DE2944016A1

DE2944016A1 - Funktionsdrehmelder fuer absolutstellungsmessung

Info

Publication number: DE2944016A1
Application number: DE19792944016
Authority: DE
Inventors: William R Hungerford
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Dynapath Systems Inc Detroit Mich Us
Priority date: 1978-11-28
Filing date: 1979-10-31
Publication date: 1980-06-12
Also published as: US4204257A; IT1193343B; FR2443092B1; CA1122302A; IT7927582A0; JPS5578305A; KR830000030B1; FR2443092A1

Description

29UQ18

Funktionsdrehmelder für Absolutstellungs-

messung

Die Erfindung betrifft numerische Steuerungen für Maschinen mit beweglichen Teilen, die durch Servoeinrichtungen gesteuert werden, insbesondere jedoch einen Funktionsdrehmelder (resolver) als Stellungsmeßgerät in einer numerischen Steuerung zur Anzeige der Stellung des beweglichen Teils.

Numerische Steuerungen steuern Maschinen wie Fräs- und Bohrmaschinen, Drehmaschinen und dergleichen mit beweglichen Teilen, die durch Servomotoren bewegt werden, welche ihrerseits von der numerischen Steuerung geregelt werden. Die numerische Steuerung steuert normalerweise die Bewegung eines Teils der Maschine, mißt die Stellung des Teils und berichtigt ihre Steuerung des Teils im geschlossenen Regelkreis. Häufig steuern numerische Steuerungen mehrere Achsen einer Maschine in einem Zeitkoordinatensystem. Die Stellung des beweglichen Teils wird normalerweise mit Hilfe eines Drehmelders oder Resolvers gemessen,dessen um 90° phasenversetzte Erregungssignale an der Statorwicklung des Resolvers anliegen, wobei sein Rotor mit dem beweglichen Teil in Wirkverbindung steht, wobei die Wellenform der Rotorausgangsspannung des Drehmelders analysiert wird.

Ein derartiger Drehmelder-Stellungsmeßfühler für eine numerische Steuerung muß verhältnismäßig billig sein und viele schnelle, genaue und zuverlässige Messungen durchführen können, solange er in einer verhältnismäßig niedrigen Umgebung arbeitet. Bei-

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spielsweise kann eine durchschnittliche numerische Steuerung mehr als 150 Stellungsmessungen pro Sekunde vom Drehmelder anfordern, dessen Rotor sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als 4 0 000 je Sekunde drehen kann. Somit ist eine hohe Meßgeschwindigkeit wünschenswert, weil eine Messung jeweils häufiger als eine halbe Umdrehung des Rotors durchgeführt werden muß, wenn er bei der Höchstgeschwindigkeit des beweglichen Teils arbeitet, so daß die Bewegungsrichtung und Absolutstellung von der elektronischen Einrichtung verfolgt werden können. Genaue Messungen sind zweckmäßig, um eine Präzisionsbewegung der Maschine und eine Regelung zu schaffen. Normalerweise müssen die numerische Steuerung und der Drehmelder-Stellungsmeßfühler mit der richtigen Geschwindigkeit und Genauigkeit in einer Werkstatt arbeiten, in welcher sich die Umgebungstemperatur unvorhersehbar verändern können.

Die US-Patentschrift 3 6 34 838 zeigt einen Drehmelder-Stellungsmeßfühler mit zwei Zählern sowie einen Resolver mit drei Statorwicklungen. Der erste Zähler erzeugt eine Bezugsrechteckwelle von 4 00 Hz, die gefiltert und dann phasenverschoben wird, um sinusförmige Erregerspannungen für die erste und zweite Statorwicklung zu erzeugen. Die dritte Statorwicklung greift die Phase von mindestens einem der anliegenden Signale ab. Ein Phasendetektor vergleicht die Phase der dritten Statorwicklung mit der Phase des zweiten Zählers und beaufschlagt eine Schaltung, um die Impulse für den ersten Zähler zu erhöhen oder zu verringern, um die dritte Statorwicklung phasengleich mit dem zweiten Zähler zu halten. Eine phasenabhängige Vorrichtung greift den Nulldurchgang der induzierten Rotorwellenform ab und verwendet ihn, um

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die Zählung des zweiten Zählers an einen Speicher zu übertragen. In der Praxis kann jedoch die Durchführung einer solchen geregelten Phasenkompensation verhältnismäßig kompliziert und teuer sein.

Bei einem anderen Resolver-Stellungsmesser wird die um 90° phasenversetzte Rechteckwelle an die beiden Statorwicklungen des Drehmelders angelegt. Die im Rotor induzierte Wellenform wird dann gefiltert, um die Grundfrequenz durchzusteuern und die höheren tfarmonischen euszufiltern. Ein Phasenvergleichskreis vergleicht die Phase dieser Grundfrequenz mit den Phasen der Rechteckerregerspannung für den Stator und erzeugt eine Zählung für die Phasendifferenz. In der Praxis jedoch ist ein genaues temperaturkompensiertes Filter für diesen Drehmelder-Stellungsmesser ziemlich teuer.

Erfindungsgemäß ist ein genauer und billiger Drehmelder-Stellungsmesser für eine numerische Steuerung vorgesehen.

