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Digitalanaloge Anordnung zur Erzeugung einer der Drehzahl einer Maschine
proportionalen Gleichspannung Elektrische Antriebe, die mit einer Regeleinrichtung
versehen sind, benötigen, wenn gewisse Anforderungen an die Genauigkeit der Drehzahlkonstanz
gestellt werden, eine Einrichtung, die die Drehzahl in Form einer elektrischen Größe
abbildet. Es sind für diesen Zweck Tachometermaschinen bekannt. die die Drehzahl
als Gleichspannung, als Wechselspannung oder in Form von Impulsen elektrisch abbilden.
Erwünscht ist stets die Lieferung einer Gleichspannung, die der Drehzahl genau proportional
ist. Bei elektrischen Triebfahrzeugen, wie sie z. B. zur Beförderung von Kohlen-
und Abraumzügen zur Anwendung kommen, muß mit einer relativ großen Geschwindigkeit
bei der Beförderung über größere Entfernungen, z. B. 70 km pro Stunde, und mit sehr
kleinen Geschwindigkeiten beim Verholen (z. B. 5 m pro Minute = 0,3 km/Std.) beim
Beladen eines Zuges gefahren werden können. So entspricht z. B. bei einer bekannten
Anordnung dieser Art der Höchstgeschwindigkeit eine Motordrehzahl von etwa 1000
U/Min., während der Antriebsmotor bei der niedrigsten Geschwindigkeit etwa 10 Sekunden
für 1 Umdrehung benötigt. Bei einer Anwendung der bekannten Tachometermaschinen
können sich bei so großen Geschwindigkeitsbereichen durch verschiedene Einflüsse
beachtliche Fehler in der Drehzahlanzeige ergeben, die sich störend auf die Einhaltung
der Sollgeschwindigkeit auswirkt.
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Es sind bereits digitale Drehzahlmeßeinrichtungen bekannt, bei denen
eine der Drehzahl proportionale Anzahl von Impulsen erzeugt wird, die über einen
Verstärker, einen Impulsformer und eine Torschaltung einem Zählwerk zugeführt werden,
die die Anzahl der erzeugten Impulse während eines bestimmten Zeitabschnittes abzählt.
Der gezählte Wert ist ein Maß für die Drehzahl und an einem Zähler ablesbar.
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Die Umwandlung in einen durch eine physikalische Größe dargestellten
Meßwert ist bei diesen Einrichtungen jedoch nicht vorgesehen. Es ist fernerhin eine
Drehzahlmeßeinrichtung bekannt, bei der durch einen Geber pro Umdrehung der Welle
nur eine oder einige wenige Impulse erzeugt werden. Der zeitliche Abstand zweier
Impulse wird dabei gemessen, indem man die Anzahl der während dieser Zeit in einem
Quarzgenerator erzeugten Impulse mittels eines Zählers zählt. Die Anzahl der gezählten
Impulse des Quarzgenerators ist ein Maß für die zu messende Drehzahl.
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Es ist auch bereits bekannt, in einem Vierpol eine veränderliche,
z. B. der Drehzahl einer Maschine proportionale Eingangswechselspannung in eine
der Wechselspannung proportionale Gleichspannung mit mäßiger Genauigkeit umzusetzen.
Die Genauigkeit einer solchen bekannten Einrichtung reicht aber nicht aus, um diese
Gleichspannung als Istwert einer sehr genauen Drehzahlregeleinrichtung zu verwenden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, die
in der Lage ist, auch bei der kleinsten vorkommenden Drehzahl des Antriebsmotors
eine Gleichspannung zu erzeugen, die der Drehzahl proportional ist.
