DE2701067A1

DE2701067A1 - Synchro-/digital-konverter

Info

Publication number: DE2701067A1
Application number: DE19772701067
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Clarus Rice; Terry Allen Tucker
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1976-01-12
Filing date: 1977-01-12
Publication date: 1977-07-21
Also published as: GB1523680A; FI763732A; FR2337972A1; CA1093212A; US4031531A; FR2337972B3; SE7700210L; JPS5286350A

Description

Patentanwälte Dipl -Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

S Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 12. Januar 1977

Unser Zeichen: ^ 7^0 F/Nu

Sperry Rand Corporation New York, USA

Synchro-ZDigital-Konverter

Die Erfindung bezieht sich auf Analog-ZDigital-Konverter tmd insbesondere auf Synchro-ZDigital-Konverter.

Es sind verschiedene Arten von Synchro-/Digital-Konvertern bekannt, von denen viele mechanische Kommutatoreinrichtungen verwenden, bei denen ein Kommutator an einer drehbaren Welle befestigt und derart codiert ist, daß ein stationärer Abtastmechanismus ein eindeutiges Signal für irgendeine Winkelstellung der Welle feststellen und diese Information in das gewünschte Signalformat umwandeln kann. Derartige Konverter weisen jedoch einen hohen Raumbedarf auf und sind mechanischen Fehlern und Ausfällen unterworfen.

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Bei einer anderen Art eines Synchro-/Di£r:ital-Konverters wird das Dreidreht-Synchrosignal in Zweidraht-Sinus- und -Cosinusäquivalente umgewandelt. Diese Signale werden verglichen, um den Sektor zu bestimmen, in dem der zu messende Winkel liegt, worauf sie in binäre Darstellungen des Winkels innerhalb dieses Sektors mit Hilfe aufeinanderfolgender Näherungen umgewandelt werden. Derartige Einrichtungen erzeugen eine Fehlerfunktion, die unregelmäßig ist und mehrere Diskontiuuitäten enthält. Weiterhin müssen diese Einrichtungen vom Anwender so ausgebildet werden, daß sie eine spezielle Art eines Analogsignals codieren, und es muß ein getrennter Kanal für Jede Art des Analogsignals geliefert werden, das zu codieren ist.

In der US-Patentschrift 3 516 084 ist ein Synchro-/Digital-Konverter beschrieben, bei dem das Dreidraht-Signal in Zweidraht-Sinus- und -Gosinussignale umgewandelt wird. Die Polarität jedes der Sinus- und Cosinus-Signale sowie die relativen Größen der beiden Signale werden bestimmt und zur Anzeige des Oktanten verwendet, in dem der dem Eingangssignal entsprechende Winkel liegt. Operationsverstärker werden zur Erzeugung eines linearisierten Interpolationssignals verwendet, das in üblichen linearen Verhältnis-Codiereren codiert werden kann. Obwohl dieser Konverter eine gute Brauchbarkeit aufweist, ist die Schaltung relativ kompliziert und nicht ohne weiteres für eine Miniaturisierung geeignet.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Synchro-/Digital-Konverter umfaßt Einrichtungen zum Empfang der drei Stator-Ausgangsspannungen und einer Abtastprobe der Rotor-Erregungsspannung eines Synchros, getrennte Kanäle zur Verarbeitung

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der jeweiligen Statorspannungen und Einrichtungen zur Erzeugung eines Taktimpulses an einem vorgegebenen Punkt in (jeder Periode der Rotor-Erregungsspannung, und jeder Kanal schließt Spannungsvergleichereinrichtungen zur Erzeugung eines Schalt signal ε dann und nur dann, wenn, die zugehörige Stator-Ausgangsspannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, und bistabile Schalteinrichtungen ein, die zum Empfang von SchaltSignalen von dem Vergleicher in dem gleichen Kanal angeschaltet sind und die so aufgebaut und ausgebildet sind, daß sie auf erste oder zweite bistabile Zustände in Abhängigkeit von einem Taktimpuls schalten, der bei Vorhandensein bzw. Fehlen eines Schaltsignals auftritt, und es sind Ausgangseinrichtungen an jeder Schalteinrichtung zur Erzeugung eines stetigen Ausgangssignals vorgesehen, das den bistabilen Zustand der Schalteinrichtung darstellt.

