DD264518A1

DD264518A1 - Elektronische schlupfmesseinrichtung

Info

Publication number: DD264518A1
Application number: DD30952387A
Authority: DD
Inventors: Ulrich Beckert; Wolfram Neuber
Original assignee: Freiberg Bergakademie
Priority date: 1987-11-26
Filing date: 1987-11-26
Publication date: 1989-02-01

Abstract

Fuer Mess- und Ueberwachungsaufgaben an Band- und Fahrzeugantrieben wird eine elektronische Schlupfmesseinrichtung angegeben. Diese gestattet die schnelle, lueckenlose und genaue Messung des Schlupfes, erfordert nur einfache Drehzahlgeber und das Verhaeltnis der Durchmesser von Antriebstrommel und Laufrolle kann beliebige Werte haben. Das Ziel der Erfindung ist es, die Betriebssicherheit der Antriebe zu erhoehen. Die Aufgabe wird im Wesentlichen dadurch geloest, dass die Schlupfmesseinrichtung einen die Bezugsfrequenz vervielfachenden Phasenregelkreis und eine aus einem Zaehler mit zwei Speichern und Komparatoren, zwei D-Flipflops, einem RS-NAND-Flipflop, zwei NAND- und einem NOR-Gatter bestehende digitale Schaltung enthaelt. Damit wird aus den bezugsfrequenten und istfrequenten Eingangssignalen eine istfrequente Rechteckimpulsfolge mit schlupfproportionalem Tastverhaeltnis gebildet, deren zeitlicher Mittelwert exakt dem Schlupf proportional ist.

Description

P Γ.)

12 1 f

(6)

2 _1 f

^fo

Da die Durchmesser der Antriebstrommol und der Laufrolle im allgemeinen ungleich sind und auch die Inkrementezahlen der beiden Impulsgeber unterschiedlich sein können, haben die Frequenzen der Impulsfolge- P_c und Pj bei Schlupf Null unterschiedliche Werte:

a = 4- = — — beis = O (7)

fo Po Di

Zur Messung des Schlupfes sind mehrere Lösungen bekannt. Die der vorliegenden Erfindung naheliegenste technische Lösung ist die in DD - PS 220145 angegebene elektronische Einrichtung zur Messung des Schlupfes von Asynchronmotoren. Diese Schlupfmeßeinrichtung enthält im Wesentlichen einen die Netzfrequenz vervielfachenden Phasenregelkreis und eine aus einer Torschaltung, einem Frequenzteiler, einem Impulsformer und einem Flipflop bestehende digitale Schaltungsanordnung. Mit dem Phasenregelkreis und dieser digitalem Schaltungsanordnung wird aus den netzfrequenten und den drehfrequenten Eingangssignalen eine drehfrequente Rechteckimpulsfolge mit schiupfproportionalem Tastverhältnis, deren zeitlicher Mittelwort exakt dem Schlupf proportion.il ict. Der Nachteil dieser Schlupfmeßeinrichtung wie auch der aller anderen bekannten frequenzanalogen Schlupfmeßeinrichtung besteht darin, daß sie nur dann aus den beiden Eingangsfrequenzen f_o und fj ein schlupfproportionales Ausgangssignal erzeugen, wenn bei Schlupf Null die Istfrequenz gleich der Bezugsfrequenz wird.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, mit relativ einfachen Mitteln und hoher Genauigkeit den Schlupf bei Bandantrieben und Fahrzeugantrieben zu messen und damit die Betriebssicherheit und die Lebensdauer dieser Antriebe zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, zur Messung des Schlupfes bei Bandantrieben und Fahrzeugantrieben eine einfache elektronische Einrichtung mit durchgehend frequenzanaloger und digitaler Informationsverarbeitung und analoger Anzeige zu 'schaffen, die eine hohe Meßgenauigkeit besitzt, bei der nur geringe Anforderungen an die Impulsgeber gestellt werden und bei der das Verhältnis der Durchmesser von Antriebstrommel und Lauf rollo beliebige Werte haben kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die elektronische Schlupfmeßoinrichtung einen die Bezugsfrequenz f₀ um einen konstanten Faktor vervielfachenden Phasenregelkreis und eine aus einem Zähler mit zwei Speichern und zwei digitalen Komparatoren, zwei D-Flipflops, einem RS-NAND-Flipflop, zwei NAND- und einem NOR-Gatter bestehende digitale Schaltungsanordnung enthält und daß am Ausgang der Schlupfmeßeinrichtung ein den zeitlichen Mittelwert anzeigendes Instrument angeschlossen ist.

