DK173344B1 - Fremgangsmåde og kredsløbsindretning til frembringelse af information om omdrejningstal og drejningsvinkel - Google Patents

Description

DK 173344 B1

Opfindelsen vedrører en fremgangsmåde samt en kredsløbsindretning til frembringelse af digital omdrejningstal- og drejningsvinkelinformation ved hjælp af en funktionsomdrejningssignalgiver i overensstemmelse med amplitudemodulationsprincippet, i overensstemmelse med hvilket en bærefrekvenssvingning 5 amplitudemoduleres sinus- eller kosinusformet, og ved hvilket et deraf dannet sinussignal og et kosinusslgnal tilføres de indbyrdes forskudte statorviklinger i omdrejningssignalgiveren, hvorved omdrejningssignalgiverens rotorvikling afgiver et omdrejningssignal, fra hvilket der ved ampiitudemæsslg vurdering kan udledes vinkelinformation.

10

Funktionsomdrejningssignalgivere, såsom omsættere eller synkrongivere, er robuste signalgivere, ved hjælp af hvilke der kan frembringes såvel omdrejningstal- som drejningsvinkelinformation. Der er fundamentalt to muligheder for at vurdere signalerne fra en funktionsomdrejningssignalgiver. I overensstemmelse med den ene mulighed udnyttes 15 Dopplervirkningen ved fase- og/eller frekvensmæssig vurdering af signalerne.

Dopplervirkningen opstår ved addition af en referencefrekvens med omdrejningssignalgiverens rotorfrekvens. Frekvensforskellen mellem referencefrekvensen og omdrejningssignalgiverens signalfrekvens er et mål for omdrejningssignalgiverens omdrejningstal. Faseforskydningen mellem omdrejningstalsignalet og referencesignalet 20 udgør i denne forbindelse en afbildning af den mekaniske rotorvinkel. En ulempe ved den fasemæssige vurdering til udledning af drejningsvinkelinformationen er temperaturafhængigheden for omdrejningssignalgiverens tidskonstant, der fremkalder en fasefejl, og en stor støjfølsomhed, der kun tillader korte signalgivertilledninger.

25 I overensstemmelse med den anden mulighed kan drejningsvinkelinformationen frembringes ved amplitudemæssig vurdering af signalet fra omdrejningssignalgiveren, idet der udnyttes interferenser. Opfindelsen vedrører denne type teknik, idet tilsvarende amplitudemæssige omdrejningssignalgivervurderinger kendes fra US 3.720.866 og DE-OS 36 19 285. Ved amplitudemæssig vurdering af omdrejningssignalgiveren elimineres 30 de ovenfor beskrevne ulemper. I overensstemmelse med de kendte amplitudefremgangsmåder frembringes imidlertid kun drejningsvinkelinformationen fra amplitudeforholdet mellem sinus- og kosinusformede modulerede bærefrekvenssignaler. 1 t overensstemmelse med den i US 3.720.866 beskrevne fremgangsmåde kan der med 35 tilstrækkelig god opløsning og nøjagtighed beregnes drejningsvinkelen for en DK 173344 B1 2 synkronmotor ved hjælp af en digitalprocessor. Hvis man imidlertid ud fra den digitale vinkelinformation skal udlede en digital omdrejningstalinformation, er dette kun delvis muligt. Dette vil man se af det efterfølgende taleksempel: 5 Der haves en vinkelopløsning på 14 bit (16.384 vinkelinkrementer eller -trin pr.

omdrejning). Det maksimale omdrejningstal, som skal tages i betragtning, udgør 3.000 omdr./min., og det er herefter spørgsmålet, hvilken mindste omdrejningstalopløsning, der kan opnås med en måletidsforsinkelse på 0,1 ms.

10 Frekvensen af eller antallet af vinkelinkrementer pr. sekund udgør: 3000x16.384 f =---=819.200 Hz 60s 15

Antallet af vinkelinkrementer pr. måleforsinkelsestid er z = fxT, = 819,2kHzxO,1 ms = 81,92 20 Følgelig ændrer vinkelen sig ved maksimalt omdrejningstal for omdrejningssignalgiveren til trods for den store vinkelopløsning kun med ca. 82 inkrementer pr. måleforsinkelsestid.

