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Verfahren und Einrichtung zur Drehzahlmessung einer
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mit einem rotierenden Impulsreber zekuppelten Welle Die vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Drehzahlmessung einer
mit einem rotierenden Impulsgeber gekuppelten Welle, wie es insbesondere zur Istwerterfassung
bei Regelkreisen Anwendung finden kann. Rotierende Impulsgeber mit einer feststehenden
optischen, induktiven oder elektromagnetischen Abtasteinrichtung sind an sich als
Istwertgeber für die Position bzw. Winkellage bei Lageregelungen üblich (vergl.
AEG-Mitteilungen 54 (1964), Seiten 672 -677). Obwohl bekanntermaßen aus dem Ausgangssignal
dieser Impulsgeber auch eine Information über die Wellendrehzahl zu gewinnen wäre,
mußte man bisher davon absehen, diese zur Istwerterfassung bei Drehzahlregelungen
zu verwerten und hat daher trotz Vorhandenseins eines solchen Impulsgebers auf die
analoge Istwertbildung mittels Tachometergeneratoren zurückgegriffen.
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Der Grund liegt in der unbefriedigenden Qualität eines aus den Impulsen
des Impulsgebers gewonnenen Drehzahlistwertsignals. Werden nämlich die von dem Impulsgeber
gelieferten Impulse jeweils über eine konstante Meßzeit T gezählt bzw. nach einer
Frequenzspannungswandlung mit der Glättungszeitkonstanten T geglättet, so zeigt
sich, daß der sich dabei ergebende relative Fehler 6 des Meßsignals umgekehrt proportional
zur Meßzeit T (Totzeit) bzw. zur Glättungszeitkonstanten T ist. Die Forderung nach
guter Dynamik und großer Genauigkeit des Drehzahlistwertsignals sind also auf diese
Weise nicht erfüllbar.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich zur Aufgabe, ein Verfahren anzugeben,
mit welchem aus den von einem rotierenden Impulsgeber abgeleiteten Impulsen ein
der Drehzahl proportionales Signal gewonnen werden kann, welches sehr schnell und
hochgenau den Drehzahlschwankungen folgen kann, Es sollen also die bei der unmittelbaren
Auswertung der normalen Impulsgebersignale unvereinbaren Forderungen nach kleiner
GlEttungszeitkonstanten (gute Dynamik) und geringerwelligkeit e (große Genauigekeit)
gleichzeitig erfüllt werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Grundgedanke der Erfindung ist es also,
die von dem Impulsgeber gelieferten Signale einer solchen Frequenztransformation
zu unterwerfen, daß der Frequenzhub der Impulsgebersignale in einen höherfrequenten
Bereich verlegt wird, in welchem dann die sich nach einer Frequenzspannungsumsetzung
ergebenden Signale bei vorgegebener Welligkeit mit wesentlich kleinerer Glättungszeitkonstanten
geglättet werden können, als es aufgrund der obigen Darlegungen im untransformierten
Frequenzbereich der Impulsgebersignale möglich wäre.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich aus den Impulsgeberimpulsen
ein Drehzahlistwertsignal erzielen, welches hinsichtlich Dynamik und Welligkeit
dem Ausgangssignal einer Tachomaschine in nichts nachts nachsteht, so daß diese
mit Vorteil ersetzt werden kann.
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Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen, welche in den Unteransprüchen
gekennzeichnet ist, soll nachstehend anhand der Figuren näher veranschaulicht werden.
