DE1941960B2

DE1941960B2 - Schaltungsanordnung zur umformung einer impulsfolge

Info

Publication number: DE1941960B2
Application number: DE19691941960
Authority: DE
Inventors: Kengo Dipl Ing Kawasaki Manabe Mitsuo Tokio Kobayashi, (Japan)
Original assignee: Fujitsu Ltd, Kawasaki, Kanagawa (Japan)
Priority date: 1968-08-21
Filing date: 1969-08-18
Publication date: 1972-03-30
Also published as: GB1282444A; BE737780A; FR2016075A1; NL171510C; CH507620A; NL6912616A; NL171510B; US3624517A; DE1941960A1

Description

Die Erfindung bctiiffi eine Schaltungsanordnung zur Umformung einer Impulsfolge mit unregelmäßig »uftretenden Impulsen bzw. Impulsgrupiien in eine Impulsfolge mit kontinuierlich änderbarer Frequenz mit einem Wandler und mit einer Speichereinrichtung.

Es ist eine Einrichtung zur Umformung einer Unregelmäßigen Impulsfolge in eine solche konti- »uierlich änderbarer Frequenz bekannt, die einen Digital-Analog-Umsetzer enthält. Diese bekannte Einrichtung dient zu Fernwirk- oder Fernmeßzwecken zur Erfassung der \ on Zählern gemessenen elektrischen Leistungen und elektrischen Arbeit, wobei die Maximalfrequenz der Impulsfolge durch das Zähl volumen eines Differenz/ ihlers gegeben ist

Demgegenübc: wird die Schaltungsanordnung nach der Erfindung in digitalen Steuervorrichtungen für verschiedene industrielle Zwecke, wie Werkzeugmaschinen. Schneidbrenner. Zeicheninstrumente verwendet.

Bei der digitalen Steuerung dieser Art einer Anordnung enthält ein elektronischer Rechner oder eine numerische Steueranordnung einen Impulsverteiler zur Aussendung von Befehlsimpulsen zu einem Servosystem, wie einem elektrischen Impulsmotor oder einem elektrohvdraulischen Impulsmotor.

Ein Servosvstern, wie beispielsweise ein elektrischer Impulsmotor, arbeitet in dem Falle fehlerlos, wenn der zugeführte Befehlsimpulszug ein intermittierender, momentaner lmpiils/ιιμ ist I'm ein fehlerhaftes Arbeiten oder einen Snsprechfehlcr zu vermeiden, muß die Frequenz des Befehlsimpulses verringert werden Folglich wird die Impulswiedergabefrcqucn/ in nachteiliger Weise verringert

I'm diesen Nachteil /u überwinden, ist cmc Verbesserung vorgeschlagen worden, die einen Impiils-/ιιμ-( H.iltiinuskrcis. /wischen dem Impulsverteiler und einem elektrischen Impulsmoim enthält, wodurch der BcfehlsimpuKzug zu dem Motor über den (iliittungskrcis zugeführt wird. Ein solcher ülattungikrcis besteht aus einem reversiblen Zähler, einem Digital-Analog-Wandler (D-A-Wandlcr) und einem Oszillator mit veränderbarer Frequenz. Die Befehl?;-impulse werden in dem reversiblen Zähler gespeichert, und der Wert des Zählers wird in eine Spannung durch den D-A-Wandler umgewandelt. Des weiteren werden die Impulse mit einer Frequenz, die der Spannung direkt proportional ist. an dem Oszillator mit ver* änderbarer Frequenz erhalten. Die Impulse von dem Oszillator werden dem Servosystem als Ausgangsirtipulse des Olättiingskreises zugeführt und gleichzeitig negativ zu dem reversiblen Zähler zurUckgekoppelt.

Da ein D-A-Wandler und ein Oszillator mit veränderbarer Frequenz somit in dem bekannten Glättungskreis verwendet werden, kann eine genaue Proportionalität zwischen dem gemessenen Wert an dem reversiblen Zähler und der Frequenz des diesem entsprechenden Ausgangsimpulses des Glättungskreises nicht erhalten werden. Die Verwendung eines solchen

ίο Glätiungskreises ist deshalb unzulänglich zum Steuern eines kontinuierlichen Schneidvorganges mit einer Werkzeugmaschine oder einer Umrißzeichnung durch eine Zeichenmaschine. Dieb ist darauf zurückzuführen, daß die Genauigkeit eines D-A-Wandlers und eines Oszillators mn veränderbarer Frequenz für diese Zwecke nicht ausreichend ist.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist demgegenüber dadurch gekennzeu linet, daß der Speichereinrichtung ein Digital-Impulsfrequenz-Wandler nachgeschaltet ist und daß der Ausgang des Wandlers mit dem Eingang der Speichereinrichtung über einen negativen Rückkopplungsweg verbunden ist. Durch diese Ausbildung werden einerseits trotz hoher Impulsfrequenz F"ehler vernachlässigbar klein, und andererseits wird die Genauigkeit der Proportionalität zwischen Eingangsimpulsfolge und Ausgangsimpulsfolge wesentlich verbessert.