For den mindste omdrejningstalopløsning skal der mindst optræde ét vinkelinkrement pr. måleforsinkelsestid, hvorfor den mindste omdrejningstalopløsning udgør: 25 nmax 3.000 min'1 nmin = —— =---= 36,6 min-1 z 81,92

Det opnåelige omdrejningstaljusteringsområde på 82 er helt utilstrækkeligt i forbindelse 30 med moderne servodrivteknik. For at opnå et større justeringsområde, skal måleforsinkelsestiden tilsvarende forlænges. Dette er igen kun muligt med en indskrænkning i drivreguleringens dynamik eller ved lave omdrejningstal i en rolig og stabil drift. Til meget reaktionshurtige servodrivindretninger kan der ikke ske en forlængelse af måleforsinkelsestiden. I overensstemmelse med den i DE-OS 36 19 285 35 beskrevne fremgangsmåde opnås der et meget udmærket analogt omdrejningstalsignal DK 173344 B1 3 for en funktionsomdrejningssignalgiver. Hvis man imidlertid fra dette analoge omdrejningssignal ved hjælp af en analog-digital omsætter frembringer en digital omdrejningstalværdi, begrænser offset- og driftsfænomener omdrejningstalreguleringsområdet for styringen og nøjagtigheden betydeligt.

5

Opfindelsen har således til formål i forbindelse med en fremgangsmåde og en kredsløbsindretning af den indledningsvis angivne art ud fra omdrejningssignalgiveren at tilvejebringe en omdrejningstalværdi med stor opløsning og uden offset i løbet af en meget kort måleforsinkelsestid.

10

Dette formål opnås med en fremgangsmåde af den indledningsvis angivne art, hvilken fremgangsmåde i overensstemmelse med opfindelsen er ejendommelig ved, at det modtagne signal fra omdrejningssignalgiveren omsættes digitalt og ved fortegnsskift demoduleres, at det demodulerede signal reguleres til nul ved hjælp af en 15 reguleringsalgoritme, at der frembringes et digitalt omdrejningstalord ω ud fra signalets amplitude ved hjælp af reguleringsalgoritmen, og at derved numerisk integration af omdrejningstalværdien frembringes et vinkelord <p, ved hjælp af hvilket den vinkelfunktionsformede amplitudemodulation af bærebølgen samtidigt foretages.

Det ovenfor angivne formål opnås endvidere med en kredsløbsindretning, i hvilken den 20 digitale omsætning af signalet fra omdrejningssignalgiveren, beregning af omdrejningstalværdien og dannelsen af vinkelværdien foretages ved numerisk integration, og i hvilken frembringelsen af bærefrekvensen og modulationen af bæresvingningen foretages ved hjælp af en mikroprocessor med et konstant værdilager. 1 2 3 4 5 6

Den specielle fordel ved opfindelsen består i, at der ud fra omdrejningssignalgiverens 2 signal umiddelbart frembringes en digital omdrejningstalinformation, ud fra hvilken 3 vinkelinformationen derefter kan udledes. Den digitale omdrejningstalværdi udvindes 4 således ikke fra den digitale vinkelinformation, da selv informationsindholdet i en meget 5 stor vinkelopløsning ikke er tilstrækkelig til at frembringe en omdrejningstalinformation 6 med stor opløsning inden for en meget kort måleforsinkelsestid. I overensstemmelse med opfindelsen løses opgaven modsat, idet der ud fra signalet fra omdrejningssignalgiveren udledes en omdrejningstalværdi med stor opløsning og lille offset i løbet af en meget kort måletidsforsinkelse.

DK 173344 B1 4

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret under henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 viser et kredsløbsdiagram for signalbehandlingen i forbindelse med en 5 funktionsdrejningssignalgiver (i det følgende benævnt en "resolver"), fig. 2 et rotordiagram for signalbehandlingen i forbindelse med en resolver ved brug af en mikroprocessor, og 10 fig. 3 et program til den i fig. 2 viste mikroprocessor.

Fig. 1 viser detaljeret en reguleringsindretning med en resolver 1, hvis statorviklinger, der er indbyrdes elektrisk forskudt i en vinkel på 90°, og hvis rotorvikling er indkoblet i et reguleringskredsløb. Resolveren 1's statorviklinger tilføres sinusformede signaler 15 (sinussignaler) og kosinusformede signaler (kosinussignaler) fra en vinkelfunktionskreds 5, hvilket signal udledes fra et vinkelsignal. I modulationskredsløb 6 og 7 moduleres sinus- og kosinussignaleme ved periodisk omkobling med en firkantformet bærebølge, der genereres af en oscillator. Som følge af den mekanisk og elektrisk forskudte placering af resolverviklingeme frembringes der af resolveren 1's rotorvikling et 20 omdrejningsgiversignal, der svarer til sinus af vinkeldifferensen mellem vinkelfunktionskredsen 5 givende vinkel φ og den mekaniske drejningsvinkel α for resolveren 1.

