DE3616709C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Signalumformer bei dem ein analoges Istwert-Signal in ein digitales Ausgangssignal umgesetzt wird.

Es sind Signalumformer im Handel erhältlich, die zur potentialgetrennten Weiterverarbeitung von Meßwerten in der Antriebstechnik, beispielsweise von Meßwerten des Ankerstromes-, des Drehzahlsoll- und istwertes, erforderlich sind, wobei annähernd keine Informationsverluste auftreten dürfen. Dabei wird das Signal in eine dem Meßwert proportionale Frequenz umgesetzt und potentialfrei übertragen. Auf der Niedervoltseite wird diese Frequenz wieder in eine zur Frequenz proportionale Spannung umgesetzt. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere bei hohem Gleichtakt die Linearität dieser Signalumformer nicht ausreichend ist und daß ein Offsetausgleich erforderlich ist, dies zumindest dann, wenn für die Realisierung des Integrators nicht sehr teure, schnelle Präzisionsverstärker eingesetzt werden.

Aus der DE-OS 34 24 052 ist ein Signalumformer bekannt, bei dem ein analoges Istwert-Signal zusammen mit einem Dreieckshilfssignal einem Operationsverstärker zugeleitet wird, der das analoge Istwert-Signal in ein diesem entsprechendes pulsweitenmoduliertes Signal umsetzt und wobei eine Rückführung des Gleichspannungsmittelwertes für Regelzwecke vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Signalumformer dieser Art so auszugestalten, daß er eine hohe Linearität und eine hohe Auflösung für die digitale Erfassung der analog vorhandenen Signale besitzt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird ein analoges Ist- Signal mit Hilfe eines Hilfssignals und des Operationsverstärkers in ein pulsweitenmoduliertes Signal umgesetzt. Dieses Signal wird mit dem Systemtakt des Mikroprozessors ausgewertet und digitalisiert. Außerdem wird dieses pulsweitenmodulierte Signal über einen Tiefpaß und einen zweiten Bereichsumschalter mit dem analogen Ist-Signal am Summierpunkt des Integrators verglichen. Der Integrator bildet ein Korrektursignal, das den Operationsverstärker so lange nachführt, bis sichergestellt ist, daß sein Ausgangssignal exakt dem Eingangssignal entspricht. Damit ist die Linearität dieses Umsetzers ausschließlich von den Parametern des Integrators abhängig. Durch die Bereichsumschalter kann man beliebige große Meßbereiche einstellen, so daß eine große Auflösung für die digitale Erfassung der analogen Ist-Signale erreicht wird.

Bei vorteilhaften Schaltungsanordnungen des Signalumformers wird das reduzierte Ist-Signal über einen zweiten Tiefpaß geleitet, wobei der zweite Tiefpaß und der erste Tiefpaß identisch sind, d. h. die Zeitkonstanten jeweils der beiden Tiefpässe sind gleich groß. Dadurch erhält man einen Signalumformer mit hoher Linearität und hoher Auflösung für statische und dynamische Vorgänge bei einem Vorschubgerät.

Vorzugsweise ist jeweils der Gesamtmeßbereich der Bereichsumschalter asymmetrisch in einzelne Meßbereiche aufgeteilt, wobei der kleinste Meßbereich beim Meßbereichsanfang beginnt. Dadurch erhält man einen Signalumformer der ein analoges Ist-Signal digitalisiert, wobei die größte Auflösung am Meßbereichsanfang und somit bezogen auf den Endmeßbereich eine große Auflösung über den gesamten Meßbereich erreicht wird.

Außerdem kann dem Mikroprozessor zusätzlich das Sollwert- Signal zugeführt werden, so daß mit dem Ist-Signal der Mikroprozessor jeweils den entsprechenden Meßbereich bei den Bereichsumschaltern einstellen kann.

In einer weiteren vorteilhaften Auführungsform des Signalumformers sind die Bereichsumschalter jeweils mit einer Schalthysterese versehen. Dadurch wird erreicht, daß an den Umschaltpunkten durch kleine Änderung des Soll-Signals die Meßbereiche nicht ständig gewechselt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Signalumformers nach der Erfindung schematisch ver­ anschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines erfindungs­ gemäßen Signalumformers und in

Fig. 2 ist eine weitere Schaltungsanordnung des Signal­ umformers dargestellt.

