DE3616711C2

DE3616711C2 -

Info

Publication number: DE3616711C2
Application number: DE3616711A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 8520 Erlangen De Hantke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-05-20
Filing date: 1986-05-20
Publication date: 1992-05-21
Also published as: US4734842A; DE3616711A1

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 Dreieckshilfsignal 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 gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird also ein analoges Ist-Signal mit Hilfe eines Hilfssignals und des Operationsverstärkers in ein pulsweitenmoduliertes Signal umgesetzt. Dieses Signal wird über einen ersten Tiefpaß an einem Summierpunkt des Integrators mit dem analogen Ist-Signal verglichen. Dabei gelangt das Ist-Signal über einen zweiten Tiefpaß an den Summierpunkt. Der Integrator bildet ein Korrektursignal, das den Operationsverstärker so lange nachführt, bis sichergestellt ist, daß sein Ausgangssignal exakt dem Eingangssignal entspricht. Dadurch ist die Linearität des Umsetzers bei statischen und dynamischen Vorgängen des Ist-Signals ausschließlich von den Parametern des Integrators abhängig. Am weiteren Summierpunkt wird vom Ist-Signal ein Referenzsignal subtrahiert, dessen Amplitude mit einem Verstärkungsfaktorumschalter in Abhängigkeit des Meßbereichs eingestellt ist. Dadurch wird erreicht, daß der Gesamtmeßbereich in gleich große Meßbereiche unterteilt wird. Somit erhält man einen Signalumformer mit hoher Linearität und hoher Auflösung in jedem Meßbereich für statische und dynamische Vorgänge des Ist-Signals.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstanten des ersten und des zweiten Tiefpasses gleich groß sind. Damit ist das System auch bei hochdynamischen Änderungen des Ist-Signals stabil.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Signalumformers nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. In der Figur ist eine vorteilhafte Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen Signalumformers dargestellt. Ein nicht invertierender Eingang 2 des Operationsverstärkers 4 ist mit einem Hilfseingang 6 und einem weiteren Summierpunkt 8 verbunden. An diesem nicht invertierenden Eingang 2 steht sowohl ein Ist-Signal als auch ein Hilfssignal U_D an. Als Hilfssignal U_D kann beispielsweise eine Sägezahnspannung, vorzugsweise eine Dreieckspannung, insbesondere eine symmetrische Dreieckspannung vorgesehen sein. Das Ist-Signal ist beispielsweise ein analoger Drehzahlistwert U_niA eines Gleich- oder Drehstromtachogenerators eines Vorschubantriebs einer Werkzeugmaschine. Der Drehzahlistwert U_niA wird mit dem Hilfssignal U_D am nicht invertierenden Eingang 2 des Operationsverstärkers 4 verglichen, wodurch am Ausgang 10 des Operationsverstärkers 4 ein pulsweitenmoduliertes Signal ansteht. Dieser Ausgang 10 ist mit einem ersten Tiefpaß 12 verbunden, dessen Ausgang mit einem Summierpunkt 14 eines Integrators 16 verbunden ist. Dieser Summierpunkt 14 ist ebenfalls über einen zweiten Tiefpaß 18 mit dem nicht invertierenden Eingang 2 des Operationsverstärkers 4 verbunden. Dadurch wird am Summierpunkt 14 der arithmetische Mittelwert des pulsweitenmodulierten Signals mit dem analogen Drehzahlistwert U_niA verglichen. Die Zeitkonstanten des ersten und zweiten Tiefpasses 12 und 18 sind gleich groß, deshalb ergeben dynamische Änderungen des Ist-Signals am nicht invertierenden Eingang 2 keine Fehler. Ein vorhandenes Differenzsignal am Ausgang 20 des Summierpunkts 14 wird vom Integrator 16 zu einem Korrektursignal aufintegriert. Dieses am Ausgang 22 des Integrators 16 anstehende Korrektursignal wird dem invertierenden Eingang 24 des Operationsverstärker 4 so lange nachgeführt, bis das pulsweitenmodulierte Signal am Ausgang 10 exakt dem Drehzahlistwert U_niA entspricht. Der Drehzahlistwert U_niA wird über einen Signaleingang 26 und dem weiteren Summierpunkt 8 dem nichtinvertierenden Eingang 2 des Operationsverstärkers 4 zugeführt. Außerdem ist der Signaleingang 26 über eine Vorzeichenschaltung 28 mit einer Verstärkerschaltung 30 verbunden. Am Eingang 32 der Verstärkerschaltung 30 steht eine Referenzspannung U_ref an und der Ausgang 34 der Verstärkerschaltung 30 ist mit dem weiteren Summierpunkt 8 verbunden. Ein Meßbereichseingang 36 ist ebenfalls über eine Verstärkerfaktorschaltung 38 mit der Verstärkerschaltung 30 verbunden.

