DE4324197C2 - Anordnung zur Analog/Digital-Wandlung und zur seriellen Übertragung der Meßwerte wenigstens eines Sensorelements - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Analog-Digital Wandlung und zur Übertragung der Meßwerte eines Drehwinkel- oder Wegsensorelements gemäß der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 und 9.

Aus EP 0171579 ist eine Anordnung der eingangs genannten Gattung bekannt, bei welcher ein über seinen Meßbereich absolut messender Sensor, insbesondere ein Drehwinkelcodierer oder Wegmeßcodierer, über eine Takt- und eine Datenleitung mit einer Verarbeitungseinheit verbunden ist. Solche absolut messenden Drehwinkelcodierer sind als optische oder magnetische Encoder realisiert und stellen auf Grund ihrer Arbeitsweise die Meßwerte zunächst in paralleler binär codierter Form dar.

Der benutzte Binärcode ist auf Grund des physikalischen Aufbaus solcher Winkel- oder Wegmeßcodierer der Gray-Code. Mittels eines nachgeordneten Parallel- Seriell Schieberegisters und mit Hilfe von Taktimpulsen werden diese Meßwerte in serieller Form zu einer Verarbeitungseinheit übertragen. Aus GB 2016144 A ist ein mit magnetisierten Codespuren arbeitender Winkelcodierer bekannt, der für jede Spur des Codeträgers einen Lesekopf vorsieht.

Ein nachteilig hoher Aufwand zur Realisierung dieser Winkel- oder Wegmeßcodierer ergibt sich daraus, daß die binären Meßwerte zunächst in paralleler Form erzeugt und vorverarbeitet werden. Dies erfordert eine der Anzahl der Codespuren entsprechende Vielfachheit aller Lese- und Signalverarbeitungs­ elemente. Ein weiterer Nachteil ist durch die Bindung dieser Codierer an die Darstellung der binären Meßwerte im Gray-Code gegeben. Eine Umcodierung in den von den üblichen verarbeitenden Steuer- und Regeleinheiten benutzten natürlichen Dualcode ist auf der Seite der Verarbeitungseinheit mit zusätzlichem schaltungstechnischen oder programmiertechnischen Aufwand verbunden. Bisher ist auf Grund des hohen Realisierungsaufwands für absolut messende optische oder magnetische Winkel- oder Wegsensoren deren Einsatz für kostenempfindliche Anwendungen nicht möglich.

Weiterhin zeigt als nächstreichender Stand der Technik DE 35 37 332 A1 die Verwendung eines Quotienten-Bildners, jedoch in Zusammenhang mit einer Wheatstone'schen Brücke. Dadurch treten jedoch in der an der Brücke beteiligten Bauelemente unerwünschte Wechselwirkungen auf, die gemäß der vorliegenden Erfindung gerade nicht auftreten sollen.

Darüber hinaus zeigt die US 4,890,105 bezüglich Anspruch 10 die Verwendung strom- bzw. spannungsbegrenzender Elemente zwischen Sensorelement und Synchro-Digitalwandler.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Analog-Digital Wandlung und zur Übertragung der Meßwerte eines Winkel- oder Wegsensorele­ ments zu schaffen, welche in besonders kostengünstiger Weise die Umwandlung eines Meßwertes in eine binär codierte Form und eine Datenübertragung mit hoher Taktrate ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Gattung erfin­ dungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der Patentansprüche 1 und 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Danach ist eine Anordnung zur Analog-Digital Wandlung und zur seriellen Übertragung der Meßwerte eines absolut messenden Drehwinkel- oder Wegsensors gegeben, bestehend aus einer Taktleitung, einer Datenleitung, einer Auswerteeinheit, einem Sensorelement, einer Schaltung zur Aufbereitung des Sensorelement-Ausgangssignals, einem Analog/Digital-Wandler, einer Zeitstufe, einer Steuerschaltung und Leitungskopplern.

Durch die Anordnung wird vorteilhaft eine elektrische Darstellung des Meßwertes als parallele digitale Information vermieden. Dies ermöglicht durch den Wegfall parallel arbeitender Leseköpfe und Vorverarbeitungselemente eine besonders kostengünstige und überdies raumsparende Realisierung der dem Sensor zugeordneten elektrischen Schaltung. Die Darstellung des binär codierten Wortes erfolgt vorteilhaft im natürlichen Dualcode. Da der natürliche Dual-Code im Gegensatz zum Gray-Code direkt von einer üblichen Steuerungs- oder Regelungseinheit verarbeitet werden kann, entfällt der Schaltungsaufwand für eine Umwandlung vom Gray-Code in den Dual-Code auf der Seite der Verarbeitungseinheit.

Ein Taktsignal wird mit Hilfe einer Steuerschaltung mit großem Störabstand aufbe­ reitet. Diese Maßnahme sichert die Robustheit der Meßeinrichtung für den Einsatz in industrieller Umgebung mit hohen elektrischen und magnetischen Störpegeln.

