DE2364449C3 - Frequenzwandler zur Umwandlung von zwei Impulsfolgenin digitale Zahlenwerte, die aus einer zur Frequenzdifferenz der beiden Impulsfolgen proportionalen und einer zu dieser Frequenzdifferenz integralen Komponente bestehen - Google Patents
Frequenzwandler zur Umwandlung von zwei Impulsfolgenin digitale Zahlenwerte, die aus einer zur Frequenzdifferenz der beiden Impulsfolgen proportionalen und einer zu dieser Frequenzdifferenz integralen Komponente bestehenInfo
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- DE2364449C3 DE2364449C3 DE19732364449 DE2364449A DE2364449C3 DE 2364449 C3 DE2364449 C3 DE 2364449C3 DE 19732364449 DE19732364449 DE 19732364449 DE 2364449 A DE2364449 A DE 2364449A DE 2364449 C3 DE2364449 C3 DE 2364449C3
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzwandler zur Umwandlung von zwei Impulsfolgen in digitale
Zahlenwerte, die aus einer zur Frequenzdifferenz der beiden Impulsfolgen proportionalen und einer zu dieser
Frequenzdifferenz integralen Komponente bestehen, wobei zur Bildung einer der Frequenz proportionalen
Komponente Impulse einer Synchronisationsstufe zugeführt werden und die synchronisierten Impulse dem
Vorwärts-Zähleingang eines Vorwärts-Rückwärtszählers
sowie einem Verzögerungsglied in Form eines Schieberegisters zugeführt werden, dessen Ausgangsimpulse
dem Rückwärts-Zähleingang des Zählers zugeführt sind, wobei beide Impulsfolgen vor den Zählereingängen
über Logikschaltungen verknüpft sind.
Es ist bereits eine Anordnung zur Quotientenbildung q = f\!fi zweier Frequenzen /Ί, f2 bekannt, bei welcher
die Impulse der einen Frequenz /Ί dem Vorwärtseingang
eines Differenz-Zählers und über ein getaktetes, als Verzögerungsstufe wirkendes Schieberegister -.'.em
Rückwärtseingang dieses Zählers zugeführt ist; das Schieberegister wird durch die Impulse der anderen
Frequenz h getaktet. Hat das Schieberegister B Stellen,
so ergibt sich für die an dessen Eingang angelegten Impulse der Frequenz Z1 eine Durchlaufzeit 7V = B/h.
Die Anzahl der im Schieberegister gespeicherten Impulse beträgt Z = f\ ■ Tv bzw. Z-B- f\/f2. Die
Anzahl Z der Impulse ist identisch mit der Differenz zwischen den dem Differenzzähler zugeführten Vorwärts-
und Rückwärtszählimpulsen, die gleich dem Zählstand sind (DE-AS 12 67716). Es ist ferner eine
Anordnung zur Erzeugung eines frequenzproportionalen digitalen Zählwertes bekannt, bei welcher das
Schieberegister anstelle der variablen Frequenz /j von
Signalen eines Taktgenerators mit konstanter Frequenz getaktet wird. Der sich am Zähler einstellende Wert ist
damit proportional der Eingangsfrequerz (US-PS 36 46 330).
Moderne Regelantriebe erhalten die Sollwertinformation bei rotatorischer Bewegung für die Drehzahl
und den Drehwinkel bzw. bei translatorischer Bewegung für die Geschwindigkeit und den Weg, in Form von
impulsförmigen, elektrischen Signalen. Jeder Impuls entspricht dabei einem zurückzulegenden Winkel- oder
Wegschritt und die Impulsfrequenz f\ der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit. Für die Erfassung der Istwerte des
Drehwinkels oder des Weges werden häufig inkrementale
Meßsysteme verwendet, die jeden zurückgelegten Weg- oder Winkelschritt ebenfalls als Impuls eines
elektrischen Signals abbl'k:,. Die Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitserfassung erfolgt noch meist durch
Tachogeneratoren, die eine der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit proportionale Spannung liefern.
In dem Regler eines derartigen Antriebs sind Informationen zu verarbeiten, die zum Teil durch
digitale und zum Teil durch analoge elektrische Signale dargestellt werden. Dabei wird im allgemeinen die
Drehwinkel- oder Wegabweichung digital ermittelt und mit Hilfe eines Digital-Analog-Wandlers in ein analoges
Signal umgewandelt. Die weitere Verarbeitung dieses Signals sowie des analogen Geschwindigkeits-Soll- und
-Istwertes erfolgt durch Bauelemente der Analogtechnik wie z. B. Operationsverstärker. Für die Bildung des
Geschwindigkeits-Sollwertes aus der Impulsfrequenz /Ί
werden Frequenzwandler verwendet.
Wesentliche Nachteile dieser herkömmlichen Regelanordnungen sind die Ungenauigkeiter. der analogen
Bauelemente sowie des Tachogenerators. Diese Ungenauigkeiten müssen zum Teil durch aufwendige Justage-
und Kompensationsmaßnahmen beseitigt werden. Außerdem wird ein Tachogenerator zur Drehzahl- bzw.
Geschwindigkeitserfassung benötigt, obwohl diese Information auch aus der Impulsfrequenz f2 des für die
Winkel- oder Wegschritterfassung verwendeten inkrementalen Gebers zu gewinnen ist. Ein weiterer Nachteil
ist die große Welligkeit der Ausgangsspannung herkömmlicher Frequenzwandler bei niedrigen Eingangsfrequenzen.
