DE19932635A1 - Synchronisierverfahren für eine Empfangseinheit und hiermit korrespondierende Empfangseinheit - Google Patents

Abstract

Eine Empfangseinheit (2) wird mit einer Sendeeinheit (1) dadurch genauer synchronisiert, daß anhand von von der Sendeeinheit (1) ausgesandten Synchronisationssignalen (S) ein Taktgeber (7) einer phasenverriegelten Schleife (6) nachgeregelt wird, wobei ein Phasenregler (5) momentanen Phasenfehler (z) zu einem Integrationswert (I) aufintegriert und der Integrationswert (I) nur zu einem Integrationsbruchteil (ki) ausgeregelt wird, der kleiner als eins ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Synchronisierverfahren für eine Empfangseinheit,

• - wobei der Empfangseinheit von einer Sendeeinheit zyklisch ausgesandte Synchronisationssignale übermittelt werden,
• - wobei die Empfangseinheit die Synchronisationssignale einem Phasenregler einer phasenverriegelten Schleife mit einem Taktgeber zuführt,
• - wobei der Taktgeber zwischen zwei Synchronisationssignalen eine Anzahl von Taktsignalen ausgibt,
• - wobei der Phasenregler beim Empfang der Synchronisations­ signale momentane Phasenfehler ermittelt und den Taktgeber derart nachregelt, daß der Taktgeber zwischen zwei Synchro­ nisationssignalen eine Sollanzahl von Taktsignalen ausgibt,

sowie eine hiermit korrespondierende Empfangseinheit.

Derartige Synchronisierverfahren und die korrespondierenden Empfangseinheiten sind allgemein bekannt. Sie werden unter anderem in Feldbussystemen, z. B. dem PROFIBUS, eingesetzt.

Feldbussysteme sind verteilte Steuerungssysteme, die in der Regel eine Sendeeinheit (Kopfbaugruppe, Busmaster) und eine Vielzahl von Empfangseinheiten (Slaves) aufweisen. Die An­ steuerung der einzelnen Slavebaugruppen geschieht in der Re­ gel dadurch, daß die Sendeeinheit den Empfangseinheiten ein Befehlstelegramm übermittelt. Bei Empfang des Befehlstele­ gramms geben die Empfangseinheiten Sollwerte an eine gesteu­ erte technische Anlage aus, die ihnen zuvor von der Sendeein­ heit übermittelt worden sind. Gleichzeitig lesen sie Istwerte von der gesteuerten technischen Anlage ein, welche sie nach­ folgend an die Sendeeinheit übermitteln. Die Sendeeinheit er­ rechnet dann neue Sollwerte, die sie den einzelnen Empfangs­ einheiten übermittelt, so daß diese für das nächste Befehls­ telegramm bereit sind.

Die Befehlstelegramme werden von der Sendeeinheit zeitlich äquidistant gesendet. Aus den Befehlstelegrammen sind daher Synchronisationssignale ableitbar, mittels derer die Emp­ fangseinheiten mit der Sendeeinheit synchronisierbar sind.

In der Praxis verbleibt zwischen dem Übermitteln der eingele­ senen Istwerte an die Sendeeinheit und dem Übermitteln der Sollwerte an die Empfangseinheiten einerseits und den Über­ mitteln des nächsten Befehlstelegramms andererseits ein zeit­ licher Spielraum. Dieser wird in der Regel für sogenannte azyklische Telegramme genutzt. Hierbei kann es geschehen, daß aufgrund von Verzögerungen durch die azyklischen Telegramme einzelne Befehlstelegramme verspätet gesendet werden. Der Empfang derart verspätet gesendeter Befehlstelegramme bewirkt eine fehlerhafte Nachsynchronisation der Empfangseinheiten. Bei vielen Anwendungen ist diese fehlerhafte Nachsynchronisa­ tion unkritisch. Bei zeitkritischen Anwendungen hingegen, insbesondere bei der Kopplung interpolierender Antriebsach­ sen, sind derartige fehlerhafte Nachsynchronisation nicht to­ lerierbar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Synchronisierverfahren für eine Empfangseinheit zu schaffen, mittels derer die Empfangseinheit mit hinreichender Genauig­ keit mit der Sendeeinheit synchronisierbar ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Phasenregler die mo­ mentanen Phasenfehler zu einem Integrationswert aufintegriert und daß der Integrationswert zu einem Integrationsbruchteil ausgeregelt wird, wobei der Integrationsbruchteil kleiner als eins ist.

Wenn der Phasenregler die momentanen Phasenfehler zu einem Proportionalbruchteil ausregelt, wobei der Proportionalbruch­ teil kleiner als eins ist, ergibt sich eine schnellere Ausre­ gelung des Phasenfehlers. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Proportionalbruchteil größer als der Integrationsbruch­ teil ist.

