DD255601A1

DD255601A1 - ARRANGEMENT, ESPECIALLY FOR THE DIGITAL MEASUREMENT OF PHASE SHIFT

Info

Publication number: DD255601A1
Application number: DD29567686A
Authority: DD
Inventors: Manfred Endig; Wolfgang Westphal; Gerd Schulze; Helge Junghans
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1986-10-29
Filing date: 1986-10-29
Publication date: 1988-04-06

Abstract

Die Erfindung hat eine Anordnung zum Messen der Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen Signalen gleicher oder variabler Frequenz bei geringstem Aufwand und mit hoechster Genauigkeit unter Echtzeitbedingungen zum Inhalt. Damit sind auch dynamische Vorgaenge erfassbar. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass bei Veraenderung der Frequenz der Eingangssignale die Taktzeit der Taktimpulse nachgefuehrt wird. Die Loesung erfolgt dadurch, dass mit Hilfe einer PLL- (Phased Lock Loop) Schaltung die Taktimpulsfrequenz zur Eingangsfrequenz proportional bleibt. Zur Anwendung gelangt die Erfindung bei der Ermittlung von Phasendifferenzen, insbesondere solchen, bei der die Eingangsfrequenz sich aendert. Ein Beispiel dafuer stellt die Polradwinkelmessung an Synchronmaschinen dar. FigurThe invention has an arrangement for measuring the phase shift between two electrical signals of the same or variable frequency with minimum effort and with the highest accuracy under real-time conditions to the content. This also dynamic processes are detected. The object of the invention is that when changing the frequency of the input signals, the cycle time of the clock pulses is tracked. The solution is achieved by using a PLL (Phased Lock Loop) circuit, the clock frequency remains proportional to the input frequency. The invention is used in the determination of phase differences, in particular those in which the input frequency changes. An example of this is the pole wheel angle measurement on synchronous machines

Description

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Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft das Gebiet der digitalen Meßtechnik. Anwendung findet die Erfindung bei der Messung von Phasen- und Winkeldifferenzen in der Elektrotechnik/Elektronik und der Ermittlung daraus ableitbarer Größen.The invention relates to the field of digital metrology. The invention finds application in the measurement of phase and angle differences in electrical engineering / electronics and the determination of quantities derivable therefrom.

Ein Anwendungsbeispiel der Winkelmessung ist die Ermittlung des Polradwinkels von Synchronmaschinen.An application example of the angle measurement is the determination of the rotor angle of synchronous machines.

Characteristic of the known technical solutions

Anordnungen beziehungsweise Geräte zur Phasendifferenzmessung sind bekannt.Arrangements or devices for phase difference measurement are known.

In der DE-O53336449 oder auch in der DD 238455 zur Phasendifferenzmessung werden die Flanken eines Vergleichssignals dazu benutzt, ein „Steuer-Flipflop" zu setzen, welches das Torglied öffnet. Nach dem Öffnen des Tores werden so lange festfrequente Taktimpulse in den Zähler eingeschrieben, bis eine zweite Flanke des „Steuer-Flipflops" zurücksetzt und damit das Tor wieder schließt. Zwischen der Zahl der eingezählten Impulse und der Phasenverschiebung zwischen den zwei Signalen besteht Proportionalität. Dabei stellt die Menge der in den Zähler eingezählten Taktimpulse, welche eine definierte Taktzeit besitzen, das Ergebnis der Messung dar. Daraus ergibt sich die Möglichkeit zur Berechnung der Zeitdifferenz zwischen den Eingangssignalen, die ein Maß für die Phasendifferenz ist.In DE-O53336449 or also in DD 238455 for phase difference measurement, the edges of a comparison signal are used to set a "control flip-flop" which opens the gate member. until a second edge of the "control flip-flop" resets and thus closes the gate again. There is proportionality between the number of pulses counted in and the phase shift between the two signals. In this case, the amount of the clock pulses counted into the counter, which have a defined cycle time, represents the result of the measurement. This results in the possibility of calculating the time difference between the input signals, which is a measure of the phase difference.

Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, daß bei Veränderung der Frequenz der Eingangssignale Meßfehler entstehen, da die Taktzeit der Taktimpulse nicht nachgeführt wird.The disadvantage of these solutions is that measurement errors occur when the frequency of the input signals changes, since the clock time of the clock pulses is not tracked.