Auf diese Weise werden eine Winkelstellung oder Winkelbewegung darstellende Dreidraht-Synchrosignale in äquivalente digitale Signale dadurch umgewandelt, daß die Polarität jedes Synchro-Signals festgestellt und diese Information in einzelne digitale Signale im parallelen Format umgesetzt wird, wobei jedes Signal einen Binärwert aufweist, der durch die momentane Polarität des zugehörigen einzelnen Synchro-Signals bestimmt ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

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In dei" Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Betriebsprinzipien des erfindungsgemäßen Synchro-/ Digital-Konverters,

Fig. d eine Tabelle, die die in Fig. 1 dargestellten Erscheinungen zusammenfaßt,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform des Synchro-/ Digital-Konverters.

Synchro-Geber werden in großem Umfang für die Erzeugung elektrischer Signale verwendet, die eine Winkelstellung oder Winkelbewegung anzeigen. Derartige Einrichtungen weisen typischerweise drei Statorwicklungen und einen bewikkelten Rotor auf, der mit Wechselstrom erregt wird. In den Statorwicklungen werden Spannungen aufgrund des Magnetfeldes induziert, das mit der erregten Rotorwicklung verbunden ist, und diese Spannungen weisen Werte auf, die von der momentanen Winkelposition des Rotors abhängen. Die Statorwicklungen bei derartigen Einrichtungen sind üblicherweise in Sternschaltung miteinander verbunden, so daß sich drei Stator-Ausgangsanschlüsse ergeben. Ausgangssignale werden von den jedem Paar von benachbarten Statorwicklungen entsprechenden Anschlüssen abgenommen.

Fig. 1 zeigt, wie sich die Werte und Größen der drei einphasigen Spannungen in Abhängigkeit von der Rotorstellung ändern. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist eine vollständige Umdrehung des Rotors so dargestellt, als ob sechs eine gleiche Winkelbreite aufweisende Zustände

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durchlaufen werden, wie dies aus Fig. 1 zu erkennen ist. Die Betrachtung der Fig. 1 läßt zwei Tatsachen erkennen, auf denen die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Synchro-/ Digital-Konverters beruht: Die Polarität jeder Spannung bleibt über irgendeinen vorgegebenen Zustand unverändert und die spezielle Kombination der Polaritäten der drei Spannungen ist für irgendeinen vorgegebenen Zustand eindeutig.

Diese beiden Tatsachen lassen sich noch besser unter Bezugnahme auf Fig. 2 verdeutlichen, in der die jeder Spannung zugeordneten Zahlen 1 und O zur Anzeige einer positiven bzw. negativen Polarität dieser Spannung verwendet werden.

Die Art und Weise, wie in dem erfindungsgemäßen Synchro-/ Digital-Konverter diese Erscheinungen in der Praxis verwendet werden, wird am besten an Hand des Schaltbildes nach Fig. 3 verständlich.

Die drei Synchro-Statorausgangsspannungen werden zwischen den entsprechenden Eingangsanschlussen S^, S^ und Sv angelegt. Die zur Erregung des Rotors des Synchros verwendete Wechselspannung wird außerdem an die Anschlüsse ILj und Rp angelegt und dient zur Erzeugung einer Takt-Spannung zur Synchronisation der Betriebsweise der verschiedenen Bauteile der Schaltung. Die verschiedenen Eingangsspannungen werden abwärts transformierenden Transformatoren 11, 13* 15 und 17 zugeführt, um die Spannungen auf einen geeigneten Pegel zu verringern. Eine Seite der Sekundärwicklung jedes der Transformatoren 11, I3, I5, 17 ist auf Erde bezogen. Die entgegengesetzten Seiten der Sekundärwicklungen

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- -β- PO

der Transformatoren '11, 13 Wid 15, die in Dreieckschaltwig miteinander verbunden sein können, werden identischen Kanälen zur Verarbeitung der jeweiligen Signale zugeführt. Die nicht geerdete Seite der Sekundärwicklung des Transformators 17 wird einer Taktschaltung zugeführt.