Ein erfindungsgemäßes Stellungsmeßgerät arbeitet in Verbindung mit einem Drehmelder, der zwei Statorwicklungen und einen Rotor besitzt, der seinerseits mit einem beweglichen Teil der numerisch zu steuernden Maschine in Wirkverbindung steht. Das Stellungsmeßgerät umfaßt einen Echtzeitzähler, welcher die echte Zeit zählt und ein mehrstelliges digitales Datenwort erzeugt, das über die Zeit periodisch redundant wird. Ein Speicher wird durch das periodische digitale Datenwort des Echtzeitzählers adressiert und erzeugt seinerseits digitale Datenwortfolgen, die um 90° versetzte Sinuswellenformen darstellen. Ein erster Digital-Analog-Wandler arbeitet in Ab-

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hängigkeit von den digitalen Ausgangsdaten des Speichers und erzeugt seinerseits eine annähernde Sinusspannung zur Ansteuerung der ersten Statorwicklung des Drehmelders oder Resolvers. Ein zweiter Digital-Analog-Wandler arbeitet in Abhängigkeit von den digitalen Ausgangsdaten des Speichers und erzeugt seinerseits eine zweite annähernde Sinusspannung, mit welcher die zweite Statorwicklung des Drehmelders beaufschlagt wird, wobei die Ausgangsspannungen des ersten und zweiten Digital-Analog-Wandlers gegeneinander um 90° phasenversetzt sind. Der Resolver-Rotor, der mit dem beweglichen Teil der Maschine in Wirkverbindung steht, erzeugt eine Spannung für einen Phasendetektor, der seinerseits anzeigt, wenn die Ausgangsspannung oder die Wellenform des Resolver-Rotors eine bestimmte Phasenbeziehung erreicht. Die Anzeige des Ausgangssignals des Phasendetektors überträgt die laufende Zeit vom Echtzeitzähler an einen Speicher, so daß der Speicherinhalt die Stellung des Rotors gegenüber den Statorwicklungen darstellt.

Be im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zählt ein nicht synchronisierter Zähler ein genaues, hochfrequentes Signal und gibt ein mehrstelliges Datenwort ab, das periodisch redundant ist. Ein erster programmierbarer Festspeicher (PROM) wird vom Echtzeitzähler adressiert und erzeugt eine Folge von digitalen Datenwörtern, die eine Sinuswellenform darstellt. Ein zweiter PROM wird parallel zum ersten PROM vom Echtzeitzähler adressiert und erzeugt eine Folge von digitalen Datenwörtern, die eine Cosinuswellenform darstellt. Ein erster Digital-Analog-Umsetzer arbeitet in Abhängigkeit vom ersten PROM und erzeugt eine perio-

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disch redundante Sinusw eile als Eingangsspannung für die erste Statorwicklung des Drehmelders, und ein zweiter Digital-Analog-Umsetzer arbeitet in Abhängigkeit vom zweiten PROM und erzeugt eine periodisch redundante Cosinuswelle für die zweite Statorwicklung des Drehmelders. Die Digital-Analog-Umsetzer erzeugen Ausgangssignale, welche eine genaue Phasenbeziehung zum Echtzeitzähler aufrecht erhalten. Die im Resolver-Rotor induzierte Wellenform wird bei einer Frequenz gefiltert, die deutlich über der Grundfrequenz liegt, und der angenäherte Nulldurchgang dieser Wellenform dient zur Speicherung der laufenden Zählung des Echtzeitzählers. Diese Zählung stellt den Phasenwinkel zwischen den Statorwicklungen und den Rotorwicklungen des Drehmelders dar,

Die Meßgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird kaum durch Temperaturänderungen beeinflußt, die normalerweise bei numerischen Steuerungsanlagen auftreten. Da weder die Stator-, noch die Rotorkreise mit Filtern oder Phasenschiebern bestückt sind, die bei der Grundfrequenz der Erregerspannung arbeiten, können temperaturinduzierte Phasenverschiebungen kaum die Meßgenauigkeit beeinflussen. Die Filterung im Pufferverstärker des Rotors beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sorgt für eine Glättung bei einer Frequenz, die erheblich über der Grundfrequenz liegt, so daß Temperatureinflüsse bei diesen höheren Frequenzen die Genauigkeit bei der Grundfrequenz kaum beeinflussen.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Stellungsmeßgerätes ist genau und billig, wie es für eine numerische Steuerung verlangt wird, weil sie digitale integrierte Mittel- und Großschaltkreise

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verwendet und den Einsatz von Analogschaltungen mit ihren internen Schwierigkeiten der P-Abweichung, Eichung und Phasenverschiebung weitgehend vermeidet. Die Erfindung liefert eine wirtschaftliche und genaue Größen- und Phasenerregung für beide Statorwicklungen des Drehmelders.

Das Stellungsmeßgerät kann Messungen bei hohen Frequenzen und Drehzahlen vornehmen, wie es für eine numerische Steuerung erforderlich ist, weil die Messungen im wesentlichen digital sind und jederzeit bei jeder Periode der Erregerfrequenz wiederholt werden können. Weiter ergeben sich auch keine Wartezeiten für die Stabilisierung von analogen Regelschleifen.

Das Stellungsmeßgerät mißt die Absolutstellung in einer gegebenen Umdrehung des Drehmelders, so daß eine leichte Ungenauigkeit bei einer gegebenen Messung infolge von Aufnahmen von Störgeräuschen nicht kumulativ wirkt (automatisch korrigiert), wenn die nächste Messung erfolgt.

Die Erfindung ist nachstehend erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein allgemeines Blockschaltbild einer numerischen Steuerung für eine Maschine mit einem beweglichen Teil, wobei die numerische Steuerung einen als Stellungsmeßgerät arbeitenden Drehmelder umfaßt.

Fig. 2 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Resolver-Absolutstellungsmessers, der für das Stellungsmeßgerät der Fig. 1 verwandt werden kann.

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Fig. 3 zeigt einen Stromlaufplan des Echtzeitzählerblocks der

Fig. 2.
Fig. 4 zeigt einen Stromlaufplan des PROM- und Digital-Analog-

Wandlerblocks der Fig. 2.
Fig. 5 zeigt einen Stromlaufplan des Phasendetektorblocks der

Fig. 2.
Fig. 6 zeigt einen Stromlaufplan der Multiplex- und Synchroni-

sierschaltungsblöcke der Fig. 2. Fig. 7 zeigt einen Stromlaufplan des Speicherblocks der Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines normalen numerischen Steuergerätes zur Steuerung einer Werkzeugmaschine mit einem beweglichen Teil. Das numerische Steuergerät kann beispielsweise eine Zentraleinheit 10, einen Digital-Analog-Wandler 11 und ein als Drehmelder ausgebildetes Stellungsmeßgerät 12 umfassen. Die Werkzeugmaschine kann beispielsweise einen Motorsteuerverstärker 13, einen Motor 14, ein Tachometer 15, ein bewegliches Teil 16 und einen Drehmelder 17 umfassen.

