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Anordnuna zum laufenden Vergleich zweier Pulsreihen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Anordnung zum laufenden Vergleich zweier Pulsreihen mit einem
die Differenz und das Vorzeichen derselben anzeigenden Differenzzähler, insbesondere
für stetig wirkende digitale Regelanordnungen, wobei jeder ankommende Puls der zu
vergleichenden Pulsreihen in einem jeder Pulsreihe zugeordneten ersten Speicher
zunächst gespeichert und zu einem bestimmten Zeitpunkt abgerufen und in den Differenzzähler
übergeführt wird.
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Derartige Anordnungen werden insbesondere bei stetig wirkenden digitalen
Regelanordnungen, insbesondere digitalen Drehzahlregelungen benötigt. In der Regel
sind die digitalen Regelanordnungen mit analogen Regelkreisen kombiniert, und zwar
derart, daß mit Hilfe des analogen Regelkreises die dynamischen Änderungen erfaßt
werden, während mit der digitalen Regelanordnung nur eine Korrektur der analogen
Regelung vorgenommen wird. In diesem Falle braucht nämlich die digitale Regelung
nur für einen begrenzten Bereich ausgelegt zu werden, was insbesondere für die Bemessung
des Differenzzählers von Bedeutung ist. Durch die digitale Regelschleife wird einer
solchen kombinierten Regelung die Eigenschaft einer echten integralen Drehzahlregelung
oder einer prpportional wirkenden Winkelregelung verliehen.
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Bei einem stetig wirkenden digitalen Drehzahlregler beispielsweise
beruht die digitale Korrektur auf einem zählenden Vergleich der Sollfrequenz mit
der von einem Impulsgeber, z. B. einer Wechselstromtachomaschine bezogenen Istfrequenz.
Die Sollfrequenz kann beispielsweise mit Hilfe eines Frequenzteilers gewonnen werden,
der mit einer Frequenz von beispielsweise 10 000 Hz betrieben wird und dem über
einen Stehzähler od. dgl. der Sollwert in digitaler Form vorgegeben wird. Am Ausgang
des Frequenzteilers erscheint dann eine dem Sollwert entsprechende Pulsreihe, wobei
je nach der konstruktiven Gestaltung des Frequenzteilers die einzelnen Pulse nicht
äquidistant sind, was aber für die Regelung nicht von Bedeutung ist, da die Anregelzeit
des analogen Drehzahlreglers um Größenordnungen größer ist.
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Es muß daher eine Anordnung geschaffen werden. die in der Lage ist,
die meist in solcher Weise anfallenden Pulsserien zeitlich zu ordnen, damit sie
der Differenzzähler verarbeiten kann.
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Es ist nun bereits eine Schaltung zur Speicherung und Weitergabe von
Impulsen bekannt, wobei jedem Impulsgeber ein Speicher zugeordnet ist und ein allen
Speichern gemeinsamer elektronischer Schalter vorgesehen ist, der den Zustand der
Speicher periodisch abtastet, wobei die geladenen Speicher je einen Impuls an ein
Zählwerk weitergeben. Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß kein laufender Vergleich
der Pulsreihen möglich ist und die sämtlichen in den Speichern vorhandenen Impulse
auf den Zähler übertragen werden, dessen Speicherkapazität dann dementsprechend
groß sein muß. Demgegenüber erfolgt nach der Erfindung bei der eingangs erwähnten
Anordnung zum laufenden Vergleich zweier Pulsreihen die Überführung der Pulse in
den Differenzzähler mittelbar über zwei weitere Speicher, deren Inhalte im Takte
einer Tastfrequenz derart miteinander verglichen werden. daß ein positiver oder
negativer Zählimpuls nur dann auf den nachgeschalteten Differenzzähler gegeben wird,
wenn um in einem der beiden Speicher ein Puls vorhanden ist. Die beiden nichtkorrelierten
Pulsreihen werden also zunächst zeitlich geordnet, damit ein Mindestabstand der
Pulse gewährleistet ist und kein Puls im Differenzzähler verlorengehen kann.
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Ohne daß die Genauigkeit der Regelung beeinträchtigt wird, kann die
Vereinfachung getroffen werden, daß einzelne Pulse bei hinreichend kleinem Abstand
paarweise unterdrückt werden, während die übrigen Pulse in dem Differenzzähler vorzeichenrichtig
aufsummiert werden. Der Inhalt des zu Beginn einer Messung auf Null gesetzten Differenzzählers
ist beispielsweise bei einer Drehzahlregelung ein Maß für den Winkelfehler des Antriebes
gegenüber einem durch die Zahl von Sollpulsen definierten Sollwinkel. Durch Umwandlung
der im Differenzzähler gespeicherten Zahl, insbesondere ins Analoge, erhält man
eine dem Winkelfehler proportionale
Größe, die beispielsweise dem
Drehzahlregler als Korrekturgröße zugeführt wird und eine entsprechende Änderung
der Drehzahl bewirkt.
