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Beschreibung des Meßsystems zur Erfassung relativer und absoluter
Bewegungen zwischen schnell rotierenden Wellen Bei zahlreichen messtechnischen Anwendungen
tritt das Problem der genauen Erfassung der Winkeldifferenz zweier schnell rotierender
Wellen auf.
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Bisher sind Meßsysteme bekannt, welche entweder eine hohe Auflösung
von Differenzwinkeln bei niedrigen Drehzahlen, oder eine geringe Auflösung von Differenzwinkeln
bei hohen Drehzahlen gestatten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Differenzwinkelverlauf zwischen
zwei rotierenden Wellen, sowie dessen 1. und 2. Ableitung bei großen Drehzahlen
und mit großer Genauigkeit in Abhängigkeit des Drehwinkels eines der beiden verwendeten
inkremtalen Drehgeber oder in Abhängigkeit der Zeit zu erfassen. Die Erfindung ist
zur kontinuierlichen Messung von Winkeldifferenzen, Verdrehspielen, Relativbewegungen
usw. unter allen möglichen Betriebsbedingungen einsetzbar.
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Das Differenzwinkelmeßsystem besteht aus den Komponenten (Fig.1):
- inkrementale Drehgeber - Differenzwinkelmeßgerät - Meßdatenspeicher - Micro-Computer
Es kann jedoch auch nur aus Teilkomponenten bestehen, z.B. inkrementale Drehgeber
und Differenzwinkelmeßgerät., wenn die Anwendung ohne rechnerunterstützte Meßdatenauswertung
ausreicht.
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Funktion des Gesamtsystems Die rotierende Bewegung der Wellenteile
wird mittels zweier inkrementaler Drehgeber (G 1, G 2) erfaßt, welche über torsionssteife
aber winkelelastische Präzisionsmetallbalgkupplungen mit den Wellenteilen verbunden
sind. Die Drehgeber geben pro Umdrehung eine größere Anzahl von Impulsen ab, welche
über getrennte Leitungen dem Differenzwinkelmeßgerät zugeführt werden. Das Differenzwinkelmeßgerät
bereitet in zwei getrennten Impulsformerstufen die ankommenden Impulse auf und führt
sie zwei digitalen Zählern zu. Eine Recheneinheit bildet im Anschluß daran mit hoher
Rechenfrequenz ständig die
Differenz der beiden Zählerstände und
stellt das RechenergeNnRsViF digitaler Form auf einem Datenbus zur Verfügung. Von
hier kann es mittels D/A-Wandler in eine differenzwinkelproportionale Spannung umgewandelt
werden. Das DWM kann in einem solchen Fall ohne nachgeschaltete rechnerunterstützte
Meßdatenauswertung arbeiten.
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Bei Einsatz als rechnerunterstütztes Meßsystem werden die Rechenergebnisse
mit Hilfe des Datenbusses einem schnellen Meßdatenspeicher zugeführt, der in der
Lage ist, die Differenzwinkel-Rechenergebnisse (3 )) von einer oder mehreren Umdrehungen
abzuspeichern.
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Hierbei werden die Drehgeberimpulse eines der beiden Drehgeber zusätzlich
zu ihrer Funktion Impulse für die beiden Zähler zu liefern dazu verwendet, eine
drehwinkelproportionale Adressierung zu erreichen, sodaß nur die Differenzwinkel-Rechenergebnisse
#(#i) abgespeichert zu werden brauchen, und nicht auch noch die zugehörigen Drehwinkelstellungen
çi. Diese ergeben sich aus der Anzahl der seit Einspeicherbeginn" von den Drehgebern
abgegebenen Impulse.
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Der Meßdatenspeicher kann einen Analogteil besitzen, welcher eine
speicheradressproportionale und damit auch drehwinkelproportionale Spannung zur
X-Ablenkung eines Registriergerätes liefert. Ebenso kann der Meßdatenspeicher einen
Analogteil zur Ausgabe der digital gespeicherten Meßdaten in analoger Form besitzen.
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Der Einsatz vorzugsweise als Meßsystem bestehend aus inkrementalen
Drehgebern, Differenzwinkelmeßgerät und Meßdatenspeicher ist somit ebenfalls möglich.
