DE2633846A1

DE2633846A1 - Numerische regeleinrichtung

Info

Publication number: DE2633846A1
Application number: DE19762633846
Authority: DE
Inventors: Everett Reece Bishop; Marcel Henri Leroux
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-08-06
Filing date: 1976-07-28
Publication date: 1977-02-17
Also published as: GB1542505A; US4023085A; DE2633846C2; JPS599921B2; JPS5227974A

Description

Heichel u. Eoichel

6 Frankfurt a. M. 1

Paiksiraße 13

8512

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., VStA

Numerische Regeleinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine numerische Regeleinrichtung und befaßt sich insbesondere mit einer Rückführschleife einer numerischen Regeleinrichtung.. Da die Grundlage der Rückführung ein Phasenvergleich von Signalen ist, die eine Istlage und eine Sollage darstellen, wird die Rückführschleife auch als Phasenschleife bezeichnet.

Aus der US-PS 3 519 904 bzw. der DT-PS 1 249 ist eine numerische Regeleinrichtung mit einer Phasenschleife bekannt. Bei dieser numerischen Regeleinrichtung wird ein Gegenstand oder ein Objekt, beispielsweise das Werkzeug einer Werkzeugmaschine, in inkrementalen Schritten bewegt. Zu diesem Zweck ist ein Taktoszillator vorgesehen, der einen sog. Bezugszähler und einen sog. Befehlszähler ansteuert. Das Ausgangssignal des Bezugszählers wird einem Phasenspalter zugeführt, der das Ausgangssignal des Bezugszählers in zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Signale aufspaltet. Diese Signale werden'über Resolverspeiseschaltungen den Statorwicklungen eines Resol-

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vers zugeführt. Der Resolver hat einen Anker, der in Abhängigkeit von der Bewegung des Gegenstands eine Ausgangs schwingungsform erzeugt, die durch einen Wellenformer in ein analoges Rückführsignal geformt wird, das einen rechteckförmigen Schwingungsverlauf hat und das die Istlage des Gegenstands angibt. Das rechteckförmige Ausgangssignal des Befehlszählers ist in der Phase gegenüber dem rechteckförmigen Ausgangssignal des Bezugszählers verschoben. Diese Phasenverschiebung zeigt die gewünschte Lage des Gegenstands an. Die Phase des Ausgangssignals des Befehlszählers wird dann mit der Phase des Rückführsignals des Wellenformers verglichen, und zwar mit Hilfe eines Phasendiskriminators. Ein Phasendiskriminator ist eine analog arbeitende Vorrichtung, die ein analoges Fehlersignal abgibt, das dann einem Servoverstärker zugeführt wird, der einen Motor speist. Dieser Motor bewegt dann den Gegenstand in Richtung der gewünschten Lage.

Der analog arbeitende Phasenvergleicher ist mit einer im Ganzen gesehen numerisch arbeitenden Regeleinrichtung nicht kompatibel. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine numerische Regeleinrichtung zu schaffen, bei der der Phasenvergleich digital vorgenommen wird, so daß es sich bei der Phasenschleife um eine digitalisierte Phasenschleife handelt. Eine Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, in einer numerischen Regeleinrichtung ein analoges Phasensignal, das die Istlage eines Gegenstands anzeigt, in ein digitales Signal umzusetzen, das eine Änderung in der Istlage des Gegenstands anzeigt. Weiterhin soll die zu schaffende numerische Regeleinrichtung einen digitalen Vergleich zwischen einem digitalen Signal, das eine Änderung in der gewünschten Lage eines zu bewegenden Gegenstands anzeigt, und einem anderen digitalen Signal gestatten, das eine Änderung in der Istlage des zu bewegenden Gegenstands anzeigt.