Die einzolnen Elemente de; Schlupfmeßeinrichtung sind dabei in folgender Weise zusammengeschaltet: Die bezugsfrequente Impulsfolge P₀ liegt am Eingang des Phasenregelkreises, die istf rnquento Impulsfolge P_t am Dateneingang des ersten D-Flipf iops. Der Dateneingang des zweiten D-Flipflops liegt am Ausgang des ersten D-Flipflops. Beide D-Flinflops werden mit der vervielfachten Bezugsfrequenz getaktet. Der Zähleingang des Zählers der digitalen Schaltungsanordnung ist am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators des Phasenregelkreises angeschlossen, der Steuereingang für die Übernahme des Zählerstandes in den ersten Speicher des Zählers ist am Ausgang des NOR-Gatters, dessen Eingänge an den Ausgängen der beiden D-Flipflops liegen, angeschlossen, der Rücksetzeingang des Zählers ist mit dem EQUAL-Ausgang seines zweiten digitalen Komparators verbunden. Der Rücksetzeingang des RS-NAND-Flipflops, dessen Ausgang den Ausgang der Schlupfmeßeinrichtung bildet, ist mit dem Ausgang des ersten NAND-Gatters verbunden, dessen Eingänge an den Ausgängen der beiden D-Flipflops liegen. Der Setz-Eingang des RS-NAND-Flipflops liegt am Ausgang eines zweiten NAND-Gatters, dessen Eingänge am EQUAL-Ausgang des ersten digitalen Komparators des Zählers sind am Ausgang des erster NAND-Gatters angeschlossen sind.

Mit dem Phasenregelkreis wird din Bezugsfrequenz f₀ um einen konstanten, möglichst großen Faktor vervielfacht. Dieser Faktor ist durch den Zählumfang des Zählers bzw. durch das Teilerverhältnis des Frequenzteilers des Phasenregelkreises bestimmt. Mit dem Phasenregelkreis und der digitalen Schaltungsanordnung wird aus den bezugsfrequenton und den istfrequenten Eingangssignalen, den Impulsfolgen P₀ und P_;, eine dritte Rechteckimpulsfolge P₃ erzeugt, derun Frequenz derscNupfbehafteton Geschwindigkeit ν bzw. Istfrequenz f| entspricht und deren Tastverhältnis (Verhältnis von Impulsbreite zu Impulsperiode) dem Schlupf proportional ist. Dies wird dadurch erreicht,

— daß ununterbrochen Impulse der vervielfachten Bezugsfrequenz in den Zähler der digitalen Schaltungsanordnung eingezahlt werden,

~ daß mit der Vorderflanke eines Impulses der Rechteckimpulsfolge Pi der momentane Zählerstand in den ersten Speicher übernommen und das RS-NAND-Flipflop zurückgesetzt werden,

— daß mit dem ersten digitalen Komparator laufend der momentane Zählerstand z₇₄(t) mit dem gespeicherten Zählerstand |--»i Z7<t(tk) verglichen wird,

— daß bui Gleichheit des momentanen und des gespeicherten Zählerstandes das RS-NAND-Flipflop gesetzt wird,

ι — daß außerdem mit dem zweiten digitalen Komparator laufend der momentane Zählerstand Z74(t) mit dem im zweiten Speicher jfc gespeicherten Wert M verglichen wird und

r~-i — daß dor Zähler zurückgesetzt wird, wenn dor momentane Zählerstand Z₇₄It) den Wert M erreicht.

Die mit der Erfindung gegenüber den bekannten Schlupfmeßeinrichtungen erzielten Vorteile bestehen vor allem darin,

— daß durch die durchgehend frequenzanaloge bzw. digitale Informationsverarbeitung der Schlupf mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann,

— daß keine spezielle Vorrichtung zur Quotientenbildung, die eine Fehlerquelle darstellen würde, erforderlich ist,

— daß nur einfache Impulsgeber zur Gewinnung der bezugsfrequenten und der istfrequenten Impulsfolgen P₀ und P, erforderlich sind,

— daß trotzdem der Meßwert schnell gebildet wird,

— daß das Verhältnis der Durchmesser von Antriebstrommel und Laufrolle (bei Bandantriebon) bzw. von Antriebs- und Laufrädern (bei Fahrzeugen) und das Verhältnis der Inkrementezahlen beliebige Werte haben können,

— daß trotzdem das Ausgangssignal der Schlupfmeßeinrichtung streng linear und ohne Offset dsm in Gl. (1) definierten Schlupf folgt,

— daß der Schlupf lückenlos gemessen wird,

— daß zur Realisierung der Schlupfmeßeinrichtung nur wenige digitale Standardschaltkreise erforderlich sind und

— daß dadurch ein billiges Schlupfmeßgemt ermöglicht wird.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand folgender Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1: die Ableitung der bezugs- und der istfrequenton Impulsfolgen bei einem Bandantrieb, Figur 2: das Schaltbild der elektronischen Schlupfmeßeinrichtung und Figur 3: das Impulsdiagramm der elektronischen Schlupfmeßeinrichtung.

