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

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 u_A 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 3_a 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 4_Λ 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 4_a und die ODER-Stufe 20 auf den Vorwärts-Eingang 5 des Zählers 6. Der gleiche Impuls gelangt in das Schieberegister 3_Λ tritt an dessen Ausgang verzögert auf, und steuert die UND-Stufe 8_a 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:

ιι_Λ = 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

2^r> 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 l_c 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 Sn_sv, Sn_su 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 l_cauf.

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 f_u /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 u_A 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 l_c 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 Si_2s. 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 S_n* 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, S_S2 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 S_i2 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, S_22s 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 I_Nder Frequenz f_SN = /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 4_C 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 4_a, 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 8_aund8i,mit dem Ausgangssignal M einer weiteren ODER-Stufe 8_C· 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 4_C zugeführten Taktsignalen zeitlich verschoben sind, zu dem Signal M zusammenfaßt. Beim Austreten eines Impulses Ivp bzw. Ivn aus dem Schieberegister 3_a bzw. 3t, entstehen an dem Ausgang der UND-Stufe 8_a bzw. 8t m Zählimpulse Izvpbzv/. I_ZVN 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 8_a 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 3_a 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» Z_r = Zpv - Z_PK = m f_SP ■ Tν + (n - m) j f_SPdl

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(f_SP - f_ss) T₁. + (n - m)

J(f_SP -

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 l_c ausgerüstet und dem Zähler 6 ein Digital-Analog-Wähler 12 nachgeschaltet, dann erhält man aus Gleichung (5) für die Abhängigkeit der Ausgangsspannung u_A von den Eingangsfrequenzen /Ί und Fi die Beziehung:

= const

(K - 1)
fr

In der Gleichung (6) ist außerdem die Verzögerungszeit T_x, 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 4_C und 8_C 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 l_c ausgerüstet, der auch das Steuersignal PSPzugeführt wird. Anstelle der UND-Stufen 4_a und 4b sind nunmehr je drei UND-Stufen 4_al, 4„p, 4_a5 sowie 4_fc/, 4_bp, 4_bs vorgesehen. Die UND-Stufen 4_a/, 4&, verknüpfen die von der Synchronisationsstufe Ic ausgegebenen Impulse Ip, In mit dem Ausgangssignal NM eines beispielsweise als einstellbarer Frequenzteiler ausgebildeten Schaltkreises 4_a, wobei entsprechend der Einstellung des Frequenzteilers für jeden Impuls Ip, Im an den Ausgängen der UND-Stufen 4_ah 4_bj{n — m) d\e integrale Komponente des Zählerstandes erzeugende Zählimpulse entstehen. Für die Bildung der frequenzproportionalen Komponente sind die an die Eingänge der Schieberegister 3_a, 3j, angeschlossenen UND-Stufen 4_ap, 4_bp sowie die an die Schieberegisterausgänge angeschlossenen UND-Stufen 8j, 8* vorgesehen. Diesen UND-Stufen werden aus den Schaltkreisen 4_cp bzw. 8_cp, die ebenfalls einstellbare Frequenzteiler sein können, die impulsförmigen Signale Ma, bzw. Me zugeführt, damit beim Einlaufen eines Impulses Ip, In in die Schieberegister 3_a, 3/, sowie beim Auslaufen eines verzögerten impulses !vr, Awaus diesen Schieberegistern an den Ausgängen der UND-Stufen 4_ap, 4bp sowie 8_A Sb die m für die Bildung des frequenzproportionalen Anteils benötigten Zählimpulse entstehen. Die einstellbaren Frequenzteiler 4_CJ, 4_cp und 8_cp bilden aus den zeitlich zueinander verschobenen Taktsignalen Tu, Tn, Tn die impulsförmigen Signale NM, Mt, M₈, deren Frequenz kleiner als die Frequenz der Taktsignale T_u, 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. I_n werden dem Schieberegisters,, bzw. 3t und der UND-Stufe 4_ap bzw. 4_bp über die UND-Stufen 4_as, 4_bi zugeführt. Die UND-Stufen 4_J4. 4_bi erhalten die Impulse Ip, In sowie das beiden UND-Stufen gemeinsame Signal Paus der Synchronisationsstufe I₁-. Bei dem Signalstand P=O werden den Schieberegistern 3_a,3i, und den UND-Stufen 4_ap. 4_bp keine Impulse Ip. In zugeführt und somit die Bildung des frequenzproportionalen Anteils des Zählerstandes verhindert. Durch geeignete Logik-Verknüpfungen in der Synchronisationsstufe l_c 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)

Patentansprüche:

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>— f_N) 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, I_n) 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* Si_2j, S₂I* S₂₂₅) und zu jedem dieser Signale um eine halbe Signalperiode verzögerte Signale (S_Usv, Si_2sl, 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, I_n) 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).