DE3719439A1

DE3719439A1 - Frequenz-mess-verfahren fuer digital-tachometer

Info

Publication number: DE3719439A1
Application number: DE19873719439
Authority: DE
Inventors: Helmuth Dr Frenk
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-06-11
Filing date: 1987-06-11
Publication date: 1988-12-22

Description

Optische Incrementalgeber werden immer häufiger als "digitale Tachometer-Generatoren" benutzt. Dazu muß ihre Ausgangsspan nung in einen analogen oder digitalen Frequenzwert umgewandelt und einem entsprechenden Regler zugeführt werden.

Dabei darf die Zeit zwischen zwei Messungen nicht zu groß werden, da sie als "Totzeit" sonst Instabilität beim Regler erzeugt. Jede Rechteckspannung gibt aber erst bei der nächsten Flanke eine neue Meßmöglichkeit: je kleiner die Drehzahl, desto größer die Totzeit. Manche Maschinen benötigen gerade eine genaue Regelung der niedrigen Drehzahlen; auch müsen alle Vor-Rückwärtsregler den langsamen Bereich um Null stabil durchlaufen. Für diese Fälle wird immer eine Erhöhung der Impulszahl pro Umdrehung beim Geber gefordert. Doch hier stößt man schnell auf wirtschaftliche Grenzen:
Geber mit mehreren Tausend Impulsen erfordern eine hochpräzise teure Mechanik und Optik.

Incrementale Geber erzeugen meistens zum Erkennen der Dreh richtung zwei Rechteckspannungen, die um 90, bei Rücklauf 270° phasenverschoben sind. Diese werden bereits oft durch Mischen in eine Spannung doppelter Frequenz umgewandelt. Sind in Fig. 1 die Kurven 4 und 6 solche Ausgangsspannungen, so zeigt Kurve 7 die durch Mischen in einem Exklusiv-Oder Gatter entstandene 2 f-Spannung. Weiter läßt sich mit ein fachen digitalen Schaltkreisen an jeder Aufwärts- und Abwärts flanke ein Impuls erzeugen: Kurve 8 mit 4 f. Für weitere Frequenzerhöhungen muß man auf die sinus-ähnlichen Kurven zurückgreifen, die die Fotozelle beim Abtasten enger Tei lungen erzeugen. In Fig. 3 sind 30 und 31 solche Signale, bereits 90° verschoben. Verbindet man diese Signale mit einem Spannungsteiler R ₁, R ₂, so kann man an diesem die gleiche Frequenz mit anderer Phasenlage abnehmen, bei gleichen Widerständen z. B. 45°, mit einer Spannung in vertiert, 45 7 180°. (Bei R ₁ = 2 R ₂ wird die Phase 63°, s. Ausg. 33). Nachgeschaltete Komparatoren, z. B. 32 machen daraus entsprechende Rechteckspannungen. Solche Rechtecke ergeben gemischt zusätzliche Frequenzerhöhungen.

Diese Technik ist ebenfalls seit Jahrzehnten bekannt. Bei ihr entstehen aber beachtliche Fehler, deren Usprung in Fig. 2 zu erkennen ist. Die Signalkurve 20 gibt die Licht schwankungen auf der Fotozelle wieder, wobei die Nullinie 0 V ist. Sie schwankt also keineswegs zwischen positiven und ne gativen Werten. Um sie in Rechtecke zu verwandeln muß sie und ihr Mitteltwert 22 (nicht gleich 0 Volt!) einem Komparator zugeführt werden, der dann die Rechtecke 23 erzeugt.

Ist nun der Mittelwert 22 nicht genau eingestellt oder ändert er sich, z. B. auf 24, so entstehen die unsymmetrischen Recht ecke 25. Die Folgen, bereits bei der Vervierfachung der Frequenz, sieht man in Fig. 1: In die Kurven 4 und 6 sind gestrichelt solche ungenauen Flanken 9, 10 und 11 eingezeichnet. Sie mögen um 5% der Periodendauer falsch sein. In der daraus abgelei teten 4f Kurve 12 beträgt die (relative!) Abweichung einer Periode schon das 4fache, bei Summierung am Anfang und Ende das 8fache dieses Fehlers, wie z. B. am 2. und 3. Impuls der Kurve 12 zu sehen ist. Das sind 40%, die eine Frequenzbe stimmung absolut unbrauchbar machen. Dabei spielte für den ursprünglichen Zweck, die Drehrichtungsbestimmung, auch eine größere Phasenabweichung überhaupt keine Rolle.

Für die Vervielfachung konnte bisher nur durch eine Erhöhung der Präzision (und damit der Kosten) diesem Frequenzfehler begegnet werden.