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Der Vergleich der Inhalte kann beispielsweise über Umkehrstufen vorgenommen
werden, die von der Abfragefrequenz gleichzeitig oder alternierend getaktet werden.
Vorzugsweise ist dem Differenzzähler ein Pufferzähler vorgeschaltet, damit wechselweise
ankommende Pulse nicht auf den Differenzzähler übertragen werden. Der Pufferzähler
ist derart ausgebildet, daß er die Pulse zum Differenzzähler in Vorwärtszählrichtung
erst dann durchläßt, wenn er gefüllt ist, und die Pulse in Rückwärtszählrichtung
erst durchläßt, wenn er leer ist. Als Pufferzähler kann an sich jede Zähleinrichtung
verwendet werden. Es ist zweckmäßig, den Pufferzähler als Schieberegister auszubilden.
Zur Differenz- und Summenbildung ist erforderlich, daß jede Pulsreihe vorzeichenbehaftet
eingegeben wird, derart, daß Pulsreihen mit gleichen Vorzeichen eine Subtraktion
und Pulsreihen mit verschiedenem Vorzeichen eine Addition erfahren. Bei vorzeichenbehafteter
Eingabe wird die Abfrage vorzugsweise alternierend vorgenommen. Zu diesem Zweck
kann durch bekannte Mittel die Tastfrequenz in zwei um 90° phasenverschobene Frequenzen
umgewandelt werden, deren Frequenz dann allerdings nunmehr der halben Tastfrequenz
entspricht. Man kann aber auch die eine Gruppe mit der Signalhalbwelle und die andere
mit der entsprechenden Nullhalbwelle der Tastfrequenz abfragen.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele;
es zeigt F i g. 1 das Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Differenzbildung, F
i g. 2 eine mit kontaktlosen logischen Schaltungen aufgebaute Anordnung, F i g.
3 die an den Ausgängen der logischen Schaltungen auftretenden Signale in zeitlicher
Zuordnung, F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel mit wechselweiser Speicherabfrage, F
i g. 5 das Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Summendifferenzbildung, F i g.
6 eine schaltungsmäßige Ausführung einer Anordnung nach F i g. 5.
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Die Anordnung zur Differenzbildung gemäß F i g. 1 besteht im wesentlichen
aus zwei Speichergruppen 1 und 2, denen die zu vergleichenden Pulsreihen f 1 und
12 zugeführt werden. Jeder ankommende Zählimpuls wird hierin vorerst gespeichert
und zu bestimmten Zeiten abgefragt. Die Abfrage erfolgt mit Hilfe einer konstanten
Tastfrequenz f 0. Nach der Abfrage werden die Speicher wiederum gelöscht, um für
den nächsten Puls bereit zu sein. Mit Hilfe der beiden mit N bezeichneten Umkehrstufen
3 und 4 werden die Inhalte der beiden Speicher bei der Abfrage miteinander verglichen,
derart, daß bei Vorhandensein von je einem Puls in jeder Speichergruppe (d. h. Differenz
= Null) kein Zählimpuls an die nachgeschaltete Zählkette gegeben wird. Da bei dem
gewählten Ausführungsbeispiel angenommen ist, daß als Differenzzähler eine Zählkette
verwendet wird, der die Vor- und Rückwärtszählrichtung sowie die Zählimpulse gesondert
eingegeben werden, sind noch die Gedächtnisschaltung M bzw. 5 und die Kippschaltung
K bzw. 5' vorgesehen. Mit V und R sind die Leitungen für das Vorwärtszählsignal
bzw. Rückwärtszählsignal bezeichnet. Mit Z ist die Zählleitung bezeichnet.
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F i g. 2 zeigt den schaltungsmäßigen Aufbau mit logischen Schaltungen
einer Anordnung nach F i g. 1. Mit 6 und 7 sind den zu vergleichenden Pulsreihen
f 1 und f 2 zugeordnete Gedächtnisse M bezeichnet, welche als bistabile Kippstufen
aufgebaut sind. Den Gedächtnissen 6 und 7 sind zwei weitere mit S bezeichnete Speicher
8 und 9 zugeordnet, die die in der Zeichnung dargestellte Und-Oder-Verknüpfung aufweisen.