Der Meßwert in Form eines seriellen digitalen Datenworts wird mit Hilfe eines Schaltwerks für die Ausgabe so aufbereitet, daß auf einfache Weise verschiedene Datenformate zur Anpassung an vorhandene Auswerteeinheiten realisierbar sind. Für eine kostengünstige praktische Ausführung ist vorgesehen, das Schaltwerk und die bistabile Kippstufe zur Taktsignalaufbereitung in einem programmierbaren synchron getakteten Schaltkreis zu integrieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist als Sensorelement ein Drehpoten­ tiometer mit Verstellbereichen bis zu mehreren Umdrehungen vorgesehen. Dies erlaubt im Gegensatz zu herkömmlichen Winkelencodern eine besonders kostengünstige und raumsparende Realisierung eines Drehwinkelsensors. Durch Verhältnisbildung aus einer Vergleichsspannung und der Meßsignalspannung sowie durch Kombinieren von Widerständen mit geeignetem Temperaturverhalten werden Meßwertstörungen auf Grund von Temperaturdriften der Bauelementparameter auf einfache und kostengünstige Weise vermieden.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist als Sensorelement ein Resolver und als Analog-Digital Wandler ein Resolver-Digital Wandler mit bitserieller Meßwertausgabe vorgesehen. Dies erlaubt die elektronischen Schaltungsteile entfernt vom Meßort anzuordnen und stellt damit eine kostengünstige Realisierung einer besonders robusten Ausführung eines Drehwinkelsensors dar. Einsatzbereiche sind der Betrieb bei extremen Umgebungstemperaturen, mechanischen Schocks, elektromagnetischer Störbeeinflussung, wie sie optischen Drehwinkelenkodern bisher auf Grund der geringeren Robustheit verwehrt blieben.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist als Sensorelement ein induktiver Differential-Winkelsensor vorgesehen. Bei einer dem Resolver vergleichbaren hohen Robustheit gegen rauhe Umgebungsbedingungen wird damit eine kostengünstige Realisierung ermöglicht.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Sensorelement als Bestandteil einer Seilzug-Wegaufnehmervorrichtung ausgebildet. Dies erlaubt eine besonders kostengünstige Realisierung eines Wegmeßsensors für Meßbereiche von wenigen Millimetern bis zu 100 Metern.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Analog-Digi­ tal Wandlung und zur seriellen Übertragung eines Meßwerts,

Fig. 2 einen Signalflußplan einer Schaltung zur Aufberei­ tung eines Sensorelement-Ausgangsignals,

Fig. 3 einen Signalflußplan einer Schaltung zur Aufberei­ tung eines Taktsignals,

Fig. 4 einen Signalflußplan einer Steuerschaltung zur Auf­ bereitung eines digitalen Meßwerts,

Fig. 5 einen Signalflußplan einer Ausführungsform mit einem Resolver als Sensorelement,

Fig. 6 und Fig. 7 einen induktiven Differential-Winkelsensor,

Fig. 8 eine Prinzipschaltung einer Ausführungsform zur Weg­ messung mittels einer Seilzug-Wegaufnehmervorrich­ tung,

Fig. 9 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Datenübertra­ gung eines Meßwertes.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Analog- Digital Wandlung und zur seriellen Übertragung eines Meßwerts. Ein Sensor 1 bestehend aus Sensorelement 2, einer Schaltung zur Aufbereitung der Sensorelement-Ausgangsspannung 3, einem Analog-Digital Wandler 4, einer nachtriggerbaren Zeitstufe 5, einer Steuerschaltung 6 und Leitungskopplern 7 ist über eine Taktleitung 8 und eine Datenleitung 9 verbunden mit einer Ver­ arbeitungseinheit 10. Das Sensorelement liefert eine analoge Ausgangsspannung U00 als Funktion eines mechanischen Drehwin­ kels. Diese wird der Schaltung zur Aufbereitung der Sensorele­ ment-Ausgangsspannung 3 zugeführt. Die aufbereitete Sensorele­ ment-Ausgangsspannung wird als analoger Meßwert U01 dem Ana­ log-Digitalwandler zugeführt. Ein von der Zeitstufe 5 gebilde­ tes binäres Zeitsignal U02 wird der Steuerschaltung 6 zuge­ führt. Der vom Analog-Digital Wandler aus dem analogen Meßwert gebildete digitale Meßwert wird in bitserieller Form als Si­ gnal U04 der Steuerschaltung 6 zugeführt. Die Steuerschaltung erzeugt Steuersignale U03 die dem Analog-Digital Wandler zuge­ führt werden. Der über die Steuerschaltung aufbereitete Meß­ wert U06 wird bitseriell über Leitungstreiber 7 und Datenlei­ tung 9 der Auswerteschaltung 10 zugeführt. Die Steuerschaltung und die Zeitstufe 5 erhalten Taktimpulse U05 über die Lei­ tungskoppler 7 und über die Taktleitung 8 von der Auswerteein­ heit 10.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Schaltung zur Aufberei­ tung der Sensorelement-Ausgangsspannung, bestehend aus Wider­ ständen 11, 13, 14, 20, 22 aus Einstellpotentiometern 17, 23, aus einem Präzisionspotentiometer zur Winkelmessung 21 als Sensorelement dieser Ausführungsform, aus einer Referenz-Diode 12, sowie aus nicht invertierend geschalteten Verstärkungsele­ menten 15, 16, einem Differenzbildner 26, einem Halteglied 28 und einem Quotientenbildner 27.