Dies führt zu einem welligen Geschwindigkeits-Sollwert und damit zu einer ungleichförmigen,
ruckartigen Bewegung bei niedrigen Geschwindigkeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Frequenzwandlung zu schaffen, welches
gestattet, eine oder zwei vorzeichenbewertete Frequenzen f\, h in eine Ausgangsgröße, die ein digitaler
Zahlenwert oder eine analoge Größe ist, beispielsweise eine elektrische Spannung, umzuwandeln. Zwischen der
Ausgangsgröße und den Eingangsgrößen sollen dabei folgende Abhängigkeiten bestehen können:
a) die Ausgangsgröße ist proportional zur Differenz der beiden Eingangsfrequenzen (Yi -Z2)- In diesem
Fall wird die Frequenzabweichung, die beispielsweise einer Drehzahlabweichung entsprechen
kann, ermittelt;
b) die Ausgangsgröße entspricht dem Zeitintegral der
Frequenzdifferenz (7i —/i). Auf diese Weise kann
eine Drehwinkel- oder Wegabweichung ermittelt werden;
c) die Ausgangsgröße kann beispielsweise die Summe eines der Frequenzdifferenz (f\ — /2) proportionalen
und eines dem Zeitintegral dieser Frequenzdifferenz proportionalen Anteils darstellen. Einer
derartigen Anordnung kommt als PI-Regler besondere Bedeutung zu. Bei allen Varianten a, b, c
können die Frequenzen /1 und /2 positives oder
negatives Vorzeichen aufweisen. Durch das Vorzeichen kann beispielsweise eine Drehrichtung ausgedrückt
werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Bildung der zur Frequenzdifferenz proportionalen
Komponente eines digitalen Zahlenwertes die synchronisierten Impulse jeder Impulsfolge je einem
Schieberegister und je einer laufend von Taktsignalen angesteuerten UND-Stufe zugeführt sind, daß den
Schieberegistern je eine laufend von weiteren Taktsignalen angesteuerte UND-Stufe nachgeschaltet ist und
den Vorwärts-Rückwärts-Zähleingängen des Zählers je eine Oder-Stufe vorgeschaltet sind, und daß die
Ausgangsinipulse der von den synchronisierten Impulsen und den Taktsignalen angesteuerten UND-Stufen
und die Ausgangsimpulse der von den synchronisierten verzögerten Impulsen und den weiteren Taktsignalen
angesteuerten UND-Stufen den Eingängen der dem Zähler vorgeschalteten ODER-Stufen derart zugeführt
sind, daß die der einen Impulsfolge zugeordneten
unverzögerten Ausgangsimpulse mit den verzögerten Ausgangsimpulsen der anderen Impulsfolge auf den
einen Eingang des Zählers gelangen und die der anderen Impulsfolge zugeordneten unverzögerten Ausgangsimpulse
mit den verzögerten Ausgangsimpulsen der ersten Impulsfolge auf den anderen Eingang des Zählers
gelangen.
Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 einen Differenz-Frequenzwandler, dem zwei Frequenzen /i, /2 zugeführt werden können,
F i g. 2 ein Pi-Differeriiz-Frequenzwändler, welcher in
allen vier Quadranten des /i/Z^-Koordinatensystems
arbeitet,
Fig.3 die Ausbildung der beim PI-Differenz-Frequenzwandler
nach Fig.2 verwendeten Synchronisationsstufe,
F i g. 4 ein Signaldiagramm des Frequenzwandlers nach der F i g. 2,
F i g. 5 zwei Anwendungen des PI-Differenz-Frequenzwandlers
nach F i g. 2 als Antriebsregler,
F i g. 6 ein PI-Differenz-Frequenzwandler mit abschaltbarem
P-Anteil für eine der Frequenzen /i, Z2.
In den Figuren haben gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen.
Dem Differenz-Frequenzwandler nach der F i g. 1 können zwei Eingangs-Frequenzen f\, f2 zugeführt
werden. Jede Frequenz kann dabei positiv oder negativ bewertet werden, wobei beispielsweise eine positive
Frequenz einem Rechtslauf und eine negative Frequenz einem Linkslauf eines Antriebes zugeordnet sei. Bei nur
einer Drehrichtung des Antriebs kann auch f\ den Drehzahlsollwert und /2 den Drehzahlistwert darstellen.
Die Ausgangsspannung des Wandlers uA ist der
Differenz der beiden Frequenzen /1, /2 proportional.
Verwendet ist ein Taktgenerator 2, ein Vorwärts-Rückwärtszähler 6 und ein D/A-Wandler 12. Jede
Frequenz f\, /2 wird an eine eigene Synchronisationsstufe
I» Ii, gelegt, welche jeweils ein Schieberegister 3a
bzw. 3fc und UND-Stufen 4» 4* beeinflußt Der Ausgang
jedes Schieberegisters ist an je eine UND-Stufe 8* 8t
geführt, deren Ausgänge und die Ausgänge der UND-Stufen 4Λ 4* an ODER-Stufen 20,21 geführt sind.
Die Elemente la, 3a, 4a und 8a ergeben einen positiv
zu bewertenden Kanal und die Elemente lf» 3t, 4(, und St
einen negativ zu bewertenden Kanal.
Jede der ODER-Stufen 20,21 wird von Impulsen des positiven und negativen Kanals angesteuert.
Tritt in der Folge f\ ein Impuls /1 auf, so gelangt dieser
über die Synchronisationsstufe I3 und die UND-Stufe 4a
und die ODER-Stufe 20 auf den Vorwärts-Eingang 5 des Zählers 6. Der gleiche Impuls gelangt in das
Schieberegister 3Λ tritt an dessen Ausgang verzögert
auf, und steuert die UND-Stufe 8a an. Der am Ausgang
dieser Stufe verzögert auftretende Impuls gelangt über die ODER-Stufe 21 an den Rückwärts-Eingang 7 des
Zählers 6.
Wie vorausgesetzt, ist die Frequenz /2 negativ
bewertet und sie soll von der Frequenz /1 subtrahiert
werden.
Die impulse der Frequenz f-i werden daher über die
Synchronisationsstufe 1^, die UND-Stufe 4i, und die
ODER-Stufe 21 auf den Rückwärts-Eingang 7 des Zählers 6 geschaltet, während die durch das Schieberegister
3b verzögerten Impulse über die UND-Stufe 8^
und die ODER-Stufe 20 auf den Vorwärts-Eingang 5 des Zählers 6 gelangen.
Die Ausgangsspannung des D/A-Wandlers ist:
ιιΛ = const
1« wobei K die Kapazität und /V die Taktfrequenz des
Schieberegisters 3 sind.