Object of the invention

Die Erfindung ermöglicht die Messung des Phasenwinkels bei veränderlicher Eingangsfrequenz. Um auch Aussagen über den Polradwinkel während dynamischer Vorgänge treffen zu können, ist es mit dieser Meßanordnung möglich, bis zu 2 Meßwerte pro Periode der Frequenz der Eingangssignale zu ermitteln und diese über einen Rechner auszuwerten.The invention enables the measurement of the phase angle with variable input frequency. In order to be able to make statements about the rotor angle during dynamic processes, it is possible with this measuring arrangement to determine up to 2 measured values per period of the frequency of the input signals and to evaluate them via a computer.

Essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung insbesondere zur digitalen Messung der Phasenverschiebung zu schaffen, welche die Messung der Phasen-oder Winkeldifferenz zweier Signale gleicher aber variabler Frequenz gestattet. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Anordnung zur digitalen Messung vorzuschlagen, bei der ein genau definiertes Vielfaches der Meßfrequenz durch eine Phased-Lock-Loop(PLL)-Schaltung erzeugt wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Eingang der PLL-Schaltung mit einem der beiden Eingänge der Komparatoren verbunden und der Ausgang der PLL-Schaltung auf das Tor geschaltet ist. Ferner ist es möglich, daß die Ausgänge der Komparatoren mit einer digitalen Vorzeichenlogik verbunden sind. Darüber hinaus ist es möglich, daß ein Eingangssignal von einem Reflexoptokoppler, der von Markierungen der Welle einer Synchronmaschine geschaltet wird, auf den Eingang eines Komparators geschaltet ist. Durch die Festlegung des Faktors für die vervielfachte Eingangsfrequenz (Meßfrequenz) kann die Winkelauflösung der Phasenmessung festgelegt werden.The invention has for its object to provide an arrangement in particular for the digital measurement of the phase shift, which allows the measurement of the phase or angular difference of two signals equal but variable frequency. The solution according to the invention consists in proposing an arrangement for digital measurement in which a precisely defined multiple of the measuring frequency is generated by a phase locked loop (PLL) circuit. According to the invention the object is achieved in that the input of the PLL circuit connected to one of the two inputs of the comparators and the output of the PLL circuit is connected to the gate. Furthermore, it is possible that the outputs of the comparators are connected to a digital sign logic. Moreover, it is possible that an input signal from a reflex optocoupler, which is switched by markings of the shaft of a synchronous machine, is connected to the input of a comparator. By defining the factor for the multiplied input frequency (measuring frequency), the angular resolution of the phase measurement can be determined.

Bei einer Taktfrequenz, die beispielsweise der 360fachen Eingangsfrequenz entspricht, ergibt sich eine Auflösung des Winkels von1 Grad und bei der 3600fachen Eingangsfrequenz eine von 0,1 Grad. Während eines Meßvorganges werden die Taktimpulse in einen Zähler eingezählt. Auf diesem Wege wird erreicht, daß der Zähler nach jedem Meßvorgang einen der Phasenverschiebung proportionalen Wert ausweist. Die Taktfrequenz wird über eine Torschaltung einem Zähler zugeführt. Die zu messenden phasenverschobenen Wechselgrößen werden mittels Nullspannungskomparatoren in Rechteckimpulse der gleichen Phasenverschiebung umgewandelt. An die Ausgänge der Komparatoren ist eine Verknüpfungslogik angeschlossen, die dieeingangsseitig anliegenden Rechteckimpulse derart verknüpft, daß am Ausgang der Verknüpfungslogik ein die Phasendifferenz zwischen den eingangsseitig anliegenden Rechtecksignalen repräsentierendes Rechtecksignal abgegriffenAt a clock frequency that corresponds, for example, to the 360-fold input frequency, the resolution of the angle is 1 degree, and at the 3600-fold input frequency it is 0.1 degrees. During a measuring process, the clock pulses are counted in a counter. In this way, it is achieved that the counter identifies a value proportional to the phase shift after each measurement process. The clock frequency is fed via a gate to a counter. The phase-shifted alternating quantities to be measured are converted by means of zero-voltage comparators into rectangular pulses of the same phase shift. To the outputs of the comparators a logic logic is connected, which links the input-side applied rectangular pulses such that at the output of the logic combination a tapped the phase difference between the input-side adjacent rectangular signals representative square wave signal

Der Ausgang der Verknüpfungslogik wird mit der Torschaltung verbunden, an die außerdem die Taktfrequenz der PLL-Schaltung angeschlossen ist. Die innerhalb der Toröffnungszeit von der PLL-Schaltung kommenden und vom Tor hindurchgelassenen Impulse werden gezählt.The output of the logic logic is connected to the gate, to which also the clock frequency of the PLL circuit is connected. The pulses coming within the gate opening time from the PLL circuit and transmitted by the gate are counted.