Wenn der Phasenregler den Taktgeber nur dann nachregelt, wenn der Absolutwert des momentanen Phasenfehlers einen Maximal­ fehler nicht übersteigt; bewirken Verzögerungen der Synchro­ nisationssignale durch azyklische Telegramme keine fehlerhaf­ te Nachregelung des Taktgebers.

Wenn bei Übersteigen des Maximalfehlers ein Zähler hochge­ zählt wird, ist insbesondere ein dauerhafter Fehler der Kom­ munikation zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit erkenn­ bar.

Wenn der phasenverriegelten Schleife von einer Steuereinheit ein Gültigkeitssignal übermittelt wird und das Synchronisier­ verfahren nur bei Vorliegen des Gültigkeitssignals ausgeführt wird, ist sicherstellbar, daß die Synchronisation auf die richtigen Synchronisationssignale erfolgt.

Wenn innerhalb des Taktgebers ein Taktgenerator Primärtaktsi­ gnale erzeugt, die einem Frequenzteiler zugeführt werden, der ausgangsseitig die heruntergeteilten Primärtaktsignale als Taktsignale ausgibt, ist gewährleistet, daß alle zwischen dem Taktgenerator und dem Frequenzteiler angeordneten Komponenten ebenfalls phasenrichtig synchronisiert sind.

Wenn vor der Ermittlung des ersten momentanen Phasenfehlers der Taktgeber die Sollanzahl von Taktsignalen ausgibt, dann angehalten wird und beim Empfang des nächsten Synchronisati­ onssignals wieder gestartet wird, ergibt sich eine besonders schnelle Synchronisation der Empfangseinheit beim Anlauf.

Wenn beim Empfang des ersten Synchronisationssignals nach dem Wiederstarten des Taktgebers der momentane Phasenfehler zu­ mindest im wesentlichen ausgeregelt wird und das Aufintegrie­ ren der momentanen Phasenfehler und das Ausregeln des Inte­ grationswerts, ggf. auch das Ausregeln des momentanen Phasen­ fehlers, erst ab dem Empfang des zweiten Synchronisations­ signals ausgeführt wird, wird die Synchronisierung zu Beginn des Verfahrens noch weiter beschleunigt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zei­ gen in Prinzipdarstellung:

Fig. 1 ein verteiltes Steuerungssystem,

Fig. 2 eine Empfangseinheit und

Fig. 3 eine phasenverriegelte Schleife.

Gemäß Fig. 1 weist ein verteiltes Steuerungssystem eine Sende­ einheit 1 und Empfangseinheiten 2 auf, die über ein Bussystem 3 miteinander verbunden sind. Die Sendeeinheit 1 sendet zy­ klisch Telegramme an die Empfangseinheiten 2, welche entspre­ chend auf die empfangenen Telegramme reagieren. Beispielswei­ se lesen die Empfangseinheiten 2 von einer gesteuerten tech­ nischen Anlage 4 Eingangsgrößen ein und geben Ausgangsgrößen an die technische Anlage 4 aus. Dies ist in Fig. 1 durch die Pfeile zwischen den Empfangseinheiten 2 und der technischen Anlage 4 angedeutet.

Die Kommunikation zwischen der Sendeeinheit 1 und den Emp­ fangseinheiten 2 erfolgt in der Regel nach folgendem, zy­ klisch abgearbeiteten Schema: Zunächst übermittelt die Sende­ einheit 1 den Empfangseinheiten 2 Ausgangsgrößen, die an die technische Anlage 4 ausgegeben werden sollen. Dann übermit­ telt sie ein Befehlstelegramm an die Empfangseinheiten 2. Bei Übermittlung des Befehlstelegramms geben die Empfangseinhei­ ten 2 die Ausgangsgrößen an die technische Anlage 4 aus und lesen Eingangsgrößen von der technischen Anlage 4 ein. Sodann werden die eingelesenen Eingangsgrößen von der Sendeeinheit 1 abgefragt.

Im Idealfall wird das obenstehende Schema streng zyklisch und zeitlich streng äquidistant abgearbeitet. Insbesondere die Befehlstelegramme können daher als Synchronisationssignale S verwendet werden bzw. aus den Befehlstelegrammen Synchronisa­ tionssignale S abgeleitet werden. Mittels der Synchronisati­ onssignale S können sich dann die Empfangseinheiten 2 mit der Sendeeinheit 1 synchronisieren.

Die von den Empfangseinheiten 2 empfangenen Synchronisations­ signale werden gemäß Fig. 2 und 3 über einen Busanschlußbau­ stein 2' einem Phasenregler 5 einer phasenverriegelten Schleife 6 zugeführt. Die phasenverriegelte Schleife 6 weist einen Taktgeber 7 auf. Innerhalb des Taktgebers 7 erzeugt ein Taktgenerator 8 Primärtaktsignale, die einem Frequenzteiler 9 zugeführt werden. Ausgangsseitig gibt der Frequenzteiler 9 die heruntergeteilten Primärtaktsignale als Taktsignale aus. Die Taktsignale werden einem Taktsignalzähler 10 zugeführt.

