DE2711593A1

DE2711593A1 - Tachometer operating from standstill to high speeds - uses diodes and phase-locked loop controller and has pulse frequency increased in proportion to rotational speed

Info

Publication number: DE2711593A1
Application number: DE19772711593
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: JOHANNES HUEBNER FABRIK ELEKTRISCHER MASCHINEN GmbH
Current assignee: JOHANNES HUEBNER FABRIK ELEKTRISCHER MASCHINEN GmbH
Priority date: 1977-03-17
Filing date: 1977-03-17
Publication date: 1978-09-21

Abstract

The tachometer is of a type that will operate from standstill to high speeds and consists of an optical pulse source made from two separate interrupt devices. Each device comprises a light source and photo diode together with a light barrier. The light barriers (4, 5) are mounted on the interrupt wheel (1) at 180 deg. angular (+-) 180 deg. signal phase apart. The separate output signals are combined to give a combined signal converted into frequency proportional to rotational speed. The ac portion of the current of the output signal is passed through a peak d.c. rectifier and this resulting figure is used to indicate movement or stillness of the wheel. The pulse frequency is increased using a phase-lock loop control and this decreases the measurement time.

Description

Drehzahlmesser Die Erfindung betrifft einen Drehzahlmesser mit einem optischen lmpulsgeber, bestehend aus mindestens zwei einem Unterbrecherrad zugeordneten und aus je einer Lichtquelle und je einem Fotodetektor zusammengesetzten Lichtschranken, und aus einer Schaltung zur Auswertung der vom Impulsgeber mit Hilfe des den Lichtstrom in den Lichtschranken unterbrechenden Rades erzeugten Signales Drehzahlmesser mit fotoelektrischem Impulsgeber haben gegenüber differenzierenden, insbesondere gegenüber induktiven den Vorteil, daß sie bei beliebig kleinen Drehzahlen noch funktionieren, sie haben aber dafUr Nachteile an der oberen Frequenzgrenze. Hier beginnen sie mit steigender Drehzahl die Phase zu verschieben und aus den zunachst fast rechteckigen Impulsen dreieckförmige mit abnehmender Amplitude zu machen, was die Auswertung der Impulse beeinträchtigt. Tachometer The invention relates to a tachometer with a optical pulse generator, consisting of at least two associated with an interrupter wheel and light barriers composed of one light source and one photo detector each, and from a circuit for evaluating the luminous flux from the pulse generator with the aid of the The tachometer signal generated in the light barriers interrupting the wheel Photoelectric pulse generators have opposite differentiating, in particular opposite inductive the advantage that they still work at any low speed, however, they have disadvantages at the upper frequency limit. Here they start with increasing speed to shift the phase and from the initially almost rectangular Triangular pulses with decreasing amplitude to do what the evaluation of the impulses is impaired.

Hohe Impulszahlen je Umdrehung sind aber erwünscht, um die Messzeit klein halten zu können. Wäre z.B. eine Genauigkeit der Messung von 10/ovo verlangt, so müssten mindestens 1000 Impulse abgezählt werden. Je höher die Impulszahl je Umdrehung ist, desto größer werden die Anforderungen an die Genauigkeit des Geberrades: sobald man nicht genau eine Umdrehung mißt, gehen sowohl mechanische Teilungsfehler als auch Exzentrizitätsfehler in die Messung ein.However, high numbers of pulses per revolution are desirable around the measurement time to be able to keep it small. If, for example, an accuracy of the measurement of 10 / ovo were required, so at least 1000 impulses would have to be counted. The higher the number of pulses the more Revolution, the greater the demands on the accuracy of the encoder wheel: as soon as one does not measure exactly one revolution, both mechanical division errors go as well as eccentricity errors in the measurement.

Aufgabe der Erfindung ist, den Impulsgeber des Drehzahlmessers so auszubilden,daß auch bei hoher Impulsfrequenz und bei mechanischen Ungenauigkeiten einwandfreie Signale erhalten werden, die eine zuverlässige Auswertung zulassen.The object of the invention is the pulse generator of the tachometer so train that even with high pulse frequency and mechanical inaccuracies flawless signals are obtained, which allow a reliable evaluation.