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Die Erfindung betrifft eine digitalanaloge Anordnung zur Erzeugung
einer der Drehzahl einer Maschine proportionalen Gleichspannung, bestehend aus einem
mit dieser Maschine gekuppelten Wechselspannungsgenerator mit nachgeschalteter Impulsformerstufe,
bei der die Zeitdauer zwischen zwei Nulldurchgängen der erzeugten Wechselspannung
durch Abzählen der während dieser Zeit in einem Impulsgenerator erzeugten Impulse
durch einen Zähler ermittelt wird. Erfindungsgemäß sind mit der Impulsformerstufe
der Impulsgenerator, zwei Zähleinrichtungen, zwei Digital-Analog-Wandler und ein
elektronischer Umschalter in einer solchen Weise verbunden, daß bei Rotation des
Wechselspannungsgenerators und Erzeugung einer Wechselspannung, die der Impulsformerstufe
zugeführt wird, die bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes der Wechselspannung
so schaltet, daß an ihrem Ausgang eine konstante Gleichspannung ansteht, die bei
Unterschreiten eines bestimmten Schwellwertes der am Eingang der Impulsformerstufe
anliegenden Wechselspannung Null wird, die Spannung am Ausgang der Impulsformerstufe
zwei elektronische Schalter derart betätigt, daß der elektronische Schalter während
der Zeit, zu der am Ausgang der Impulsformerstufe Spannung anliegt, Impulse vom
Impulsgenerator auf dieZähleinrichtung durchläßt und der elektro-
nische
Schalter während dieser Zeit den Durchgang der Impulse aus dem Impulsgenerator auf
die Zähleinrichtung unterbricht und daß der elektronische Schalter während der Zeit,
zu der am Ausgang der Impulsformerstufe die Spannung Null anliegt, den Durchgang
der Impulse vom Impulsgenerator zur Zähleinrichtung unterbricht und der elektronische
Schalter während dieser Zeit den Durchgang der Impulse vom Impulsgenerator zur Zähleinrichtung
ermöglicht, wodurch während der einen Halbwelle der der Impulsformerstufe zugeführten
Wechselspannung die Zähleinrichtung mit Impulsen vom Impulsgenerator gespeist wird
und die Zähleinrichtung während dieser Halbwelle auf einem bestimmten Zählerstand
stehenbleibt und wodurch während der anderen Halbwelle der der Impulsformerstufe
zugeführten Wechselspannung die Zähleinrichtung mit Impulsen vom Impulsgenerator
gespeist wird und die Zähleinrichtung während dieser Halbwelle auf einem bestimmten
Zählerstand stehenbleibt, wobei der Zählerstand der jeweils gerade stillstehenden
Zähleinrichtung einem Digital-Analog-Wandler mitgeteilt wird, der eine der Anzahl
der in den Zähleinrichtungen eingezählten Impulse umgekehrt proportionale Gleichspannung
erzeugt und sie einem elektronischen Umschalter zuführt, der von der Impulsformerstufe
so gesteuert wird, daß der Ausgang desjenigen Digital-Analog-Wandlers, dessen zugehörige
Zähleinrichtung gerade nicht zählt, auf den Ausgang des elektronischen Umschalters
durchgeschaltet wird, so daß dort eine der Drehzahl des Wechselspannungsgenerators
proportionale Gleichspannung ansteht.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ausführung soll anschließend
näher erläutert werden. In der Figur bedeutet 1 einen Wechselspannungserzeuger,
der mit der Maschine, deren Drehzahl gemessen werden soll, gekuppelt ist. Mit 2
ist eine Impulsformerstufe bezeichnet, mit 3 ein Impulsgenerator, während mit 4
und 5 jeweils elektronische Schalter bezeichnet sind. Weiter ist mit 6 und 7 eine
Zähleinrichtung für Impulse und mit 8 und 9 jeweils ein Digital-Analog-Wandler und
mit 10 ein elektronischer Umschalter bezeichnet.
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Der Impulsgenerator 3 erzeugt mittelfrequente Impulse, wobei die
Anzahl der erzeugten Impulse pro Zeiteinheit konstant und groß ist gegenüber der
Frequenz der im Wechselspannungsgenerator 1 bei dessen höchster Drehzahl erzeugten
Spannung und unabhängig von deren Frequenz und Amplitude.
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Die Elemente der erfindungsgemäßen Anordnung wirken in folgender
Weise zusammen: Wird die mit dem Wechselspannungserzeuger 1 gekuppelte Maschine
zum Rotieren gebracht, steht an den Klemmen des Wechselspannungsgenerators 1 eine
Spannung an, die bei einer niedrigen Drehzahl nur sehr klein ist und eine niedrige
Frequenz besitzt. Unsere Betrachtung soll in einem Augenblick beginnen, in dem die
vom Wechselspannungsgenerator 1 erzeugte Spannung einen negativen Wert besitzt.
