DE2332981C3

DE2332981C3 - Schaltung zur Erzeugung einer der Phasenverschiebung zweier Pulsfolgen proportionalen Spannung

Info

Publication number: DE2332981C3
Application number: DE19732332981
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 7302 Ostfildern Appt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-06-28
Filing date: 1973-06-28
Publication date: 1984-08-30
Also published as: JPS5038570A; PL100168B1; DE2332981A1; GB1463356A; DE2332981B2; JPS5849829B2; FR2235538A1; FR2235538B1; SU604512A3

Description

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Differenzverstärkers anschließbar ist, an dessen ande- mittelt werden soll. In die weitere Teilerkette CT für

rem Eingang die Referenzspannung selbst liegt den Grobbereich werden außer den Pulsen des Taktge-

Auf diese Weise läßt sich hysteresefrei arbeiten und bers 31 noch die Plus-Minus-Übertragspulse der Teiler-

damit eine hochgenaue Regelung aufbauen. kette fTeingegeben.

Mit besonderem Vorteil wird eine Vielzahl von dera- 5 Die Ausgangspulsfolgen an den Ausgängen der Tei-

tigen Einrichtungen in den Lageregelkrc^;sen der einzel- lerketten FT bzw. GT werden in Antivalenzstufen 33

nen Achsen einer Werkzeugmaschine angewendet, wo- und 32 mit der Ausgangspulsfolge der als Referenzteiler

bei dann für alle Einrichtungen eine gemeinsame Refe- dienenden Teilerkette RT hinsichtlich der Phasenlage

renzspannung vorgesehen wird. Diese Koppelung Iä3t verglichen; abhängig von diesem Vergieich werden

eine gemeinsame Änderung von Vorschubgeschwindig- 10 zwei Pulsfolgen erzeugt, deren Puls-Pausen-Verhältnis

keit zu Lage-2gelabweichung in allen Achsen zu und ein Maß für die Phasen verschiebung Δφ_Γ im Feinbereich

erleichtert die Einstellung der Regelkreise ungemein. und Δφ_α im Grobbereich ist Die Summe der entspre-

An Hand einer Zeichnung sei die Erfindung näher chend gewählten Phasenverschiebungen Δφ ist wiedererläutert; es zeigt um der Lageabweichung 4s proportional. Aus den fest-

F i g. 1 das an sich bekannte Prinzip einer Werkzeug- 15 gestellten Phasendifferenzen werden in Verbindung mit

maschinensteuerung, den kombinierten Ausgangspulsfolgen (vgl. Signal in

Fig.2 Einzelheiten des in Fig. 1 gezeigten Ver- Zeile 12) der Registerstufen RTS bis RT10 (vgl. Ausgleichsgliedes, gänge a, b. c) das Vorzeichen der Abweichung in einer

F i g. 3 Beziehungen zwischen den Pulsfolgen in der Logik 34 gebildet und in einer Logikstufe 35 ein Über-

Vergleichsschaltung und 20 tragpuls für die Teilerkette G7erzeugt, falls die Phasen-

F ig. 4 Einzelheiten der Digitalanalogwandlung. verschiebung in der Teilerkette FT einen bestimmten

Bei einer nicht näher gezeigten Werkzeugmaschine Bereich erreicht hat Gleichzeitig mit der Abgabe des

wird eine Spindel 8 für den Vorschub in X-Richtung von Übertragungspulses wird auch die Phasenverschiebung

einem regelbaren Gleichstrommotor 7 angetrieben. Der in der Teilerkette FT entsprechend gegensinnig korri-

Motor 7 wird über ein Stellglied 9 von einem Drehzahl- 25 giert.

regler 6 ausgesteuert, der seinen Istwert n, von einer An Hand der F i g. 3 sei die Wirkungsweise der An-

