DE2940315C2 - Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels eines Drehkörpers - Google Patents
Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels eines DrehkörpersInfo
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Description
F i g. 4 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels eines Drehkörpers.
F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Einrichtung
zum Ermitteln des Drehwinkels eines Drehkörpers und
F i g. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Einrichtung
zum Ermitteln des Drehwinkels eines Drehkörpers.
In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl !z.B. ein
Ansaugrohr, über das eine (nicht dargestellte) Brennkraftmaschine mit Ansaugluft versorgt wird. In dem
Ansaugrohr 1 ist ein Ventil zur Dosierung der Ansaugluftmenge bzw. eine Drosselklappe 2 drehbar
angebracht. Eine Drehachse 3 ist fest mit der Drosselklappe 2 verbunden und weist an ihrem Ende
eine magnetisch steuerbare Einrichtung 4 auf. Ein Permanentmagnet 5 ist mit Hilfe eines Tragelementes 6
fest mit dem Ansaugrohr 1 verbunden und dient zum Anlegen eines konstanten Mangetfeides an die magnetisch
steuerbare Einrichtung 4.
Die magnetisch steuerbare Einrichtung 4 besteht aus einer Nickel-Kobalt-Magnellegierung in Dünnschichtausführung
und weist vier magnetisch steuerbare Widerstände 4a, Ab, 4c; 4</ in Brückenschaltung auf, die
gemäß F i g. 2 eine Einheit mit sechs Anschlüssen bilden. Widerstände 41 und 42 dienen dazu, die Potentialdifferenz
zwischen den beiden Ausgängen M und N der Brückenschaltung zwangsweise außer Gleichgewicht zu
halten und bilden zusammen mit der magnetisch steuerbaren Einrichtung 4 eine Vorrichtung zur
Ermittlung der Feldrichtung. Die Widerstände 41 und 42 können als integrale Bestandteile der magnetisch
steuerbaren Einrichtung 4 ausgeführt sein.
Eine Gleichspannungsverstärkeranordnung 7 verstärkt die Potentialdifferenz zwischen den Ausgängen
M und N und weist bei diesem Ausführungsbeispiel einen aus einem Operationsverstärker 7a, einem
Widerstand Tb und einem Transistor 7c bestehenden Spannungs-Strom-Wandler sowie einen Strom-Spannungs-Wandler
in Form eines Widerstandes Td auf. Hierbei ist der Ausgang M mit dem nichtinvertierenden
Eingang ( + ) des Operationsverstärkers 7a verbunden, während der Ausgang N über den Widerstand Tb mit
dem invertierenden Eingang (—) des Operationsverstärkers 7a verbunden ist. Somit liegt an dem
Widerstand Tb die Spannung Vm- Vn an. Weist der
Widerstand Tb den Widerstandswert R\ auf, so gilt für
einen durch ihn fließenden Strom /0:
/0 - (Vm - Vn)R1
50
Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Widerstände 41 und 42 bewirken, daß VM
> Vn ist, fließt der Strom I0
immer vom invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 7a zum Ausgang N der magnetisch situerbaren
Einrichtung 4. Im allgemeinen weist ein Operationsverstärker einen hohen Eingangswiderstand auf, so daß der
Strom /0 praktisch vollständig über die Kollektor-Emitter-Strecke des NPN-Transistors Tc zugeführt wird.
Hierbei kann der Spannungsabfall am Kollektorwiderstand Td des NPN-Transistors 7c durch Vergrößerung
des Stromverstärkungsfaktors des NPN-Transistors 7c über den Strom I0 und den Widerstandswert R7 des
Kollektorwiderstandes 7dgeregelt werden.
Für die Ausgangsspannung V0 der Gleichspannungsverstärkeranordnung
7 gilt somit:
V0 = R2 ■ (Vm - Vn)R,
Zur Einstellung des Verstärkungsfaktors für die Potentialdifferenz Vm — Vn bzw. zur Korrektor von Schwankungen in der Charakteristik der magnetisch steuerbaren Widerstände muß somit lediglich gemäß vorstehender Gleichung der Widerstand Tb (R\) oder der Widerstand Td (R2) entsprechend eingestellt werden. Soll der Strom vom Ausgang N zum Operationsverstärker 7a zwangsweise unterdrückt werden, so sollte die am Ausgang N erzeugte Spannung vorzugsweise über den Widerstand Tb und eine nicht dargestellte Spannungsfolgerschaltung dem Operationsverstärker 7a zugeführt werden.
