DE3406389A1

DE3406389A1 - Schaltungsanordnung zur mehrfachaufloesung von inkrementalgebersignalen

Info

Publication number: DE3406389A1
Application number: DE19843406389
Authority: DE
Inventors: Joachim 6607 Quierschied Bastian; Gerhard 6901 Bammental Becker; Gerd 6903 Neckargemünd Heuver
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1984-02-22
Filing date: 1984-02-22
Publication date: 1985-08-29
Also published as: DE3406389C2

Description

Schaltungsanordnung zur Mehrfachauflösung von
Inkremtalgebersignalen Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Mehrfachauflösung von Inkrementalgebersignalen mit einer zweikanaligen Auswerteschaltung, wobei die phasenverschobenen Analogsignale aus dem Geber mittels elektronischer Bauglieder digitalisiert, mehrfachausgewertet und über eine Zählerspeicherung auf einen Mikroprozessor geführt sind. Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Antriebstechnik, beispielsweise bei drehzahl- oder lagegeregelten Antrieben für Werkzeugmaschinensteuerungen.
Antriebe für Werkzeugmaschinen sollen möglichst mit konstanter Drehzahl laufen oder über weite bereiche von Niedrigstdrehzahl bis Höchstdrehzahl (ca. 3000 U/min) regelbar sein. Drehzahlregelung für Gleichstrommotoren mit angesetzten Tachogeneratoren sind allgemein bekannt.
Bei heute vielfach eingesetzten bürstenlosen Motoren werden zur Erfassung der Rotorposition inkrementale Drehgeber (Positionsgeber) eingesetzt. Diese Inkrementalgeber mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik ermöglichen ohne aufwendige Mechanik eine Erkennung hoher Drehzahlen, eine optimale Winkelauflösung und leichte Digitalverarbeitung bei minimalem Aufwand.
Bei Drehstrommotoren, die billig in der Anschaffung und wartungsfrei (keine Bürsten) sind, werden allgemein inkrementale Geber eingesetzt. Geräte zur Erfassung und Verarbeitung von Inkrementalgebern (sowohl Drehgeber als auch Längenmeßsysteme) für Positions- und Lageregelungen sind bekannt aus einem Prospekt der Fa. Dr. Johannes Heidenhain vom April 1983 mit dem Titel 'Externe Impulsformer-Elektroniken11. Hierbei kann je nach gewünschter Genauigkeit aus der Impulsformer-Elektronik eine bis zu 25-fache Unterteilung bzw. Auswertung der inkrementalen Signale gewonnen werden. Bei Lageregelungen läßt sich dieses Verfahren sehr einfach anwenden. Besonders bei hohen Drehzahlen (bis zu 3000 U/min) stößt die Auswerterelektronik aber schnell an ihre Grenzen.
Bei Inkrementalgebern in Verbindung mit digitalen Reglern treten besonders bei niedrigen Drehzahlen Schwierigkeiten wegen der geringen Impulsfolge pro Zeit auf.
Mehrfachauswertung, d.h. Vergrößerung der Impulsfolge pro Zeit für eine eindeutige Ansteuerung der nachgeschalteten Elektronik ist deshalb eine wichtige Forderung bei Inkrementalgebern.
Die Auflösung von Inkrementalgebern auf einfache Art zu erhöhen, um besonders bei Drehzahlregelungen Niedrigstdrehzahlen fahren zu können, ist die Hauptaufgabe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Daneben soll die Anlage aber auch bei der maximalen Drehzahl arbeitsfähig sein. Es soll also über weite Drehzahlbereiche von fast Stillstand bis zur maximalen Umdrehung eine saubere Motorregelung mit hoher Genauigkeit erreicht werden. Es soll eine kontinuierliche Weg-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessung beim Einsatz von optischen, induktiven und kapazitiven, rotatorischen oder translatorischen Inkrementalgebern erzielt werden.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Ausgestaltungen sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.
Vorteilhaft bei der aufgezeigten Schaltungsanordnung ist neben der exakten Regelung bei niedrigen und hohen Drehzahlen die große Einsatzbreite des verwendeten Positionsgebers. Alle Informationen, die zur Regelung gebraucht werden, können von dem einen Positionsgeber abgeleitet werden. Die Anlage kann deshalb auch sehr kostensparend eingesetzt werden. Der Positionsgeber mit der erfindungsgemäßen Auswerteelektronik ist in vorteilhafter Weise über weite Drehzahlbereiche einsetzbar, und er kann für Lage- und Beschleunigungsregelung bzw. Messung verwendet werden. Ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt in der Verwendung eines einfachen und billigen Gebers. Denn durch die elektronische Erhöhung der Auflösung kann ein Geber mit geringerer Stückzahl gewählt werden. Weitere Vorteile sind aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ersichtlich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Von einem nicht gezeigten inkrementalen Drehgeber werden zwei periodische analoge Signale erzeugt, deren Größe eine Funktion des Drehwinkels 9 ist (UA,B = f( + ) Diese analogen Gebersignale sind gegeneinander phasenverschoben, um eine Drehrichtungserkennung zu ermöglichen. Die Gebersignale der Spur A werden dabei über einen Verstärker 1, einen Schmitt-Trigger 2 und einen Interface 3 auf eine Vierfachauswertung 4 mit Zähler und Speicher geführt. Die Signale der Spur B werden ebenfalls über einen Verstärker 5, einen Schmitt-Trigger 6 und ein Interface 7 auf die Vielfachauswertung 4 geführt.
Die Auswerteelektronik, bestehend aus den Bauelementen 1, 2, 3 bzw. 5, 6, 7, ist in der Nähe des Inkrementalgebers angeordnet. In den Verstärkern 1 und 5 werden die ankommenden Signale verstärkt bzw. an das übliche Spannungsniveau angepaßt. In den beiden nachgeschalteten Schmitt-Triggern 2 bzw. 6 werden aus den sinusförmigen Signalen der Spur A und B rechteckförmige (digitale) Impulse geformt. In den nachgeschalteten Interface-Hausteinen 3 bzw. 7 werden die Rechteckimpulse der beiden Spuren A und B für die Ubertragung zum Führungssystem aufbereitet.
Das Führungssystem besteht aus der Vierfachauswertung 4 und einem nachgeschalteten Mikroprozessor 8. In der Vierfachauswertung 4 werden die ankommenden Signale vervierfacht und in einem Zähler mit Speicher zwischengespeichert. Dabei werden die Impulse pro Zeiteinheit aufsummiert und dem Mikroprozessor 8 für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Derartige Auswerteschaltungen sind bekannt.
In der Auswerteelektronik ist zusätzlich und parallel zu den Spuren A und B eine analoge Verarbeitung über je eine Sample-und Hold-Schaltung 9, 10 vorgesehen. (sample und hold = Abtasten und Halten). Diese Bausteine 9, 10 sind dabei so geschaltet, daß sie mit den Signalen aus den Verstärken 1 und 5 verbunden werden. Der Ausgang des Verstärkers 1 ist auf den Baustein 9 und der Ausgang des Verstärkers 5 auf den Baustein 10 gelegt. Mit Sample-und Hold-Schaltungen kann zu einem beliebigen Zeitpunkt ein Spannungswert festgehalten werden. Der Zeitpunkt für dieses Abtasten der Spannungswerte wird über eine Steuerleitung vom Mikroprozessor 8 vorgegeben.
Hinter den Sample- und Hold-Bausteinen 9 und 10 ist eine Abtastvorrichtung 11 (beispielsweise ein dreistufiger Multiplexer) angeordnet. Diese Abtastvorrichtung 11 schaltet die Spannungswerte aus den Bausteinen 9 und 10 nacheinander über einen Impedanzwandler 12 auf einen A/D-Wandler 13. Eine parallele Verarbeitung ist aber auch möglich. Der Ausgang des A/D-Wandlers 13 führt auf den Mikroprozessor 8. Die Abtasteinrichtung 11 weist noch einen Eingang für einen weiteren analogen Wert auf.
In Abhängigkeit von Steuersignalen aus dem Mikroprozessor 8 werden die Spannungswerte aus den Sample- und Hold-Bausteinen 9 und 10 sowie der zusätzliche Sollwert auf den A/D-Wandler 13 geführt. Zur Vereinfachung wurde in der Zeichnung nur eine Steuerleitung S11 eingetragen.
Am Ausgang des A/D-Wandlers 13 sind damit digitale Signale vorhanden, die ein Abbild der Höhe der Spannung an den Eingängen der Spur A oder B zu einem bestimmten Abtastzeitpunkt (vom Mikroprozessor vorgegeben) darstellen.
Im Mikroprozessor 8 werden jetzt die Signale aus der Vierfachauswertung 4 und die Signale aus dem A/D-Wandler 13 nach einem festen Programm derart verarbeitet, daß als Ergebnis ein Mehrfaches der Auflösung aus der Vierfachauswertung 4 gewonnen wird. Dabei kann der Faktor der Auflösung beliebig gewählt werden, ohne daß eine Änderung der maximalen Motordrehzahl vorgenommen werden muß. In Abhängigkeit von den Steuersignalen, die aus dem Mikroprozessor an die Sample- und Hold-Schaltungen 9, 10 und den Multiplexer 11 gelangen, kann somit in vorteilhafter Weise eine wahlweise erforderliche hohe Auflösung erzielt werden. Auf diese Art läßt sich sowohl bei nied- rigen als auch bei hohen Motordrehzahlen eine sehr genaue Regelung erreichen.
Die Steuerung der Bauglieder 4, 9, 10 und 11, die vom Mikroprozessor 8 durch ein einstellbares Software-Programm vorgenommen wird, ist für den Abtastzeitpunkt der Gebersignale von großer Wichtigkeit. Deshalb wird der Zähler der Vierfachauswertung 4 und die Sample- und Hold-Schaltungen 9, 10 durch dieselben Interrupt-Signale aus dem Mikroprozessor 8 angesteuert.