Eine Spannung U11 wird gebildet aus einer Betriebsspannung U0 durch die Serienanordnung des Widerstands 11 und der Refe­ renzdiode 12. Aus der Spannung U11 wird mit Hilfe der Teiler­ widerstände 13, 14 und dem Verstärkungselement 15 eine Ver­ gleichsspannung U13 gebildet. Aus der Vergleichsspannung U13 wird über das Verstärkungselement 16 eine Spannung U14 gebil­ det. Durch den Spannungsteiler bestehend aus dem Widerstand 20 und dem Potentiometer 17 wird ein Verstärkungsfaktor k2 des Verstärkungselements 16 bestimmt. Das Potentiometer 21 ist das Sensorelement dieser Ausführungsform. Es liefert die Sensor­ element-Ausgangspannung U15 als Maß für die Winkelstellung seiner Drehwelle. Der Spannungsteiler bestehend aus dem Wider­ stand 22 und dem Einstellpotentiometer 23 leitet aus der Ver­ gleichsspannung U13 eine Nullstellungskorrektorspannung U16 ab. Eine Differenzspannung U17 wird als Differenz aus der Sen­ sorelement-Ausgangspannung U15 und der Nullstellungs-Korrek­ turspannung U16 gebildet und dem Halteglied 28 zugeführt. Die als Verhältnis aus Vergleichsspannung U13 und abgetasteter Differenzspannung U18 gebildete Spannung wird als analoger Meßwert U01 dem Analog-Digital Wandler 4 zugeführt. Mit dem Potentiometer 17 wird die Empfindlichkeit, mit dem Potentio­ meter 23 wird die Nullpunktverschiebung des dem Analog-Digital Wandlers zugeführten Meßwerts eingestellt.

Die Spannungen U11 bis U18 und U01 sind temperaturabhängigen Schwankungen unterworfen, da die aktiven (Verstärker) und pas­ siven Bauelemente (Widerstände) ihre Eigenschaften mit der Umgebungstemperatur ändern. Durch die erfindungsgemäße Schal­ tung zur Aufbereitung des Sensorelement-Ausgangssignals werden Meßwertfehler auf Grund temperaturabhängiger Bauteileparamter ausgeglichen.

Werden zunächst Differenzverstärker 26, Halteglied 28 und Quo­ tientenbildner 27 als driftfrei vorausgesetzt, hebt sich durch die Verhältnissbildung U01 = U13/U18 die Temperaturabhängigkeit der Vergleichsspannung U13 auf, da

U14 = k2.U13, (1)

U15 = x.k2.U13, (2)

U17 = x.k2.U13 - t2.U13, (3)

U18 = U17 im Abtastzeitpunkt

Aus U01 = U13/U18 ergibt sich

U01 = U13(x.k2.U13 - t2.U13) (4)
= 1/(x.k2 - t2)

mit k2: Verstärkungsfaktor des Verstärkungselements 16
x: Teilungsfaktor des Potentiometer Sensorelements
t2: Teilungsfaktor des Spannungsteilers 22, 23

In Gleichung 4 entfällt die Spannung U13 durch Verhältnisbil­ dung. Das Temperaturverhalten der Bauelemente 11, 12, 13, 14 geht damit in die Vergleichsspannung U13, nicht jedoch in den Meßwert ein.

Weiterhin Einfluß auf den Meßwert hat das Temperaturverhalten der Bauelemente 17, 20, 21, 22, 23. Die zur Realisierung des Verstärkungselements 16 eingesetzten Operationsverstärker wei­ sen je nach Typ Offset-Spannung und Offset-Spannungs Drift über die Temperatur auf. Während die Offset-Spannung bei der Kalibrierung des Meßzweiges durch Einstellung von Potentiome­ ter 17 berücksichtigt werden kann, wirkt sich ihre Temperatur­ drift über den Verstärkungsfaktor k2 des Verstärkungselements 16 auf die Spannung U14 aus. Da bei der erfindungsgemäßen An­ ordnung ein kleiner Verstärkungsfaktor k2 zwischen 0,8 und 1,5 gewählt wird bleibt der entstehende Meßwertfehler klein. Für einen kostengünstigen Operationsverstärker beträgt er ±0,5 mV entsprechend ±0,5 LSB Auflösung) bei ±50°C Temperaturände­ rung. Temperaturabhängige Veränderungen am Teilerverhältnis der Spannungsteiler 17, 20 sowie 22, 25 auf Grund unter­ schiedlichen Temperaturverhaltens der Potentiometer und der Vorwiderstände gehen ins Meßsignal ein. Diese Fehler werden in der praktischen Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung durch die Auswahl von Widerständen und Potentiometern mit an­ nähernd gleichem absoluten Temperaturkoeffizienten klein ge­ halten. Ebenso geht das Temperaturverhalten der Potentiometer- Teilwiderstände 18, 19 und 24, 25 in das Meßsignal ein. Diese Fehler werden durch die Benutzung von Potentiometern mit ge­ ringem differentiellen Temperaturkoeffizienten gering gehal­ ten. Der differentielle Temperaturkoeffizient bezeichnet die Temperaturabhängigkeit des Verhältnisses der Teilwiderstände 18, 19 bzw. 24, 25.