Die Ausgänge A 1 der Gedächtnisse 6 und 7 sind mit den Und-Eingängen 01 der
Speicher 8 und 9 verbunden. An den zweiten Und-Eingängen 02 liegt die Abfragefrequenz
f 0 an. Es ist wichtig, daß die Abfragefrequenz 10 sehr genau ist. Aus diesem
Grunde nimmt man eine quarzstabilisierte Frequenz. Wesentlich für die Wirkungsweise
ist, daß die Abfragefrequenz höher oder zumindest gleich der Frequenz der Pulsreihen
ist. Ist in einem der beiden Gedächtnisse 6 oder 7 ein Puls vorhanden, so wird dieser
Puls mit Hilfe der Tastfrequenz f 0 in einem bestimmten Zeitaugenblick auf den Speicher
8 bzw. 9 übertragen. Gleichzeitig wird über die an Mp liegenden Leitungen 10 bzw.
11, die in üblicher Weise mit Dioden und einem Kondensator beschaltet sind, das
Gedächtnis 6 bzw. 7 gelöscht. Zum Vergleich der Speicherinhalte. ist eine Doppelumkehrstufe
12 vorgesehen. Die Ausgänge der Gedächtnisse 8 und 9 sind mit den Eingängen der
Doppelumkehrstufe 12 so verknüpft, daß ein Ausgangsimpuls für die eine oder andere
Zählrichtung nur dann gegeben wird, wenn nur in einem der Speicher 8 oder 9 ein
Impuls vorhanden ist, während bei Vorhandensein je eines Impulses in den Speichern
8 und 9 kein Puls in dem der Umkehrstufe 12 nachgeschalteten Differenzzähler gegeben
wird. Der Differenzzähler ist nicht dargestellt.
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Die Umkehrstufe 12 wird ebenfalls von der Abfragefrequenz f 0 getaktet,
und zwar derart, daß sie nur in bestimmten Zeitintervallen öffnet. Dies wird durch
die Umkehrstufen 13 und 14 sowie durch die Kippstufen 15 und 16 bewirkt.
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F i g. 3 zeigt eine Zusammenstellung der an den Ausgängen der Schaltungen
6 bis 16 auftretenden Signalfolge in zeitlicher Zuordnung bei einer Tastfrequenz
f 0 und angenommenen Pulsreihen f 1 und f 2.
Die Zahl vor der Ausgangsbezeichnung
entspricht dem das Schaltelement kennzeichnenden Bezugszeichen.
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Werden die Sollpulse beispielsweise von einem Frequenzteiler geliefert,
so sind sie meist nicht äquidistant. Die Ungleichförmigkeit der Sollpulsfolge verursacht
auch bei gleichförmigem Lauf der zu regelnden Maschine ein ständiges unnötiges Arbeiten
des Differenzzählers. Die entsprechenden periodischen Schwankungen der Korrekturdrehzahl
werden zwar durch eine Glättung und die Anregelzeit des Drehzahlregelkreises aufgenommen,
sie tragen jedoch zu einer Beunruhigung des Antriebes bei. Diesem Effekt läßt sich
abhelfen, indem man dem Differenzzähler einen Pufferzähler 17 vorschaltet, der erst
gefüllt sein muß, bevor er die Vorwärtsspule zum Differenzzähler leitet und der
erst geleert sein muß, um Rückwärtspulse weitergeben zu können. Wird der Stand des
Pufferzählers analog nicht ausgewertet, so wirkt er wie die vergrößerte Lose eines
mechanischen Winkelmeßgerätes. Die Kapazität des Pufferzählers hängt von der zeitlichen
Pulsverteilung der aus dem Frequenzteiler austretenden Pulsreihe ab. Meist genügt
schon
ein Pufferzähler mit einer Kapazität von zwei bits, um einen ruhigen Betrieb zu
erreichen. Der Pufferzähler 17 besteht aus den beiden Zählstufen 18 und 19, die
nach Art eines Schieberegisters zusammengeschaltet sind. Für die Auswertung der
Zählrichtung ist noch eine Doppelumkehrstufe 20 vorgesehen, an deren Ausgänge
A 1 und A 0 Leitungen 21
und 22 für die Signale
für die Vorwärts- bzw. Rückwärtszählrichtung angeschlossen sind. Die Pulsauswertung
erfolgt hingegen mit einem mit X bezeichneten Doppel-Und-Gatter 23, dem eine Zeitkippstufe
24 zur Impulsformung nachgeschaltet ist. An dem Ausgang A 1 treten dann Pulse
genau definierter Breite auf, die über eine Leitung 25 zusammen mit den Leitungen
21 und 22 dem Differenzzähler zugeführt werden. Aus F i g. 3 ist zu ersehen, daß
bei Vorhandensein eines Pufferzählers bei der angenommenen Pulsverteilung an den
Differenzzähler tatsächlich nur ein Puls weitergeleitet wird.