Die Schaltungsanordnung, die >wischen einen Impulsverteiler und einen Servomotor, wie einen elektrischen Impulsmotor, eingesetzt werden soll, kann ein Register oder eine Speichervorrichtung enthalten, um die Befehlsimpulse von dem Impulsverteiler /u speichern, wobei der Digital-Impulsfrequenz-Wandler den gespeicherten Wert in dem Register periodisch speichert und ihn in einen Impulszug proportional zu dem gespeicherten Wert umwandelt

Da der gespeicherte Wert in dcri Register somit digital umgewandelt wird, ist der Fehler im wesentlichen vcrn;>ehlässigbar. Auch das in der Schaltungs-

4t anordnung verwendete Register kann aus billigen und wirtschaftlichen Elementen gebildet werden, wie einer Speichervorrichtung als integrierte Schaltung, einem Kernspeicher, ein-rr Verzögerungsleitung. Flip-Flop-Kreisen usw Es ist in gleicher Weise möglich.

mehrere Ausgänge mit einer einzigen Schaltung durch ein Zeittcilsv stern zu verarbeiten

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise unter Bc/ugnahm ■ .uif die Zeichnung erläutert, in der nnd

I ig I bis 3 Blockschaltbilder, die Ausfiihrungsformen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung erläutern.

F 1 g 4 eine Darstellung /ur Erläuterung der I mformung eine impulsfolge nach der hriindung.

I ig ^s eine IXirstelliing de' ('reiiuen/änderuiig der Nu^ingsimpul «folge und

I 1 g. () ein Grundbluek^haltbikl der Scl> ngsanordnung nach der Erfindung.

Nach Fig. 1 sendet der Impulsverteiler 100 eines elektronischen Rechners oder einer numerischen Steueranordnung Befehlsimpulse zur Leitung 101 aus. wenn der später beschriebene elektrische Impulsmotor sich in positiver Richtung dreht, und sendet Befehlsimpulse zur Leitung 102 aus. wenn er sich in

*5 negativer Richtung dreht. Der Wandler 103 gemäß der Erfindung wandelt die zu der Leitung HOi oder 102 ausgcsandlen Impulse in einen solchen lmpulszu§ um. in dem Frcquenzändertingen nicht abrupt, son

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lern allmählich uiifirctcn, und sendet Jen Inipuls-'.iig zur teilung 104 oder 105 aus. Ein bekannter mpulsmotor-Antriebskreis 106 urheilei, um die Erreuing des elektrischen Impulsmotors 107 in der vorbestimmten Folge hei jeder Alissendung eines Impulses zur Leitung 104 zu schalten, um den Impulsmotor in positiv·:!· Richtung zu drehen, und auch Jie Erregung des Motors in zu der vorangehenden umgekehrter Reihenfolge bei jeder Allssendung eines lm[)ulses zur Leitung 105 zu schalten, um den Motor in negativer Richtung zu drehen.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Wandler 103 zwischen ("en Impulsverteiler 100 und den elektrischen Impulsmotor 101 oder genauer zwischen den Impulsverteiler 100 und den Impulsmotor-Antriebskreis 106 geschaltet ist.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Ein Impulsverteiler 200 steht mit mehreren elektrischen Impulsmotoren 2071 ... 207 JV und mehreren Wandlern 2031 ... 203N in Verbindung, wobei jeder zwischen dem Impulsverteiler 200 und jedem Antnebskreis für den elektrischen Impulsmotor 2061 .. 206 N eingesetzt ist.

Die AusRJhrungsform der Fig. 2 kann somii als auf die Steuerung von N Achsen oder N Dimensionen gerichtet betrachtet werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Anordnung, die der Ausfuhrungsform der Fig. 2 darin gleichartig ist. daß mehrere elektrische Impulsmotor 3071 ...307/V in Verbindung mit einem Impulsverteiler 300 eines elektronischen Rechners oder einer numerischen Steueranordnung in Verbindung stehen, unterscheidet sich jedoch darin, daß ein einziger Wandler gemeinsam für alle Am riebscinheiten 3061 ... 306 ,V der Impulsmotoren 3071 .. . 307 .V verwendet wird.

