DE3910347A1

DE3910347A1 - Inkrementales weg- bzw. beschleunigungsmesssystem, insbesondere fuer einen hydraulischen dreh- oder linearantrieb

Info

Publication number: DE3910347A1
Application number: DE19893910347
Authority: DE
Inventors: Werner Glueck; Gerold Liebler; Juergen Schmitz
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1989-03-30
Filing date: 1989-03-30
Publication date: 1990-10-04

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein inkrementales Wegmeßsystem und insbesondere auf ein Beschleunigungs meßsystem. Insbesondere soll durch das erfindungsgemäße System die Beschleunigung in einem Regelkreis genau bestimmt werden.

Speziell bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur genauen Bestimmung der Beschleunigung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gemäß dem Stand der Technik, der in der Figurenbeschreibung noch näher erläutert wird, wird die Drehzahl, beispielsweise einer Welle eines hydraulischen Drehantriebs, mit einem analogen Tachogenerator bestimmt. Der Tachogenerator erzeugt dabei ein der Drehzahl proportionales Spannungssignal, welches allerdings von relativ starken Störsignalen, häufig hervorgerufen durch Oberwellen und Rauschen, überlagert ist. Während dieses Spannungssignal im allgemeinen für die Bestimmung der Geschwindigkeit ausreicht, ergibt sich dann, wenn man ein Beschleunigungssignal aus dem Geschwindigkeitssignal ableitet, eine starke Verfälschung, d. h. nur ungenaue Werte für die Beschleunigung.

Zur Messung der Lineargeschwindigkeit eines Bauteils wird gemäß dem Stand der Technik die Pulsfrequenz eines inkrementalen Wegmeßsystems benutzt. Das inkrementale Wegmeßsystem für Messungen an einem Linearantrieb wird auch häufig als Linearpositionsgeber bezeichnet. Dieser Linearpositionsgeber spricht auf die Linearbewegung eines Bauteils, beispielsweise der Kolbenstange eines Hydraulikzylinders bei einem hydraulischen Linearantrieb an und erzeugt für jedes Weginkrement elektrische Impulse, die mit einer bestimmten, für den zurückgelegten Weg bzw. die Geschwindigkeit repräsentativen Frequenz auftreten. Um die in der Frequenz enthaltene Weg- bzw. Geschwindigkeitsinformation zu erhalten, wird beim Stand der Technik ein F/U-Wandler (Frequenzspannungswandler) verwendet, der allerdings dem sich ergebenden, für den zurückgelegten Weg bzw. die Geschwindigkeit repräsentativen Spannungssignal eine Ripplestörung aufprägt. Im allgemeinen ist diese Störung für Geschwindigkeitsmessungen erträglich, führt aber zu starken Verfälschungen, wenn aus dem Geschwindigkeitssignal ein Beschleunigungssignal abgeleitet werden soll bzw. wenn dieses Signal als Vergleichssignal für einen Beobachter genutzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere soll durch die Erfindung eine genauere Bestimmung der Beschleunigung, insbesondere auch in einem Regelkreis, ermöglicht werden. Ganz allgemein bezweckt die Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der eine Dreh- oder Linearposition eines Bauteils genau bestimmt werden kann, insbesondere soll aber neben der Geschwindigkeit die Beschleunigung genau gemessen werden können.

Der Erfindung liegt speziell die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, daß in einfacher Weise und störungsfrei die Beschleunigung genau bestimmt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen vor. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Standes der Technik zur Messung der Drehzahl eines hydraulischen Drehantriebs mit einem Tachogenerator;

Fig. 2 eine andere Möglichkeit zur Messung der Drehzahl eines hydraulischen Drehantriebs gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik zur Messung der Linearposition bzw. der Geschwindigkeit eines hydraulischen Linearantriebs;

Fig. 4 eine gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung zur genauen Bestimmung der Beschleunigung der Welle eines hydraulischen Drehantriebes;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur genauen Bestimmung der Beschleunigung eines sich bewegenden Bauteils in einem hydraulischen Linearbetrieb;

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild eines an sich bekannten PLL-Phasenregelkreises;

Fig. 7 die Funktionsweise des Phasenregelkreises gemäß Fig. 6 erläuternde Kurven;

Fig. 8 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur genauen Bestimmung der Beschleunigung eines sich längs bewegenden oder sich drehenden Bauteils eines hydraulischen Antriebs;

Fig. 9 eine Darstellung ähnlich Fig. 8, nur statt Differenzier Beobachter.

