DE2612238B2 - Verfahren zur Ermittlung der Vektor-Komponenten einer Schwingung und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Ermittlung der Vektor-Komponenten einer Schwingung und Schaltungsanordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
den Analog-Signale zur Komponenten-Ermittlung
weiterverarbeitet werden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich eine einfache und genaue Verknüpfung zwischen Meßsignal
und Bezugssignal, die einen vernachlässigbaren Nullpunktfehler hat und preisgünstig herzustellen ist. Die
Genauigkeit liegt hierbei wesentlich höher als bei analogen Verknüpfungsverfahren. Teure analoge Bezugssignalgeber
(Phasengeber) können bei dem erfindungsgemä&en Verfahren entfallen. In weiterer Ausgestaltung
der Erfindung werden die Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerte unter Steuerung durch das
Bezugssignal einem digitalen Speicher entnommen, wobei die Kosinus-Werte (durch Phasenverschiebung)
auch aus Sinus-Werten abgeleitet werden können.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Entnahme der Bezugswerte aus dem Speicher
durch einen als Adressenzähler dienenden Binärzähler gesteuert Dabei kann der Speicher während einer
Periode der zu ermittelnden Schwingung mehrmals durchlaufen werden.
Durch Vorgabe von festen Adressen (Zählerständen) bei Zählbeginn kann eine beliebige Phasenlage der
Bezugswerte erzeugt werden. Der Zähler wird in diesem Fall so gesetzt, daß er beim Startimpuls nicht
vom Zählerstand Null, sondern von einem beliebig vorgegebenen Zählerstand aus weiter zählt und damit
den Speicher für die Bezugswerte so ansteuert, daß die dem jeweiligen Zählerstand entsprechenden Werte aus
dem Speicher entnommen werden.
Weiterhin wird es als vorteilhaft angesehen, das Ausgangssignal des D/A-Wandlers in Abhängigkeit
vom Stand des Adressenzählers zu invertieren. Damit kann auf einfache Weise die negative Halbwelle des
Bezugssignals nachgebildet werden. Es ist jedoch auch möglich, die negativen Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerte
durch entsprechende Programmierung des digitalen Speichers zu erzeugen.
Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich
nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch einen multiplizierenden Digital-Analog-Wandler mit
einem analogen Eingang für Referenzsignale und einem digitalen Eingang für umzuwandelnde Dgital-Signale,
wobei dem analogen Eingang das Meßsignal und dem digitalen Eingang digitale Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerte mit bestimmter Phasenlage zugeführt werden,
einen digitalen Speicher für die Bezugswerte sowie einen von einem Bezugssignal-Geber gesteuerten
Binärzähler für die Adressierung und Fortschaltung des digitalen Speichers. Durch diese Schaltungsanordnung
kann die Verknüpfung zwischen Meßsignal und Bezugssignal mit einfachen Bauelementen verwirklicht
werden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dabei billiger und arbeitet genauer als bekannte
Anordnungen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß am Ausgang des D/A-Wandlers eine Inverterschaltung angeschlossen ist, die das Ausgangssignal
dann invertiert, wenn die Zählerstellung des Binärzählers einen vorgegebenen Wert aufweist.
Hierdurch ist es möglich, auf einfache Weise die negativen Halbwellen des Bezugssignals zu erzeugen.
Zweckmäßigerweise wird der Binärzähler als Vorwahlzähler ausgebildet, der auf beliebige Zählerstellungen
einstellbar ist. Durch Vorgabe geeigneter Anfangswerte für den Zähler kann auch der erste Bezugswert
für eine Periode des Bezugssignals vorgegeben werden.
Hierdurch ist es möglich, die Phasenlage der Bezugswerte zu ändern und beispielsweise aus einem Speicher
mit Sinus-Bezugswerten durch eine Phasenverschiebung um π/2 die Kosinus-Werte zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
vereinfacht und schematisch dargestellt und an Hand der Schaltungsanordnungen näher
erläutert Das Ausführungsbeispiel zeig? die Ermittlung der Unwuchtschwingung an einem umlaufenden Körper.
Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern kann allgemein für die Ermittlung von
Schwingungen verwendet werden. Es zeigt
F i g. 1 die Schaltungsanordnung an einer Auswuchtvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig.2 Schaltungsanordnung zur Verknüpfung von
Meßsignal und Bezugssignalen.
In F i g. 1 sind nur die für die Erfindung wesentlichen Teile der Schaltung einer Auswuchtvorrichtung dargestellt.