Tachometermaschine 11 und seine Führungsgröße n, Ordnung näher erläutert:

von dem Lageregelverstärker 5 einer überlagerten La- In Zeile 1 ist die Ausgangspulsfolge am Ausgang der geregelung erhält Hierzu ist mit der Welle des Motors 7 Teilerstufe RT8 der Teilerkette RT dargestellt. Wenn ein inkremental Pulsgeber 10 gekuppelt, der eine der 30 man davon ausgeht, daß jeweils durch die fallende Flan-Drehung der Welle und damit einer der Verschiebung ;n ke eines Pulses die nächstfolgende Registerstufe ange-X-Richtung proportionale Pulsfolge liefert, wobei je stoßen wird, so ergibt sich am Ausgang der Registerstunach Drehrichtung positive oder negative Impulse ab- fe RT9 die in Zeile 2 und am Ausgang der Registerstufe gegeben werden. Diese Istpulsfolge wird mit einer von Λ7Ί0 die in Zeile 3 dargestellte Pulsfolge. Bei gleichareinem Interpolator 1 gelieferten Sollpulsfolge in einer 35 tiger Aussteuerung der Registerstufe RTU würde sich Synchronisiereinrichtung 2 zeitlich geordnet und hier- dann entsprechend die in Zeile 4 gestrichelt angedeutete aus zwei Pulsfolgen gebildet, wobei in der einen die Pulsfolge ergeben. Bei der vorliegenden Schaltung ist positiven Pulse vom Interpolator 1 mit den negativen die Anordnung jedoch so getroffen, daß die letzte Regi-Pulsen vom Pulsgeber 10 und umgekehrt zusammenge- sterstufe RTU durch den invertierten Ausgang der Refaßt sind. Diese beiden Pulsreihen, deren Differenz der 40 gisterstufe RTlO angesteuert wird, so daß sich eine Lageabweichung 4s entspricht, werden in einem Ver- Phasenverschiebung von 90° ergibt, wie in Zeile 4 dargleichsglied 3 miteinander verglichen — wie im Zusam- gestellt.

menhang mit den F i g. 2 und 3 näher erläutert. Aus der Da die Teilerkette fTgleichartig aufgebaut ist, ergibt

Vergleichsgröße wird über einen Digital-Analog-Wand- sich - wenn nicht durch Zusatzpulse irgendwelche Pha-

ler 4 und den Lageregelverstärker 5 die Führungsgröße 45 senverschiebungen hervorgerufen werden — am Aus-

n_x für den Drehzahlregler 6 gebildet. Würde die Anord- gang der Registerstufe FTi 1 die in Zeile 5 dargestellte

nung trägheitslos arbeiten, so würde jedem vom Inter- Pulsfolge, die mit der gestrichelt gezeichneten Pulsfolge

polator kommenden Pulssollpuls sofort ein vom Pulsge- in Zeile 4 übereinstimmt. Durch das Einblenden von

ber 10 kommender Minuspuls entsprechen und der Ver- zusätzlichen Pulsen läßt sich diese Pulsfolge, wie in Zeile

gleich laufend den Wert Null ergeben. Infolge der un- 50 6 dargestellt, nach links und durch das Ausblenden von

vermeidlichen Trägheit der Regelsysteme wird sich je- Pulsen, wie in Zeile 7 dargestellt, nach rechts verschie-

doch zwischen der Sollpulsfolge und der Istpulsfolge - ben. Das Ein- und Ausblenden von Pulsen wird in der

vor allem bei Beschleunigungs- und Verzögerungsvor- Mischstufe 38 vorgenommen, an der die beiden Pulsfol-

gängen - eine Differenz einstellen, deren Ermittlung gen anliegen, deren Differenz zu bilden ist. Vereinfacht

nachstehend im Zusammenhang mit F i g. 2 und 3 näher 55 dargestellt, ist diese Mischschaltung derart aufgebaut,