Erfindungsgemäß wird dagegen der Einfluß der Phasenfehler auf den Meßwert der Frequenz f dadurch ausgeschaltet, daß zur Ermittlung des Meßwerts nicht die vervielfachte Frequenz n · f sondern die vollen, sich nfach überlappenden Perioden der Frequenz f, sowohl von steigender zu steigender, als auch von fallender zu fallender Flanke dienen.

Dies kann analog durch n Frequenz-Spannungswandler geschehen, von denen n/2 die phasenverschobenen Frequenzen direkt, die anderen invertiert erhalten. Digital werden die vollen Perio den einzeln ausgezählt und durch Division in die Frequenz umgewandelt, die, jede 1/n Periode neu ermittelt zur Verfügung steht. Der Vorzug der beschriebenen Methode entsteht dadurch, daß die Periodendauer allgemein, für Vorgänge belie biger Kurvenform durch die Zeit zwischen zwei Punkten gleicher Phasenlage definiert ist. So ergeben in Fig. 2 die Linien 27 und 28 in beiden Beispielen den genauen Wert von 100%. Auch in Fig. 1 lassen sich die Ungenauigkeiten 13 der Kurve 12 eliminieren: Messen wir in Linie 14 bis 17 vom 1. bis 5., 2. bis 6., 3. bis 7. und vom 4. bis 8. Impuls, so erhalten wir trotz der Phasenfehler der Teilspannungen stets genau die volle Periode. Lediglich in den Abständen der Messungen erscheinen die Phasenfehler wieder, was für die Regelung nicht von Bedeutung ist. Für Frequenzverviel fachungen über 4 hinaus zeigt Fig. 4, wie bei der nicht sinus förmigen Kurve 40 die Schnittlinien 41 bis 45 jeweils eine genaue Periodendauer lang sind.

Für die technische Ausführung hängt die Auswertung der n Ausgangsspannungen von der Funktion der f/U-Wandler ab. Im allgemeinen wird eine additive Überlagerung über gleiche Widerstände genügen. Bei der digitalen Methode müssen erst n + 1 Zählerablesungen gespeichert werden, bis die Differenz (n + 1) ·- (1.) gebildet werden kann. Dann springen alle Spei cherwerte um 1 nach links, 2. in die 1 . . . n + 1. in die n., damit hier eine neue n + 1. abgelegt werden kann.

Diese Prozedur, einschließlich der Division der Perioden dauer wird am günstigsten von einem Mikroprozessor durch geführt.

Als Ausführungsbeispiel sei der Ablauf eines Programms dar gestellt, bei dem ein Impulszug der 4fachen Frequenz, wie Fig. 1, Kurve 8 oder 12, sowohl den Zähler bei jedem Impuls unterbricht als auch einen Interrupt auslöst. Die Impulsdauer wurde mit der Taktfrequenz ausgezählt, die auch die Perioden dauer mißt; der Zähler möge abwärtszählen und nach der Null ohne Verzug auf den Maximalwert springen. Mz sei die Adresse des ersten Zählwerts, Mp die der Periodendauer, x = Index. (Mn) = Inhalt des Speicherplatzes Mn.

Warteschleife bis x (von 0) auf 5 angewachsen ist.
Subtrahiere (Mz) -(Mz + 4)
Addiere die 4fache Impulsdauer
Speichere das Ergebnis "Periodendauer" in Mp
Transferiere (Mz + 1) nach Mz, (Mz + 2) nach Mz + 1 . . . (Mz + 4) nach Mz + 3
Setze x = 4
Dividiere Taktfrequenz (ggf. mal Impulsz./Umdr.) durch (Mp)
Gebe Ergebnis "Frequenz" (ggf. mech. Frequenz) auf Ausgang.
Zurück auf Warteschleife.
Interrupt:
Zählerstand ablesen und in Mz + x speichern
x um 1 erhöhen
zurück ins Hauptprogramm.

Claims

Frequenzmeß-Verfahren für Digitaltachometer, aus zwei etwa um 90° gegeneinander phasenverschobenen sinus- ähnlichen Signalspannungen (30) und (31) die Frequenz f n-mal nacheinander in jeder Periode zu messen, wobei auch weitere (n - 4)/2, durch Mischung in Spannungsteilern erzeugte Span nungen anderer Phasenlage in Rechtecke umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz aus den vollen, sich n mal überlappenden Perioden der Frequenz f entweder mit n Frequenz-Spannungs-Wandlern, oder digital durch Aus zählen der Periodendauer und Dividieren der Zählfrequenz ermittelt wird.