Zu diesem Zweck ist der einleitend beschriebene Drehzahlmesser gekennzeichnet durch zwei um 1800 Drehwinkel versetzte Lichtschranken und durch eine Auswertschaltung, durch die die Signale beider Lichtschranken zu einem gemeinsamen Ausgangssignal gleicher, aber gemittelter Frequenz zusammengesetzt werden. Auf diese Weise gelingt es, auch bei hohen Frequenzen brauchbare Signale verbesserter Genauigkeit zu erhalten.The tachometer described in the introduction is marked for this purpose by two light barriers offset by 1800 angles of rotation and by an evaluation circuit, through which the signals from both light barriers to a common output signal the same but averaged frequency. In this way it succeeds it is important to obtain useful signals of improved accuracy even at high frequencies.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung sind die Lichtschranken um 1800 Drehwinkel + 1800 Signalphasenwinkel gegeneinander versetzt. Man erhält so gegenphasige Signale, die dann voneinander subtrahiert werden.According to a further proposal of the invention, the light barriers offset by 1800 angle of rotation + 1800 signal phase angle. You get signals in phase opposition, which are then subtracted from one another.

Zur Unterscheidung von Luuf und Stillstand wird nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung der Wechselstromanteil der Ausgangsspannung einem Spitzengleichrichter zugeführt und dessen Signal zur Anzeige von Lauf und Stillstand benutzt. Durch Spitzengleichrichtung des Wechselstromanteils der Rechteckausgangsspannung wird ein Laufsignal entsprechend einem logischen High erzeugt und ein Abfall dieses Signals unter einem definierten Bruchteil (=Low) bedeutet Stillstand.To distinguish between Luuf and standstill, another Proposal of the invention of the alternating current component of the output voltage to a peak rectifier and its signal is used to display running and standstill. By Peak rectification of the AC component of the square-wave output voltage is a run signal is generated corresponding to a logical high and a fall of this signal below a defined fraction (= low) means standstill.

Es ist bekannt, aus zwei um etwa 900 phasenverschobenen Lichtschranken ein der Drehrichtung entsprechendes Signal abzuleiten. Dies geschieht meist mit digitalen Ititteln hinär, d.h. es sind nur zwei SZöglichkeiten, nämlich vor oder zurück, aus dieser Messung abzuleiten. Bei Stillstand wird entweder die letzte Richtung vor dem Halt oder nach dem ersten Einschalten zufallsbedingt eine beliebige Richtung angezeigt. Das ist aber dann unerwünscht, wenn mit Hilfe der Detektion des Rücklaufs dieser gerade verhindert werden soll. Hier könnte bei Stillstand schon Fehlala; 1 angezeigt werden.It is known from two light barriers phase-shifted by about 900 to derive a signal corresponding to the direction of rotation. This usually happens with digital resources, i.e. there are only two options, namely before or back to derive from this measurement. In the event of a standstill, either the last direction is used randomly any direction before stopping or after switching on for the first time displayed. But this is undesirable when using the detection of the return flow this is just to be prevented. At a standstill, there could already be Fehlala; 1 will be displayed.

Um eine möglichst kurze Messzeit zu erreichen, wird nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die erzeugte Impulsfrequenz des Ausgangss-ignals mit Hilfe eines Phaselock-loop-Reglers um einen hohen Faktor vergrößert und so die Messporiode eines Frequenzzählers verkleinert. Diese Rassnahme ist auch bei bekannten Drehzahlmessern anwendbar. Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in dieser Zeigen: Fig. 1 einen Impulsgeber, Fig. 2 vom Impulsgeber erzeugte Signale, Fig. 3 eine Schaltung für eine zusätzliche Verschiebung der Lichtschranken, Fig. 4 eine Schaltung zur Erzeugung eines Lau- bzw.In order to achieve the shortest possible measurement time, another Proposal of the invention the generated pulse frequency of the output signal with the help of a phase lock loop controller is increased by a high factor and so the measuring period of a frequency counter. This rule also applies to known tachometers applicable. The invention is explained in more detail below with reference to the drawing explained, in this show: Fig. 1 a pulse generator, Fig. 2 generated by the pulse generator Signals, Fig. 3 shows a circuit for an additional shift of the light barriers, 4 shows a circuit for generating a running or

stillstandssignales und Fig. 5 einen Phase-lock-loop Regler (P11). standstill signal and FIG. 5 a phase-lock-loop controller (P11).

