DE2736418C2

DE2736418C2 - Anordnung zur Ermittlung der Drehzahl, des Drehwinkels und der Drehrichtung von Maschinenwellen

Info

Publication number: DE2736418C2
Application number: DE2736418A
Authority: DE
Inventors: Roland Ing.(grad.) 8505 Röthenbach Brüstle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-12
Filing date: 1977-08-12
Publication date: 1983-11-03
Also published as: GB2002898A; ATA581978A; SE7808407L; AT363148B; CH634925A5; DE2736418B1; GB2002898B

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der Drehzahl, des Drehwinkels und der Drfhrichtung

ίο von Maschinenwellen mittels eines mit der Maschinenwelle gekuppelten, zwei gegeneinander versetzte Impulsfolgen liefernden optoelektronischen Impulsgebers mit nachgeschalteter Impulsformerstufe und mit einem ein Drehrichtungssignal abgebenden Diskrimina-

Ij tor.

Eine derartige Anordnung ist aus der britischen Patentschrift 6 89 107 bekannt.

In einer bekannten Schaltungsanordnung zur Korrektur der Ausgangsspannung eines Tachogenerators werden die drehzahlproportionalen Impulse eines mit dem Tachogenerator gekuppelten Impulsgebers in Impulse mit konstanter Spannungszeitfläche umgeformt. Hierzu ist ein Schaltglied vorgesehen, das während einer vorgegebenen Zeitspanne innerhalb einer Periode der drehzahlproportionalen Impulsfolge einen an eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen Schalter im Taki der Impulse oetätigt (DE-PS 23 24 824).

Ferner ist in der DE-AS 25 49 953 eine aus Speicherschaltungen. Komparatoren und einem Exklusiv-ODER-Gatter bestehende Schaltungsanordnung bekannt, die aus einer sinusförmigen, der Drehzahl eines Rades eines Kraftfahrzeuges proportionalen Spannung je Periode vier oder mehr Impulse ableitet.

Für die Regelung der Drehzahl von Antrieben und für die Wegregelung wird der Istwert der Drehzahl und der Istwert des Drehwinkels der Antriebswelle benötigt Hierfür wurden bisher ein Tachogenerator zur Lieferung eines analogen, der Drehzahl proportionalen und ein Impulsgeber zur Lieferung eines digitalen, dem Drehwinkel proportionalen Istwertes eingesetzt Für jeden der beiden Geber ist eine elektronische Schaltung erforderlich. Tachogeneratoren haben zwar ein dynamisch günstiges Verhalten, erfassen einen großen Drehzahlbereich und geben die Drehrichtung an, unterliegen jedoch dem Verschleiß und erfordern eine mechanische Verbindung mit der Antriebswelle. Für hohe Genauigkeit müssen Tachogeneratoren in Sonderausführung verwendet werden.

Ausgehend von dem eingangs erwähnten optoelektronischen Impulsgeber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die für Regelzwecke benötigten analogen und digitalen, der Drehzahl proportionalen Größen aus den vom Impulsgeber gelieferten Impulsfolgen abzuleiten und dadurch den bisher üblichen Tachogenerator ohne Einbuße seiner günstigen Eigenschaften einzusparen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Impulsformerstufe über einen mit mehreren, die Frequenz der Impulsfolge vervielfachenden oder untersetzenden Stufen ausgeführten Frequenzumsetzer und eine Umformeinrichtung, die die Impulse mindestens einer der beiden Impulsfolgen in Impulse konstanter Spannungszeitfläche umformt, an einen ein analoges, der Drehzahl proportionales Ausgangssignal erzeugenden Filterkreis angeschlossen ist. daß ein Steuerwerk zur gleichzeitigen, von dem zeitlichen Abstand zwischen den Impulsen abhängigen Umschaltung des Frequenzumsetzers von der jeweiligen Frequenz-

stufe auf die nächsthöhere oder nächsttiefere Stufe und der Urr.formeinrichtung zur Konstanthaltung der Spannungszeitfläche im Umschaltzeitpunkt vorgesehen ist und daß aus einer der beiden Impulsfolgen der relative und in Verbindung mit einem weiteren, vom Impulsgeber je Umdrehung gelieferten Impuls der absolute Drehwinkel bestimmbar ist.