Anstelle der analogen Ausgabe der gespeicherten Meßdaten können diese jedoch auch
über einen Datenbus von einem Prozeßrechner (Micro-Computer) übernommen und ausgewertet
werden. Durch die Ankopplung eines Prozeßrechners können durch Tangentenbildung
an den gemessenen Differenzwinkelverlauf #(#) die erste und die zweite mathematische
Ableitung io'(19) und a"(ç)) gebildet werden. Hierdurch sind sowohl geometrische
als auch kinematische Messungen möglich. Die geometrische Messung des Differenzwinkels
# als Funktion des Drehwinkels 3(ç), sowie deren mathematische Ableitungen S(),
9"('4) sind durch die vorliegende Erfindung generll immer möglich, ohne daß zusätzlich
zu den inkrementalen Drehgebern weitere Aufnehmer angebracht werden müssen. es ist
jedoch auch möglich den Differenzwinkelverlauf a ( t), Differenzwinkelgeschwindigkeits
-verlauf # (t)und Differenzwinkelbeschleunigungsverlauf 9 (t) zwischen zwei rotierenden
Wellen zu messen (kinematische Messung), wenn die gleichförmige Rotation einer der
beiden Wellen sichergestellt ist.
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Funktionsprinzip des DifferenzwinkelmeDgerätes Die prinzipielle funktionsweise
des Differenzwinkelmeßgerätes wird durch das Blockbild Fig. 2 verdeutlicht.
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Die rotierende Bewegung der Wellenteile wird mittels zweier inkrementaler
Drehgeber (G 1, G 2) erfaßt, welche über torsionssteife, aber winkelelastische Präzisionsmetallbalgkupplungen
mit den Wellenteilen verbunden sind. Die Drehgeber geben Rechteckspannungen ab,
welche über abgeschirmte Meßleitungen der Auswertelektronik zugeführt werden. In
den Impulsformerstufen IF 1 bzw. IF 2 erfolgt eine Aufbereitung der Rechteckspannungen
für jeden Geber getrennt, wobei Leitungsstörungen ausgefiltert, die Rechtecksignale
verstärkt und mehrfach ausgewertet werden. Ferner befindet sich in der Impulsformerstufe
ein Richtungsdiskriminator zur getrennten Drehrichtungserkennung der beiden rotierenden
Wellen. Die Ausgangsimpulse der Impulsformerstufen (IF 1, IF 2) werden in den Zählern
Z 1 und Z 2 getrennt gezählt. Hierbei können bei der dem vorliegenden Patent zugrunde
liegenden Schaltung Zähler verwendet werden, welche in ihrer dualen Zählerkapazität
nicht die Impulse einer gesamten Umdrehung zu zählen brauchen, sondern nur eine
kleine Teilmenge davon.
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Liefern z.B. die Impulsformerstufen nach der Mehrfachauswertung pro
Umdrehung 20000 Impulse, so wäre, um die Impulse einer gesamten Umdrehung zu zählen,
eine duale Zählerkapazität mit einer WDrtbreite von 15 bit (215 = 32.768) erforderlich.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung kann die Wortbreite der
beiden Zähler wesentlich kleiner (als z.B. 15 bit) sein. Anhand von z.B. 8 bit Zählern
soll die Funktionsweise erläutert werden: Für die beispielhafte Ausführung des Meßsystemes
unter Verwendung von Zählern mit je 8 bit wird diese Funktion nachfolgend erläutert.
Es bedeuten: Fig. 1 Komponenten des Differenzwinkelmeßsystems Fig. 2 Funktionsprinzip
des Differenzwinkelmeßgerätes Fig. 3 Funktionsprinzip des Meßdatenzwischenspeichers
Ausgehend von der Tatsache , daß der Zähler 1 auf einen An,fangswert programmiert
ist, erreicht diese 8 bit Einheit beim Zählen zuerst ihren oberen Grenzwert von
255 gezählten Impulsen. Beim nächsten Impuls werden alle Datenausgänge des Zählers
1 logisch L und es erfolgt ein Übertrag am Carry-Ausgang des Zählers 1. Dieser Ubertrag
wird z.B. in einem nachgeschalteten D-Flip-Flop entsprechend einem 9-ten Bit gespeichert,
während die niederwertigsten
Bits des Zählers Z 1 bereits durch
weitere eintreffende Impulse gesetzt werden. Erreicht nun der Zähler 2 ebenfalls
seinen Maximalwert, so wird mit dem Obertragungsimpuls von Z 2 das 9-te Bit über
den CLR-Eingang gelöscht. Diese Funktion erläutert das nachfolgende Zahlenbeispiel:
Unmittelbar vor dem Oberlaufen von Z 2 ist das 9-te Bit von Z 1 bereits gesetzt,
sodaß in den Zählern zum Beispiel folgende duale Zahlen vorliegen: Z 1: L 0000 OLLL
Z 2: LLLL LLLL Nach der nächsten eintreffenden positiven Taktflanke betragen die
Zählerstände dann dual dargestellt: Z 1: 0 0000 L000 Z 2: 0000 0000 Dieser Vorgang
entspricht daher dem Subtrahieren der Zahl 256 von beiden Zählern, wodurch die Differenz
Z 1 - Z 2 erhalten bleibt.
