DE69702811T2

DE69702811T2 - Stabilisation einer elektronischen Schaltung zur Regelung des mechanischen Gangwerks einer Zeitmessvorrichtung

Info

Publication number: DE69702811T2
Application number: DE69702811T
Authority: DE
Inventors: Ermanno Bernasconi
Original assignee: Asulab AG
Current assignee: Asulab AG
Priority date: 1996-05-07
Filing date: 1997-05-05
Publication date: 2001-03-22
Anticipated expiration: 2017-05-06
Also published as: JP4065345B2; EP0806710B1; EP0806710A1; FR2748583A1; US5740131A; HK1005106A1; CN1165989A; JPH1048355A; CN1114137C; DE69702811D1; SG63704A1; EP0806710B2; DE69702811T3; FR2748583B1; TW330252B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zeitmeßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einem Generator für elektrische Energie, der einen Rotor und Mittel zum Liefern der elektrischen Energie als Antwort auf eine Drehung des Rotors enthält und von einer elektronischen Schaltung mit Mitteln zum Bremsen des Rotors des Generators geregelt wird.
Im allgemeinen treibt bei solchen Vorrichtungen eine Quelle für mechanische Energie einen Generator für elektrische Energie zur Versorgung der elektronischen Schaltung an. Der Rotor des Generators kann seinerseits von der elektronischen Schaltung gebremst werden, um den mechanischen Antrieb zu regulieren, indem er beispielsweise auf die Frequenz eines Quarzes geregelt wird. Für diese Zeitmeßvorrichtungen ist es wichtig, daß sie einen sehr genauen Antrieb besitzen, der durch einen Quarz oder dergleichen geregelt wird, ohne eine Batteriezelle oder einen Akkumulator zu benötigen, die eine beschränkte Lebensdauer haben.
Eine solche Zeitmeßvorrichtung ist beispielsweise im Patent US-A-3 937 001 beschrieben, in der die Frequenz der Wechselspannung des Generators mit der Frequenz eines Quarzes verglichen wird. In dieser Vorrichtung wird dann, wenn die Impulse des Generators in bezug auf die Impulse des Quarzes voreilen, der Rotor gebremst, indem der Generator durch einen Widerstand kurzgeschlossen wird. Wenn jedoch der Antrieb um ein gewisses Maß voreilt, kann die Bremsdauer des Rotors des Generators sehr groß werden, mit der Gefahr, daß die vom Generator stammende Versorgungsspannung für die elektronische Schaltung ungenügend wird.
Das Dokument EP-A-0 679 968 beschreibt eine andere Zeitmeßvorrichtung, die diesen Nachteil beseitigt, indem sie vorsieht, den Rotor während kurzer, in bezug auf seine Drehperiode festgelegter Zeitintervalle zu bremsen. Das Dokument zeigt insbesondere auf, daß die Bremsung zu Zeitpunkten ausgelöst werden muß, in denen der Wert der vom Generator stammenden Wechselspannung klein ist. Bremsimpulse werden somit zu den Zeitpunkten angelegt, zu denen die Wechselspannung das Vorzeichen wechselt, was durch einen Komparator erfaßt wird, dessen Schwelle auf das Referenzpotential, die Spannung null, festgelegt wird.
Leider ist festzustellen, daß sich solche Zeitmeßvorrichtungen verstellen. Ein Schütteln dieser Vorrichtungen oder wiederholte Stöße aus einem Winkel bewirken somit das Eintreten einer durch die Regelung nicht korrigierbaren Verzögerung.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen den Verlauf der Wechselspannung Ug und Meßimpulse SM, die mit zwei Schwellenkomparatoren des Standes der Technik erhalten wurden. In den Fig. 1 und 2 sind Meßergebnisse gezeigt, die durch einen Komparator mit einer Schwelle der Spannung null erhalten wurden. Fig. 1 zeigt die Entwicklung der Spannung Ug in Abhängigkeit von der Zeit, wobei der Wert 0 der Spannung der Schwelle null entspricht. Fig. 2 zeigt die Impulse SM am Ausgang des Komparators mit der Schwelle null in Abhängigkeit von der Zeit, wobei das Meßsignal SM je nach Ergebnis des Vergleichs von einem Zustand "0" in einen Zustand "1" wechselt. Es ist insbesondere zu erkennen, daß eine elektrische Störung der Spannung Ug zum Zeitpunkt t1 das Auftreten eines das Meßsignal SM verfälschenden Impulses I1 bewirkt. Diese elektrische Störung kann einfach eine Übertragung des Masserauschens sein.
Somit entstehen die festgestellten Funktionsstörungen scheinbar aufgrund eines Störimpulses 11, der von der elektronischen Schaltung als normale Impulse 12 oder 13 des Rotors registriert werden.
Um diese Störimpulse zu unterdrücken, kann ein Filter zur Glättung des Signals vorgesehen werden. Jedoch verzögert die Filterung das Auftreten der normalen Impulse. Nun müssen die Bremsimpulse aber, wie zu sehen war, ohne Verzögerung angelegt werden, sobald die Spannung Ug klein ist. Diese Lösung erfordert ferner platzraubende Filterkondensatoren, was sich auf die Miniaturisierung und die Integration der elektronischen Schaltung nachteilig auswirkt.
Eine andere in Betracht kommende Lösung besteht darin, die Schwelle des Komparators anzuheben. Jedoch muß die Komparatorschwelle zwei sich widersprechenden Bedingungen genügen. Zum einen muß sie hoch genug sein, um die Störimpulse zu maskieren. Zum anderen muß sie, wie oben zu sehen war, klein genug sein, damit die Bremsimpulse auftreten, wenn die Spannung des Generators klein ist.
In den Fig. 3 und 4 sind in ähnlicher Weise wie in den Fig. 1 und 2 Meßergebnisse gezeigt, die durch einen Komparator mit hoher Schwelle erhalten wurden. Der Komparator könnte ebenso ein Schmidt-Verstärker mit zwei Schwellen mit unterschiedlichen Werten sein. Die Schwelle Ut ist im Zeitdiagramm der Gene ratorspannung Ug, siehe Fig. 3, punktiert dargestellt. So ist eine Abschwächung der Generatorspannung Ug bei der Bremsung zum Zeitpunkt t4 und das Auftreten doppelter Impulse 14 und 15 (siehe Fig. 4) zu erkennen, was dem gesuchten Ziel widerspricht.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Stabilisierung der Arbeitsweise einer Zeitmeßvorrichtung mit durch eine elektronische Schaltung geregeltem mechanischem Antrieb.