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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im einzelnen an Hand einer Zeichnung erläutert. Eine einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In der Figur ist eine Phasenschleife einer numerischen Regeleinrichtung dargestellt. Die Phasenschleife enthält einen Motor 10 zum Bewegen eines Gegenstands 12, einen Servoverstärker 14 zum Antreiben des Motors, Rückführeinrichtungen, die einen mit dem Motor 10 gekuppelten Resolver 16 und einen Wellenumformer 18 aufweisen und die ein analoges Rückführsignal K₂ erzeugen, dessen Phase die Istlage des Gegenstands angibt, Einrichtungen, die einen Frequenzteiler oder Zähler 24, ein erstes und ein zweites Speicherregister 26 und 28, eine Subtrahierschaltung 30, Verzögerungsschaltungen 32 und 34, Sperrglieder 36 und 38 und einen ersten und einen zweiten Schalter 40 und 42 aufweisen und die das analoge Rückführsignal Kp in ein digitales Signal T₁ umsetzen, das eine Änderung in der Istlage des Gegenstands angibt, und Einrichtungen, die einen Digital/Analog-Umsetzer 44 aufweisen und ein digitales Befehlssignal COM, das die gewünschte Änderung in der Lage des Gegenstands angibt, mit dem digitalen Signal T^, das die Änderung in der Istlage des Gegenstands angibt, vergleichen, um ein digitales Fehlersignal zu erzeugen und um dieses digitale Fehlersignal in ein analoges Signal U, umzusetzen, das den Servoverstärker 14 ansteuert.

Weiterhin sind eine Taktquelle 54, ein Frequenzteiler oder ein Bezugszähler 56, ein Phasenspalter 58, eine erste und eine zweite Resolverspeiseschaltung 60 und 62 und eine erste und eine zweite Übergangsdetektorschaltung 64 und 66 vorgesehen. Die Taktquelle 54, der Bezugs-

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zähler 56, der Phasenspalter 58, die Resolverspeiseschaltungen 60 und 62, der Resolver 16, der Wellenformer 18, der Motor 10 und der Gegenstand sind im einzelnen in der US-PS 3 519 904 bzw. der DT-PS 1 249 977 beschrieben. Die verschiedenartigen erwähnten Blöcke und Komponenten können daher als Standardeinheiten betrachtet werden.

Beim Betrieb wird von einer Ausgangsklemme C der Taktquelle 54 ein Hochfrequenzsignal (beispielsweise 250 kHz) einem Eingangsanschluß D₁ des Bezugszähler 56 und einem Eingangsanschluß E₁ des Zählers 24 zugeführt. Sowohl der Bezugszähler 56 als auch der Zähler 24 teilen das Signal der Taktquelle durch einen Faktor von 1000 : 1. Auf diese Weise wird an einem Ausgangsanschluß D₂ des Bezugszählers ein rechteckförmiges Bezugssignal erzeugt, das auf einanderfolgende zyklische Übergänge mit einer Periode oder einem Abstand zwischen den Übergängen vom lOOOfachen Wert der Periode oder des Abstands der Übergänge des am Ausgangsanschluß C auftretenden Signals der Taktquelle aufweist. Jeder der zyklischen Übergänge des Bezugssignals ist hier als eine abrupte Signaländerung in Richtung auf einen weniger negativen oder mehr positiven Pegel definiert. Es sei bemerkt, daß die zyklischen Übergänge auch durch die Signaländerung in Richtung auf einen weniger positiven bzw. mehr negativen Pegel definiert werden könnten. Beim Zähler 56 ist die Frequenzteilungsfunktion von größter Bedeutung. Für den Zähler 24 ist die Zählfunktion von größter Bedeutung. Beide Zähler sind aber in der Lage, zu teilen und zu zählen.

Die beiden Übergangsdetektorschaltungen 64 und 66 können eine Differenzierschaltung und eine positiv gepolte Steuerdiode enthalten. Wenn dann ein rechteckförmiges Signal vom Zähler 56 einem Eingangsanschluß F₁ der Übergangsdetektorschaltung 66 zugeführt wird, tritt an einem Ausgangsanschluß F₂ der Übergangsdetektorschaltung 66 ein mo-

