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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Gerät, z.B. ein
Luftkernmeßgerät, und auf ein Verfahren zum Schaffen einer
Rückkopplung in einem Luftkernmeßgerät.
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Typische Analoganzeigen, wie z.B. in Armaturenbrettern
eines Fahrzeugs, nutzen Luftkernmeßgeräte, um Zeiger in bezug
auf Sensorwerte einzustellen. Der grundlegende Mechanismus
eines Luftkernmeßgeräts enthält eine im wesentlichen
kreisförmige Scheibe aus magnetisiertem Material, die an einer
Spindel befestigt und von zumindest zwei Drahtspulen umgeben
ist, wobei zumindest eine Spule typischerweise senkrecht zu der
anderen Spule steht. Wenn durch die Spulen ein elektrischer
Strom fließt, wird ein magnetisches Feld erzeugt, das auf die
magnetisierte Scheibe eine Kraft ausübt. Die Winkelrichtung des
durch die Spulen erzeugten Feldes hängt in erster Linie von der
Anzahl Amperewindungen in jeder der Spulen ab. Das erzeugte
resultierende magnetische Feld kann durch die Vektoraddition
der durch jede der Spulen erzeugten Felder dargestellt werden.
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Das grundlegende Luftkernmeßgerät mit zwei Spulen wird
typischerweise gemäß einem von zwei Verfahren angetrieben. In
dem in Figur 1 dargestellten ersten Verfahren wird eine Spule
38 durch einen Lastwiderstand 34 auf eine festgelegte Spannung
Vign vorgespannt, während sich die Spannung über die Spule 36
mit einem Signal von einem Sensor 32 ändert, wobei ein Sender
mit variablem Widerstand mit einem Lastwiderstand 30 einen
Spannungsteiler zwischen Vign und der Erdung bildet. Während
sich die Spannung über die Spule 36 ändert, ändert sich die
Richtung des resultierenden magnetischen Feldes, mit dem sich
der Rotor dreht, um sich selbst auszurichten.
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In dem in Figur 2 dargestellten zweiten grundlegenden
Verfahren wird ein Signal auf einer Leitung 50 von einem (nicht
dargestellten) Sensor, typischerweise ein Signal mit einer
Frequenz, die sich mit einem Fahrzeugparameter ändert, durch
eine Schaltung 52 in ein analoges Signal umgewandelt und in
eine Sinus/Kosinus-Treiberschaltung 56 eingegeben. Die
Sinus/Kosinus-Treiberschaltung 56 erzeugt auf einer Leitung 58
ein Signal, das dem Kosinus des gewünschten Ablenkwinkel des
Rotors proportional ist, und auf einer Leitung 60 ein Signal,
das dem Sinus des gewünschten Ablenkwinkels des Rotors
proportional
ist. Als Antwort auf die Signale auf den Leitungen 58
und 60 entwickeln Spulen 62 und 64 magnetische Felder mit
magnetischen Vektoren der Sinus- und Kosinus-Komponenten, die
mit der gewünschten Zeigerdrehung korreliert sind. Verschiedene
andere Verfahren, die hierin nicht dargelegt sind, werden auch
verwendet, um Luftkernmeßgeräte anzusteuern bzw. anzutreiben.
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Herkömmliche Antriebsverfahren für Luftkernmeßgeräte,
welche die oben dargelegten Verfahren einschließen, sind
typischerweise Systeme mit offenem Regelkreis, in denen ohne die
Verwendung irgendeiner Rückkopplungsinformation, was die
tatsächliche Zeigerstellung bzw. -lage anbetrifft,
Betätigungsströme an die Spulen angelegt werden, um die Werte der Ströme
zu korrigieren.
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Zeigerrichtungsfehler können von vielen Quellen herrühren.
Einige dieser Quellen schließen Streumagnetfelder, wie z.B. von
einem nahegelegenen Lautsprechermagneten, ein. Um einen Einfluß
von Streumagnetfeldern auf das Meßgerät zu verhindern, ist
typischerweise ein magnetisches Nebenschlußgehäuse (Haube) um die
Spulen und den Rotor des Meßgeräts angebracht. Die Nebenschluß
hauben müssen aus teuren Legierungen hergestellt oder
wärmebehandelt sein, um zu verhindern, daß sie durch die Spulen
magnetisiert werden, was ebenfalls Fehler erzeugen würde.
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Andere Zeigerrichtungsfehler können von Änderungen im
Durchmesser des Drahtes herrühren, der zum Wickeln der Spulen
verwendet wird. Da sich der Durchmesser des Drahtes ändert,
ändert sich die Impedanz, was bewirken kann, daß sich der Strom
durch den Draht ändert. Zeigerrichtungsfehler können aufgrund
unausgeglichener oder schwerer Zeiger auftreten. Das in den
Luftkernmeßgeräten typischerweise verwendete dämpfende Fluid
kann ebenfalls eine mechanische Hysterese erzeugen, die zu
Zeigerfehlern führen kann.
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In Kraftfahrzeugsystemen ist eine Verringerung von
Zeigerrichtungsfehlern wünschenswert, weil Meßgerätfehler zu
Beschränkungen am Aufbau des Meßgeräts, Gewährleistungskosten für
Meßgeräte mit großen Ungenauigkeiten und erhöhten
Kalibrierungskosten führen können, um die Fehler zu verhindern. US-A-
3828254 offenbart ein Gerät gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1. US-A-3045227 offenbart ein Gerät mit einem Rotor, zwei
Spulen, Wechselstrom erzeugenden Mitteln und Detektiermitteln
zum Detektieren eines Wechselstrom-Ausgangssignals.
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Die vorliegende Erfindung soll ein verbessertes Gerät, wie
z.B. ein Luftkernmeßgerät, schaffen.
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Ein Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung ist über US-A-
3828254 durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1
spezifizierten Merkmale gekennzeichnet.
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Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Schaffen einer Rückkopplung in
einem Luftkernmeßgerät geschaffen, wie in Anspruch 7
spezifiziert ist.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das Problem
eines Positions- bzw. Lagefehlers in Luftkernmeßgeräten zu
lösen, indem eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen
der Lage magnetischer Rotoren geschaffen wird, wobei die
Verwendung einer Rückkopplung ermöglicht wird, um den Zeiger des
Luftkernmeßgeräts genau einzustellen bzw. zu positionieren. Das
Gerät kann ein allgemeiner Lagesensor sein.
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Die Erfindung verwendet ein neu entdecktes Phänomen, das
den vom Fachmann in der Technik von Luftkernmeßgeräten
herkömmlicherweise angewendeten Kenntnissen zuwiderläuft. Anstatt
den magnetischen Rotor des Luftkernmeßgeräts wie eine Luftlücke
zu behandeln, wie es vom Fachmann herkömmlicherweise getan
wird, wird der magnetische Rotor verwendet, um die Drehlage der
Spindel unter Verwendung eines Phänomens einer magnetischen
Kopplung des magnetischen Rotors elektrisch zu bestimmen.
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In dem typischen Luftkernmeßgerät sind die beiden Spulen im
wesentlichen senkrecht zueinander angebracht und weisen eine
sehr geringe magnetische Kopplung auf. Die magnetische Spindel
des Luftkernmeßgeräts "verbindet" jedoch die beiden Spulen,
wobei sie eine magnetische Kopplung in einer von der relativen
Lage der Pole der magnetischen Spindel abhängigen Weise
unterstützt.
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Ein Wechselstrom-Eingangssignal wird an eine Spule angelegt
und wird durch den Rotor mit der anderen Spule variabel
gekoppelt, wo sich ein Wechselstrom-Ausgangssignal entwickelt.