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Nachdem die von den Impulsformerstufen gelieferten Impulse in den
beiden Zählern derart gezählt wurden, wird durch eine Recheneinheit (RE) permanent
die Differenz der beiden Zählerstände gebildet, welche aufgrund eines positiv eingegebenen
Anfangswertes an Z 1 (Offset) immer größer Null ist. Die ständige Berechnung der
Differenz der beiden Zählerstände erfolgt mit einer wesentlich größeren Frequenz,
als die Impulse von den Impulsformerstufen her anfallen.
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Dies hat zur Folge, daß jede änderung der beiden Zählerstände sofort
das digitale Rechenergebnis (Differenzwinkel in z.B. 8 bit Wortbrei te) verändert.
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Die vorliegende Meßeinrichtung verwendet also im Gegensatz zu bisher
bekannten Systemen eine Torzeit bei der Berechnung der Differenz der beiden Zählerstände,
welche wesentlich kleiner ist, als die Zeit zwischen den einzelnen zu zählenden
Impulsen.
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Das digitale Rechenergebnis (Differenzwinkel in dual er Form z.B.
8 bit) steht auf einem Datenbus zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
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Im nachfolgenden Digital-Analog-Wandler (D/A) wird das duale Ergebnis
in eine di fferenzwinkel proportionale Spannung umgewandelt.
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Diese Spannung wird der Vertikalablenkung eines Oszilloskopes,zugeführt
und mit dessen Zeitbasis horizontal abgelenkt. Das Oszillogramm stellt dann die
Funktion pl(t) - 92(t) = F(t) als Differenzwinkelverlauf über der Zeit dar. Mit
Hilfe des Winkelschrittmessers (WS) wird eine zur Drehung des primärseitigen Gebers
proportionale Spannung erzç gt, mit welcher der Oszillographenstrahl in horizontaler
Richtung abgelenkt werden kann. Hierdurch wird eine
zeitfreie Darstellung
des Differenzwinkels über dem Drehwinkel der - -Welle 1 möglich. In diesem Fall
stellt das Oszilloskop die zeitfreie Funktion F(t 2(% ) LP2() dar. Das analoge Differenzwinkelsignal
kann alternativ mit einem Ultraviolett-Oszilloskop aufgezeichnet werden. Hierbei
dient die UV-Servosteuerungseinheit (UVS) zum Ansteuern des UV-Schreibers. Die Betriebsartensteuerung
(BAS) übernimmt die zentrale Steuerung des Meßgerätes. Schließlich enthält das Differenzwinkelmeßgerät
noch einen Drehzahlmesser (DZM), welcher die Drehzahl des Gebers 1 in dezimaler
Form anzeigt.
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Funktionsprinzip des Meßdatenspeichers Die prinzipielle Funktionweise
des Meßdatenspeichers wird durch das Blockbild Fig. 3 verdeutlicht.
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Die von einem der beiden Drehgeber abgeqebenen Impulse (Z 1, Z-r)
werden nach elektronischer Mehrfachauswertung (Z lu) der zentralen Speicherkontrolleinheit
(SPKO) zugeführt. Die Speicherkontrolleinheit hat die Aufgabe, eine zentrale und
handhabungssichere Bedienung des Speichers in Verbindung mit den Peripheriegeräten
zu ermöglichen, sowie die jeweiligen Betriebszustände zu initialisieren und anzuzeigen.
Ober eine Parallelschnittstelle ist die Einheit mit dem Differenzwinkelmeßgerät
verbunden. Aus den Geberimpulsen (Z 1*) wird das Taktsignal (ADCK) erzeugt, welches
der Adress-und Datenkontrolleinheit (ADKO) zugeführt wird.
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In der Adresseinheit wird für jeden Impuls (Z 1a) eine neue Adresse
generiert, welche über den Adressbus (ADBUS) an den Speichereinheiten (SP 1, SP
2) anliegt.
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Parallel zum Adresstakt (ADCK) liegt der jeweilige Differenzwinkelmeßwert
am Datenbus (DABUS) an und kann nach Freigabe durch die Acress-und Datenkontrolleinheit
(ADKO) in die momentane Speicheradresse eingespeichert werden.