Mit der Schaltungsanordnung soll die X- und die V-Komponente der Unwuchtschwingung in einem
rechtwinkligen Koordinatensystem (Bezugssystem) in einer Auswuchtebene ermittelt werden.
Ein Meßsignal-Aufnehmer 1 bekannter Art, z. B. ein induktiver Aufnehmer, ist an einer nicht dargestellten
Auswuchtvorrichtung angebaut Der Aufnehmer liefert ein Meßsignal 2, das die zu ermittelnde Unwuchtschwingung
eines in der Auswuchtvorrichtung rotierenden Körpers zusammen mit Störsignalen unterschiedlicher
Frequenz und Amplitude enthält.
Ein an der Auswuchtvorrichtung angebauter Bezugssignal-Geber 3 liefert ein Bezugssignal 4a, das die
Phasenlage der zu ermittelnden Schwingung festlegt. Weiterhin liefert der Geber pro Umdrehung eine feste
Anzahl von impulsförmigen Signalen (Zählimpulsen) 4, mit denen die Bezugswerte für die Verknüpfung mit
dem Meßsignal gewonnen werden. Der Geber kann im einfachsten Fall z. B. eine synchron mit dem auszuwuchtenden
Körper umlaufende Lochscheibe sein. Diese Lochscheibe erzeugt in einer geeigneten Schaltung bei
jeder Umdrehung sowohl einen Einzelimpuls, der die Periode bzw. die Phasenlage des Bezugssignals festlegt,
als auch eine bestimmte Anzahl von Impulsen für die Gewinnung der Bezugswerte. Der Bezugssignal-Geber
kann auch ein beliebiger anderer Impulsgeber oder z. B. eine Impulsvervielfacher-Schaltung sein, mit der die
Phasenlage festgelegt und impulsförmige Signale erzeugt werden können. Solche Geber sind bekannt und
gehören zum Stand der Technik.
Es ist noch darauf hinzuweisen, daß der Begriff »Bezugssignal« oft für zwei unterschiedliche Arten von
Signalen verwendet wird: einmal für Signale, mit denen das Bezugssystem einer Schwingung bzw. die Phasenlage
der Schwingung in Bezug auf das Signa! festgelegt wird und zum anderen für Signale, z. B. sinusförmige
Spannungen oder Sinus-Werte, die zur Multiplikation mit dem Meßsignal dienen.
Das Meßsignal 2 und die Bezugssignale 4 bzw. 4a werden auf den Eingang einer Einrichtung 5 geführt, die
in F i g. 2 näher beschrieben wird. Am Ausgang der Einrichtung 5 liegen zwei analoge Spannungen 6 und 7
vor, aus denen in bekannter Weise nach Integration in einer Integrations-Einrichtung 8, die X- und V-Komponenten
9 und 10 der gesuchten umlauffrequenten Unwuchtschwingung ermittelt und beispielsweise an
Anzeigegeräten 11 und 12 angezeigt werden können.
Ehe die Einrichtung 5 beschrieben wird, soll zunächst
kurz das Prinzip eines D/A-Wandlers bekannter Art
erläutert werden. Ein D/A-Wandler hat die Aufgabe, ein
digital vorliegendes Signal N in eine analoge Größe Uanalog umzuwandeln. Dies geschieht zum Beispiel
entsprechend der Beziehung:
Uamiog= Ucsl ■ N,
wobei NaIs reine Binärzahl mit η Bit-Umfang vorliegen
möge. Ucai ist eine analoge Referenzspannung, die bei
einem D/A-Wandler den Größtwert der Ausgangsspannung Uanaiog festlegt. Eine Abwandlung des D/A-Wandlers
liegt vor, wenn die analoge Referenzspannung UC3i
veränderlich ist. D/A-Wandler mit veränderlicher Referenzspannung werden bevorzugt auf dem Gebiet
der Zeichenerzeugung auf Sichtschirmen eingesetzt. Solchen Wandler werden auch als multiplizierende
D/A-Wandler bezeichnet, da sie praktisch die Multiplikation eines digitalen Signals mit einer analogen Größe
bewirken. Die Wandler sind kommerziell erhältlich, z. B. von der Firma Analog Devices der Typ A D 7520.
In F i g. 2 ist die Einrichtung 5 aus F i g. 1 mit weiteren
Einzelheiten dargestellt Die Einrichtung 5 dient zur Verknüpfung des Meßsignals mit den Bezugssignalen.
Dabei handelt es sich um eine gemischte Verknüpfung, d. h. ein Signal (das Meßsignal) liegt als analoges Signal
vor während das zweite Signal (das Bezugssignal) als digitales Signal erzeugt bzw. abgerufen und mit dem
analogen Signal verarbeitet wird.