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In F i g. 4 ist eine Anordnung zur Differenzbildung dargestellt, bei
der die Speichergruppen wechselweise abgefragt werden. Gleiche Teile sind mit gleichen
Bezugszeichen wie in F i g. 2 versehen. Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel
werden die ankommenden Pulse der beiden zu vergleichenden Pulsreihen f 1
und f 2 zwecks zeitlicher Ordnung zunächst gespeichert. Hierzu sind die beiden
Speicher 26 und 27 vorgesehen, die bei dem gewählten Ausführungsbeispiel als Zählstufen
ausgebildet sind. Der Abruf der Pulse erfolgt über die weiteren Speicher 28 und
29 abwechselnd im Takt der Frequenzen f 0' und f 0", die aus der Taktfrequenz f
0 gewonnen werden. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel wird die abwechselnde
Tastung der Speicher 28 und 29 von der Signalhalbwelle und von der Nullhalbwelle
der Taktfrequenz f 0 vorgenommen. In diesem Fall sind die Tastfrequenzen f
0' und f 0" gleich der Taktfrequenz f 0, aber gegeneinander in der
Phase um 90' verschoben. Die Taktfrequenz f 0 wird der rechten Stufe einer
Doppelumkehrstufe 30 zugeführt, und der Ausgang derselben wird dem Eingang der linken
Stufe zugeführt. An den Ausgängen kann sodann f 0' und f 0" abgenommen
werden. Die Ausgangspulse der Zählstufen 28 und 29 werden über eine Doppelumkehrstufe
31, die von den zugehörigen Frequenzen f 0' und f 0" getaktet werden, vorzugsweise
über Pulsformerstufen 32 und 33 dem Pufferzähler 17 zugeführt. Der Pufferzähler
ist in gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 aufgebaut; seine
Zählstufen sind hier zusätzlich mit RS bezeichnet.
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In F i g. 5 ist das Prinzip einer Anordnung zur Summen- und Differenzbildung
zweier Pulsreihen f 1 und f 2 dargestellt. Außer den Pulsfrequenzen wird noch das
Vorzeichen » = <: oder » - « mit eingegeben. Bei einer solchen Anordnung müssen
also für jede Pulsreihe zwei Speichergruppen vorgesehen sein, die sich gegenseitig
ausschließen. Die Auswahl kann in einfacher Weise mit Hilfe einer Schaltung mit
Und-Verknüpfung vorgenommen werden. Mit 1' und 1"
sind die der Pulsfrequenz
f 1 und mit 2' und 2" die der Pulsfrequenz f 2 zugeordneten Speichergruppen bezeichnet.
Mit 5" und 5"' sind wiederum entsprechend F i g. 1 die Auswerteschaltungen. für
die Vorwärts- und Rückwärtszählrichtung V bzw. R sowie für die Pulse Z bezeichnet.
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F i g. 6 zeigt ein im wesentlichen der F i g. 5 entsprechendes Ausführungsbeispiel.
Im Prinzip ist der Aufbau der Schaltung gleich wie bei den Ausführungsbeispielen
nach F i g. 2 und 4. Ein Unterschied besteht lediglich darin, daß für jede Pulsreihe
zwei Speichergruppen vorgesehen sind. Für die Pulsfrequenz 12 und das positive
Vorzeichen sind die beiden Speicher 34 und 38 und für das negative
Vorzeichen die beiden Speicher 35 und 39 vorgesehen. In entsprechender Weise sind
für die Pulsfrequenz f 1 und das positive Vorzeichen die Speicher 36 und
40
und für das negative Vorzeichen die Speicher 37 und 41 vorgesehen.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 erfolgt die Speicherabtastung wechselweise
durch die Frequenzen f 0' und f 0", die, wie zuvor beschrieben, gebildet sein können
oder auch durch Teilung der Taktfrequenz f 0 und entsprechender Phasenverschiebung
um 90--. Die Auswertung erfolgt über den beiden Speichergruppen zugeordneten Doppelumkehrstufen
42 und 43 sowie einer Doppelumkehrstufe 44. Mit Hilfe einer Kippstufe 46 wird eine
Impulsformung vorgenommen. Eine Gedächtnisstufe 45 dient zur Bestimmung der Zählrichtung.