Der Kopplungsgrad, d.h. das Verhältnis zwischen den
Eingangs- und den Ausgangssignalen, hängt von der Drehlage des Rotors ab.
Eine Messung des Ausgangssignals oder des Verhältnisses
zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen kann dann als eine
Anzeige der Drehlage des Rotors und daher der Lage einer
Komponente verwendet werden, an der der Rotor befestigt ist.
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Die bevorzugte Ausführung wird mit einem Luftkernmeßgerät
verwendet. Das Luftkernmeßgerät kann in herkömmlicherweiser
Weise durch ein Treibersignal angetrieben werden. Ein
Wechselstrom-Eingangssignal wird dem Treibersignal für eine der Spulen
des Meßgeräts überlagert. Das Wechselstrom-Eingangssignal liegt
bei einer Frequenz, die hoch genug ist, so daß es den
Gleichstrombetrieb des Meßgeräts nicht stört. Von der anderen Spule
wird in Abhängigkeit von der Drehlage des Rotors ein
Wechselstrom-Ausgangssignal entwickelt und in einer
Rückkopplungsregelung verwendet, um das Treibersignal beruhend auf dem
Lagefehler des Rotors, falls vorhanden, einzustellen. Das
Wechselstrom-Ausgangssignal weist eine unabhängige
Steigung/Betragoder eine unabhängige Phase/Betrag-Beziehung für jede Drehlage
zwischen 0º und 90º und eine unabhängige Phase/
Betrag/Steigung-Beziehung für jede Drehlage zwischen 0º und 180º auf.
Der Vorteil dieser Ausführung ist, daß sie verwendet werden
kann, um eine Kompensation für die verschiedenen Ursachen eines
Zeigerstellung- bzw. Zeigerlage-Fehlers zu liefern, weil das
Treibersignal ansprechend eingestellt wird, bis der Zeigerlage-
Fehler gleich Null ist.
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Die Vorrichtung umfaßt zumindest zwei Spulen, die, wenn
durch sie ein elektrischer Strom fließt, ein magnetisches Feld
erzeugen, das auf einen drehbar angebrachten Rotor wirkt. Ein
Mittel zum Erzeugen eines Wechselstrom-Eingangssignals ist mit
einer der Spulen gekoppelt, und ein Wechselstrom-Ausgangssignal
wird an der anderen Spule in bezug auf die Drehlage des Rotors
entwickelt.
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Ein Verfahren zum Schaffen einer Rückkopplung beinhaltet
ein Anlegen eines Wechselstromsignals an eine von zumindest
zwei Spulen der Vorrichtung und Entwickeln eines Wechselstrom-
Ausgangssignals an der anderen Spule in bezug auf die Drehlage
eines magnetischen Rotors.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten
nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Figur 1 ein Beispiel eines bekannten Verfahrens zum
Antreiben eines Luftkernmeßgeräts ist;
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Figur 2 ein zweites Beispiel eines bekannten Verfahrens zum
Antreiben eines Luftkernmeßgeräts ist;
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Figur 3 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform
eines Luftkernmeßgeräts und dessen Betriebsgrundlagen ist;
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Figur 4 eine Veranschaulichung von Magnetflußmustern eines
Scheibenmagneten ist;
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Figur 5 eine graphische Darstellung des Betrags eines
gekoppelten Wechselstrom-Ausgangssignals in einem idealen
Meßgerät ist;
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Figur 6 eine graphische Darstellung des Betrags eines
gekoppelten Wechselstrom-Ausgangssignals in entweder einem
nichtidealen Meßgerät oder einem Meßgerät in einer
phasenverschiebenden Schaltung ist;
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Figur 7 eine Ausführungsform einer ein Meßgerät
antreibenden Vorrichtung ist;
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die Figuren 8a, 8b und 8c graphische Darstellungen eines
Beispiels eines Wechselstrom-Eingangssignals und von
phasengleichen und phasenverschobenen Wechselstrom-Ausgangssignalen
sind;
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Figur 9 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
eines Luftkernmeßgeräts ist;
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Figur 10 ein Vektordiagramm ist, welches durch das
Luftkernmeßgerät von Figur 9 erzeugte magnetische Felder
veranschaulicht;
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Figur 11 eine Schaltung einer bevorzugten Ausführungsform
eines Regelsystems für ein Meßgerät ist;
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Figur 12 ein schematisches Diagramm einer
Lage-Schaltungsanordnung der Schaltung von Figur 11 ist;
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Figur 13 eine graphische Darstellung eines Ausgangssignals
der Schaltungsanordnung von Figur 12 gegen die Rotorlage ist;
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Figur 14 ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform einer
weiteren Lage-Schaltungsanordnung ist;
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Figur 15 ein Zeitablaufdiagramm in bezug auf die
Schaltungsanordnung von Figur 14 ist;
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Figur 16 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer
weiteren Lage-Schaltungsanordnung ist;
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Figur 17 ein Zeitablaufdiagramm in bezug auf die
Schaltungsanordnung von Figur 16 ist;
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Figur 18 ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform einer
weiteren Lage-Schaltungsanordnung ist;
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Figur 19 eine graphische Darstellung eines Ausgangssignals
der Schaltungsanordnung von Figur 18 ist;
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Figur 20 ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform einer
weiteren Lage-Schaltungsanordnung ist;
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Figur 21 eine graphische Darstellung eines Ausgangssignals
der Schaltungsanordnung der Figuren 18 und 20 ist;
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Figur 22 eine graphische Darstellung der Ausgangssignale
der Schaltungsanordnung der Figuren 11, 12, 16, 18 und 20 ist;
und
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Figur 23 ein Flußdiagramm einer Ausführungsform eines
Verfahrens zum Regeln eines Meßgeräts ist.
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Gemäß Figur 3 enthält ein Luftkernmeßgerät 411 Spulen 412
und 414, die zwei, typischerweise in einem Luftkernmeßgerät zu
findenden Drahtwicklungen darstellen. Die beiden Wicklungen
sind typischerweise um senkrechte Achsen gewickelt, wobei die
Spule 412 um die O-D-Achse gewickelt ist und die Spule 414 um
die B-F-Achse gewickelt ist. Der magnetische Rotor 410 des
Meßgeräts ist typischerweise ein scheibenförmiger Magnet mit
Nord- und Südpolen 416 und 418, wie dargestellt ist. Die
Flußkennlinien eines zweipoligen magnetischen Scheibenmagneten, wie
z.B. des Rotors 410, sind als Flußlinien 420 in Figur 4
dargestellt.
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Gemäß Figur 3 liegt, wenn der Rotor 410 so gedreht wird,
daß der Nordpol 416 der Lage O entspricht, der Rotor zum Zwecke
der folgenden Beschreibung bei 0º der Drehung (dieser
Nullbezugspunkt findet auch auf den Rotor 86 in den Figuren 7 und 9
Anwendung). Desgleichen liegt, wenn der Rotor 410 so gedreht
wird, daß der Nordpol 416 Lagen A, B, C, D, E, F und G
entspricht, der Rotor 410 bei den Lagen mit 45º, 90º, 135º, 180º,
225º, 270º bzw. 315º.
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Die Spulen 412 und 414 des Meßgeräts 411 können mit einem
Treibersignal für eine normale Drehung gespeist werden, um eine
Winkeldrehung des Rotors 410 zu beeinflussen. Die Spule 412 ist
zusätzlich mit einer Wechselstrom-Signalquelle gekoppelt, so
daß ein Wechselstrom-Ausgangssignal dem Teil des Treibersignals
in der Spule 412 überlagert wird. Falls die Spulen 412 und 414
perfekt senkrecht stehen, gibt es keine magnetische Kopplung
des Wechselstrom-Eingangssignals von der Spule 412 zu 414. Der
Rotor 410 weist jedoch eine induktive Kopplung bzw. magnetische
Flußverkettung mit jeder Spule auf und schafft daher eine
magnetische Flußverkettung zwischen den Spulen 412 und 414,
wobei ein gekoppeltes Wechselstrom-Ausgangssignal (worauf unten
als "Wechselstrom-Ausgangssignal" verwiesen wird) an der Spule
414 als Antwort auf das Wechselstrom-Eingangssignal an der
Spule 412 induziert wird. Weil das Treibersignal für eine
Drehung im wesentlichen ein Gleichstromsignal ist, bewirkt es
zwischen den Spulen 412 und 414 keine Signalkopplung.