In Fig. 1 ist schematisch ein hydraulischer Drehantrieb 1 dargestellt, dessen Welle 2 in Drehungen versetzt werden kann. Ferner ist schematisch bei 3 ein Tachogenerator angedeutet, der in irgendeiner Weise mit der Welle 2 gekoppelt ist und so eine der Wellendrehzahl v entsprechende Spannung U(t) auf einer Ausgangsleitung 4 erzeugt. Die Spannung U(t) enthält praktisch in ihrer Amplitude Information über die Drehzahl v. Wird durch Störungen die Amplitude der Ausgangsspannung U(t) geändert, so ergeben sich Fehler beim Rückschluß auf die Drehzahl v. Insbesondere dann, wenn aus der Spannung U(t) durch Differenzieren die Beschleunigung abgeleitet werden soll, ergeben sich unzumutbar große Fehler.

Fig. 2 stellt wiederum ähnlich wie in Fig. 1 einen hydrau lischen Drehantrieb 1 mit einer Welle 2 dar. Hier wird ein inkrementales Wegmeßsystem in der Form eines Drehwinkelgebers verwendet. Eingangsseitig ist der Drehwinkelgeber 5 mit der Welle 2 in irgendeiner Weise gekoppelt, was durch die Linie 6 angedeutet ist. Beispielsweise könnte durch Linie 6 ein Zahnrad oder eine Lochscheibe mit einer Lichtschranke angedeutet sein, wobei dann der Drehwinkelgeber 5 auf seiner Ausgangsleitung 7 ein Ausgangsspannungssignal U _fINK liefert. U _fINK enthält die Drehwinkel- bzw. Drehzahlinformation in der Form einer Impulsfolge, d. h. eine sich ändernde Frequenz des Signals U _fINK ist repräsentativ für eine sich ändernde Dreh zahl. Das sozusagen frequenzmodulierte Ausgangsspannungssignal U _fINK wird in einen FU-Wandler 8 eingegeben, der dann seiner seits auf seiner Ausgangsleitung 9 ein Spannungssignal U _s (t) erzeugt, dessen jeweilige Amplitude für die jeweilige Drehzahl repräsentativ ist. Der F/U-Wandler 8 ruft allerdings eine sogenannte Ripplestörung hervor, so daß die Ableitung eines Beschleunigungssignals aus dem Signal U _s (t) zu Verfälschungen führen würde.

Das Meßsystem gemäß Fig. 2 wird weniger häufig angewandt, da das System gemäß Fig. 1 im allgemeinen zufriedenstellend arbeitet.

Dagegen wird bei einem hydraulischen Linearantrieb 10 häufig das Meßsystem gemäß Fig. 3 verwendet, d. h. es wird beispielsweise die Bewegung einer Kolbenstange eines Hydraulikzylinders über Kopplungsmittel 6 in einen Linearpositionsgeber 11 eingegeben, der dann ähnlich wie der Drehwinkelgeber 5 eine Spannung U _fINK (t) erzeugt, deren jeweilige Frequenz proportional zur jeweiligen Geschwindigkeit v ist. Nachdem die Information hinsichtlich der Geschwindigkeit v in der Frequenz enthalten ist, muß die Spannung U _fINK über Leitung 7 in einen F/U-Wandler 8 gegeben werden, um ähnlich wie bei Fig. 2 ein Ausgangsspannungssignal U _s (t) zu erzeugen, dessen Amplitude proportional zur Geschwindigkeit v ist. Leitet man aus diesem Signal U _s (t) durch Differenzieren das Beschleunigungssignal U _s′(t) ab, so ergibt sich eine starke Verfälschung durch die im F/U-Wandler 8 auftretende Ripplestörung.

Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele, die auf dem Stand der Technik gemäß den Fig. 2 und 3 aufbauen.

In den beiden Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4 und 5 wird das bereits erläuterte Signal U _fINK in einen Phasenregelkreis 13 eingegeben, der mit seinem Ausgang 14 am Eingang eines Differenzierers 15 liegt. Am Ausgang 16 des Differenzierers 15 ergibt sich dann mit großer Genauigkeit der jeweilige Wert für die Beschleunigung in der Form einer Ausgangsspannung U _s′(t).

Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß mit dem Phasenregelkreis 13 ein analoges Geschwindigkeits spannungssignal U _s (t) mit sehr niedrigem Störsignalpegel erzeugt wird. Dieses Geschwindigkeitsspannungssignal U _s (t) kann natürlich auch direkt verwendet werden, wird aber insbesondere zur Beschleunigungsbestimmung herangezogen, und zwar unter Verwendung des analogen Differenzierers 15. Das so erzeugte Beschleunigungsspannungssignal U _s′(t) kann als Hilfsregelgröße genutzt werden. Das Beschleunigungssignal kann auch in einem Parallelmodell mit Korrekturnetzwerk (Beobachter) erzeugt werden.

Diese Technik ist in der Literatur hinlänglich beschrieben.

Hierbei wird ein mathematisches Modell des Antriebs in Form einer elektrischen Schaltung ausgeführt. Das von diesem Modell stammende Geschwindigkeitssignal wird mit dem von der PLL-Schaltung kommenden Geschwindigkeitssignal verglichen und die Differenz der beiden Geschwindigkeitssignale wird einem Korrekturnetzwerk zugeführt, welches das Modell wiederum on line korrigiert. Dem Modell kann man dann das geschätzte Beschleunigungssignal entnehmen. Dazu muß aber, wie gesagt, die gemessene Geschwindigkeit U _g (t) sehr sauber sein.

Ein Phasenregelkreis (PLL) 13 ist im Stand der Technik bereits bekannt und braucht daher nur kurz beschrieben zu werden. Fig. 6 zeigt schematisch den Phasenregelkreis 13, der eingangsseitig ein Eingangssignal in der Form einer Spannung U 1 (t) am Eingang 17 eingespeist erhält. Ausgangsseitig liefert der Phasenregelkreis 13 am Ausgang 18 eine außerordentlich glatte und ungestörte Ausgangsspannung U _s (t).

Grundsätzlich handelt es sich bei einem Phasenregelkreis (PLL = phase-locked loop) 13 um ein Regelsystem, dessen Aufgabe darin besteht, einen Oszillator 21 hinsichtlich Frequenz und Phase mit dem Eingangssignal U 1 (t) zu synchronisieren. Im synchronisierten Zustand des PLL 13 ist die Phasenverschiebung zwischen Eingangssignal Ul(t) und einem vom Oszillator 21 gelieferten Oszillatorsignal U 2 (t) Null bzw. ein Minimum. Wenn im eingeschwungenen Zustand zwischen den beiden Signalen eine Phasenverschiebung auftritt, so wird der Oszillator 21 so lange nachgeregelt, bis die Phasenverschiebung wieder minimal bzw. Null wird.

Im einzelnen weist der Phasenregelkreis 13 einen Phasen detektor 19, ein Schleifenfilter oder Regler 20 und den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 21 auf. Die entspre chenden Verbindungsleitungen sind mit 22, 23 und 24 bezeich net. Der Phasendetektor 19 dient wie bereits angedeutet dazu, einen Phasenunterschied zwischen dem Eingangssignal U 1 (t) und dem Oszillatorsignal U 2 (t) des Oszillators 21 zu erkennen. Dabei wird auf Leitung 22 eine dem Zeitunterschied der beiden Signaldurchgänge proportionale Ausgangsspannung U _e erzeugt. Das Filter 20 ist im allgemeinen ein Tiefpaßfilter, mit dem die auf das Gleichspannungssignal des Phasendetektors 19 aufmodulierte Wechselspannung herausgefiltert wird. Der Oszillator 21 erzeugt seine Ausgangs- oder Oszillatorspannung U 2 (t) mit einer von der über Leitung 23 zugeführten Eingangsspannung (die gleich U _s (t) ist) des Oszillators 21 abhängigen Frequenz. Zur Arbeitsweise des PLL 13 sei auf die Fig. 7 verwiesen, wo die verschiedenen Spannungen dargestellt sind. Im eingeschwungenen Zustand, d. h. bis zur Zeit t = t ₀ stimmen Frequenz und Phase von U 1 (t) und U 2 (t) überein, so daß bei Einsatz eines PI-Reglers die Spannung U _e (t) gleich Null ist und die Spannung U _s (t) einen konstanten Wert hat. Bei Einsatz eines Tiefpaßfilters mit P-Verhalten bleibt eine geringfügige Phasenverschiebung delta δ übrig, da für ein Frequenzsignal U 2 (t) ≠ (ungleich) 0 eine Eingangsspannung des VCO, U _s (t) ≠ (ungleich) 0, damit auch U _e (t) ≠ (ungleich) 0 und ein delta ungleich Null (δ ≠ 0) erforderlich ist.