Dieses numerische Steuerungsgerät kann eine Werkzeugmaschine wie folgt regeln. Die Daten für die Sollbewegung der Maschine können von einem Lochstreifen oder einem anderen Träger der Zentraleinheit 10 eingegeben werden. Diese kann in Abhängigkeit von den eingegebenen Daten einen digitalen Geschwindigkeitsbefehl an den Digital-Analog-Umsetzer 11 abgeben. Dieser erzeugt seinerseits einen analogen Geschwindigkeitsbefehl für den Steuerverstärker 13 des Werkzeugmaschinenmotors. Der Verstärker 13 spricht auf diesen Geschwindigkeitsbefehl an und beaufschlagt den Motor 14. Das Tachometer 15 ist mechanisch an den Motor ge-

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kuppelt und erzeugt ein Rückführungssignal für den Verstärker 13, so daß der Motor annähernd dem Geschwindigkeitsbefehl nacheilt. Das angetriebene oder bewegliche Teil 16 ist mechanisch mit dem Motor 14 verbunden. Der Drehmelder 17 steht mit dem angetriebenen Teil 16 in Wirkverbindung, so daß sein Rotor sich bei einer Bewegung des Teiles dreht. Das Drehmelder-Stellungsmeßgerät 12 erzeugt um 90° versetzte oder Querspannungserregersignale für die Statorwicklungen des Drehmelders, überwacht die im Drehmelderrotor induzierte Wellenform und ermittelt die Winkelstellung des Rotors gegenüber den Statorwicklungen in einer gegebenen Umdrehung des Rotors. Der Block 12 liefert diese Daten für die Iststellung an die Zentraleinheit 10. Diese vergleicht dann die Daten für die Iststellung (über der Zeit) mit der Sollstellung (über der Zeit) und bringt den Befehl für den Digital-Analog-Wandler oder Block 11 als Regelsignal auf den neuesten Stand.

Fig. 2 zeigt ein Detailblockschaltbild eines erfindungsgemäßen Funktionsdrehmelders für Absolutstellungsmessung. Dieses Stellungsmeßgerät kann für den Stellungsmesser 12 der Fig. 1 verwendet werden. Das Stellungsmeßgerät der Fig. 2 eignet sich für den Betrieb mit einer Maschine, die vier bewegliche Teile 21 - 24 besitzt, welche den einzelnen Bewegungsachsen entsprechen. Die einzelnen beweglichen Teile 21-24 stehen jeweils mit einem entsprechenden Drehmelderrotor 31 - 34 in Wirkverbindung. Die Schaltung der Fig. 2 mißt die Stellung eines jeden Drehmelders unter Verwendung eines Multiplexverfahrens, so daß eine einzige Schaltung gemeinsam benutzt werden kann. Ein Echtzeitzähler 41 zählt ein genaues 8-kHz-Taktsignal und erzeugt eine

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genaue Echtzeit-Grundzahl für das Stellungsmeßgerät. Der Echtzeitzäh.ler zählt oeriodisch 2000 dieser Taktimpulse und erzeugt ein paralleles 11- Bit'^usgangssignal für die laufende Zählung. So entsprechen 2000 Zählschritte einer Periode von 250 Mikrosekunden oder einer Erregergrundfrequenz von 4kHz. Der Zähler 41 liefert auch eine Zählung für eine niedrigere Frequenz, die zur Steuerung der Multiplexfunktion dient, wie nachstehend näher erläutert wird.

Ein programmierbarer Sinusfestwertspeicher 4 2 sowie ein programmierbarer Cosinusfestwertspeicher 4 3 werden über eine Leituna 44 durch die 5 Bits der höchsten Stellenzahl des parallGleny-Bit periodischen Redundanzausgangssignals des Zählers 41 adressiert. Diese 5 Bits sind periodischbei der Grundfrequenz von 4 kHz redundant und adressieren 32 Stellen in jedem programmierbaren Festwertspeicher (PROM).

Der Sinus PROM 42 gibt in Abhängigkeit von dieser Adressierung eine Folge von 32 einzelnen Datenwörtern (je 8 Bits parallel) an eine Leitung 45 aus, und diese Folge stellt eine Sinuswellenform auf der Grundfrequenz dar. Die Datenwörter auf der Leitung 45 gelangen an einen Sinusdigital-Analog-Wandler 46, welcher die Folge der 32 periodischen Datenwörter in eine einzige Analogspannung auf einer Leitung 47 umsetzt, welche einer Sinuswellenform angenähert ist. Diese Wellenform weist eine genaue Phasenbeziehung zum Echtzeitzähler 41 auf und liegt an einer ersten Statorwicklung der einzelnen Drehmelder 31 - 34 an.

Der programmierbare Cosinus-Festwertspeicher 4 3 gibt eine Folge von 32 einzelnen Datenwörtern (je 8 Bits parallel) in Abhängig-

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keit von seiner Adressierung über eine Leitung 44 auf eine Leitung 48 ab, und diese Folge stelJ.teine Sinuswellenform auf der Grundfrequenz dar, wobei diese Wellenform gegenüber der auf der Leitung 4 5 anliegenden um 90 versetzt ist. Die Datenwörter auf der Leitung 48 liegen an einem Digital-Analog-Umsetzer für Cosinus 4 9 an, welcher die Folge der 32 Datenwörter in eine einzige Analogspannung auf einer Leitung 50 umwandelt, die einer Sinuswellenform angenähert ist. Diese Wellenform auf der Leitung 50 hat eine genaue Phasenbeziehung zum Echtzeitzähler 41 und damit auch die genaue Querspannungsbeziehung (90° Phasenverschiebung) zur Wellenform auf der Leitung 47. Die Cosinuswelle auf der Leitung 50 liegt an einer zweiten Statorwicklung der einzelnen Drehmelder 31 - 34 an.