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Die Flußverkettung zwischen der Spule 412 und dem Rotor 410
ist zu sin(i) proportional, worin i der Winkel zwischen dem
Nordpol 416 (oder Südpol 418) und einer durch die Punkte B und
F gezogenen Linie ist. Die Flußverkettung zwischen der Spule
414 und dem Rotor 410 ist zu sin(j) proportional, worin j der
Winkel zwischen dem Nordpol 416 (oder dem Südpol 418) und einer
durch die Punkte D und O gezogenen Linie ist. Weil Magnetflüsse
additive Vektoren sind, verbindet der Rotor 410 die beiden
Spulen mit einer zu sin(i)sin(j) proportionalen Flußverkettung.
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Da die Flußverkettung zwischen den Spulen 412 und 414 von
der Drehlage des Rotors 410 abhängig ist, ist auch der Betrag
des Wechselstrom-Ausgangssignals in der Spule 414 von der
Drehlage des Rotors 410 abhängig. Figur 5 veranschaulicht bezüglich
des Drehwinkels des Rotors 410 den Betrag des Wechselstrom-
Ausgangssignals in der Spule 414 für ein ideales Meßgerät mit
perfekt senkrechten Spulen und einem perfekt symmetrischen
magnetischen Rotor.
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In Figur 5 repräsentiert eine Kurve 430 den Betrag des
Wechselstrom-Ausgangssignals gegen den Drehwinkel. Da der
Nordpol 416 zwischen den Punkten O, A, B, C, D, E, F und G gedreht
wird, weist der Betrag 430 vier Minima 428, vier Maxima 422,
vier Perioden mit einer positiven Flanke bzw. Steigung 424 und
vier Perioden mit einer negativen Steigung 426 auf. Wegen der
Drehung weist die Kurve 430 vier gleiche Keulen 434, 436, 438
und 440 auf. Die Minima 428, wo das gekoppelte Wechselstrom-
Ausgangssignal praktisch Null ist, treten bei den Punkten O, B,
D und F auf, die durch 90º getrennt sind und der Lage der
Nord- und Südpole 416 und 418 entsprechen, wenn sie zu einer der
Achsen der Spulen 412. oder 414 parallel sind. Die Maxima 422
des Betrags in dem Wechselstrom-Ausgangssignal treten bei den
Punkten A, C, E und G auf und sind durch 90º getrennt und
idealerweise 45º von jedem benachbarten Minimum 428 entfernt.
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Figur 6 stellt eine Kurve 432 des Betrags eines
Wechselstrom-Ausgangssignals in einem nicht-idealen Meßgerät dar.
Falls z.B. die Spulen 412 und 414 nicht genau senkrecht sind,
werden die vier Keulen 442, 444, 446 und 448 der Kurve nicht
gleich sein. Die vier Minima können so verschoben sein, daß sie
nicht genau 45º von den benachbarten Maxima entfernt liegen.
Falls außerdem der magnetische Rotor nicht genau symmetrisch
ist, wie in dem Fall, in dem ein Pol eine höhere Flußdichte als
der andere Pol aufweist, werden dann die vier Keulen der Kurve
432 nicht gleich sein, und die Minima können wie dargestellt
verschoben sein. Obwohl die Keulen nicht gleich und die Minima
verschoben sind, sind die Keulen 442 und 446 in der Höhe und
ander in der Höhe und Breite gleich.
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Ein anderer Faktor, der die Eigenschaften des Wechselstrom-
Ausgangssignals beeinflussen kann, ist die mit den Spulen des
Meßgeräts verbundene Schaltungsanordnung. Falls die ausgeführte
Schaltungsanordnung eine Phasenverschiebung in dem
Wechselstromsignal bewirkt, können die Minima verschoben werden, und
die Keulen können, wie in Figur 6 dargestellt, ungleichmäßig
werden.
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Gemäß Figur 7 enthält die Ausführungsform der dargestellten
Vorrichtung eine Wechselstrom-Signalquelle 80, Spulen 82 und 88
und einen magnetischen Rotor 86. Die Spulen 82 und 88 sind so
angeordnet, daß, falls jede Spule einen durch sie fließenden
elektrischen Strom aufweist, durch jede Spule in unmittelbarer
Nähe zum Rotor 86 ein zu den Linien 84 und 90 paralleles
magnetisches Feld erzeugt wird. Die bevorzugte Ausführung ist, die
Spulen 82 und 88 so anzubringen, daß, falls durch sie ein
elektrischer Strom fließt, die durch jede Spule erzeugten
magnetischen Felder im wesentlichen senkrecht sind. Der magnetische
Rotor 86 weist einen zweipoligen Magneten auf, ist vorzugsweise
eine runde Scheibe und ist durch irgendein geeignetes Mittel
auf einer bezüglich den Spulen 82 und 88 festgelegten Achse
drehbar angebracht.
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Der Rotor 86 ist so angebracht, daß sich seine Drehlage mit
einem meßbaren Parameter ändert. Beispiele schließen ein
Anbringen des Rotors 86 auf einem Rad ein, um die Stellung bzw.
Lage des Rades abzufühlen bzw. zu erfassen, oder auf einer
Lenkradwelle, um eine Lenkradstellung zu erfassen, oder eine
Verwendung des Rotors als den Rotor eines Luftkernmeßgeräts, um
die Lage des Meßgerätzeigers zu erfassen.
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Die Wechselstrom-Signalquelle 80 liefert ein Wechselstrom-
Eingangssignal an die Spule 82, das dazu beiträgt, zum Pfeil 84
parallele magnetische Felder durch die Spule 82 zu erzeugen.
Die Frequenz des Wechselstromsignals liegt vorzugsweise
zwischen 20 und 40 kHz, hoch genug, um in der Spule 82 kein
hörbares Rauschen zu erzeugen, und niedrig genug, um keine
signifikante Hochfrequenzstörung zu erzeugen. Obwohl 20 bis 40 kHz
der bevorzugte Bereich ist, können andere Frequenzbereiche
verwendet werden. Wie unten weiter beschrieben ist, kann das
Wechselstrom-Eingangssignal mit irgendeinem anderen, an die
Spule 82 angelegten Signal summiert werden.
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Die durch die Spule 82 erzeugten magnetischen Felder sind
durch einen Magneten 86 mit der Spule 88 gekoppelt, was
bewirkt, daß ein Wechselstrom-Ausgangssignal in der Spule 88 ent
wickelt wird. Wo zwei Spulen senkrechte Felder erzeugen, gibt
es normalerweise zwischen den beiden Spulen keine Kopplung. Der
Magnet 86 kann jedoch eine Kopplung zwischen den beiden Spulen
82 und 88 in bezug auf die Drehlage des magnetischen Rotors 86
erzeugen. In Abhängigkeit von der Drehlage des Magneten 86
ändern sich der Betrag und die Phase des in der Spule 88
entwickelten Wechselstrom-Ausgangssignals.
