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Meßverfahren für die Winkelstellung @
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eines drehbaren magnetischen Wechselfelds Die Erfindung betrifft
ein Meßverfahren für die Winkelstellung @eines drehbaren magnetischen Wechselfelds
unter Auswertung des dieser Winkelstellung @ entsprechenden Phasenunterschieds
zwischen zwei gegensinnig phasenbeweglichen gleichfrequenten Wechselspannungen der
Frequenz fO, die mit Hilfe einer RC-Brückenschaltung aus zwei Spannungen gewonnen
werden, deren Amplituden dem Sinus bzw. Kosinus des Winkels @ proportional
sind, wobei der Phasenunterschied dadurch gemessen wird, daß von dem Phasenunterschied
ohängige Zeitspannen mittels Zahlimpulsen ausgezählt werden.
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Ein derartiges Meßverfahren bzw. eine entsprechende Meßanordnung ist
z.B. aus der DE-PS 15 48 834 bekannt. Es kann z.B. benutzt werden, um die Winkelstellung
@ 6 des des Rotors eines Drehmeldegebers zu messen oder z.B. auch die Winkelstellung
einer in einem Fahrzeug mitgeführten Magnetsonde gegenüber Nord.
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Da die Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Betriebswechselspannung
z.B. der Netzspannung mit einer Frequenz von 50 Hz betrieben wird, ist durch Nichtlinearitäten
den beiden in der Amplitude dem Sinus bzw.
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kosinus des "frinkels G proportionalen Spannungen ein Störvektor,
der
mit der Betriebsfrequenz umläuft, überlagert. Dies fuhrt zu Fehlern bei der Phasenmessung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Xeßverfahren anzugeben,
durch dessen Anwendung diese Fehler kompensiert werden.
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Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat durch die Anwendung der Umschaltung
den Vorteil, daß die Meßspannungen über den gleichen Kanal gefuhrt werden, so daß
unterschiedliche Beeinflussungen dieser Spannungen in der Phase entfallen.
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Durch die Umschaltung in Verbindung mit der zweifachen Messung in
einem bestimmten Zeitabstand innerhalb jeder Zeitspanne, in der die Brücke in einer
bestimmten Polung eingeschaltet ist, wird die Kompensation des Störvektors mit der
Betriebsfrequenz erzielt und zwar wird die Zeit A T so gewählt, daß dieser Störvektor
bei der zweiten Messung gerade um 1800 weitergedreht hat. Um dies möglichst exakt
durchführen zu können, ist es von Vorteil, wenn die Frequenz c ein VielfacY's der
Betriebsfrequenz ist.
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Gegenstand der Erfindung ist auch die Meßanordnung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Meßverfahrens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand eines Ausführungsbeispiels
einer dafür geeigneten Meßanordnung sowie Diagrammen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 - ein Ausführungsbeispiel einer Meßanordnung Fig. 2 - die an verschiedenen
Stellen der Anordnung der Fig. 1 auftretenden Signale
Fig. 3 - ein
Vektordiagramm zur Erklärung der Kompensation.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind mit 1 und 2 zwei Spannungsquellen
bezeichnet, die die beiden in der Amplitude vom Sinus bzw. Kosinus des zu messenden
Winkels B abhängigen Wechselspannungen der Frequenz f0 liefern.
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Diese Spannungsquellen können z.B. die beiden Ausgänge einer Magnetsonde
sein. Es ist eine aus einem RC-Glied 3 bestehende Brückenschaltung vorgesehen, deren
Brückenabgriff mit einem Filter 4 verbunden ist. Eine Umschalteinrichtung 5 polt
die Brücke 3 in Zeitabständen T und damit für Zeiträume T um. An den Ausgang des
Filters 4 schließt ein Komparator 6 an, der aus der Ausgangsspannung des P ters,
das auf fo abgestimmt ist, eine Rechteckspannung mit der Frequenz f0 formt. Diese
Spannungsimpulse werden einem Glied 7 zugeführt und dienen mit ihrem positiv gehenden
Flanken zur Auslösung einer von der Phasenverschiebung der gemessenen Spannung abhängigen
ZeitspPnne.
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Mit 8 ist ein Oszillator bezeichnet, dessen hochfrequenten Ausgangsimpulse
als Zählimpulse einem UND-Gatter 9 zugeführt werden. Wenn -wie im vorliegenden Beispiel--
der Oszillator 8 auch zur Gewinnung der Signale mit der Frequenz f0 verwendet werden
soll, wird seine Frequenz zu einem Vielfachen der Frequenz f0 gewählt. Außerdem
ist es -wie später och gezeigt- vorteilhaft, seine Frequenz als Vielfaches der Betriebsfrequenz
(Netzfrequenz, z.B. 50 Hz) zu wählen.
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Die Signale des Oszillators werden einem Frequenzteiler 10 zugeführt,
der daraus ein Referenzsignal mit der Frequenz f0, das dem Glied 7 zugeführt wird,
Impulse mit der Frequenz foj2 die der Magnetsonde 12 über den Verstarker 11 zugeführt
werden sowie Umschaltimpulse für die UmschElteinrichtung 5 und Rückstellimpulse
für einen Zähler 13 er-
zeugt. Die Ausgänge der Magnetsonde 12 sind
die Spannungsquellen 1 und 2. Die positiv gehenden Flanken des Referenzsignals dienen
zur Beendigung des durch Impulse am Ausgang des Verstärkers 6 ausgelösten Zeitintervalls.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 wird nun die Meßanordnung erläutert.