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Durch diese Art der Meßdatenspeicherung ist die jeweilige Speicheradresse
identisch mit der Anzahl der seit "Einspeicherbeginn" angefallenen Impulse (Z 14),
sodaß eine Abspeicherung des zum jeweiligen Differenzwinkeldatum(t9) gehörigen Drehwinkels
entfällt.
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So gehört beispielsweise zum Differenzwinkeldatum in der Speicherstelle
mit der Adresse 29 419 der Drehwinkel 419 = 29 419 x wobeiA wder nach der Mehrfachauswertung
zum kleinstmöglichen Geberinkrement gehörige Drehwinkel ist. Um den Einspeicherbeginn
in den
Meßdatenspeicher immer an der geometrisch gleichen Stelle
beginnen zu lassen, kann ein ebenfalls von den inkrementalen Drehgebern gelieferter
Referenzimpuls (1 Einzelimpuls pro Umdrehung) zum Starten des Einspeichervorganges
verwendet werden.
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Durch diese besondere Art der Meßdatenspeici:erung stehen viele tausend
Meßdatenpaare Pi,Q (#i) in eindeutiger Art und Weise zur weiteren digitalen oder
analogen Verarbeitung zur Verfügung, obwohl nur die3() werte gespeichert wurden.
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Die Speicheradresse wird nicht durch einen Oszillator (Zeitbasis)
gebildet, sondern durch eine drehwinkelproportionale rein geometrisch bedingte Impulsfolge.
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Nach Erreichen der maximalen Adresse wird der Daten- und Adressbus
von der Adress- und Datenkontrolleinheit wieder verriegelt, wodurch der Einspeichervorgang
beendet wird.
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Für die Weiterverarbeitung der Messdaten stehen dann zwei Möglichkeiten
zur Verfügung: 1. Analoge Ausgabe des Differenzwinkelverlaufes mittels der Analog-Ausgabeeinheit
(AAE), wobei der Speicher als Transientenrecorder arbeitet, und der Differenzwinkel
mit konventionellen Registriergeräten aufgezeichnet werden kann.
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Die Analog-Ausgabeeinheit (AAE) dient zur rechnerunabhängigen Ausgabe
der Messdaten. Hierzu wird der Speicher durch einen internen Oszillator gesteuert
und eine adressproportionale Spannung erzeugt, die am X-Ausgang der Analog-Ausgabeeinheit
anliegt.
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Der zur jeweiligen Speicheradresse gehörende Messwert wird über einen
D/A-Wandler in eine analoge Spannung umgewandelt und liegt am Y-Ausgang der Analog-Ausgabeeinheit
an.
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Dadurch ist es zum Beispiel möglich, den gemessenen Differenzwinkelverlauf
auf einem Speicheroszilloskop zu betrachten, und dann zu entscheiden, ob die Messkurve
vom Rechner übernommen und ausgewertet werden soll.
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2. Obernahme der Messdaten in den Prozessrechner (PR. und softwaremässige
Weiterverarbeitung.
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Die Obernahme der Messdaten durch den Rechner (PR) wird durch einen
vom Rechner ausgegebenen Takt gesteuert. Mit Hilfe dieses Rechnertaktes wird das
Adresswerk jeweils um eine Adresse weitergeschaltet, worauf die Datenkontrolleinheit
das zugehörige Messdatum auf den Datenbus (DABUS) schaltet, von wo es vom Rechner
übernommen wurden kann.
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Die zur Ansteuerung der einzelnen Funktionsgruppen erforderlichen
Signale (Strobe, Chip-Select, Device-Select usw.) werden diesen einzelnen zugeführt
und sind in Fig.3 in den Steuerleitungen ST zusammengefaßt.
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Bedeutung der in Fig.2 verwendetenAbkürzungen und Zeichen G1 inkrementale
Drehgeber 1 G2 inkrementale Drehgeber 2 IF1 Impulsformstufe 1 IF2 Impulsformstufe
2 DZM Drehzahlmesser Z1 Digital zähler 1 Z2 Digitalzähler 2 BAS Betriebsartensteuerung
RE Recheneinheit CU Code - Umsetzer DA Digital - Analog Wandler WS Winkelschrittmesser
UV-Servo UV-Schreiber Ansteuerung Trans.-Rec. Transientenrecorder Oszi Oszilloskop
UVS UV-Schreiber x-y-Schr. X-Y-Schreiber SP Meßdatenzwischenspeicher PR Prozeßrechner
RP Rechnerperipherie UPM Umdrehungen pro Minute Offset Angabe der Mittellinie für
Differenzwinkel vorzugsweise in Dezimaler Form Drehwinkel Drehwinkel 1 v Differenzwinkel
Drehwinkel 2