Fig. 1 zeigt ein Unterbreclerrad 1. Es sitzt auf einer Welle 2, deren Drehzahl gemessen werden soll. Das lichtdurchlässige Rad 1 hat lichtundurchlässige Felder 3 in Form von Zähnen. Sie untcrbrechen bei Rotation des Rades 1 periodisch die Lichtbündel zweier mit 4 und 5 bezeichneter Lichtschranken. Jede Schranke besteht in bekannter Weise aus einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor, die einander zu beiden Seitein des Rades 1 gegenüberliegen.Fig. 1 shows a Unterbreclerrad 1. It sits on a shaft 2, whose Speed is to be measured. The translucent wheel 1 has opaque ones Fields 3 in the form of teeth. They interrupt periodically when the wheel 1 rotates the bundles of light from two light barriers labeled 4 and 5. Every barrier exists in a known manner from a light source and a light detector, which are mutually both sides of the wheel 1 are opposite.

In den Lichtdetektoren werden periodische Stromimpulse erzeugt, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Wie Fig. 2 erkennen läßt, erzeugen mechanische Ungenauigkeiten des Rades 1 ungleichmäßige, in Fig. 2 übertrieben gezeichnete Impulsbreiten der Wechselspannungen 6 und 7. Die Schräge der Flanken der Halbwellen kommt daher, daß der Lichtstrahl im Verhältniszur Zahnbreite selbst eine gewisse Breite hat, d.h. erst allmählich abgedeckt oder freigegeben wird. Solange die Ungenauigkeiten nur innerhalb dieser Schräge liegen, ergibt sich durch die Summierung von 6 und 7 eine gemittelte Spannung 8 in der insbesondere Fehler durch eine exzentrische Montage des Rades 1 auf der Welle ?. quantitativ eliminiert sind. Aber auch statistische Fehler der einzelnen Zähne werden auf das 0,7 fache, (bei n Lichtschranken auf das 1/n fache) reduziert. Die elektrische Addition zweier Spannungen ist bekannt. Diesem Zweck dient die in Fig. 2 gezeigte Schaltung. Sie besteht aus addierenden Widerständen 16, 17 und 18, einem invertierenden Verstärker 19, einem Gegenkupplungswiderstand 18a und einem Ausgang zur Abnahme der Impulse 8.Periodic current pulses are generated in the light detectors, such as they are shown in FIG. As shown in FIG. 2, mechanical inaccuracies are produced of the wheel 1 uneven, in Fig. 2 exaggerated drawn pulse widths AC voltages 6 and 7. The slope of the flanks of the half-waves is due to the fact that the light beam itself has a certain width in relation to the face width, i.e. is only gradually covered or released. As long as the inaccuracies only lie within this slope, adding 6 and 7 results in a Average voltage 8 in the particular error due to an eccentric assembly of the wheel 1 on the shaft? are quantitatively eliminated. But also statistical Errors in the individual teeth are 0.7 times higher (with n light barriers to the 1 / n times) reduced. The electrical addition of two voltages is known. This one The purpose is the circuit shown in Fig. 2. It consists of adding resistors 16, 17 and 18, an inverting amplifier 19, a negative coupling resistor 18a and an output for picking up the pulses 8.

In Fig. 3 ist gezeigt, wie dirch eine zusätzliche Verschiebung einer der Lichtschranken 4 oder 5 um eine Zahnbreite also um 180 Phasengrad, zusätzliche Verbesserungen erreicht werden.In Fig. 3 it is shown how dirch an additional shift of a of the light barriers 4 or 5 by a tooth width, i.e. by 180 phase degrees, additional Improvements can be achieved.