Im einzelnen wird die Spannung von dem Transformator 11 dem invertierenden Anschluß eines Spannungsvergleichers 19 über ein übliches Schutz-Netzwerk 21 zugeführt. Der Spannungsvergleicher 19 ist ein übliches bekanntes Bauelement, das beispielsweise vom Typ LM31I sein kann (Hersteller National Semiconductor Company).

Der nicht invertierende Eingangsanschluß des Spannungsvergleichers 19 ist über einen Serienwiderstand 23 auf Erdpotential bezogen. Der Schaltsignal-Ausgang des Spannungsvergleichers 19 ist an einen Lastwiderstand 25 und an einen Eingangsanschluß einer taktgesteuerten Flipflopschaltung in einer Gruppe von Flipflopschaltungen 27 angelegt. Obwohl einzelne Fiipflopschaltungen für jede der Signelverarbeitungsschaltungen verwendet werden können, wenn dies erwünscht ist, ist es zweckmäßiger, im Handel erhältliche integrierte Bauelemente zu verwenden, wie z. B. den "Vierfach-Leitungstreiber" vom Typ SN 74-175 (Hersteller beispielsweise Texas Instrument Company), der vier getaktete Flipflopschaltungen enthält, die jeweils auf getrennte Eingangssignale während des Auftretens eines einzigen Taktimpulses ansprechen. Der Ausgang der dem Spannungsvergleicher 19 zugeordneten Flipflopschaltung erscheint am Anschluß Q^, und dieser Ausgang wird über ein Puffer-Verknüpfungsgliea 28 einem Ausgangsanschluß 29 sowie über einen Gegenkopplungswiderstand 3I &em nicht

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ORIGINAL INSPECTED

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invertierenden Eingangsanschluß des Spannungsvergleichers 19 zugeführt.

Die Ausgangssignale der Sekundärwicklungen der Transformatoren I3 und 15 werden über Spannungsvergleicher 33 bzw. 35 identischen Signalverarbeitungskenälen zugeführt.

Wie es weiter oben erwähnt wurde, wird die dem Rotor des Synchros, dessen Signal verarbeitet werden soll, zugeführte Erregungsspannung den Eingangsanschlüssen R^ und Rp zugeführt und dann über den Transformator 17 und das Schutz-Netzwerk 37 dem nicht invertierenden Eingangsanschluß eines Spannungsvergleichers 39 zugeführt. Der invertierende Anschluß des Vergleichers 39 ist mit einer Quelle für eine positive Verschiebungs-Vorspannung über einen Serienwiderstand 41 verbunden. Das Ausgangssignal von dem Vergleicher 39 wird an einen Lastwiderstand 4-3 angelegt und weiterhin dem Takteingangsanschluß der Gruppe von Flipflopschaltungen 27 zugeführt. Ein übliches RC-Netzwerk 44 kann hinzugefügt werden, um Schaltstörungen zu verringern, wenn dies erwünscht ist.

Aufgrund der positiven Verschiebungs-Vorspannung, die dem Vergleicher 39 zugeführt wird, und aufgrund der Tetsache, daß das dem Transformator 17 zugeführte Eingangssignal von der Rotor-Erregungsspannung abgeleitet ist, ermöglicht diese Taktschaltung die Auftastung des Ausganges der drei Vergleicher 19, 33, 35 der drei Signalverarbeitungsschaltungen in die Flipflopschaltungen beim Spitzenwert der der Leitung R^ zugeführten Spannung, so daß sich stabile Phasenbeziehungen ergeben.