Sind in einer praktischen Ausführung der Anordnung Differenz­ bildner 26, Quotientenbildner 27 und Halteglied 28 als Be­ standteile des Analog-Digitalwandlers 4 mit integriert, so ist deren Temperaturverhalten in den Eigenschaften des Ana­ log/Digital Wandlers mit berücksichtigt und braucht nicht durch externe Beschaltung ausgeglichen werden.

Die erfindungsgemäße Schaltung zur Verarbeitung der Sensorele­ ment-Ausgangsspannung ist damit in kostengünstiger Weise so dimensionierbar, daß die Temperaturabhängigkeit des digita­ len Datenwortes für einen Temperaturbereich von -20 .. 85°C die Auflösung des Analog/Digital-Wandlers nicht überschreitet. Lediglich die zwei Widerstände 20, 22 und die zwei Potentio­ meter 17, 23 sind entsprechend ihres Temperaturkoeffizienten aufeinander abzustimmen.

Ein weiterer Vorteil bezüglich einer kostengünstigen Realisie­ rung dieser Anordnung ist es, daß nur eine Versorgungsspannung und ein gemeinsammes Null-Volt Signal zur Spannungsversorgung für die Verstärkungselemente 15 und 16 benötigt wird. Bei Ver­ wendung eines Analog/Digital-Wandlers mit ebenfalls nur einer Versorgungsspannung entfällt die Notwendigkeit eine negative Versorgungsspannung bereitzustellen.

Fig. 3 zeigt die Schaltung zur Aufbereitung eines Taktsignals 6a als Teil der Steuerschaltung 6 bestehend aus optischen Übertragungselementen 30, 31, aus einem Zeitverzögerungsglied 32, aus zwei UND-Verknüpfungsschaltungen 33, 34 mit Schmitt- Trigger Eingängen und einer bistabilen Kippschaltung mit den Logikgattern 35, 36.

Eine von der Auswerteeinheit 10 über die Taktleitungen 8a, 8b zugeführte Taktsignal-Spannung Ut wird durch die optischen Übertragungselemente 30, 31 in ein binäres Taktsignal S31 und in ein zum Taktsignal S31 inverses Taktsignal S32 umgesetzt. Die Übertragungselemente 30, 31 sind durch bekannte Optokopp­ ler realisiert. Das Taktsignal S31 wird über das Zeitverzöge­ rungsglied 32 zeitverzögert einem Eingang der UND-Schaltung 33 und zeitverzögert-invertiert einem Eingang der UND-Schaltung 34 zugeführt. Das inverse Taktsignal S32 wird unverzögert dem zweiten Eingang der UND-Schaltung 34 und unverzögert-inver­ tiert dem zweiten Eingang der UND-Schaltung 33 zugeführt. Der Ausgang der UND-Schaltung 33 ist mit dem Setz-Eingang, der Ausgang der UND-Schaltung 34 mit dem Rücksetz-Eingang der bi­ stabilen Kippstufe 35, 36 verbunden. Der Ausgang und der in­ vertierte Ausgang der Kippstufe 35 stellt ein aufbereitetes Taktsignal S36 und ein aufbereitetes inverses Taktsignal S37 dar. Die bistabile Kippstufe 35, 36 kippt nur dann in ihren positiven Zustand, wenn die Taktsignal-Spannung Ut zwischen den Taktleitungen 8a, 8b größer als eine vorbestimmte obere Schaltschwelle dU(+) ist. Die bistabile Kippstufe 35, 36 kippt nur dann in ihren negativen Zustand wenn die Taktsignal-Span­ nung Ut zwischen den Taktleitungen kleiner als eine untere vorbestimmte Schaltschwelle dU(-) ist. Die obere und untere Schaltschwelle für die beiden Taktsignalzustände entsprechen jeweils der Schaltschwelle eines der optischen Übertragungs­ elemente 30, 31. Somit muß die Taktsignal-Spannung Ut die Spannungsdifferenz zwischen beiden Schaltpunkten ganz durch­ laufen, bevor der Taktsignalzustand wechselt.