Die Einrichtung 5 besteht aus zwei praktisch identischen Schaltungsanordnungen 5a und Sb. Die
Schaltung 5a dient zur Ermittlung der X-Komponente und die Schaltung Sb zur Ermittlung der V-Komponente
der Unwuchtschwingung.
Der Bezugssignal-Geber 3 liefert bei jeder Umdrehung des auszuwuchtenen Körpers zunächst einen
Start- oder Setzimpuls 4a, der auf den Rücksetzeingang S eines Binärzählers 20 gegeben wird. Damit wird der
Zähler jeweils auf Null gestellt. Weiterhin liefert der Bezugssignal-Geber 3 bei jeder Umdrehung eine
bestimmte Anzahl von Zähl-Impulsen, die auf den
Zähleingang des Binärzählers 20 gegeben werden. Der Binärzähler hat eine Kapazität von 2m+1 Bit. Die
Kapazität des Zählers wird zunächst so gewählt, daß sich die gewünschte Unterteilung (Quantisierung) des
Bezugssignals ergibt. Darüberhinaus kann die Zähler-Kapazität so festgelegt werden, daß ein vom Zähler
angesteuerter Speicher mehrmals während einer Periode des Bezugssignals (einer Umdrehung) durchlaufen
wird.
Der Binärzähler dient als Adressenzähler zur Adressierung eines Digitalspeichers 21 mit 2m verschiedenen
Adressen. Die Adressen des Digitalspeichers 21 werden mit einer um den Faktor 2ra+' höheren Frequenz
als die interessierende Frequenz der Unwuchtschwingung fortgeschaltet Dies bedeutet daß der Digitalspeicher
bei jeder Umdrehung bzw. bei jeder Schwingungsperiode zweimal durchlaufen wird. Der Bezugssignal-Geber
muß also bei jeder Umdrehung bzw. für jede Periode des Bezugssignals doppelt so viele Zähl-Impulse
abgeben als Speicherplätze vorhanden sind. Seine Pulsrate /, ist gegeben durch:
4=2">+i . ω/2 π,
wenn ω die Kreisfrequenz der Unwuchtschwingung ist
Der Digitalspeicher ist so programmiert, daß er die fortlaufenden Sinus-Werte, und zwar für eine halbe
Umdrehung bzw. Periode des Bezugssignals, d. h. die Werte für sin 0-180° enthält. Sein Inhalt unter der
Adresse Nr. 1 ist also gleich sin 0 und unter der Adresse (p+1) gleich sin (p ■ 180°/2m), wobei (p+ 1)
< Anzahl der Speicherplätze 2™. Durch die angegebene Abstimmung
der Impulszahl pro Umdrehung mit der Anzahl der Speicherplätze und die angegebene Programmierung
des Digitalspeichers, wird auf einfache Weise das mit der Unwuchtschwingung frequenzgleiche Referenzsignal
als digitale Sinus-Funktion erzeugt.
In gleicher Weise wie beschrieben kann in der Schaltungsanordnung 5Zj über einen weiteren binären
κι Zähler und einen weiteren Digitalspeicher eine digitale
Kosinus-Funktion erzeugt werden.
Der Binärzähler 20 kann auch als Vorwahlzähler ausgebildet sein. In diesem Fall ist es möglich, den
Zähler von jedem beliebigen Zählerstand aus zu starten.
i") Damit kann beispielsweise für die Sinus- und Kosinus-Bezugswerte
der gleiche digitale Speicher verwendet werden. Zur Abrufung der Kosinus-Werte wird hierbei
der Vorwahlzähler über einen Setzeingang 5, der dem Rücksetzeingang des einfachen Zählers entspricht, auf
2ü eine Start- oder Ausgangsposition gesetzt, die einem
Phasenwinkel von π/2 entspricht. Falls erforderlich, können auch beliebige andere Phasenwinkel über den
Setzeingang vorgegeben werden, z. B. zur Ermittlung der Unwucht-Komponenten in einem schiefwinkligen
Koordinatensystem.
Die Arbeitsweise von binären Zählern und digitalen Speichern ist bekannt so daß über die oben angegebenen
Einzelheiten hinaus keine weiteren Angaben für das Verständnis der Schaltungsanordnung erforderlich sind.
jn Für die Zähler und Speicher können geeignete handelsübliche Bauelemente verwendet werden.
Die im Digitalspeicher 21 enthaltenen Werte werden im Takt der Zähl-Impulsfrequenz fortlaufend auf den
digitalen Eingang eines D/A-Wandlers 22 geschaltet.