Insbesondere ist ein Ziel der Erfindung das Erkennen des Ursprungs solcher Fehlfunktionen und deren Beseitigung.
Ein weiteres Ziel ist das Verwirklichen einer Miniatur-Zeitmeßvorrichtung, deren elektronische Schaltung einfach und zuverlässig ist.
Beim Versuch, diese Ziele zu erreichen, hat die Anmelderin im Verlauf genauer Untersuchungen dieser Zeitmeßvorrichtungen ein überraschendes Phänomen festgestellt.
Es wurde nämlich festgestellt, daß die Schwellen der zuvor verwendeten Erfassungsschaltungen in Wirklichkeit vom Wert der Versorgungsspannung abhängen. Überraschend reicht bei der Bremsung des Rotors die Abschwächung der Generatorspannung aus, die Schwelle des Komparators zu verschieben, der dann einen neuen Impuls erzeugt. Somit liefert ein heutiger Komparator wie etwa ein Schmidt-Verstärker mit einer niedrigen positiven Schwelle Uth und einer niedrigen negativen Schwelle Utb doppelte Impulse, anstatt nur einen einzigen zu liefern. Tatsächlich kann der von dem Generator bewirkte Spannungsabfall Ug einen Wert erreichen, der über der positiven Schwelle Uth des Komparators liegt, wodurch das Auftreten eines Störimpulses ausgelöst wird. Dieses Phänomen zeigt sich nur beim Bremsbefehl und somit genau nach dem Auftreten des ersten Impulses.
Durch die Identifizierung dieses verkannten Problems konnte die Anmelderin dieses durch eine Zeitmeßvorrichtung lösen, umfassend einen Generator für elektrische Energie, der einen Rotor und Mittel zum Liefern der elektrischen Energie als Antwort auf eine Drehung des Rotors enthält, eine Quelle für mechanische Energie, die mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist, um ihn rotatorisch anzutreiben, Meßmittel, die mit dem Generator gekoppelt sind, um Meßimpulse für die Frequenz einer vom Generator gelieferten Wechselspannung, die der Frequenz des Rotors entspricht zu erzeugen, Bremsmittel, die auf einen Bremsbefehl ansprechen, um an den Rotor ein Bremsmoment anzulegen und eine elektronische Schaltung, die Referenzmittel zum Erzeugen eines Signals mit einer Referenzfrequenz sowie Regelungsmittel, die so beschaffen sind, daß sie die Bremsmittel steuern, wenn die Meßimpulse in bezug auf das Referenzsignal voreilen, umfaßt, so daß die Referenzfrequenz die Frequenz des Rotors und die mechanische Quelle reguliert, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die elektronische Schaltung außerdem Mittel zum synchronen Sperren der Meßimpulse enthält, die so beschaffen sind, daß eine Verdoppelung der Meßimpulse unterdrückt wird.
Somit wird erfindungsgemäß während des Bremsbefehls die Erfassung der Meßimpulse gesperrt, so daß solche Verdoppelungen von Impulsen unterdrückt werden, ohne das Bremsen in bezug auf den Vorzeichenwechsel der Generatorspannung merklich zu verzögern.
Die Erfindung sieht vorteilhafterweise vor, daß die Sperrmittel mit einem durch die Regelungsschleife gelieferten Bremsbefehl in einer Wechselbeziehung stehen.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrmittel einen Bremsbefehl erzeugen, wobei die Verzögerung dieses Befehls durch die Regelungsschleife gesteuert wird.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Sperrmittel eine Zeitbasis enthalten und auf das Auftreten oder Verschwinden eines Meßimpulses ansprechen.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung deutlich, die beispielhaft und nicht einschränkend gegeben werden, wobei in der beigefügten Zeichnung:
- die obenbeschriebenen Fig. 1 bis 4 Zeitdiagramme der Wechselspannung und der Meßimpulse zeigen, die an Zeitmeßvorrichtungen des Standes der Technik mit durch eine elektronische Schaltung geregeltem mechanischem Antrieb erhalten wurden;
- Fig. 5 ein Prinzipschaltbild der elektronischen Schaltung zur Regelung des mechanischen Antriebs einer erfindungsgemäßen Zeitmeßvorrichtung zeigt;
- Fig. 6 ein Zeitdiagramm der Wechselspannung an den Klemmen eines Generators der Zeitmeßvorrichtung aus Fig. 5 zeigt;
- die Fig. 7 bis 11 an verschiedenen Punkten der Schaltung aus Fig. 5 erhaltene Impulsdiagramme zeigen und
- Fig. 12 schematisch eine Ausführungsform der elektronischen Verzögerungsschaltung Tmr der elektrischen Regelungsschaltung aus Fig. 5 zeigt.
Der elektromechanische Teil der Zeitmeßvorrichtung gemäß der Erfindung ist in Fig. 5 schematisch gezeigt. Er enthält eine Quelle 2 für mechanische Energie wie etwa eine Spiralfeder, die über ein Rädergetriebe 4, das durch strichpunktierte Linien angedeutet ist, mit Mitteln zu Anzeige der Stunde, wie etwa Zeigern des Zifferblatts, gekoppelt ist, wobei die Quelle 2 für mechanische Energie außerdem mit einem Rotor 3a eines Generators für elektrische Energie 3 gekoppelt ist. Der Generator 3 enthält außerdem eine Induktionsspule 3b, wobei der Rotor 3a einen zweipoligen Magneten enthält, der konventionell durch einen Pfeil dargestellt ist. Dieser Teil wird nicht genau beschrieben, da er auf verschiedene Art und Weise realisiert werden kann, die Fachleuten bestens bekannt ist.
Im Betrieb bewirkt die Quelle 2 für mechanische Energie die Rotation des Rotors 3a, wodurch an den Klemmen B0, B1 der Spule 3b eine Wechselspannung Ug auftritt. Im vorliegenden Fall wird die Klemme B0 als Referenzklemme mit einem Referenzpotential V&sub0; angenommen. Die Generatorspannung Ug wird an der Klemme B1 in bezug auf das Referenzpotential V&sub0; = 0 Volt der Klemme B0 gemessen (siehe Fig. 5).