Der Rotor der einzelnen Drehmelder 31-34 ist mechanisch an

Teil
ein entsprechendesV21 - 24 gekuppelt, so daß jeder Resolver-Rotor sich dreht, wenn das entsprechende Teil bewegt wird.Eine entsprechende Wellenform wird in jeden Rotor in Abhängigkeit von seiner Winkelstellung induziert. Die Ausgangsspannungen oder Ausgangswellenformen des Rotors der Drehmelder 31-34 werden über Leitungen 56 - 59 den Phasendetektoren 51-54 eingespeist.

Die einzelnen Phasendetektoren 51-54 greifen den Nulldurchgang der Wellenform jeweils in abfallender oder negativer Richtung ab. Diese Phasendetektoren umfassen Sperrkreise, so daß nur ein Ausgangsimpuls in Abhängigkeit vom ersten abfallenden Nulldurchgang während einer jeden Periode erzeugt wird. Die Ausgangsimpulse der Phasendetektoren 51-54 gelangen über

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Leitungen 61 - 64 an einen Multiplexer 60.

Der Multiplexer 60 wählt eines der vier Signale der Leitungen 61-64 und gibt es in Abhängigkeit von den ihm über eine Leitung 66 eingespeisten Adressendaten an eine Leitung 65 ab. Die einzelnen Signale auf den Leitungen 61 - 64 werden alle 6 Millisekunden angewählt. Die Adressendaten auf der Leitung 66 werden von Ausgangssignalen des Echtzeitzählers 41 erzeugt, deren Frequenz niedriger ist als die Grundfrequenz von 4 kHz. Das Ausgangssignal des Multiplexers 60 auf der Leitung 65 wird einem Puffer 67 eingegeben.

Der Speicher 70 speichert das laufende parallele 11-Bit Ausgangssignal des Echtzeitzählers 41 auf einer Leitung 71 in Abhängigkeit von einem Speicherimpuls auf einer Leitung 72 vom Puffer 67. Der Speicher 70 wird von einem Mehrregisterspeicher mit dem speziellen Register versorgt, das durch die Adressendaten auf der Leitung 66 angewählt wird. Der Multiplexer 60 und der Speicher 70 werden durch die gleichen Daten auf der Leitung 66 adressiert, so daß die Zeitpunkte des Nulldurchgangs eines gegebenen Drehmelders stets in den gleichen Registern im Speicher 70 gespeichert werden. Der Speicher 70 kann auch getrennt adressiert werden, um die gespeicherten Daten an eine Leitung 73 abzugeben.

Der Puffer 67 erhält ein asynchrones Signal für den Nulldurchgang auf der Leitung 65 und gibt seinerseits einen Speicherimpuls an die Leitung 72 ab, der mit dem Echtzeitzähler 41 synchronisiert und phasengleich ist. Somit liegt stets ein Speicherimpuls auf der Leitung 72 an, wenn das parallele 11-Bit

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Ausgangssignal des Echtzeitzählers 41 auf der Leitung 71 stabil ist.

Fig. 3 zeigt einen Stromlaufplan für den Echtzeitzähler 41 der Fig. 2. Dieser Stromlaufplan kann durch fünf Synchronzähler wie S/N-74161 in entsprechender Kaskadenschaltung dargestellt werden.

Die Zähler 81, 82 und 83 zählen 2000 Taktimpulse periodisch redundant, um eine Grundfrequenz von 4 kHz zu erzeugen.Sie geben ein paralleles 11-Bit Ausgangssignal an Leitungen 301 - 311 ab, wobei das Bit auf der Leitung 311 das Bit für die höchste Stellenzahl der 11 Bits ist. Die Zähler 83, 82 und 81 sind auf 830 (hexadezimal) voreingestellt, zählen bis FFS 1999 Zählschritte (hexadezimal), werden dann neu durch eine periodisch redundante Zählung von 2000 auf 38 (hexadezimal) eingestellt. Die Bits auf den Leitungen 301 - 311 erzeugen die laufenden 11-Bit Zeitdaten für die Leitung 71. Die Bits auf den Leitungen 307 - 311 erzeugen die 5 Bits der Adressendaten|für die Leitung 44 .

Der Zähler 84 liefert eine Drittelung und der Zähler 85 teilt durch 16. Der Zähler 84 ist auf D(hexadezimal, Dezimal 13) voreingestellt, zählt zwei Überträge vom Zähler 83 und stellt sich selbst auf den dritten übertrag des Zählers 83 ein, so daß das Ausgangssignal auf der Leitung 314 eine nicht symmetrische Periode von 750 Mikrosekunden aufweist. Der Zähler 85 teilt durch 16, so daß die Ausgangssignale auf den Leitungen 317, 318, 319 und 320 symmetrische Perioden von 1,5 , 3, 6 und 12 Millisekunden aufweisen. Die Ausgangssignale auf den Leitungen

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314 und 317 bis 320 liefern die Multiplexadressierung für die Leitung 66.

Fig. 4 zeigt einen Stromlaufplan, der zur Versorgung des programmierbaren Sinusfestspeichers 42, des Sinus-Digital-Analog-Wandlers 46, des programmierbaren Cosinusfestspeichers 43 und des Cosinus-Digital-Analog-Wandlers 49 der Fig. 2 verwendet werden kann.

Der programmierbare Sinusfestspeicher 42 wird durch die Bits des Echtzeitzählers auf den Leitungen 307 - 311 adressiert. Diese Bits sind die Bits für die höchste Stellenzahl der periodisch redundanten 11-Bit Grundfrequenzenausgangsspannung. In Abhängigkeit von dieser Ausgangsspannung erzeugt der PROM 42 periodisch eine Folge von 32 (8 Bits parallel) Datenwörtern, welche eine Sinuswellenform darstellen. Der Sinusfestwertspeicher ist praktisch eine digitale Nachschlagetabelle, deren Folge durch den Echtzeitzähler gesteuert wird. Die Größe der Folge der 32 Datenwörter nähert sich der Größe einer Sinuswelle in einer Periode der Grundfrequenz an.