Zur Einstellung des Verstärkungsfaktors für die Potentialdifferenz Vm — Vn bzw. zur Korrektor von Schwankungen in der Charakteristik der magnetisch steuerbaren Widerstände muß somit lediglich gemäß vorstehender Gleichung der Widerstand Tb (R\) oder der Widerstand Td (R2) entsprechend eingestellt werden. Soll der Strom vom Ausgang N zum Operationsverstärker 7a zwangsweise unterdrückt werden, so sollte die am Ausgang N erzeugte Spannung vorzugsweise über den Widerstand Tb und eine nicht dargestellte Spannungsfolgerschaltung dem Operationsverstärker 7a zugeführt werden.
Der beschriebene Aufbau führt bei Anlegen einer festen Spannung Van die Vorrichtung zur Erfassung der
Feldrichtung und daraus resultierendem Strom / dazu, daß die der Feldrichtung θ des an die magnetisch
steuerbare Einrichtung 4 angelegten Magnetfeldes entsprechenden Ausgangsspannungen Vm und Vn mit
einer Phasendifferenz von 90° an den Ausgängen Mund N auftreten. Hierbei sind die Widerstände 41 und 42 in
diagonaler Anordnung mit den jeweiligen Brückenzweigen verbunden, wobei ihre Widerstandswerte relativ
groß gewählt sind. Demzufolge gilt gemäß F i g. 3 stets die Beziehung:
VM> Vn
Zur Aufrechterhaltung der Ausgangscharakteristik der magnetisch steuerbaren Einrichtung 4, d.. h., der
Beziehung:
Y = A cos 2 θ + B
(wobei A und B Konstanten sind) ist es von wesentlicher
Bedeutung, daß der Betrag des Ungleichgewichts zwischen den Ausgangsspannungen Vm und Vn ausreichend
groß ist und daß die in den beiden Brückenzweigen fließenden Ströme Im und Is praktisch gleich sind,
weshalb die praktisch den gleichen Widerstandswert aufweisenden Widerstände 41 und 42 gemäß Fig.2
diagonal zur Brückenschaltung angeordnet werden müssen.
Obwohl die Widerstände 41 und 42 bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel derart
angeordnet sind, daß VM > Vn ist, können gemäß F i g. 4
auch Widerstände 43 und 44 mit praktisch gleichem Widerstandswert in umgekehrter diagonaler Anordnung
Verwendung finden, so daß sich Vm ^ Vn ergibt.
In diesem Fall können die gleichen Funktionen wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
erzielt werden, indem für den Transistor 7c ein PNP-Transistor verwendet und der Widerstand Td
zwischen den Kollektor des Transistors 7c und Masse geschaltet wird. Der Transistor 7c kann zur Erhöhung
des Stromverstärkungsfaktors ebenso durch eine Darlington-Transistorschaltung ersetzt werden. Darüber
hinaus kann im Gegensatz zum beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem sich die magnetisch
steuerbare Einrichtung 4 in einem Magnetfeld dreht, auch der das Magnetfeld erzeugende Magnet 5 drehbar
angeordnet sein, während die magnetisch steuerbare Einrichtung 4 stationär angebracht ist.