Wenn plötzlich zur Zeit t = t ₀ die Frequenz von U 1 (t) auf einen anderen Wert springt, so ergibt sich die in Fig. 7 gezeigte Verschiebung "delta". Der Detektor 19 erkennt diese Phasendifferenz und gibt ein dazu proportionales Signal über Leitung 23 an den VCO 21. Mit einer gewissen Verzögerung (insbesondere hervorgerufen durch das Schleifenfilter 20) erscheint dabei das Signal am VCO 21 und veranlaßt diesen, schneller zu schwingen. Der Phasenfehler 8 wird dann langsam wieder abgebaut, bis der VCO 21 auf derselben Frequenz wie das Eingangssignal U 1 (t) schwingt. Durch die erfindungsgemäße Verwendung des PLL 13 ergibt sich der Vorteil großer Störfestigkeit gegenüber Rauschsignalen.

Fig. 8 zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 8 ist allgemein mit dem Bezugszeichen 30 ein hydraulischer Antrieb bezeichnet, der sowohl ein Drehantrieb wie auch ein Linearantrieb sein kann. Natürlich kann aber irgendein anderer Antrieb, nicht notwendigerweise ein hydraulischer Antrieb, verwendet werden. Ein inkrementales Wegmeßsystem 31 ist schematisch - wie bei 32 gezeigt - mit dem hydraulischen Antrieb 30 gekoppelt und liefert ein Eingangssignal U _fINK für den speziellen Phasenregelkreis 33 der Fig. 8.

Der Phasenregelkreis 33 weist einen bereits anhand der Fig. 6 beschriebenen Phasendetektor 19 sowie einen spannungsge steuerten Oszillator VCO 21 auf, der ausgangsseitig über eine Leitung 24 mit dem einen der beiden Eingänge des Phasendetek tors 19 in Verbindung steht und eine Oszillatorspannung U _fRÜCK anlegt, während am anderen Eingang des Phasendetektors 19 die Spannung U _fINK liegt. Die vom Phasendetektor 19 auf Leitung 22 abgegebene Spannung sei mit Ue bezeichnet. Diese wird erfindungsgemäß einem PI-Regler 35 zugeführt, der auf seiner Ausgangsleitung 36 ein Signal U _s (t) liefert, welches in seiner Amplitude die Information hinsichtlich der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit enthält. Dieses Signal U _s (t) ist von Störungen weitestgehend frei. Daher kann die Ausgangsgröße U _s (t) des PI-Reglers 35 durch einen Differenzierer 37 differenziert werden oder in einem Beobachter verarbeitet werden, um ein präzises der Beschleunigung proportionale Spannungssignal U _s′(t) zu liefern.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 8 wird im Phasenregelkreis 33 anstelle eines einfachen Schleifenfilters der PI-Regler 35 eingesetzt. Ein PI-Regler ist eine Kombination aus einem P-Regler und einem I-Regler und ist aus dem Stand der Technik bekannt. Deshalb sei hier nur kurz auf folgendes hingewiesen. Bei einem P-Regler ist die Stellgröße (Ausgangssignal) der Regelabweichung (Eingangssignal) hinreichend proportional. Dabei wird das Signal zusätzlich verstärkt. Die Gleichung des P-Reglers lautet also Y = VP × x, wobei VP die Verstärkung und x die Regelabweichung ist. Bekanntlich besteht ein Nachteil des P-Reglers darin, daß er nicht in der Lage ist, eine Störgrößenänderung voll auszuregeln.

Beim I-Regler wird die Änderung der Stellgröße Y durch zeitliche Integration der Regelabweichung x gewonnen. Die Gleichung des I-Reglers lautet deshalb: Y = x dt. Der I-Regler hat keine bleibende Regelabweichung, besitzt aber eine längere Regelzeit. Insgesamt ist der P-Regler dynamisch besser, während der I-Regler statisch besser ist. der PI-Regler verbindet die besseren dynamischen mit den besseren statischen Eigenschaften.