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Der Bereich des Verhältnisses des Betrags des Wechselstrom-
Ausgangssignals zum Betrag des Wechselstrom-Eingangssignals
(Ausgangssignal-zu-Eingangssignal-Verhältnis) ändert sich in
Abhängigkeit von der Lage der Spulen. Der breiteste Bereich
eines Ausgangssignal-zu-Eingangssignal-Verhältnisses wird
erreicht, falls die Spulen 82 und 88 im wesentlichen senkrecht
zueinander stehen. Obwohl die Ausführungsform arbeitet, falls
die Spulen 82 und 88 zueinander nicht senkrecht stehen, ist die
Leistung unter solchen Umständen nicht optimal. Die Phase des
Wechselstrom-Ausgangssignals kann die gleiche wie die Phase des
Eingangssignals sein oder umgekehrt eine Phasenverschiebung von
180º aufweisen. Die Figuren 8a, 8b und 8c zeigen ein
Wechselstrom-Eingangssignal 53, ein Beispiel eines mit dem
Eingangssignal 53 phasengleichen Wechselstrom-Ausgangssignals 55 und
ein Beispiel eines Wechselstrom-Ausgangssignals 57 mit einer
Phase, die zu der des Eingangssignals 53 entgegengesetzt ist.
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Das in der Spule 88 entwickelte Wechselstrom-Ausgangssignal
kann durch verschiedene Mittel über die Spule 88 z.B. zwischen
einer Leitung 92 und der Erdung detektiert werden und kann zu
verschiedenen Zwecken als eine Anzeige der Drehlage des Rotors
86 verwendet werden. Eine einfache Ausführung von Mitteln zum
Detektieren des Wechselstrom-Ausgangssignals ist in Figur 7
dargestellt, wo das Signal auf Leitung 92 mit Leitung 96
gekoppelt werden kann, dem Eingang eines
Wechselstrom-Signalmeßgeräts 94, das als Antwort auf den Betrag des
Wechselstromsignals auf Leitung 92 die Lage des Rotors 86 durch eine
Bewegung eines Zeigers anzeigen kann.
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Figur 9 zeigt ein Luftkernmeßgerät, das eine
Ausführungsform des Rotors enthält. Das dargestellte Meßgerät hat Spulen
und 12, die Spule 10 ist senkrecht zur und über die Spule 12
kreuzgewickelt, wie dargestellt ist, wobei beide Spulen um
einen Spulenkörper 11 gewickelt sind, der typischerweise aus
Kunststoffmaterial aufgebaut ist. Innerhalb der Wicklungen
beider Spulen des Meßgeräts befindet sich ein magnetischer
Rotor 86, hier ein zweipoliger Magnet der bevorzugten runden
Zylinderform. Der magnetische Rotor 86 ist vorzugsweise aus
einem Material, wie z.B. polymer-verbundenem Ferrit,
Glasfernt, Alnico , oder einem anderen entsprechenden Material
aufgebaut und zu einem Permanentmagneten magnetisch geladen. Der
Rotor 86 ist an einer Spindel 18 befestigt, die in dem
Spulenkörper 11 drehbar angebracht ist. Ein Zeiger 16 ist an dem Ende
der Spindel 18 so befestigt, daß sich der Zeiger 16 bewegt,
während sich die Spindel dreht. Das Meßgerät kann ein (nicht
dargestelltes) Zeigerrückstellmittel aufweisen, wie z.B. eine
Feder, einen Vorspannmagneten oder ein Gewicht, so daß der
Zeiger zu einer vorbestimmten Stellung bzw. Lage zurückkehrt,
wenn kein Strom durch die Spulen 10 und 12 fließt.
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Im Grundbetrieb wird im wesentlichen ein elektrischer
Gleichstrom an die Spulen 10 und 12 angelegt, die als Antwort
auf den Strom durch die Spulen magnetische Felder erzeugen. Die
magnetischen Felder addieren sich, wobei sie ein
zusammengesetztes magnetisches Feld mit einem zusammengesetzten
magnetischen Vektor bilden, mit dem sich der magnetische Rotor 86
dreht, um sich selbst auszurichten. Figur 10 ist ein
beispielhaftes Vektordiagramm, das zu dem Betrieb des in Figur 9
dargestellten Meßgeräts gehört. Allgemein erzeugt eine der Spulen
einen magnetischen Vektor 78 in einer ersten Richtung 72, und
die andere Spule erzeugt einen magnetischen Vektor 74 in einer
zweiten Richtung 70. Der resultierende magnetische Vektor, mit
dem sich der Rotor selbst ausrichtet, ist der Vektor 76, von
dem die Vektoren 74 und 78 Komponentenvektoren sind.
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Das Meßgerät von Figur 9 ist, wie dargestellt, vorzugsweise
in die Schaltung von Figur 11 gekoppelt. Gemäß Figur 11 wird
ein Eingangssignal auf einer Leitung 146 von einem (nicht
dargestellten) Sensor geliefert. Das Signal kann ein
Eingangssignal einer beliebigen Art sein, aber zum Zwecke dieser
Beschreibung wird angenommen, daß es ein sich änderndes
Spannungssignal ist, wie z.B. von einem Sender 32, und kann
nötigenfalls gefiltert werden. Ein A/D-Wandler 142 wandelt das
Signal in ein digitales Signal um, das auf einem Bus 148
ausgegeben wird. Das digitale Signal auf dem Bus 148 wird in eine
Seite eines Komparator/Fehlerverstärkers 122 gespeist. Der
andere Eingang des Komparator/Fehlerverstärkers 122 wird mit
einem Signal auf einer Leitung 143 versorgt, das die aktuelle
Lage des Rotors 86 (und des Zeigers 16) repräsentiert. Der
Komparator/Fehlerverstärker 122 gibt als Antwort auf die
Signale auf den Bussen 143 und 148 ein Signal an den
Sinus/Kosinus-Generator 110 aus, der das Mittel zum Liefern eines im
wesentlichen Gleichstroms enthält.
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Der Sinus/Kosinus-Generator 110 stellt seine
Ausgangssignale auf Leitungen 112, 114 und 118, 126 als Antwort auf das
Fehlersignal von dem Komparator/Fehlerverstärker 122 ein. Der
Sinus/Kosinus-Generator 110 liefert eine Spannung zwischen den
Leitungen 112 und 114, die ein im wesentlichen
Gleichstromsignal ist und den Sinus des Winkels des zusammengesetzten
magnetischen Vektors repräsentiert, der durch die Spulen 10 und
12 erzeugt werden soll. Desgleichen liefert der Sinus/Kosinus-
Generator eine Spannung zwischen den Leitungen 118 und 126, die
ein im wesentlichen Gleichstromsignal ist und den Kosinus des
Winkels des zusammengesetzten magnetischen Vektors
repräsentiert, der durch die Spulen 10 und 12 erzeugt werden soll.
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Das Signal auf Leitung 114 ist durch einen Verstärker 120
mit Verstärkungsfaktor 1 mit einem Anschluß der Spule 12 des
Meßgeräts gekoppelt. Das Signal auf Leitung 112 ist durch einen
Vorwiderstand 128 und einen Verstärker 130 mit
Verstärkungsfaktor 1 mit dem anderen Anschluß der Spule 12 des Meßgeräts
gekoppelt. Durch diese Verbindungen fließt ein Strom mit einer im
wesentlichen Gleichstromkomponente durch die Spule 12, die ein
magnetisches Feld mit einem Vektor erzeugt, der die
Sinus-Komponente des gewünschten zusammengesetzten magnetischen Vektors
enthält.
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Desgleichen ist das Signal auf Leitung 118 durch einen
Verstärker 116 mit Verstärkungsfaktor 1 mit einem Anschluß der
Spule 10 gekoppelt. Das Signal auf Leitung 126 ist durch einen
Verstärker 140 mit Verstärkungsfaktor 1 und eine
Induktionsspule 134 mit dem anderen Anschluß der Spule 10 gekoppelt.