Diese Wechselspannung Ug wird an einen Gleichrichter 5 angelegt, um eine elektronische Schaltung 1 zur Regelung des Antriebs zu speisen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gleichrichters wird weiter unten angegeben.
Wie ersichtlich wird, kann die elektronische Schaltung 1 den mechanischen Antrieb der Zeitmeßvorrichtung regeln, indem sie auf die zu diesem Zweck vorgesehenen Bremsmittel des Rotors 3a einwirkt.
Der Antrieb des Uhrwerks gibt die momentane Stunde an, wenn sich der Rotor mit einer gegebenen Geschwindigkeit dreht, die als Normalgeschwindigkeit bezeichnet wird.
Die freie Geschwindigkeit des Rotors, d. h. bei nicht vorgenommener Bremsung, ist etwas schneller als diese Normalgeschwindigkeit. Wenn der Antrieb nacheilt, könnte somit bewirkt werden, daß sich der Rotor mit seiner freien Geschwindigkeit dreht und die Nacheilung kompensiert. Wenn umgekehrt der Antrieb voreilt, würde ein von der elektronischen Schaltung 1 gelieferter Bremsbefehl die Geschwindigkeit des Rotors unter die Normalgeschwindigkeit drücken, um dieses Voreilen des Antriebs zu beseitigen. Weitere Einzelheiten über die Wahl dieser Geschwindigkeiten und der Art der Bremsung sind im obenerwähnten Dokument EP-A-0 679 968 angegeben, dessen Inhalt durch Referenz hier aufgenommen ist und auf das Bezug genommen wird, sobald dies erforderlich ist.
So enthält die Zeitmeßvorrichtung außerdem Meßmittel für die Geschwindigkeit des Antriebs. Sie sind vorzugsweise durch Mittel zur Messung der Frequenz des Rotors gebildet. Die Erfindung zielt darauf ab, Meßimpulse zu erhalten, die genau der Kreisfrequenz des Rotors, beispielsweise einem Impuls pro Umdrehung, entsprechen. Diese Meßimpulse werden dann von der elektronischen Schaltung 1 verarbeitet, um die Abweichung des Antriebs zu messen und gegebenenfalls einen Bremsbefehl auszugeben. Diese Meßmittel und die Verarbeitung der Impulse werden zusammen mit der elektronischen Schaltung näher beschrieben.
Die Bremsung wird erreicht, indem die Spule 3b des Generators 3 kurzgeschlossen wird. Der dann in diesem Zweig zirkulierende Strom bewirkt nämlich das Auftreten eines magnetischen Felds, das der Ursache des Stroms und somit der Bewegung des Rotors entgegenwirkt. Es kommt auch in Betracht, den Strom über einen Widerstand mit niedrigem Wert abzuleiten. Jedoch sieht die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einen elektronischen Unterbrecher K vor, der direkt zwischen die zwei Klemmen B0, B1 der Spule 3b des Generators geschaltet ist. Somit wird eine sehr leitungsfähige Bremsung erhalten.
Der elektronische Unterbrecher K besteht vorzugsweise aus einem Bipolartransistor oder einem Feldeffekttransistor, wie dies im Dokument EP-A-0 679 968, das oben erwähnt wurde, erläutert ist. Weitere Äquivalente sind Fachleuten wohlbekannt. Die Arbeitsweise dieses elektronischen Unterbrechers K wird hier nicht näher erläutert.
Selbstverständlich bewirkt ein solcher Kurzschluß den Spannungsabfall Ug des Generators, wobei die Spannung während des Bremsbefehls im wesentlichen null wird.
Fig. 3, die bereits oben beschrieben wurde, zeigt beispielsweise den Verlauf der Wechselspannung Ug während eines Bremszyklus, während Fig. 1 im Vergleich dazu die Spannung Ug bei nicht vorgenommener Bremsung zeigt. Es ist zu sehen, daß es in Verlauf einer Halbperiode t0-t6 ein Zeitintervall t4-t5 gibt, in dem die Bremsung befohlen wird, wobei der kurzgeschlossene Generator seine gesamte Energie an den Unterbrecher K liefert.
Um das nachfolgenden Absinken der durch den Gleichrichter 5 gelieferten Versorgungsspannung V+, V- zu begrenzen, gibt das Dokument EP-A-0 679 968 an, daß der Bremsbefehl zu den Zeitpunkten, in denen die Spannung Ug nahe bei 0 liegt, und während eines kurzen Zeitintervalls, das vorzugsweise kleiner als 1/8 der Periode der Wechselspannung Ug ist, ausgegeben werden muß.
In einem Ausführungsbeispiel besitzt der Rotor 3a eine Normalgeschwindigkeit von 4 Umdrehungen pro Sekunde, wobei die Dauer der an den Unterbrecher angelegten Bremsimpulse auf ungefähr 5 ms, also 1150 der Periode der Spannung Ug von 250 ms, begrenzt ist.
Die elektronische Schaltung 1 zur Regelung des Antriebs der Zeitmeßvorrichtung, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, ist hauptsächlich aus einem Oszillator Osc, der ein Signal mit einer Basisfrequenz F0 liefert, aus Mitteln, die mit Trig und Inh bezeichnet sind, zur Messung der Frequenz des Rotors 3a und einer Frequenzregelungsschaltung, die einen Befehl zur Bremsung des Rotors steuert, gebildet.
Die Frequenzregelungsschaltung befiehlt die Bremsung, wenn die von den Meßmitteln Trig, Inh gelieferten Meßimpulse IN mit einer der Frequenz des Rotors entsprechenden Frequenz in bezug auf die durch den Oszillator Osc gelieferten und mit FR bezeichneten Impulse mit einer Frequenz, die aus der Basisfrequenz F0 des Oszillators Osc, beispielsweise durch Unterteilen des Signals FO, um ein Signal mit der Referenzfrequenz zu erhalten, hervorgeht, voreilen.
Zu diesem Zweck enthält die Regelungsschaltung vorzugsweise eine Frequenzkorrekturschaltung Div, die das Signal mit einer Basisfrequenz FO aufbereitet und Impulse mit einer Referenzfrequenz FR liefert. Die Korrekturschaltung Div kann einfach eine Frequenzteilerschaltung sein, die Fachleuten wohlbekannt ist und hier nicht näher beschrieben werden muß.
Jedoch sei erwähnt, daß solchen Schaltungen Zwischenfrequenzimpulse F1 entnommen werden können.