Da omdrejningssignalgiverens signal stadig indeholder bærefrekvensen, bliver det igen 25 demoduleret i en demodulator 2 ved fortegnsskift. Det af demodulatoren frembragte signal sinus (φ - α) tilføres indgangen på en regulator 3, hvis opgave består i at regulere signalet sinus (φ - a) til 0. Når signalet sinus (φ - α) er = 0, svarer vinkelen φ til den mekaniske drejningsvinkei α. 1 2 3 4 5 6

Vinkelen φ dannes i en integrator 4, der er forbundet til udgangen ω på regulatoren 3, idet 2 vinkelen φ opstår ved integration af udgangssignalet ω fra regulatorudgangen. Den 3 mekaniske drejningsvinkel α svarer til integralet af resolveren 1's mekaniske 4 omdrejningstal n, og følgelig forestiller regulatorudgangssignalet ω fra regulatoren 3 det 5 mekaniske omdrejningstal n. Tilsvarende kan vinkelen φ udtages fra integratoren 4's 6 udgang.

DK 173344 B1 5 l fig. 2 er vist en kredsløbsindretning, med hvilken den ovenfor beskrevne regulering kan foretages.

Det fra resolveren 1's rotorvikling afgivne signal tilføres via en forstærker 2 en analog-5 digital omsætterindgang ANO på en mikroprocessor 3. Mikroprocessoren 3 beregner ved hjælp af en reguieringsalgoritme en omdrejningstalværdi ω, der afgives via et mellemlager 15. Ved integration af den omdrejningstalværdi ω, som repræsenterer omdrejningstalstørrelsen, beregnes vinkelen φ, idet denne værdi afgives via et mellemlager 16. Fra et program- og datalager 5 modtager mikroprocessoren 3 sinus- og 10 kosinusværdier for vinkelen <p, og afgiver disse serielt bit for bit til en digital- analogomsætter 6. Sinus- og kosinusværdieme lagres i løbet af tidsperioden svarende til en halvperiode af bærefrekvensen analogt i kondensatorer 11 og 12. Modulationen med bærefrekvensen udfører mikroprocessoren 3 ved fortegnsskift ved hjælp af en analogomkobler 8. Via forstærkere 13 og 14 afgives de modulerede sinus- og 15 kosinussignaler til resolveren 1's statorviklinger.

I fig. 3 er vist et programforløb for mikroprocessoren. Programmet udføres i løbet af en halvperiode af bærefrekvensen. Beregning og modulation synkroniseres fra mikroprocessoren.

20

Ved den for opfindelsen karakteristiske udformning af reguleringsindretningen og den direkte analoge-digitale omsætning af omdrejningssignalgiverens signal kræves der kun en AD-omsætter med lille opløsning til frembringelse af en omdrejningstalværdi med stor opløsning. Ganske vist optræder offset i AD-omsætteren som fejl i vinkelstørrelsen φ, 25 men omdrejningstalstørrelsen ω er imidlertid uden offset. En fejl i omdrejningstalstørrelsen ω ville føre til en integrationsfejl i vinkelfejlen, hvilket ville blive detekteret og udkompenseret af regulatoren.

Da AD-omsætteren kun skal omsætte sinus af vinkelafvigelsen (φ · α), behøver 30 opløsningsområdet kun at udgøre en brøkdel af en samlet omdrejning på 360° af omdrejningssignalgiveren og kun at tage hensyn til den dynamisk maksimalt forekommende reguleringsafvigelse. Med en optimeret reguleringsalgoritme forbliver reguleringsafvigelsen (φ - α) mindre end 1° ved selv store accelerationer på 20.000 rad s’2. Som følge af det mindre, krævede opløsningsområde er en intem 8 bit AD-35 omsætter i en kommercielt tilgængelig mikroprocessor helt tilstrækkelig til frembringelse DK 173344 B1 6 af en 16 bit omdrejningstalværdi. Da der kun opstår meget små vinkelafvigelser, kan sinus af vinkelafvigelsen med meget god tilnærmelse sættes lig med vinkelafvigelsen (φ - α s* sin (φ - a)). Der kan herved på meget simpel måde ske interpolation af vinkelafvigelser, som er mindre end vinkelopløsningen for bærefrekvensmodulationen. Denne information 5 fra interpolationen går tabt ved frembringelse af en 16 bit omdrejningstalværdi ω, hvis omdrejningstallet ω frembringes ud fra vinkelen φ.