Durch diese Verbindungen fließt ein Strom mit einer im
wesentlichen Gleichstromkomponente durch die Spule 10, die ein
magnetisches Feld mit einem Vektor erzeugt, der die
Kosinus-Komponente des gewünschten zusammengesetzten magnetischen Vektors
enthält. Die Induktionsspule 134 wirkt wie ein Tiefpaßfilter
und hat praktisch keine Wirkung auf das durch die Leitungen 118
und 126 gelieferte Signal.
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Ein Wechselstrom-Signalgenerator 136 erzeugt auf Leitung
150 ein Wechselstromsignal bei z.B. 20 kHz. Das
Wechselstromsignal auf Leitung 150 ist durch einen Kondensator 132 mit der
Leitung 129 und von dort durch einen Verstärker 130 mit der
Spule 12 gekoppelt. Ein Widerstand 128 isoliert das
Gleichstrompegelsignal auf Leitung 129 von dem Ausgang des
Sinus/Kosinus-Generators 110. Der resultierende Strom durch die Spule
12 ist ein Sinuswellensignal mit einem sich ändernden
Gleichstrom-Offset, wobei der Gleichstrom-Offset durch die
Spannungsdifferenz zwischen den Leitungen 112 und 114 gesteuert wird.
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An der Spule 10 erscheint ein Wechseistromsignal, dessen
Betrag und Phase von der Drehlage des magnetischen Rotors 86
abhängt (Figur 9). Falls der Rotor 86 ein zweipoliger Magnet
ist, gibt es genau eine Ausgangs-Betrag/Phasenkombination für
jede Lage des Rotors über 90º einer Drehung und eine Ausgangs-
Betrag/Phase/Steigungskombination für jede Lage des Rotors über
180º einer Drehung.
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Um 360º aufzulösen, kann eine Quadrantendetektion durch
Abfühlen bzw. Erfassen des Treiberstroms in den Spulen 10 und
12 eingerichtet werden. Die Quadrantendetektion nimmt an, daß
der Rotor in dem Quadranten ist, zu dem er angetrieben wird.
Die Quadranteninformation kann zusammen mit der Betrags-,
Phasen- und/oder Steigungsinformation verwendet werden, um die
Rotorlage zu bestimmen.
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Das über die Spule 10 entwickelte Wechselstromsignal wird
durch ein Filter 124 gefiltert. Der Mittelpunkt bzw. die Mitte
des Filters 124 kann konzipiert sein, um die Frequenz des
Wechselstrom-Signalgenerators 136 zu verfolgen, so daß der
Wechselstrom-Signalgenerator 136 nicht prazise sein muß. Um
dieses Verfolgen zu unterstützen, kann die Leitung 150 zu dem
Filter 124 geführt werden. Der Aufbau des Filters 124 kann vom
Fachmann einfach ausgeführt werden.
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Das durch das Filter 124 ausgegebene gefilterte Signal
erscheint auf Leitung 152 und wird in eine
Lage-Schaltungsanordnung 138 gespeist. Das durch den Wechselstrom-Signalgenerator
136 auf Leitung 150 entwickelte Signal wird ebenfalls in die
Lage-Schaltungsanordnung 138 gespeist.
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Ein Beispiel der Lage-Schaltungsanordnung 138 ist in Figur
12 dargestellt und umfaßt Spitzendetektoren 162 und 174, einen
Speicher 180, einen D/A-Wandler 182, Verhältnis-Schaltungen 168
und 172 und einen A/D-Wandler 160. Die Signale auf den
Leitungen 152 und 150 werden in die Spitzendetektoren 162 bzw. 174
eingegeben. Die detektierten Spitzensignale werden auf
Leitungen 164 und 176 ausgegeben und in die
Verhältnis-Schaltungsanordnung 172 eingegeben, die das Verhältnis des
Spitzenamplitudensignals von der Spule 10 zum Spitzenamplitudensignal
von der Spule 12 nimmt. Das Verhältnis wird verwendet, um die
Effekte der sich ändernden Sinuswellenamplituden infolge von
Fluktuationen in der Energieversorgung für den Wechselstrom-
Signalgenerator 136 zu beseitigen. Das in der Verhältnis-
Schaltungsanordnung 172 entwickelte Verhältnis wird auf Leitung
170 ausgegeben und in die Verhältnis-Schaltungsanordnung 168
eingegeben. Die Verhältnis-Schaltungsanordnung 168 erzeugt ein
Verhältnis der Ausgabe der Verhältnis-Schaltungsanordnung 172
zum maximalen Verhältnis und liefert dieses auf Leitung 178.
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Das maximale Verhältnis auf Leitung 178 wird entweder von
einer Testroutine entwickelt bzw. hervorgebracht, die während
der Herstellung der Fahrzeuginstrumentierung ausgeführt werden
kann, oder während eines Initiierungszyklus der
Schaltungsanordnung, den man jedesmal laufen lassen kann, wenn das
Fahrzeug gestartet wird. Die Testroutine sendet auf Leitung 146
(Figur 11) ein Testsignal, das sich vom minimalen
Eingangssignal zum maximalen Eingangssignal ändert, wobei das Meßgerät
und der Rotor 86 alle Zeigerlagen durchlaufen. Während der
Routine wird das Verhältnis der Signale auf den Leitungen 152
und 150 auf Leitung 170 z.B. durch einen Spitzendetektor 184
überwacht. Die Spitze des Signals auf Leitung 170 während der
Testroutine ist das maximale Verhältnis und wird z.B. durch
einen A/D-Wandler 186 in ein digitales Signal umgewandelt und
mit einem Programmierimpuls auf Leitung 144 in den Speicher 180
programmiert. Falls die Testroutine nur während der
Fahrzeugherstellung läuft, können der Spitzendetektor 184 und der A/D-
Wandler 186 externe Schaltungen sein.
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Das im Speicher 180 gespeicherte maximale Verhältnis wird
über den D/A-Wandler 182 auf Leitung 178 geliefert. Das Signal
auf Leitung 166, die Ausgabe der Verhältnis-Schaltungsanordnung
168, ist gleich dem auf Leitung 181 (Vref), wenn das Signal auf
Leitung 170 gleich dem auf Leitung 178 ist; ist im allgemeinen
kleiner als das auf Leitung 181, wenn das Signal auf Leitung
170 kleiner als das auf Leitung 178 ist; und ist gleich Null,
wenn das Signal auf Leitung 170 gleich Null ist. Das Signal auf
Leitung 166 wird in einen A/D-Wandler 160 gespeist, dann in
einen Funktionsgenerator 161 und auf einem Bus 143 ausgegeben.
Das Signal auf dem Bus 143 ist sowohl ein Maß des Wechselstrom-
Ausgangssignals als auch eine Anzeige der Lage des Rotors 86
(und Zeigers 16) (Rotorlage-Signal). Der Bus 143 liefert das
Rotorlage-Signal an den Komparator/Fehlerverstärker 122 (Figur
11), der die im wesentlichen Gleichstrom-Sinus- und Kosinus-
Treibersignale zu den Spulen 10 und 12 ändert, falls das Signal
auf dem Bus 143 eine ungeeignete bzw. falsche Positionierung
des Rotors 86 anzeigt.
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Die obige Schaltungsanordnung liefert ein unabhängiges
Zeigerlage-Signal für die ersten 45º einer Zeigerdrehung. Figur
13 veranschaulicht den Betrag des Ausgangssignals auf Leitung
166 (Bezugszahl 171) in bezug auf die Drehlage des Rotors. Der
Funktionsgenerator 161 kann eine Nachschlagtabelle enthalten,
um das Signal auf Leitung 166 zu linearisieren, wie durch die
Linie 173 angegeben ist.