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mentaner Impuls auf, der jeweils einen zyklischen Übergang des rechteckförmigen Ausgangssignals des Bezugszählers 56 definiert. Die am Ausgangsanschluß Fp der Übergangsdetektorschaltung 66 auftretenden Impulse werden einem Synchronisationseingangsanschluß E₂ des Zählers 24 zugeführt, um die Zählvorgänge innerhalb des Zählers 24 mit den zyklischen Übergängen des Bezugssignals vom Bezugszähler 56 zu synchronisieren. Das Ausgangssignal des Bezugszählers wird auch einem Eingangsanschluß G₁ des Phasenspalters 58 zugeführt, der das Bezugssignal in zwei Signale aufteilt, die um 90° gegeneinander phasenverschoben sind. Die beiden um 90° gegeneinander phasenverschobenen Signale treten an Ausgangsanschlüssen G₂ und G^ des Phasenspalters auf und werden Eingangsanschlüssen H₁ und I₁ der Re solver spei.seschaltungen 60 und 62 zugeführt. An Ausgangsanschlüssen Hp und I₂ der Resolverspeiseschaltungen 60 und 62 treten dann Signale auf, die über Eingangsanschlüsse J₁ und J₂ zugehörigen Statorwicklungen des Resolvers 16 zugeführt werden. Der Resolver 16 hat einen Anker, der auf die Bewegung des Motors 10 anspricht, um an einem Ausgangsanschluß J, eine Ausgangsschwingungsform abzugeben. Diese Schwingungsform wird einem Eingangsanschlüß K₁ des Wellenformers 18 zugeführt, so daß an einem Ausgangsanschluß K₂ des Wellenformers ein rechteckförmiges Ausgangssignal entsteht, dessen Phasenverschiebung gegenüber dem Bezugssignal die Istlage des vom Motor 10 bewegten Gegenstands 12 anzeigt.

Das am Ausgangsanschluß K₂ des Wellenformers 18 auftretende rechteckförmige Signal wird einem Eingangsanschluß L₁ der Übergangsdetektorschaltung 64 zugeführt, um an einem Ausgangsanschluß L₂ zyklische Impulse zu erzeugen, die hinsichtlich der Zeit in bezug auf die zyklischen Übergänge am Ausgangsanschluß K₂ versetzt sind. Es sei wiederholt, daß ein "zyklischer Übergang" entsprechend der gegebenen Definition auftritt, wenn das Ausgangssignal des Wellenformers abrupt von einem Pegel zu einem positiveren Pegel

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übergeht. Die Impulse, die die zyklischen Übergänge des Ausgangssignals des Wellenformers 18 anzeigen, werden Steuereingangsanschlüssen der Schalter 40 und 42 sowie einem Eingangsanschluß M₁der Verzögerungsschaltung 32 zugeführt. Diese Impulse veranlassen, daß sich die Schalter 40 und 42 für die Dauer der Impulse schließen. Wenn der Schalter 40 geschlossen ist, wird von einem Ausgangsanschluß E, des Zählers 24 zu einem Eingangsanschluß O₁ des Speicherregisters 26 ein digitales Signal übertragen, dessen Zählwert zu der Istlage des Gegenstands 12 in Beziehung steht. Ein im Register 26 gespeichertes digitales Signal wird von einem Ausgangsanschluß Op des Registers 26 zu einem Eingangsanschluß P₁ des Speicherregisters 28 übertragen. Da sich der Zählwert innerhalb des Zählers 24 mit der Taktfrequenz der Taktquelle 54 ändert,. stellt das Signal innerhalb des Zählers 24 1000 Inkrementpositionen zwischen den Synchronisierimpulsen für den Gegenstand 12 dar.

Der dem Eingangsanschluß ML der Verzögerungsschaltung 32 zugeführte Impuls wird für eine hinreichend lange Zeit verzögert, um den vollständigen Empfang der Signale der Speicherregister 26 und 28 zu gestatten. Der Impuls wird dann von einem Ausgangsanschluß M₂ der Verzögerungsschaltung 32 an einen Eingangsanschluß N₁ der Verzögerungsschaltung 34 und an einen Steueranschluß Q₁ des Sperrglieds 36 gelegt. Wenn der Impuls vom Ausgangsanschluß Mp der Verzögerungsschaltung 32 am Steueranschluß Q₁ des Sperrglieds 36 anliegt, können die von den Ausgangsanschlüssen Op und Pp der Speicherregister 26 und 28 den Eingangsanschlüssen Q₂ und Q, des Sperrglieds 36 zugeführten Signale zu Ausgangsanschlüssen Q^ und Qc des Sperrglieds 36 gelangen und von dort zu Eingangsanschlüssen R₁ und Rp der Subtrahierschaltung 30. Da das im Speicherregister 26 gespeicherte Signal stets aufgrund des nächsten zyklischen Übergangsimpulses, der den Schaltern

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40 und 42 zugeführt wird, zum Speicherregister 28 übertragen und dort gespeichert wird, wird aufgrund des verzögerten Impulses (der einen zyklischen Übergang des Ausgangssignals des Wellenformers 18 anzeigt) das im Speicherregister 26 gespeicherte Signal von dem im Speicherregister 28 gespeicherten Signal subtrahiert. Am Ausgangsanschluß R-x der Subtrahierschaltung 30 tritt daher ein digitales Signal auf, das die Änderung in der Istlage des Gegenstands anzeigt, die innerhalb einer Zeitperiode zwischen zwei aufeinanderfolgenden zyklischen übergängen des Ausgangssignals des Wellenformers 18 auftritt.

