P, liefert ein Schleifer also exakt die gewünschte Ausgangsspannung, in den Zwischensiellungen nur angenähert, wobei die Näherung desto besser wird je größer die Zahl η der Einspeisungen. Die Schleiferspannung A₁ läßt sich darstellen u'is

A₁ = C- (\+d) - sin (K-P-Q

mit dem Amplitudenfehler d und dem Winkelfehler /. Da A ι immer eine Linearkombination der Eingangssignale ist, hängen d und /"nur von der Potentiometerstellung P, nicht jedoch von K ab.

Die Maximalwerte der Fehlergrößen t/und /vermindern sich zwar mit wachsender Zahl η der Einspeisungen, mittels der im folgenden beschriebenen weiteren Ausbildungen der Erfindung ist es jedoch möglich, diese Fehler weseniiich wirksamer und mit weniger Aufwand zu verringern. Der Amplitudenfehler d, der bei 4 Einspeisungen bis —29%, bei 8 Einspeisungen bis zu —8% beträgt, läßt sich auf Werte von 1,4% bzw. 0,08% reduzieren, wenn man den Schleifer mit einem negativen Leitwert G geeigneter Größe beschaltet. Ohne diese Maßnahme ist d stets negativ und erreicht seinen betragsmäßig größten Wert, wenn der Schleifer in der Mitte zwischen zwei Einspeisungen steht. Bei diesen Schleiferstellungen erreicht nun auch der Innenwiderstand des Potentiometers seinen Maximalwert, und man erreicht vollständige Kompensation mit

G = — (1 — cos πίπ) ■ 4 nlR_ges

Rgcs ist darin der Gesamtwiderstand der Widerstandsbahn.

Wird das Potentiometer von Hand auf einen Sollwert eingestellt, so spielt der Winkelfehler /nur eine untergeordnete Rolle, da die Skala entsprechend eingeteilt werden kann. Die Winkelstellungen werden statt mit dem mechanischen Drehwinkel P mit dem ursächlichen elektrischen Drehwinkel P + /gekennzeichnet.

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Teilung kann ein winkelabhängiger Widerstandsbelag angewendet werden. Für 4 Einspeisungen wird /zu Null, wenn der Widerstandsbelag der Funktion

dR/dP= 1/(1 + |sin2/>|)

folgt. Das Variationsverhältnis des Widerstandsbelags beträgt daoei nur 1 :2, was relativ leicht herzustellen ist. Ein zweiter, meist um 90° versetzter Schleifer dient der Gewinnung des Signals

A₂= C- cos (K - P).

gewonnen, a und b sind passend gewählte konstante Faktoren. Für 8 Einspeisungen beispielsweise vermindert sich dadurch der Winkelfehler /von ±0,5° auf ±0,06°.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Aufgabe der Koordinatendrehung mittels eines einzigen Potentiometers konstanten (oder doch nur wenig veränderlichen) Widerstandsbelags gelöst wird, das sich relativ preiswert und mit hoher

ίο Genauigkeit herstellen läßt

A b b. 1 zeigt als Schaltbild ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit 8fach gespeistem Ringpoteniiometer. Das Potentiometer hat einen konstanten Widerstandsbelag von 50kOhm/360°. Die acht Speisespannungen Eo... Ei werden mittels Widerstandsnetzwerk und der Operationsverstärker 1... 6 aus den Eingangsspannungen

Q₁ = C ■ sin /C und Q₂ = C- cos K
gewonnen. So ist zum Beispiel

E₁ = C- sin (K - 45=) = {Ϊ ■ (Qi - Q₁)Il.

Mit zw^i um 90° versetzten Schleifern werden die Ausgangssignale A\ und A^ abgegriffen. Bei der Winkelstellung P = 22,5° beträgt die Leerlaufspannung des ersten Schleifers

S₁=(E₀+ E_x)Il = 0,924 -C-Sm(K - 22,5°),

der Innenwiderstand /?, = 1562,5 Ohm. Entsprechendes gilt für den zweiten Schleifer. Um die Spannungen auf ihre Sollwerte anzuheben, sind die Schleifer mit den Operationsverstärkern 7 und 8 beschaltet, die einen negativen Leitwert G = — 50 mS bilden.

In A b b. 2 ist die prinzipielle Wirkung der Belastung einer Spannungsquelle mit einem negativen Leitwert dargestellt Es gilt

U₀

R₁-R₃

1 + R₁:■ G

U₀ Leerlaufspannung, /?, Innenwiderstand, Uk Klemmenspannung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Er kann jedoch auch dazu dienen, den Winkelfehler / (bei konstantem Widerstandsbelag) zu vermindern. Dazu wird der Winkel zwischen den Schleifern so gewählt, daß, wenn ein Schleifer bei einer Einspeisung steht, der andere gerade zwischen zwei Einspeisungen (in der Mitte) steht, also z. B. 90° bei 6 Einspeisungen, 67,5° bei 8 Einspeisungen. Die Ausgangssignale werden dann aus den Schleiferspan!.ungen Si und S2 gemäß

a ■ (S> + S₂); A₂ = b ■ (Si - S₂)

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Ermitteln der Koordinatenabweichung analogen Eingangssignale

Q_x = Csin Kxma Q₂ = Ccos K

in Abhängigkeit von einem durch die Stellung einer Welle gegebenen Winkel P durch Bilden von Ausgangssignalen