DE19845353C2 - Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl bzw. Lineargeschwindigkeit für eine Motordrehzahl- bzw. Motorlineargeschwindigkeitsregelung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfas­ sung der Drehzahl bzw. Lineargeschwindigkeit für eine Mo­ tordrehzahl- bzw. Motorlineargeschwindigkeitsregelung mit einem Sensor, aus dessen Sensorsignal direkt oder durch Signalzwischenverarbeitung ein oder mehrere Spannungsim­ pulssignale mit von der Motordrehzahl bzw. Motorlinearge­ schwindigkeit abhängiger Impulsfrequenz gewonnen werden, und einer das wenigstens eine Spannungsimpulssignal in ein im­ pulsfrequenzabhängiges Gleichspannungssignal wandelnden Wandlereinheit.

Derartige Einrichtungen sind beispielsweise für Motordreh­ zahlregelungen in Form sogenannter Encoderregelungen be­ kannt, bei denen der Sensorteil aus einem Encoder mit einer in Reflexion oder Transmission beleuchtbaren, in Motordreh­ richtung abwechselnd mit transmittierenden bzw. reflektie­ renden und nicht-transmittierenden bzw. nicht- reflektierenden Streifen versehenen Impulsscheibe besteht. Dadurch wird ein Lichtsignal mit schwankender Helligkeit generiert und in ein korrespondierendes Spannungsimpulssignal umgewandelt, dessen Pegelfolge bzw. Frequenz ein ein­ deutiges Maß für die Motordrehzahl darstellt. Durch Rück­ führung eines aus diesem Spannungsimpulssignal abgeleiteten Gleichspannungssignals kann die von einem zugeführten Gleichspannungsstellsignal bestimmte Motordrehzahl auf ei­ nen gewünschten Drehzahlsollwert geregelt werden.

Aus herkömmlichen Wandlereinheiten zur Umwandlung des Span­ nungsimpulssignals des Encoders in ein zum Vergleich mit dem Gleichspannungs-Sollwert geeignetes Gleichspannungssig­ nal ist es bekannt, einen Monovibrator einzusetzen, der je­ weils bei einer ansteigenden Flanke oder alternativ jeweils bei einer abfallenden Flanke des Encodersignals getriggert wird. Um ausreichend hohe Motordrehzahlen sicher erfassen zu können, ist bei diesen Systemen eine entsprechend große Zeitkonstante für diesen Triggerteil notwendig. Diese rela­ tiv große Zeitkonstante bedingt jedoch andererseits Verzö­ gerungen der Regelung, die das Erreichen einer vorgegebenen Solldrehzahl verlangsamen. Bei sehr niedrigen Drehgeschwin­ digkeiten wird dadurch das erreichbare Drehmoment sehr klein. Zudem sind Monovibratoren empfindlich gegen Tempera­ turschwankungen, was zu entsprechenden Ungenauigkeiten in der Motordrehzahlregelung führen kann.

Eine Einrichtung zur Drehzahlerfassung für eine Motordreh­ zahlregelung mit einem Hall-Sensor als Drehzahlsensor ist in dem Gebrauchsmuster DE 94 19 788 U1 offenbart. Das Aus­ gangssignal des Hall-Sensors wird über ein Tiefpassfilter einem Monoflop zugeführt, das seinerseits einen ersten Schalter ansteuert. Ein zugehöriges Drehzahlsollsignal wird über ein weiteres Tiefpassfilter einem weiteren Monoflop zugeführt, das einen seriell zum ersten geschalteten zwei­ ten Schalter ansteuert. Die am Mittenpunkt zwischen den beiden Schaltern anstehende Spannung wird abgegriffen und über einen Puffer einer Pulsbreitenmodulationsschaltung zu­ geführt, die ihrerseits einen in der Stromzuführung zum drehzahlgeregelten Motor liegenden Schalter ansteuert.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung einer Einrichtung zur Drehzahlerfassung der oben ge­ nannten Art zugrunde, mit der sich die Drehzahl oder die Lineargeschwindigkeit eines Motors bis zu relativ hohen Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitswerten sehr zuverlässig und stabil regeln lässt.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder 2. Diese Einrichtung beinhaltet eine Wandlereinheit mit ei­ nem Impulsgenerator, der ein Taktsignal erzeugt, dessen Frequenz ausreichend größer als die maximal auftretende Im­ pulsfrequenz des über den Sensor gewonnenen Spannungsim­ pulssignals gewählt ist. In einem Signalverarbeitungsteil der Wandlereinheit wird bei jedem Pegelwechsel des Span­ nungsimpulssignals ein Impuls aus dem Taktsignal herausge­ schnitten. Dieses modifizierte Signal wird dann von dem Signalverarbeitungsteil als Ausgangssignal abgegeben und einem Tiefpass zugeführt, der es integrierend tiefpassfil­ tert. Dabei mittelt sich das reine Taktsignal des Impulsge­ nerators heraus, während die durch die Pegelwechsel des Spannungsimpulssignals herausgeschnittenen Einzelimpulse aufgrund des integrierenden Verhaltens der Endstufe zu ei­ ner entsprechenden Änderung des von ihr abgegebenen Gleich­ spannungssignals führen, das als Rückführsignal der Rege­ lung fungiert und direkt oder nach eventueller weiterer Aufbereitung mit einem der Regelung zugeführten, die ge­ wünschte Drehzahl bzw. Lineargeschwindigkeit repräsentie­ renden Gleichspannungssollwert verglichen werden kann.