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Zum Verständnis der Betriebsweise der Schaltung sei angenommen, daß der Spannungsausgang des Transformators 11 derart ist, daß der Spannungsvergleicher 19 abgeschaltet ist. V/eil die Vergleicher auf einen Null-Spannungspegel bezogen sind, erzeugt der Vergleicher 19 ein Schaltsignal, wenn die Spannung von dem Transformator 11 die Null-Achse durchquert. Dieses Schaltsignal wird dem Anschluß D^ der Flipflopschaltung 27 zugeführt. Die Flipflopschaltung ändert ihren Zustand jedoch nicht, bevor die dem Transformator 17 zugeführte Rotor-Erregungsspannung einen ausreichenden Pegel erreicht, um die Flipflopschaltung 27 über den Spannungsvergleicher 39 aufzutasten. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich der Spannungspegel an dem Anschluß Q^ der Gruppe von Flipflopschaltungen 27 abrupt, so daß ein Gegenkopplungssignal an das Widerstandspaar 23 und 3I geliefert wird, was effektiv den Schwellwert verringert, so daß das Eingangssignal unmittelbar als weit über dem Schwellwertpegel liegend erscheint. Im Ergebnis arbeitet diese Gegenkopplungsschaltung als Hystereseschleife, die Störschwingungen verhindert, die andernfalls während des Schaltvorgangs auftreten könnten.

Das Ausgangssignal von dem Ausgang Q^ wird weiterhin dem Ausgangsanschluß des Konverters über ein Puffer-Verknüpfungsglied 28 zugeführt. Das Puffer-Verknüpfungsglied kann typischerweise ein NAND-Verknüpfungsglied sein, das die eine niedrige Leistung aufweisenden Signale von der Flipflopschaltung auf höhere Leistungspegel umsetzt. Es ist verständlich, daß das Verknüpfungsglied 28 für die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Synchro-/Digital-Konverters nicht wesentlich ist und daß die Verwendung und die genaue Art dieses Verknüpfungsgliedes von der speziellen

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Last abhängt, die angesteuert werden soll.

Es ist verständlich, daß die Synchro-Spannungen, die dem Eingang der Schaltung nach Fig. 3 zugeführt werden, typischerweise bei relativ hohen Frequenzen auftreten, wie z. B. 60 Hz oder 400 Hz, je nachdem, während die Winkelverstellung des Rotor-Synchros üblicherweise bei einer niedrigeren Geschwindigkeit oder Drehzahl erfolgt.

Es ist weiterhin verständlich, daß die sinusförmigen Kurven nach Fig. 1 die Amplituuen der Wechselspannungen darstellen sollen, die an den verschiedenen Ausgangsanschlüssen eines Synchros für irgendeine Position des Synchro-Rotors auftreten, und daß weiterhin aufgrund der Auftastung der Gruppe von Flipflopschaltungen 27 durch die mit dem Vergleicher 39 verbundene Taktschaltung an Hand der Rotor-Erreger spannungen die Ausgangsspannungen der Vergleicher 19, 33 und 35 gleichzeitig an dem gleichen Punkt in Jeder Wechselspannungsperiode abgetastet werden. Die Schaltung nach Fig. 3 ergibt im Ergebnis eine "Gleichrichterwirkung" für die Schwingungen nach Fig. 1 und erzeugt stetige Ausgangsspannungen an jedem Ausgangsanschluß, die die Polarität der Kurven nach Fig. 1 bei irgendeiner vorgegebenen Rotorstellung darstellen.

