DE3518846A1

DE3518846A1 - Geschwindigkeitsmesser

Info

Publication number: DE3518846A1
Application number: DE19853518846
Authority: DE
Inventors: Joji Akashi Hyogo Kawai; Koichi Kobe Hyogo Yoshida
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-05-29
Filing date: 1985-05-24
Publication date: 1985-12-05
Also published as: DE3518846C2; US4716535A; JPS60252270A; JPH0334825B2

Description

Geschwindigkeitsmesser

Die Erfindung betrifft einen Geschwindigkeitsmesser insbesondere in einem Steuersystem einer elektrischen Anlage ^ mit variabler Geschwindigkeitssteuerung. Verursacht durch mechanisches Spiel und dgl. innerhalb des Steuersystems arbeitet das Steuersystem unstabil. Diese Instabilität kann aufgehoben werden, indem ein Abtastintervall veränderbar gemacht wird, ohne daß das Ansprechvermögen darunter leidet.

Ein Geschwindigkeitsmesser oder eine Vorrichtung zum Erfassen der Geschwindigkeit wird häufig im Zusammenhang mit einem Geschwindigkeitssteuersystem benutzt und dient beispielsweise als variables Geschwindigkeitssystem eines Elektromotors, beispielsweise als Ward-Leonard-Thyristoranlage in einem Stahlwerk.

Bekannte Vorrichtungen sollen anhand von Fig. 1 bis 3 näher erläutert werden, von denen in Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Steuersystems, in Fig. 2 ein Blockschaltbild einer bekannten Vorrichtung und in Fig. 3 eine Tabelle für die Zeitbestimmung bei der Geschwindigkeitserfassung gezeigt ist.

In Fig. 1 ist ein Gleichstrommotor 1 und ein Geschwindigkeitsdetektor 2 gezeigt, der die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors erfaßt, sowie eine Geschwindigkeitssteuerschaltung 3, die entsprechend der Differenz zwisehen der festgestellten und einer eingestellten Geschwindigkeit einen Bezugsstrombefehl liefert. Gleichfalls vorgesehen ist eine dreiphasige Wechselstromquelle 4 und ein Umformer 5, der den dreiphasigen Wechselstrom in eine veränderliche Gleichspannung umformt. Ein Strommeßfühler 6 nimmt den Wert des Stroms wahr, der dem Umformer zugeführt werden soll. Die Ausgangsspannung des Umformers wird mit Hilfe einer Stromsteuerschaltung 7, die Daten zum Einstellen der Ausgangsspannung liefert, in Abhängig-

keit von der Differenz zwischen dem tatsächlich vom Strommeßfühler 6 gelieferten und dem von der Geschwindigkeitssteuerschaltung 3 bestimmten Bezugsstrom eingestellt. Die Schaltelemente, beispielsweise Thyristoren, aus denen der Umformer 5 aufgebaut ist, werden von einer Gattersteuerschaltung 8 in Abhängigkeit von den Daten der Stromsteuerschaltung 7 auf- oder zugesteuert. Die Geschwindigkeitssteuerung des Gleichstrommotors 1 kann durch Variieren der dem Motor zugeführten Spannung erfolgen. In diesem Fall ist der Umformer 5 so ausgelegt, daß er eine positive Ausgangsspannung in eine negative Ausgangsspannung in Übereinstimmung mit dem von der Geschwindigkeitssteuerschaltung 3 gelieferten Bezugsstrom umwandeln kann.

Das Ansprechen der Steuerung kann in einer solchen Anlage verbessert werden, wenn das Abtastintervall für die Feststellung der Geschwindigkeit verkürzt wird. Durch das Spiel und dgl. in der mechanischen Anlage, welches beispielsweise an den Getrieben auftritt, erscheint jedoch bei kurzem Abtastintervall eine starke Welligkeit in der wahrgenommenen Geschwindigkeit durch den Einfluß des Spiels. Außerdem ist der Wert des von der Geschwindigkeitssteuerschaltung 3 bestimmten Bezugsstroms stark wellig. Wenn unter solchen Bedingungen das zu erzeugende Drehmoment wegen geringer Belastung klein ist, führt ein niedriger Durchschnittswert des Stroms zu einem Zustand, bei dem der Bezugsstromwert wegen der pulsierenden Geschwindigkeit zwischen einem Pluswert und einem Minuswert schwankt. Folglich muß der Wechsel des Umformers zum Erzeugen einer positiven Spannung und einer negativen Spannung häufig erfolgen, was die Steueranlage , bedingt durch den Einfluß der Totzeiten beim Umschalten und dgl. unstabil macht. Wenn unter solchen Bedingungen das Abtastintervall verlängert wird, wird ein momentanes starkes Pulsieren durchschnittlich absorbiert , und infolgedessen sinkt die Schwankung der erfaßten Geschwindigkeit und das Steuersystem wird stabilisiert. In der Praxis

gibt es jedoch häufig Fälle, in denen ein großes Drehmoment wegen starker Last des Motors nötig ist, beispielsweise beim Walzen. In solchen Fällen nimmt der Durchschnittsstrom einen hohen Wert an und die Welligkeit des Stroms wird so gering, daß sie gegenüber dem Durchschnittsstrom vernachlässigt wird. Deshalb muß unter solchen Bedingungen das Abtastintervall kurz genug eingestellt werden, um das Ansprechvermögen zu verbessern. Um das Steuersystem im ganzen Betriebsbereich zu stabilisieren, muß deshalb das Abtastintervall je nach der Last veränderbar sein.

Ein Geschwindigkeitsmesser der genannten Art für ein variables Geschwindigkeitssystem geht aus der Veröffentlichung der japanischen Gebrauchsmustereintragungsnummer 53-53776 hervor. In Fig. 2 ist eine solche Vorrichtung als Blockschaltbild dargestellt. Ein Impulsgenerator 21 erzeugt mit φ bezeichnete Impulse, deren Frequenz proportional zu einer Geschwindigkeit ist, und diese Impulse werden von einem ersten Zähler 22 gezählt. Ein weiterer Impulsgenerator, nämlich ein Oszillator 23 erzeugt unabhängig vom Impulsgenerator 21 mit CLK bezeichnete Impulse von fester Frequenz, die von einem zweiten Zähler 24 gezählt werden. Die Zählwerte des ersten Zählers 2 2 und des zweiten Zählers 24 werden in Abhängigkeit von einem Rückstellsignal, welches eine Rückstellschaltung 25 nach einer festgelegten Zeitspanne T liefert, gleichzeitig in einem ersten Register 26 bzw. einem zweiten Register 27 gespeichert. Zur gleichen Zeit werden die Zählwerte des ersten Zählers 22 und des zweiten Zählers 24 auf Null zurückgestellt und die Zähler beginnen erneut die Zahlen von Impulsen ab Null zu zählen. Wenn N, und N die im ersten und zweiten Register 26 und 27 zu diesem Zeitpunkt gespeicherten Zählwerte darstellen und l/t die Frequenz der vom Oszillator 23 erzeugten Impulse wiedergibt, ist die Abtastperiode wie folgt:

T_s = N₃ t (1)

Da die Drehzahl N ein Wert proportional zur Anzahl der

vom Impulsgenerator 21 innerhalb einer Zeiteinheit

erzeugten Impulse ist, läßt sie sich wie folgt ausdrücken:

^N * ^Ka if ⁽²⁾

■ ^Kb 2* <*>

Folglich kann die Drehzahl N so erhalten werden, daß eine Zentraleinheit CPU 28 die Operation der Gleichung (2) durchführt, indem sie entsprechende Werte N/ und N vom ersten und zweiten Register 26 und 27 empfängt. Hier sind K und K, Proportionskonstanten. Das bedeutet, daß die Zeitspanne T die Geschwindigkeitsmeßperiode ist und gleichzeitig als Abtastperiode für die Geschwindigkeitserfassung dient. Diese Abtastperiode T läßt sich auf folgende Weise bestimmen. In Fig. 3 sind die Zeitpunkte für das Festlegen der Abtastperiode T gezeigt. Die Impulse CLK werden in vorherbestimmten Intervallen jt vom Oszillator 23 erzeugt und vom zweiten Zähler 24 gezählt. In dem Zähler 24 wird zuvor auf dem Weg über Hardware ein Zählwert N eingestellt, und der Zeitpunkt, an dem der nächste Impuls φ auftritt, nachdem der Zählwert N erreicht worden ist, wird als Ende der Abtastperiode T eingestellt. Wenn also die Zeitspanne, während der der Zählwert des zweiten Zählers 24 auf N geht, mit T bezeichnet wird, ergibt sich:

T_c = N_c t (4)

wobei gilt, daß T > T . T= ⁰^ gilt bei außerordentlich niedriger Geschwindigkeit; aber im Normalzustand, bei dem mindestens ein Impuls φ während der Zeitspanne T erzeugt wird, folgt der Anstieg des Impulses φ der Zeitspanne T
spätestens, ehe eine weitere Zeitspanne T abläuft. Aus diesem Grund gilt normalerweise:

und

2 T_c > T_s > T_c (5)
T_s ist durch T_c begrenzt.

Bei dem bekannten Geschwindigkeitsmesser wird die Frequenz l/t des Oszillators 23 und der voreingestellte Zählwert N des Zählers 24 durch Hardware festgelegt. Diese Werte lassen sich also nicht leicht ändern, sondern bleiben während des Einsatzes des Geschwindigkeitsmessers fest, so daß die Abtastperiode T im wesentlichen festliegt (nämlich 2 T > T > T). Bei Benutzung dieses Geschwindigkeitsmessers in der Anlage gemäß Fig. 1 wird also beim Festlegen der Abtastperiode T auf einen kleinen Wert ein günstiges Ansprechverhalten erhalten. Allerdings ist das Steuersystem u.U. bei leichter Last unstabil. Wenn umgekehrt die Abtastperiode T auf einen großen Wert eingestellt wird, wird zwar das Steuersystem auch bei geringer Last stabilisiert, aber es besteht der Nachteil, daß das Ansprechverhalten verschlechtert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der genannten Nachteile einen Geschwindigkeitsmesser zu schaffen, bei dem die Abtastperiode unter Verwendung eines

. bei S/W ^{F ö}

Mikrorechners / veränderbar ist und das zugehörige Steuersystem in seinem ganzen Arbeitsbereich stabilisiert werden kann.

Selbst im Betrieb des Geschwindigkeitsmessers wird dabei das Abtastintervall entsprechend der jeweiligen Belastung auf Echtzeitbasis gewählt.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Geschwindigkeitsmessers gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 ein Fließschema zur Erläuterung der Arbeitsweise des gezeigten Ausführungsbeispiels.

Wie die bekannte Vorrichtung weist auch der als Blockschaltbild in Fig. 4 gezeigte Geschwindigkeitsmesser Im-

— ο —

pulsgeneratoren in Form eines Impulsgenerators 21 und eines Oszillators 23 sowie einen ersten Zähler 22 und einen zweiten Zähler 24 auf. Um die Abtastperiode T veränderlich zu machen, ist ein Einstellregister 29 hinzugefügt, in welchem ein Zählwert N entsprechend einer Zeitspanne T gespeichert wird, sowie eine Vergleichsschaltung 30, die den Zählwert des zweiten Zählers 24 mit dem Wert im Einstellregister 29 vergleicht. Eine Zähleinheit 100 weist den ersten Zähler 22 und ein erstes Register 26 auf, während eine Abtastintervall-Einstelleinheit 200 den zweiten Zähler 24, ein zweites Register 27, die Vergleichsschaltung 30, das Einstellregister 29, den Oszillator 23 und eine Rückstellschaltung 25 aufweist.

Bei der bekannten Vorrichtung besteht der dieser Abtastintervall-Einstelleinheit entsprechende Teil lediglich aus dem zweiten Zähler 24, dem zweiten Register 27, dem Oszillator 23 und der Rückstellschaltung 25. Das Einstellen des Zählwerts N zur Bestimmung der Abtastperiode T muß folglich über Hardware bestimmt werden, und es ist schwierig, den Zählwert N auf Ech.tzeitbasis während des Betriebs des Geschwindigkeitsmessers zu ändern. Das neu vorgesehene Einstellregister 29 ist hingegen so aufgebaut, daß es direkten Zugang von einer Zentraleinheit CPU 28 hat, so daß der Zählwert N_c auf dem Weg über Software einstellbar ist.

Als laufende Daten für die Wahl des Zählwerts N kann ein Strommeßfühler 6 über einen A/D-Umsetzer 31 der Zentraleinheit CPU 28 digitale Daten zuführen, wobei die Bauelemente 6 und 31 eine elektrische Quantität feststellende Einheit bilden.

Die Arbeitsweise des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels soll anhand des Fließschemas gemäß Fig. 5 näher erläutert werden, welches ein Programm zur Verarbeitung durch die Zentraleinheit CPU 28 darstellt.

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■~ y *™

Der Durchschnittswert des einem Umformer 5 zuzuführenden Stroms, der gering ist und im Verhältnis zu dem die Welligkeit des Stroms nicht vernachlässigbar ist, wird innerhalb des Programms als Einstellstrom festgelegt, ehe der Geschwindigkeitsmesser mit dem Erfassen der Geschwindigkeit beginnt. Beim Anlauf des Geschwindigkeitsmessers empfängt die Zentraleinheit CPU 28 über den A/D-Umsetzer 31 den Wert des tatsächlich in den Umformer 5 einzugebenden Stroms. Wenn der tatsächlich empfangene Strom einen höheren Wert hat als der im voraus eingestellte Strom, gibt die Zentraleinheit CPU 28 in das Einstellregister 29 den Wert N als Zählwert N ein, um die Abtastperiode T zu bestimmen, wodurch das Ansprechverhalten des Steuersystems zufriedenstellend wird. Wenn andererseits der Wert des tatsächlich zur Verfügung stehenden Stroms kleiner ist als der eingestellte Stromwert, gibt die Zentraleinheit CPU 28 in das Einstellregister 29 als Zählwert N_c für die Bestimmung der Abtastperiode T den Wert N , (> N) ein, bei dem die Welligkeit des Stroms keinen Einfluß auf das Steuersystem hat. Der Zähler 24 zählt vom Oszillator 23 erzeugte Impulse CLK, die eine feste Frequenz von l/t haben. In der Vergleichsschaltung 30 wird der gezählte Wert mit dem von der Zentraleinheit CPU 28 im Einstellregister 29 gespeicherten Zählwert N verglichen und der Zeitpunkt festgestellt, an dem beide Werte gleich werden. Hierdurch kann die Zeitspanne T gemessen werden. Die Rückstellschaltung 25 wird in dem Zeitpunkt betätigt, in dem der erste Impuls φ nach Ablauf der Zeitspanne T ansteigt (und in dem die Abtastperiode T endet). So werden die Zählwerte N, und N der Zähler 22

ψ s

bzw. 24 in den Registern 26 bzw. 27 gespeichert, und die Zähler beginnen erneut von Null zu zählen. In der Zwischenzeit liest die Zentraleinheit CPU 28 die gespeicherten Werte N, und N in den Registern 26 und 27 und errechnet N=K, Nj/N gemäß der Gleichung (3), wodurch die Drehzahl N erhalten werden kann.

Die vorstehend beschriebenen Operationen werden wieder-

holt durchgeführt. Mit einer solchen Anordnung läßt sich der Zählwert N von der Zentraleinheit CPU 28 im Betrieb, während sie angeschlossen ist, einstellen, so daß die Abtastperiode auf Echtzeitbasis je nach der Größe des tatsächlichen Stroms gesteuert werden kann.

Bei dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel wird die Abtastperiode T in Übereinstimmung mit der Gleichung (4) T=Nt gesteuert, wobei der Zählwert N mit Hilfe der Zentraleinheit CPU 28 im Betrieb veränderbar ist. Aber die Abtastperiode T kann auch dadurch gesteuert werden, daß t_ veränderlich gemacht wird. Selbst wenn der Zählwert N festliegt, kann z.B. der Wert t_ mittels der Zentraleinheit CPU 28 im Betrieb gesteuert werden, wenn als Oszillator 23 ein programmierbarer Zähler benutzt wird. Der programmierbare Zähler ist dann so ausgelegt, daß er die feste Frequenz der eingegebenen Taktimpulse dividiert und dem Zähler 24 die frequenzgeteilten Taktimpulse als Bezugstaktimpulse zuführt. Damit ist es möglich, das Verhältnis der Frequenzteilung auf dem Weg über Software mittels der Zentraleinheit CPU 28 einzustellen. Auf diese Weise läßt sich eine gleichwertige Wirkung zu der vorstehend beschriebenen erreichen.

In dieser Anordnung fehlt das Einstellregister 29 zum Einstellen des Zählwerts N_c und die Vergleichsschaltung 30. Übrigens läßt sich die Abtastperiode T mit einer Anordnung, bei der sowohl N als auch t steuerbar ist, sehr fein einstellen.

Der Geschwindigkeitsmesser eignet sich nicht nur zum Erfassen der Geschwindigkeit einer umlaufenden Maschine, sondern auch der Geschwindigkeit einer geradlinigen Bewegung, vorausgesetzt daß eine Vorrichtung eingeschlossen ist, die Impulse einer Frequenz proportional zur Geschwindigkeit erzeugt.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die

Zentraleinheit CPU 28 als Rechner eingesetzt, der die Operationen gemäß Gleichung (3) auf dem Weg der Software durchführt. Der Rechnerteil kann aber auch eine digitale Multiplizier/Dividier-Einheit in Hardwareausführung sein.

Außerdem kann analoge Multiplikation/Division benutzt werden, wenn der Inhalt des ersten und zweiten Registers 26 und 27 durch D/A-Umsetzung in analoge Werte umgesetzt wird.

Die vom Strommeßfühler 6 der eine elektrische Quantität feststellenden Einheit gelieferten aktuellen Stroradaten sind proportional zu dem von der umlaufenden Maschine zu erzeugenden Drehmoment. Eine ähnliche Wirkung wird mit einer Anordnung erzielt, bei der die zugeführte Kraft, die die Eingangsgröße der umlaufenden Maschine ist, im Gegensatz zu dem erzeugten Drehmoment, welches die Ausgangsgröße derselben ist, von der die elektrische Quantität feststellenden Einheit wahrgenommen wird, um aufgrund dessen die Abtastperiode einzustellen.

Das Einstellen der Abtastperiode T gemäß der Erfindung nach Wunsch während des Betriebs hat zur Folge, daß die richtige Abtastperiode T_g auf Echtzeitbasis gemäß dem jeweiligen Betriebszustand gewählt werden kann, urd daß ein stabiles Steuersystem mit günstigem Ansprechverhalten geschaffen wird. Wenn z.B. bei Anwendung des Geschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung in einer Anlage wie der erwähnten Ward-Leonard-Thyristoranlage für ein Stahlwerk oder dergleichen gemäß Fig. 1 der durchschnittliche Stromwert so gering ist, daß Stromschwankungen, die dem Pulsieren der festgestellten Geschwindigkeit zuzuschreiben sind, für die Stabilität des Steuersystems nicht vernachlässigbar sind, dann kann das Pulsieren der erfaßten Geschwindigkeit zur Stabilisierung des Steuersystems unterdrückt werden, indem T größer oder N größer auf Echtzeitbasis eingestellt wird. Wenn andererseits wegen einer auf den Motor wirkenden schweren Last ein großes Drehmoment erforderlich ist, nimmt der durch-

schnittliche Strom zu, und die Schwankungen des Bezugsstroms, die mit dem Pulsieren der Geschwindigkeit einhergehen, werden verhältnismäßig vernachlässigbar, so daß das Ansprechverhalten wichtig ist. In diesem Fall kann ein günstiges Ansprechverhalten dadurch erzielt werden, daß T kleiner eingestellt wird oder daß N kleiner eingestellt wird. So läßt sich je nach dem Laufzustand die richtige Abtastperiode T einstellen, und das erlaubt ein System, welches im gesamten Arbeitsbereich stabil und dessen Ansprechen günstig ist.

Claims

GeschwindigkeitsmesserPatentansprüche

1. Geschwindigkeitsmesser in einem Steuersystem einer elektrischen Anlage mit variabler Geschwindigkeitssteuerung,

gekennzeichnet durch

-einen Impulsgenerator (21), der Impulse proportional zur Geschwindigkeit der elektrischen Anlage erzeugt, -eine eine elektrische Quantität feststellende Einheit (6 und 31), die eine der elektrischen Anlage zuzuführende \ elektrische Größe feststellt,

-eine Abtastintervall-Einstelleinheit (200), die die Abtastperiode so einstellt, daß sie bei abnehmender elektrischer Größe langer wird,
-eine Zähleinheit (100), die die Impulse des Impulsgenerators entsprechend der Abtastperiode zählt, -und eine Rechnereinheit, die die Geschwindigkeit der elektrischen Anlage auf der Basis eines Zählwertes der Zähleinheit und eines Wertes entsprechend der Abtastperiode errechnet.

2. Geschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die die elektrische Quantität feststellende Einheit ein Strommeßfühler (6) ist, der einen Eingangsstrom in die elektrische og Anlage erfaßt, daß die Zähleinheit einen ersten Zähler (22), der die Impulse des Impulsgenerators zählt und von einem äußeren Rückstellsignal rückstellbar ist, und ein _ erstes Register (26) aufweist, welches das Ergebnis des

ersten Zählers immer dann speichert, wenn das Rückstellsignal empfangen wird, und daß die Abtastintervall-Einstelleinheit ein Einstellregister (29), welches einen Einstellwert erhöht, wenn das Ausgangssignal des Strommeßfühlers (6) abnimmt, einen Impulsgenerator (Oszillator 23), der mit vorherbestimmter Frequenz schwingt, einen zweiten Zähler (24), der die Impulse des Impulsgenerators zählt und durch ein äußeres Rückstellsignal rückstellbar ist, ein zweites Register (27), welches das Ergebnis des !0 zweiten Zählers jedesmal dann speichert, wenn das Rückstellsignal empfangen wird, eine Vergleichsschaltung (30), die den Ausgang des zweiten Zählers und des Einstellregisters (29) vergleicht, und eine Rückstellschaltung (25) aufweist, die das Rückstellsignal für die Zähleinheit, den zweiten Zähler und das zweite Register auf der Basis eines Ausgangssignals der Vergleichsschaltung ■» und eines Ausgangssignals des Impulsgenerators erzeugt,

und daß die Rechnereinheit eine Zentraleinheit (CPU 28) '*· ist, die die Geschwindigkeit auf der Basis der Ausgangs-

signale des ersten und zweiten Registers (26 und 27) errechnet .

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