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Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild zur Wirkungsweise des erfindungsgemäßen
Verf ahrens Mit 1 ist die Impuls-
scheibe eines an sich bekannten
Impulsgebers bezeichnet, welcher im dargestellten Beispiel mit elektromagnetischer
Abtastung arbeiten möge. Er weist an seinem Umfang in regelmäßigem Abstand eingelassene
antiparallel gepolte Permanentmagnete 2 auf, der Anzahl 2 p beträgt. Die Impulsscheibe
ist mit einer sich mit der Winkelgeschwindigkeit # drehenden Welle 3 verbunden,
so daß in einer magnetischen Abtastvorrichtung 4 eine Signalfolge mit der Frequenz
p . w 0 entsteht. In einer Frequenztransformationseinrichtung 5, in welcher eine
Referenzsignalfolge erzeugt wird, die einer Größe fi O proportional ist und wesentlich
höherfrequent als die Frequenz p X der Impulsgebersignale (#o » PW ) ist, wird die
Referenzsignalfolge mit der Frequenz p W der Impulsgebersignalfrequenz moduliert,
so daß am Ausgang der Einrichtung 5 eine Signalfolge entsteht, welche die Frequenz
p # + 0 aufweist und einem Frequenzspannungsumsetzer 6 zugeführt wird, welcher diese
in eine frequenzproportionale Gleichspannung umwandelt, welche von einem Glättungsglied
7 (Tiefpaßfilter) mit der Zeitkonstanten TG1 geglättet wird. Bei vorgegebener Welligkeit
g kann diese Zeitkonstante TG1 um so kleiner gewählt werden, Je größer die Frequenz
#0 0 der Referenzsignalfolge gewählt wird. Vom Ausgang des Glättungsgliedes 7 wird
eine der Frequenz #0 entsprechende Gleichspannung subtrahiert. Die Ausgangsspannung
U# # wird damit zu einem getreuen Abbild der Wellendrehz ahl.
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Figur 2 zeigt detailliert eine Einrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Hierbei wurde die Erkenntnis ausgenutzt, daß die positionsempfindlichen
Elemente von Impulsgebern in Abhängigkeit vom Drehwinkel praktisch sinusförmige
Ausgangsspannungen erzeugen. Dies gilt sowohl für optoelektronische als auch für
die magnetischen Geber. Es erscheinen daher an den Ausgangsklemmen 9 und 10 des
Impulsgebers 4 zwei
um 90 el gegeneinander versetzte sinusförmige
Wechselspannungen. Für die Spannung U1 an der Klemme 9 gilt U1 = û sin pwt. Die
in der Figur 1 mit 5 bezeichnete Frequenztransformationseinrichtung besteht bei
dem in Figur 2 dargestellten Beispiel aus einem Referenzoszillator 11, zwei Multiplizierern
12 bzw. 13, einem Addierglied 14, welchem die Ausgänge der Multiplizierer 12 und
13 zugeführt sind, sowie einem diesem nachgeschalteten Impulsformer 15, welcher
die Aufgabe hat, beim Nulldurchgang jeder ansteigenden Flanke des Ausgangssignals
des Addiergliedes 14 einen kurzen Impuls abzugeben. Mit den Bezugszeichen 1 bis
8 sind bereits im Zusammenhang mit Figur 1 er läuterte Elemente gleicher Wirkung
bezeichnet. An den Ausgangsklemmen 16 und 17 des Sinus-Kosinus-Oszillators entstehen
zwei um 90° el gegeneinander versetzten sinusförmige Wechselspannungen, wobei für
die an der Klemme 17 erscheinende Spannung U2 gilt U2 = ûR sin #0 t.
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ist dabei die im wesentlichen konstante Frequenz des Referenzoszillators,
welche wesentlich höher gewählt wird als die Frequenz p.#, der von dem Impulsgeber
4 erzeugten Wechselspannungen.
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Bei der Anordnung nach Figur 2 ergibt sich damit am Ausgang des Addiergliedes
14 eine Spannung U3 ûR sin (P # + #0) t, deren Frequenz also mit der Frequenz der
Impulsgebersignale p # moduliert ist.
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Nach Erzeugung von Impulsen zu den Zeitpunkten der Nulldurchgänge
der positiven Spannungsflanken von U3 mittels des Impulsformers 15, anschließender
Frequenz-Spannungs-Umsetzung durch den Wandler 6 und Glättung mittels des Glättungsgliedes
7 wird eine Gleichspannung der Form UT = p # + #0 erzeugt, wovon nach Subtraktion
einer der Frequenz #0 des Referenzoszillators 11 entsprechenden Gleichspannung #0
eine der Frequenz der von dem Impulsgeber erzeugten Signale und damit eine der Drehzahl
der Welle 3 proportionale
Gleichspannung UQ entsteht.