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An der Impulsformerstufe 2 steht am Ausgang eine Gleichspannung an,
wenn an ihrem Eingang eine Spannung von einem bestimmten positiven Wert oder einem
Wert, der größer ist als dieser, anliegt.
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Bei Anliegen einer kleineren Spannung, also auch z. B. bei Anliegen
einer negativen Spannung bzw. der negativen Halbwelle einer Wechselspannung, steht
an ihrem Ausgang keine Spannung an. Die Impulsformerstufe schaltet also, wenn ein
ganz bestimmter
Spannungswert überschritten bzw. unterschritten wird. In dem Augenblick,
in dem die Spannungskurve des Wechselspannungsgenerators den Nulldurchgang durchlaufen
hat und einen bestimmten noch sehr niedrigen Wert besitzt, kommt also die Impulsformerstufe
2, an deren Eingang diese Wechselspannung angelegt ist, zum Schalten, so daß am
Ausgang der Impulsformerstufe 2, der vorher spannungslos war, nunmehr eine Gleichspannung
konstanter Größe ansteht. Damit liegt an den beiden elektronischen Schaltern 4 und
5 und am elektronischen Schalter 10 jeweils während einer Halbwelle eine konstante
Spannung an.
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Zunächst soll die Auswirkung der anliegenden Spannung auf den elektronischen
Schalter 4 betrachtet werden. Der elektronische Schalter 4 ist so geschaltet, daß
bei Anliegen einer Spannung an seinem Eingang a der Eingang b mit dem Ausgang c
verbunden ist. Bei dem nunmehr bestehenden Schaltzustand ist damit der Impulsgenerator
3 mit der Zähleinrichtung 6 verbunden. Verkleinert sich der Spannungswert am Eingang
der Impulsformerstufe 2 unter den Ansprechwert, dann wird die Spannung am Ausgang
der Impulsformerstufe 2 zu Null. Damit wird auch der Eingang a des elektronischen
Schalters 4 spannungslos, und die elektrische Verbindung zwischen dem Eingang b
und dem Ausgang c des elektronischen Schalters 4 wird gesperrt.
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Sofort nach der Herstellung der Verbindung zwischen dem Impulsgenerator
3 und der Zähleinrichtung 6 wird die Zähleinrichtung 6 auf den Wert Null zurückgestellt
und beginnt neu zu zählen.
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Während der Zeit, während die elektrische Verbindung zwischen dem
Eingang b und dem Ausgangc des elektronischen Schalters 4 besteht, wird vom Impulsgenerator
3 eine Anzahl von Impulsen der Zähleinrichtung 6 zugeführt. Die Anzahl der der Zähleinrichtung
6 zugeführten Impulse ist proportional der Zeit einer Halbwelle. Die Zeitdauer einer
Halbwelle ist umgekehrt proportional der Frequenz der Wechselspannung, die im Wechselspannungsgenerator
1 erzeugt wird, und damit auch umgekehrt proportional der Drehzahl des Wechselspannungsgenerators.
Nach Unterbrechung der Verbindung zwischen dem Impulserzeuger 3 und der Zähleinrichtung
6 durch den elektronischen Schalter 4 ist in der Zähleinrichtung 6 demnach eine
Anzahl von Impulsen gezählt worden, die groß ist bei einer niedrigen Frequenz und
klein ist bei einer großen Frequenz bzw. Drehzahl des Wechselspannungsgenerators
1. In jedem Zeitpunkt wird die in der Zähleinrichtung 6 eingezählte Zahl an den
Digital-Analog-Wandler 8 weitergegeben, der die Anzahl der Impulse in eine dieser
umgekehrt proportionale Gleichspannung ulrF setzt, d. h., bei einer großen Anzahl
von Impulsen wird eine kleine Gleichspannung und bei einer kleinen Anzahl von Impulsen
eine große Gleichspannung erzeugt.
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Diese damit der Drehzahl des Wechselspannungsgenerators 1 proportionale
Spannung wird dem Eingang g des elektronischen Umschalters 10 zugeführt, der von
der Impulsformerstufe 2 her über seinen Eingang h stets so gesteuert wird, daß bei
Anstehen der Spannung Null am Ausgang der Impulsformerstufe 2 die Verbindung vom
Eingang g zum Ausgang k hergestellt wird. Bei jeder negativen Halbwelle des Wechselspannungsgenerators
1 liegt also am Ausgang k des elektronischen Umschalters eine der
Drehzahl
des Wechselspannungsgenerators proportionale Gleichspannung an.