beschrieben ist daß ein Plusimpuls zu den vom Taktgeber 31 kommen-

Die Vergleichsvorrichtung gemäß F i g. 2 besteht im den Pulsen dazu gemsicht wird, während bei einem Miwesentlichen aus den drei binären Teilerkeaen FT, RT nuspol ein vom Taktgeber 31 stammender Puls im Gat- und GT, die in an sich bekannter Weise gleichartig aus ter 381 unterdrückt wird. In gleicher Weise wird in der Registerstufen fTl bis FTIl, RTt bis RTU und GT\ m Mischstufe 36 ein Übertragspuls aus der Teilerkette FT bis GTU aufgebaut sind. Die Teilerketten FT, RT und für den Feinbereich in die Teilerkette GT eingespeist GTwerden von einem Taktgeber 31 mit einer Pulsfol- und über eine Mischschaltung 37 di» Phasenlage in der gefrequenz von beispielsweise 3,5 MHz angesteuert. Teile'kette/Tentsprechend korrigiert.
Die als Referenzteilerkette dienende Teilerkette RT In Zeile 8 von Fig.3 ist die Ausgangspulsfolge am wird nur mit der festen Frequenz des Taktgebers 31 65 Ausgang der Antivalenzstufe 33 dargestellt, deren Pulsgetaktet, während in die als Istwertteilerkette dienende Pausen-Verhältnis ein Maß für die Phasenverschiebung Teilerkette FTfür den Feinbereich zusätzlich die Pulse der Pulsfolgen in den Teilerketten FT und RThI Die der Pulsfolgen eingeordnet werden, deren Differenz er- Antivalenzstufe arbeitet dabei logisch in der Weise, daß

an ihrem Ausgang C dann kein Ausgangssignal auftaucht, wenn beide Eingangssignale entweder vorhanden oder nicht vorhanden sind; also

C=A ■ B+Ä ■ B.

Durch Vergleich der Pulsfolgen in Zeile 4 und Zeile 5, d. h, wenn keine zusätzlichen Pulse vorliegen, ergibt sich somit die in Zeile 8 dargestellte Pulsfolge mit einem Puls-Pausen-Verhältnis von 1 :1. Dies ist sehr vorteilhaft, weil im Nulldurchgang keine Polaritätsumschaltung erforderlich ist. Bei einer negativen Phasenverschiebung, d. h. beim Einspeisen zusätzlicher Pulse, ergibt sich aus dem Vergleich der Pulsfolgen in Zeile 4 und 6 die in Zeile 9 dargestellte Pulsfolge, in der das Puls-Pausen-Verhältnis verkleinert ist, d. h, die Pulspause ist um einen Betrag gewachsen, der der Phasenverschiebung proportional ist Entsprechend ergibt sich dann bei einer positiven Phasenverschiebung aus dem Vergleich der Zeilen 4 und 7 die in Zeile 10 dargestellte Pulsfolge, bei der das Puls-Pausen-Verhältnis gegenüber der in Zeile 8 dargestellten Pulsfolge vergrößert ist. Im Bereich des Feinteilers wäre theoretisch eine derartige Phasenverschiebung möglich, bis entweder die Pause zu Null geworden ist; d. h„ es wäre der ganze Bereich möglieh. Um jedoch das ständige Hin- und Herübertragen von Pulsen zwischen den Teilern an der Kapazitätsgrenze zu vermeiden, wird ein Übertragspuls schon dann gebildet wenn die Phasenverschiebung den Wert + 9>mt* oder —jPm« erreicht Dieser in Zeile 11 dargestellte Wert kann beispielsweise aus den Pulsfolgen der Zeilen 1, 2 und 3 bestimmt werden und z. B. dadurch gegeben sein, daß das Vorhandensein eines Signals in der Pulsfolge am Ausgang RTund das Vorhandensein eines Signals in der Pulsfolge am Ausgang RT9 mit dem Nichtvorhandensein eines Signals am Ausgang der Registerstufe RTiO zusammenfällt. Gelangt also die Phasenverschiebung in den Bereich eines in Zeile 11 dargestellten Pulses, so wird mittels eines Koinzidenzsignals ein Übertragspuls zur Teilerkette G7" veranlaßt. Gleichzeitig wird die Teilerkette FTum einen ihrer Kapazität, also dem Wert des Übertragspulses entsprechenden Wert, in entgegengesetzte Richtung verschoben, z. B. bei einer Kapazität von 256 Bits von beispielsweise von 192 auf minus 64 Bits. Dies geschieht einfach dadurch, daß in der Mischstufe 37 eine Flanke eines Ausgangspulses unterdrückt wird. Sinngemäß entsprechend wird beim Erreichen der negativen zulässigen Phasenverschiebung verfahren; hier wird ein Minuspuls an die Teilerkette Grgegeben und ein Puls der Mischstufe 37 hinzugemischt.