Der zyklische Übergangsimpuls, der dem Eingangsanschluß N₁ der Verzögerungsschaltung 34 zugeführt wird, wird von der Verzögerungsschaltung 34 zeitlich verzögert und vom Ausgangsanschluß N₂ ^^er Verzögerungsschaltung 34 einem Steueranschluß S₁ des Sperrglieds 38 zugeführt, um unmittelbar nach dem Auftreten eines digitalen Signals am Ausgangsanschluß R-* der Subtrahierschaltung 30 das Sperrglied 38 freizugeben. Dieses digitale Signal, das die Änderung in der Istlage des Gegenstands angibt, wird somit vom Eingangsanschluß S2 zum Ausgangsanschluß S-* des Sperrglieds 38 weitergeleitet und gelangt dann zum Eingangsanschluß T₁ des D/A-Umsetzers 44. Eine Bahnberechnungseinheit oder ein Bandleser liefert ein digitales Befehlssignal COM, das die Solländerung oder die gewünschte Änderung in der Lage des Gegenstands angibt, an einen Eingangsanschluß T₂ des D/A-Umsetzers 44. Der D/A-Umsetzer 44 vergleicht die ihm an den Anschlüssen T₁ und T₂ zugeführten Eingangssignale miteinander und erzeugt ein digitales Fehlersignal, das er dann in ein analoges Signal umsetzt, das über Ausgangsanschlüsse T, und T^ des D/A-Umsetzers 44 Eingangsanschlüssen U₁ und Up des Servoverstärkers 14 zugeführt wird. Das am Ausgangsanschluß U, des Verstärkers 14 auftretende verstärkte Signal wird einem Eingangsanschluß V des Motors 10 zugeführt j um den Gegen-

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stand 12 in Übereinstimmung mit gewünschten oder programmierten Lageänderungen zu bewegen.

Auf diese Weise wird das phasenverzögerte Signal, das die Istlage des Gegenstands angibt und das am Ausgang des Wellenformers 18 auftritt, durch die beschriebene digitalisierende Phasenschleifenschaltung in ein digitales Signal umgesetzt, das die Istlagenänderung des Gegenstands anzeigt, die innerhalb einer Zeitperiode auftritt, die von zwei aufeinanderfolgenden zyklischen Übergängen des Bezugssignals am Ausgang des Wellenformers bestimmt ist, so daß dann das erzeugte digitale Signal mit einem digitalen Befehlssignal verglichen werden kann, das die gewünschte Lagenänderung des Gegenstands anzeigt.

Weiterhin sei bemerkt, daß bei dem Vergleich der beiden in den Speicherregistern 26 und 28 gespeicherten Signale und bei der Subtraktion dieser Signale in der Subtrahierschaltung 30 das dem Eingangsanschluß T^ des D/AUmsetzers 44 zugeführte Signal Information enthält, die die eine Polarität anzeigt, wenn der Zählwert des Signals im Register 26 größer als der Zählwert des Signals im Register 28 ist, und die entgegengesetzte Polarität anzeigt, wenn der Zählwert des Signals im Speicherregister 26 kleiner als der Zählwert des Signals im Speicherregister 28 ist. Die Ausgangssignale des D/A-Umsetzers 44 und des Servoverstärkers 14 sind daher in der Lage, Richtungsänderungen in der Bewegung des Gegenstands anzuzeigen, so daß der Motor in einer von zwei möglichen Richtungen gedreht werden kann, um für die Bewegung des Gegenstands 12 eine Richtungssteuerung vorzusehen.