In der Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung des Signalum­ formers dargestellt. Ein Signaleingang 2 ist mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 4 verbunden. Am Signaleingang 2 steht ein Ist-Signal, beispielsweise ein analoger Drehzahlistwert U_niA eines Gleich-oder Drehstromtachogenerators eines Vorschuban­ triebes einer Werkzeugmaschine, an und wird dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 4 zuge­ führt. Ein Hilfssignaleingang 6 ist über einen ersten Bereichsumschalter 8 ebenfalls mit dem nicht invertie­ renden Eingang des Operationsverstärkers 4 verbunden. An diesem Eingang 6 steht ein Hilfssignal U_D an. Als Hilfs­ signal U_D kann beispielsweise eine Sägezahnspannung, vor­ zugsweise eine Dreieckspannung, insbesondere eine symme­ trische Dreieckspannung vorgesehen sein. Mit Hilfe des ersten Bereichsumschalters 8 kann die Amplitude des Hilfs­ signals U_D über mehrere Bereiche verändert werden. Der Drehzahlistwert U_niA wird mit dem Hilfssignal U_D am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 4 verglichen, wodurch am Ausgang 10 des Operationsverstär­ kers 4 ein pulsweitenmoduliertes Signal ansteht. Dieser Ausgang 10 ist mit einem ersten Eingang 12 eines Mikro­ prozessors 14 und mit einem ersten Tiefpaß 16 verbunden. Dem Tiefpaß 16 ist ein zweiter Bereichsumschalter 18 nachgeschaltet, dessen Ausgang mit einem Summierpunkt 20 eines Integrators 22 verknüpft ist. Mit dem zweiten Be­ reichsumschalter 18 können mehrere Bewertungen des arith­ metischen Mittelwertes eingeschaltet werden. Der Gesamt­ meßbereich der Bereichsumschalter 8 und 18 ist jeweils asymmetrisch in einzelne Meßbereiche aufgeteilt, wobei der kleinste Meßbereich beim Meßbereichsanfang beginnt. Der Summierpunkt 20 ist ebenfalls mit dem Signaleingang 2 verbunden, wodurch der arithmetische Mittelwert des pulsweitenmodulierten Signals mit dem analogen Drehzahl­ istwert U_niA verglichen wird. Ein vorhandenes Differenz­ signal wird vom Integrator 22 zu einem Korrektursignal aufintegriert. Dieses am Ausgang 24 des Integrators 22 an­ stehende Korrektursignal wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 4 zugeführt. Damit wird der Operationsverstärker 4 so lange nachgeführt, bis das puls­ weitenmodulierte Signal am Ausgang 10 exakt dem Drehzahl­ istwert U_niA entspricht. Ein Zähler wertet mit Hilfe des Systemtakts des Mikroprozessors 14 die Pulsweite des puls­ weitenmodulierten Signals aus und der Mikroprozessor 14 ermittelt dann den Drehzahlistwert. Am zweiten Eingang 26 des Mikroprozessors 14 steht ein Drehzahlsoll-Signal U_ns an. Außerdem ist der Mikroprozessor 14 mit dem zur Bereichsumschaltung vorgesehenen Betätigungseingängen 30 bzw. 32 des ersten bzw. zweiten Bereichsumschalters 8 bzw. 18 verbunden. Am Ausgang 34 des Mikroprozessors 14 steht ein digitales Signal U_niD an, das dem analogen Drehzahlistwert U_niA am Signaleingang 2 entspricht.

Der Drehzahlistwert U_niA eines Gleich- oder Drehstrom­ tachogenerators und damit der Drehzahlistwert U_niA des Vorschubantriebs einer Werkzeugmaschine wird mit Hilfe des Hilfssignals U_D und des nachgeführten Operationsver­ stärkers 4 in ein pulsweitenmoduliertes Signal umgewan­ delt. Dieses Signal wird nun mittels des Mikroprozessors 14 ausgewertet und digitalisiert. Dazu wird die Pulsweite mit dem Systemtakt des Mikroprozessors 14 abgetastet. Die dynamischen Anforderungen an einen Vorschubantrieb einer Werkzeugmaschine erfordert beispielsweise eine Ab­ tastzeit von 1 msec. Somit ergibt sich bei einer System­ taktfrequenz von 8 MHz eine Auflösung von 8000 in einer Richtung oder ±4000 in zwei Richtungen. Die beiden Rich­ tungen entsprechen beim Antrieb dem Rechts- bzw. Links­ lauf. Diese Auflösung bzw. dieser Stellbereich ist im oberen Drehzahlbereich des Vorschubantriebs ausreichend. Um nun auch eine ausreichende Auflösung im unteren Dreh­ zahlbereich dieses Antriebs zu erreichen, werden die Bereichsumschalter 8 und 18 umgeschaltet. Zur Auswahl des Meßbereiches werden der Drehzahlsollwert U_ns, der Drehzahlistwert U_ni und der ermittelte Drehzahlsoll-Ist- Differenzwert U_ns-U_ni miteinander verglichen. Wenn der Drehzahlist- und Drehzahlsollwert, bezogen auf den End­ drehzahlwert, betragsmäßig klein ist, stellt der Mikro­ prozessor 14 über die Betätigungseingänge 30 bzw. 32 jeweils den kleinsten Meßbereich bei den Bereichsum­ schaltern 8 bzw. 18 ein. D.h., daß die Amplitude des Hilfssignals am kleinsten ist. Die Größe dieses Meßbe­ reichs wird so gewählt, daß mit der Auflösung von ±4000 bezogen auf den größten Drehzahlwert des Vor­ schubantriebs einen Stellbereich von annähernd 1 : 100 000 erreicht wird. Ist dagegen der Drehzahlsollwert betragsmäßig größer als der Drehzahlistwert, so ist bei zwei Meßbereichen jeweils der zweite Meßbereich bei den Bereichsumschaltern 8 und 18 einzustellen. Am Umschalt­ punkt vom ersten Meßbereich in den zweiten Meßbereich ist beispielweise der Ansteuerungsgrad des ersten Meßbereichs wenigstens größer als 80%. Ist dagegen der Gesamtmeßbereich in mehreren Meßbereichen unterteilt, ist vom Drehzahlistwert entsprechenden Meßbereich konti­ nuierlich der nächste Meßbereich einzustellen, bis ein dem Drehzahlsollwert entsprechender Meßbereich erreicht ist. Wenn dagegen der Drehzahlsoll- und -istwert betrags­ mäßig groß bezogen auf den Enddrehzahlwert ist, so stellt der Mikroprozessor 14 bei den Bereichsumschaltern 8 und 18 jeweils einen dem Drehzahlsollwert entsprechenden Meß­ bereich ein.