Durch das in Fig. 2a gezeigte, aus dem Frequenzteiler 10 abgeleitete Signal wird
die Brücke 3 jeweils für Zeiträume T umgepolt. Am Ausgang des Filters 4 entsteht
damit der in Fig. 2b gezeigte Spannungsverlauf mit der Frequenz fO. Innerhalb der
Zeiträume T soll nach erfolgtem Einschwingen des Filters die Phasenmessung durchgeführt
werden. Der Komparator 6 wandelt den Spannungsverlauf der Fig. 2b in eine Impulsfolge
der Impulsfolgefrequenz f0 gemäß Fig. 2c um. Man erkennt, daß infolge der Umschaltung
im Zeitpunkt t3 ein Phasensprung erfolgt. Das dem Frequenzteiler 10 entnommene und
dem Glied 7 zugeführte Referenzsignal der Frequenz f0 ist in Fig. 2d gezeigt.
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Es ist gegenüber dem Signal des Komparators 6 (Fig. 2c) phasenverschoben,
wobei sich diese Phasenverschiebung ab t3 ändert, wie sich aus dem Vergleich der
Fig. 2c) und d) ergibt. Wie sich aus Fig. 2 e) ergibt, wird durch eine positiv gehende
Flanke des Signals der Fig. 2 c) durch das Glied 7, das z.B. ein bistabiles Glied
sein kann, ein Signal begonnen und durch die positiv gehende Flanke des Signals
der Fig. 2 d) beendet. Dieses Glied 7 erzeugt weitere solche Signale, die jedoch
in Fig. 2 e) nicht gezeigt sind. In Fig. 2 e) sind vielmehr die Öffnungszeiten des
UND-Gatters 9 gezeigt. Die anderen entstehenden Impulse am Ausgang des Glieds 7
werden durch eine Zeitsteuerung unterdrückt, deren Signale über die Klemme 14 zugeführt
werden und die bewirkt, daß erst nach Einschwingen des Filters 4 die erste Messung
ab dem Zeitpunkt t1 erfolgt und daß eine zweite Messung erst und nur 10 msec danach
zum Zeitpunkt t2 erfolgen kann. Ähnliches gilt dann für den Zeitpunkt t4 und t5
nach Umpolung zum Zeitpunkt t3.
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In den zu den Zeitpunkten t1 und t2 bzw. t4 und t5 beginnenden Zeitintervallen
entsprechend Fig. 2 e) werden dem Zähler 13 Zählimpulse des Generators 8 zugeführt
(sh. Fig.
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2 f)), der aus diesen Teilsummen A1 und A2 bzw. B1 und Summen A bzw.
B bildet (sh. Fig. 2 g)) und diese an seinem Ausgang 15 abgibt. Aus der Beziehung
A-B ergibt sich dann eine vom gesuchten Winkel # abhängige Größe. In der Fig.
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2 h) sind die Rücksetzimpulse für den Zähler 13 nach Bildung der Summen
A und B dargestellt.
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Diese von # abhängige Größe, die über den Winkelbereich von 3600 Sprünge
aufweist, läßt sich in eine dem Winkel @ # pro- proportionale Größe verwandeln.
Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß man den Punkt A-B = 0 dem Winkel e* = o zuordnet
(aer wahre Winkel G ist dem gegebenenfalls um einen konstanten Wert gegenüber G*
gedreht) und folgende Entscheidungstabelle für die Gewinnung des Winkels @*
zu Hilfe nimmt, wobei berücksichtigt wird, daß A + B nur zwei Werte, nämlich O und
einen Hochwert annehmen kann.
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Es gilt dann: 1) Hat A+B seinen Hochmert, so ist zum erhaltenen Winkelergebis
E # A-B 1800 zu addieren (g* = E + 180°) (gilt zwischen 450 und 3150) 2) ist A+B
= 0 und A-B > O, so ist * # A-B (gilt zwischen 0° und 450) 3) ist A+B = O und
A-B # O, so ist 0* = 3600 - E (E # A-B) (gilt für 3150 - 3600 Anhand der Fig. 3
soll gezeigt werden, wieso durch die Messungen im Abstand von 10 msec eine Kompensation
des durch den 50 Hz-Vektor verursachten Fehlers erfolgt. Der Vektor 20 sei der Vektor
z.B. der Spannungsquelle 1. Diesem überlagert
ist der Störvektor
21 mit der Betriebsfrequenz, die hier zu 50 Hz angenommen wurde; dies bedeutet,
daß der Vektor 21 sich mit der Frequenz 50 Hz um den Endpunkt des Vektors 20 dreht.
Zu Beginn der ersten Messung sei der Vektor 21 in der dargestellten Lage, so daß
anstelle der Phasenlage des Vektors 20, die des Vektors 22 gegenüber der der Referenzfrequenz
gemessen wird. Bei der Frequenz von 50 Hz befindet sich der Vektor21 nach 10 msec
genau in Gegenphase zum Vektor 21 (Vektor 21'), so daß nun die Phase des Vektors
23 ausgewertet wird. Die Summe der beiden Messungen entspricht dann der doppelten
Phasenlage des Vektors 20, wobei der Faktor 2 bei der späteren Differenzbildung
herausfällt.
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