Die beiden Puisfoigen an den Ausgängen der Aniivalenzstufen 32 und 33 sind entsprechend der Grob- und Feinabweichung pulsbreitenmoduliert Diese beiden pulsbreitenmodulierten Pulsfolgen müssen nun in ein entsprechendes kombiniertes Analogsignal umgesetzt werden. Hierzu werden beide Pulsfolgen geglättet und ihrem Verhältniswert nach addiert wie im Zusammenhang mit F i g. 4 näher dargestellt ist

An einen Differenzverstärker 44 in integrierter Bauweise wird über eine Widerstandskombination 48 eine von einer Referenzspannungsquelle 43 stammende Referenzspannung Ur angelegt Die gleiche Referenzspannung ist über einen Schalter 411 und ein Glättungsglied 47 in T-Schaltung an den anderen Eingang des Differenzverstärkers 44 angeschlossen. Der Differenzverstärker 44 weist ferner in seiner Rückführung weitere Glättungsglieder 49 auf. Der Schalter 411 wird nun durch eine Schaltvorrichtung 41 jedesmal während der Pulsdauer geschlossen. In den Pulspausen wird dieser Eingang über den Schalter 412 an Masse gelegt. Der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber ist hierbei die Anordnung als mechanische Schaltvorrichtung dargestellt. In Wirklichkeit wird man sich dazu elektronischer Schaltstufen mit hoher Geschwindigkeit bedienen. Die Beschaltung an den Eingängen des Differenzverstärkers ist nun so gewählt, daß sich bei einem Puls-Pausen-Verhältnis von 1 :1 gleiche Stromzeitflächen an den Eingängen und damit die Ausgangsspannung Null ergibt. Eine Vergrößerung der Pulsbreite wird sich entsprechend dann in einem positiven Signal und eine Verringerung der Pulsbreite in einem negativen Signal bemerkbar machen. In gleicher Weise wie die Pulsfolge im Feinbereich wird auch die Pulsfolge im Grobbereich umgesetzt, und zwar werden hier ebenfalls über Schalter 421 ₍ und 422 eines Schalters 42 die Referenzspannung oder : Masse an den einen Eingang eines Differenzverstärkers 45 gelegt, an dessen anderem Eingang die gleiche Referenzspannung Uk anliegt. Auch hier ist eine entsprechende Beschaltung der Eingänge und der Rückführung mit Glättungsgliedern 47, 49 bzw. Widerstandskombinationen 48 vorgenommen. Das der Feinabweichung proportionale analoge Spannungssignal am Ausgang des Verstärkers 44 und das der Grobabweichung proportionale Signal am Ausgang des Verstärkers 45 werden über entsprechend gewichtete Widerstände 53 und 54, d. h. entsprechend dem Verhältnis der Wertigkeit der Teilerketten C7"und FT, zusammengefaßt und über einen Verstärker 51 mit einstellbarer Rückführung 52 als Drehzahlführungsgröße />* dem Drehzahlregler zugeführt. , Von besonderem Vorteil ist daß die gleiche Refe- , renzspannungsquelle 43 nicht nur, wie hier gezeigt, für die eine Achse verwendet wird, sondern gleichermaßen auch für die weiteren Achsen Z, Y usw. der Werkzeugmaschine. Hierdurch ist eine zentrale Veränderung des Verhältnisses zwischen Vorschubgeschwindigkeit und Lageabweichung in allen Achsen gleichzeitig möglich, so daß es der umständlichen Justierungsarbeit in den einzelnen Achsen nicht mehr bedarf.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Erzeugung einer weiteren Pulsfolge jeweils zu einem Patenunsprüche: Polaritätswechsel. Ferner ist bereits eine Schaltungsanordnung zum au-