Der Ausgang 10 des Operationsverstärkers 4 ist mit dem ersten Eingang 40 eines Mikroprozessors 42 verknüpft. Am zweiten Eingang 44 des Mikroprozessors 42 steht ein Drehzahlsoll-Signal U_ns an. Außerdem ist der Mikroprozessor 42 mit dem Meßbereichseingang 36 verbunden. Am Ausgang 48 des Mikroprozessors 42 steht ein digitales Signal U_niD an, das dem analogen Drehzahlistwert U_niA am Signaleingang 26 entspricht.

Der Drehzahlistwert U_niA eines Gleich- oder Drehstromtachogenerators und damit der Drehzahlistwert U_niA des Vorschubantriebs einer Werkzeugmaschine wird mit Hilfe des Hilfssignals U_D und des nachgeführten Operationsverstärkers 4 in ein pulsweitenmoduliertes Signal umgewandelt. Dieses Signal wird nun mittels des Mikroprozessors 42 weiterverarbeitet. Dazu wird die Pulsweite mit dem Systemtakt des Mikroprozessors 42 abgetastet. Die dynamischen Anforderungen an einen Vorschubantrieb einer Werkzeugmaschine erfordert beispielsweise eine Abtastzeit von 1 msec. Dadurch ergibt sich bei einer Systemtaktfrequenz von 8 MHz eine Auflösung von 8000 in einer Drehrichtung oder ±4000 in beiden Drehrichtungen des Antriebs. Um eine Auflösung bzw. einen Stellbereich von 1 : 100 000 zu erreichen, wird der Gesamtmeßbereich unterteilt. Entsprechend der ersten Unterteilung wird eine Referenzspannung U_ref dem Eingang 32 der Verstärkerschaltung 30 zugeführt. D. h. eine maximale Drehzahl des Vorschubantriebs von beispielsweise 3000 Umdrehungen pro Minute entspricht einem Drehzahlistwert von 10 V. Für einen Stellbereich von 1 : 100 000 für eine Drehrichtung müßte der Gesamtmeßbereich von 10 V in Einzelmeßbereiche von jeweils 1 V unterteilt werden. Damit die Einzelmeßbereiche jeweils gleich groß sind, wird eine Referenzspannung U_ref, deren Amplitude mittels der Verstärkerschaltung 30 verändert werden kann, am zweiten Summierpunkt 8 vom Drehzahlistwert U_niA subtrahiert. D. h. am Anfang des zweiten Einzelmeßbereichs wird vom Drehzahlistwert U_niA, der größer oder gleich 1 V ist, die Referenzspannung U_ref=1 V subtrahiert. Dadurch beginnt der zweite Meßbereich bei 0 V, obwohl der Drehzahlistwert U_niA größer 1 V ist. Beim Übergang vom zweiten zum dritten Einzelmeßbereich wird eine Referenzspannung von U_ref=2 V subtrahiert. Diese Referenzspannung U_ref ist aus der konstanten Referenzspannung U_ref=1 V, die am Eingang 32 ansteht, und einem Verstärkungsfaktor V=2 mittels der Verstärkerschaltung 30 ermittelt worden. Dadurch beginnt auch der dritte Meßbereich bei Null Volt, obwohl der Drehzahlistwert U_niA größer oder gleich zwei Volt ist. Durch die Amplitudenänderung der Referenzspannung U_ref in Abhängigkeit der Meßbereiche und der Verwendung der Referenzspannung U_ref als Offsetspannung zum Drehzahlistwert U_niA kann man den Gesamtmeßbereich in beliebig viele gleich große Meßbereiche unterteilen, die alle dieselbe Auflösung haben. Somit erhält man einen Signalumformer mit einer hohen Linearität und einen Stellbereich von annähernd 1 : 100 000.