Durch die Verwendung des Taktsignals des Impulsgenerators als ein Trägersignal lässt sich eine geringe Zeitkonstante für die Wandlereinheit realisieren, die ein rasches Reagie­ ren auf Regelabweichungen auch bei niedrigen Drehzahlen bzw. Lineargeschwindigkeiten ermöglicht. Denn kleine Posi­ tionsabweichungen führen auch bei niedriger Drehzahl bzw. Lineargeschwindigkeit durch den oder die Pegelwechsel des Spannungsimpulssignals zu einem Heraustrennen eines bzw. mehrerer Impulse des Taktsignals und dadurch sehr rasch zu einer die Rückkehr in die Sollposition. Die Regelung rea­ giert hierbei vergleichbar zu einer Stellmotor-Positionier­ regelung. Überdies ist die Regelung vergleichsweise wenig empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen.

Die Erfindung ist sowohl zur Drehzahlregelung bei rotieren­ den Motoren als auch zur Lineargeschwindigkeitsregelung bei Linearmotoren geeignet, und zwar für Elektromotoren ebenso wie für beliebige andere Motortypen.

Bei einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Einrichtung ist ein motorbewegungsrichtungssensitiver Sensor, z. B. ein drehrichtungssensitiver Encoder zur Drehzahlerfassung, vor­ gesehen. Der Signalverarbeitungsteil der Wandlereinheit be­ inhaltet für jede Dreh- bzw. Lineargeschwindigkeitsrichtung ein ansteuerbares Schaltelement, wobei die beiden Schalt­ elemente vor dem Tiefpass parallel an unterschiedliche Po­ tentiale angeschlossen sind. Der zur jeweils momentanen Dreh- bzw. Lineargeschwindigkeitsrichtung gehörende Schal­ ter wird mit dem modifizierten, durch Herausschneiden eines jeweiligen Impulses bei Pegelwechseln des Spannungsimpuls­ signals generierten Taktsignal angesteuert, während der je­ weils andere Schalter dazu gegenphasig mit dem nicht- modifizierten Taktsignal gesteuert wird. Dadurch verschiebt sich das an der gemeinsamen Ausgangsseite der parallelen Schalter gebildete Verarbeitungsausgangssignal je nach Drehzahl bzw. Lineargeschwindigkeit stärker in Richtung des einen oder anderen Potentials, je nach Motorbewegungsrich­ tung. Diese Verschiebung wird von dem Tiefpass erkannt und durch sein integrierendes Verhalten gespeichert.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Wandlereinheit als Teil einer Motordrehzahlregeleinrichtung und

Fig. 2 Signalverlaufsdiagramme zur Erläuterung der Funk­ tionsweise der Wandlereinheit von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Wandlereinheit, die den hier interessie­ renden Teil einer ansonsten herkömmlich aufgebauten Ein­ richtung zur Regelung der Motordrehzahl darstellt. Insbe­ sondere beinhaltet die Motordrehzahlregeleinrichtung einen Sensorteil mit einem zweispurigen Encoder zur Sensierung der Drehzahl und Drehrichtung des drehzahlgeregelten Mo­ tors, der von einem beliebigen Motortyp sein kann, wie z. B. Elektromotor oder Verbrennungsmotor. Der Encoder beinhaltet in herkömmlicher, nicht gezeigter Weise eine geeignet ko­ dierte, mit dem Motor mitrotierende Impulsscheibe mit zwei Spuren und einen zugehörigen optischen Abtastteil. Entspre­ chend den beiden Spuren gibt der Encoder zwei parallele Spannungsimpulssignale EA, EB ab, aus denen sich zum einen die Drehzahl und zum anderen die Drehrichtung des Motors ermitteln lässt. Als Drehzahlsollwertvorgabe wird der Dreh­ zahlregelung ein für die gewünschte Drehzahl repräsentati­ ves Gleichspannungs-Sollwertsignal zugeführt.

Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Wandlereinheit dient da­ zu, aus den beiden parallelen Spannungsimpulssignalen EA, EB ein für den Istwert der Motordrehzahl repräsentatives Spannungsrück­ führsignal U_R abzuleiten, das dann als Rückführgröße zur Eingangsseite der Regelung rückgeführt und mit dem Gleich­ spannungs-Sollwertsignal verglichen werden kann.

Zu diesem Zweck bildet die Wandlereinheit einen speziellen Frequenz/Spannungs-Wandler mit einem Impulsgenerator 1, ei­ nem Signalverarbeitungsteil 3, S1, S2 und einer Endstufe in Form eines Tiefpasses 2 mit integrierendem Verhalten. Der Signalverarbeitungsteil 3, S1, S2 umfasst eine Logikeinheit 3 und zwei von dieser über parallele Steuersignale 4, 5 angesteuerte Schalter S1, S2, die ausgangsseitig gemeinsam zur Eingangsseite des Tiefpasses 2 führen, während anderer­ seits der eine, erste Schalter S1 an eine positive Refe­ renzspannung +U_ref und der andere, zweite Schalter S2 an den negativen Wert -U_ref dieser Referenzspannung angekoppelt ist. Der Logikeinheit 3 sind die beiden parallelen Span­ nungsimpulssignale EA, EB und des weiteren das vom Impuls­ generator 1 generierte Taktsignal TS zugeführt. Die Fre­ quenz des Taktsignals TS ist um ein Mehrfaches größer ge­ wählt als die maximale Spannungsimpulssignalfrequenz bei der höchsten, im jeweiligen Anwendungsfall vorkommenden Mo­ tordrehzahl. Der Tiefpass 2 kann beispielsweise in einer einfachen Ausführungsform durch einen nach Masse geschalte­ ten Kondensator realisiert sein, wobei dann zweckmäßiger­ weise in den beiden Leitungszweigen der Schalter S1, S2 nicht gezeigte Widerstände vorgesehen sind.

Der wesentliche Grundgedanke, welcher der gezeigten Wand­ lereinheit zugrundeliegt, besteht darin, dass die Logikein­ heit 3 aus dem zugeführten Taktsignal TS des Impulsgenera­ tors 1 die beiden Steuersignale 4, 5 für die Schalter S1, S2 dadurch ableitet, dass es je nach der anhand der Spannungsimpulssignale EA, EB erkannten Motordrehrichtung für das jeweils eine der Steuersignale 4, 5 für die Schalter S1, S2 das Taktsignal TS in unveränderter Form, für das jeweils andere hingegen ein dahingehend modifiziertes Signal verwendet, dass aus dem Taktsignal TS bei jedem Pegelwechsel der Spannungsim­ pulssignale EA, EB ein Impuls herausgeschnitten, d. h. eli­ miniert wird. Zudem gibt die Logikeinheit 3 die beiden Steuersignale 4, 5 für die Schalter S1, S2 gegenphasig, d. h. um 180° versetzt ab.

Die sich daraus ergebende Funktionsweise der Wandlereinheit von Fig. 1 ist in Fig. 2 in Diagrammform für ein illustra­ tives Beispiel dargestellt. Fig. 2 zeigt in zeitsynchron übereinanderliegender Darstellung beispielhafte Signalver­ läufe in Abhängigkeit von der Zeit t für die beiden Spannungsimpulssignale EA, EB, für das vom Impulsgenerator 1 gelieferte Taktsignal TS, für die Schaltzustände der beiden Schalter S1, S2 sowie für das am Eingang des Tiefpasses 2 anstehende Verarbeitungsausgangssignal PS.

Aus den beiden Spannungsimpulssignalen EA, EB, die aus Rechteckimpulsen mit von der Motordrehzahl abhängiger Brei­ te bestehen und zwischen einem niedrigen Pegel "0" und ei­ nem hohen Pegel "1" wechseln, bestimmt die Logikeinheit 3 die Drehrichtung des Motors und modifiziert das Taktsignal TS für die Gewinnung der Steuersignale 4, 5 für einen der beiden Schalter S1, S2, im gezeigten Fall für den ersten Schalter S1. Für den anderen Schalter S2 verwendet die Lo­ gikeinheit 3 unverändert das Taktsignal TS als Ansteuersig­ nal, lediglich gegenphasig zum anderen der Steuersignale 4, 5 versetzt.