Die Leitungen 3011 und 3021 von dem Impulsverteiler 300 entsprechen den Leitungen 3041 und 3051 des Wandlers 303. welche die jeweiligen Äquivalente der leitungen 101. 102. 104 und 105 in Fig. I sind

Andere Leitungen 3012 bis 301 /V. 3022 bis 302 S. 3042 bis 304.V haben dieselben Bedeutungtn wie oben

Diese Ausführungsform ist somit auch auf die Steuerung von ,V Achsen (Λ/ Dimensionen) gerichtet, und die Irregulär-iilatt-Umwandlung der Befehlslinpuls/iigc um mehreren Achsen wird durch einen einzigen Wandler 303 durch Zeitteilung vera-beitet.

fig 4 zeigt den Zustand der Irregulär-Glatt-I mwandlung eines Impulszuges mit dem Wandler gemäß der vorliegenden Erfindunu. Hin Eirgangsimpulszug zu dem Wandler, d h. ein von dem Impulsverteiler ausgesandtcr Befehlsimpulszug. ist in Fi μ 4|a) erläutert, während der A.usgungsimpuls-ζιιμ des Wandlers in I Ίμ 4ib| >;rlautert ist. Allgemein bestehen die von dem Impulsverteiler ausgesandten Befehlsimpulse aus einem fmpuls/ug mit einer festen Frequenz, von dem mehrere Impulse oder eine Impulsgruppe auf reguläre Intervalle verringert werden, wie dies in Fig. 4fa) dargestellt ist. Diese werden üblicherweise als intermittierende oder momentane Impulse bezeichnet. Wenn ein solcher Befehlsimpuls direkt dem Servosystem zugeführt wird, führt der Servomotor einen fehlerhaften Betrieb an dem Punkt aus, wo sich die Impulsfrequenz plötzlich ändert. Wenn die Befehlsimpulse über den Wandler nach der Erfindung gehen, zeigen die Ausgangsimpulse des Wandlers keine plötzliche Frequenzänderung, wie dies in Fi g. 4(b) dargestellt ist, vielmehr erscheint die Frequenzänderung nur allmählich. Folglich kann sich der Servomotor durch Zuführung der Ausgangsimpul.se des Wandlers zu dem Servosystem auch in einem Gebiet relativ hoher Frequenz ohne fehlerhaftes Arbeiten drehen.

Der Zustand der Frequenzänderung in dem \usgangsimpuls/iug des Wandlers, der auftritt, wenn ein

ίο momentaner Befehlsimpulszug dem Wandler der Erfindung zugeführt wird, ist in F i g. 5 erläutert. In der grafischen Darstellung der Fig. 5(a) ist die Frequenz F eines gemeinsamen Impubzuges auf der Ordinate aufgetragen, und die Zeit ist auf der Abszisse

aufgetragen. Deshalb zeigt die Frequenz des Befehlsimpulszuges, die in Rechteckform in Fig. 5(a) ausgedrückt ist, einen momentanen Impulszug, dessen Frequenz momentan auf einen festen Pegel zur Zeit J₀ ansteigt und auch momentan auf Null zur Zeit /, abfälh.

Wenn der Befehlsimpuls.ug, wie in Fig. 5la) dargestellt ibt. dem Glättungskreis zugeführt wird, wird an der Ausgangsseile des Glätlungskreises ein Ausgangsimpulszug erhalten, wie dieser in Fig. 5(b|

gezeigt ist. in dem die Frequenz allmählich exponentiell mit dem Zeitdurchlauf vom Punkt r„ ansteigt, bis ein bestimmter fester Wert erreicht ist, und die Frequenz vom Punkt r, allmählich exponentiell abfallt. F i g. 6 zeigt ein Grundblockschaltbild des Wand-

lers nach der Erfindung. Ein einseitig gerichteter Wandler ist in diesem Schaltbild beispielsweise erläutert. Der Eingangsanschluß 701 entspricht der Leitung 101 der Fig. 1. Mit 702 ist ein Register zum Speichern der dem Anschluß 701 zugeführten Befehls-

impulse bezeichne!. Bei dem Beispiel wird ein bekannter'reversibler Zähler als Register 702 verwendet.