Die Vorzeichenschaltung 28 ermittelt das Vorzeichen des Drehzahlistwertes U_niA, und damit die Drehrichtung des Vorschubantriebes der Werkzeugmaschine. Bei positiven Drehzahlistwerten U_niA wird die aus der Referenzspannung U_ref ermittelte Offsetspannung am weiteren Summierpunkt 8 vom Drehzahlistwert U_niA subtrahiert. Sobald das Vorzeichen der Drehzahlistwerte U_niA sich ändern, wird mittels der Vorzeichenschaltung 28 das Vorzeichen der aus der Referenzspannung U_ref ermittelten Offsetspannung geändert. Dadurch wird am weiteren Summierpunkt 8 zum negativen Drehzahlistwert U_niA die Offsetspannung addiert. Somit wird auch der Gesamtmeßbereich für negative Drehzahlistwerte U_niA in Einzelmeßbereiche unterteilt, die jeweils gleich groß sind und jeweils dieselbe Auflösung haben.

Die Meßbereichsumschaltung und damit die Amplitudenänderung der Referenzspannung U_ref wird mit Hilfe des Mikroprozessors 42 durchgeführt. Zur Auswahl des Meßbereichs werden der Drehzahlsollwert U_ns und der Drehzahlistwert U_ni miteinander verglichen.

Claims

1. Signalumformer, bei dem ein analoges Istwert-Signal (U_niA) zusammen mit einem Dreieckshilfssignal (U_D) dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (4) zugeleitet wird, der das analoge Istwert-Signal (U_niA) in ein diesem entsprechendes pulsweitenmoduliertes Signal umsetzt, wobei dieses Signal zum einen über einen ersten Tiefpaß (12) geleitet wird und nach Reduzierung um den Wert des über einen zweiten Tießpaß (18) geführten Istwert-Signals (U_niA) einen integrierenden Regler (16) ansteuert, dessen Ausgangssignal an den invertierenden Eingang (24) des Operationsverstärkers (4) führt, und wobei das pulsweitenmodulierte Signal zum anderen an einen Mikroprozessor (42) geleitet wird, dem auch ein Sollwert-Signal zuführbar ist und der entsprechend dem Puls-Pausen-Verhältnis ein digitales Ausgangssignal liefert, wobei das Ist-Signal (U_niA) um einen über einen Verstärkungsfaktor einer Verstärkungsschaltung (30) aus einem Referenzsignal (U_ref) ermittelten Wert reduzierbar ist, wobei eine Vorzeichendetektorschaltung (28) die Verstärkerschaltung (30) entsprechend der Polarität des Ist-Signals (U_niA) voreinstellt und wobei bei einem betragsmäßig kleinen Ist- und Sollwert-Signal (U_ni, U_ns) bezogen auf den Endmeßbereichswert der Mikroprozessor (42) den kleinsten Verstärkungsfaktor einstellt und bei einem betragsmäßig relativ großen Sollwert-Signal (U_ns) gegenüber dem Istwert- Signal (U_ni) einen dem Sollwert-Signal (U_ns) entsprechenden Verstärkungsfaktor einstellt.

2. Signalumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstanten des ersten und zweiten Tiefpasses (12, 18) gleich groß sind.