Bei geregelten Reversierantrieben ändern die Frequenzen f\ und /"2 ständig ihr Vorzeichen, wenn z. B. die
Frequenz f\ dem Drehzahlsollwert, die Frequenz /2 dem
Drehzahl-Istwert entspricht und unter dem Vorzeichen der Frequenz ein bestimmter Drehsinn verstanden wird.
Für die Übertragung eines Signals, dessen Frequenz wechselndes Vorzeichen aufweist, werden zwei Signalleitungen
benötigt. Dabei bieten sich die folgenden drei Übertragungsmöglichkeiten an:
a) das Vorzeichen wird den Signalleitungen zugeordnet, d. h. das Signal mit der positiv bewerteten
Frequenz wird auf der einen, das Signal mit der negativ bewerteten Frequenz wird auf der anderen
2r> Signalleitung übertragen;
b) das die Frequenz darstellende impulsförmige Signal wird auf einer Leitung übertragen, und der
Signalzustand auf der zweiten Leitung bestimmt das Vorzeichen;
j« c) auf beiden Leitungen werden zwei um 90° phasenverschobene Wechselspannungen mit meist
rechteckförmigem Verlauf übertragen. Das Vorzeichen wird dann durch den Drehsinn des Zweiphasensystems
dargestellt Da in jeder Periode des Zweiphasensystems vier unterschiedliche Zustände
enthalten sind, beträgt die Frequenz der Wechselspannungen nur 1A der zu übertragenden Signalfrequenz.
Diese Übertragung erfordert daher eine niedrigere Bandbreite der Übertragungswege und
außerdem ist die Störsicherheit größer als bei den unter a) und b) erläuterten Übertragungsmöglichkeiten.
In der folgenden Betrachtung wird daher von der
zuletzt genannten vorteilhaftesten Frequenzdarstellung ausgegangen. Es ist auch bekannt, wie aus jeder der
verschiedenen Darstellungsarten die beiden anderen Formen durch einfache logische Verknüpfungen zu
gewinnen sind, so daß die folgenden Ausführungen grundsätzlich für alle Arten der Frequenzdarstellung
gelten.
Beim schnellen Reversieren tritt die Vorzeichenänderung
vorn Drehzahl-Soll- and Istwert wegen der Trägheit des Antriebssystems im allgemeinen nicht
gleichzeitig auf, so daß bei den Frequenzen f\ und /2 alle möglichen Vorzeichenkombinationen +f\+h, —f\+h,
— f\—h und + f\ — h vorkommen. Für die Bildung einer
der Drehzahlabweichung proportionalen Spannung aus den Frequenzen f\ und h wird dann ein Differenz-Frequenzwandler
benötigt, der in allen vier Quadranten eines gedachten /1, ^-Koordinatensystems arbeitet
Dies wird durch den Frequenzwandler nach der Fig.2 mit einer Synchronisationsstufe nach Fig.3
erreicht Die der Synchronisationsstufe lc zugeführten
Signale Sn und Si2 der Frequenz f\ werden zu
bestimmten, durch die Signale der Taktfolge 7g des Taktgenerators 2 festgelegten Zeitpunkten und die
Signale S21 und S22 der Frequenz h durch die Signale der
Taktfolge Tjo, die um eine halbe Periodendauer
gegenüber den Signalen der Taktfoige 7i verschoben
sind, in Speicherelemente eingespeichert, wobei zu jedem Eingangssignal Sn. Si2, S2\. S22 an den Speicherausgängen
auftretende, in dem durch die Taktsignale des Taktgenerators 2 gebildeten Taktraster liegende
> Signale Sn1 S12* Si2.,. S22s und zu jedem dieser Signale um
eine halbe Taktperiode verzögerte Signale Snsv, Snsu
S2I,,-, S22svgebildet werden; aus diesen Speichersignalen
werden durch Verknüpfungsschaltungen impulsförmige Signale der Frequenz fgp und iss abgeleitet, wobei die
Impulse Ip der Frequenz fsp positiv bewertete Impulse /i/>der Frequenz /i, sowie negativ bewertete Impulse /2/v
der Frequenz k und die Impulse In der Frequenz fsN
negativ bewertete Impulse Iw der Frequenz /i und
positiv bewertete Impulse hpder Frequenz Z2 darstellen. r>
Die Impulse Ip der Frequenz fsp treten an der Leitung
100 und die Impulse In der Frequenz fsN an der Leitung
101 der Synchronisationsstufe lcauf.
Die Ausgangsspannung Ua besteht bei diesem
Wandler aus zwei Komponenten, und zwar aus einem j<> Anteil, der wie beim Wandler nach Fi g. 1 proportional
der Differenz der Frequenzen Zi und {2 ist und einem
weiteren Anteil, der dem Zeitintegral der Differenz-Frequenz proportional ist. Jede Frequenz fu /2 kann positiv
oder negativ sein, so daß sich ein Vierquadranten-Be- 2> trieb ergibt. Ein derartiger Wandler ist besonders
geeignet für eine Drehzahl- und Drehwinkelregelung. Die Ist-Frequenz kann in einem solchen Fall beispielsweise
±h sein und die Soll-Frequenz ±Zi. Die Ausgangsspannung uA des D/A-Wandlers 12 ist dann
beispielsweise die Steuerspannung für einen den Antrieb speisenden Leistungsverstärker. Der Wandler
stellt damit den Regler eines geregelten Antriebs dar.
In der Fig. 3 ist die genauere Ausbildung der Synchronisationsstufe lc nach Fig. 2 dargestellt. Diese J5
besteht aus Speicherelementen 23 bis 26 und 33 bis 36, die einen aus EXKLUSIV-ODER-Stufen 27 bis 30 und
37 bis 40, UND-Stufen 31, 42, 32, 41, ODER-Stufen 43 bis 45 und einer UND-NICHT-Stufe 46 bestehenden
Logik-Schaltkreis ansteuern.