Nach jeder Auszählung der den Phasenwinkel bzw. Polradwinkel entsprechenden Impulsfolge wird über eine Logik der Zählerstand von einem Speicher übernommen und der Zähler zurückgesetzt.After each counting of the pulse sequence corresponding to the phase angle or rotor angle, the counter reading is taken over from a memory and the counter is reset via a logic.

Vom Speicher erfolgt bei stationären Messungen eine Übernahme in eine Anzeige in gewünschten vorgebbaren Zeitabständen.From the memory takes place in stationary measurements, a transfer to a display in desired predetermined intervals.

Bei Messungen unter Echtzeitbedingungen steht jeder Meßwert, das sind maximal 2 Meßwerte pro Periode der Eingangsfrequenz, der weiteren Auswertung zur Verfügung.For measurements under real-time conditions, each measured value, ie a maximum of 2 measured values per period of the input frequency, is available for further evaluation.

Die von den Komparatoren erzeugten Rechteckimpulse werden einer digitalen Vorzeichenlogik zugeführt, die eine Aussage darüber gibt, ob das zweite Eingangssignal gegenüber dem ersten vor- oder nacheilend ist.The rectangular pulses generated by the comparators are supplied to a digital sign logic, which provides information about whether the second input signal is leading or lagging from the first.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 1 (Blockschaltbild) zur Messung des Polradwinkels von Synchronmaschinen erläutert werden.The invention will be explained below with reference to an embodiment with reference to FIG. 1 (block diagram) for measuring the Polradwinkels of synchronous machines.

Zur Messung des Polradwinkels wird der Phasenwinkel zwischen der Spannung der Netzfrequenz und einer Spannung, deren Frequenz und Phasenlage proportional der Drehzahl und der Lage des Polrades sind, ausgewertet.To measure the Polradwinkels the phase angle between the voltage of the mains frequency and a voltage whose frequency and phase angle are proportional to the speed and the position of the pole wheel, evaluated.

Im synchronisierten Zustand der Maschine sind die Frequenzen beider Spannungsverläufe gleich.In the synchronized state of the machine, the frequencies of both voltage curves are the same.

Diese beiden Spannungen stellen die Eingangssignale der Meßanordnung dar. Bevor beide Signale zur Logik L gelangen, werden sie mittels Komparatoren K1, K2 in Rechtecksignale umgewandelt. Dazu wird die Netzspannung über einen Spannungsteiler einem Komparator K2 zugeführt und in eine Rechteckspannung mit Netzfrequenz umgeformt.These two voltages represent the input signals of the measuring arrangement. Before both signals reach the logic L, they are converted into rectangular signals by means of comparators K1, K2. For this purpose, the mains voltage is fed via a voltage divider to a comparator K2 and converted into a square-wave voltage with mains frequency.

Das der Polradspannung proportionale Signal wird gewonnen, indem die Oberfläche der Läuferwelle in die doppelte der Polpaarzahl entsprechende Sektorenanzahl, abwechselnd reflektierend—nicht reflektierend, unterteilt ist, oberhalb deren ein Reflexoptokoppler angeordnet ist, durch den ein Rechtecksignal erzeugt wird. Beide Signale werden an die Eingänge einer LogikL angelegt, die beide Rechtecksignale derart verknüpft, daß am Ausgang ein die Phasendifferenz zwischen den eingangsseitig anliegenden Rechtecksignalen repräsentierendes Rechtecksignal abgegriffen werden kann, das einer Torschaltung T zugeführt wird.The signal proportional to the pole wheel voltage is obtained by subdividing the surface of the rotor shaft into a number of sectors corresponding to twice the number of pole pairs, alternately reflective-nonreflecting, above which a reflection optocoupler is arranged, through which a square-wave signal is generated. Both signals are applied to the inputs of a logic L, which combines both square-wave signals such that at the output of the phase difference between the input side adjacent square wave signals representing rectangular signal can be tapped, which is fed to a gate T.

Die Torschaltung T ist mit der Logik L verbunden.The gate T is connected to the logic L.