Zur weiteren Erläuterung der beschriebenen Einrichtung wird ausgeführt, daß die Speicherregister 26 und 28 und auch die Subtrahierschaltung 30 derart ausgebildet sind, daß sie parallel ein- und ausgelesen werden können. Die Schalter 40 und 42 und auch die Sperrglieder 36 und 38

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sind dann der vorhandenen Anzahl von Stufen angepaßt. Der Transfer der im Zähler 24 gespeicherten Zahl zum Speicherregister 26 ist ein Transfer, bei dem eine Löschung nicht auftritt. Das bedeutet, daß der Zähler 24 seinen Zählwert beibehält, den er an das Speicherregister 26 transferiert. Die Speicherregister 26 und 28 werden beim Auslesen gelöscht. In diesen Registern kommt es daher zu keiner akkumulativen Speicherung der transferierten Zählwerte. Der Zähler 24 dupliziert die Funktionen des Zählers 56 und stellt in dieser Beziehung einen redundanten Sicherheitsschutz dar. Falls es erwünscht ist, kann man den Zähler 24 und die Übergangsdetektorschaltung 66 weglassen. In diesem Falle würde das Einlesen in das Speicherregister 26 über den Schalter 40 anstatt vom Zähler vom Zähler 56 aus vorgenommen werden.

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Claims

Patentansprüche

1.J Numerische Regeleinrichtung,
gekennzeichnet durch

a) einen Motor (10) zum Bewegen eines zu regelnden Gegenstands (12),

b) einen Servoverstärker (14) zum Antreiben des Motors,

c) eine mit dem Motor gekuppelte Rückführeinrichtung (16, 18, 60, 62) zum Erzeugen eines analogen Rückführsignals, dessen Phase die Istlage des Gegenstands angibt,

d) eine Einrichtung (26, 28, 30) zum Umsetzen des analogen Rückführsignals in ein digitales Signal, das eine Änderung in der Istlage des Gegenstands anzeigt, und

e) eine Einrichtung (44) zum Vergleichen eines die gewünschte Änderung in der Lage des Gegenstands anzeigenden digitalen Signals mit dem umgesetzten digitalen Signal zwecks Erzeugung eines digitalen Fehlersignals und zum Umsetzen des digitalen Fehlersignals in ein analoges Signal, das dem Servoverstärker als Eingangssignal zugeführt wird.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, mit einem Taktoszillator,

dadur ch gekennzeichnet, daß die Rückführeinrichtung enthält:

a) einen auf die Bewegung des Gegenstands ansprechenden Resolver (16),

b) eine Einrichtung (56, 58, 60, 62) zum Erregen oder Speisen des Resolvers in einer solchen Weise, daß der Resolver eine Schwingungsform abgibt, die die Istlage des Gegenstands anzeigt, wobei die Resolvererregereinrichtung einen als Bezugszähler (56) bezeichneten Bezugsfrequenzteiler aufweist, der von dem Taktoszillator (54) angesteuert wird, und wobei der Bezugszähler eine Schwingungsform liefert, die zyklische Übergänge aufweist, und

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c) eine Wellenformereinrichtung (18), die die Ausgangsschwingungsform des Resolvers in das analoge Rückführsignal ändert, dessen Schwingungsform zyklische Übergänge aufweist.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung enthält:

a) eine erste nicht akkumulierende Speichereinrichtung (26), in die jeweils beim Auftreten eines zyklischen Übergangs in dem analogen Rückführsignal eine Gruppe von Signalen eingelesen wird, die den im Bezugszähler enthaltenen numerischen Zählwert darstellt,

b) eine zweite nicht akkumulierende Speichereinrichtung (28), in die jeweils beim Auftreten eines zyklischen Übergangs des analogen Rückführsignals der 4n der ersten Speichereinrichtung (26) gespeicherte Zählwert eingelesen wird, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß die in die erste Speichereinrichtung aufgrund eines zyklischen Übergangs des analogen Rückführsignals eingelesene Signalgruppe in der zweiten Speichereinrichtung aufgrund des nächstfolgenden zyklischen Übergangs des analogen Rückführsignals empfangen wird, und

c) eine Einrichtung (30) zum Subtrahieren der in der ersten Speichereinrichtung gespeicherten Signalgruppe von der in der zweiten Speichereinrichtung gespeicherten Signalgruppe jeweils beim Auftreten eines zyklischen Übergangs des analogen Rückführsignals zwecks Erzeugung eines digitalen Signals, das die Istlage-Änderung des Gegenstands anzeigt, die innerhalb einer durch zwei aufeinanderfolgende zyklische Übergänge des analogen Rückführsignals bestimmte Zeitperiode auftritt.

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