Da optoelektronische Impulsgeber im Vergleich zu auf magnetischer Basis arbeitenden Impulsgebern Impulsfolgen hoher Frequenzen liefern können, läßt sich mit der Anordnung ein analoges, der Drehzahl proportionales Signal erzeugen, mit dem ein wesentlich größerer Drehzahlbereich als mit einem Tachogenerator erfaßt werden kann. Mit Hilfe des Frequenzumsetzers ist es möglich, das analoge Signal bei hoher Drehzahl aus Impulsfolgen niedriger Frequenz und bei niedriger Drehzahl aus Impulsfolgen hoher Frequenz zu bilden. Dadurch wird die Meßgenauigkeit insbesondere bei niedrigen Drehzahlen im Vergleich zu Tachogeneratoren ohne weiteren Aufwand erhöht. Die dynamischen Eigenschaften der Anordnung entsprechen denen der Tachogeneratoren.

An Hand von in der Zeichnung darf_rsstellien Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur analogen Bildung von Impulsen konstanter Spannungszeitfläche,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur digitalen Bildung von Impulsen konstanter Spannungszeitfläche.

Gemäß F i g. 1 ist ein mit der Arbeitswelle eines Antriebes gekuppelter optoelektronischer Impulsgebt. 1 vorgesehen, der in bekannter Weise zwei gegeneinander versetzte Impulsfolgen hoher Frequenz, z. B. 200 kHz bei der höchsten Drehzahl der Antriebswelle, und zusätzlich je Umdrehung einen Justierimpuls liefert An den Impulsgeber ist eine Impulsformerstufe 2 angeschlossen, deren Ausgänge mit Ausnahme des den Justierimpuls "'efernden Ausganges mit den Eingängen eines Frequenzumsetzers 3 und eines Drehrichtungs-Diskriminators 4 verbunden sind. Der Frequenzumsetzer untersetzt oder vervielfacht mindestens eine der beiden Impulsfolgen, beispielsweise im Verhältnis 1:8. Die vom Impulsgeber vorgegebene Impulsfolgefrequenz ist zusätzlich Cber einen Ausgang des Frequenzumsetzers einem Steuerwerk 5 zugeführt, das mit Hilfe eines Zeitgliedes die zeitliche Aufeinanderfolge der Impulse überwacht und beispielsweise bei 12% der maximalen Drehzahl c-nen im Frequenzumsetzer angeordneten Schalter 6 von der untersetzten auf die volle Frequenz oder umgekehrt umschaltet. Die vom Umschalter angewählte Impulsfolgefrequenz betätigt ein elektronisches Schaltglied 7, das im Takt der Impulse eine Gleichspannung Unt an den Eingang eines in einer Umformeinrichtung 8 angeordneten Verstärkers (!Comparators) 9 mit hohem Verstärkungsfaktor anlegt. Dem Verstärker ist ein Integrator 10 nachgeschaltet, der die Spannungszeitfläche der Ausgangsimpulse des Verstär- ta kers mißt und dessen integrierte Spannung an einen !weiten Eingang des Verstärkers als Vergleiehsspännung zurückgeführt ist. Die dadurch am Ausgang des Verstärkers erzeugten Impulse konstanter Spannungsleitfläche sind einem Verstärker 11 zugeführt. Der ,■; Aufbau der Umformeinrichtung bietet den Vorteil, daß durch den Komparator hervorgerufene Verzögerungen vom integrator ausgeglichen werden.

Damit die Spannungszeitfläche der Impulse unabhängig von der durch das Steuerwerk angewählten Impulsfolgefrequenz erhalten bleibt, wird der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 11 gleichzeitig mit der Betätigung des Umschalters 6 vom Steuerwerk 5 umgeschaltet, (Lh, die Amplitude der Impulse wird geändert, so daß der Mittelwert des Signals, das am Ausgang eines dem Verstärker 11 nachgeschalteten Filters 12 höherer Ordnung im Zeitpunkt der Umschaltung gleich groß bleibt An den Filter 12 ist eine Vorrichtung 13 angeschlossen, der zur Betätigung eines die Polarität des analogen Ausgangssignals des Filters umschaltenden Schalters 14 ein von der Drehrichtung des Antriebes abhängiges Signal des Drehrichtungsdiskriminators 4 zugeführt ist Für die Umkehrung der Polarität enthält die Vorrichtung 13 einen Verstärker 30.