Die jetzt mit 9 und 10 bezeichneten Impulsspannungen verlaufen nun wegen der Versetzung angenähert gegenphasig. Da 1800 Phase einer Vorzeichenumkehr gleich ist, worden nun die Spannungen 9 und 10 an gegenphasige, subtrahierende Eingänge eines Verstärkers 11 angeschlossen, um eine Mittelwertbildung zu erzielen. Man sieht, daß jetzt auch Unsymmetrien, z.B. wenn die Dunkelpause länger als diew Hellimpulse ist, ähnlich wie die Ungleichheiten in Fig. 2 ausgeglichen werden. Zusätzlich ergibt sich noch eine technologische Voreinfachung und Erhöhung der lleßsicherheit durch den Ausgleich der Gleichspannungsanteile der Spannungen 9 und i' an den Verstärkereingängen. Würde man diese bei benutzung nur eines Eingangs durch eine feste Spannung kompensieren, wo wurde sie bei Amplitudenänderungen falsch (Pegel 12) und die Ausgangsspannung 13 wieder unsymmetrisch, bei größerer Abweichung sogar verschwinden. Mit der Schaltung nach Fig. 3 dagegen können auch die erheblich reduzierten Signalamplituden höherer Frequenze noch ausgenutzt werden. Empüfindlichkeitsunterschiede der Lichtschranken werden mit den Widerständen 14, 15 abgeglichen.The pulse voltages now labeled 9 and 10 now run almost out of phase due to the offset. Since 1800 phase of a sign reversal is equal to, the voltages 9 and 10 have now been connected to antiphase, subtracting inputs of an amplifier 11 connected to averaging to achieve. You can see that now there are also asymmetries, e.g. when the dark pause is longer as the w bright pulses, similarly as the inequalities in FIG. 2 are balanced will. In addition, there is a technological pre-simplification and increase the security against leakage by balancing the direct voltage components of the voltages 9 and i 'at the amplifier inputs. You would do this if you only use one entrance compensate by a fixed voltage, where it got wrong with amplitude changes (Level 12) and the output voltage 13 again asymmetrical, if the deviation is greater even disappear. With the circuit according to FIG. 3, on the other hand, the can also be considerably Reduced signal amplitudes of higher frequencies can still be used. Differences in sensitivity of the light barriers are compared with the resistors 14, 15.

In Fig 4 ist eine Schaltung zur Erzeugung eines Lauf- bzw.In Fig. 4 is a circuit for generating a running or

Stillstands-Signals dargestellt. In einem Verstärker 20 wird die anfallende Impulsspannung weiter verstärkt und niederohmig gemacht. Ein Widerstand 22 deutet eine Last an Mit einem Kondensator 23 wird ein Wechselstromsignal abgeleitet, das bei langsamer Drehung nur aus Imzulsen,herrUhrend von den Flanken der Rechteckspannung, besteht Der Wechselstrom wird von zwei z B. nach Delon geschalteten Dioden 24, 25 gleichgorichtet und lädt einen Kondensator 26 auf, Dicser bildet mit einem Entladewiderstand 27 und dem Eingangswiderstand eines Gatters 28 eine Keitkonstante, welche die Größenorhiung der längsten, noch als "Lauf" definicrtc Periodendauer bestimmt. Solche Gleichrichter mit kurzer Lade- aber sehr langer Entladezeitkonstante sind als Spitzengleichrichter bekannt. Vorteilhaft wählt man für das Gatter 28 eine sehr hochohmige Ausführung, z.B.Standstill signal shown. In an amplifier 20, the resulting Pulse voltage is further amplified and made low-resistance. A resistance 22 indicates a load on with a capacitor 23 an alternating current signal is derived, the with slow rotation only from Imzulsen, originating from the edges of the square-wave voltage, The alternating current is provided by two diodes 24, 25 connected, for example, according to Delon rectifies and charges a capacitor 26, Dicser forms with a discharge resistor 27 and the input resistance of a gate 28 a Keitkonstante, which the size orbit the longest, still defined as the "run" period. Such rectifiers with short charging but very long discharging time constants are used as peak rectifiers known. It is advantageous to choose a very high-resistance design for the gate 28, e.g.