In der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist der Oszillator Osc ein Quarz mit einer ihm eigenen Frequenz FO von 32768 Hz. Der Teiler Div unterteilt das Signal mit der Frequenz FO, um eine Folge von Impulsen FR mit einer Referenzfrequenz von 4 Hz, die der Normalfrequenz des Rotors entspricht, zu erhalten. Außerdem können dem Teiler die Impulse F1 mit einer Zwischenfrequenz, die 4096 Hz beträgt, entnommen werden. Selbstverständlich sind diese Werte nur beispielhaft angegeben.
Diese Impulse F1, die folglich hier eine Periode von 0,244 ms haben, sind dazu bestimmt, als Zeit- oder als Verzögerungsbasis des oben genannten Bremsbefehls zu dienen und die gesamte Logik zu synchronisieren.
Die Regelungsschaltung enthält außerdem einen mit Cmp bezeichneten Komparator, der ein Signal AV liefert, das das Voreilen (oder das Nacheilen) des Antriebs in bezug auf die Referenzfrequenz FR angibt. Dieser Komparator Cmp kann beispielsweise ein Aufwärts/-Abwärtszähler oder ein reversibler Zähler sein, der die Differenz der Anzahl der Meßimpulse IN, die an seinem "+"-Eingang empfangen werden, und die Anzahl von Referenzimpulsen FR, die an seinem "-"-Eingang empfangen werden, aufsummiert, wie dies im oben erwähnt Dokument EP-A-0 679 968 beschrieben ist. Der Zustand oder der Pegel des am Ausgang des Komparators Cmp verfügbaren Signals AV gibt somit an, ob die Impulse des Rotors in bezug auf die Referenzfrequenz FR voreilen oder nicht voreilen.
Die Regelungsschaltung enthält außerdem eine Verzögerungsschaltung Tmr oder Register, das Impulse einer bestimmten Dauer liefert. Ein erster der beiden Eingänge der Verzögerungsschaltung Tmr ist mit dem Ausgang der Schaltung Inh verbunden, während der andere Eingang vom Teiler Div die Impulse Fi empfängt, die zur Bestimmung der Dauer der Ausgangsimpulse verwendet werden. Die Verzögerungsschaltung enthält außerdem einen Freigabeanschluß, der das Signal AV vom Komparator Cmp empfängt. Die Verzögerungsschaltung Tmr liefert an ihrem Ausgang mit IF bezeichnete Bremsimpulse einer festgelegten Dauer nach dem Auftreten eines Meßimpulses IN stets dann, wenn das Signal AV angibt, daß die Impulse des Rotors in bezug auf die Referenzfrequenz FR voreilen.
Im folgenden Ausführungsbeispiel soll die Bremsung eine Dauer besitzen, die kleiner als 5 ms ist, wobei ein interner Zähler der Verzögerungsschaltung Tmr so programmiert ist, daß er 20 Impulse F1 mit einer Periode von 0,244 ms auszählt, bevor er einen Bremsimpuls IF erzeugt, der somit eine Dauer von 4,88 ms besitzt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Verzögerungsschaltung Tmr werden im Zuge der Beschreibung der Mittel zur Messung der Rotorfrequenz näher beschrieben.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel eines Zeitdiagramms der Wechselspannung Ug, die vom Generator 3 geliefert wird, wenn Bremsimpulse angelegt werden. In Fig. 6 sind zwei Pegel der Schwellenspannung Uth und Utb mit in bezug auf die Spannungsamplitude Ug verkleinertem Wert als punktierte Linien erkennbar. Die Schwelle Uth ist positiv und etwas größer als der Referenzwert 0 der Wechselspannung Ug. Die Schwelle Utb ist negativ und vorzugsweise symmetrisch zur Schwelle Uth in bezug auf die Spannung 0.
Vorzugsweise sieht die Erfindung vor, daß die Mittel zur Messung der Frequenz einen Verstärker mit Hysterese oder "Schmidt-Trigger", der in Figur mit Trig bezeichnet ist, enthalten. Fig. 7 zeigt ein Zeitdiagramm von Impulsen, die am Ausgang des Verstärkers Trig erhalten werden. Es ist zu sehen, daß der Ausgang IM des Verstärkers ab einem Zeitpunkt b2, in dem die Eingangsspannung Ug kleiner als die untere Schwelle Utb wird, auf einen ersten Pegel (Zustand "0") wechselt; der Ausgang IM bleibt auf diesem ersten Pegel, solange die Spannung Ug nicht größer als eine obere Schwelle Uth ist. Zum Zeitpunkt h3 unterschreitet die Spannung Ug diese Schwelle Uth, weshalb der Ausgang IM auf einen zweiten Pegel wechselt (Zustand "1 "), wobei er einen Impuls H&sub3; erzeugt, der wiederum bis zum Zeitpunkt b4, in dem die Spannung Ug unter die untere Schwelle Utb fällt, dauert. Die Realisierung eines solchen Verstärkers (der auch Kippschaltung von Schmidt oder "Schmidt-Trigger" genannt wird) ist Fachleuten wohlbekannt und wird deshalb hier nicht näher erläutert.
Ein Vorteil eines solchen Verstärkers mit Hysterese ist der, daß er im Gegensatz zu den Komparatoren mit einer einzigen Schwelle des Standes der Technik gegen elektrische Störungen wenig empfindlich ist (siehe Fig. 1). Insbesondere registriert der "Trigger" Trig mit zweifacher Schwelle Uth, Utb keine Spannungsstörungen, die unterhalb der Differenz der Schwellen Uth - Utb liegen.
Zudem spricht der "Schmidt-Trigger" mit positiver Schwelle Uth und negativer Schwelle Utb nicht auf die Rückkehr der Spannung Ug zum Wert 0 während der Bremsperioden an.
Um jedoch über zwei entgegengesetzte Schwellenspannungen Uth und Utb verfügen zu können, verfügt die elektronische Schaltung 1 vorzugsweise über eine symmetrische Gleichspannungsversorgung V-, V&sub0;, V+. Herkömmlicherweise enthält eine gute symmetrische Versorgung einen Generator mit Mittelpunktsanzapfung und einen einfachen Gleichrichter mit zwischen die Ausgänge V+ und Vgeschaltetem Kondensator, wobei der Referenzausgang V&sub0; am Mittelpunkt abgenommen wird. Diese Lösung besitzt den Nachteil, die meßbare Amplitude der Wechselspannung Ug, die bereits an den Klemmen einer Miniaturspule 3b gering ist, zu halbieren.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung enthält einen symmetrischen Gleichrichter 5, wie er in Fig. 5 gezeigt ist. Dieser Gleichrichter enthält vor allem einen Referenzausgang Vo, der mit der Referenzklemme B0 des Generators 3 und zwei Kondensatoren verbunden ist, die zwischen einem Spannungs ausgang V+ bzw. V- und dem Ausgang V&sub0; angeordnet sind. Die Arbeitsweise der Gleichrichterschaltung 5, die zur Regelung der Gleichspannungsversorgung der elektronischen Schaltung 1 bestimmt ist, wird nicht näher beschrieben, da sie auf verschiedene Weise realisiert werden kann, die Fachleuten wohlbekannt ist.