Die in den die Spannungsvergleicher 33 und 35 enthaltenden Kanälen verarbeiteten Signale erscheinen an den Ausgangsanschlüssen 45 bzw. 47. Der erste Taktimpuls, der auftritt, nachdem die Rotorposition einen neuen Zustand erreicht hat (Fig. 1), schaltet die jeweilige Flipflopschaltung in einen Zustand, der für diesen Stellungszustand des Rotors charakteristisch ist. Die Flipflopschaltungen

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verbleiben in dem gleichen Zustand, bis der Rotor einen anderen Stellungs-Zustand erreicht. Damit liefert die Schaltung eine Kombination von einen hohen und niedrigen Pegel aufweisenden stetigen Spannungen, die eindeutig durch die Rotorstellung bestimmt sind.

Es sei daran erinnert, daß die Tabelle nach Fig. 2 zur Zusammenfassung der in Fig. 1 dargestellten Bedingungen verwendet wurde, und es ist ohne weiteres zu erkennen, daß die gleiche Tabelle zur Zusammenfassung der Bedingungen verwendet werden kann, die an den Ausgangsanschlüssen 29, 4-5 und 4-7 auftreten, wobei den Ausgangsspannungen übliche Binärwerte zugeordnet sind. Eine Betrachtung der Tabelle zeigt nicht nur, daß jeder Zustand durch eine eindeutige Kombination von Ausgangsspannungen identifiziert ist, sondern daß das Format der Spannungen über den gesamten Betriebsbereich mit einem Gray-Code übereinstimmt.

Die Schaltung kann ohne weiteres so ausgebildet werden, daß sie Ausgangsspannungen mit einem TTL-Pegel liefert. Bei anderen Anwendungen kann es bevorzugt werden, die Ausgangsspannungen von den Flipflopschaltungen Transistor-Spannungspufferschaltungen zuzuführen, die zur Ansteuerung eines Schrittmotors geeignet sind.

Patentansprüche

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Synchro-/Digital-Konverter, dadurch gekennzeichnet, daß ~ Einrichtungen (11, 1$, 15, 17) zum Empfang der drei Stator-Ausgangsspannungen und einer Probe der Rotor-Erregungsspannung eines Synchros, getrennte Kanäle zur Verarbeitung der jeweiligen Statorspannungen und Einrichtungen (37i 39, 41, 43, 44) zur Erzeugung eines Taktimpulses an einem vorgegebenen Punkt in jeder Periode der Rotor-Erregungsspannung vorgesehen sind, daß jeder Kanal Spannungsvergleichereinrichtungen (19, 33, 35) zur Erzeugung eines Schaltsignals dann und nur dann, wenn die zugehörige Stator-Ausgangsspannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, und bistabile Schalteinrichtungen (27) einschließt, die zum Empfang der Schaltsignale von dein Vergleicher in dem gleichen Kanal angeschaltet sind, daß die bistabilen Einrichtungen (27) so aufgebaut und ausgebildet sind, daß sie auf erste oder zweite bistabile Zustände in Abhängigkeit von dem Auftreten eines Taktimpulses bei Vorhandensein bzw. Fehlen eines Schaltsignals schalten und daß Ausgangseinrichtungen (28) an jeder Schalteinrichtung vorgesehen sind, um ein stetiges Ausgangssignal zu erzeugen, das den bistabilen Zustand der Schalteinrichtungen anzeigt.
2. Synchro-ZDigital-Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Schwellwert auf Erdpotential eingestellt ist, so daß jeder Vergleicher (19, 33, 35) ein Schaltsignal lediglich für eine Polarität der zugehörigen Stator-Ausgangsspannung erzeugen kann.

