CH634925A5

CH634925A5 - Anordnung zur ermittlung der drehzahl, des drehwinkels und der drehrichtung von maschinenwellen.

Info

Publication number: CH634925A5
Application number: CH788578A
Authority: CH
Inventors: Josef Parlesak; Roland Bruestle
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1977-08-12
Filing date: 1978-07-21
Publication date: 1983-02-28
Also published as: ATA581978A; DE2736418C2; DE2736418B1; SE7808407L; GB2002898B; AT363148B; GB2002898A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der Drehzahl, des Drehwinkels und der Drehrichtung von Maschinenwellen mittels eines mit der Maschinenwelle gekuppelten, zwei gegeneinander versetzte Impulsfolgen liefernden optoelektronischen Impulsgebers mit nachgeschalteter Impulsformerstufe und mit einem ein Drehrichtungssignal abgebenden Diskriminator.

Eine derartige Anordnung ist aus der britischen Patentschrift 689 107 bekannt.

In einer bekannten Schaltungsanordnung zur Korrektur der Ausgangsspannung eines Tachogenerators werden die drehzahlproportionalen Impulse eines mit dem Tachogenerator gekuppelten Impulsgebers in Impulse mit konstanter Spannungszeitfläche umgeformt. Hierzu ist ein Schaltglied vorgesehen, das während einer vorgegebenen Zeitspanne innerhalb einer Periode der drehzahlproportionalen Impulsfolge einen an eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen Schalter im Takt der Impulse betätigt (DBP 2 324 824).

Für die Regelung der Drehzahl von Antrieben und für die Wegregelung wird der Istwert der Drehzahl und der Istwert des Drehwinkels der Antriebswelle benötigt. Hierfür wurden bisher ein Tachogenerator zur Lieferung eines analogen, der Drehzahl proportionalen und ein Impulsgeber zur Lieferung eines digitalen, dem Drehwinkel proportionalen Istwertes eingesetzt. Für jeden der beiden Geber ist eine elektronische Schaltung erforderlich. Tachogeneratoren haben zwar ein dynamisch günstiges Verhalten, erfassen einen grossen Drehzahlbereich und geben die Drehrichtung an, unterliegen jedoch dem Verschleiss und erfordern eine mechanische Verbindung mit der Antriebswelle. Für hohe Genauigkeit müssen Tachogeneratoren in Sonderausführung verwendet werden.

Ausgehend von dem eingangs erwähnten optoelektronischen Impulsgeber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die der Drehzahl proportionalen Grössen aus den vom Impulsgeber gelieferten Impulsfolgen abzuleiten und dadurch den bisher üblichen Tachogenerator ohne Einbusse seiner günstigen Eigenschaften einzusparen.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Impulsformerstufe über einen mit mehreren, die Frequenz der Impulsfolge vervielfachenden oder untersetzenden Stufen ausgeführten Frequenzumsetzer und eine Umformereinrichtung, die die Impulse mindestens einer der beiden Impulsfolgen in Impulse konstanter Spannungszeitfläche umformt, an einen ein analoges, der Drehzahl proportionales Ausgangssignal erzeugenden Filterkreis angeschlossen ist, dass ein Steuerwerk zur gleichzeitigen, von dem zeitlichen Abstand zwischen den Impulsen abhängigen Umschaltung des Frequenzumsetzers von der jeweiligen Frequenzstufe auf die nächst höhere oder nächst tiefere Stufe und der Umformeinrichtung zur Konstanthaltung der Spannungszeitfläche im Umschaltzeitpunkt vorgesehen ist und dass aus einer der beiden Impulsfolgen der relative und in Verbindung mit einem weiteren, vom Impulsgeber je Umdrehung gelieferten Impuls der absolute Drehwinkel bestimmt werden.

Da optoelektronische Impulsgeber im Vergleich zu auf magnetischer Basis arbeitenden Impulsgebern Impulsfolgen hoher Frequenzen liefern können, lässt sich mit der Anordnung ein analoges, der Drehzahl proportionales Signal erzeugen, mit dem ein wesentlich grösserer Drehzahlbereich als mit einem Tachogenerator erfasst werden kann. Mit Hilfe des Frequenzumsetzers ist es möglich, das analoge Signal bei hoher Drehzahl aus Impulsfolgen niedriger Frequenz und bei niedriger Drehzahl aus Impulsfolgen hoher Frequenz zu bilden. Dadurch wird die Messgenauigkeit insbesondere bei niedrigen Drehzahlen im Vergleich zu Tachogeneratoren ohne weiteren Aufwand erhöht.

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird diese im folgenden näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur analogen Bildung von Impulsen konstanter Spannungszeitfläche,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur digitalen Bildung von Impulsen konstanter Spannungszeitfläche.