Durch das Zeitverzögerungsglied 32 der erfindungsgemäßen Taktsignal-Aufbereitungsschaltung wird sichergestellt, daß bei einem Wechsel der Taktsignal-Spannung die beiden Signale S33 und S32 nicht im gleichen Augenblick ihren Zustand wechseln. Die Zeitverzögerung ist größer gewählt als die Summe der Si­ gnallaufzeiten der optischen Übertragungselemente 30, 31 und der Gatter 33 und 34. Sie verhindert, daß durch einen von Stö­ rungen überlagerten Umschaltvorgang eines optischen Übertra­ gungselements zusammen mit Laufzeitunterschieden der Gatter 33, 34 Störsignalspitzen an die Eingänge der bistabilen Kippstufe gelangen. Diese Anordnung sichert bei nur geringer Laufzeitverzögerung im Taktsignal und ohne Anwendung analoger oder digitaler Filterung einen großen Störabstand des Taktsi­ gnals zur Vermeidung fehlerhafter Taktimpulse.

Fig. 4 zeigt die Schaltung zur Aufbereitung des binären Meß­ werts 6b als Bestandteil der Steuerschaltung 6, bestehend aus einem Vorwärtszähler 44, einem Zählerstandsdekoder 45, einem Zustandspeicher 46, einer Steuerlogik 47. Über die Signallei­ tung S49 sind der Vorwärtszähler 44, der Zustandsspeicher 46 und die Steuerlogik 47 mit dem Ausgang der Zeitstufe 5 verbunden. Über Steuerleitungen S44, S45 und über eine Datenleitung S46 ist die Steuerlogik 47 mit dem Analog- Digital-Wandler 4 verbunden. Über eine Bussteuerleitung S47 und eine Datenleitung S48 ist die Steuerlogik 47 mit den Leitungskopplern 7 verbunden. Dem Eingang des Vorwärtszählers 44 werden Taktimpulsfolgen über das aufbereitete Taktsignal S36 zugeführt. Die Ausgänge S41 des Vorwärtszählers sind dem Zählerstandsdekoder 45 zugeführt. Die Ausgänge S42 des Zählerstandsdekoders 45 sind dem Zustandsspeicher 46 zugeführt. Die Ausgänge S43 des Zustandsspeichers 46 sind der Steuerlogik 47 zugeführt.

Die Steuerschaltung 47 bildet mit dem Eintreffen einer Taktimpulsfolge Steuersignale für den Analog/Digitalwandler 4 und bereitet dessen binäres, seriell ausgegebenes Datenwort für die Übermittlung zur Verarbeitungseinheit 10 auf. Der Analog/Digital-Wandler 4 wird über den Auswahleingang S44 und den Taktsignaleingang S45 angesteuert. Die Datenwortausgabe erfolgt bitseriell über die Datenleitung S46. Die nachtriggerbare monostabile Zeitstufe 5 wird von der ersten fallenden Taktflanke der Taktimpulsfolge getriggert, gibt über die Resetleitung S49 den Vorwärtszähler 44 und den Zustandsspeicher 46 frei und hält, nachgetriggert von jedem Takt der Taktimpulsfolge, die Steuerung 6 so lange aktiv, d. h. mit jedem Taktimpuls ändert sich der Zählerstand des Vorwärtszählers 44, bis die Taktimpulsfolge beendet ist und die Zeitspanne T nach dem letzten Taktimpuls abgelaufen ist. Das Zeitintervall T der nachtriggerbaren Zeitstufe ist so gewählt, daß T größer ist als die für die Datenübertragung zugelassene maximale Zeitspanne zwischen zwei Impulsen des Taktsignals und daß T kleiner ist als die kürzeste zugelassene Pausenzeit zwischen zwei Datenübertragungen. Mit jeder steigenden Taktflanke wird der Vorwärtszähler 44 fortgeschaltet. Über den Zählerstandsdekoder 45 werden bestimmten Zählerständen zugeordnete Zustandsbit des Zustandsspeichers 46 gesetzt und über die Steuerlogik 47 in die Steuersignale für den Analog/Digital-Wandler 4 umgesetzt. Weitere Zustandsbit dienen zur wahlweisen Erzeugung von Paritätsbit oder zur seriellen Umwandlung des Binärdatenworts vom Dualcode in den Graycode. Die monostabile Zeitstufe 5 wird mit jeder weiteren fallenden Taktflanke nachgetriggert.

Alle Zustandsänderungen des aus der Schaltung 6a und der Steuerschaltung 6b bestehenden digitalen Schaltungsteils 6 werden ausschließlich durch jeweils steigende Taktsignalflanken ausgelöst. Dadurch bleiben Einschwingvorgänge des analogen Schaltungsteils, welches aus der Schaltung 3 und dem A/D-Wandler 4 besteht, im Zeitintervall zwischen den positiven Taktflanken unbeeinflußt von Übersprechen durch Schaltvorgänge des digitalen Schaltungsteils. Die erfindungsgemäße Anwendung der taktsynchron wirkenden Steuerschaltung 6 bietet gegenüber einer Realisierung mit Mikrocontroller mit notwendigerweise höherfrequentem und zum Taktsignal nicht synchronen Arbeitstakt den Vorteil der besseren Überschaubarkeit der Störbeeinflusung des analogen Schaltungsteils.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform mit einem induktiven Sensorelement 73, bestehend aus Erregerspule 50 und zwei Sekundärspulen SIN 51 und COS 52. Als A/D-Wandler 72 wird ein bekannter Resolver-Digitalwandler verwendet. Eine Schaltung 74 zur Aufbereitung der Sensorelement-Ausgangsspannung besteht aus spannungsbegrenzenden Bauelementen 58, 59, 60, 61, 62, 63, strom­ begrenzenden Bauteilen 64, 65, 66, 67, weiteren spannungsbegrenzenden Bauelementen 68, 69, 70, 71, einem Oszillator 57 und einem Verstärker 56 zur Erzeugung einer Referenzwechselspannung U54 und einer Sensor-Erreger­ spannung U51.