Der Anschluß 701 ist ein Additionscingangsanschluß. und wenn jeder Steuerimpuls Oort ankommt, wird die Speicherung in dem Register 702 um eins

erhöht. Demgegenüber ist der Anschluß 703 ein Subtraktionseingangsanschluß des Registers 702. und jedesmal, wenn ein Impuls diesem Anschluß zugeführt wird, wird der Wert des Registers 702 um eins verringert. Mit 704 ist ein / usgam'sanschluß des Registers 702 bezeichnet, der den akkumulativen Wert in dem Register einem Digital-Impulsfrequcnzwandler 705 als parallele Signale zuführt Des weiteren ist 706 ein Zeiteinstellimpulsoszillator. und 707 ist ein Frequenzteiler zum Teilen des Zeiteinstellimpulszuges in Impulszügen geeigneter Frequenzen Die Impulszüge jeder festen Frequenz, die von dem Frequenzteiler 707 zu der Leitung 703 ausgesendet werden, wcrd-.-n dem Digital-Impuls-Frequenzwandlcr zugeführt. Dieser Wandler 705 liest den .ikkumulaliven Wen in dem Register 702 jedesmal, wenn ein Impuls über die Leitung 708 zugeführt wird, fuhrt den Impi '.sverteilungsvorgang auf der Basis des gelrenen Wertes durch und bestimmt, ob ein Impuls zu der Ausgangsleilung 709 des Wandlers ausgesandl werden soll oder nicht. Dieser Digital-Impuls-Freqiienzwandlcr arbeitet auf einem Prinzip gleich dcrr Prinzip von Impulsvcrtcilern. die auf dem Gebiei der numerischen Steuerung von Werkzeugmaschincr usw. bekannt sind, wie einem binären Frequenzver

ft;·, vielfacher (MIT-Anordnung), einer digitalen Differen lialanalysieranordnung (D.D.A) usw. Demgemäß is es offensichtlich, daß ein Impulszug mit einer Fre qticnz proportional dem akkumulativen Wert ir

dem Register auf der Ausgangsleitung 709 erhalten wird, wenn der in dem Register 702 gespeicherte akkumulative Wert konstant ist.

Der zu der Ausgangsleitung 709 ausgesandte Impuls wird dem Subtraktionseingangsanschluß 703 des Registers über einen Rückkopplungskreis 710 zugeführt, wodurch der in dem Register gespeicherte akkumulativc Wert um eins verringert wird.

Obwohl somit die Befehlsimpulszüge, die dem Eingangsanschluß 70! /»geführt werden, intermittierend oder momentan sind, werden die Impulse in dem Register 702 gespeichert, und Ausgangsimpulszüge mit einer Frequenz proportional zu dem sich momentan ändernden akkumulativen Wert werden zu der Ausgangsleitung 709 ausgesandt. Somit tritt keine plötzliche Frequenzänderung in den auf der Ausgangsleitung 709 auftretenden Ausgangsimpulsen auf. während sich die Frequenz nur allmählich ändert. Da die Ausgangsimpulse dem Subtraktionseingangsanschluß des Registers 702 über die Leitung 710 zugeführt werden, wenn die Anzahl der Ausgangsimpulse gleich der in dem Steuerimpulszug, der dem Eingangsanschluß 701 zugeführt wird, zur Leitung 709 ausgesandt wird, wird der akkumulative Wert in dem Register Null. Wenn demgemäß Berechnungsbefehlsimpulse bei 708 danach ankommen, wird kein Impuls zur Ausgangsleitung 709 ausgesandt.

Die Frequenzänderung in dem Ausgangsimpuls mit dem Zeitdurchlauf, die auftritt, wenn ein momentaner Steuerimpuls dem Wandler zugeführt wird, wird nun unter Bezugnahme auf das Blockschaltbild des Wandlers erläutert, der sowohl in F i g. 6 als auch in der F i g. 5 dargestellt ist.

Die Ausgangsimpulsfrequenz F (Hz) des Wandlers ist direkt proportional dem entsprechenden akkumulativen Wert in dem Register. Diese Beziehung kann durch die unten angegebene Gleichung unter Verwendung des Impulsumwandlungsverhältr.isses ic und der Ausgangsimpulsfrequen? /(Hz) des Frequenzteilers 707 ausgedrückt werden:

F = /Ik(IR) (Hz)

Wenn ein Befehlsimpulszug (momentaner Impulszug) einer festen Frequenz fo als Eingang des Wandlers zugeführt wird, ist die Zeitverzögerung in dem Ausgangsimpulszug des Wandlers durch die nachfolgende Formel gegeben:

R(M = So(M - S(M (1)

die konstant ist. Sf)(I) ist die Anzahl der Befehlsimpulse. /(M ist die Frequenz des Ausgangsimpulszuges des Wandlers. S(M ist die Anzahl der Impulse in dem Ausgangsimpulszug des Wandlers. R(M ist der akkumulative Wert in dem Register, und k bezeichnet das Impulsumwandlungsverhältnis.