Es sei jedoch erwähnt, daß jeder Kondensator mit jeder Halbperiode im wesentlichen auf den Pegel des Scheitelwertes der Wechselspannung Ug neu aufgeladen wird.
In Fig. 7 ist zu sehen, daß das Ausgangssignal IM des "Triggers" Trig dann, wenn die Spannung Ug kleiner als die untere Schwelle Utb des "Triggers" Trig ist, also ab dem Zeitpunkt b4, nicht auf Tiefpegel (Zustand "0") bleibt, sondern daß dieses Signal IM doppelte Impulse H&sub3; und H5 aufweist.
Die Anmelderin hat im Verlauf der ausgeführten Untersuchungen entdeckt, daß sich dieses überraschende Phänomen bei der Bremsung während der negativen Halbperiode zeigt, wie dies in den Fig. 6 bis 11 veranschaulicht ist. Ein Bremszyklus ist in Fig. 10 beispielsweise durch den Zustand "1" des Signals AV repräsentiert. Das Phänomen scheint durch den Drift der Schwellen Uth und Utb des "Schmidt-Triggers" Trig bedingt zu sein. Es ist tatsächlich festzustellen, daß am Beginn des Bremszyklus keine Impulsverdoppelung eintritt. Fig. 7 zeigt beispielsweise das Fehlen der Verdoppelung am Beginn des Impulses H3 zum Zeitpunkt des ersten Bremsimpulses F3, der in Fig. 11 schematisch dargestellt ist. Die Impulsverdoppelung H3-H5 tritt lediglich während des zweiten Bremsimpulses F4 auf. Tatsächlich ist der Scheitelwert der Wechselspannung Ug nach dem ersten Bremsimpuls F3 kleiner. Außerdem wird der Wert der gleichgerichteten Spannung V+ kleiner. Dieses Driften der Versorgungsspannung scheint ein Driften der Schwellen Uth und Utb des "Triggers" Trig zu bewirken. So wurde festgestellt, daß während des folgenden Bremsimpulses F4 der Spannungsabfall Ug einen Wert erreichen kann, der über der Schwelle Uth liegt, wodurch er das Auftreten eines Störimpulses V5, der in Fig. 7 gezeigt ist, auslöst. Das Phänomen kann außerdem durch die Existenz einer bestimmten Verlustspannung an den Klemmen des Unterbrechers K (siehe Fig. 5) bewirkt werden. Diese Verlustspannung könnte verhindern, daß die Spannung Ug auf einen Wert zurückgeht, der genau null ist.
Um dieses Problem zu beseitigen, sieht die Erfindung Mittel zur synchronen Sperrung der Meßimpulse vor.
Zu diesem Zweck enthält die erfindungsgemäße elektronische Schaltung 1 ferner eine Schaltung zum synchronen Sperren Inh, die die vom Schwellenkom parator Trig gelieferten Meßimpulse IM empfängt, wobei die Gesamtheit somit die Mittel zum Messen der Frequenz des Rotors 3a bildet.
Der allgemeine Ausdruck "synchrones Sperren" wird als Sperren verstanden, das durch Signale, vorzugsweise durch interne Impulse des Systems, das von der Zeitmeßvorrichtung, ihrem Generator, der elektronischen Schaltung und ihrem Oszillator gebildet wird, ausgelöst wird. Insbesondere könnte das Sperren von Meßimpulsen anhand der Impulse selbst synchronisiert werden, wobei ein erster Impuls das Sperren des Auftretens der nachfolgenden Impulse auslösen könnte. Da verschiedene Äquivalente hierzu im Ermessen des Fachmanns liegen, richtet sich die vorliegende Anmeldung auf jedwede "synchrone Sperrung", ohne die Synchronisierungsquelle genau zu benennen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform enthält die Sperrschaltung Inh eine (interne oder externe) Zeitbasis und überträgt normalerweise die Meßimpulse IM, die vom Verstärker Trig kommen direkt zur Verzögerungsschaltung Tmr. Jedoch überträgt die Sperrschaltung Inh, wenn sie aktiviert ist, während einer Sperrdauer keine Impulse IM. Das Sperren beginnt mit dem Auftreten und/oder dem Verschwinden eines Impulses, d. h., daß die Sperrschaltung auf ansteigende Flanken sowie auf abfallende Flanken der Impulse IM anspricht, wobei die Dauer ihrer Aktivierung t1 durch ihre Zeitbasis verzögert wird. Wenn beispielsweise auf die Fig. 6 und auf die Fig. 7 und 8 Bezug genommen wird, die jeweils die verschiedenen, durch den Verstärker Trig (Fig. 7) und durch die Sperrschaltung Inh (Fig. 8) übertragenen Impulse zeigen, überträgt die Sperrschaltung normalerweise die Meßimpulse H1, H3 und H7, jeweils in Form von Impulsen M1, M3 und M5, da ihre Übergänge zu den Zeitpunkten b2, h3, b4, h7 durch Zeitintervalle getrennt sind, die größer als die Sperrzeit t1 ist. Jedoch überträgt diese Sperrschaltung nicht den Störimpuls H5, der während der Sperrzeit t1, die mit der abfallenden Flanke (Zeitpunkt b4) des Impulses H3 beginnt, auftritt, siehe Fig. 8.
Gemäß einer nicht gezeigten Variante der ersten Ausführungsform erzeugt die Sperrschaltung mit jeder Flanke des Meßimpulses IM, außer, wenn diese Flanke während eines normalen Impulses IN auftritt, einen normalen Impuls IN bestimmter Dauer. Eine solche Sperrschaltung kann in ähnlicher Weise wie die oben genannte Verzögerungsschaltung Tmr verwirklicht werden. Die Schaltung Inh enthält beispielsweise einen monostabilen Multivibrator, der auf die Übergänge der an seinen Eingang angelegten Meßimpulse IM reagiert. Mit der ansteigenden Flanke eines Impulses IM liefert der monostabile Multivibrator somit am Ausgang einen normalen Impuls IN bestimmter Dauer. Ebenso liefert der monostabile Multivibrator mit der abfallenden Flanke eines Impulses IM einen weiteren normalen Impuls IN bestimmter Dauer. Es sei angemerkt, daß ein solcher monostabiler Multivibrator mit jedem Impuls des Rotors zwei normale Impulse IN liefert, weshalb die Frequenz der normalen Impulse IN mit einer doppelten Referenzfrequenz FR verglichen werden muß. Selbstverständlich können andere äquivalente Sperrschaltungen, die Fachleuten wohlbekannt sind, ebenso verwendet werden.