1. Schaltung zur Erzeugung einer der Phasenver- tomatischen digitalen Messen der Zeitdifferenzen zwischiebung zweier Pulsfolgen proportionalen Span- 5 sehen Impulsflanken zweier gleichfrequenter Impulsfolnung, insbesondere für die Steuerung von Werk- gen konstanten Tastverhältnisses bekannt, bei der w2hzeugmaschinen, bei der die Pulsfolgen in einer Ver- rend der Meßzeit zwischen einer Impulsflanke bestimmgleichs-Schaltung derart hinsichtlich ihrer Phasenla- ter Polung eines Impulses der einen Impulsfolge und der gen miteinander vergleichbar sind, daß eine dritte zeitlich nächsten gleichgepolten Impulsflanke eines Im-Pulsfolge ableitbar ist und eine positive oder negati- io pulses der anderen Impulsfolge eine Torschaltung geve Phasenverschiebung zu einer proportionalen öffnet wird, über die Zählimpulse einer Zählschaltung Vergrößerung oder Verkleinerung der Pulsbreite zugeleitet werden. Die Anzahl der dort einlaufenden dieser dritten Pulsfolge führt und die dritte Pulsfolge Zählimpulse ist dann ein Maß für die gesuchte Zeit- bzw. einen Differenzverstärker mit zugeordneten Glät- Phasendifferenz. An der Stelle dieser digitalen Auszähtungsgliedern derart ansteuert, daß sich an dessen is lung ließe sich auch durch eine Glättungsschaltung der Ausgang in der Ausgangslage die Spannung Null arithmetische Mittelwert der Toröffnungszeit feststel- und bei einer Phasenverschiebung eine entsprechen- len und als analoges Maß für die Phasenverschiebung de positive oder negative Spannung ergibt, da- benutzen. Auf diesem Verfahren beruht eine andere durch gekennzeichnet, daß die dritte Puls- Schaltungsanordnung (DE-AS 10 14657), bei der jefolge (Δφ) in der Ausgangslage ein Puls-Pausen-Ver- 20 weils die beiden Impulse in eine aus gesteuerten EntlahäJtnisvonl : taufweist und daß im Takt der dritten dungsstrecken bestehende Meßbrücke gegeben wer-Pulsfolge eine Referenzspannung (Ur) an den einen den, wobei ein Kondensator je nach Voreilung des einen Eingang des Differenzverstärkers (44) anschließbar oder anderen Impulses negativ bzw. positiv aufgeladen ist, an dessen anderem Eingang die Referenzspan- wird, und der Mittelwert des aus dem Kondensator über nung[selbstliegt 25 ein Meßinstrument fließenden Stromes dann der Pha-

2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der eine Phasen- senverschiebung der beiden Impulse genau proportioverschiebung in einem Grobmeßkreis und in einem nal ist

Feinmeßkreis jeweils zur Pulsbreitenmodulation ei- Bei diese n bekannten Schaltungen wird der Vergleich

ner Pulsfolge dienen, dadurch gekennzeichnet, daß im allgemeinen so vorgenommen, daß die jeweils aus

die Ausgangssignale der jeweils zugeordneten Diffe- 30 der Phasenverschiebung unmittelbar abgegleitete Grö-

renzverstärker (44, 45) wertigkeitsproportional ad- Be zu Null wird, wenn keine Phasenverschiebung mehr

dierbar sind. vorliegt, und daß beim Durchgang durch den Nullwert

3. Schaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, ge- jeweils das Vorzeichen der Größe geändert werden kennzeichnet durch eine allen Differenzverstärkern muß. Infolge der Ansprechempfindlichkeit der Schaltgemeinsame Referenzspannung. 35 elemente bei Werten um Null kommt hierdurch eine Art