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Ein unabhängiges Zeigerlage-Signal für 90º einer
Zeigerdrehung kann durch eine Schaltung geliefert werden, die eine
Schaltungsanordnung zur Phasenunterscheidung zwischen dem
eingegebenen Sinuswellensignal auf Leitung 150 und dem
ausgegebenen Sinuswellensignal auf Leitung 152 enthält. Figur 14
veranschaulicht eine Schaltungsanordnung, die, wenn sie mit der
Schaltungsanordnung von Figur 12 kombiniert wird, eine
Lageregelung für die ersten 90º einer Zeigerdrehung ermöglicht.
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Die Schaltungsanordnung in Figur 14 ist zwischen die
Leitung 166 von Figur 12 und den A/D-Wandler 160 gekoppelt. Im
allgemeinen kann eine die Schaltungsanordnung in Figur 14
enthaltende Vorrichtung sowohl einen Betrag als auch eine Phase
des Meßgerät-Rückkopplungssignals detektieren und ein
Ausgangssignal mit einem unabhängigen Wert für die ersten 90º einer
Drehung des Luftkernmeßgeräts liefern.
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Spezieller werden die eingegebenen und ausgegebenen
Sinuswellensignale auf den Leitungen 150 und 152 in die
Schaltungsanordnung 210 zur Phasenunterscheidung eingegeben, die ein
Signal auf Leitung 192 ausgibt, das hoch ist, wenn die beiden
Signale phasengleich sind, und niedrig, wenn die beiden Signale
phasenverschoben sind. Das Signal auf Leitung 166, das das
Verhältnis der Eingabe-zu-Ausgabe-Beträge ist (Figur 12), wird
in die mit Verstärkern 206 und 224 in Zusammenhang stehende
Schaltungsanordnung gespeist. Der Verstärker 206 und
zugeordnete Widerstände 201, 202, 204 und 208, die alle den gleichen
Widerstand haben, subtrahieren das Signal auf Leitung 166 von
dem Referenzsignal auf Leitung 181. Die Leitung 181 ist das
gleiche Spannungsreferenzsignal, auf das der A/D-Wandler 186
und der D/A-Wandler 182 in Figur 12 bezogen sind. Die Ausgabe
des Verstärkers 206 auf Leitung 212 ist gleich VREF - V&sub1;&sub6;&sub6;.
Leitungen 181 und 166 werden ebenfalls durch den
Summierverstärker 224 und zugeordnete Widerstände 218, 220 und 222, alle
mit gleichem Widerstand, eingegeben. Der Verstärker 224 liefert
ein Ausgangssignal auf Leitung 225, das gleich - (VREF + V&sub1;&sub6;&sub6;)
ist. Weil der Summierverstärker 224 die Summe der Signale auf
den Leitungen 166 und 181 invertiert, werden ein
Invertierverstärker 230 und Widerstände 226 und 228 verwendet, um das
Signal wieder zu invertieren und das Signal auf Leitung 231
auszugeben, das gleich VREF + V&sub1;&sub6;&sub6; ist.
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Das Phasenunterscheidungssignal auf Leitung 192 steuert ein
Übertragungsgatter 214 direkt und steuert ein
Übertragungsgatter 232 über einen Inverter 216. Die Übertragungsgatter 214 und
232 koppeln entweder das Signal auf Leitung 212 (VREF - V&sub1;&sub6;&sub6;)
oder das Signal auf Leitung 231 (VREF + V&sub1;&sub6;&sub6;) mit Leitung 200 je
nachdem, ob die Eingangs- und Ausgangssignale auf den Leitungen
150 und 152 (Figur 12) phasengleich oder phasenverschoben sind.
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Das Signal auf Leitung 200 wird dann in den A/D-WWandler 160 und
dann in den Funktionsgenerator 161 gespeist, der auf dem Bus
143 ein digitales Signal mit einem unabhängigen Wert für jede
Lage der ersten 90º einer Drehung des Luftkernmeßgeräts
liefert.
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Figur 15 veranschaulicht die Ausgangssignale auf den
Leitungen 166, 192 und 200 für die in Figur 14 dargestellte
Schaltungsanordnung. Wie man sehen kann, weist das Ausgangssignal
auf Leitung 200, die Kurve 177, einen unabhängigen Wert für
jede Lage der ersten 90º einer Drehung des Luftkernmeßgeräts
auf. Das Signal auf Leitung 200 liegt im allgemeinen unterhalb
von VREF, wenn die Sinuswellen-Eingangs- und -Ausgangssignale
auf den Leitungen 150 und 152 phasengleich sind, was in den
ersten 45º einer Drehung auftritt, und das Signal auf Leitung
200 liegt im allgemeinen oberhalb von Vref, wenn die
Sinuswellensignale auf den Leitungen 150 und 152 phasenverschoben sind,
was zwischen 45º und 90º einer Drehung des Meßgeräts auftritt.
Die Kurve 175 repräsentiert die Ausgabe des Funktionsgenerators
161.
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Die Figuren 16 und 18 veranschaulichen eine
Schaltungsanordnung, die, wenn sie mit der Schaltungsanordnung in den
Figuren 11 und 12 verwendet wird und zwischen die Leitung 166 und
den A/D-Wandler 160 gekoppelt ist, ein unabhängiges
Ausgangssignal für jede Lage der ersten 180º einer Drehung des Rotors
86 liefert, was eine Lageregelung des Rotors 86 für die ersten
180º einer Drehung erlaubt. Der Teil 305 der in Figur 18
dargestellten Schaltung dient zur Verwendung mit der in Figur 20
dargestellten Schaltungsanordnung und erlaubt eine Regelung der
Lage des Rotors 86 für die ganzen 360º einer Drehung des Rotors
86.
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Nach den Figuren 16 und 18 und den Signaldiagrammen in den
Figuren 17 und 19 arbeitet die dargestellte Schaltungsanordnung
im allgemeinen wie folgt.
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Die Schaltungsanordnung in Figur 12 bestimmt das Verhältnis
der Eingangs- und Ausgangssignale auf den Leitungen 150 und 152
und liefert das Verhältnissignal auf Leitung 166. Die
Schaltungsanordnung in Figur 16 bestimmt die Richtung der jeweiligen
Steigungen des Lage-Eingangssignals auf Leitung 146 und das
Ausgangsverhältnis auf Leitung 166 und liefert ein
Ausgangssignal auf Leitung 300 mit einem ersten Zustand, wenn die
Steigungen der Signale auf den Leitungen 146 und 166 in der
gleichen Richtung verlaufen (d.h. beide Steigungen sind positiv
oder negativ), und mit einem zweiten Zustand, wenn die
Steigungen der Signale auf den Leitungen 146 und 166 in
entgegengesetzten Richtungen verlaufen (d.h. eine Steigung ist positiv
und die andere Steigung negativ).
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Die in Figur 18 dargestellte Schaltungsanordnung verwendet
das Amplitudenverhältnis für Signale auf den Leitungen 150 und
152, die Phasendifferenz zwischen den Signalen auf den Lei
tungen 150 und 152 und die Information über die relative
Steigung von der in Figur 16 dargestellten Schaltungsanordnung, um
ein Ausgangssignal auf Leitung 240 zu liefern, das für jede
Lage der ersten 180º einer Drehung des Rotors 86 einen
unabhängigen Wert hat.