Außerdem sind die Meßbereichsumschalter 8 und 18 jeweils mit einer Schalthysterese versehen, damit an den Umschalt­ punkten durch kleine Änderungen des Drehzahlsollwertes die Meßbereiche nicht ständig gewechselt werden.

Somit erhält man einen Signalumformer, der eine hohe Linearität und eine hohe Auflösung hat, so daß bei digi­ talen Vorschubgeräten für Werkzeugmaschinen eine Auflö­ sung von annähernd 1 : 100 000 mit mehreren Meßbereichen erreicht wird.

In Fig. 2 ist eine weitere Schaltungsanordnung des Signal­ umformers nach Fig. 1 dargestellt. Gegenüber der Schaltungs­ anordnung nach Fig. 1 ist der Signaleingang 2 über einen zweiten Tiefpaß 36 mit dem Summierpunkt 20 des Integrators 22 verbunden. Der erste Tiefpaß 16 und der zweite Tiefpaß 36 sind identisch, d.h. die Zeitkonstanten der beiden Tiefpässe sind gleich groß. Dadurch wird der arithmeti­ sche Mittelwert des pulsweitenmodulierten Signals mit dem arithmetischen Mittelwert des analogen Drehzahlistwertes U_niA verglichen. Somit erhält man einen Signalumformer mit einer hohen Linearität und einer hohen Auflösung für statische und dynamische Vorgänge bei digitalen Vorschub­ geräten für Werkzeugmaschinen.

Claims (6)

1. Signalumformer, bei dem ein analoges Ist-Signal (U_niA) zusammen mit einem über einen ersten Bereichsumschalter (8) in der Amplitude einstellbaren Dreieckshilfssignal (U_D) dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (4) zugeleitet wird, der das analoge Ist-Signal (U_niA) in ein diesem entsprechendes pulsweitenmoduliertes Signal umsetzt, wobei das pulsweitenmodulierte Signal zum einen über einen ersten Tiefpaß (16) und über einen zweiten Bereichsumschalter (18) geleitet wird und nach Reduzierung um den Wert des Istwert- Signals (U_niA) einen integrierenden Regler (22) ansteuert, dessen Ausgangssignal an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (4) führt, und wobei das pulsweitenmodulierte Signal zum anderen an einen Mikroprozessor (14) geleitet wird, der entsprechend dem Puls-Pausen-Verhältnis ein digitales Ausgangssignal liefert und jeweils den ersten und zweiten Bereichsumschalter (8, 18) in Abhängigkeit vom Unterschied des Istwertsignals (U_ni) zu einem Sollwertsignal (U_ns) einstellt.

2. Signalumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reduzierende Ist-Signal (U_niA) über einen zweiten Tiefpaß (36) geleitet wird.

3. Signalumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des zweiten Tiefpasses (36) der Zeitkonstante des ersten Tiefpasses (16) entspricht.

4. Signalumformer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der Gesamtmeßbereich der Bereichsumschalter (8, 18) asymmetrisch in einzelne Meßbereiche aufgeteilt ist, wobei der kleinste Meßbereich beim Meßbereichsanfang beginnt.

5. Signalumformer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mikroprozessor (14) zusätzlich das Sollwert-Signal (U_ns) zugeführt wird.

6. Signalumformer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereichsumschalter (8, 18) jeweils mit einer Schalthysterese versehen sind.