DD268782A1

DD268782A1 - Elektronische einrichtung zur digitalen messung der drehzahl

Info

Publication number: DD268782A1
Application number: DD31304888A
Authority: DD
Inventors: Ulrich Beckert; Wolfram Neuber
Original assignee: Freiberg Bergakademie
Priority date: 1988-02-22
Filing date: 1988-02-22
Publication date: 1989-06-07

Abstract

Fuer Messaufgaben in der Antriebstechnik wird eine elektronische Einrichtung zur digitalen Messung der Drehzahl angegeben. Das Ziel der Erfindung ist es, bei Verwendung eines einfachen Impulsgebers das Aufloesungsvermoegen und die Genauigkeit der Messung zu verbessern. Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch geloest, dass die Drehzahlmesseinrichtung ausser einem Impulsgeber und einem Vergleichsfrequenzgenerator eine digitale Schaltungsanordnung enthaelt, an die ein Zaehler mit Speicher und Anzeigeeinheit angeschlossen ist. Mit der digitalen Schaltungsanordnung wird in einem ersten Schritt die Drehperiodendauer bestimmt. In einem zweiten Schritt wird eine Vergleichsfrequenz durch das der Drehperiodendauer proportionale Zaehlergebnis geteilt. Eine Impulsfolge mit dieser geteilten Vergleichsfrequenz wird waehrend einer konstanten Messzeit in den an die digitale Schaltung angeschlossenen Zaehler eingezaehlt. Sein Zaehlergebnis entspricht direkt der Drehzahl.

Description

Charakteristik des Standes der Technik

Jede digitale Drehzahlmeßeinrichtung besteht aus einem Impulsgeber mit der Inkrementezahl p, der eine der Drehzahl η proportionale Impulsfrequenz

f=pn (1)

erzeugt, und aus einer Auswerteschaltung zur Messung bzw. Umsetzung des drehzahlproportionalen Impulsfolgefrequenz in ein kodiertes Signal. Dabei sind grundsätzlich zwei Verfahren, die Frequenzzählmessung und die Periodendauermessung, möglich (Schönfeld, R.; Habiger, E.: Automatisierte Elektroantriebe, Berlin 1981). Bei der Frequenzzählmessung wird die während einer bestimmten Meßzeit tM vom Impulsgeber gelieferte Impulsmenge

wobei T = 1/f ist, in einen Zähler eingezahlt. Die Meßzeit tM wird dabei üblicherweise durch Frequenzteilung als ganzzahliges Vielfaches k der Periodendauer T_v = 1 /f» der konstanten Vergleichsfrequenz f_v eines Frequenzgenerators gewonnen:

t_M = k-T_v = -£- (3)

Z₁ ist somit ein unmittelbares Maß für die Drehzahl:

_{Zi f n (4)}

Iy Iy

Für den relativen Fehler der Frequenzzählmessung gilt:

δ = —-! (5)

tM P · η

Bei der Periodendauermessung wird umgekehrt während einer Meßzeit, die ein ganzzahliges Vielfaches k der Periodendauer T der drehzahlproportionalen Frequenz f ist,

t_M - k · T · (6)

die von einem Vergleichsfrequenzgenerator gelieferte Impulsmenge

•v

*2 Η

f ρ · η

in einen Zähler eingezählt. Z₂ ist somit der Drehzahl indirekt proportional.

Für den relativen Fehler der Periodendauermessung gilt (schon ρ = 1 vorausgesetzt):

(7)

k-fv

(8)

Die Frequenzzählmessung hat den Nachteil, daß im unteren Drehzahlbereich, bedingt durch relativ kleine Zählergebnisse (s. Gl. [4]), ein großer Quantisierungsfehler auftritt.

Dieser Quantisierungsfehler läßt sich zwar, wie Gl. (5) zeigt, sowohl durch eine Vergrößerung der Meßzeit t_M als auch durch die Benutzung eines Impulsgebers mit hoher Inkrementezahl ρ verringern. Jedoch führt eine Vergrößerung der Meßzeit zu einer Verminderung der Grenzfrequenz

U <⁹⁾

der digitalen Drehzahlmessung und bereitet die ordnungsgemäße Ankopplung eines Impulsgebers mit hoher Inkrementzahl besonders bei betrieblichen Messungen große Schwierigkeiten.