In Fig.5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Einrichtung zum Ermitteln der Drehwinkels eines
Drehkörpers dargestellt, daß sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 dahingehend unterscheidet,
daß die Verstärkung der Gleichspannungsverstärkeranordnung und der Nullpunkt (der sogenannte Offset-Punkt)
der erzeugten Spannungssignale auf einfache Weise getrennt voneinander eingestellt werden können.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die zur Verstärkung der Potentialdifferenz zwischen den
Ausgängen M und N der magnetisch steuerbaren Einrichtung 4 dienende Gleichspannungsverstärkeranordnung
den Spannungs-Strom-Wandler mit dem Operationsverstärker 7 a, dem Widerstand Tb und dem
NPN-Transistor 7c sowie einen Strom-Spannungs-Wandler 8 mit einem weiteren Operationsverstärker 8a,
Widerständen 86 und 8c und einer Bezugsspannungsquelle Sd. Bei dem Spannungs-Strom-Wandler sind der
Ausgang M mit dem nichtinvertierenden Eingang ( + ) des Operationsverstärkers 7a und der Ausgang N über
den Widerstand Tb mit dem invertierenden Eingang (—) des Operationsverstärkers Ta verbunden, so daß am
Widerstand Tb die Spannung Vm — Vn abfällt. Da der
Operationsverstärker Ta die Spannungen an seinem
invertierenden ( —) und seinem nichtinvertierenden ( + ) Eingang praktisch gleich hält, ist der über den
Widerstand Tb fließende Strom I\ der Differenzspannung
zwischen den Ausgängen der magnetisch steuerbaren Einrichtung 4 proportional, so daß bei einem
Widerstandswert R\ des Widerstands Tb für den Strom /i gilt:
Gleichung (3) wird für die Ausgangsspannung V0
erhalten:
Ix = (VM - V»)R\
Da bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Widerstände 41 und 42 die Beziehung Vm = Vh
gegeben ist, fließt der Strom I\ stets vom invertierenden Eingang (—) des Operationsverstärkers Ta zum
Ausgang N der magnetisch steuerbaren Einrichtung 4. Der hohe Eingangswiderstand des Operationsverstärkers
führt dazu, daß der Strom /ι nahezu vollständig über die Koilektor-Emitter-Strecke des NPN-Transistors
Tc fließt. Wird für den NPN-Transistor Tc ein hoher Stromverstärkungsfaktor gewählt (der bei einem
üblichen Transistor in der Größenordnung von 50 bis 100 liegen kann), so gilt aufgrund der Tatsache, daß der
Basisstrom /opdes Transistors 7c sehr viel kleiner als der
Kollektorstrom /cist, für den Strom /(:
/ι « Ic
Der invertierende Eingang (—) des Operationsverstärkers 8a des Strom-Spannungs-Wandlers 8 ist mit
dem Kollektor des NPN-Transistors 7c verbunden, während die Bezugsspannungsquelle Sddem nichtinvertierenden
Eingang (-{-) des Operationsverstärkers 8a
eine feste Bezugsspannung Vrcr zuführt Da die
Spannungen am invertierenden und nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 8a praktisch gleich sind, ergibt
sich bei einem Widerstandswert R2 des Widerstandes 8c
für die Ausgangsspannung Vo:
V0=RrCf-R2- I2 (3)
Der über den Rückkopplungswiderstand 8c fließende Strom I2 wird über den Kollektorwiderstand 86
eingespeist und steht in folgender Beziehung zu dem Kollektorstrom Ic und dem über den Kollektorwiderstand
86 fließenden Strom I3:
h-h-Ic
Durch Umformung von Gleichung (4) mit Hilfe der Beziehungen (1) und (2) ergibt sich für den Strom h:
(Vc-
-(Vm- Vn)IR,
Hierbei bezeichnet R3 den Widerstandswert des
Widerstands Sb. Durch Einsetzen von Gleichung (5) in
Wie Gleichung (6) zeigt, wird bei konstantem Widerstandswert Rj des Widerstands 8c die Verstärkung
der Ausgangsspannung Vm- Vn der Brückenschaltung
zur Ausgangsspannung V0 vom Widerstandswert R[ des Widerstands Tb und der Nullpunkt
(Offset-Punkt) vom Widerstandswert R3 des Widerstands
86 bestimmt. Der Nullpunkt wird au3erdem von der Bezugsspannung Vrer festgelegt. Somit können die
Verstärkung durch Änderung des Widerstands Tb und
der Nullpunkt durch Änderung des Widerstands 86 oder der Bezugsspannung K-r getrennt voneinander eingestellt
werden. Wird die Bezugsspannung Vre/durch zwei
nicht dargestellte Spannungsteilerwiderstände aus der festen Spannung Vc gewonnen, so kann der Nullpunkt
auch durch Veränderung des Widerstandswertes zumindest eines der beiden Widerstände eingestellt werden.
Wird eine zwangsweise Unterdrückung des Stromes vom Ausgang N zum Operationsverstärker 7a gewünscht,
so sollte die am Ausgang N erzeugte Spannung vorzugsweise über den Widerstand 76 und eine nicht
dargestellte Spannungsfolgerschaltung dem Operationsverstärker 7a zugeführt werden.