Dies führt im Beispiel von Fig. 2 dazu, dass der zweite Schalter S2 synchron, aber gegenphasig zum Taktsignal TS zwischen seinem geschlossenen, leitenden Zustand "ZU" und seinem geöffneten, nichtleitenden Zustand "AUF" wechselt. Der erste Schalter S1 folgt mit seinem Schaltzustand syn­ chron und gleichphasig dem Taktsignal TS mit der Ausnahme, daß jeweils ein nach Auftreten eines Pegelwechsels in einem der beiden Spannungsimpulssignale EA, EB folgender Schal­ teransteuerimpuls entfällt und daher der Schalter S1 entsprechend um die Breite dieses Impulses länger in seinem bisherigen Schaltzustand verharrt. Im zugehörigen, drittun­ tersten Diagramm von Fig. 2 sind die dadurch entfallenden Zustandswechsel des ersten Schalters S1 gestrichelt ange­ deutet.

Das unterste Diagramm von Fig. 2 zeigt den sich daraus er­ gebenden Verlauf des Verarbeitungsausgangssignals PS an der Eintrittsseite des Tiefpasses 2. Solange keine Pegelwechsel der Spannungsimpulssignale EA, EB auftreten, wechselt das Verarbeitungsausgangssignal PS rechteckförmig synchron mit dem Taktsignal TS zwischen dem positiven und dem negativen Referenzspannungswert +U_ref, -U_ref. In denjenigen Zeittakten, in denen der Schaltzustand des ersten Schalters S1 wegen eines eliminierten Ansteuertaktes konstant bleibt und nicht mit dem Taktsignal TS synchron wechselt, verbleibt dement­ sprechend auch das Verarbeitungsausgangssignal PS länger auf dem betreffenden Potentialwert, im gezeigten Fall um die jeweilige Taktimpulsbreite länger auf dem negativen Po­ tentialwert -U_ref.

Im Tiefpass 2 wird dieses Verarbeitungsausgangssignal PS integrierend tiefpassgefiltert, mit der Folge, das dadurch erzeugte Spannungsrückführsignal U_R auf null liegt, solange das Verarbeitungsausgangssignal PS symmetrisch zwischen den beiden Potentialwerten +U_ref, -U_ref wechselt, d. h. solange keine Pegelwechsel der Spannungsimpulssignale EA, EB auf­ treten. Dies entspricht dem Fall eines ruhenden Motors, wo­ bei der Drehzahlwert null durch ein Gleichspannungs- Sollwertsignal von ebenfalls dem Wert null vorgegeben wird. Wird hiervon ausgehend der Motor verdreht, treten Pegel­ wechsel der Spannungsimpulssignale EA, EB mit der Folge auf, die positiven und negativen Flächenanteile des Sig­ nalverlaufs des Verarbeitungsausgangssignals PS, wie sie in Fig. 2 unterschiedlich schraffiert sind, ohne merkliche Zeitverzögerung voneinander verschiedene Werte annehmen. Dies führt dazu, über den integrierenden Tiefpass 2 ent­ sprechend schnell das Spannungsrückführsignal U_R von null aus ansteigt bzw. abfällt, je nach Motordrehrichtung.