Der Analog/Digital-Wandler 72 und die Schaltung 74 zur Aufbereitung der Sensorelement-Ausgangsspannung sind vom Meßort entfernt angeordnet. Die Sensorelement-Erregerspannung U51 wird über den Verstärker 56 und über verdrillte Leitungen 53 der Erregerspule 50 des Resolvers zugeführt. Die in den Sekundärspulen 51, 52 induzierten Ausgangsspannungen U52 und U53 des induktiven Sensorelements werden mittels verdrillter Lei­ terpaare 54, 55 den spannungsbegrenzenden Bauelementen 58, ... 63 zugeführt. Über die strombegrenzenden Bauelemente 64, ... 67 und über weitere spannungsbegrenzende Bauelemente werden die Spannungen U52 und U53 dem Resolver-Digital-Wandler 72 zugeführt. Eine Referenzspannung U54 wird dem Resolver-Digital Wandler 72 vom Oszillator 57 zugeführt. Die Bauelemente 62, 63 begrenzen Überspannungen, die zwischen den Leitern der Leiter­ paare 54 bzw. 55 auftreten. Die Bauelemente 58, 59, 60, 61 begrenzen Überspannungen, die die Leiterpaare 54, 55 gegen das Bezugspotential führen. Realisierungen für spannungs- bzw. strombegrenzende Bauelemente sind Zenerdioden und Widerstän­ de, sie schützen die nachfolgenden elektronischen Schaltungs­ teile vor Zerstörung bei Auftreten von Überspannungen. Die Scheitelwerte der Sensorelement-Ausgangswechselspannungen U52 und U53 haben in bekannter Weise den Verlauf einer Sinus- und einer Cosinusfunktion abhängig von der mechanischen Winkel­ stellung der Resolverwelle. Durch Synchronmodulation und Verhältnisbildung mit dem Resolver/Digital Wandler 72 wird in bekannter Weise daraus eine entsprechende elektrische Größe, hier ein digitales Datenwort in seriellem Ausgabeformat gebil­ det.

Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß die über die Leiterpare 53, 53, 55 mit dem Resolver 73 verbundenen elektronischen Schaltungsteile vom Meßort entfernt angeordnet sind. Dies erlaubt Winkel unter rauhen Umgebungsbedingungen wie starke mechanischen, thermischen und elektromagnetischen Störeinwirkungen mit hoher Genauigkeit zu messen.

Fig. 6 und Fig. 7 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines induktiven Differential-Winkelsensors 94 zur Verwendung als induktives Sensorelement 73, bestehend aus einem Stator mit einem inneren zylindrischen Flußleitstück 84 und vier au­ ßenliegenden Flußleitstücken 80, 81, 82, 83, einem Rotor 91, einer auf dem inneren Flußleitstück angeordneten Erregerspule 89 und vier auf den äußeren Flußleitstücken angeordneten Spu­ len 85, 86, 87, 88. Die koaxial angeordneten Flußleitstücke sind an einer Stirnseite mit einem weiteren scheibenförmigen Flußleitstück 90 fest verbunden. Die gegenüberliegenden Stirn­ seiten der Flußleitstücke werden von dem scheibensegmentförmig gestalteten Rotor 91 teilweise überdeckt. Die Spulen 85, 87 und 86, 88 sind auf den jeweils gegenüberliegenden äußeren Flußleitstücken 80, 82 und 81, 83 angeordnet. Die Spulenpaare 85 und 87 sind um 90 Grad versetzt zu den Spulen 86 und 88 an­ geordnet. Die Spulenpaare 85 und 87 sowie 86 und 88 sind ge­ gensinnig in Serie verschaltet, so daß sich die in ihnen indu­ zierten Spannungen subtrahieren. Die Flußleitstücke und der Rotor bestehen aus magnetisch gut leitendem Material. Das Ro­ torsegment schließt den magnetischen Fluß zwischen den äußeren Flußleitstücken und dem inneren Flußleitstück abhängig von der Winkelstellung der Drehwelle, dabei wird maximal die Stirnsei­ te nur eines der äußeren Flußleitstücke ganz bedeckt. Die in den Spulen induzierten Spannungsamplituden werden entsprechend der Stellung des Rotorsegments moduliert. Die Scheitelwerte der über jeweils zwei Spulen abgegriffenen Differenzwechsel­ spannungen 92 und 93 haben sinus- und cosinusähnlichen Ver­ lauf. Durch mechanische Toleranzen des Luftspalts zwischen den Flußleitstücken und dem Rotor ergibt sich eine Fehlmodulation der Ausgangsspannungen. Da diese etwa proportional auf beide Ausgangsspannungen wirkt geht sie bei ratiometrischer Auswer­ tung, das heißt Verhältnisbildung beider Spannungen, nicht in das Meßsignal ein. Ihre Umwandlung durch Synchrondemodulation und Verhältnisbildung in ein digitales Datenwort erfolgt mit dem Resolver/Digital Wandler in bekannter Weise.