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Für den Fall, daß bei der Frequenz S 0 des Referenzoszillators 11
mit gewissen Schwankungen zu rechnen ist, welche beispielsweise auf Drifterscheinungen
zurückzuführen sind, erweist es sich als zweckmäßig, die im Mischglied 8 zu subtrahierende
Gleichspannung O O aus dem Referenzspannungssignal U2 abzuleiten. Es wird dieses
daher einem weiteren Impulsformer 18 zugeführt, dessen Ausgangssignal genauso wie
das Ausgangs signal des Impulsformers 15 einem Frequenzspannungsumsetzer 19 zugeführt
wird. Dessen Ausgangssignal wird in einem Glättungsglied 20 geglättet. Da die Frequenz
des Referenzoszillators zumindest keinen schnellen Änderungen unterworfen ist, kann
die Glättungszeitkonstante TG2 des Glättungsgliedes 20 relativ groß bemessen werden.
Auf diese Weise werden nicht nur Frequenzschwankungen des Referenzoszillators 11
kompensiert, sondern auch gleichsinnige Driftspannungen der Frequenz-Spannungs-Wandler
6 und 19.
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Mit der bisher im Zusammenhang mit der Figur 2 beschriebenen Einrichtung
läßt sich zur Istwerterfassung in Drehzahlregelkreisen mit Vorteil eine Gleichstromtachodynamo
ersetzen. Für Drehzahlregelungen, welchen eine Lageregelung überlagert ist, wird
neben einem Drehzahlgeber auch noch ein Istwertgeber für die Winkellageider Welle
3 erforderlich. Anstatt hierfür in üblicher Weise die an den Klemmen 9 und 10 des
Impulsgebers 4 erscheinenden Ausgangs signale direkt auszuwerten, womit dann beim
Passieren Jedes zweiten Permanentmagneten 2 ein Impuls erhalten wird, kann mittels
eines Vorwärts-Rückwärtszählers 21, welcher eingangsseitig mit den Ausgangsspannungen
U5 bzw. U4 der Impulsformer 15 bzw. 18 beaufschlagt ist, eine über die Impulsgeberteilung
hinausgehende Auflösung erzielt werden, wenn dem bidirektionalen Zähler 21
ein
Digital-Analog-Wandler 22 nachgeschaltet wird, dessen Ausgangs spannung 6 mittels
eines Glättungsgliedes 23 mit der Glättungszeitkonstanten TG3 geglättet wird. Es
sei hierzu auf die Diagramme der Figur 3 verwiesen, welche in ihrem oberen Teil
den zeitlichen Verlauf der Spannungen U1 bis U3 zeigt.
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Mit TI ist die Periodendauer der von dem Impulsgeber erzeugten sinusförmigen
Spannungen bezeichnet, U2 stellt eine der Ausgangs spannungen des Referenzoszillators
11 dar und die Spannung U3 ist das frequenztransformierte Signal. Zu den Zeiten
der Null durchgänge ansteigender Flanken der sinusförmigen Spannung U2 wird Jeweils
ein impulsförmiges Signal U4 erzeugt, mit welchem der Stand des Zählers 21 um 1
erhöht wird, während zu den Zeiten entsprechender Nulldurchgänge der Spannung U3
ein impulsförmiges Signal U3 auftritt, mit welchem der Stand dieses Zählers um 1
erniedrigt wird. Solange die Nulldurchgänge der Spannungen U2 und U3 aufeinanderfolgen,
pendelt also der Zählerstand dauernd hin und her, wobei die Verweildauer des Zählers
in der Lagen, in welcher er den höheren Zählerstand aufweist, bei der beispielsweise
angenommenen Drehrichtung des Impulsgebers laufend zunimmt, bis in dem in Figur
3 gestrichelt angedeuteten Zeiintervallen auf einen Impuls des Signals U4 zwei Impulse
des Signals U5 folgen, so daß der Zählerstand um 2 erhöht und dann abwechselnd wieder
erniedrigt und erhöht wird. Es ergibt sich auf diese Weise ein impulsbreitenmodulierter
Impulszug U6, des sen Mittelwert sich bei konstanter Winke:Lgeschwindigkeit # zeitlinear
ändert. Während man also bei direkter Auswertung der Impulsgebersignale nur zu den
Zeitpunkten TI + t0, 2TI + t00 3Tï + t0 eine auswertbare Veränderung des Zählerstandes
des Zählers 22 um Jeweils eine Einheit e erhalten hätte, ergeben sich nunmehr eine
Vielzahl von Zwischenwerten zwischen diesen Zeitpunkten. Die Auflösung des Impulsgebers
wird
also durch das erfindungsgemäße Verfahren erheblich erhöht.