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3. Synchro-/Digital-Konverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Gegenkopplungseinrichtungen (31) zur Absenkung des Schwellwertpegels eines vorgegebenen Spannungsvergleichers (19, 33, 35) vorgesehen sind, wenn die zugehörige bistabile Schalteinrichtung (27) in Abhängigkeit von dem Auftreten eines Schaltsignals geschaltet wird.
4. Synchro-/Digital-Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die drei Stator-Ausgangsspannungen dem Konverter über getrennte Transformatoren (11, 15, 15) zugeführt werden, deren Sekundärwicklungen zwischen Erde und einem Eingangsanschluß des entsprechenden Spannungsvergleichers (19, 33, 35) eingeschaltet sind, daß ,jeder Spannungsvergleicher (19, 33, 35) mit einem zweiten Eingangsanschluß über ein Widerstandselement (23) mit Erde verbunden ist, und Gegenkopplungsschleifen (31) zur Zuführung von Signalen von dem Ausgang jeder bistabilen Schalteinrichtung (27) an den zweiten Anschluß des zugehörigen Spannungsvergleichers (19, 33, 35) einschließt, so daß der Schwellwertpegel abgesenkt wird, sobald die bistabile Schalteinrichtung (27) in Abhängigkeit von einem Schaltsignal geschaltet wird.
5. Synchro-/Digital-Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung eines Taktimpulses zusätzliche Vergleichereinrichtungen (39) einschließen, die auf eine Verschiebungs-Spannung derart vorgespannt sind, daß ein Taktimpuls zu einem Zeitpunkt in jeder Periode der Rotor-Erregerspannung erzeugt wird, wenn diese Spannung sich in der Nähe ihres Spitzenwertes befindet.

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6. Synchro-/Digital-Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß drei Eingangstransformatoren (11, 13, 15) vorgesehen sind, die in Dreieckschaltung geschaltet sind und Stator-Ausgangs spannungen von einem externen Synchro-Geber empfangen, daß ein vierter Transformator (17) vorgesehen ist, der eine Probe der an den Synchro angelegten Rotor-Erregung empfängt, daß jeder Transformator (11, 13, 15, 17) eine Sekundärwicklung aufweist, von der eine Seite mit Erde verbunden ist, daß eine Anzahl von Kanälen zur getrennten Verarbeitung der Jeweiligen Stator-Ausgangsspannungen vorgesehen ist, daß jeder Kanal einen Spannungsvergleicher (19, 33, 35) und eine taktgesteuerte Flipflopschaltung (27) einschließt, daß jeder Spannungsvergleicher (19, 33, 35) über ein Widerstandselement (23) auf einen Erdpotential-Schwellwertpegel bezogen ist und mit einem Eingangsanschluß mit der ungeerdeten Seite der Sekundärwicklung eines der im Dreieck geschalteten Transformatoren verbunden ist, so daß jeder der Spannungsvergleicher nur dann ein Schaltsignal erzeugt, wenn die Spannung an seinem Eingangsanschluß den Schwellwertpegel überschreitet, daß eine Taktimpuls-Generatorschaltung mit einem Spannungsvergleicher (39) vorgesehen ist, der mit der Sekundärwicklung des vierten Transformators (17) verbunden ist und auf eine Verschiebungsspannung derart vorgespannt ist, daß er einen Taktimpuls erzeugt, wenn sich die Rotor-Erregungsspannung ihrem Spitzenwert mit einer vorgegebenen Polarität nähert, daß jede der taktgesteuerten Flipflopschaltungen (27) zum Empfang der Taktimpulse und der Ausgangssignale von dem Spannungsvergleicher (19, 33, 35) in dem zugehörigen Kanal gekoppelt ist, so

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daß die Flipflopschaltung in Abhängigkeit von einem Taktimpuls in einen Zustand geschaltet wird, der durch den Ausgang des Spannungsvergleichers in dem gleichen Kanal bestimmt ist, daß getrennte Gegenkopplungseinrichtungen (31) in Jedem Kanal zwischen dem Ausgang der zugehörigen Flipflopschaltung (27) und dem zugehörigen Spannungsvergleicher (19, 33, 35) eingeschaltet sind, um den Schwellwert dieses Vergleichers in Abhängigkeit von einem Schaltsignal von dem Vergleicher zu verringern, und daß die Ausgangsanschlüsse der taktgesteuerten Flipflopschaltungen (27) so angeordnet sind, daß sie gleichzeitige binär bewertete Ausgangssignale in einem bekannten Digitalcodeformat liefern·

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