Auch der Cosinusfestspeicher 43 wird durch die 5 Bits für die höchste Stellenzahl des periodisch redundanten 11-Bit Ausgangsgangssignals auf der Grundfrequenz adressiert. In Abhängigkeit von dem Ausgangssignal erzeugt der PROM 43 periodisch eine Frequenz von 32 (8 Bits parallel) Datenwörtern, welche eine Sinuswellenform darstellen, wobei die digitalen Datenwortfolgen der programmierbaren Festspeicher 4 2 und 4 3 sinusförmige Querspannungsformen (um 90° phasenverschoben) darstellen. Die programmierbaren Festspeicher 42 und 43 sind die Speicher des bevorzug-

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ten Ausführungsbeispiels.

Das parallele 8-Bit-Ausgangssignal des PROM 42 wird einem ersten Digital-Analog-Wandler eingespeichert. Der erste Digital-Analog-Wandler wird aus einem Kettenleiternetzwerk 90, einem Strom-Spannungsverstärker 91 und Puffernverstärkern 92 gebildet. Das parallele 8-Bit-Eingangssignal des PROM 42 wird einem monolithischen Kettendigital-Stromwandler 90 eingespeist, der ein DAC-08 CQ der Precision Monolithic Co. sein kann. Das Ausgangssignal des Digital-Stromwandlers 90 liegt an einem Spannungsverstärker 91 an, der in Form eines Verstärkermodells 74 7 ausgeführt sein kann. Die mit diesen beiden Bausteinen verbundenen Widerstände sind so gewählt, daß sie eine 15 V-Ausgangsspannung__g des Verstärkers 91 liefern. Die Verstärker 92 sind Pufferverstärker mit dem Verstärkungsgrad 1 die ebenfalls in Form des Verstärkermodells 747 ausgeführt sein können. In der Praxis sind 4 Pufferverstärker mit dem Verstärkungsgrad 1 vorgesehen, und zwar je einer zur Ansteuerung der ersten Statorwicklung der einzelnen Resolver 31 - 34. Die integrierten Schaltungen 90, 91 und 92 bilden zusammen mit den ihnen zugeordneten Widerständen und Kondensatoren einen ersten Digital-Analog-Wandler, dessen Ausgangssignal eine angenäherte Sinuswelle darstellen.

Das parallele 8-Bit Ausgangssignal des programmierbaren Cosinusfestspeichers 43 gelangt an einen zweiten Digital-Analog-Wandler, der sich aus den Bauteilen 95, 96 und 97 ebenso wie der erste Digital-Analog-Wandler zusammensetzt. Dieser Wandler unterscheidet sich jedoch vom ersten dadurch, daß die dem Verstärker 96 zugeordneten Widerstände um 10 % höher sind, so daß

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der Verstärker 96 annähernd 16,5 ν_ςς abgibt. Die Potentiometer 98 und 99 an den Eingängen der Verstärker 97 dienen dann zur Verkleinerung dieses Wertes und zum entsprechenden "Abgleich" der Sinus- und Cosinus-Ausgangssignale je Drehmelder. Diesem eine Potentiometer je Drehmelderachse ist die einzige erforderliche Kalibrierung der Erfindung. Die integrierten Bausteine 95, 96 und 97 mit den ihnen zugeordneten Widerständen und Kondensatoren bilden einen zweiten Digital-Analog-Wandler, dessen Ausgangsspannung annähernd sinusförmig ist, wobei die Ausgangsspannungen des ersten und zweiten Digital-Analog-Wandlers gegeneinander um 90° versetzt sind.

Fig. 5 zeigt einen Stromlaufplan der Phasendetektorblöcke 51 - 54. Der Stromlaufplan umfaßt einen Pufferverstärker 101, einen Detektor 102 für den angenäherten Nulldurchgang sowie einen Sperrkreis 103. Am Pufferverstärker 101 liegt die Ausgangsspannung des Rotors über eine Leitung 56 (als ROTOR RTN bezeichnet) an; er weist eine Gleichspannungsverstärkung von zwei Dritteln und eine 3 db-Nacheilung der Zeitkonstante von 20 Mikrosekunden auf. Die Zeitkonstante von 20 Mikrosekunden bietet eine Glättungsfunktion bei einer Frequenz, die deutlich über der Grundfrequenz von 4 kHz der induzierten Rotorspannung liegt. Die integrierte Verstärkerschaltung kann vom Typ 74 7 sein.

Am Eingang des Nulldurchgangs des Detektors 102 liegt das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 101 an. Der Detektor 102 wird von einer Vergleichsschaltung gebildet, deren Ausgangssignal auf einer Leitung 104 vom logischen Pegel 1 auf einen logischen Pegel Null abfällt, wenn sich die Wellenform auf der Leitung 56

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von einer positiven Spannung in eine negative Spannung ändert. Die integrierte Vergleichsschaltung kann ein Typ LM311 sein. Die Vergleichsschaltung ist vorgespannt, um bei etwa +0,3 V anstatt bei 0 V umzuschalten, so daß eine zufällig unter Last stehende Rotorleitung sie nicht triggern kann. Dieser Triggerpegel kann auch Verzögerungen beim Verstärker 101 kompensieren.