Der Vorteil des I-Anteils bei Einsatz im PLL-Kreis liegt darin, daß ein PI-Regler eine konstante Ausgangsspannung (hier: U _s (t)) liefert, ohne daß am Eingang ein Signal des Phasendetektors (U _e (t)) anliegt; d. h. die Eingangssignale am Phasendetektor, U _fInk und U _fRück sind im eingeregelten Zustand völlig synchron.

Bei Einsatz eines P-Reglers oder Schleifenfilters würde bei einem Signal U _s (t) ≠ (ungleich) 0 eine Phasenverschiebung zwischen U _fInk und U _fRück vorliegen, was zu einem getakten Ausgangssignal des Phasendetektors und damit einer störbehafteten Ausgangsspannung U _s(t) führt. Daher ist der I-Anteil für die Erfindung unbedingt nötig.

Bei Änderung der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit ändert sich die Frequenz des Eingangssignals U _fInk, so daß eine Phasenver schiebung delta auftritt (Fig. 7). Der Phasendetektor gibt je nach Vorzeichen der Phasenverschiebung positive oder negative Impulse mit der Breite delta aus, die vom PI-Regler über Veränderung von U _s(t) und damit U _fRück ausgeregelt werden.

Da die Eigenfrequenz des PLL-Regelkreises wesentlich höher ist als die Eigenfrequenz des zu regelnden Systems, werden die Fehler delta sehr schnell ausgeregelt, so daß die Spannung U _s (t) sehr genau dem Istwert der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit folgt.

Zur Funktion der Schaltung gemäß Fig. 8 sei noch erwähnt, daß im eingeregelten Zustand die Frequenz des aus dem VCO 21 kommenden Oszillator Spannungssignals U _fRück (t) gleich der Frequenz des Ausgangsspannungssignals U _fink (t) des Inkrementalwegmeßsystems 31 ist. Somit ist die Ausgangsspannung U _s (t) des PI-Reglers 35 und also gleichzeitig auch die Eingangsspannung des VCO 21 proportional zur Frequenz fink (Inkrementalfrequenz) der Ausgangsspannung Ufink des Inkrementalwegmeßsstems 31. Die Ausgangsspannung U _s (t) ist damit aber auch proportional zur Geschwindigkeit v bzw. der Drehzahl n des Antriebs 30.

Bei einer Änderung von v bzw. n ändert sich U _s (t) proportional, so daß folgendes gilt:

U _s ist proportional v bzw. U _s ist proportional n
U _s′ ist proportional v′ bzw. U _s′ ist proportional n′,

d. h. das abgebende Signal U _s′ ist proportional zur Beschleunigung des Antriebs 30.

Claims

1. Vorrichtung zur genauen Bestimmung der Beschleunigung eines sich bewegenden oder sich drehenden Bauteils insbesondere in einem Antrieb unter Verwendung eines inkrementalen Weg- oder Winkelmeßsystems, welches eine elektrische Impulsfolge U _fInk erzeugt, deren Frequenz für die Geschwindigkeit (Weg) bzw. die Drehzahl (Drehwinkel) repräsentativ ist, und wobei Schaltungsmittel vorgesehen sind, um die Impulsfolge U _fInk in ein analoges Spannungssignal umzuwandeln, welches für die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl repräsentativ ist und welches zur Berechnung der Beschleunigung differenzierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel durch einen PLL-Regler (13) gebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolge U _fInk in den Phasendetektor (19) eines PLL-Reglers (13) eingespeist wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der PLL-Regler einen dem Phasendetektor (19) nachgeschalteten PI-Regler (35) aufweist, der aus dem vom Phasendetektor gelieferten Signal Ue ein Stellsignal U _s für den nachgeschal teten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) erzeugt, um dessen Ausgangssignal U _fRück mit dem Eingangssignal U _fInk des PLL-Reglers zu synchronisieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellsignal US des PI-Reglers (35) einem Geschwindigkeits bildner (37) zugeführt wird, der an seinem Ausgang ein der Beschleunigung proportionales Spannungssignal U _s′ liefert.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb ein hydraulischer Antrieb ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Drehzahl- bzw. Geschwindigkeits messung verwendet wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsbildner (37) wahlweise von einem Differenzierer oder Beobachter gebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschleunigungs signal U _s′ als Hilfsgröße in einem Regelkreis (Positions-, Geschwindigkeits-Drehzahlregelkreis) verwendet wird.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der I-Anteil des PLL-Reglers digital ausgeführt und über einen Digital-Analogwandler zugeführt ist.