Der Vorteil in der Verwendung eines induktiven Differential- Winkelaufnehmers besteht in der dem Resolver vergleichbaren Robustheit gegen die bereits genannten mechanischen, thermi­ schen und elektromagnetischen Störeinwirkungen. Auf Grund des einfachen Aufbaus aus wenig Teilen mit einfacher Geometrie ist der induktive Differential-Winkelsensor jedoch kostengünstiger herstellbar. Diese Ausführungsform ist geeignet Winkel zu mes­ sen bei geringeren Anforderungen an die Genauigkeit jedoch hohen Anforderungen an die Umweltverträglichkeit.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß Struktur und weitgehend auch Einzelheiten der Aus­ führungsformen mit den Sensorelementen Potentiometer, Resolver und induktiver Differential-Winkelsensor untereineander gleich sind. So können elektrische und mechanische Schnittstellen und Logikprogramme gleichartig und damit kostengünstig gestaltet werden. Dies erlaubt eine besonders kostengünstige Realisie­ rung einer Reihe von Winkel- bzw. Wegsensoren mit inegrierter oder vom Meßort abgesetzter Sensorelektronik für den Einsatz bei jeweils unterschiedlichen Umgebungsbedingungen.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung zur Wegmessung. Ein Drehpotentio­ meter 104 als Sensorelement 2 der erfindungsgemäßen Anordnung ist Bestandteil einer Seilzug-Wegaufnehmervorrichtung zur Mes­ sung einer Wegstrecke X bestehend aus einem Meßseil 102 sowie, verbunden über eine Welle 103, Feder 100, Meßtrommel 101 und Potentiometer 104. Das Meßseil wird mit Hilfe der Feder auf die Meßtrommel aufgewickelt. Die mit Hilfe des Drehpotentiome­ ters gemessene Winkelposition der Meßtrommel ist ein Maß für die mit dem Meßseil überspannte Wegstrecke X.

Fig. 9 ist ein Signaldiagramm als Beispiel für die Übertragung der Winkelinformation vom Sensor 1 zur Auswerteeinheit 10. Einer Folge von Taktimpulsen, die von der Auswerteeinheit 10 dem Sensor zugeführt wird, wird eine Folge von Datenbits zu­ geordnet, die vom Sensor der Auswerteeinheit zugeführt wird. Die erste fallende Flanke der Taktimpulsolge löst eine Ana­ log-Digital Wandlung aus, die folgenden nächsten Datenbits aus, begin­ nend mit dem höchstwertigen Bit bN-1. Nach einer Zeitverzöge­ rung T auf die letzte steigende Taktflanke der Taktimpulsfolge gilt die Übertragung als beendet.

Claims (18)

1. Anordnung zur Analog-Digital-Wandlung und seriellen Übertragung von Meßwerten eines absolut messenden Drehwinkel- oder Wegsensors (1),

• 1. - mit einem Sensorelement (2) zur Erzeugung eines absoluten analogen Meßsignals,
• 2. - mit einer Schaltung (3) zur Aufbereitung des Ausgangssignals des Sensorelements (2),
• 3. - mit einem A/D-Wandler (4) oder Resolver/Digitalwandler mit bitserieller Ausgabe des digitalen Meßwertes und
• 4. - einer an den A/D-Wandler (4) angeschlossenen Steuerschaltung (6),

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. - die Schaltung (3) einen Verstärker (15) aufweist, der eingangsseitig mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist und ausgangsseitig eine Vergleichsspannung erzeugt, die einem ersten Eingang eines weiteren Verstärkers (16), einem Quotientenbildner (27) und einem Spannungsteiler (22, 23) zur Nullstellungskorrektur des Sensorelements (2) zugeführt wird,
• 2. - der Ausgang des weiteren Verstärkers (16) mit einem Eingangsanschluß des Sensorelements (2) verbunden ist,
• 3. - ein weiterer Spannungssteiler (17, 20) zur Verstärkungseinstellung des weiteren Verstärkers (16) vorgesehen ist,
• 4. - der Ausgang des weiteren Verstärkers (16) mit dem weiteren Spannungsteiler (17, 20) verbunden ist, und
• 5. - ein Ausgang des Sensorelementes (2) mit dem zweiten Eingang des Quotientenbildners (27) verbunden ist, dessen Ausgang den Ausgang der Schaltung (3) bildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel- oder Wegsensor (1) über eine Taktleitung (8) Taktimpulsfolgen einer Auswerteeinheit (10) empfängt und über eine Datenleitung (9) mit der Auswerteeinheit (10) verbunden ist.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine monostabile Zeitstufe (5) aufweist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung einen Leitungskoppler (7) aufweist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteiler (17, 20; 22, 23) variable Spannungsteiler sind.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (2) durch einen variablen Widerstand gebildet ist.