Die Periodendauermessung hat den Nachteil, daß das Zählergebnis der Drehzahl nur indirekt proportional ist. Eine Drehzahlmeßeinrichtung nach diesem Prinzip erfordert deshalb stots einen Mikrorechner zur Bildung des Kehrwertes des Zählergebnisses. Darüber hinaus hat die Periodendauermessung den Nachteil, daß im oberen Drehzahlbereich ein großer Quantisierungsfehler auftritt. Dieser Quantisierungsfehler läßt sich, wie Gl. (8) zeigt, sowohl durch eine Vergrößerung der Anzahl k der ausgezählten Perioden als auch durch eine Vergrößerung der Vergleichsfrequenz f„ verringern. Es sind Lösungen bekannt (DE-AS 2635004), bei denen in Abhängigkeit vom erreichten Zählergebnis und gesteuert vom Mikrorechner entweder die Anzahl der ausgezählten Perioden oder die Vergleirhsfrequenz so verändert werden, daß das Zählergebnis in einen festen Auswertebereich fällt und der Quantisierungsfehler weitgehend konstant bleibt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Auflösungsvermögen und die Genauigkeit bei der digitalen Drehzahlmessung zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine digitale Drehzahlmeßeinrichtung zu schaffen, deren Ausgangssignal direkt der Drehzahl entspricht, die nur einen einfachen Impulsgeber mit einer Marke und — bei gleichem Q jantisierungsfehler — eine im Vergleich zur Frequenzzählmessung viel kürzere Meßzeit erfordert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die elektronische Einrichtung zur digitalen Messung der Drehzahl eine aus einem Zähler mit Speicher und digitalem Komparator, zwei dekadischen Johnson-Zählern mit dekodierten Ausgängen, einem dekadischen Frequenzteiler, einem AND/NOR-Auswahigatter, einem AND/OR-Auswahlgatter, visr NOR-Gattern, zwei Invertern und vier NAND-Gliedern bestehende digitale Schaltungsanordnung enthält, daß der erste Eingang dieser digitalen Schaltunganordnung am Impulsgeber und der zweite Eingang der digitalen Schaltunganordnung am Vergleichsfrequenzgenerator liegen, daß an den Ausgängen der digitalen Schaltunganordnung ein Zähler mit Speicher angeschlossen ist, und daß die Ausgänge dieses Zählers mit einer digitalen Anzeigeeinheit verbunden sind. Weitere Merkmale der digitalen Drehzahlmeßeinrichtung sind: Die vom Impulsgeber erzeugte drehfrequente Impulsfolge liegt am ersten Dateneingang des AND/NOR-Auswahlgatters und am ersten Eingang des zweiten NOR-Gatters, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des ersten NOR-Gatters verbunden ist. Der zweite Dateneingang des AND/NOR-Auswahlgatters ist mit dem Ausgang des zweiten Johnson-Zählers verbunden. Die vom Vergleichsfrequenzgenerator erzeugte Impulsfolge liegt am ersten Eingang dos dritten NOR-Gliedes, dessen zweiter Eingang ebenso wie die Rücksetzeingänge des dekadischen Frequenzteilers und des zweiten Johnson-Zählers am Ausgang des vierten NOR-Gliedes angeschlossen sind. Die beiden Eingänge des vierten NOR-Gliedes und die beiden Adreßeingänge des AND/OR-Auswahlgatters sind mit dem zweiten und dritten Ausgang des ersten Johnson-Zählers verbunden, dessen Zähleingang am Ausgang des AND/NOR-Auswahlgatters liegt. Der Rücksetzeingang des ersten Johnson-Zählers liegt an seinem vierten Ausgang. Der erste Adreßeingang des AND/NOR-Auswahlgatters liegt am Ausgang des zweiten NOR-Gliedes. Der zweite Adreßeingang des AND/NOR-Auswahlgatters und der Steuereingang für Speicherübernahme des Zählers mit Speicher und Komparator sind am dritten Ausgang des ersten Johnson-Zählers angeschlossen.