Der Sperrkreis 103 gewährleistet, daß nur ein Impuls an die Leitung 61 für jede Periode der Grundspannung des induzierten Rotorsignals abgegeben wird, um die Möglichkeit von kurzen Mehrfachimpulsen für eine Einzelperiode auszuschalten. Zunächst sei daran erinnert, daß die Periode der Grundfrequenz 250 Mikrosekunden beträgt. Wechselt das Signal auf der Leitung 104 von einer logischen 1 auf eine logische 0, so zündet der monostabile Formierkreis 103 150 Mikrosekunden lang, um einen einzigen Ausgangsimpuls an die Leitung 61 abzugeben und damit sicherzustellen,daß während dieses Zeitabschnittes kein weiterer angenäherter Nulldurchgang auf der Leitung 61 angezeigt werden kann. Die Schaltung 103 sperrt somit alle weiteren Ausgangssignale, die wegen eines Rotorstörsignals auf der Leitung 56 auftreten können. Die Schaltung der Fig. 5 bildet den Phasendetektor des bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Fig. 6 zeigt einen Stromlaufplan, der für den Multiplexerblock 60 und den Puffer 67 der Fig. 2 verwendet werden kann.

Der Multiplexerblock 60 kann eine integrierte Multiplexerschal-

sein kann

tung 110V die ein S/N 74151 und ein NAND-Tor 111 seinv uie Dateneingangssignale des Multiplexers 110 sind die asynchronen Aus-

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gangssignale der Phasendetektoren 51-54 auf den Leitungen 61 - 64. Die Wahleingangssignale des Multiplexers 110 sind die Ausgangssignale auf den Leitungen 318 - 320 des Echtzeitzählers,die jeweils symmetrische Perioden von 3,6 und 12 Millisekunden aufweisen. Der Abtasteingangsimpuls für den Multiplexer wird vom NAND-Tor 111 erzeugt. An den Eingängen des Tores 111 liegen die Ausgangssignale über die Leitungen 314 und 317 her an. An seinen Ausgängen erzeugt das Tor 111 ein Abtastsignal mit einer Periode von 1,5 ms und einen logischen Pegel von Null für 0,5 ms. Somit erzeugt der Multiplexer 110 alle 1,5 ms in Abhängigkeit von seiner Datenwahl und den Abtasteingangsimpulsen Daten von jeweils einer anderen Eingangsleitung 61 bis 64 auf der Ausgangsleitung 65. Das heißt, daß Daten von einem gegebenen Phasendetektor während einer Periode von 12 ms zweimal an die Leitung 65 (für jeweils 0,5 ms) in Zeitabständen von je 6 ms abgegeben werden. Die an die Leitung 65 durch den Multiplexer 110 abgegebenen Daten sind gegenüber dem Taktsignal von 8 MHz asynchron und können eine zusätzliche Anstiegsflanke umfassen, die jedesmal dann anliegt,wenn der MuItiplexer-Abtastimpuls ausgelöst wird.

Der Pufferblock 67 kann mit einer Synchronisierschaltung 120, einem Einzelimpulskreis 121 und einem Impulsverkürzungskreis 122 bestückt sein.

Der Synchronisierkreis 120 gibt in Abhängigkeit von einem Wechsel zum logischen Pegel 1 auf der Leitung 65 einen einzigen negativen Impuls an eine Leitung 125 ab. Dieser Impuls auf der Leitung 125 ist mit dem 8 MHz-Taktimpuls synchron und hat eine Länge von 125 ns. Der Synchronisierkreis 120 setzt sich aus zwei kaskaden-

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geschalteten T-Flipflops 126 und 127 (wie S/N 74175), die vom 8 MHz Taktimpuls gesteuert werden sowie einem NAND-Tor 128 zusammen. Der Ausgangsimpuls auf der Leitung 125 beginnt, wenn sich der Schaltzustand eines Flipflops 126 ändert, und schaltet ab, wenn ein Flipflop 127 seinen Schaltzustand ändert. Wenn somit das Signal auf der Leitung 65 hochpegelig wird, gibt der Synchronisierkreis 120 einen einzigen negativen Impuls an die Leitung 125 ab, der mit dem 8 MHz-Taktimpuls synchronisiert wird und eine Länge von 125 ns besitzt.

Der Einzelimpulskreis 121 arbeitet in Abhängigkeit von Impulsen auf der Leitung 125 und einer Pegeländerung auf einer Leitung 129, um einen einzelnen Impuls an eine Leitung 130 abzugeben. Der Kreis 121 erfüllt zwei Hauptaufgaben. Erstens wählt er die Anstiegsflanken der Phasendetektorsignale des Multiplexers 110 aus. Zweitens erlaubt er, daß nur ein Impuls (entsprechend je einer Anstiegsflanke des Phasendetektorsignals) alle 1,5 ms an die Leitung 130 abgegeben wird.

Der Kreis 121 umfaßt T-Flipflops 131 und 132 (z.B. S/N 24 175), ein NOR-Tor 133, einen J-K-Flipflop 134 (z.B. S/N 74 109), ein NOR-Tor 135 sowie eine Inversionsstufe 136. Wenn das Signal auf der Leitung 129 auf den Pegel einer logischen Null abfällt, wird der Tastimpuls des Multiplexers 110 ausgelöst. Die in Kaskadenschaltung angeordneten T-Flipflops 131 und 132 mit einem Tor 133 sprechen auf den Pegelwechsel auf der Leitung 129 an, und erzeugen einen einzigen positiven Impuls auf einer Leitung 137·, der mit dem 8 MHz-Taktsignal synchron ist und eine Länge von 125 ns besitzt. Der Impuls auf der Leitung 137 liegt am J-Eingang eines Flipflops 134 an, so daß dieser eine Taktsignal-

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periode später angesteuert wird und seinerseits ein Tor 135 beaufschlagt, um die Impulse durchzusteuern. Wenn somit in Abhängigkeit von einem Signal auf der Leitung 129 eine logische Null anliegt, wird auf der Leitung 125 eine Fremdanstiegsflanke erzeugt, worauf die Leitungen 125 und 137 gleichzeitig Impulse führen, wobei jedoch der Impuls auf der Leitung 125 abschaltet, ehe der Flipflop 134 das Tor 135 ansteuert. Somit sperrt der Kreis 121 fremderregte Multiplexerimpulse auf der Leitung 65 und wählt die eigentlichen Anstiegsflanken der Phasendetektorsignale auf der Leitung 65 aus.