Die Taktfrequenz wird von einer PLL-Schaltung PLL erzeugt. Bei der Verwendung der Einrichtung bei Netzfrequenz von 50Hz schwingt der spannungsgesteuerte Oszillator der PLL-Schaltung PLL mit einer Frequenz von 18 kHz. Diese Frequenz wird auf 50Hz geteilt und durch einen Phasendiskriminator mit der Netzfrequenz, die von K2 abgegriffen wird, verglichen. Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators wird solange geändert, bis die Frequenzen beider am Phasendiskriminator anliegenden Signale gleich sind. Das hat zur Folge, daß das Ausgangssignal der PLL-Schaltung PLL, das die Taktfrequenz darstellt, das 360fache der Netzfrequenz ist, auch wenn diese Schwankungen unterliegt.The clock frequency is generated by a PLL circuit PLL. When using the device at a mains frequency of 50 Hz oscillates the voltage controlled oscillator of the PLL circuit PLL with a frequency of 18 kHz. This frequency is divided to 50Hz and compared by a phase discriminator with the line frequency tapped by K2. The frequency of the voltage-controlled oscillator is changed until the frequencies of both signals applied to the phase discriminator are the same. This has the consequence that the output signal of the PLL circuit PLL, which represents the clock frequency, is 360 times the mains frequency, even if it is subject to fluctuations.

Die Taktfrequenz ist so berechnet, daß bei einem Polradwinkel von z.B. 90° während der Toröffnungszeit 90 Impulse durch den Meßwertzähler Z, der mit der Torschaltung T verknüpft ist, gezählt werden.The clock frequency is calculated so that at a pole wheel angle of e.g. 90 ° during the gate opening time 90 pulses are counted by the Meßwertzähler Z, which is linked to the gate T, are counted.

Die von der PLL-Schaltung PLL gelieferte Taktfrequenz wird durch den Meßwertzähler gezählt und über einen Zwischenspeicher in die Anzeige A gebracht.The clock frequency supplied by the PLL circuit PLL is counted by the measured value counter and brought via a buffer in the display A.

Die Steuerschaltung SS hat die Aufgabe, nach jedem Meßzyklus die zeitliche Abfolge der Übernahme des Zählerstandes in einenThe control circuit SS has the task, after each measurement cycle, the time sequence of the acquisition of the counter reading in one

Zwischenspeicher zu steuern und von dort aus die Übernahme in eine Anzeige A bzw. die Weiterleitung zu einem Rechner auszulösen. Nach dem Übernahmevorgang wird der Meßwertzähler durch die Steuerschaltung SS zurückgesetzt und so für den nächsten Meßzyklus vorbereitet.To control cache and from there the acquisition in a display A or the forwarding to a computer trigger. After the transfer process, the measured value counter is reset by the control circuit SS and thus prepared for the next measurement cycle.

Um auch Aussagen über den Polradwinkel während dynamischer Vorgänge treffen zu können, ist es mit dieser Meßanordnung möglich, bis zu 2 Meßwerte pro Periode der Frequenz der Eingangssignale zu ermitteln und diese über einen Rechner auszuwerten.In order to be able to make statements about the rotor angle during dynamic processes, it is possible with this measuring arrangement to determine up to 2 measured values per period of the frequency of the input signals and to evaluate them via a computer.

Um die Energieflußrichtung der Synchronmaschine auswerten zu können, wurde eine Vorzeichenlogik VZ implementiert. Dazu werden die Ausgangssignale der beiden Komparatoren K1, K2 durch die Vorzeichenlogik VZ derart ausgewertet, daß eine Aussage darüber getroffen werden kann, ob das Eingangssignal des Komparators K2 bezüglich des Eingangssignals des Komparators K1 vor- oder nacheilend ist. Das Ergebnis der Auswertung wird zur Anzeige des Vorzeichens des Polradwinkels genutzt.In order to evaluate the energy flow direction of the synchronous machine, a sign logic VZ has been implemented. For this purpose, the output signals of the two comparators K1, K2 are evaluated by the sign logic VZ such that a statement can be made about whether the input signal of the comparator K2 with respect to the input signal of the comparator K1 is leading or lagging. The result of the evaluation is used to indicate the sign of the rotor angle.

Claims

1. Arrangement in particular for the digital measurement of the phase shift of two input signals of the same but variable frequency under real-time conditions, the period duration by means of two comparators generates square wave signals, which forms a further phase shift proportional proportional square wave signal, which is fed together with the pulses of a clock circuit of a gate circuit, the output of which passes the pulses of the clock transmitted within the gate time to a measured value counter and supplies them to a further evaluation and a display device, characterized in that the input of the PLL circuit PLL is connected to one of the two inputs of the comparators K1, K2 and the output of the PLL Circuit PLL is switched to the gate T.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the outputs of the comparators K1, K2 are connected to a digital sign logic VZ.

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that an input signal from a reflex optocoupler, which is connected by markings of the shaft of a synchronous machine, is connected to the input of a comparator K1 or K2.