Der erste Dateneingang des AND/OR-Auswahlgatters liegt am zweiten Ausgang des dekadischen Frequenzteilers. Der zweite Dateneingang des AND/OR-Auswahlgatters und der Zähleingang des Frequenzteilers sind am Ausgang des dritten NOR-Gliedes angeschlossen. Am m-ten Ausgang des Frequenzteilers liegt der Zähleingang des zweiten Johnson-Zählers. Der Zähleingang des Zählers mit Speicher und Komparator liegt am Ausgang des AND/OR-Auswahlgatters. Am EQUAL-Ausgang des Komparators ist der zweite Eingang des ersten NAND-Gliedes angeschlossen, dessen erster Eingang über den ersten Inverter amzweiten Ausgang des ersten Johnson-Zählers liegt. Der Rücksetzeingang des Zählers mit Speicher und Komparator und der zweite Eingang des dritten NAND-Gliedes sind am Ausgang des zweiten NAND-Gliedes angeschlossen. Der erste Eingang des dritten NAND-Gliedes liegt am dritten Ausgang des ersten Johnson-Zählers. Die beiden Eingänge des ersten NOR-Gliedes sind mit dem ersten und zweiten Ausgang de.s ersten Johnson-Zählers verbunden. Am ersten Ausging des ersten Johnson-Zählers sind auch der zweite Inverter und der erste Eingang des vierten NAND-Gliedes angeschlossen, dessen zweiter Eingang über ein RC-Glied am Ausgang des zweiten Inverters liegt. Am Ausgang des zweiten Inverters ist auch der erste Eingang des zweiten NAND-Gliedes angeschlossen, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des ersten NAND-Gliedes verbunden ist. Der Zähleingang des an die digitale Schaltungsanordnung angeschlossenen Zählers mit Speicher ist mit dem Ausgang des dritten NAND-Gliedes verbunden, sein Steuereingang für die Speicherübernahme liegt am Ausgang des vierten NAND-Gliedes und der Rücksetzeingang des Zählers ist am zweiten Ausgang des ersten Johnson-Zählers angeschlossen. Mit der digitalen Schaltungsanordnung wird in einem ersten Schritt die Drehperiodendauer bestimmt, indem während der Zeitdauer zwischen zwei Impulsen der vom Impulsgeber abgegebenen Folge Impulse einer Folge mit der Frequenz

^f" = 77· ⁽¹⁰⁾

die durch Frequenzteilung aus der von einem Generator erzeugten Vergleichsfrequenz gewonnen wird ^; . den Zähler mit Speicher und Komparator eingezählt und das der Drehzahl indirekt proportionale Zählergebnis

M Mn

gespeichert wird.

Im zweiten Schritt wird eine Drehperiodendauer-Frequenzwandlung ausgeführt, indem Impulse der vom Vergleichsfrequenzgenerator abgegebenen Impulsfolge in den gleichen Zähler eingezählt, mit dem digitalen Komparator laufend der momentane Zählerstand Z₁ (t) mit dem im Speicher abgelegten Wert entsprechend Gl. (11) verglichen und bei Gleichheit der Zähler zurückgesetzt werden. Die am EQUAL-Ausgang abgegebene Impulsfolge hat somit die Frequenz

f =-A-= M-η (12)

In einem dritten Schritt werden während einer konstanten Meßzeit t_M, die durch Frequenzteilung aus der Vergleichsfrequenz abgeleitet wird

(13,

(wobei T_v = Vfy = Vergleichsperiodendauer),

Impulse diesor am EQUAL-Ausgang des Komparators abgegebenen Folge in den am Ausgang der digitalen Schaltungsanordnung betriebenen Zähler eingezählt. Dessen Zählergebnis

Z₂ *-. t_M · f = t_M · M · η (14)

entspricht bei geeigneter Wahl von f_v, M und N direkt der Drehzahl in Umdrehungen pro Minute

zj = n/_min-1, (15)

wird in den Speicher übernommen und angezeigt.

Die Abarbeitung der einzelnen Schritte steuert der erste Johnson-Zähler, der zustandsabhängig fortgeschaltet wird. Die mit der Erfindung gegenüber den bekannten Lösungen erzielten Vorteile bestehen vor allem darin, daß

— das Ausgangssignal der Drehzahlmeßeinrichtung direkt der Drehzahl entspricht,

— dabei keine Arithmetik-Logik-Einheit zur Umrechnung von Zählergebnissen in Drehzahlen benötigt wird,

— nur ein einfacher Impulsgeber mit einer Marke benötigt wird,

— bei gleichem Quantisierungsfehler die Meßzeit viel kürzer als bei der Frequenzzählmessung ist,

— zur Realisierung der digitalen Drehzahlmeßeinrichtung nur wenige Standardschaltkreise erforderlich sind und

— dadurch eine relativ billige Drehzahlmeßeinrichtung ermöglicht wird.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand folgender Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1: das Blockschaltbild der digitalen Drehzahlmeßeinrichtung und Figur 2: die digitale Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Impulsfolge mit vervielfachter Drehfrequenz.

Die Vorderflanke eines Impulses der vom Impulsgeber 1 abgegebenen Folge schaltet über das AND/NOR-Auswahlgatter 301 den Johnson-Zähler 302 aus seiner Ausgangsstellung auf die Stufe 2. Damit wird der dekadische Teiler 306 freigegeben undsein 10²-Ausgang durch das AND/OR-Auswahlgatter 309 auf den Eingang des Zählers mit Speicher und Komparator 310 durchgeschaltet. Außerdem wird der Zähler 4 rückgesetzt. Der Speicher des Zählers 310 übernimmt in der Schaltstellung 2 des Johnson-Zählers 302 fortwährend den momentanen Zählerstand.