Um eine gute Anpassung der Schlupfmeßeinrichtung an die unterschiedlichen Trommel- bzw. Raddurchmesser bei gleichzeitiger Realisierung kurzer Meßzeiten erreichen zu können, müssen der programmierbaren Zähler/Teiler (64) und der Zähler (74) jeweils einen möglichst großen Zählumfang besitzen. Durch den Phasenregelkreis (6), bestehend aus dem ' Phasendetektor (61), einem Tiefpaß (62), einem spannungsgesteuerten Oszillator (63) und dem Zählei/Teilor (64), wird erreicht, daß der Zähler (64) synchron mit der Bezugsfrequenz umläuft.

Als Eingangsgrößen dienen die beiden Rechteckimpulsfolgen P₀ mit der Bezugsfrequenz f₀ und Pi mit der Istfrequenz f|, die mittels Drehzahlgeber von den Bandtrommeln bzw. Rädern entsprechend Figur 1 abgeleitet werden. Die Beschreibung dor elektronischen Schlupfmeßeinrichtung erfolgt zweckmäßig anhand ihres in Figur 3 dargestellten Impulsdiagrammes. Der Zählumfang des Zählers (74) mit zwei Speichern und Komparatoren wird durch den Inhalt des zweiten Speichers bestimmt. Erreicht der momentane Zählerstand der im zweiten Speichor abgelegten, dieser soli mit M bezeichnet werden, so wire¹ der Zähler durch den ansprechenden zweiten Komparator zurückgesetzt. Der Zähler (74) läuft deshalb mit einer Frequenz um, die exakt dem Produkt N/M · f₀ entspricht. Der Zählumfang der beiden Zähler (64,74) wird zweckmäßig so gewähK, daß die Bedingung

mit a entsprechend Gl. (7) erfüllt wird.

An der Vorderflanke der istfrequenten Impulse Pi werden mit den D-Flipflops (71,72) und den Gattern (73,75) die Impulse der Folgen Pj und P) gebildet. Durch einen Impuls der Folgo P) wird jeweils dor momentane Zählerstand des Zählers (74) in den ersten Speicher übernommen. Parallel dazu setzt der Impuls der Folge Pi des RS-NAND-Flipflop (77) zurück auf „Low". Der im ersten Speicher festgehaltene Zählerstand wird dauernd mit dem momentanen Zählerstand verglichen. Stimmen beide bei gleichzeitigem Fehlen eines Impulses in der Folge P) überein, setzt der vom ersten Komparator gebildete Impuls der Folge P2 über das Gatter (76) das RS-NAND-Flipflop (77) auf „High". Dieser Zustand wird solange beibehalten, bis die nächste Vorderflanke der Impulsfolge Pi ein erneutes Rücksetzen und damit eine neue Umsetzperiode einleitet. Die am Ausgang des Fliptlops (77) entstehende Rechtnckimpulsfolge P3 besitzt deshalb die Istfrequenz f| und ihr Tastverhältnis entspricht exakt dem Schlupf, wenn die Bedingung nach Gl. (8) erfüllt ist. Der zeitliche Mittelwert der Rechteckimpulsfolge P₃ ist dem zu messenden Schlupf und der Impulshöhe proportional. Der Einfluß dar Impulshöhe läßt sich dadurch eliminieren, daß der Ausgangs-Flipflop (77) vorteilhaft in CMOS-Technik realisiert wird, Dadurch tritt in beiden Schaltzuständon ein niederohmiger Ausgnngswiderstand und prinzipiell keine Offsetspannung oin. Zusätzlich wird die Versorgungsspannung dos Ausgangs-Flipflops (77) durch eine Spannungsregelung konstant gehalten.