Es ist ein Taktgenerator 2 verwendet, der 10 Taktfolgen Ti bis Tjo liefert, wie dem Signaldiagramm
nach F i g. 4 zu entnehmen ist
Mit den Signalen der Taktfolge T9 werden die Signale
Sn und S12 der Frequenz /i in die Speicherelemente 23 und 25 eingespeichert. An den Ausgängen dieser
Speicherelemente entstehen die zum Taktraster synchronisierten Signale Sn5und Si2s. Diese Signale werden
unter anderem den Speicherelementen 24 und 26 über die Eingänge D zugeführt, an deren Takteingängen T
die um eine halbe Periodendauer gegenüber Tg verschobene Taktsignale der Taktfolge Ti0 auftreten.
Dadurch entstehen an den Ausgängen der Speicher 24 und 26 die zu den Signalen Sm und Si2s um eine halbe
Taktperiode verzögerten Signale Siiivund Si21V.
Durch Verknüpfungen der Signale Sn* S12» Sn«, Snsv
mittels der Exklusiv-ODER-Stufen 27, 28, 29,30 sowie
der UND-Stufen 31 und 32 wird bei jeder Zustandsänderung der Eingangssignale Sn, SS2 an einem der
Ausgänge der UND-Stufen 31 oder 32 ein Impuls erzeugt, je nachdem, ob die Zustandsänderung der
Signale Sn und Si2 einen Vorwärts- oder einen
Rückwärtsschritt in dem von Sn und S12 gebildeten Zweiphasen-Drehsystem bedeutet
Beim Diagramm der F i g. 4 ist angenommen, daß die Signale Sn, Si2 eine Vorwärtsbewegung darstellen, der
an dem Ausgang einer UND-Stufe 31 positiv bewertete Impulse/i/>der Frequenz/i/>zugeordnet werden.
Bei einer Rückwärtsbewegung wäre die Phasenlage zwischen den Signalen Sn und Si2 gegenüber der in
Fig.4 dargestellten um 180° verschoben. Die in diesem
Fall negativ zu bewertenden Impulse Iw würden am
Ausgang der UND-Stufe 32 (Fig. 1) mit der Frequenz /i/v auftreten. Wegen der angenommenen Vorwärtsbewegung
sind diese Impulse jedoch in der Fig. 4 nicht vorhanden.
Die die Frequenz Z2 darstellenden Eingangssignale S21
und S22 werden in der Synchronisationsstufe \c auf die
gleiche Weise wie die Signale Sn und S12 verarbeitet. Für das Einspeichern der Signale S2|, S22 in die
Speicherelemente 33, 35 (Fig.3), wobei an den Speicherausgängen die Signale S2is, S22s entstehen, wird
jedoch die Taktfolge Tio und für die Bildung der verzögerten Signale S2I5V, S2251. mit Hilfe der Speicherelemente
34, 36 die Taktfolge Γ9 verwendet, damit die durch die Frequenz Z2 erzeugten Impulse I2 in den
Lücken zwischen den durch die Frequenz Zi erzeugten Impulsen /1 liegen und dadurch Impulsüberlappung, die
zu mehrdeutigen Ergebnissen führen wurden, vermieden werden.
Im Diagramm der F i g. 4 wird durch die Signale S2i
und S22 der Frequenz Z2 ebenfalls die Vorwärtsdrehrichtung
dargestellt, die zur Bildung von positiven Impulsen /2/>der Frequenz /2/>an dem Ausgang der UND-Stufe 41
(F i g. 3) führt, während an dem Ausgang der UND-Stufe 42 keine negativen Impulse der Frequenz f2N erzeugt
werden.
Zur Bildung der Frequenzdifferenz f\ — h, die der
Drehzahlabweichung entspricht, wenn /1 den Drehzahlsollwert
und Z2 den Drehzahlistwert darstellt, werden die positiv bewerteten Impulse /iyder Frequenz Zjpund die
negativen Impulse I2N der Frequenz f2N mittels der
ODER-Stufe 43 zu dem vom Frequenz-Wandler als positiv zu bewertenden Impulsen Ip, die am Ausgang der
ODER-Schaltung 43 mit der Frequenz fsp = f\p+hN
entstehen, zusammengefaßt. Aus den negativen Impulsen IiNder Frequenz Zi/vund den positiven Impulsen hp
der Frequenz /2/> werden durch die ODER-Stufe 44 die
vom Frequenz-Wandler negativ zu bewertenden Impulse INder Frequenz fSN = /i/v+/?P gebildet.
Am Ausgang der ODER-Stufe 45 entstehen immer dann Impulse, wenn entweder Impulse I2N der Frequenz
/2λ/ oder Impulse hp der Frequenz hp, d.h. wenn
überhaupt Impulse der Frequenz Z2 auftreten. Diese Impulse der Frequenz Z2 werden einer UND-Stufe 46
(F i g. 3) mit negiertem Ausgangssignal P zugeführt. Mit dem zweiten Eingangssignal PSP dieser UND-Stufe 46
werden die Impulse der Frequenz h bei PSP = 0 gesperrt P nimmt dann den logischen L-Zustand an,
oder bei PSP = L negiert auf das Signal P übertragen. Im letzten Fall kann mit dem Signal P, wie weiter unten
noch gezeigt wird, die Frequenz /2 für die Bildung des proportionalen Anteils der Ausgangsspannung Ua des
PI-Frequenz-Wandlers gesperrt werden.
Bei dem in F i g. 2 dargestellten PI-Frequenz-Wandler
werden die positiv zu bewertenden Impulse Ip der Frequenz fsp bzw. die negativ zu bewertenden Impulse
In der Frequenz fsN von den Ausgängen der Synchronisationsstufe
IcZU den Eingängen des Schieberegisters 3„
und der UND-Stufe 4„ bzw. des Schieberegisters 3i und
der UND-Stufe 46 geleitet Die UND-Stufen 4, und 4/, verknüpfen jeden Impuls Ip, In mit dem Ausgangssignal
Neiner ODER-Stufe 4c Diese ODER-Stufe 4C faßt eine
Anzahl π durch den Taktgenerator erzeugter Taktsignale Tt, Ta, Ts, Te und T8, deren Taktsignale innerhalb der
Dauer eines Impulses Ip, In auftreten, zu dem
Ausgangssignal N zusammen. Dadurch entstehen an den Ausgängen der UND-Stufen 4a, 4;, beim Auftreten
eines Impulses Ip, In η Zählimpulse Izp bzw. I/n der
Frequenzen fzp, fzN, wie dies im Diagramm der F i g. 4
für η = 5 dargestellt ist.