Zur Erzielung einer Temperaturkompensation bei der magnetisch steuerbaren Einrichtung 4 und der Gleichspannungsverstärkeranordnung
7,8 kann ein gestrichelt dargestellter Widerstand Td' zwischen den Kollektor
des Transistors 7c und Masse geschaltet werden. Der Spannungsabfall am Widerstand Td' ist praktisch gleich
der Spannung Vm am Ausgang Af, wodurch der über den
Widerstand Td' fließende Strom U in Übereinstimmung
mit dem über den Widerstand 76 fließenden Strom I\ in Abhängigkeit von Änderungen der Spannung Vm
variiert. Diese Änderung des Stromes /4 wirkt als Bestandteil des Stromes Ic, d. h„ eine Vergrößerung des
Stromes /4 bewirkt eine Verkleinerung des Stromes h,
was gemäß Gleichung (4) eine Zunahme der Ausgangsspannung Vo zur Folge hat. Bei einer geeigneten Wahl
des Widerstandswertes des Widerstands Td' bewirkt somit eine z. B. umgebungstemperaturabhängige Zunähme
der Spannung Vm eine entsprechende Zunahme des über den Widerstand Td' fließenden Stromes /4,
wodurch eine resultierende Änderung des Stromes I2
verhindert wird.
Während beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Widerstände 41 und 42 die Beziehung
Vm i Vn zur Folge haben, führen Widerstände 43 und
44 gemäß Fi". 6 mit im wesentlichen bleichem
Widerstandswert in umgekehrt diagonaler Anordnung zu der Beziehung VM <
Vm Die Verwendung eines PNP-Transistors für den Transistor 7c und das Schalten
des Widerstands 86 zwischen den Kollektor des Transistors 7c und Masse gewährleistet dann, daß die
gleichen Funktionen erfüllt sind. Auch kann der Transistor 7c zur Erzielung eines höheren Stromver-Stärkungsfaktors
durch eine Darlington-Transistorschaltung ersetzt werden.
Obwohl bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die magnetisch steuerbare Einrichtung 4
im Magnetfeld gedreht wird, besteht ebenso auch die Möglichkeit, den felderzeugenden Magneten 5 drehbar
anzuordnen und die magnetisch steuerbare Einrichtung 4 fest anzubringen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels eines Drehkörpers, mit einer in einem Dauermagnetfeld
angeordneten magnetisch steuerbaren Einrichtung mit einer vier magnetisch steuerbare Widerstände
enthaltenden Brückenschaltung, die an gegenüberliegenden Brückenpunkten mit einer
elektrischen Spannungsquelle verbunden ist und an ihren anderen Brückenpunkten eine von der
Ausrichtung der magnetisch steuerbaren Einrichtung bezüglich des Dauermagnetfeldes abhängige
Ausgangsspannung erzeugt gekennzeichnet d u r c h die Kombination folgender Merkmale:
15
a) in zwei einander diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen mit magnetisch steuerbaren
Widerständen (4a, 4c; 4b, 4d) sind jeweils in
Reihe geschaltete Widerstände (43, 44; 42, 41) derart vorgesehen, daß sich die Polarität der
Ausgangsspannung (Vm- Vn) auch bei einer Änderung der Ausrichtung der magnetisch
steuerbaren Einrichtung (4) bezüglich des Dauermagnetfeldes nicht ändert;
b) an den Ausgang (M, N) ist eine einen Spannungs-Strom-Wandler (7a, 7b, 7c) und
einen Strom-Spannungs-Wandler (7c/; 8) enthaltende
Gleichspannungsverstärkeranordnung (7; 7,8) angeschlossen.