Gemäss Figur 1 ist ein mit der Arbeitswelle eines Antriebes gekuppelter optoelektronischer Impulsgeber 1 vorgesehen, der

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in bekannter Weise zwei gegeneinander versetzte Impulsfolgen anzeigendes Signal, am Ausgang 18 die Justierimpulsfolge und hoher Frequenz, z.B. 200 kHz bei der höchsten Drehzahl der am Ausgang 19 eine Impulsfolge als Wegistwert an. Antriebswelle, und zusätzlich je Umdrehung eines Justierimpuls Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind die der Figur 1 liefert. An den Impulsgeber ist eine Impulsformerstufe 2 ange- entsprechenden Teile mit denselben Benzugszeichen gekenn-schlossen, deren Ausgänge mit Ausnahme des den Justierimpuls 5 zeichnet. An Stelle des zweistufigen Umsetzers ist hier ein beiliefernden Ausganges mit den Eingängen eines Frequenzumset- spielsweise fünfstufiger Frequenzumsetzer 20 verwendet, des-zers 3 und eines Drehrichtungs-Diskriminators 4 verbunden sen Impulsfolgefrequenzen im Verhältnis 1:2:4:8:16 abgestuft sind. Der Frequenzumsetzer untersetzt oder vervielfacht minde- und von einem Steuerwerk 21 über einen Umschalter 22 an-stens eine der beiden Impulsfolgen, beispielsweise im Verhältnis wählbar sind. Die Anzahl der Stufen und das Umsetzverhältnis 1:8. Die vom Impulsgeber vorgegebene Impulsfolgefrequenz ist io sind so gewählt, dass die obere Grenzfrequenz jeder Stufe der zusätzlich über einen Ausgang des Frequenzumsetzers einem optimalen Arbeitsfrequenz der elektronischen Bauelemente Steuerwerk 5 zugeführt, das mit Hilfe eines Zeitgliedes die zeit- entspricht, während die untere Grenzfrequenz jeweils durch das liehe Aufeinanderfolge der Impulse überwacht und beispiels- dynamische Verhalten des Ausgangssignals des Gebers 1 beweise bei 12 % der maximalen Drehzahl einen im Frequenzum- stimmt wird. Zeitstufen im Steuerwerk 21 überwachen über die setzer angeordneten Schalter 6 von der untersetzten auf die 15 an dem Eingang 23 angeschlossene Leitung den zeitlichen Abvolle Frequenz oder umgekehrt umschaltet. Die vom Umschal- stand zwischen den Impulsen, deren Frequenz der Drehzahl ter angewählte Impulsfolgefrequenz betätigt ein elektronisches proportional ist. Wird der zeitliche Abstand grösser als der ma-Schaltglied 7, das im Takt der Impulse eine Gleichspannung Uref ximale Abstand, der der unteren Grenzfrequenz der jeweiligen an den Eingang eines in einer Umformeinrichtung 8 angeordne- Stufe entspricht, dann schaltet das Steuerwerk auf die Stufe der ten Verstärkers (Komparators) 9 mit hohem Verstärkungsfak- 20 nächst höheren Frequenz um. Unterschreitet der zeitliche Ab-tor anlegt. Dem Verstärker ist ein Integrator 10 nachgeschaltet, stand den der oberen Frequenzgrenze entsprechenden Minimal-der die Spannungszeitfläche der Ausgangsimpulse des Verstär- wert, so wird auf die nächst niedrigere Stufe umgeschaltet. Im kers misst und dessen integrierte Spannung an einen zweiten Zeitpunkt der Umschaltung von einer Stufe des Frequenzum-Eingang des Verstärkers als Vergleichsspannung zurückgeführt setzers auf die nächste, muss die mittlere Spannungszeitfläche ist. Die dadurch am Ausgang des Verstärkers erzeugten Impulse 25 der Impulse konstant bleiben. Im Gegensatz zu der analogen konstanter Spannungszeitfläche sind einem Verstärker 11 zuge- Bildung nach Fig. 1 wird im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 führt. Der Aufbau der Umformeinrichtung bietet den Vorteil, nicht die Amplitude, sondern die Zeitdauer (Breite) der Impul-dass durch den Komparator hervorgerufene Verzögerungen se geändert. Die Bildung der Impulse mit konstanter Span-vom Integrator ausgeglichen werden. nungszeitfläche übernehmen eine Umformeinrichtung 24, die

Damit die Spannungszeitfläche der Impulse unabhängig von 30 einen mehrstufigen, an einen hochgenauen Oszillator 26 ange-der durch das Steuerwerk angewählten Impulsfolgefrequenz er- schlossenen Zähler 27 und eine elektronische Schaltvorrichtung halten bleibt, wird der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 11 28 enthält, und eine Verstärkerstufe 25, deren Verstärker 29 gleichzeitig mit der Betätigung des Umschalters 6 vom Steuer- mittels des Schaltgliedes 7 an eine Referenzgleichspannung Uref werk 5 umgeschaltet, d.h. die Amplitude der Impulse wird geän- anschliessbar ist. Die Zeitdauer der Impulse wird in der Um-dert, so dass der Mittelwert des Signals, das am Ausgang eines 35 formeinrichtung 24 mit Hilfe des Zählers 27 festgelegt, der jedem Verstärker 11 nachgeschalteten Filters 12 höherer Ord- weils von Null bis zu dem Zählerstand, der der vom Steuerwerk nung im Zeitpunkt der Umschaltung gleich gross bleibt. An den über den Schalter 28 angewählten Zählerstufe entspricht, ein Filter 12 ist eine Vorrichtung 13 angeschlossen, der zur Betäti- «1»-Signal ausgibt. Jeder Ausgangsimpuls des Frequenzumset-gung eines die Polarität des analogen Ausgangssignals des Fil- zers setzt den Zähler auf Null zurück. Damit ist die Breite der ters umschaltenden Schalters 14 ein von der Drehrichtung des 40 Impulse am Zählerausgang dem Umsetzverhältnis des Fre-Antriebes abhängiges Signal des Drehrichtungsdiskriminators 4 quenzumsetzers proportional.