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände der Spannungsteiler (17, 20) etwa gleiche Temperaturkoeffi­ zienten aufweisen.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorelement (2) ein Resolver vorgesehen ist.

9. Anordnung zur Analog-Digital-Wandlung und seriellen Übertragung von Meßwerten eines absolut messenden Drehwinkelsensors (1), der über eine Taktleitung (8) Taktimpulsfolgen einer Auswerteeinheit (10) empfängt und über eine Datenleitung (9) mit der Auswerteeinheit (10) verbunden ist, -

• 1. mit einem Resolver/Digital-Wandler mit bitserieller Ausgabe des digitalen Meßwertes,
• 2. mit einem induktiven Sensorelement (73) zur Winkelmessung, das eine Erregerspule (50) und Sekundärspulen (51, 52) aufweist,
• 3. mit einer Schaltung (74) zur Aufbereitung des Ausgangssignals des Sensorelements,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. als Sensorelement ein induktiver Differential-Drehwinkelsensor, bestehend aus einem Rotor (91) und einem Stator (94), vorgesehen ist,
• 2. der Stator (94) ein inneres Flußleitstück (84), außenliegende Flußstücke (80 bis 83) sowie ein weiteres Flußleitstück (90) aufweist, und wobei Spulen (85 bis 89) auf den Flußleitstücken (80 bis 84) angeordnet sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (74) zur Aufbereitung des Ausgangssignals des Sensorelements strombegrenzende und spannungsbegrenzende Bauelemente (58 bis 71) aufweist, die zwischen das induktive Sensorelement (73) und den Resolver/Digital-Wandler (72) geschaltet sind.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußleitstücke (82, 83) um 180° auf dem Statorumfang versetzt bezüglich der Flußleitstücke (80, 81) angeordnet sind und daß die Flußleitstück-Paare (80, 82) und (81, 83) zueinander um 90° auf dem Statorumfang versetzt angeordnet sind.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den gegenüberliegenden Flußleitstücken (80, 82) und (81, 83) angeordneten Spulen (85, 87) und (82, 82) jeweils gegensinnig in Reihe geschaltet sind.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (91) scheibensegmentförmig ausgebildet ist und die Stirnseiten der Flußleitstücke (80 bis 83) magnetisch mit der Stirnseite des inneren Flußleitstückes (84) koppelt.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eines der Flußleitstücke (80 bis 83) annähernd vollständig oder zwei der Flußleitstücke (80 bis 83) teilweise von der Rotorfläche bedeckt sind.

15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufbereitung des binären Meßwerts die Schaltung (6) folgendes aufweist:

• 1. - einen Vorwärtszähler (44) für die Taktimpulse,
• 2. - einen dem Vorwärtszähler (44) nachgeschalteten Zählerstandsdekoder (45), der bei bestimmten Zählerständen des Vorwärtszählers (44) zugeordnete Zustandsbits in einem Zustandsspeicher (46), der dem Zählerstandsdekoder (45) nachgeschaltet ist, setzt,
• 3. - eine dem Zustandsspeicher (46) nachgeschaltete Steuerlogik (47), welche mit dem A/D-Wandler (4) verbunden ist, und
• 4. - zur Aufbereitung des Taktsignales (6a) zwei optische Übertragungselemente (30, 31), welche die Taktsignal-Spannung umsetzen und zwei UND-Gattern (33, 34) zuführt, welche wiederum mit UND-Gattern (35, 36) einer bistabilen Kippstufe verbunden sind.

16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. - zwischen einem der optischen Übertragungselemente (30) und einem UND- Gatter (33) eine Zeitverzögerungsstufe (32) angeordnet ist,
• 2. - wobei eines der UND-Gatter (33) direkt und das andere (34) über die Zeitverzögerungsstufe (32) mit jeweils einer der optischen Übertragungs­ einheiten (30, 31) verbunden ist.

17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. - ein Taktsignal (S36) an den Takteingang des Vorwärtszählers (44), den Takteingang des Zustandsspeichers (46) und einen Eingang der Steuerlogik (47) angelegt wird und
• 2. - der Ausgang der Zeitstufe (5) mit dem Rückstelleingang des Vorwärtszählers (44), mit dem Rückstelleingang des Zustandsspeichers (46) und mit einem Eingang der Steuerlogik (47) verbunden ist.

18. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (2) Bestandteil eines Meßseil-Wegaufnehmers ist.