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Insbesondere wird nach Figur 16 das Lage-Eingangssignal auf
Leitung 146 in den A/D-Wandler 142 eingegeben, und das
Verhältnissignal auf Leitung 166 wird in den A/D-Wandler 274
eingegeben. Ein Taktgeber 234 liefert einen Taktimpuls auf Leitung
236 mit einer ansteigenden Flanke, auf die ansprechend die A/D
Wandler 142 und 374 in ihren jeweiligen Eingangssignalen von
den Leitungen 146 und 166 mitziehen. Mit der gleichen
ansteigenden Flanke rasten Haltekreise bzw. Halteschaltungen 238 und
240 in die vorherigen A/D-Wandlersignale von den A/D-Wandlern
142 bzw. 274 ein, was an die A-Eingänge von Komparatoren 242
und 244 Signale liefert, die den Betrag der Werte auf den
Leitungen 146 und 166 für den vorherigen Taktimpuls
repräsentieren, und Signale an den B-Eingängen, die die Werte auf den
Leitungen 144 bzw. 166 für den aktuellen Taktimpuls
repräsentieren.
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Der Betragskomparator 242 hat drei Ausgänge: einen A < B-
Ausgang, der hochfährt, wenn das Signal auf Leitung 146 eine
ansteigende Steigung hat; einen A = B-Ausgang, der hochfährt,
wenn das Signal auf Leitung 146 eine Steigung von im
wesentlichen Null hat; und einen A > B-Ausgang, der hochf ährt, wenn
das Signal auf Leitung 146 abnimmt oder eine negative Steigung
hat.
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Ahnlich hat der Betragskomparator 244 drei Ausgänge: einen
A < B-Ausgang, der hochfährt, wenn das Signal auf Leitung 166
eine positive Steigung hat; einen A = B-Ausgang, der hochfährt,
wenn das Signal auf Leitung 166 eine Steigung von im
wesentlichen
Null hat; und einen A > B-Ausgang, der hochfährt, wenn
das Signal auf Leitung 166 eine negative Steigung aufweist. Die
Betragskomparatoren 242 und 244 steuern Flipflop-Schaltungen
248 bzw. 250, so daß jede Flipflop-Schaltung ein logisches
hohes Signal an ein XNOR-Gatter 252 ausgibt, wenn die Steigung
der Signale auf den Leitungen 146 und 166 zunimmt, und die
Flipflop-Schaltungen 248 und 250 geben logische niedrige
Signale an das XNOR-Gatter 252 aus, wenn die Signale auf den
Leitungen 146 und 166 abnehmen. Das XNOR-Gatter 252 empfängt
von den Flipflop-Schaltungen 248 und 250 entweder zwei hohe
Signale oder zwei niedrige Signale, wenn die Steigungen der
Signale auf den Leitungen 146 und 166 die gleiche Richtung
aufweisen. Das Signal auf Leitung 300 fährt hoch, wenn beide
Signale auf den Leitungen 146 und 166 ansteigen und wenn beide
Signale auf den Leitungen 146 und 166 fallen. Andernfalls ist
die Leitung 300 niedrig bzw. im niedrigen Zustand.
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Um die Schaltung zu stabilisieren, wenn die Signale auf den
Leitungen 146 und 166 relativ unverändert bleiben, sind die A =
B-Ausgänge der Betragskomparatoren 242 und 244 mit einem NAND
Gatter 254 gekoppelt, das eine Ausgabe an ein UND-Gatter 256
liefert. Der zweite Eingang zum UND-Gatter 256 empfängt eine
zweite Eingabe von dem invertierten Taktimpuls durch den
Inverter 246. Das UND-Gatter 256 unterbindet ein Aktualisieren des
A/D-Wandlers 160, wenn sich beide Signale auf den Leitungen 146
und 166 nicht ändern.
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Der Inverter 246 invertiert den Taktimpuls, so daß die A/D-
Wandler 142 und 274 auf der ansteigenden Flanke des Taktsignals
auf Leitung 236 arbeiten können und so daß der A/D-Wandler 160,
wenn er durch das NAND-Gatter 254 und das UND-Gatter 256 nicht
gesperrt ist, auf der fallenden Flanke des Signals auf Leitung
236 arbeitet. Dies liefert für die Betragskomparatoren 242 und
244 Zeit, um zu arbeiten und zu stabilisieren, bevor der A/D-
Wandler 160 aktualisiert wird.
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Das Eingangssignal auf Leitung 240 für den A/D-Wandler 160
wird durch die bezüglich Figur 18 beschriebene
Schaltungsanordnung geliefert. Die Ausgabe des A/D-Wandlers 160 wird an
einen Funktionsgenerator 161 geliefert, der eine
EEPROM-Nachschlagtabelle oder ein Funktionsgenerator irgendeines anderen
geeigneten Typs sein kann, um die Ausgabe des A/D-Wandlers 160
an den Verstärker 122 und/oder den Sinus/Kosinus-Generator 110
in einer dem Fachmann bekannten Weise zu normieren, falls dies
gewünscht wird.
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Das Zeitablaufdiagramm in Figur 17 veranschaulicht das
Eingangssignal auf Leitung 166, das Phasensignal auf Leitung
192, das unten mit Bezugnahme auf Figur 18 beschrieben wurde,
und das Steigungssignal auf Leitung 300.
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Nach Figur 18 antwortet der Teil der dargestellten
Schaltungsanordnung auf die Ausgabe des Phasendiskriminators 210 auf
Leitung 192 und das Steigungssignal auf Leitung 300, um im
allgemeinen einen VREF-Wert (von Leitung 181) zu dem
Verhältnissignal auf Leitung 166 für jeden Vorschub von 45º in der
Drehung des Rotors 86 zu addieren. Desgleichen subtrahiert die
Schaltungsanordnung einen VREF-Wert auf Leitung 181 von dem
Verhältnissignal für jede 45º einer Drehung des Rotors 86 in
der umgekehrten Richtung.
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Figur 19 veranschaulicht das Ausgangssignal auf Leitung 240
für die ersten 180º einer Drehung. Für 0º - 45º ist das
Ausgangssignal auf Leitung 240 gleich dem Wert auf Leitung 166.
Für eine Drehung zwischen 45º - 90º ist das Ausgangssignal auf
Leitung 240 gleich dem doppelten der Referenzspannung auf
Leitung 181 minus dem Wert des Signals auf Leitung 166. Für
eine Drehung zwischen 90º - 135º ist das Ausgangssignal auf
Leitung 240 gleich dem doppelten Wert des Referenzsignals auf
Leitung 181 plus dem Wert des Signals auf Leitung 166. Für eine
Drehung zwischen 135º und 180º ist das Ausgangssignal auf
Leitung 240 das Vierfache des Wertes des Referenzsignals auf
Leitung 181 minus dem Wert des Signals auf Leitung 166.
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Wiederum nach Figur 18 wird das Verhältnissignal auf
Leitung 166 von dem Referenzsignal auf Leitung 181 subtrahiert,
das über einen Pufferverstärker 260 durch einen Verstärker 262
und zugeordnete Widerstände 264, 266, 268 und 270, die alle
gleiche Widerstände haben, geliefert wird, so daß die Ausgabe
des Verstärkers 262 gleich VREF - V&sub1;&sub6;&sub6; ist, was in das
Übertragungsgatter 274 gespeist wird. Das Verhältnissignal auf Leitung
166 wird in das übertragungsgatter 272 gespeist. Die Ausgabe
des Pufferverstärkers 260 wird in die Übertragungsgatter 278
und 301 gespeist, und alle Übertragungsgatter sind über
Widerstände 280, 286 und 288 mit einem Summierverstärker 284
gekoppelt.
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Der Summierverstärker 284 enthält einen zugeordneten
Widerstand 282. Die Werte der Widerstände 280, 282 und 286 sind
gleich, und der Wert des Widerstands 288 ist die Hälfte
desjenigen von 280, 282 und 286.