Ein weiterer Frequenzuntersetzer 15 bildet aus der vollen Impulsfolgefrequenz ein digitales, für die Positionierung oder Wegerfassung auswertbares Signal. Dieses dem relativen Drehwinkel entsprechende Signal kann in Verbindung mit dem Iisstierimpuls zur Bestimmung des absoluten Drehweikels verwendet werden.

Am Ausgang 16 der Anordnung steht somit ein analoges Signal als Drehzahlistwert am Ausgang t? ein die Drehrichtung anzeigendes Signal, am Ausgang 18 die Jusuerimpulsfolge und am Ausgang 19 eine Impulsfolge als Wegistwert an.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 2 sind die der F i g. 1 entsprechenden Teile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet An Stelle des zweistufigen Umsetzers ist hier ein beispielsweise fünfstufiger Frequenzumsetzer 20 verwendet, dessen Impulsfolgefrequenzen im Verhältnis 1:2:4:8:16 abgestuft und von einem Steuerwerk 21 über einen Umschalter 22 anwählbar sind. Die Anzahl der Stufen und das Umsetzverhältnis sind so gewählt daß die obere Grenzfrequenz jeder Stufe der optimalen Arbeitsfrequenz der elektronischen Bauelemente entspricht während die untere Grenzfrequenz jeweils durch das dynamische Verhalten des Ausgangssignals des Gebers 1 bestimmt wird. Zeitstufen im Steuerwerk 21 überwachen über die an dem Eingang

23 angeschlossene Leitung den zeitlichen Abstand zwischen den Impulsen, deren Frequenz der Drehzahl proportional ist Wird der zeitliche Abstand g-ößer als der maximale Abstand, der der unteren Orenzfrequenz der jeweiligen Stufe entspricht, dann schaltet das Steuerwerk auf die Stufe der nächsthöheren Frequenz um. Unterschreitet der zeitliche Abstand den der oberen Frequenzgrenze entsprechenden Minimalwert, so wird auf die nächstniedrigere Stufe umgeschaltet Im Zeitpunkt der Umschaltung von einer Stufe des Frequenzumsetzers auf die nächste, muß die mittlere Spannungszeitfläche der Impulse konstant bleiben. Im Gegensatz zu der analogen Bildung nach F i g. 1 wird im Ausführungsbeispiel nach Fig.2 nicht die Amplitude, sondern die Zeitdauer (Breite) der Impulse geändert. Die Bildung der Impulse mit konstanter Spannungszeitfläche übernehmen eine Umformeinrichtung 24, die einen mehrstufigen, an einen hochgenauen Oszillator 26 angeschlossenen Zähler 27 und eine elektronische Schaltvorrichtung 28 enthält, und eine Verstärkerstufe 25, deren Verstärker 29 mittels des Scbaltgliedes 7 an eine Referenzgleichspannung U_ref anschließbar ist. Die Zeitdauer der Impulse wird in der Umformeinrichtung

24 mit Hilfe des Zäh'ers 27 festgelegt, der jeweils von Null bis zu dem Zählerstand, der der vom Steuerwerk über den Schalter 28 angewählten Zählerstufe ent-

spricht, ein »!«-!signal ausgibt. Jeder Ausgangsimpuls des Frequenzumsetzer setzt den Zähler auf Null zurück. Damit ist die Breite der Impulse am Zählerausgang dem Umseüzverhältnis des Frequenzumsetzers proportional.

Die Ausgangiirnpulse des Ziihiers betätigen das Schaltglied 7, so daß die Refererizgleichspannung U„t im Takt der Impuls*; an den Verstärker 29 gelegt wird und am Ausgang deir Verstärkerstufe 25 eine Folge von Impulsen entsteht, deren Spannungszeitfläche der jeweiligen Drehüalil der Maschinenwelle proportional ist.

Die Arbeitsweise: des Filters 12 und der Umschaltvorrichtung 13 entspricht der des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiclü.