Gemäß einer in Fig. 5 gezeigten weiteren Ausführungsform empfängt die Sperrschaltung an einem Eingang Impulse IF, die in Fig. 11 gezeigt sind, wovon jeder ein von der Verzögerungsschaltung Tmr ausgegebener Bremsbefehl zum Bremsen des Rotors des Generators ist, wobei das Sperren der Bremsdauer tf entspricht, siehe Fig. 11. Wie beobachtet wurde, treten die doppelten Störimpulse tatsächlich nur während des Bremsens auf. Somit wird ein synchrones Sperren mit dem Vorteil der Einfachheit verwirklicht.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung enthält indessen einen Steuerbefehl II, dessen Dauer länger als der Bremsbefehl IF ist und alle Bremszeitpunkte überdeckt. Der Bremsimpuls II überdeckt somit die dem Ende des Bremsimpulses IF nachfolgenden Zeitpunkte, wobei das Auftreten des Impulses II gegebenenfalls dem Auftreten dieses Impulses IF vorangeht. Dieses "Überlappen" stellt sicher, daß die Übertragungsverzögerungen der Sperrung oder der Bremsung oder der Spannung Ug noch keine Störimpulse auslösen. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Verzögerungsschaltung Tmr zwei Ausgänge, die einen Sperrimpuls II und einen Bremsimpuls EF liefern, die in einer Wechselbeziehung stehen.
Das Konzept der Wechselbeziehung bezeichnet das gleichzeitige Auftreten oder Auftreten mit einer im wesentlichen konstanten Zeitverzögerung zweier physikalischer Ereignisse wie etwa zweier Signale oder Impulse. Es sei jedoch angemerkt, daß diese zwei Ereignisse verschiedene Dauern haben können. Beispielsweise können zeitlich korrelierte Impulse unterschiedliche Breiten besitzen, was dem Fachmann wohlbekannt ist.
Um die Korrelation von Impulsen, die von der Verzögerungsschaltung Tmr der bevorzugten Ausführungsform ausgegeben werden, zu veranschaulichen, sei auf das Beispiel zurückgegriffen, in dem die Verzögerungsschaltung Tmr die Impulse F1 mit einer Periode von 0,244 ms an einem Eingang, der mit dem Ausgang des Teilers Div verbunden ist, empfängt. Wenn ein normaler Impuls IN am ande ren Ausgang, der mit dem Ausgang der Sperrmittel verbunden ist, auftritt und wenn der Zustand des voreilenden Signals AV dies mit Hilfe eines Impulses an den Taktfreigabeeingang befiehlt (siehe Fig. 5), gibt die Verzögerungsschaltung Tmr unverzüglich einen Sperrimpuls II aus. Ein Bremsimpuls IF erscheint ebenfalls am Ausgang der Verzögerungsschaltung Tmr mit einer Verzögerung um eine Periode F1 von 0,244 ms in bezug auf den Beginn des Sperrimpulses II, wobei ein interner Zähler seine Dauer auf 21 Impulse F1, also 5,124 ms, begrenzt. Tatsächlich muß der interne Zähler sicherstellen, daß die Bremsdauer ungefähr 5 ms beträgt. Ein weiterer interner Zähler begrenzt die Dauer des Impulses II auf 25 Impulse F1, also auf 6,1 ms. Der Sperrimpuls II endet somit 0,732 ms nach dem Ende des Bremsimpulses IF.
Eine Ausführungsform der elektronischen Verzögerungsschaltung Tmr, die solche Sperrimpulse II und Bremsimpulse IF liefert, wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 12 genau beschrieben. Die gezeigte Schaltung ist eine Logikschaltung, die Impulssignale mit der Zwischenfrequenz F1, das voreilende Signal AV (oder verzögerte Signal) und die Meßimpulse IM, die oben genannt wurden, empfängt und die Bremsimpulssignale IF, die Sperrimpulssignale II und die normalen Impulssignale IN, die oben genannt wurden, ausgibt.
Die Logikschaltung nach Fig. 12 enthält ein Schieberegister Reg, das am Takteingang die Impulse F1 empfängt, wobei das Register vier Ausgänge R0, R1, R2 und R3 besitzt, an denen nacheinander ein Impuls auftritt.
Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel besitzen die Impulse F1 eine Periode von 0,244 ms. Der Ausgang R3 erzeugt somit Impulse mit einer Periode von 0,976 ms, die den Impulsen des Ausgangs R2 ähnlich, jedoch in bezug auf diese um 0,244 ms verzögert sind. Ferner enthält das Register Reg einen Aktivierungsanschluß S. der mit dem Ausgang eines mit And bezeichneten UND-Gatters verbunden ist, das die logische UND-Verknüpfung zwischen dem voreilenden Signal AV und dem Meßimpulssignal IM ausführt. Wenn der S-Anschluß in den Zustand "1" wechselt, wird das Register Reg aktiviert, wobei der Ausgang R1 in den Zustand "1" übergeht. Mit dem nachfolgenden Impuls F1 geht der Ausgang R2 in den Zustand "1" über, während der Ausgang R1 in den Zustand "0" zurückgesetzt wird.
Der Ausgang R3 ist mit einem Zähler Cptr verbunden, der es ermöglicht, die Dauer der Impulse IF, II und IN zu begrenzen. Der Zähler kann beispielsweise bis auf den Wert 5 inkrementiert werden, wodurch ein Halteeingang Q nach dem Auszählen von fünf Impulsen R3 in den Zustand "1" übergeht. Das Zählen wird gestartet und der Ausgang Q in den Zustand "0" zurückgesetzt, wenn der Initialisierungsanschluß R im Zustand "1" ist. Der Ausgang Q des Zählers Cptr ist mit dem Takteingang eines D-Flipflops Fli verbunden. Dieses Flipflop enthält außerdem einen Dateneingang, der den Zustand "0" empfängt. Über einen S-Anschluß zum Setzen auf eins kann der Zustand der Ausgänge Q und NQ in die Zustände "1" bzw. "0" gezwungen werden. Der S-Anschluß zum Setzen auf eins ist außerdem mit dem Ausgang des Logikgatters And verbunden.