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Hysterese der Umschaltung zustande, die eine genaue zeichnet, daß die Vergleichsschaltung an Teilerket- Festlegung des Nullpunktes erschwert und für eine ten (RT, GT, FT)anschließbar ist in die die Pulsfol- hochgenaue Regelung, z.B. für Werkzeugmaschinen, gen eingebbar sind. oft nicht verwendbar ist.

40 Ferner ist bereits eine Anordnung zur Erzeugung ei-

ner der Phasenverschiebung zweier Pulsfolgen proportionalen Spannung bekannt bei der die beiden Pulsfolgen an Setz- und Löscheingang einer Kippstufe geführt

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur sind, die resultierende Ausgangssignalfolge der Kipp-Erzeugung einer der Phasenverschiebung zweier Puls- 45 stufe durch Zusetzen einer Gleichspannung symmefolgen proportionalen Spannung, insbesondere für die trisch zu Null in der Ausgangslage gemacht wird und Steuerung von Werkzeugmaschinen, bei der die Pulsfol- anschließend durch Glättung ein Gleichspannungsmitgen in einer Vergleichs-Schaltung derart hinsichtlich ih- telwert gebildet wird, der der Phasenverschiebung prorer Phasenlagen miteinader vergleichbar sind, daß eine portional ist (vgl. DE-OS 21 49 328). Eine derartige Andritte Pulsfolge ableitbar ist und eine positive oder ne- 50 Ordnung ist hinsichtlich der Symmetrierung etwas progative Phasenverschiebung zu einer proportionalen blematisch, da Kippstufe und Verstärker aktive Elemen-Vergrößerung oder Verkleinerung der Pulsbreite dieser te sind, deren Spannung schwanken kann, dritten Pulsfolge führt und die dritte Pulsfolge einen Ferner ist eine Einrichtung zur Umsetzung einer Puls-Differenzverstärker mit zugeordneten Glättungsglie- folge in eine entsprechende Gleichspannung bekannt dern derart ansteuert, daß sich an dessen Ausgang in der 55 bei der im Takte der Pulsfolge eine Referenzspannung Ausgangslage die Spannung Null und bei einer Phasen- an den einen Eingang eines mit Glättungsgliedern ververschiebung eine entsprechende positive oder negative sehenen Differenzverstärkers anschließbar ist und die Spannung ergibt resultierende Ausgangsspannung der Pulsbreite pro-

Mit diesem Oberbegriff wird auf eine Schaltungsan- portional ist (vgl. Operational Amplifiers, Verlag

Ordnung Bezug genommen, wie sie beispielsweise in der 60 McGraw-Hill 1971, Seite 425).

deutschen Patentschrift 9 11 853 beschrieben ist. Bei Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar-

dieser bekannten Schaltungsanordung zum Phasenver- in, eine mit Differenzverstärker arbeitende Einrichtung

gleich zweier Impulsfolgen wird ein Kondensator wech- der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine

selsweise über Diodenstrecken von den betreffenden hohe Umsetzgenauigkeit erreicht wird. Diese Aufgabe

Impulsfolgen aufgeladen. Die Polarität und Dauer der 65 wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dritte

am Kondensator entstehenden impulsförmigen Span- Pulsfolge in der Ausgangslage ein Puls-Pausen-Verhält-

nungsabläufe dient als Kriterium für die Phasenlage. In nis von 1 :1 aufweist und daß im Takt der dritten PuIs-

den brauchbaren Arbeitspunkten führt diese Art der folge eine Referenzspannug an den einen Eingang des