DE3406389C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Mehrfachauflösung von Inkrementalgebersignalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Antriebstechnik, beispielsweise bei dreh­ zahl- oder lagegeregelten Antrieben für Werkzeugmaschi­ nensteuerungen.

Antriebe für Werkzeugmaschinen sollen möglichst mit kon­ stanter 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 Inkremen­ talgeber mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik ermöglichen ohne aufwendige Mechanik eine Erkennung ho­ her Drehzahlen, eine optimale Winkelauflösung und leich­ te Digitalverarbeitung bei minimalem Aufwand.

Bei Drehstrommotoren, die billig in der Anschaffung und wartungsfrei (keine Bürsten) sind, werden allgemein in­ krementale 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 Impuls­ former-Elektroniken". Hierbei kann je nach gewünschter Genauigkeit aus der Impulsformer-Elektronik eine bis zu 25fache Unterteilung bzw. Auswertung der inkrementalen Signale gewonnen werden. Bei Lageregelungen läßt sich dieses Verfahren sehr einfach anwenden. Besonders bei hohen Drehzahlen (bis zur 3000 U/min) stößt die Auswer­ terelektronik aber schnell an ihre Grenzen.

Bei Inkrementalgebern in Verbindung mit digitalen Reg­ lern treten besonders bei niedrigen Drehzahlen Schwie­ rigkeiten wegen der geringen Impulsfolge pro Zeit auf. Mehrfachauswertung, d. h. Vergrößerung der Impulsfolge pro Zeit für eine eindeutige Ansteuerung der nachge­ schalteten Elektronik ist deshalb eine wichtige Forde­ rung bei Inkrementalgebern.

Die Auflösung von Inkrementalgebern auf einfache Art zu erhöhen, um besonders bei Drehzahlregelungen Niedrigst­ drehzahlen 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 Mo­ torregelung mit hoher Genauigkeit erreicht werden. Es soll eine kontinuierliche Weg-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessung beim Einsatz von optischen, in­ duktiven und kapazitiven, rotatorischen oder translato­ rischen Inkrementalgebern erzielt werden.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhaft bei der aufgezeigten Schaltungsanordnung ist neben der exakten Regelung bei niedrigen und hohen Dreh­ zahlen die große Einsatzbreite des verwendeten Posi­ tionsgebers. Alle Informationen, die zur Regelung ge­ braucht werden, können von dem einen Positionsgeber ab­ geleitet werden. Die Anlage kann deshalb auch sehr ko­ stensparend eingesetzt werden. Der Positionsgeber mit der erfindungsgemäßen Auswerteelektronik ist in vorteil­ hafter Weise über weite Drehzahlbereiche einsetzbar, und er kann für Lage- und Beschleunigungsregelung bzw. Mes­ sung verwendet werden. Ein zusätzlicher Vorteil der er­ findungsgemäßen Anordnung liegt in der Verwendung eines einfachen und billigen Gebers. Denn durch die elektroni­ sche Erhöhung der Auflösung kann ein Geber mit geringe­ rer Stückzahl gewählt werden. Weitere Vorteile sind aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spiels ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Von einem nicht gezeigten inkrementalen Drehgeber werden zwei periodische, analoge, sinusförmige Signale erzeugt, deren Frequenz eine Funktion der Drehzahl und der Anzahl der Marken auf der Scheibe ist. Diese analogen Gebersignale sind gegeneinander phasen­ verschoben, um eine Drehrichtungserkennung zu ermögli­ chen. Die Gebersignale der Spur A werden dabei über ei­ nen Verstärker 1, einen Schmitt-Trigger 2 und einen In­ terface 3 auf eine Vierfachauswertung 4 mit Zähler und Speicher geführt. Die Signale der Spur B werden eben­ falls über einen Verstärker 5, einen Schmitt-Trigger 6 und ein Interface 7 auf die Vierfachauswertung 4 ge­ führt.