in CMOS-Technik. Der invertierte Ausgang 29 dcs Gattcrs 28 wird also unterhalb der Mindestdrehzahl, Stillstand #High und oberhalb des Laufes #Low anzeigen. Mit üblichen Mitteln der Digitaltcchnik und mit der bekannten Richtungsermittlung aus 90° phasenverschobenen Spannungen @nn dann dic Anzeige der drei Zustande "Vor", "Stillstald" und "Rückwärts" erfolgen, entweder auf zwei binären Ausgängen oder auf einem mit drei Zuständen: +, 0 und -In Fig. 5 bezeichnet 30 einen Phase-lock-loop-Regler, (PLL) wie z.B. einen CMOS-Baustein 4046. Seinem Eingang 31 wird die von dem beschriebenen Impulsgeber erzeugte Spannung zugeführt. Dabei braucht diese nur eine mäßige, z.B. 60-fache Erhöhung der zu messenden Drehfrequenz durch 60 Geberzähne zu enthalten. Diese Spannung ist auch schon über - möglicherweise lange- Leitungen zum Ort der Anzeige geführtworden, während die hier zu erzeugende hohe Frequenz nur intern am Zähler benötigt wird. Der Ausgang 32 des Pll ist auf einen Zähler 33 geschlatet, der z.B. bis 10 oder 100 zählt, d.h.in CMOS technology. The inverted output 29 of the gate 28 is thus Display below the minimum speed, standstill #High and above the run #Low. With the usual means of digital technology and with the known determination of direction from 90 ° phase-shifted voltages @nn then the display of the three states "Before", "Stillstald" and "Backward" take place, either on two binary outputs or on one with three states: +, 0 and -In Fig. 5, 30 denotes a phase-lock-loop controller, (PLL) such as a CMOS component 4046. Its input 31 is the one described by the Pulse generator generated voltage supplied. This only needs a moderate, e.g. 60-fold increase in the rotational frequency to be measured by 60 encoder teeth. This tension is already over - possibly long - lines to the place of the Advertisement has been carried out, while the high frequency to be generated here is only required internally at the meter. The output 32 of the PIl is on a counter 33, which counts to e.g. 10 or 100, i.e.

eine um den Faktor 10 oder 100 kleinere Frequenz am Ausgang 34 erzeugt. Diese wird dem Vergleichseingang 35 des PLL 30 zugeführt. Durch seine Frequenz-regel-funktion fi1= f35 wird so am Ausgang die 10- bzw. 100-fache Frequenz der Impulsspannung erzeugt. Diese kann nun auch in 1/10 bzw.a frequency which is smaller by a factor of 10 or 100 is generated at output 34. This is fed to the comparison input 35 of the PLL 30. With its frequency control function fi1 = f35, 10 or 100 times the frequency of the pulse voltage is generated at the output. This can now also be in 1/10 resp.

1/100 der Zeit mit gleicher Genauigkeit durch einen Zähler 36 gezählt werden. Nur für eine Anzeige würde es sich aber nicht lohnen, die Nef3geschwindigkeit zu verbessern. Deshalb ist ein D/A-Wandler 37 vorgesehen, der die nur noch schwach verzögerten Meßwerte für einen analogen Regler des Wollenantrieb umformt. Ein Digitalregler könnte natürlich direkt don Zählwert von 36 verarbeiten.1/100 of the time is counted by a counter 36 with the same accuracy will. But it wouldn't be worth it just for an ad, the Nef3 speed to improve. Therefore, a D / A converter 37 is provided, which only weakly delayed measured values for an analog controller of the wool drive. A digital regulator could of course directly process the count of 36.

Die zuvor beschriebenen heinzelnon Anordnungen und Schaltungen zur Behebung der erwähntern Nachteile erganzen sich zwar zu einem besonders vorteilhaften Drehzahlmesser, doch können sie auch einzeln zusammen mit herkömmlichen Teilen angewandt werden.The previously described heinzelnon arrangements and circuits for The elimination of the disadvantages mentioned add up to a particularly advantageous one Tachometer, however, they can also be used individually together with conventional parts will.

Claims

Claims X tachometer with an optical pulse generator consisting of at least two associated with an interrupter edge and one Light source and a photo detector each composed of light barriers and off a circuit for evaluating the luminous flux from the pulse generator with the help of the Signals generated in the light screams interrupting wheel, characterized by two light barriers (4, 5) and through a circuit through which the signals from both light barriers become one Has output signal sameBaber averaged frequency can be put together.

2. Tachometer according to claim 1, characterized in that the Light barriers offset from one another by 1800 angles of rotation + 1800 signal phase angles are.

3. Tachometer according to claim 1, characterized in that the AC component of the output voltage fed to a peak rectifier and whose signal is used to display running and standstill.

4. Tachometer in particular according to claim 1, characterized in that that the generated pulse frequency of the output signal with the help of a phase-lock-loop Controller is increased by a high factor and so the measuring period of a frequency counter is reduced,