Demgemäß kann das Ausbreitungsverhältnis der Ausgangsimpulsfrequenz zur Zeit »f« in folgender Weise ausgedrückt werden:

= fot

Auch wird

-J-

/(D dr.

R(M = y/(M.

Aus den vorstehenden Formeln (1) und (2) ergibt sich

1/(0 = fat - f.Π,·)df

K J

df

= foil -c~^kl).

Hier ist die Zeit, die zum Erreichen eines Ankunftsverhältnisses von 90% erforderlich ist. folgende:

' - T " '
Da wiederum gilt

S(M ~ J/(M df

= faJ(I -e")df

τ ■-

kann R(M in folgender Weise ausgedrückt werden:

R(M =

fo

Das Verhältnis der Ausgangsimpulsmenge zu der Anzahl der Befehlsimpulse zur Zeit»(« kann in folgender Weise berechnet werden:

SoJi)

__ ϊ

R(M
SoU)

(1

Die Zeitverzögerung in dem Ausgangsimpuls wird nun geprüft, wenn der Befehlsimpuls momentan aus dem Zustand stoppt oder ruht, in dem die Frequenz fo des Steuerimpulszuges der Frequenz /(M des Auseanesimpulszuees des Wandlers gleich ist. d. h. "fo = /(M.

Zuerst wird die Zeit, zu welcher der Steuerimpulszug stoppt, auf T₁ eingestellt. Mit R(I₁) als akkumulativen Wert des Registers zur Zeit I₁. mit /U₁) als Ausgangsimpulsfrequenz zur Zeit f,. mit So(I₁) als Befehlsimpulsanzahl zur Zeit r, und mit Su,) als Ausgangsimpulsanzahl zur Zeit I₁ wird dann

R(M = RU₁) - S(M

worin fo die Frequenz des Steuerimpulses darstellt.

= R(t

,)- J/(Mdf

/Cl ■ ■ " k	RIf₁	) - J
	1	df it)
	k	df
.. fit) =
Da auch gilt

Solche Anstiegs- und Abfallcharakteristiken der

.-' "^K'' Frequenz des Ausgangsimpulszuges von dem Wand

ler sind bezüglich der Zeit sehr genau, da alle Impuls Umwandlungen digital ausgeführt werden Folgiidi können die Charakteristiken zum Steuern der Sende geschwindigkeit des Impulsverteiler in einer numerischen Steueranordnung ausgenutzt werden. Ls v-t auch möglich, die Werkzeugmaschine eine Kurve nahe einem kreisförmigen Bogen verfolgen zu lassen. Rio — Rif \ — Sit) ^l0 'ⁿ^^em nicht nur die Reihenimpulszuginformalion /u

' dem Register, sondern auch die Information über

, verschiedene Inkremente ( IA. IV) zugeführt wird.

- R(t ) - Γ /'(Mdf ^'^e '^{mear e}i'^iern kreisförmigen Bogen nachgebildet

~ J sind, der von einem elektronischen Rechner oder

η is einer numerischen Steueranordnung zugeführt wird

st. ν Auch das obenerwähnte Impulsumwandlungsver-

= RU₁) - ---v — (l - c~*^r) hältnis k kann wahlweise ausgewählt werden, d.h.

der Impulsoszillator 706 in F i g. 6 ist in der Fre-

_ n₍. >_e-κ quenz veränderbar. Die Frequenz ist kontinuierlid

~~ ' 2o veränderbar, während sie normalerweise halbfest ein

kann die Zeit, die erforderlich ist. um R(M kleiner als 1 gestellt ist. Der eingestellte Wert kann durch von auiici

tu erreichen, in folgender Weise bezeichnet werden: zugeführte digitale Information geändert werden

Selbstverständlich sollten die QszilUuorfmiuen/ /

> R(f,)e"*' und das Impulsumwandlungsfeld k in Ubereinstim

25 mung mit den Charakteristiken des elektrischen Servo

^ J^ _lrio _Rll ^ systems, wie eines elektrischen Impulsmotors, ein

werden.

Hierzu 1 31att Zeichnungen

509 514

Claims

Patentanspruch:

Schaltungsanordnung zur Umformung einer Impulsfolge mit unregelmäßig auftretenden Iinpulsen bzw. Impulsgruppe!! in eine Impulsfolge mit kontinuierlich änderbarer Frequenz mit einem Wandler und mit einer Speichereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Speichereinrichtung ein Digital-Impulsfrequenz-Wandler r.achgesehallet ist und daü der Ausgang des Wandlers mit dem Eingang der Speichereinrichtung über einen negativen Rückkopplunusweg verbunden ist.