Die Auswerteelektronik, bestehend aus den Bauelementen 1, 2, 3 bzw. 5, 6, 7, ist in der Nähe des Inkrementalge­ bers angeordnet. In den Verstärkern 1 und 5 werden die ankommenden Signale verstärkt bzw. an das übliche Span­ nungsniveau 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-Bau­ steinen 3 bzw. 7 werden die Rechteckimpulse der beiden Spuren A und B für die Übertragung zum Führungssystem aufbereitet.

Das Führungssystem besteht aus der Vierfachauswertung 4 und einem nachgeschalteten Mikroprozessor 8. In der Vierfachauswertung 4 wird die Frequenz der ankommenden Signale vervierfacht und in einem Zähler mit Speicher zwischengespeichert. Dabei werden die Impulse pro Zeit­ einheit 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 Verstärkern 1 und 5 verbunden werden. Der Ausgang des Verstärkers 1 ist auf den Baustein 10 und der Ausgang des Verstärkers 5 auf den Baustein 9 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 Steu­ erleitung (Zeitsteuerung) 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 Mikroprozes­ sor 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 S 11 eingetragen. Am Ausgang des A/D-Wandlers 13 sind damit digitale Si­ gnale vorhanden, die ein Abbild der Höhe der Spannung an den Eingängen der Spur A oder B zu einem bestimmten Ab­ tastzeitpunkt (vom Mikroprozessor vorgegeben) darstel­ len.

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 Vier­ fachauswertung 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 vorteil­ hafter Weise eine wahlweise erforderliche hohe Auflösung erzielt werden. Auf diese Art läßt sich sowohl bei nied­ rigen als auch bei hohen Motordrehzahlen eine sehr ge­ naue Regelung erreichen.

Die Steuerung der Bauglieder 4, 9, 10 und 11, die vom Mikroprozessor 8 durch ein einstellbares Software-Pro­ gramm 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 (3)

1. Schaltungsanordnung zur Mehrfachauflösung von Inkrementalgebersignalen mit einer zweikanaligen Auswer­ teschaltung, die zwei analoge, elektrisch phasenverscho­ bene Signale eines Inkrementalgebers empfängt, wobei die phasenverschobenen Analogsignale aus dem Geber mittels elektronischer Bauglieder digitalisiert, durch Auswer­ tung der Flanken der hierdurch erzeugten digitalen Rechtecksignale mehrfachausgewertet und über eine Zäh­ lerspeicherung auf einen Mikroprozessor geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der zweikanali­ gen Signalverarbeitung mit der Reihenschaltung aus Ver­ stärker (1 bzw. 5), Schmitt-Trigger (2 bzw. 6), Inter­ face (3 bzw. 7) und Mehrfachauswertung mit Zähler/Spei­ cher (4) eine zweikanalige analoge Verarbeitung der ana­ logen Gebersignale durch Abtasten und Zwischenspeichern mittels Sample- und Hold-Schaltungen (9 bzw. 10) statt­ findet, daß der Mikroprozessor (8) über eine Zeitsteu­ erung derart auf den digitalen Kanal (2, 3, 4, 6, 7) und den analogen Kanal (9, 10) einwirkt, daß das Zwischenspei­ chern des Zählerstandes und das Abtasten zum Zwischen­ speichern durch die Sample- und Hold-Schaltungen (9, 10) gleichzeitig erfolgt, und daß anschließend die Ausgangs­ signale der Sample- und Hold-Schaltungen (9 bzw. 10) ge­ steuert durch den Mikroprozessor (8) über einen Multi­ plexer (11) und einen Verstärker (12) einem A/D-Wandler (13) zugeführt werden, dessen Ausgang vom Mikroprozessor auslesbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Signale für die Sample- und Hold-Schaltungen (9 bzw. 10) von den Verstärkern (1 bzw. 5) abgegriffen werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung (11) einen Sollwertanschluß aufweist und über einen Eingang (S 11) vom Mikroprozessor (8) ansteuerbar ist.