Bei idealer Regelung des Taktgenerators 8 gibt der Taktgeber 7 zwischen zwei Synchronisationssignalen S exakt eine Sollan­ zahl Z* von Taktsignalen aus. In der Regel gibt der Taktgeber 7 aber eine Anzahl Z von Taktsignalen aus, welche von der Sollanzahl Z* abweicht. Der Phasenregler 5 ermittelt daher beim Empfang der Synchronisationssignale momentane Phasenfeh­ ler z und regelt dann den Taktgeber 7 derart nach, daß er zwischen zwei Synchronisationssignalen S die Sollanzahl Z* von Taktsignalen ausgibt. Dies geschieht wie folgt:
Vor Beginn der Synchronisation, also vor der Ermittlung des ersten momentanen Phasenfehlers z, wird zunächst von einer Steuereinheit 11 einer Ansteuereinheit 12 ein Startsignal vorgegeben. Diese steuert daraufhin den Taktgeneratör 8 des Taktgebers 7 an. Wenn der Taktsignalzähler 10 die Sollanzahl Z* von Taktsignalen gezählt hat, übermittelt der Taktsi­ gnalzähler 10 ein Signal an die Ansteuereinheit 12. Diese hält daraufhin den Taktgenerator 8 wieder an. Die phasenver­ riegelte Schleife 6 ist dadurch sozusagen "vorgespannt". Beim Empfang des nächsten Synchronisationssignals, das ebenfalls an die Ansteuereinheit 12 übermittelt wird, startet diese dann den Taktgenerator 8 wieder. Dadurch wird der Taktsi­ gnalzähler 10 neu hochgezählt.

Das Erreichen der Sollanzahl Z* sowie das Eintreffen des nächsten Synchronisationssignals S wird an einen Primärtakt­ zähler 13 gemeldet. Beim Eintreffen des ersten dieser beiden Signale wird der Primärtaktzähler 13 gestartet, beim Eintref­ fen des zweiten der beiden Signale gestoppt. Der (vorzeichen­ behaftete) Zählerstand des Primärtaktzählers 13 ist somit ein direktes Maß für den Fehler zwischen der Taktung des Taktge­ bers 7 und der Periodizität der Synchronisationssignale S.

Beim Empfang des ersten Synchronisationssignals S nach dem Wiederstarten des Taktgebers 7 wird der Zählerstand des Pri­ märtaktzählers 13 an die Steuereinheit 11 übermittelt. Diese errechnet daraus einen Korrekturwert für die Ansteuerung des Taktgenerators 8 und gibt diesen Korrekturwert direkt dem Phasenregler 5 vor. Dadurch wird der beim ersten Synchronisa­ tionszyklus detektierte momentane Phasenfehler z zumindest im wesentlichen ausgeregelt.

In den weiteren Synchronisationszyklen wird der Primärtakt­ zähler 13 stets in Abhängigkeit vom Synchronisationssignals S und dem Erreichen der Sollanzahl Z* gesteuert. Beim Eintref­ fen des ersten dieser beiden Signale wird der Primärtaktzäh­ ler 13 gestartet und beim Eintreffen des zweiten dieser bei­ den Signale gestoppt. Der Zählerstand des Primärtaktzählers 13 wird einem Vergleicher 14 zugeführt. Der Zählerstand des Primärtaktzählers 13 wird betragsmäßig mit einem Maximalfeh­ ler verglichen. Wenn der Zählerstand den Maximalfehler über­ steigt, wird ein Auszeitzähler 15 hochgezählt. In diesem Fall wird an den Phasenregler 5 kein Fehlersignal ausgegeben. Der Phasenregler 5 behält sein bisheriges Ausgangssignal bei.

Anderenfalls wird das Ausgangssignal A des Phasenreglers 5 nach folgenden Formeln berechnet:

I(i) = I(i-1) + ki.z(i)
A(i) = kp.z(i) + I(i)

z(i) ist dabei der momentane Phasenfehler, kp der Proportio­ nalbruchteil, zu dem der momentane Phasenfehler z(i) ausgere­ gelt wird, I(i) der Integrationswert, zu dem die momentanen Phasenfehler z(k), k = 0, 1, 2, 3 . . . i aufintegriert wurden und ki der Integrationsbruchteil, zu dem der Integrationswert I ausgeregelt wird.

In der Praxis haben sich folgende Werte als günstig erwiesen:
Der Integrationsbruchteil ki sollte typisch zwischen 0,01 und 0,04 liegen, also kleiner als 1 sein. Auch der Proportional­ bruchteil kp sollte kleiner als 1 sein, aber größer als der Integrationsbruchteil ki. Typisch liegt der Proportional­ bruchteil kp zwischen 0,04 und 0,10.