Til frembringelse af en 16 bit omdrejningstalværdi er en 90° sinustabel lagret i et datalager 5 med en 12 bit bredde tilstrækkeligt til modulation af bærefrekvensen. Herved opnås en 10 14 bit vinkelopløsning for modulationen for en 360° omdrejning. For den amplitudemæssige modulation af bærefrekvensen vælges en 12 bit digital-analogomsætter.

Følgende data opnås med en kredsløbsindretning ifølge opfindelsen ved brug af en 15 kommercielt tilgængelig 8 bit mikroprocessor med en 12 MHz klok- eller urfrekvens: Bærefrekvens 6,25 kHz Måleforsinkelsestid 80 ps

Maksimalt omdrejningstal >6000 omdr./min.

20 Vinkelopløsning 14 bit (16.384 vinkeltrin eller vinkelinkrementer pr. omdrejning)

Omdrejningstalopløsning 16 bit (65.536 omdrejningstalinkrementer eller trin)

Resulterende omdrejningstal· 25 reguleringsområde >30.000.

Denne høje omdrejningstalopløsning er forbundet med en meget kort måletidsforsinkelse opnås ikke med nogen hidtil kendt fremgangsmåde. En anden fordel ved kredsløbsindretningen ifølge opfindelsen er det lille antal komponenter, der kræves til 30 kredsløbsindretningen.

Da der kun kræves en AD- og DA-omsætter med lille opløsningen, kan kredsløbsindretningen desuden frembringes billigt.

DK 173344 B1 7

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er anvendelig i forbindelse med såvel en resolver som en synkronmotor. Ved den vinkelfunktionsmæsslge amplitudemodulation er kun den aktuelle geometriske placering af viklingerne af betydning.

5 Med større bærefrekvenser ogen 16 bit mikroprocessor kan der opnås endnu bedre måleforsinkelsestid og opløsning.

Claims (2)

1. Fremgangsmåde til frembringelse af digital omdrejningstal- og drejningsvinkelinformation ved hjælp af en funktionsomdrejningssignalgiver i 5 overensstemmelse med amplitudemodulationsprincippet, i overensstemmelse med hvilket en bærefrekvenssvingning amplitudemoduleres sinus- og kosinusformet, idet et heraf dannet sinussignal og et kosinussignal tilfører indbyrdes forskudte statorviklinger i omdrejningssignalgiveren, idet omdrejningssignalgiverens rotorvikling afgiveret signal, fra hvilket der ved amplitudemæssig vurdering kan udledes vinkelinformationen, 10 kendetegnet ved, at det modtagne signal fra omdrejningssignalgiveren omsættes digitalt og ved fortegnsskift demoduleres, at det demodulerede signal reguleres til nul ved hjælp af en reguleringsalgoritme, at der frembringes et digitalt omdrejningstalord ω ud fra signalets amplitude ved hjælp af reguleringsalgoritmen, og at der ved numerisk integration af 15 omdrejningstalværdien frembringes et vinkelord q>, ved hjælp af hvilket den vinkelfunktionsformede amplitudemodulation af bærebølgen samtidigt foretages.

2. Kredsløbsindretning til udøvelse af fremgangsmåden ifølge krav 1 og med en funktionsomdrejningssignalgiver, der har indbyrdes forskudte statorviklinger og en 20 rotorvikling, idet statorviklingeme tilføres sinus- eller kosinusformede amplitudemodulerede bærefrekvenssignaler, og idet der fra rotorviklingen frembringes et signal for omdrejningssignalgiveren, kendetegnet ved, at signalet fra omdrejningssignalgiveren tilføres en indgang på en analog-digitalomsætter i en mikroprocessor (3), der demodulerer signalet fra 25 omdrejningssignalgiveren ved fortegnsskift og ud fra dette ved hjælp af en reguleringsalgoritme regulerer det demodulerede signal til nul og frembringer omdrejningstalværdien ω og yderligere ved numerisk integration frembringer vinkelordet φ, idet mikroprocessoren (3) modtager de tilsvarende sinus- og kosinusværdier fra et konstant værdilager (5) og derved modulerer bærefrekvenssvlngningeme, der afgives til 30 funktionsomdrejnlngssignalgiverens (1) statorviklinger.