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Zur Reduzierung einer gewissen Restwelligkeit im Ausgangssignal UT
des Glättungsgliedes 7 erweist sich die in Figur 4 dargestellte Variante als zweckmäßig,
mit welcher die Referenzsignale der Frequenz Co 0 auf digitale Weise erzeugt werden
und die Multiplikation mit Hilfe von multiplizierenden Digital-Analog-Wandlern erfolgt.
Hierzu ist ein Impulsgenerator 24 vorgesehen, welcher Impulse konstanter Frequenz
f0 erzeugt, die einen Zähler 25 bis zu einem gewissen maximalen Zählerstand hochzählen,
woraufhin sein Zählerstand auf den Wert Null vermindert und er anschlie-Bend wieder
bis zu diesem Zählerstand hochgezählt wird. Die Ausgänge des Zählers 25 adressieren
die Eingänge zweier Nur-Lese-Speicher (ROM), wovon in dem mit ROM-S bezeichneten
Speicher die Sinuswerte und in dem mit'ROM-K bezeichneten Speicher die Kosinuswerte
des Argumentintervalls von Null bis 2 5L sehr feinstufig abgelegt sind. Die Ausgänge
der beiden Nur-Lese-Speicher sind Jeweils mit den Eingängen zweier Digital-Analog-Wandler
26 bzw. 27 verbunden, deren Versorgungsspannung in den an den Klemmen 9 und 10 auftretenden
analogen Wechselspannungen des Impulsgebers 4 besteht. Damit erfolgt, entsprechend
wieinFie;2 eine Multiplikation der Impulsgeberspannungen mit sinusförmigen Wechselspannungen.
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Fehler, welche durch ungleiche Amplituden, Phasendifferenzen, Offsetspannungen
oder Oberschwingungen bedingt sind, machen sich bei Verwendung der in Figur 4 dargestellten
Anordnung in der Restwelligkeit des Ausgangssignals Uo kaum noch bemerkbar.
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Eine weitere Verbesserung des Ausgangssignals läßt sich erreichen,
wenn entsprechend der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Variante Referenzimpulsfolge
und
frequenzmodulierte Impulsfolgen auf mechanische Weise erzeugt
werden. Gemäß Figur 5,6 ist auf der Welle, deren Drehzahl zu messen ist, eine mitrotierende
Scheibe 28 angebracht, welche in Umfangsnähe eine Reihe von in regelmäßiger Winkelteilung
α angeordneten lichtdurchlässigen Schlitzen 30 aufweist. Neben der Scheibe
28 ist eine zweite Scheibe 29 mit einem größerem Umfang angeordnet, welche zwei
konzentrische Reihen 31, 32 von lichtdurchlässigen Schlitzen aufweist, wovon die
inneren Schlitzreihen 31 denselben radialen Abstand hat, wie die Schlitzreihe 30
der Scheibe 28 und somit bei bestimmten relativen Stellungen der Scheiben 28 und
29 diese Schlitzreihen miteinander fluchten, da alle Schlitze1auch die der Schlitzreihe
32, mit derselben Winkel teilung α angeordnet sind. Die Anzahl der Schlitze
ist also bei den drei Reihen 30 , 31 und 32 gleich. Der Schlitzreihe 30 der Scheibe
28 und der äußeren Schlitzreihe 32 der Scheibe 29 ist Je ein optoelektronischer
Sensor 33 bzw3 34 zugeordnet, welche durch die Schlitze der Scheiben 28 bzw. 29
hindurch von einer Lichtquelle 35 bestrahlbar sind. Die Scheibe 29 wird mit konstanter
Drehzahl ng, beispielsweise von einem Synchronmotor, angetrieben. Die elektrischen
Ausgangssignale der Sensoren 33 und 34 werden Impulsformern 15 und 18 zugeführt,
so daß analog wie bei der in Figur 2 dargestellten Einrichtung am Ausgang des Impulsformers
18 eine Signalfolge U4 entsteht, deren Frequenz der Referenzfrequenz n0 bzw QQ entspricht
und am Ausgang des Impulsformers 15 eine Signalfolge U5, deren Frequenz der Sl m
en- bzw. der Differenzdrehzahl zwischen n und n0 entspricht0 6 Figuren 6 Patentansprüche
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