zugeführt ist. Für die Umkehrung der Polarität enthält die Vorrichtung 13 einen Verstärker 30. Die Ausgangsimpulse des Zählers betätigen das Schaltglied Ein weiterer Frequenzuntersetzer 15 bildet aus der vollen 7, so dass die Referenzgleichspannung Ure{ im Takt der Impulse Impulsfolgefrequenz ein digitales, für die Positionierung oder 45 an den Verstärker 29 gelegt wird und am Ausgang der Verstär-Wegerfassung auswertbares Signal. Dieses dem relativen Dreh- kerstufe 25 eine Folge von Impulsen entsteht, deren Spannungswinkel entsprechende Signal kann in Verbindung mit dem Ju- zeitfläche der jeweiligen Drehzahl der Maschinenwelle propor-stierimpuls zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels verwen- tional ist.

det werden. Die Arbeitsweise des Filters 12 und der Umschaltvorrich-

Am Ausgang 16 der Anordnung steht somit ein analoges 50 tung 13 entspricht der des in Fig. 1 dargestellten Ausführungs-Signal als Drehzahlistwert, am Ausgang 17 ein die Drehrichtung beispiels.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

634 925 PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung zur Ermittlung der Drehzahl, des Drehwinkels und der Drehrichtung von Maschinenwellen mittels eines mit der Maschinenwelle gekuppelten, zwei gegeneinander versetzte Impulsfolgen liefernden optoelektronischen Impulsgebers mit nachgeschalteter Impulsformerstufe und mit einem ein Drehrichtungssignal abgebenden Diskriminator, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsformerstufe (2) über einen mit mehreren, die Frequenz der Impulsfolge vervielfachenden oder untersetzenden Stufen ausgeführten Frequenzumsetzer (3 ; 20) und eine Umformereinrichtung (8 ; 24,25), die die Impulse mindestens einer der beiden Impulsfolgen in Impulse konstanter Spannungszeitfläche umformt, an einen ein analoges, der Drehzahl proportionales Ausgangssignal erzeugenden Filterkreis (12) angeschlossen ist, dass ein Steuerwerk (5 ; 21) zur gleichzeitigen, von dem zeitlichen Abstand zwischen den Impulsen abhängigen Umschaltung des Frequenzumsetzers von der jeweiligen Frequenzstufe auf die nächst höhere oder nächst tiefere Stufe und der Umformeinrichtung zur Konstanthaltung der Spannungszeitfläche im Umschaltzeitpunkt vorgesehen ist und dass aus einer der beiden Impulsfolgen der relative und in Verbindung mit einem weiteren, vom Impulsgeber (1) je Umdrehung gelieferten Impuls der absolute Drehwinkel bestimmt werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinrichtung (8) aus einem Komparator (9) und einem diesem nachgeschalteten Integrator (10) besteht, dessen Ausgang auf einen ersten Eingang des Komparators zurückgeführt ist, an dessen zweiten Eingang eine Gleichspannung (Ure{) mittels eines im Takt der Ausgangsimpulse des Frequenzumsetzers (3) betätigten elektronischen Schaltglied (7) anschliessbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Umformeinrichtung (8) und dem Filterkreis (12) ein Verstärker (11) angeordnet ist, dessen Verstärkungsfaktor vom Steuerwerk (5) in Abhängigkeit von der angewählten Stufe des Frequenzumsetzers (3) umschaltbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinrichtung aus einem an einen Oszillator (26) angeschlossenen Zähler (27) mit einer nachgeschalteten, vom Steuerwerk (21) gleichzeitig mit dem Umschalter (22) betätigbaren elektronischen Schaltvorrichtung (28) und einer Verstärkerstufe (25) besteht, die einen Verstärker (29) und ein diesem vorgeschaltetes Schaltglied (7) enthält, das im Takt der Ausgangssignale des Zählers eine Gleichspannung (Uref) an den Eingang des Verstärkers schaltet.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Filterkreis (12) eine Vorrichtung (13) angeschlossen ist, die in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Drehrichtungsdiskriminators (4) die Polarität des analogen Drehzahlsignals festlegt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem vom Impulsgeber (1) gelieferten Impulsen in einem Frequenzuntersetzer (15) dem relativen Drehwinkel entsprechende, wegproportionale Impulse abgeleitet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkreis (12) aus einem Filter zweiter oder höherer Ordnung besteht.