Der Schaltkreis 121 ermöglicht auch, daß nur ein einziger Impuls (entsprechend einer Anstiegsflanke des Phasendetektorsignals) alle 1,5 ms auf die Leitung 130 gegeben wird. Nachdem der Tastimpuls durch das Signal auf der Leitung 129 ausgelöst wird, das eine logische Null wird, beaufschlagt der Flipflop 134 das Tor 135, um die Impulse von der Leitung 125 durchzusteuern. Der erste durch das Tor 135 gesteuerte Impuls wird jedoch an den K-Eingang des Flipflops 135 zurückgeführt, so daß dieser synchron seinen Schaltzustand verändert, um das Tor 135 nach dem Durchlauf des ersten Impulses zu sperren. Damit wird alle 1,5 ms ein einziger Synchronimpuls auf der Leitung 130 erzeugt, der dem Ausgangssignal eines der angewählten Phasendetektoren entspricht.

Der Impulsverkürzungskreis 122 kappt die ersten 100 ns des 125 ns-Impulses auf der Leitung 130, so daß der Impuls auf der Leitung 172 nicht nur synchron mit dem Echtzeitzähler läuft, sondern auch anliegt, wenn das Ausgangssignal des Echtzeit-

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Zählers stabil ist. Der Schaltkreis 122 verwendet eine 100 ns-Verzögerungsschaltung 138, die durch den 8 MHζ-Taktimpuls zur
Ausführung ihrer Aufgabe getriggert wird.

Somit liegt ein Einzelimpuls von 25 ns in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des angewählten Phasendetektors auf der Leitung 32 an, wenn dieses Ausgangssignal entsprechend seinen Schaltzustand ändert. Dieser Einzelimpuls ist mit dem Echtzeitzähler synchron und liegt an, wenn die Datenausgabe des Echtzeitzählers stabil ist.

Fig. 7 zeigt einen Stromlaufplan, der den Speicherblock 70 der Fig. 2 bilden kann. Der Speicherblock kann aus drei integrierten Mehrregisterschaltungen 150, 151 und 152 sowie einem Registerwahlkreis 153 (z.B. S/N 74161) bestehen.

Die einzelnen Register 150, 151 und 152 können jeweils ein
S/N 74 S 189 sein. Die einzelnen Register umfassen mindestens

8 (4 Bit) Register, wobei die Registerwahl durch die Wahlein-

Liegt
gänge A, B, C getroffen wird.vein Impuls auf der Leitung 72

an, werden die Daten auf den Leitungen 301 - 311 in einem entsprechenden Teil der Register 150, 151 und 152 in Abhängigkeit von der Datenwahl durch die Schaltung 153 gespeichert. Wie bereits erwähnt, treten acht dieser Impulse auf der Leitung 72
alle 12 ms auf. Die Wahleingänge A, B, C wählen auch die gespeicherten Daten aus, die an die durch Pfeile 73 gekennzeichneten Datenausgänge übertragen werden sollen.

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Die Schaltung 153 erzeugt die Wahleingangssignale A, B, C für die Register 150, 151 und 152. Sie arbeitet in einer ersten Schaltungsart zur Einspeicherung der Daten des Echtzeitzählers in die Register 150, 151 und 152; sie arbeitet in einer zweiten Schaltungsanordnung zum Auslesen der Daten aus den Registern 150, 151 und 152.

Während der Datenspeicherung führt eine Leitung 154 zuerst eine logische Null, so daß die Schaltung 153 einfach ihre Eingangsdaten zu ihren Datenausgängen durchsteuert. Die Leitungen 318, 319 und 320 führen symmetrische Rechteckwellen mit Perioden von 3,6 und 12 ms während einer Periode von 12 ms, wobei acht verschiedene Register in Intervallen von 1,5 ms angewählt werden, und während eines jeden Intervalls ein Impuls auf der Leitung 72 anliegt, um Daten zu speichern.

Nach Speicherung der Daten kann das Signal auf der Leitung 154 in eine logische Eins umgesetzt werden, damit die Schaltung 153 in die Betriebsart Zählen umgeschaltet wird. Legt man die Impulse an eine Leitung 155 an, so kann die Schaltung 153 durch acht Zählstufen transformiert werden, so daß acht gespeicherte (11 Bit) Wörter wahlweise am Speicherausgang abgenommen werden können. Die Leitungen 154 und 155 können von der Zentraleinheit 10 gesteuert werden, so daß diese die gespeicherten Daten alle 12 ms aus den Registern auslesen kann. Die Zentraleinheit kann durch ein Unterbrechungssignal, falls erforderlich, alarmiert werden, daß Daten alle 12 ms abgegriffen werden können.

Der aus den integrierten Schaltungen 150 - 153 zusammengesetzte

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Speicherblock 70 speichert die Daten auf Leitungen 301 - 311, wenn ein Impuls an der Leitung 72 anliegt. Diese gespeicherten Daten stellen dann die Winkelstellung eines Drehmelderrotors dar sowie die Stellung des entsprechenden beweglichen Teils, mit dem dieser Rotor in Wirkverbindung steht.