Die Ausgänge der UND-Stufen 4„, Ab sind über die
ODER-Stufen 20 und 21 mit den Eingängen 5 und 7 des Vorwärts-Rückwärtszählers 6 verbunden. Beim Auftreten
eines positiv zu bewertenden Impulses //»wird daher der Zählerstand des Zählers um η Einheiten erhöht,
beim Auftreten eines negativ zu bewertenden Impulses In um η Einheiten erniedrigt. Die aus den Schieberegistern
3j und 3b austretenden verzögerten Impulse Ivp
und /v/v werden durch die UND-Stufen 8aund8i,mit dem
Ausgangssignal M einer weiteren ODER-Stufe 8C· verknüpft, welche m weitere Taktfoigen Ti, Fj und T),
deren Taktsignale alle innerhalb der Impulsdauer von Ivp, Ivn auftreten und die gegenüber den /; der
ODER-Stufe 4C zugeführten Taktsignalen zeitlich verschoben
sind, zu dem Signal M zusammenfaßt. Beim Austreten eines Impulses Ivp bzw. Ivn aus dem
Schieberegister 3a bzw. 3t, entstehen an dem Ausgang
der UND-Stufe 8a bzw. 8t m Zählimpulse Izvpbzv/. IZVN
der Frequenz fzvp bzw. fzvN- F i g. 4 zeigt diese Signale
für die Schaltung der F i g. 2 mit m = 3.
Die aus der UND-Stufe 8a austretenden Zählimpulse
der Frequenz fzvp sind negativ zu bewerten und werden daher über die ODER-Stufe 21 dem Rückwärts-Zähleingang
7 des Zählers 6 zugeführt. Die positiv zu bewertenden Zählimpulse fzvN der UND-Stufe 8;,
werden über die ODER-Stufe 20 in den Vorwärtszähleingang 5 des Zählers 6 geleitet.
Mit dem Auftreten eines Impulses Ip an den Eingängen des Schieberegisters 3a und der Torschaltung
4j wird also der Zählerstand des Zählers 6 um π
Einheiten erhöht, und nach dem Austreten des zu /;· gehörigen und um die Verzögerungszeit Tv verzögerten
Impulses Ivp aus dem Schieberegister wieder um m
Einheiten erniedrigt, so daß sich danach ein Zählerstand von (n—m) ergibt. Treten nun die Impulse //>von einem
Zeitpunkt ?o = O an mit der Frequenz fsp auf. dann werden bis zu einem beliebigen Zeitpunkt t
έ* ρ ι / — Yl
df
der Voraussetzung, daß t> Tvist, beträgt die Anzahl der
bis zum Zeitpunkt f dem Rückwärtszähleingang zugeführten Impulse:
Z,,„ = m
l·
fsr d f - /sr
Der negative Anteil l'sp ■ Tv im Klammerausdruck
gibt die Anzahl der im Schieberegister gespeicherten Impulse an, die zu den Rückwärtszählimpulsen noch
keinen Beitrag geleistet haben.
Aus der Differenz der Vorwärts- und Rückwärtszählimpulse
ergibt sich der Zählerstand zum Zeitpunkt t zu:
2» Zr = Zpv - ZPK = m fSP ■ Tν + (n - m) j fSPdl
Den Gleichungen (2), (3) und (4) entsprechende Beziehungen können für die dem Schieberegister 36 und
der UND-Stufe 4bzugeführten Impulse /jvder Frequenz
fsN abgeleitet werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß
die Impulse In in entgegengesetzter Zählrichtung wie
die Impulse Ip wirken. Für den beim Auftreten von positiv zu bewertenden Impulsen Ip und negativ zu
bewertenden Impulsen //vsich einstellenden resultierenden
Zählerstand erhält man dann:
Z = m(fSP - fss) T1. + (n - m)
J(fSP -
df
Vorwärtszählimpulse in den Zähler hineingezählt. Unter Ist der Frequenz-Wandler wie im Beispiel der F i g. 2
mit der für den Vierquadranten-Betrieb geeigneten Synchronisationsstufe lc ausgerüstet und dem Zähler 6
ein Digital-Analog-Wähler 12 nachgeschaltet, dann erhält man aus Gleichung (5) für die Abhängigkeit der
Ausgangsspannung uA von den Eingangsfrequenzen /Ί
und Fi die Beziehung:
= const
(K - 1)
fr
fr
In der Gleichung (6) ist außerdem die Verzögerungszeit Tx, der Schieberegister durch deren Kapazität K und
Taktfrequenz /7- ausgedrückt.
Die Bewertung des frequenzproportionalen und des integralen Anteils in Gleichung (6) richtet sich, wenn der
Frequenz-Wandler als PI-Antriebsregler verwendet wird, nach den dynamischen Eigenschaften des Regelkreises.
Für die Einstellung der Zahlenwerte von π und m sind daher bei dem in Fig.2 gezeigten Beispiel
Schalter 51—S 8 vorgesehen, über die π und m
Taktfolgen an die ODER-Stufen 4C und 8C geschaltet
werden.
F i g. 5 zeigt zwei Anwendungen des PI-Frequenzwandlers
als Antriebsregler.