Bezugszeichen liste

1 Impulsgeber

2 Impulsformerstufe ~* ■ rccjücnzHünsctzcr

4 DrehrichliJiiiäS-Diskriminator

5 Steuerwerk

6 Schalter

7 Schaltglied

8 Umformeinrichtung

9 Verstärker

10 Integrator

11 Eingangsverstärker 5 12 Filterkreis

13 Umschaltvorriehiung

14 Schalter

15 Frequenzuntersetzer

16 Ausgang I₀ 17 Ausgang

18 Ausgang

19 Ausgang

20 Frequenzumsetzer

21 Steuerwerk 15 22 Umschalter

23 Eingang

24 Umformeinrichturig

25 Verstärkerstufe

26 Oszillator

fl) &/ ^αιιιι,ι

28 Schaltvorrichtung

29 Verstärker

30 Verstärker

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Ermittlung der Drehzahl, des Drehwinkels und der Drehrichtung von Maschinenwellen mittels eines mit der Maschinenwelle gekuppelten, zwei gegeneinander versetzte Impulsfolgen liefernden optoelektronischen Impulsgebers mit nachgeschalteter Impulsformerstufe und mit einem ein Drehrichtungssignal abgebenden Diskriminator, dadurch gekennzeichnet daß die Impulsformerstufe (2) über einen mit mehreren, die Frequenz der Impulsfolge vervielfachenden oder untersetzenden Stufen ausgeführten Frequenzumsetzer (3; 20) und eine Umformeinrichtung (8; 24, 25), die die Impulse mindestens einer der beiden Impulsfolgen in Impulse konstanter Spannungszeitfläche umformt, an einen ein analoges, der Drehzahl proportionales Ausgangssignal erzeugenden Filterkreis (12) angeschlossen ist, daß ein Steuerwerk (5,21) zur gleichzeßigen, von dem zeitlichen Abstand zwischen den Impulsen abhängigen Umschaltung des Frequenzumsetzers von der jeweiligen Frequenzstufe auf die nächsthöhere oder nächsttiefere Stufe und der Umformeinrichtung zur Konstanthaltung der Spannungszeitfläche im Umschaltzeitpunkt vorgesehen ist und daß aus einer dir beiden Impulsfolgen der relative und in Verbindung mit einem weiteren, vom Impulsgeber (1) je Umdrehung gelieferten Impuls der absolute Drehwinkel bestimmbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. <LÜ die Umformeinrichtung (8) aus einem Komparator (9) und -inem diesem nachgeschalteten Integrator (tO) besteht, dessen Ausgang auf einen ersten Eingang des V omparators zurückgeführt ist, an dessen zweiten Eingang eine Gleichspannung (U_rJ) mittels eines im Takt der Ausgangsimpulse des Frequenzumsetzers (3) betätigten elektronischen Schaltgliedes (7) anschließbar ist

3. Anordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Umformeinrichtung (8) und dem Filterkreis (12) ein Verstärker (11) angeordnet ist, dessen Verstärkungsfaktor vom Steuerwerk (5) in Abhängigkeit von der angewählten Stufe des Frequenzumsetzers (3) umschaltbar ist

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformeinrichtung aus einem an einen Oszillator (26) angeschlossenen Zähler

(27) mit einer nachgeschalteten. vom Steuerwerk (21) gleichzeitig mit dem Umschalter (22) betätigbaren elektronischen Schaltvorrichtung

(28) und einer Verstärkerstufe (25) besteht, die einen Verstärker (29) und ein diesem vorgeschaltetes Schaltglied (7) enthält, das im Takt der Ausgangssignale des Zählers eine Gleichspannung (U_rcr) an den Eingang des Verstärkers schaltet.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Filterkreis (12) eine die Polarität festlegende Vorrichtung (13) angeschlossen ist, der das Ausgangssignal des Drehrichtungsdiskriminators (4) zugeführt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den vom Impulsgeber (1) gelieferten Impulsen in einem weiteren Frequenzuntersetzer (15) dem relativen Drehwinkel entsprechende, wegproportionale Impulse abgeleitet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterkreis (12) aus einem Filter zweiter oder höherer Ordnung besteht.