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Die Steigung des Signals auf Leitung 300 steuert das
Ubertragungsgatter 272, um das Signal auf Leitung 166 selektiv in
den Summierverstärker 284 zu speisen. Die Leitung 300 steuert
auch das Übertragungsgatter 274 über den Inverter 276, um über
den Widerstand 280 das Signal VREF - V&sub1;&sub6;&sub6; selektiv an den
Summierverstärker 284 zu liefern. Das Signal von Leitung 166 wird
mit dem Verstärker 284 gekoppelt, wenn das Steigungssignal
angibt, daß die Signale auf den Leitungen 146 und 166 Steigungen
mit dem gleichen Vorzeichen aufweisen. Das Signal VREF - V&sub1;&sub6;&sub6;
wird mit dem Verstärker 284 gekoppelt, wenn das Signal auf
Leitung 300 angibt, daß die Steigungen der Signale auf den
Leitungen 146 und 166 nicht das gleiche Vorzeichen haben.
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Das Signal VREF wird selektiv mit dem Summierverstärker 284
über das Übertragungsgatter 278 gekoppelt, das durch das Signal
auf Leitung 300 über den Inverter 276 gesteuert wird. Das
Übertragungsgatter 278 wird gesteuert, um VREF mit dem Verstärker
284 zu koppeln, wenn die Steigung des Signals auf Leitung 146
nicht das gleiche Vorzeichen wie die Steigung des Signals auf
Leitung 166 hat.
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Wenn die Signale auf den Leitungen 150 und 152
phasenverschoben sind, wie durch den Phasendiskriminator 210 bestimmt
wird, aktiviert der Inverter 302 das Übertragungsgatter 301,
das VREF über den Widerstand 288 mit dem Summierverstärker 284
koppelt.
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Ein Verstärker 312 und zugeordnete Widerstände 308 und 310
invertieren die Ausgabe des Verstärkers 284, der das Signal auf
Leitung 240 gemäß der in Figur 19 dargestellten
Veranschaulichung liefert. Wie man erkennen kann, liefert für jede Lage
der ersten 180º einer Drehung des Rotors 86 das Ausgangssignal
auf Leitung 240 einen unabhängigen Ausgabewert.
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Nach Figur 20 wird nun durch Hinzufügen einer
Schaltungsanordnung zur Quadrantendetektion zu der in den Figuren 11, 12,
14 und 18 dargestellten Schaltungsanordnung ein unabhängiges
Ausgangssignal auf Leitung 240 für jede Lage des Rotors 86
während einer vollständigen Drehung um 360º geliefert. Im
allgemeinen detektiert die in Figur 20 dargestellte
Schaltungsanordnung
zur Quadrantendetektion, ob die Lage des Rotors 86 in
den ersten 180º oder der zweiten 180º liegt und addiert das
Vierfache der Referenzspannung zu dem Ausgangssignal auf
Leitung 240, falls der Rotor 86 in den zweiten 180º einer Drehung
liegt, was effektiv das in Figur 19 dargestellte Ausgangssignal
auf Leitung 240 in der in Figur 21 dargestellten Weise
erweitert.
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Die in Figur 20 dargestellte Schaltung ist mit den
Leitungen 112, 118 und 126 in Figur 11 und mit Leitung 192 in Figur
18 gekoppelt. Die Signale auf den Leitungen 112 und 118, d.h.
das positive Sinussignal und negative Kosinussignal von dem
Sinus-Kosinus-Generator 110 werden in einen Differenzverstärker
320 eingegeben, um eine logische hohe Ausgabe an ein UND-Gatter
324 zu liefern, wenn das negative Kosinussignal größer als das
Sinussignal ist. Das Sinussignal auf Leitung 112 und das
Kosinussignal auf Leitung 126 werden in einen Differenzverstärker
322 gespeist, der ein logisches hohes Signal an ein UND-Gatter
326 ausgibt, wenn das Kosinussignal auf Leitung 126 größer als
das Sinussignal auf Leitung 112 ist. Der zweite Eingang zum
UND-Gatter 324 wird durch die Phasenleitung 192 gesteuert, und
der zweite Eingang zum UND-Gatter 326 wird durch die
Phasenleitung 192 über den Inverter 328 gesteuert. Das UND-Gatter 326
liefert ein hohes Ausgangssignal, wenn die Leitungen 152 und
150 phasenverschoben sind und wenn der Signalpegel auf Leitung
112 geringer als der Signalpegel auf Leitung 126 ist. Das UND-
Gatter 324 liefert das hohe Ausgangssignal, wenn die Leitungen
152 und 150 phasengleich sind und wenn das Signal auf Leitung
112 kleiner als das Signal auf Leitung 118 ist. Das
resultierende Ausgangssignal eines ODER-Gatters 330 auf Leitung 306 ist
logisch hoch, wenn die Drehlage des Rotors 86 größer als 180º
ist, und logisch niedrig, wenn sie geringer als 180º ist.
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Wiederum nach Figur 18 steuert das Signal auf Leitung 306
ein Übertragungsgatter 304, das das Signal VREF mit dem
Summierverstärker 284 über einen Widerstand 307 mit einem
Widerstandswert von einem Viertel desjenigen der Widerstände 280, 282 und
286 koppelt. Folglich ist das Übertragungsgatter 304 jedesmal
aktiv, wenn das Ausgangssignal auf Leitung 240 um ein
Vierfaches von VREF ansteigt. Das Zeitablaufdiagramm in Figur 22
veranschaulicht das Signal auf Leitung 166 und die Signale 400,
402, 404 und 406, welche die Ausgaben der Leitungen 112, 114,
118 bzw. 126 des Sinus-Kosinus-Generators 110 während 360º
einer Drehung sind. Figur 22 veranschaulicht auch das Signal
auf Leitung 306, das Signal auf Leitung 192 und das Signal auf
Leitung 300. Wie man erkennen kann, gibt es während 360º einer
Drehung auf Leitung 240 für jede Lage des Rotors 86 nur ein
Signal.
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Das Lagesignal auf dem Bus 143 ermöglicht eine Regelung
des Zeigers durch Rückkopplung, wie in den oben beschriebenen
Schaltungen veranschaulicht ist. Weil die Zeigerlage durch
Rückkopplung geregelt wird, können Lagefehler des Zeigers
beseitigt werden, und Meßgerätkonstruktionen können vereinfacht
werden. Beispielsweise muß man nicht länger gegen magnetische
Streufelder abschirmen, weil die Rückkopplungsregelung
Korrekturen von durch solche Streufelder induzierten Fehlern
ermöglicht.
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Figur 23 veranschaulicht die Schritte einer Ausführungsform
eines Verfahrens, das in den oben beschriebenen Schaltungen
implementiert ist, mit den Schritten eines Anlegens eines
ersten Gleichstromsignals an eine erste Spule eines Meßgeräts
(Schritt 502), eines Anlegens eines zweiten Gleichstromsignals
an eine zweite Spule eines Meßgeräts (Schritt 504), eines
Überlagerns eines Wechselstromsignals mit dem ersten
Gleichstromsignal (Schritt 506), eines Messens eines Wechselstrom-
Ausgangssignals, das über der zweiten Spule des Meßgeräts
entwickelt wird (Schritt 508), und eines Änderns von zumindest
einem der Gleichstromsignale als Antwort auf das gemessene
Wechselstrom-Ausgangssignal (Schritt 510).
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Es ist zu betonen, daß die Nullage des Rotors 86 bei jedem
Punkt liegen kann, nicht unbedingt bei einem Punkt für ein
maximales Verhältnis oder einem Punkt für ein minimales
Verhältnis. Verschiedene Nullagen des Rotors 86 können durch
Andem der Funktion des Funktionsgenerators 161 einfach
verschoben werden.