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Leerseite

Claims

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Patentanwälte
Dipl. Ira H. Hauck

Πίρ; i-r: λ. »V. Schmitz

Π·;·· I. ir ■■;. E. C rna If 3

f-'';;i. I -.4. W. VVf; irrt

Dipl. Pn-j ο. ·7. Cn rc to ns

Dr.-liig. VV. Döring

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The Bendix Corporation

Executive Offices

Bendix Center Anwaltsakte M-5083

Southfield,Mich.48076 (USA) 30. Oktober 1979

Funktionsdrehmelder für Absolutstellungs-

messung

Patentansprüche:

1J Meßgerät für Absolutstellungen auf Funktionsdrehmeldergrundlage für ein numerisches Steuergerät, das eine Maschine mit mindestens einem beweglichen Teiüjsteuert, wobei der Funktionsdrehmelder mit dem beweglichen Teil in Wirkverbindung steht, 30 daß sich sein Rotor dreht, wenn sich das Teil dreht, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät folgende Baugruppen umfaßt: einen Echtzeitzähler (41) zur Zählung der Echtzeit sowie zur Erzeugung eines digitalen, mehrstelligen Datenwortes, das periodisch redundant ist, vom Echtzeitzähler (41) adressierbare Speicher (42, 43), die periodisch Folgen von digitalen Datenwörtern erzeugen, welche um 90 versetzte Sinuswellenformen bei einer Grundfrequenz darstellen, ferner einen ersten Digital-Analog-Umsetzer (46) , der in Abhängigkeit von

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den digitalen Datenwörtern der Speicher (42, 43) eine angenäherte Sinuswellenform auf der Grundfrequenz erzeugt, um eine erste Statorwicklung des Funktionsdrehmelders (17) zu erregen, sodann einen zweiten Digital-Analog-Wandler (49), der in Abhängigkeit von den digitalen Datenwörtern der Speicher (42, 43) eine annähernde Sinusform auf der Grundfrequenz erzeugt, um eine zweite Statorwicklung des Funktionsdrehmelders (17) zu erregen, wobei die Sinusausgangsspannungen

des ersten und des zweiten Digital-Analog-

Wandlers (46, 49) gegeneinander um 90° versetzt sind, weiter einen in Abhängigkeit von der Wellenform der Ausgangsspannung des Rotors (31) des Funktionsdrehmelders (17) arbeitenden Phasendetektors (51), der eine Anzeige gibt, wenn die vom Rotor (31) des Funktionsdrehmelders erzeugte Wellenform eine bestimmte Phasenbeziehung erreicht, sowie einen Speicher (70) zur Speicherung des Ausgangssignals des Echtzeitzählers (41) in Abhängigkeit von der Ausgabeanzeige des Phasendetektors (51), so daß der Inhalt des Speichers (70) die Stellung des Rotors (31) und des beweglichen Teils (16) anzeigt.
2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher (42, 43) einen ersten und zweiten programmierbaren Festspeicher (42, 43) umfassen, die jeweils durch den periodisch redundanten Echtzeitzähler (41) adressierbar sind.
3. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Digital-Analog-Wandler (46, 49) jeweils mit einem Widerstandskettennetzwerk (90; 95) sowie mit einem

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Rechenverstärker (91; 96) versehen sind.
4. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Echtzeitzähler (41) periodisch Adressensignale mit einer Frequenz erzeugt, die größer ist als 1 kHz.
5. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (70) eine Synchronisiervorrichtung (67) umfaßt, um die Ausgabeanzeige des Phasendetektors (51) für den Echtzeitzähler (41) zu synchronisieren.
6. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (51) den angenäherten Nulldurchgang der Ausgangswellenform des Rotors abgreift.
7. Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (51) folgende Baugruppen umfaßt: einen Verstärker (101), an welchem die vom Rotor (31) des Funktionsdrehmelders (17) erzeugte Wellenform als Eingangsspannung anliegt, sodann dadurch, daß der Verstärker (101) eine Nacheilzeitkonstante aufweist, welcher die Wellenform bei einer Frequenz filtert, die erheblich größer ist als die Grundfrequenz der Statorerregerspannung, sodann eine Vergleichsschaltung (102), an welcher das Ausgangssignal des Verstärkers (101) als Eingangsspannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Ausgangsspannung den Schaltzustand beim angenäherten Nulldurchgang der Eingangsspannung ändert, und schließlich einen Einzelimpulskreis (104), an den die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung (102) als Eingangssignal anliegt, dadurch

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gekennzeichnet, daß er (103) für jede Periode der Statorerregerspannung eine und nur eine Ausgangsspannungsanzeige gibt.
8. Meßgerät nach Anspruch 1 für ein numerisches Steuergerät,welches eine Maschine mit mehreren beweglichen Teilen steuert, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Funktionsdrehmelder (RES 1-4) mit jedem der beweglichen Teile (21-24) verbunden sind, daß ein erster Digital-Analog-Wandler (46) eine erste Statorwicklung der jeweiligen Funktionsdrehmelder (RES 1-4) erregt und daß ein zweiter Digital-Analog-Wandler (49) eine zweite Statorwicklung der jeweiligen Funktionsdrehmelder (RES 1-4) erregt, ferner dadurch, daß mehrere Phasendetektoren (51-54) vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von der Wellenform eines der Rotoren (41-34) der Funktionsdrehmelder anzeigen, wenn die vom jeweiligen Funktionsdrehmelderrotor erzeugte Wellenform eine bestimmte Phasenbeziehung erreicht, weiter dadurch, daß Multiplexer (60; 110) in Abhängigkeit von den Phasendetektoren (51-54) und dem Echtzeitzähler (41) ein Ausgangssignal erzeugen, sodann dadurch, daß die Ausgangssignale der Multiplexer (60; 110) eine ausgewählte Folge von Ausgangssignalen der Phasendetektoren (51-54) darstellen, wobei diese ausgewählte Folge auf Wahlsignalen des Echtzeitzählers (41) beruht, sodann dadurch, daß der Speicher (70) seriell die Ausgangssignale des Echtzeitzählers (41) in Abhängigkeit von der ausgewählten Signalfolge der Multiplexer (60; 110) und von den Wahlsignalen des Echtzeitzählers (41) speichert, so daß sein (70) Inhalt die Stellungen eines jeden gewählten Rotors (31-34) und entsprechenden beweglichen Teils (21-24)

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darstellt.
9. Meßgerät nach Anspruch 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisiervorrichtung (67) die Ausgabeanzeige der Multiplexer (60; 110) für den Echtzeitzähler (41) synchronisiert.
10. Meßgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisiervorrichtung (67) einen Detektor (120) für die Ist-Anstiegsflanke sowie einen Impulssperrkreis (121) umfaßt.

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