Es sei angenommen, daß die Impulse des Rotors gegenüber der Referenzfrequenz FR voreilen. Das voreilende Signal AV ist im Zustand "1 ". Zum Zeitpunkt h, wenn die Spannung Ug ansteigend die Schwelle Uth überschreitet, geht ein Meßimpuls IM in den Zustand "1" über. Die S-Anschlüsse des Registers Reg und des Flipflops Fli sind dann in Zustand "1 ". Das Flipflop Fli wird aktiviert, wobei sein Ausgang Q in den Zustand "1" übergeht. Das Ausgangssignal Q des Flipflops Fli wird an einem Eingang eines mit Ou bezeichneten ODER-Gatters, dessen Ausgang die Sperrimpulse II liefert, angelegt. Ab dem Zeitpunkt h geht das Sperrimpulssignal II somit in den Zustand "1" über. Das Gatter Ou führt eine logische ODER-Verknüpfung zwischen dem Ausgang Q des Flipflops Fli und einem Ausgang Q eines weiteren Flipflops Flo aus. Dieses zweite D-Flipflop Flo empfängt an seinem Dateneingang das Ausgangssignal Q des Flipflops Fli. Indessen wird das Ausgangssignal R2 des Schieberegisters Reg an den Takteingang des Flipflops Flo angelegt. Die Übertragung des Datums Q auf den Ausgang des Flipflops Fli wird somit bis zum nachfolgenden Übergang des Signals R2 verzögert. Die zwei Ausgänge Q der Flipflops Fli und Flo werden außerdem an zwei Eingänge eines Gatters Et angelegt, das eine logische UND-Verknüpfung ausführt. Der Ausgang des Gatters Et liefert schließlich das Bremsimpulssignals IF.
Um das obige Ausführungsbeispiel wieder aufzunehmen, der Übergang des Signals R2 0,244 ms erfolgt nach dem Zeitpunkt h, derart, daß der Bremsimpuls IF 0,244 ms nach dem Auftreten des Sperrimpulses II auftritt.
Ferner ist der Ausgang NQ des Flipflops Fli mit dem Initialisierungsanschluß R des Zählers Cptr verbunden. Zum Zeitpunkt h geht der Ausgang NQ in den Zustand "0" über, wobei der Zähler aktiviert wird und die vom Register Reg stammenden Impulse R3 zu zählen beginnt. Gemäß dem Zählbeispiel geht der Ausgang Q des Zählers Cptr nach fünf Impulsperioden R3 in den Zustand "1" über. Dieser Übergang am Takteingang führt dazu, daß das Flipflop Fli am Aus gang Q den Zustand "0" des Datums reproduziert. Der Ausgang NQ geht dann in den Zustand "1" über, wodurch der Zähler Cptr und sein Ausgang Q initialisiert werden. Die Ausgänge Q des Zählers Cptr und des Flipflops Fli bleiben dann im Zustand "0", wobei diese Situation solange dauert, bis ein Zustandsübergang von "0" auf "1" am S-Anschluß zum Setzen des Flipflops Fli auf eins eintritt.
Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel ist die Zählung des Zählers Cptr 0,488 ms nach dem Zeitpunkt h auf das Signal R3 synchronisiert. Die Zählung dauert 4,88 ms, wie oben angegeben wurde. Der Ausgang Q des Zählers Cptr geht somit 5,368 ms nach dem Zeitpunkt h in den Zustand "1" über. Damit gehen die Ausgänge Q und NQ des Flipflops Fli in die Zustände "0" bzw. "1" zurück. Der Zähler wird neu initialisiert und bleibt in diesem Zustand bis zu einem neuen Meßimpuls IM. Das Bremsimpulssignal IF wechselt somit zum Zeitpunkt h + 5,368 ms in den Zustand "0" zurück.
Jedoch bleibt der Ausgang Q des Flipflops Flo stets bis zum nachfolgenden Übergang des Ausgangs R2 des Register Reg im Zustand "1".
Gemäß dem Ausführungsbeispiel geschieht dieser Übergang 0,732 ms nach der Wiederinitialisierung des Zählers Cptr, nämlich zum Zeitpunkt h + 6,1 ms. Der Sperrimpuls II verschwindet somit 0,732 ms nach dem Verschwinden des Bremsimpulses IF.
Die Signale der Verzögerungsschaltung Tmr bleiben in dem Zustand, solange kein neuer Meßimpuls IM auftritt.
Zum Schluß, es ist zu sehen, daß die Verzögerungsschaltung Tmr Sperrimpulse II und korrelierte Bremsimpulse IF liefert, wobei die Dauer eines Sperrimpulses II die Dauer des Bremsimpulses IF überdeckt und überlappt, um während Umschaltungen jeglichen Fehler zu vermeiden.
Die Schaltung nach Fig. 12 zeigt außerdem eine Verwirklichung der Sperrschaltung Inh. Gemäß diesem Beispiel ist die Sperrschaltung Inh ein D-Flipflop, der auf den Zustand des Freigabeeingangs E anspricht. Das Sperrimpulssignal II wird an diesen Eingang E angelegt, wobei der Dateneingang die Meßimpulse IM empfängt und der Datenausgang die normalen Impulse IN liefert.
Im Betrieb kopiert der Ausgang der normalen Impulse IN einer solche Schaltung Inh den Zustand des Meßimpulssignals IM lediglich dann, wenn der Freigabeeingang E im Zustand "0" ist. Während des Sperrens, d. h., wenn das Sperrsignal II im Zustand "1" ist (zwischen dem Zeitpunkt h und dem Zeitpunkt h + 6,1 ms gemäß dem Ausführungsbeispiel) bleibt der Zustand des Ausgangs unabhängig von den Übergängen des Meßimpulssignals IM unverändert.
Abschließend ist zu sehen, daß die Sperrmittel das Beseitigen der Störimpulse, die eine nicht durch die Zeitmeßvorrichtung korrigierte Verzögerung verursachen, ermöglicht.
Es ist ferner ersichtlich, daß die mit dem Meßmittel kombinierten Sperrmittel einen Verstärker mit Hysterese enthalten, der der Zeitmeßvorrichtung eine hervorragende Immunität gegen elektrische Störungen im allgemeinen verleihen.
Die Kondensatoren der Gleichrichterschaltung 5 können vorteilhaft relativ kleine Kapazität besitzen, da sie den Meßmitteln keine Schwellungsspannungen liefern müssen, die streng stabil sind.
Der Fachmann sieht ohne weiteres, daß die soeben beschriebene Zeitmeßvorrichtung zahlreichen Modifikationen unterzogen werden kann, ohne daß diese deshalb den Rahmen der vorliegenden Erfindung verläßt.
Es sei hier insbesondere angemerkt, daß die Dauer der Bremsimpulse IF gemäß dem Maß des Voreilens der Meßimpulse IM in bezug auf die Referenzimpulse FR moduliert werden kann. Diese Variante läßt sich besonders gut auf eine Regelungsschaltung anwenden, die eine Phasenverriegelungsschleife enthält, wobei die Schaltung dann ein Signal AV liefert, dessen Pegel sich proportional zur Phasenverschiebung der Impulse IN in bezug auf die Bremsimpulse IF verändern kann, wobei der Pegel des Signals AV dann die Dauer der durch die Verzögerungsschaltung Tmr gelieferten Bremsimpulse IF moduliert.