30
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Strom-Wandler einen
Operationsverstärker (Ja)mit zwei Eingängen, einen an einer Seite mit einem der beiden Eingänge des
Operationsverstärkers (7a) verbundenen Widerstand (7b) und einen über seine Basis mit dem
Ausgang und über seinen Emitter mit dem einen Eingang des Operationsverstärkers (7a^ verbundenen
Transistor (7c) aufweist, daß der andere Eingang des Operationsverstärkers (7a,) und die andere Seite
des Widerstands (7b) mit der Brückenschaltung verbunden sind, und daß der Strom-Spannungs-Wandler
(7d) einen mit dem Kollektor des Transistors (Jc) verbundenen Widerstand aufweist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungs-Strom-Wandler einen Operationsverstärker (7a) mit zwei Eingängen, einen
auf einer Seite mit einem der beiden Eingänge des Operationsverstärkers (7a^ verbundenen Widerstand
(Jb) und einen über seine Basis mit dem Ausgang und über seinen Emitter mit dem einen
Eingang des Operationsverstärkers verbundenen Transistor (7c) aufweist, daß der andere Eingang des
Operationsverstärkers (Ja) und die andere Seite des Widerstands (Jb) mit der Brückenschaltung verbunden
sind, und daß der Strom-Spannungs-Wandler (8) einen weiteren Operationsverstärker (8a,), einen
zwischen den Kollektor des Transistors (7c,) und eine Konstantspannung (Vc) geschalteten Widerstand
(Sb) und einen in den Gegenkopplungsstromkreis dieses Operationsverstärkers (Sa) geschalteten
Widerstand (8c,) aufweist, wobei der weitere Operationsverstärker (8a,) über einen Eingang mit
dem Kollektor des Transistors (7c,) und über einen weiteren Eingang mit einer Bezugsspannungsquelle
(Vred verbunden ist.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels eines Drehkörpers gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei vielen Regelsystemen insbesondere für Kraftfahrzeuge ist häufig eine verschleißfreie, d.h. möglichst
kontaktlose Erfassung eines Drehwinkels zweckmäßig, z. B. zur Feststellung des Öffnungsgrades einer Drosselklappe,
eines Ventils oder dergleichen.
In diesem Zusammenhang ist es bekannt (»ETZ-B«, Band 17, 1965, Heft 10, Seiten 289 bis 293), sogenannte
Feldplatten, d. h., Halbleiter-Bauelemente mit magnetfeldabhängigem
Widerstandswert, als kontakt- und stufenlos veränderbare Widerstandselemente zu verwenden.
Weiterhin ist es bekannt (»Elektronik« 1965, Heft 8, Seite 229), vier derartige magnetisch steuerbare
Widerstände in Brückenschaltung in einem Dauermagnetfeld anzuordnen. Bei einer Drehung des Dauermagnetfeldes
entsteht als Brückenspannung dann eine Wechselspannung, mit der nachgeschaltete Einrichtungen,
wie z. B. ein Gleichstrommotor, gespeist werden können. Soll eine solche Wechselspannung jedoch als
Meßsignal zur Ermittlung des Verdrehungswinkels der magnetisch steuerbaren Widerstände bezüglich der
Richtung des Dauermagnetfeldes weiterverarbeitet werden, macht sich die wechselnde Po'arität des
Meßsignals äußerst störend bemerkbar. Dies gilt insbesondere bei Nachschaltung von gleichspannungsgespeisten
Signalauswertungsschaltungen, da diese dann bei positivem und negativem Eingangssignal in
zwei Richtungen betreibbar sein müssen, was einen ziemlich komplexen Aufbau bedingt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels eines
Drehkörpers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszugestalten, daß ein möglichst
einfacher Aufbau erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteingelöst.
Erfindungsgemäß wird somit eine vier magnetisch steuerbare Widerstände enthaltende Brückenschaltung
durch zusätzliche Zuschaltung von Widerständen derart aus dem Gleichgewicht gebracht, daß ihre Ausgangsspannung
unabhängig vom jeweiligen Drehwinkel eines Drehkörpers stets die gleiche Polarität aufweist.
Damit braucht eine zweckmäßigerweise nachgeschaltete Gleichspannungsverstärkeranordnung nur noch
zur Verstärkung eines Signals mit einer einzigen Polarität ausgelegt werden und kann damit entsprechend
einfach aufgebaut sein. Wenn darüber hinaus zumindest einer der zusätzlich zugeschalteten Widerstände
als veränderbarer Stellwiderstand ausgebildet ist, läßt sich damit in sehr einfacher Weise der
Verstärkungsfaktor einstellen.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Meßanordnung zur Messung einer
Ventilöffnung mittels einer Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels eines Drehkörpers,
F i g. 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Einrichtung zum Ermitteln des Drehwinkels eines
Drehkörpers,
F i g. 3 die charakteristische Beziehung zwischen Drehwinkel und Ausgangsspannung der Einrichtung,
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