In der Regel wird der Primärtaktzähler 13 bei jeder Übermitt­ lung eines Synchronisationssignals S gestartet bzw. gestoppt. Es ist aber auch möglich, der phasenverriegelten Schleife 6 zusätzlich von der Steuereinheit 11 ein Gültigkeitssignal G zu übermitteln. In diesem Fall wird der Primärtaktzähler 13 nur dann gestartet und gestoppt, wenn das Gültigkeitssignal G anliegt. Es ist ferner möglich, den Primärtaktzähler 13 um einen Phasenversatz bezüglich des Synchronisationssignals S versetzt zu starten und auszuwerten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich insbesondere auch verteilt gesteuerte interpolierende Achsen mit hinrei­ chender Genauigkeit ansteuern.

Claims (11)

1. Synchronisierverfahren für eine Empfangseinheit (2),

• - wobei der Empfangseinheit (2) von einer Sendeeinheit (1) zyklisch ausgesandte Synchronisationssignale (S) übermit­ telt werden,
• - wobei die Empfangseinheit (2) die Synchronisationssignale (S) einem Phasenregler (5) einer phasenverriegelten Schlei­ fe (6) mit einem Taktgeber (7) zuführt,
• - wobei der Taktgeber (7) zwischen zwei Synchronisations­ signalen (S) eine Anzahl (Z) von Taktsignalen ausgibt,
• - wobei der Phasenregler (5) beim Empfang der Synchronisati­ onssignale (S) momentane Phasenfehler (z) ermittelt und den Taktgeber (7) derart nachregelt, daß der Taktgeber (7) zwi­ schen zwei Synchronisationssignalen (S) eine Sollanzahl (Z*) von Taktsignalen ausgibt,
• - dadurch gekennzeichnet,
  daß der Phasenregler (5) die momentanen Phasenfehler (z) zu einem Integrationswert (I) aufintegriert und daß der Integra­ tionswert (I) zu einem Integrationsbruchteil (ki) ausgeregelt wird, wobei der Integrationsbruchteil (ki) kleiner als eins ist.

2. Synchronisierverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenregler (5) die momentanen Phasenfehler (z) zu einem Proportionalbruch­ teil (kp) ausregelt, wobei der Proportionalbruchteil (kp) kleiner als eins ist.

3. Synchronisierverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportionalbruch­ teil (kp) größer als der Integrationsbruchteil (ki) ist.

4. Synchronisierverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Pha­ senregler (5) den Taktgeber (7) nur dann nachregelt, wenn der Absolutwert des momentanen Phasenfehlers (z) einen Maximal­ fehler nicht übersteigt.

5. Synchronisierverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Übersteigen des Maximalfehlers ein Zähler (15) hochgezählt wird.

6. Synchronisierverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der phasenverriegelten Schleife (6) von einer Steuereinheit (11) ein Gültigkeitssignal (G) übermittelt wird und daß das Syn­ chronisierverfahren nur bei Vorliegen des Gültigkeitssignals (G) ausgeführt wird.

7. Synchronisierverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß inner­ halb des Taktgebers (7) ein Taktgenerator (8) Primärtaktsi­ gnale erzeugt, die einem Frequenzteiler (9) zugeführt werden, der ausgangsseitig die heruntergeteilten Primärtaktsignale als Taktsignale ausgibt.

8. Synchronisierverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ermittlung des ersten momentanen Phasenfehlers (z) der Taktgeber (7) die Sollanzahl (Z*) von Taktsignalen ausgibt, dann angehalten wird und beim Empfang des nächsten Synchroni­ sationssignals (S) wieder gestartet wird.

9. Synchronisierverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wiederstarten des Taktgebers (7) der Taktgeber (7) erst nach einem Phasenver­ satz gestartet wird und daß die Anzahl (Z) der vom Taktgeber (7) bis zum nächsten empfangenen Synchronisationssignal (S) zuzüglich dem Phasenversatz ausgegebene Taktsignale ermittelt wird.

10. Synchronisierverfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß beim Empfang des ersten Synchronisationssignals (S) nach dem Wie­ derstarten des Taktgebers (7) der momentane Phasenfehler (z) zumindest im wesentlichen ausgeregelt wird und das Aufinte­ grieren der momentanen Phasenfehler (z) und das Ausregeln des Integrationswerts (I), ggf. auch das Ausregeln des momentanen Phasenfehlers (z), erst ab dem Empfang des zweiten Synchroni­ sationssignals (S) ausgeführt wird.

11. Empfangseinheit zur Durchführung eines Synchronisierver­ fahrens nach einem der obigen Ansprüche.