Ein solcher Wandler ist auch in der Schaltungsanordnung 5b vorhanden. Das Meßsignal 2 wird auf den
analogen Referenzspannungs-Eingang UnI des Wandlers
gelegt. Im D/A-Wandler 22 findet nun eine multiplikative Verknüpfung zwischen dem Meßsignal 2
und dem jetzt in Form von digitalen Sinus- oder Kosinus-Werten vorliegenden Bezugssignal 4a statt
Am Ausgang Uanaiog des Wandlers liegt danach eine
analoge Spannung an, die das Produkt aus dem Meßsignal und den Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerten
darstellt.
Da eine digitale Zahl immer als Betrag vorliegt werden den D/A-Wandlern nur positive Werte des
Bezugssignals zugeführt Die negative Halbwelle des Bezugssignals wird nun dadurch erzeugt daß das am
Ausgang des Wandlers anliegende Signal bei den Sinus-Werten (in Sa) für den Bereich von 180°-360°
und bei den Kosinus-Werten (in Sb) für den Bereich von 90°—270° invertiert wird. Dies geschieht in der
Schaltungsanordnung Sa dadurch, daß das Signal durch eine Inverterschaltung 23 dann umgeschaltet wird, wenn
das höchstwertige Bit Qm des Adressenzählers gleich 1
ist In der Schaltungsanordnung Sb wird die Umschaltung (Invertierung) in ähnlicher Weise dann bewirkt
wenn der dem Kosinus-Wert Null entsprechende Zählerstand vorliegt
Am Ausgang der Schaltungsanordnungen 5a und Sb liegen jetzt analoge Ausgangsspannungen 6 und 7 (Uausj
an, die in bekannter Weise weiterverarbeitet werden können. Durch Integration der analogen Spannungen in
b5 der Integrations-Einrichtung 8 wird aus der Schaltung
5a die X-Komponente der Unwuchtschwingung als Spannung 9 und aus der Schaltung Sb die V-Komponente
als Spannung 10 ermittelt und auf den Anzeigegerä-
ten 11 und 12 dargestellt. Die Spannungen 9 und 10 können in bekannter Weise auch für die Darstellung der
Unwuchtschwingung nach Größe und Winkellage (in Polarkoordinaten) oder für die Steuerung des Unwuchtausgleichs
verwendet werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Verfahren zur Ermittlung der Vektor-Kompo- Vorwahlzähler ausgebildet und auf beliebige Zählnenten
einer Schwingung (z. B. in einem rechtwinkli- 5 Stellungen einstellbar ist
gen oder polaren Koordinatensystem), die in Form 11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, daeines
mit Störsignalen behafteten elektrischen durch gekennzeichnet daß zur Ermittlung jeder der
Meßsignals (Schwingungsgemisch) vorliegt mit beiden Vektor-Komponenten eine eigene Schal-Hilfe
eines elektrischen Bezugssignals, das einen zur tungsanordnung (5a, 5b) vorgesehen ist
Komponentenermittlung geeigneten sinus- bzw. ι ο
kosinusförmigen Verlauf aufweist und der zu
ermittelnden Schwingung frequenzgleich ist, wobei
Komponentenermittlung geeigneten sinus- bzw. ι ο
kosinusförmigen Verlauf aufweist und der zu
ermittelnden Schwingung frequenzgleich ist, wobei
das Meßsignal mit dem Bezugssignal multipliziert
wird und die entstehenden Produkte weiter verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, 15
daß das Meßsignal (2) als analoges Signal dem
daß das Meßsignal (2) als analoges Signal dem
Referenzspannungs-Eingang eines multiplizieren- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung
devi Digital-Analog-Wandlers (D/A-Wandler) (22) der Vektor-Komponenten (z.B. X, Yoder Größe und
zugeführt wird, daß das Bezugssignal (4, 4a) in Phasenlage) einer Schwingung aus einem mit Störsigna-
digitafe Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerte umge- 20 len behafteten Meßsigna! (Schwingungsgemisch) und
wandelt wird, daß die Bezugswerte dem digitalen einem Bezugssignal und eine Schaltungsanordnung zur
Eingang des D/A-Wandlers (22) zugeführt werden Durchführung des Verfahrens.