Von der am Ausgang des Flipflops (77) entstehenden Spannungs-Rechteckimpulsfolge P3 mit der konstanten Impulshöhe wird mit einem Drehspulinstrument (8) der zeitliche Mittelwert gebildet und angezeigt. Dem Ausführungsbeispiel liegt als Zähler mit zwei Speichern und Komparatoren der Schaltkreis U125D zugrunde.

Claims

Elektronische Schlupfmeßeinrichtung, bei der die ßezugsgeschwindigkßit v₀durch die Frequenz f_oder Impulsfolge P₀ und die schlupfbehaftete Istgeschwindigkeit ν durch die Frequenz fi der Impulsfolge P₁ gegeben sind, gekonnzeichnet dadurch, daß die Schlupfmeßeinrichtung einen die Bezugsfrequenz f₀ um einen konstanten Faktor N vervielfachenden Phasenregelkreis (6) enthält, daß eine aus zwei D-Flipflops (71,72), einem NOR-Gatter (73), einem Zähler mit zwei Speichern und zwei Komparatoren (74), zwei NAND-Gattern (75,76) und einem RS-NAND-Flipflop (77) bestehende digitale Schaltungsanordnung (7) vorgesehen ist, daß der Zähleingang des Zählers (74) und die Takteingänge der beiden D-Flipflops (71,72) am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (63) des Phasenregelkreises (6) angeschlossen sind, daß die bezugsfrequente Impulsfolge P₀ am Eingang des Phasenregelkreises (6) liegt, daß die istfrequente Impulsfolge P₁ am Dateneingarig des ersten D-Flipflops (71) liegt, daß der Dateneingang des zweiten D-Flipflops (72) am Ausgang des ersten D-Flipflops (71) angeschlossen ist, daß der Steuereingang (P4, LMD für die Übernahme des Zählerstandes in den ersten Speicher des Zählers (74) am Ausgang des NOR-Gatters (73) angeschlossen ist, dessen Eingänge am invertierenden Ausgang des ersten D-Flipflops (71) und am nichtinvertierenden Ausgang des zweiten D-Flipflops (72) liegen, daß der Rücksetzeingang des Zählers (74) am EQUAL-Ausgang (COMP O) seines zweiten Komparators angeschlossen ist, daß die Eingänge des ersten NAND-Gatters (75) am nichtinvertierenden Ausgang des ersten D-Flipflops (71) und am invertierenden Ausgang des zweiten D-Flipflops (72) liegen, daß die Eingänge des zweiten NAND-Gatters (76) am EQUAL-Ausgang des ersten Komparators des Zählers (74) und am Ausgang des ersten NAND-Gatter (75) angeschlossen sind, daß der Setzeingang det RS-NAND-Flipflops (77) mit dem Ausgang des zweiten NAND-Gatters (76) und der Rücksetzeingang des RS-NAND-Fliptlops (77) mit dem Ausgang des ersten NAND-Gatters (75) verbunden sind und daß am Ausgang des RS-NAND-Flipflops (77) ein den zeitlichen Mittelwert anzeigendes Instrument angeschlossen ist.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Einrichtung zur Messung des Schlupfes, insbesondere für Meß- und Überwachungsaufgaben bei Bandantrieben und bei Fahrzeugantrieben.

Charakteristik des Standes der Technik

Bei Bandantrieben und bei Fahrzeugantriebe!! wird als Schlupf gemäß Definition

die auf die Bezugsgeschwindigkeit V₀ bezogene Abweichung der schlupf behafteten Istgeschwindigkeit ν von der Bezugsgeschwindigkeit bezeichnet. Dabei ist die Bezugsgeschwindigkeit V₀ durch die Drehzahl n₀ und den Durchmesser D₀ der Antriebstrommel bzw. der Antriebsräder bestimmt:

V₀ = D₀ π n₀ (2)

Die schlupfbehaftete Istgeschwindigkeit wird bei Bandantrieben üblicherweise mittels einer Laufrolle erfaßt. Zwischen der Bandgeschwindigkeit ν und der Drehzahl ni der Laufrolle mit dem Durchmesser D₁ besteht der Zusammenhang:

ν = D₁ π η, (3)

Mittels Impulsgeber werden von der Antriebstrommel und der Laufrolle Impulsfolgen P₀ und P| abgeleitet, deren Frequenzen f₀ und f| mit den Drehzahlen n₀ und ni über die Inkrementezahlen der Impulsgeber p_u und pi verknüpft sind:

fo = Po n₀ ' (4)

fi = Pi n, (5)

Unter Berücksichtigung der GIn.!!') bis (5) führt Gl. (1) auf: