DE3527128A1 - Drehzahl-messanordnung zur erzeugung drehzahlabhaengiger analogsignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehzahl-Meßanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art, wie sie etwa aus der DE-OS 27 11 593 bekannt ist.

Solche Drehzahl-Meßanordnungen werden beispielsweise als Bestandteil zur Ermittlung des Drehzahl-Istwertes von Drehzahlregelsystemen für Walzgerüst-Antriebe benötigt. Eine sehr genaue Ermittlung und Konstanthaltung des Dreh­ zahl-Istwertes hat bei Walzgerüst-Antrieben deswegen eine besondere Bedeutung, weil geringfügige Schwankungen bei den dort meist angewendeten analogen Drehzahl-Regelver­ fahren über den Motorstrom der Antriebsmotoren zu Schwin­ gungserscheinungen führen, die sich wegen der gegenseiti­ gen Abhängigkeiten der durch das Walzgut miteinander ge­ koppelten Gerüste als erhebliche Störfaktoren erweisen können.

Solche Ungenauigkeiten bei der Ermittlung des Drehzahl- Istwertes durch die Drehzahl-Meßanordnung können bei­ spielsweise dadurch entstehen, daß bei einer Meßanordnung der eingangs bezeichneten Art die Lochscheibe durch unver­ meidliche Herstellungstoleranzen eine gewisse Exentrizi­ tät gegenüber ihrem Drehpunkt aufweist. In der DE-OS 27 11 593 ist eine Schaltungsanordnung beschrieben, wel­ che die dadurch entstehenden und die aufgrund weiterer, etwa von Toleranzen der Zahnabmessungen der Signalscheibe hervorgerufener Phasenfehler behebt. Die Funktion dieser Schaltungsanordnung ist aber nur dann gewährleistet, wenn die Amplituden der von den Lichtempfängern der Licht­ schranken gelieferten Signale exakt gleich groß sind. Nur dann kann die dort beschriebene Schaltung solche Phasen­ fehler durch Mittelwertbildung der von den beiden Licht­ schranken gelieferten Signale kompensieren. Eine solche Amplitudenkonstanz der beiden Lichtschranken ist aber nicht ohne weiteres gegeben. Vielmehr können durch unter­ schiedliche Alterungsvorgänge der Lichtquelle Änderungen der Signalamplituden auftreten, die die Funktionsfähigkeit der Schaltungsanordnung beeinflussen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vor­ genannte Schaltungsanordnung in der Weise zu ergänzen, daß die von den Lichtschranken gelieferten Signalamplitu­ den konstant bleiben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 ange­ gebene Erfindung gelöst. Diese erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß sie von dem bekannten Addi­ tionstheorem (sinus² alpha+cosinus² alpha=1) ausgeht und dieses als Grundlage für eine entsprechende Regel­ schaltung nutzt, die trotz ihres relativ einfachen Auf­ baues eine korrekte Amplitudenregelung bis zum Stillstand der Signalscheibe ermöglicht. Voraussetzung ist lediglich, daß die von den Lichtschranken erzeugten Signale möglichst sinusförmig sind. Geringe Abweichungen von der Sinusform sind allerdings tolerierbar, solange sie sich im Rahmen der zulässigen Meßtoleranzen bewegen.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Meß­ anordnung nach Patentanspruch 1 sind in den Unteransprü­ chen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Meßanordnung,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Signalscheibe mit dem Querschnitt der Lichtstrahlenbündel zur Erzeugung sinusförmiger Meßsignale und

Fig. 3 ein Schaltungsbeispiel eines Amplitudenreglers der Meßanordnung nach Fig. 1 in schematischer Darstel­ lung.

Nach Fig. 1 ist auf der Welle 1, deren Drehzahl gemessen werden soll, eine Signalscheibe 2 befestigt, deren Boh­ rungsdrehpunkt 3 vom Drehpunkt 4 der Welle 1 um einen ge­ wissen Betrag, nämlich der Exentrizität e abweicht. Der Außenring der Signalscheibe 2 ist kammartig ausgebildet, d. h. Zähne 5 wechseln sich mit gleich breiten Lücken 6 ab. Auf gegenüberliegenden Seiten der Signalscheibe sind auf der Linie des Drehpunktes 4 der Welle 1 um 180° versetzt zwei elektro-optische Systeme als Signalgeber 7, 8 ange­ ordnet, die mit je zwei nicht näher dargestellten Licht­ schranken mit je einem gemeinsamen Lichtsender und je zwei Lichtempfängern ausgestattet sind, von denen sich der Lichtsender auf der einen Seite und die Lichtempfänger auf der anderen Seite der Signalscheibe 2 im Bereich des Zahn­ kranzes befinden, so daß die Lichtstrahlen von den Zähnen 5 periodisch unterbrochen werden.

Wie in Fig. 2 schematisch angedeutet, sind die beiden im Querschnitt dargestellten Lichtstrahlen in einem solchen Drehwinkel voneinander angeordnet, daß ihr Abstand um 90° elektrisch gegeneinander phasenverschobene Sinussignale S ₁=U ₁ · sinus alpha und S ₂=U ₂ · cosinus alpha bzw. S ₁′=U ₁′ · sinus alpha und S ₂′=U ₂′ · cosinus alpha erzeugen. Um die Sinusfunktion der Signale zu erreichen, sind die Strahlenquerschnitte beispielsweise mit Hilfe von Schablonen entsprechend geformt. Im gewählten Aus­ führungsbeispiel haben die Strahlen eine Querschnitts­ fläche, die zwei um 180° versetzten, untereinander ange­ ordneten Sinus-Halbwellen entspricht. Beide optischen Sy­ steme 7, 8 erzeugen also je zwei um 90° elektrisch gegen­ einander phasenverschobene Sinusschwingungen S ₁ und S ₂ bzw. S ₁′ und S ₂′. Diese Signale werden über je einen nachfolgend beschriebenen Amplitudenregler 11, 12 je ei­ nem Addierverstärker 13, 14 in der Weise zugeführt, daß die beiden Sinus-Signale S ₁ und S ₁′ an den Addierverstär­ ker 13 und die beiden Cosinus-Signale S ₂ und S ₂′an den Addierverstärker 14 gelangen. Diese Addierverstärker 13, 14 addieren die ihnen zugeführten Signale vektoriell, so daß etwaige Phasenverschiebungen durch Mittelwertbildung kompensiert werden. Das am Addierverstärker 13 ausgangs­ seitig entstehende phasenkorrigierte Sinus-Signal wird einer Grenzwertstufe 15 und das am Ausgang des Addierver­ stärkers 14 entstehende Cosinus-Signal einer Grenzwert­ stufe 16 zugeführt, die daraus zwei um 90° verschobene Rechtecksignale bilden. Über einen Frequenz-Spannungs- Umsetzer 17 gelangen die Signale dann als vorzeichenrich­ tiger analoger Drehzahl-Istwert an einen PI-Regler 19, dem außerdem ein an einem Potentiometer 20 einstellbarer Sollwert zugeführt ist. Dabei kann durch Auswertung der entsprechenden Signalflanken eine Impulsvervielfachung um den Faktor 1, 2 oder 4 erzielt werden. Das zur jeweiligen Drehrichtung gehörende Vorzeichen ermittelt der Frequenz- Spannungs-Umsetzer aus der Reihenfolge der beiden um 90° verschobenen Rechtecksignale. Am Ausgang des PI-Reglers 19 entsteht eine Regelgröße, die einem nicht dargestellten unterlagerten Regelkreis als Strom- oder Augenblicks- Sollwert zugeführt werden kann.

Die Funktion der Amplitudenregler 11, 12 wird anhand eines in Fig. 3 dargestellten Blockschaltbildes im folgenden näher erläutert, wobei wegen des identischen Aufbaues beider Regler nur der Regler 11 dargestellt und beschrie­ ben ist. Dabei wird ausgegangen von den vom Signalgeber 7 gelieferten Signalspannungen S ₁=U ₁ · sinus alpha und S ₂ =U ₂ · cosinus alpha, die als Istwerte dem Amplitudenregler 11 zugeführt werden und an die einen Eingänge je eines als Multiplizierer arbeitenden Regelverstärkers 21 und 22 ge­ langen. Die anderen Eingänge dieser Regelverstärker sind für die auf noch zu beschreibende Weise gewonnene Stell­ größe vorgesehen. An den Ausgängen dieser Regelverstärker tritt das geregelte Signal auf, das den Eingängen von Mul­ tiplikationsstufen 23, 24 zugeführt wird. Gleichzeitig wird dieses amplitudengeregelte Signal in der in Fig. 1 gezeigten Weise den Addierverstärkern 13 und 14 als Ein­ gangssignal zugeleitet. An den Ausgängen der Multiplizier­ stufen 23, 24 entstehen die Signale (U ₁ · sinus alpha)² bzw. (U ₂ · cosinus alpha)². Diese Signale werden den Ein­ gangsklemmen eines Addierverstärkers 25 mit Glättungs­ funktion zugeführt. Am Ausgang dieses Verstärkers entsteht das Signal (U ₁ · sinus alpha)²+(U ₁ · cosinus alpha)². Durch diese Addition kürzen sich aufgrund der mathemati­ schen Beziehung sinus² alpha+cosinus² alpha=1 die Winkelfunktionen heraus, so daß als Signal der konstante Gleichspannungsanteil U ₁ ² übrig bleibt, der unabhängig von der jeweiligen Drehzahl, also bis zum Stillstand, ein korrektes Abbild der vom Amplitudenregler 11 bis 12 wei­ tergegebenen Sinus- bzw. Cosinus-Amplitude ist. Hierbei wird davon ausgegangen, daß die Amplituden der Sinus- und der Cosinusspannungen immer gleich groß sind, weil sie von ein und derselben Lichtquelle erzeugt werden. Wenn dem Ad­ dierverstärker 25 ein entsprechender quadratischer Soll­ wert zugeführt würde, könnte im Addierverstärker selbst eine Stellgröße gebildet werden, die sich unmittelbar zur Steuerung des Lichterzeugers im zugeordneten Signalgeber verwenden ließe. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ein anderer Weg gewählt worden, bei dem der Ausgangswert des Addierverstärkers einer Radizierstufe 26 und von dort als Istwert U ₁ zusammen mit einem am Potentiometer 28 er­ zeugten Sollwert einem Regler 27 mit PI-Charakteristik zu­ geführt ist. Dieser Regler liefert die bereits erwähnte Stellgröße, die auf die Regelverstärker 21, 22 im Sinne einer Konstanthaltung der Amplitude der vom zugeordneten Signalgeber 7 zugeführten Werte einwirkt. Der vom Poten­ tiometer 28 erzeugte Amplituden-Sollwert wird auch dem weiteren, nicht näher dargestellten Amplitudenregler 12 zugeleitet. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Amplitudenregelung nach Analog-Digital-Wandlung des Aus­ gangssignals auch zur Drehzahl-Istwertbildung bei einer digitalen Drehzahlregelung auf Mikroprozessorbasis einge­ setzt werden.

Claims (4)

1. Drehzahl-Meßanordnung zur Erzeugung drehzahlabhängi­ ger Analogsignale als Regelgröße für einen Drehzahl-Regel­ kreis, bestehend aus einem mit der Antriebswelle, deren Drehzahl ermittelt werden soll, verbundenen Signalerzeu­ ger zur Bildung je zweier sinusförmiger, um 90° gegenein­ ander phasenverschobener Wechselspannungen mit drehzahl­ proportionalen Frequenzen, bestehend aus

• a) einer auf der Antriebswelle zentral befestigten Signal­ scheibe, deren Außenrand kammartig oder als Lochkreis mit symmetrisch angeordneten Zähnen und Lücken gleicher Breite versehen ist,
• b) an gegenüberliegenden Stellen der Signalscheibe ange­ ordneten Signalgebern, die je zwei Lichtschranken mit einem gemeinsamen Lichtsender und Lichtempfängern ent­ halten, die so angeordnet sind, daß deren Lichtstrah­ len von den Zähnen der Signalscheibe bei deren Drehung periodisch unterbrochen werden und die Zentren der bei­ den Strahlen eines Signalgebers in einem solchen Dreh­ winkel der Signalscheibe voneinander entfernt angeord­ net sind und die Strahlenquerschnitte eine solche Form aufweisen, daß in den Lichtempfängern bei Drehung der Signalscheibe zwei sinusförmige, um 90° gegeneinander versetzte Wechselspannungen (S ₁=U ₁ · sin alpha und S ₂ =U ₂ · cos alpha sowie S ₁′=U ₁′ · sin alpha und S ₂′= U ₂′ · cos alpha) entstehen,
• c) je einem Addierverstärker für die Bildung der Summe von S ₁ und S ₁′ sowie S ₂ und S ₂′
• d) je einem Frequenz-Spannungs-Umsetzer zur Bildung des analogen Drehzahl-Istwertes in Abhängigkeit von der Frequenz aus der beiden Summensignale und
• e) einem Reglerbaustein zur Erzeugung der Regelgröße aus einem Sollwert-Istwert-Vergleich,

dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen den Lichtempfängern jedes Signalgebers (7, 8) und den zugeordneten Addierverstärkern (13, 14) je ein Ampli­ tudenregler (11, 12) angeordnet ist, der zwei Multipli­ zierstufen (23, 24) zum Quadrieren der von den zugeordne­ ten Lichtempfängern gebildeten Wechselspannungen S ₁ und S ₂ bzw. S ₁′ und S ₂′ sowie einen Amplituden-Addierverstärker (25) besitzt, der durch Addition der quadrierten Span­ nungswerte einen entsprechenden Amplituden-Istwert er­ zeugt, aus dessen Subtraktion von einem Amplituden-Soll­ wert, eine Stellgröße zur Konstanthaltung des Amplituden- Istwertes gebildet ist.

2. Drehzahl-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellgröße der Differenzwert zwischen quadriertem Amplituden-Istwert und einem quadriertem Amplituden-Sollwert benutzt ist, der den Strom des Lichterzeugers im betreffendem Signalgeber (7, 8) im Sinne einer Konstanthaltung von dessen Ausgangs-Wech­ selspannungswerten S ₁ und S ₂ bzw. S ₁′ und S ₂′ unmittelbar steuert.

3. Drehzahl-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplituden-Ist­ wert durch Radizieren der Summe der quadrierten und vom Amplituden-Addierverstärker summierten Wechselspannungs­ werte S ₁ und S ₂ bzw. S ₁′ und S ₂′ gebildet und zusammen mit einem Sollwert einem Regler (27) zugeführt ist, der durch deren Subtraktion die Stellgröße bildet, die je einem zwischen Lichtempfänger und zugeordneter Multi­ plizierstufe (23, 24) angeordneten Regelverstärker (21, 22) zur Konstanthaltung der Ausgangs-Wechselspan­ nungswerte S ₁ und S ₂ bzw. S ₁′ und S ₂′ zugeleitet ist.