ί) Fi g. 5a stellt eine Drehzahl- und Drehwinkelregelung
ohne Tachomaschine dar. Auf der Antriebswelle 91 eines Gleichstromantriebes 92 ist ein Winkelschrittgeber
93 montiert. Die der Drehzahl der Antriebswelle 91 proportionale Frequenz /2 wird dem mit PI-F/U
bezeichneten Frequenz-Wandler als Istwert zugeführt. Die Frequenz Fi entspricht dem Drehzahl-Sollwert Die
Ausgangsspannung tu des Frequenz-Wandlers besteht
aus einer der Frequenzdifferenz (F\ — /2) proportionalen
Komponente, welche der Drehzahlabweichung und einer integralen Komponente, die der Drehwinkelabweichung
entspricht Mit der Ausgangsspannung Ua des Reglers wird ein Verstärker 94 angesteuert, der das
Leistungsstellglied des Antriebes 92 darstellt
Die F i g. 5b zeigt eine Antriebsregelung, die mit dem Pl-Frequenz-Wandler als Regler ausgerüstet ist, zur
Drehzahlerfassung aber noch eine Tachomaschine 95 verwendet wird. Obwohl der Pl-Frequenz-Wandler
grundsätzlich die Antriebsregelung ohne Tachomaschine ermöglicht, kann die zusätzliche Verwendung einer
Tachomaschine für das dynamische Verhalten des Antriebs dann von Vorteil sein, wenn die Auflösung des
Winkelschrittgebers 93 nur unter dem Gesichtspunkt der erforderlichen Positioniergenauigkeit gewählt ist,
diese Auflösung aber unter Berücksichtigung der dynamischen Antriebseigenschaften noch zu grob ist.
Bei dem in Fig.5b gezeigten Beispiel wird die Frequenz f2 des Winkelschrittgebers 93 nur zur
Ermittlung der Drehwinkelabweichung herangezogen. Die Ausgangsspannung Ua des P!-Frequenz\vand!ers
besteht daher aus einem der Frequenz f\ proportionalen und einem dem Integral
proportionalen Anteil. Die Subtraktion der Spannungskomponente, die dem Drehzahl-Istwert proportional ist.
erfolgt in diesem Fall mit Bauelementen der Analogtechnik an der Summierstelle SS durch Subtraktion der
Tachospannung u-i. Die Frequenz h des Winkelschrittgebers
93 liefert daher keinen Beitrag zur Bildung der frequenzproportionalen Komponente der Ausgangsspannung
Uades PI-Frequenzwandlers.
Um für beide in Fig. 5 gezeigte Anwendungen dieselbe Anordnung einsetzen zu können, ist es
zweckmäßig, den Frequenzwandler mit einer Umschalteinrichtung zu versehen, die durch ein Steuersignal PSP
betätigt wird, so daß z. B. in dem Signalzustand PSP = 0 die Frequenz h zur Bildung der frequenzproportionalen
Komponente der Ausgangsspannung Ua beiträgt, und im
Signalzustand PSP = L die Frequenz /2 für die Bildung
dieser Komponente gesperrt wird.
Die F i g. 6 zeigt einen PI-Frequenz-Spannungswandler
mit abschaitbarem P-Anteii für die Frequenz /2.
Diese Anordnung ist wieder mit der in F i g. 3 beschriebenen Synchronisationsstufe lc ausgerüstet, der
auch das Steuersignal PSPzugeführt wird. Anstelle der
UND-Stufen 4a und 4b sind nunmehr je drei UND-Stufen
4al, 4„p, 4a5 sowie 4fc/, 4bp, 4bs vorgesehen. Die
UND-Stufen 4a/, 4&, verknüpfen die von der Synchronisationsstufe
Ic ausgegebenen Impulse Ip, In mit dem
Ausgangssignal NM eines beispielsweise als einstellbarer Frequenzteiler ausgebildeten Schaltkreises 4a,
wobei entsprechend der Einstellung des Frequenzteilers für jeden Impuls Ip, Im an den Ausgängen der
UND-Stufen 4ah 4bj{n — m) d\e integrale Komponente
des Zählerstandes erzeugende Zählimpulse entstehen. Für die Bildung der frequenzproportionalen Komponente
sind die an die Eingänge der Schieberegister 3a, 3j,
angeschlossenen UND-Stufen 4ap, 4bp sowie die an die
Schieberegisterausgänge angeschlossenen UND-Stufen 8j, 8* vorgesehen. Diesen UND-Stufen werden aus den
Schaltkreisen 4cp bzw. 8cp, die ebenfalls einstellbare
Frequenzteiler sein können, die impulsförmigen Signale Ma, bzw. Me zugeführt, damit beim Einlaufen eines
Impulses Ip, In in die Schieberegister 3a, 3/, sowie beim
Auslaufen eines verzögerten impulses !vr, Awaus diesen
Schieberegistern an den Ausgängen der UND-Stufen 4ap, 4bp sowie 8A Sb die m für die Bildung des
frequenzproportionalen Anteils benötigten Zählimpulse entstehen. Die einstellbaren Frequenzteiler 4CJ, 4cp und
8cp bilden aus den zeitlich zueinander verschobenen
Taktsignalen Tu, Tn, Tn die impulsförmigen Signale
NM, Mt, M8, deren Frequenz kleiner als die Frequenz
der Taktsignale Tu, Tn, Tm aber größer als die Frequenz
des Schiebetaktsignals T5 ist, so daß bei den Signalen
MN, Mf, Ms innerhalb der Dauer der Impulse Ip, In. Ivp,
/w je nach Einstellung der Frequenzteiler (n — m) bzw.
rn Zählimpulse auftreten.
Die Impulse /pbzw. In werden dem Schieberegisters,,
bzw. 3t und der UND-Stufe 4ap bzw. 4bp über die
UND-Stufen 4as, 4bi zugeführt. Die UND-Stufen 4J4. 4bi
erhalten die Impulse Ip, In sowie das beiden UND-Stufen gemeinsame Signal Paus der Synchronisationsstufe
I1-. Bei dem Signalstand P=O werden den Schieberegistern
3a,3i, und den UND-Stufen 4ap. 4bp keine Impulse Ip.
In zugeführt und somit die Bildung des frequenzproportionalen Anteils des Zählerstandes verhindert. Durch
geeignete Logik-Verknüpfungen in der Synchronisationsstufe lc mit Hilfe der in Fig. 3 vorgesehenen
Schaltkreise 45, 46 wird erreicht, daß der Signalzustand P=O nur dann auftritt, wenn das der Synchronisationsstufe Il-zugeführte Steuersignal PSP = L ist und die von
der Synchronisationsstufe ausgegebenen Impulse Ip. l\ z. B. gerade von der Frequenz /2 verursacht werden. Auf
diese Weise werden bei der Vorgabe des Steuersignals PSP = L die durch die Frequenz /2 erzeugten Impulse
In, Ini bei der Bildung der frequenzproportionalen
Komponente der Ausgangsspannung ua ausgeblendet.