Claims

1. Zeitmeßvorrichtung, umfassend:

- einen Generator (3) für elektrische Energie, der einen Rotor (3a) und Mittel (3b) zum Liefern der elektrischen Energie als Antwort auf eine Drehung des Rotors (3a) enthält,

- eine Quelle (2) für mechanische Energie, die mit dem Rotor (3a) mechanisch gekoppelt ist, um ihn rotatorisch anzutreiben,

- Meßmittel (Trig), die mit dem Generator (3) gekoppelt sind, um Meßimpulse für die Frequenz einer vom Generator (3) gelieferten Wechselspannung, die der Frequenz des Rotors (3a) entspricht, zu erzeugen,

- Bremsmittel (K), die auf einen Bremsbefehl ansprechen, um an den Rotor (3a) ein Bremsmoment anzulegen, und

- eine elektronische Schaltung (1), die Referenzmittel (Osc) zum Erzeugen eines Signals mit einer Referenzfrequenz (FR) sowie Regelungsmittel (Div, Cmp, Tmr), die so beschaffen sind, daß sie die Bremsmittel (K) steuern, wenn die Meßimpulse in bezug auf das Referenzsignal voreilen, umfaßt, so daß die Referenzfrequenz die Frequenz des Rotors und die mechanische Quelle reguliert,

wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die elektronische Schaltung (1) außerdem Mittel (Inh) zum synchronen Sperren der Meßimpulse (IM) enthält, die so beschaffen sind, daß eine Verdoppelung der Meßimpulse unterdrückt wird.

2. Zeitmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrmittel (Inh) mit den Bremsmitteln (K) in einer Wechselbeziehung stehen.

3. Zeitmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bremsbefehl (IF), der von der Regelungsschleife geliefert wird, auch zum Steuern der Sperrmittel (Inh) verwendet wird, wobei die Schleife eine Verzögerung dieses Befehls steuert.

4. Zeitmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrmittel (Inh) die Übertragung der Meßimpulse (IM) während einer verzögerten Dauer sperren, wobei die Sperrung bei Auftreten oder Verschwinden eines Meßimpulses ausgelöst wird.

5. Zeitmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (Trig) ein Hysterese-Filter wie etwa einen Schmidt-Verstärker umfassen.

6. Zeitmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromgenerator mit einem Gleichrichter verbunden ist, der eine symmetrische Versorgung schafft.