DE2612238B2 - Verfahren zur Ermittlung der Vektor-Komponenten einer Schwingung und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

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:

U_amiog= U_csl ■ 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 U_C3i 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 2^m+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 2^m verschiedenen Adressen. Die Adressen des Digitalspeichers 21 werden mit einer um den Faktor 2^ra+' 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°/2^m), 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 U_nI 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 Q_m 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 2 (20) einen vorgegebenen Wert aufweist Patentansprüche: 10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Binärzähler (20) als

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

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

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 (U_cai) 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-