Für diese Ausgangsspannung gilt dann die Beziehung:
U4 = const
_(K_-
fr
— J\ + (π -
-/2) df
Durch die Ertindung kann ein Frequenzwandler
erstellt werden, der vorwiegend aus Funktionselementen der Digitaltechnik aufgebaut ist und alle Operationen,
wie beispielsweise Bildung der Differenz (f\ — /2),
Integration dieser Differenz und Addition des proportionalen und integralen Anteils einschließlich einer
einstellbaren Bewertung beider Anteile digital und damit fehlerfrei ausfuhrt
Wegen der digitalen Informationsverarbeitung wird die Drehzahlinformation nicht wie bisher üblich aus der
EMK einer Tachomaschine, sondern aus der Frequenz A des Winkelschrittgebersignals abgeleitet. Die Tachomaschine
kann daher entfallen.
Auch die Welligkeit der Ausgangsspannung ist bei dem erfindungsgemäßen Prinzip erheblich kleiner als
bei dem seither üblichen Verfahren der Frequenzwandlung.
Hierzu 4 Blatt Zeichnuneen
Claims (7)
1. Frequenzwandler zur Umwandlung von zwei Impulsfolgen in digitale Zahlenwerte, die aus einer
zur Frequenzdifferenz der beiden Impulsfolgen proportionalen und einer zu dieser Frequenzdifferenz
integralen Komponente bestehen, wobei zur Bildung einer der Frequenz proportionalen Komponente
Impulse einer Synchronisationsstufe zugeführt werden und die synchronisierten Impulse dem
Vorwärts-Zähleingang eines Vorwärts-Rückwärtszählers sowie einem Verzögerungsglied in Form
eines Schieberegisters zugeführt werden, dessen Ausgangsimpulse dem Rückwärts-Zähleingang des
Zählers zugeführt sind, wobei beide Impulsfolgen vor den Zählereingängen über Logikschaltungen
verknüpft sind, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bildung der zur Frequenzdifferenz (7>— fN)
proportionalen Komponente eines digitalen Zahlenwertes die synchronisierten Impulse (Ip, In) jeder
Impulsfolge (Iu /]; h, Z2)Je einem Schieberegister (3a,
3b) und je einer laufend von Taktsignalen angesteuerten UN D-Stufe (4a, 4b) zugeführt sind, daß
den Schieberegistern (3a, 3b) je eine laufend von weiteren Taktsignalen angesteuerte UND-Stufe (8a,
Sb)nachgeschaltet ist und den Vorwärts-Rückwärts-Zähleingängen
(5, 7) des Zählers (6) je eine ODER-Stufe (20, 21) vorgeschaltet sind, und daß die
Ausgangsimpulse (Izp, Izn) der von den synchronisierten Impulsen (Ip, In) und den Taktsignalen (T 2,
T3) angesteuerten UND-Stufen (4a, Ab) und die Ausgangsimpulse (Izvp,
>'zvn) der von den synchronisierten verzögerten Impulsen (Ivp, Ivn) und den
weiteren Taktsignalen (Ti, T4) angesteuerten UND-Stufen (8a, Sb) den Eingängen der dem Zähler
(6) vorgeschalteten ODER-Stufen (20, 21) derart zugeführt sind, daß die der einen Impulsfolge (I\, /Ί)
zugeordneten unverzögerten Ausgangsimpulse (Izp; 4a) mit den verzögerten Ausgangsimpulsen (Izvn\
Sb) der anderen Impulsfolge (h, /2) auf den einen
Eingang (5) des Zählers (6) gelangen und die der anderen Impulsfolge (h, /2) zugeordneten unverzögerten
Ausgangsimpulse (Izn; 4b) mit den verzögerten Ausgangsimpulsen (Izvp; Sn) der ersten Impulsfolge
(h, f\) auf den anderen Eingang (7) des Zählers (6) gelangen.
2. Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisationsstufe aus
den auf vier Eingangsleitungen übertragenen Eingangssignalen (St1, Si2; S2I, S22). welche die
vorzeichenbewerteten Frequenzen (±/i, ±/2) darstellen, positiv zu bewertende: Impulse (Ip) und
negativ zu bewertende Impulse (In) bildet und diese auf zwei Leitungen ausgibt (F i g. 2).
3. Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle UND-Stufen (4a, 4b, Sa, Sb)
von den Signalen mehrerer wählbarer Taktfolgen (Ti bis TS) des Taktgenerators (2) angesteuert sind
(F i g. 2).
4. Frequenzwandler nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von den synchronisierten
Impulsen (Ip, In) angesteuerten UND-Stufen
(4a, 4b) von einer dem Taktgenerator (2) zugeordneten ODER-Stufe (4c) angesteuert sind, die zeitlich
nacheinander η Taktsignale an diese UND-Stufen (4a, 4b) ausgibt, die innerhalb der Dauer der
synchronisierten Impulse (Ip, In) liegen und diese UND-Stufen (4a, 4b) entsprechend η Zählimpulse
(Izp, Izn) an den Zähler (6) geben, und daß die von
den synchronisierten verzögerten Impulsen (Ivp, Ivn) angesteuerten UND-Stufen (8a, Sb) von einer
-, weiteren, vom Taktgenerator (2) angesteuerten ODER-Stufe (Sc) angesteuert werden, die zeitlich
nacheinander m Taktsignale erzeugt, die zu den η
Taktsignalen der ersten, dem Taktgenerator (2) zugeordneten ODER-Stufe (4c) seitlich versetzt sind
κι und die innerhalb der Dauer der verzögerten
Impulse (Ivp, Ivn) der Schieberegister (3a, 3b) liegen und die nachgeschalteten UND-Stufen (8a, Sb) m
Zählsignale (Izvn, Izvp) an den Zähler (6) geben (Fig. 2).