und daß die am Ausgang des D/A-Wandlers (22) Bei der Schwingungsanalyse besteht die Aufgabe, aus
anliegenden Analog-Signale (6, 7) zur Komponen- einem Schwingungsgemisch einzelne Frequenzkompo-
tenermittlung verarbeitet werden. 25 nenten oder Schwingungen zu ermitteln. Mathemati-
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- sehe Verfahren zur Lösung dieser Aufgaben sind
zeichnet, daß die digitalen Sinus- bzw. Kosinus-Be- bekannt (harmonische Analyse), ebenso technische
zugswerte unter Steuerung durch das Bezugssignal Realisit-rungmöglichkeiten. In der Auswuchttechnik
einem Speicher (21) entnommen werden. sind dies z.B. das wattmetrische Meßverfahren, die
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- J« Hall-Multiplikation und die gesteuerte Gleichrichtung,
zeichnet daß die digitalen Kosinus-Bezugswerte aus Das zu analysierende Schwingungsspektrum oder
Sinus-Bezugswerten abgeleitet werden. Schwingungsgemisch liegt meist als elektrisches Meß-
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch signal, ζ. B. als Spannung, vor oder wird in ein
gekennzeichnet daß die Entnahme der digitalen elektrisches Meßsignal umgewandelt. Das Schwin-Bezugswerte
aus dem Speicher (21) durch einen als 35 gungsgemisch enthält neben der interessierenden
Adressenzähler dienenden Binärzähler (20) ge- Schwingung oder Frequenzkomponente im allgemeinen
steuert wird. eine Vielzahl weiterer Störschwingungen unterschiedli-
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn- eher Amplitude und Frequenz, die unterdrückt oder
zeichnet, daß der Binärzähler (20) den Speicher (21) ausgeschieden werden müssen. Zu diesem Zweck wird
so fortschaltet daß der Speicher während einer 40 nach den bekannten Verfahren das Meßsignal mit einem
Periode der zu ermittelnden Schwingung mehrmals Bezugssignat auf elektrischem Wege multiplikativ
durchlaufen wird. verknüpft und anschließend integriert. Dadurch erhält
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn- man z. B. die X- und V-Komponenten in einem
zeichnet, daß durch Vorgabe von festen Adressen rechtwinkligen Bezugssystem oder die Größe und
(Zählerständen) im Binärzähler (20) jeweils bei 45 Phasenlage (in Polarkoordinaten) der interessierenden
Zählbeginn eine beliebige Phasenlage der Bezugs- Schwingung, z. B. einer Unwuchtschwingung.
werte erzeugt wird. Bei allen bekannten Verfahren ist die Produktbildung
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zwischen Meßsignal und Bezugssignal mehr oder
zeichnet, daß das Ausgangssignal des D/A-Wandlers weniger stark fehlerbehaftet. Insbesondere treten leicht
(22) in Abhängigkeit vom Stand des Adressenzählers 50 Nullpunktfehler auf. Darüberhinaus ist die technische
(2) invertiert wird. Realisierung der genannten Verfahren aufwendig und
8. Schaltungsanordnung zur Durchführung des damit teuer.
Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
einen multiplizierenden Digital-Analog-Wandler Verfahren zur Ermittlung der Vektor-Komponenten
(22) mit einem analogen Eingang (Ucai) für " einer Schwingung aus einem mit Störsignalen behafte-Referenzsignale
und einem digitalen Eingang, wobei ten Meßsignal und einem Bezugssignal zu schaffen, das
dem analogen Eingang das Meßsignal (2) und dem eine hohe Genauigkeit aufweist, einen vernachlässigbadigitalen
Eingang Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerte ren Nullpunktfehler hat und das eine preiswerte
mit bestimmter Phasenlage zugeführt werden, einen technische Realisierung ermöglicht. Diese Aufgabe wird
digitalen Speicher (21) für die Bezugswerte sowie 60 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Meßsignal als
einen von einem Bezugssignal-Geber (33) gesteuer- analoges Signal dem Referenzspannungs-Eingang eines
ten Binärzähler (20) für die Adressierung und multiplizierenden Digital-Analog-Wandlers (D/A-Fortschaltung
des digitalen Speichers (21). Wandler) und das Bezugssignal dem digitalen Eingang
9.Schaltungsanordnung nach Ansprüche,dadurch des Wandlers zugeführt wird, wobei das Bezugssignal
gekennzeichnet, daß am Ausgang des D/A-Wand- 65 aus zur Komponenten-Ermittlung geeigneten Sinuslers
(22) eine Inverterschaltung (23) angeschlossen bzw. Kosinus-Bezugswerten einer Schwingung besteht,
ist, die das Ausgangssignal des Wandlers dann die der zu ermittelnden Schwingung frequenzgleich ist,
invertiert, wenn die Zählerstellung des Binärzählers und daß die am Ausgang des D/A-Wandlers anliegen-
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