Claims

Ansprüche 0 Schaltungsanordnung zur Mehrfachauflösung von Inkrementalgebersignalen mit einer zweikanaligen Auswerteschaltung, wobei die phasenverschobenen Analogsignale aus dem Geber mittels elektronischer Bauglieder digitalisiert, mehrfachausgewertet und über eine Zählerspeicherung auf einen Mikroprozessor geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der zweikanaligen Signalverarbeitung mit der Reihenschaltung aus Verstärker (1 bzw. 5), Schmitt-Trigger (2 bzw. 6), Interface (3 bzw. 7) und Vierfachauswertung (4) mit Zähler eine zweikanalige analoge Verarbeitung der Gebersignale durch Sample- und Hold-Schaltungen (9 bzw. 10) stattfindet, wobei die Ausgangssignale der Sample- und Hold-Schaltungen (9 bzw. 10) über eine Abtastvorrichtung (11), einen Verstärker (12) und einen A/D-Wandler (13) digitalisiert auf den Mikroprozessor (8) geführt sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Signale der Sample- und Hold-Schaltungen (9 bzw. 10) von den Verstärkern (1 bzw.

5) abgreifbar sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (8) die Sample-und Hold-Schaltungen (9 bzw. 10) und den Zähler in der Vierfachauswertung (4) gleichzeitig ansteuert.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung (11) einen Sollwertanschluß aufweist und über einen Eingang (S11) taktmäßig vom Mikroprozessor (8) ansteuerbar ist.