Ii
5. Frequenzwandler nach Anspruch 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zahlenwerte für η
bzw. m Impulse durch Anschließen von η bzw. m Taktfolgen des Taktgenerators (2) über η bzw. m
Schalter (S) an die dem Taktgenerator (2) zugeordneten ODER-Stufen {4c, Sc) unabhängig voneinander
einstellbar sind (F i g. 2).
6. Frequenzwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse (Sw, Si2) der ersten
Frequenz (±/"i) zu bestimmten, durch die Signale
r. einer Taktfolge (T9) des Taktgenerators (2)
festgelegten Zeitpunkten, sowie die Impulse (Sn, S22)
der zweiten Frequenz (± /2) durch die Signale einer weiteren Taktfolge (TiO) des Taktgenerators (2), die
um eine halbe Periodendauer gegenüber den
in Signalen der Taktfolge (T9) verschoben sind, in
Speicherelemente (23 bis 26; 33 bis 36) eingespeichert werden, die zu jedem Eingangssignal (Sw, Sn,
S21, S22) zugehörige, in dem durch die Taktfolgen (Tl
bis 7Ί0) des Taktgenerators (2) gebildeten Taktra-
n ster liegende Signale (Sn* Si2j, S2I* S225) und zu
jedem dieser Signale um eine halbe Signalperiode verzögerte Signale (SUsv, Si2sl, S2|„, S2211) bilden und
daß diese Signale einen Logikschaltkreis (LS) ansteuern, der die positiv zu bewertenden Signale
w (I\p) der Frequenz (±f\) und die negativ zu
bewertenden Signale (I2N) der Frequenz (-Z2) auf
einer Leitung (100) zu einem Signal (Ip) zusammenfaßt und der die negativ zu bewertenden Signale (hp)
der Frequenz (± Z2) auf einer weiteren Leitung (101)
4j zu einem weiteren Signal (In) zusammenfaßt
(Fig. 3).
7. Frequenzwandler nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von den synchronisierten
Impulsen (Ip, In) angesteuerten UND-Stufen
in (4ai, 4bi) von dem Ausgangssignal eines ersten, als
einstellbarer Frequenzteiler ausgebildeten Schaltkreises (4ci) angesteuert werden, und daß entsprechend
der Einstellung dieses Schaltkreises (4ci) für jeden synchronisierten Impuls (Ip, In) diese UND-
■r> Stufen (4a/, 4bi)n— m, die integrale Komponente des
Zählerstandes erzeugende Zählsignale für den Zähler (6) ausgeben, und daß die Schieberegister (3a,
3b) ansteuernde UND-Stufen (4as, 4bs) vorgesehen sind, welche die synchronisierten Impulse (Ip, In) mit
hu einem in der Synchronisationsstufe (Ic/gebildeten
Ausblendsignal (7*,) verknüpfen, bei dessen Auftreten
(P entsprechend logisch 0) aus den synchronisierten Impulsen (Ip, In) die zu einer der beiden Eingangsfrequenzen
gehörenden Signale (Ipi, Ini) ausgeblendet
hi werden, daß die synchronisierten Impulse (Ip, In)
weitere UND-Stufen (4ap, 4bp) ansteuern, welche diese Impulse (Ip, In) mit einem Signal (Mt) eines
zweiten, als einstellbarer Frequenzteiler ausgebilde-
ten Schaltkreises (4cp) verknüpfen, und daß entsprechend der Einstellung dieses Schaltkreises
(4cp) aus jedem synchronisierten Impuls (Jp, In) an den Ausgängen der dem zweiten Schaltkreis (4cp)
zugeordneten UN D-Stufen (4ap, 4bp) m, die frequenzproportionale Komponente des Zählerstandes
erzeugende Zählsignale gebildet und an den Zähler (6) ausgegeben werden (F i g. 6).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732364449 DE2364449C3 (de) | 1973-12-24 | 1973-12-24 | Frequenzwandler zur Umwandlung von zwei Impulsfolgenin digitale Zahlenwerte, die aus einer zur Frequenzdifferenz der beiden Impulsfolgen proportionalen und einer zu dieser Frequenzdifferenz integralen Komponente bestehen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732364449 DE2364449C3 (de) | 1973-12-24 | 1973-12-24 | Frequenzwandler zur Umwandlung von zwei Impulsfolgenin digitale Zahlenwerte, die aus einer zur Frequenzdifferenz der beiden Impulsfolgen proportionalen und einer zu dieser Frequenzdifferenz integralen Komponente bestehen |
Publications (3)
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---|---|
DE2364449A1 DE2364449A1 (de) | 1975-07-03 |
DE2364449B2 DE2364449B2 (de) | 1980-07-10 |
DE2364449C3 true DE2364449C3 (de) | 1981-04-09 |
Family
ID=5901899
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19732364449 Expired DE2364449C3 (de) | 1973-12-24 | 1973-12-24 | Frequenzwandler zur Umwandlung von zwei Impulsfolgenin digitale Zahlenwerte, die aus einer zur Frequenzdifferenz der beiden Impulsfolgen proportionalen und einer zu dieser Frequenzdifferenz integralen Komponente bestehen |
Country Status (1)
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DE (1) | DE2364449C3 (de) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2735785A1 (de) * | 1977-08-09 | 1979-02-22 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren zur frequenzmessung unter verwendung digitaler schaltungsmittel |
DE3132069A1 (de) * | 1981-08-13 | 1983-03-03 | Anatolij Prokopevic Bykov | Phasenmesseinrichtung |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1267716B (de) * | 1967-02-04 | 1968-05-09 | Philips Patentverwaltung | Anordnung zur Quotientenbildung zweier Frequenzen, bestehend aus einer Differenzzaehlerstufe mit vorgeschaltetem Differenzgatter |
US3646330A (en) * | 1970-05-28 | 1972-02-29 | Atomic Energy Commission | Continuous digital ratemeter |
-
1973
- 1973-12-24 DE DE19732364449 patent/DE2364449C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2364449B2 (de) | 1980-07-10 |
DE2364449A1 (de) | 1975-07-03 |
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