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Die für die Beeinflussung einer Regeleinrichtung dem Istwert der
Drehzahl der Maschine proportionale Gleichspannung würde am Ausgang k des elektronischen
Umschalters also als Reihe von Impulsen anstehen. Der zeitliche Abstand dieser Impulse
voneinander und ihre diesem Abstand gleiche Länge ist bei kleinen Drehzahlen groß
und bei großen Drehzahlen klein. Eine solche Folge von Impulsen ist für den Eingang
eines Reglers nicht ohne weiteres brauchbar. Es wird daher durch eine gleiche Anzahl
von gegenphasig gegebenen Impulsen die Impulskette zu einer über der Zeit konstanten
Gleichspannung aufgefüllt. Hierzu bedient man sich einer zweiten Zähleinrichtung
7, eines zweiten Digital-Analog-Wandlers 9 und eines zweiten elektronischen Schalterms,
durch deren Zusammenwirken während der Zeit einer Impulslücke ebenfalls eine der
Drehzahl proportionale Gleichspannung erzeugt wird. Der Aufbau der Zähleinrichtung
7 des Digital-Analog-Wandlers 9 und des elektronischen Schalters 5 stimmt im Aufbau
mit den bereits erwähnten Schaltelementen 4, 6 und 8 vollkommen überein. Um die
erwähnte Wirkung zu erreichen, ist der elektronische Schalter 5 so eingerichtet,
daß im Gegensatz zu dem elektronischen Schalter 4 bei Anlegen einer Spannung am
Eingang d die Verbindung zwischen Eingang e und Ausgang f gesperrt wird, während
diese Verbindung bei Anliegen der Spannung Null am Eingang d des elektronischen
Schalters 5 hergestellt ist. Während der Zeitdauer einer negativen Halbwelle des
Wechselspannungsgenerators 1 werden demnach der Zähleinrichtung 7 von dem Impulserzeuger
3 Impulse zugeführt, die der Zeitdauer der negativen Halbwelle proportional sind.
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Nach Unterbrechung der Verbindung zwischen Eingang e und Ausgang
1 des elektronischen Schalters 5, also nachdem die negative Halbwelle vorbei ist,
wird ebenso wie bei der Zähleinrichtung 6 von der Zähleinrichtung 7 die Anzahl der
ihr zugeführten Impulse dem Digital-Analog-Wandler 9 mitgeteilt, der analog zu der
Nachbareinrichtung diese in eine Gleichspannung umwandelt, die der Anzahl der gezählten
Impulse umgekehrt proportional bzw. der Frequenz und damit auch der Drehzahl des
Wechselspannungsgenerators 1 proportional ist. Diese Gleichspannung wird dem Eingang
i des elektronischen Umschalters 10 zugeführt, wobei dieser Umschalter von der Impulsformerstufe
2 her über den Eingang h des elektronischen Umschalters 10 so gesteuert wird, daß
die der Frequenz des Wechselspannungsgenerators proportionale Gleichspannung stets
am Ausgangk des elektronischen Umschalters 10 anliegt, wenn auf der anderen Seite
der Anordnung, also in der Zähleinrichtung 6, die vom Impulsgenerator 3 erzeugten
Impulse gezählt werden.
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Durch den Einsatz von jeweils zwei abwechselnd zählenden und auswertenden
Einrichtungen ist damit sichergestellt, daß am Ausgang des elektronischen Schalters
10 stets eine der Drehzahl des Wechselspannungsgenerators 1 proportionale Gleichspannung
anliegt, die einer Regeleinrichtung zugeführt werden kann. Eine Änderung der Drehzahl
des Wechselspannungsgenerators 1 wirkt sich dabei bereits nach einer Halbwelle der
erzeugten Wechselspannung am Ausgang der beschriebenen Anordnung aus.
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Die Erfindung ist an die Anordnung entsprechend der Beschreibung
nicht gebunden. So können z. B. die beiden elektronischen Schalter 4 und 5 zu einem
Bauteil mit zwei Ausgängen vereinigt sein, wobei jeweils der eine Ausgang offen
ist, während der andere Ausgang geschlossen ist, und umgekehrt.