Durch die Verwendung der gegenüber den auftretenden Fre­ quenzen der Spannungsimpulssignale EA, EB hohen Frequenz des Taktsignals TS und das integrierende Verhalten des Tiefpasses 2 erzeugt die Wandlereinheit ein sich ver­ gleichsweise rasch erhöhendes Spannungsrückführsignal U_R, bis eine ggf. entstandene Drehzahlregelabweichung wieder beseitigt ist. Die Ermittlung der Regeldifferenz basiert auf den einzelnen eliminierten Taktsignalimpulsen für das jeweilige Steuersignal 4, 5 der Schalter S1, S2 und ähnelt damit im Bereich sehr niedriger Motordrehzahlen einer Schrittmotor-Positioniersteuerung.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht folglich, wie sich aus dem oben erläuterten Beispiel einer Drehzahlrege­ lung ergibt, durch die spezielle Auslegung der Wandlerein­ heit ein sehr rasches Reagieren auf Regelabweichungen spe­ ziell auch im Bereich sehr kleiner Motordrehzahlen. Bei Mo­ torstillstand ist das der Regelung zugeführte Spannungs­ rückführsignal U_R durch die gleich großen negativen und po­ sitiven Potentialflächenanteile des Verarbeitungsausgangs­ signals PS, wie gewünscht, exakt gleich null, kleine Aus­ lenkungen des Motors werden jedoch durch die hohe Frequenz des Taktsignals TS überwacht. Dadurch kann in der Wandler­ einheit mit einer kurzen Zeitkonstante gearbeitet und folg­ lich schnell auf Drehzahlabweichungen reagiert werden. Die Wandlereinheit ist daher im Gegensatz zu herkömmlichen Wandlereinheiten mit Monovibratoren auf den Bereich sehr kleiner Motordrehzahlen einschließlich Motorstillstand ge­ radezu optimiert. Indem das Taktsignal TS um ein Vielfaches größer als die im jeweiligen Anwendungsfall höchste, auf­ tretende Sensorsignalfrequenz gewählt ist, gewährleistet die Wandlereinheit und damit die Regelung insgesamt auch in diesem Bereich maximaler Geschwindigkeiten noch eine aus­ reichende Genauigkeit und Reaktionsschnelligkeit. Durch die Logikeinheit 3 ist sichergestellt, dass auch bei hohen Mo­ tordrehzahlen keine Sensorimpulssignalinformation verloren geht.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Drehzahlerfassung für eine Motordreh­ zahlregelung mit
einem Motordrehzahlsensor, aus dessen Sensorsignal di­ rekt oder durch Signalzwischenverarbeitung ein oder mehrere Spannungsimpulssignale (EA, EB) mit von der Mo­ tordrehzahl abhängiger Impulsfrequenz gewonnen werden, und
einer das wenigstens eine Spannungsimpulssignal (EA, EB) in ein impulsfrequenzabhängiges Gleichspannungssig­ nal wandelnden Wandlereinheit,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Wandlereinheit einen Impulsgenerator (1) zur Erzeu­ gung eines Taktsignals (TS) mit einer gegenüber der ma­ ximal auftretenden Impulsfrequenz des wenigstens einen Spannungsimpulssignals (EA, EB) größeren Impulsfre­ quenz, einen Signalverarbeitungsteil (3, S1, S2), der bei jedem Auftreten eines Pegelwechsels des wenigstens einen Spannungsimpulssignals (EA, EB) einen Impuls aus dem Taktsignal (TS) eliminiert und das resultierende Signal als Verarbeitungsausgangssignal (PS) abgibt, und einen Tiefpass (2) umfaßt, der das Verarbeitungsaus­ gangssignal (PS) integrierend tiefpaßfiltert.

2. Einrichtung zur Lineargeschwindigkeitserfassung für ei­ ne Motorlineargeschwindigkeitsregelung mit
einem Motorlineargeschwindigkeitssensor, aus dessen Sensorsignal direkt oder durch Signalzwischenverarbei­ tung ein oder mehrere Spannungsimpulssignale (EA, EB) mit von der Motorlineargeschwindigkeit abhängiger Im­ pulsfrequenz gewonnen werden, und
einer das wenigstens eine Spannungsimpulssignal (EA, EB) in ein impulsfrequenzabhängiges Gleichspannungssig­ nal wandelnden Wandlereinheit,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wandlereinheit einen Impulsgenerator (1) zur Erzeu­ gung eines Taktsignals (TS) mit einer gegenüber der ma­ ximal auftretenden Impulsfrequenz des wenigstens einen Spannungsimpulssignals (EA, EB) größeren Impulsfre­ quenz, einen Signalverarbeitungsteil (3, S1, S2), der bei jedem Auftreten eines Pegelwechsels des wenigstens einen Spannungsimpulssignals (EA, EB) einen Impuls aus dem Taktsignal (TS) eliminiert und das resultierende Signal als Verarbeitungsausgangssignal (PS) abgibt, und einen Tiefpass (2) umfasst, der das Verarbeitungsaus­ gangssignal (PS) integrierend tiefpassfiltert.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Sensor für die Motordrehzahl oder die Motorlineargeschwindigkeit ein bezüglich der Motor­ bewegungsrichtung sensitiver Sensor ist und der Signal­ verarbeitungsteil (3, S1, S2) eine Logikeinheit (3) so­ wie zwei parallele, von ihr angesteuerte Schalter (S1, S2) beinhaltet, die einerseits gemeinsam an die Ein­ gangsseite des Tiefpasses (2) und andererseits an zwei unterschiedliche Referenzpotentiale (+U_ref, -U_ref) ange­ schlossen sind und von denen je nach Motorbewegungs­ richtung jeweils der eine entsprechend der Taktung durch das Taktsignal (TS) und der andere dazu gegenpha­ sig mit einem Signal angesteuert wird, dessen Taktung derjenigen des Taktsignals (TS) mit der Modifikation entspricht, daß bei jedem Auftreten eines Pegelwechsels des Spannungsimpulssignals (EA, EB) ein Taktimpuls eliminiert ist.