Es werden solange did Impulse mit de,- Frequenz f_v/10² in den Zähler 310 eingezählt, bis die Vorderflanke des nächsten Impulse der vom Impulsgeber 1 abgegebenen Folge den Johnson-Zähler 302 über das AND/NOR-Auswahlgatter 301 auf die Stufe 3 schaltet. Mit diesem Umschalten werden der Frequenzteiler 306 und der Johnson-Zähler 307 zurückgesetzt und die Speicherübernahme des Zählers 310 beim Stand Z₁ unterbrochen. Der EQUAL-Ausgang des Komparators des Zählers 310 setzt auf Grund der Gleichheit von Zählerstand und Speicherinhalt des Zählers über die NAND-Gatter 312,313zurück. Die Impulse mit der Frequenz f_v des Vergleichsfrequenzgenerators 2 gelangen über das AND/OR-Auswahlgatter 309 direkt auf den Eingang des Zählers 310 und erhöhen den Zählerstand ohne Unterbrechung.

Jeweils bei Gleichheit zwischen dem momentanen und dem gespeicherten Zählerstand z, setzt der Komparator über seinen EQUAL-Ausgang und die NAND-Gatter 312,313 den Zähler 310 zurück. Nach dem Rücksetzen beginnt sofort ein neuer Zählvorgang. Dadurch entstehen am Ausgang des NAND-Gatters 314 Impulse mit der Frequenz P = f,/z₁₍ die im Zähler 4 summiert werden. Mit dem dekadischen Frequenzteiler 306 und dem Johnson-Zähler 307 wird die Torzeit für den Zähler 4 gebildet. Das Erscheinen des Signales am Ausgang des Johnson-Zählers 307 schaltet dor Johnson-Zähler 302 zurück in seine Ausgangsstellung. Dadurch wird die Übernahme des während der Torzeit erreichten Zählerstandes Z₂ des Zählers 4 in den zugehörigen Speicher über die Gatter 315,316 bewirkt und der Zähler 310 über die Gatter 313,315 zurückgesetzt. Der in den Speicher übernommene Zählerstand Z₂ wird durch die angeschlossene Anzeigeeinheit 5 angezeigt.

Claims

Elektronische Einrichtung zur digitalen Messung der Drehzahl mit einem Impulsgeher (1), der eine der Drehzahl proportionale Folge von Impulsen erzeugt, und einem Generator (2), der eins vergleichsfrequente Impulsfolge erzeugt, gekennzeichnet dadurch, daß eine aus einem Zähler im Speicher und digitalem Komparator (310), zwei dekadischen Johnson-Zähl6rn mit dekodierten Ausgängen (302,307), einem dekadischen Frequenzteiler (306), einem AND/NOR-Auswahlgatter (301), einem AND/OR-Auswahlgatter (309), vier NOR-Gattern (303,304,305,308), zwei Invertern (311,315) und vier NAND-Gattern (312,313,314,316) bestehende digitale Schaltungsanordnung (3) vorhanden ist, an deren ersten Eingang der Impulsgeber (1) und an deren zweiten Eingang der Vergleichsfrequenzgenerator (2) liegen und an deren Ausgängen ein Zähler mit Speicher (4) angeschlossen ist, dessen Ausgänge mit einer digitalen Anzeigeeinheit (5) verbunden sind, daß der Impulsgeber (1) am ersten Dateneingang des AND/NOR-Auswahlgatters (301) und am ersten Einjang des NOR-Gatters (304) liegt, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des NOR-Gatters (303) verbunden ist, daß der zweite Dateneingang des AND/NOR-Auswahlgatters (301) am Ausgang des Johnson-Zählers (307) angeschlossen ist, daß der Vergleichsfrequenzgenerator (2) am ersten Eingang des NOR-Gliedes (305) liegt, dessen zweiter Eingang ebenso wie die Rücksetzeingänge des Frequenzteilers (306) und des Johnson-Zählers (307) am Ausgang des NOR-Gliedes (308) angeschlossen sind, daß die beiden Eingänge des NOR-Gliedes (308) und die beiden Adreßeingänge des AND/OR-Auswahlgatters (309) mit dem zweiten und dritten Ausgang des Johnson-Zählers (302) verbunden sind, dessen Zähleingang am Ausgang des AND/NOR-Auswahlgatters (301) liegt und dessen Rücksetzeingang mit seinem vierten Ausgang verbunden ist, daß der erste Adreßeingang des AND/NOR-Auswahlgatters (301) am Ausgang des NOR-Gliedes (304) liegt, daß der zweite Adreßeingang des AND/NOR-Auswahlgatters (301), der Steuereingang für die Speicherübernahme des Zählers (310) und der erste Eingang des NAND-Gliedes (314) am dritten Ausgang des Johnson-Zählers (302) angeschlossen sind, daß der erste Dateneingang des AND/OR-Auswahlgatters (309) am zweiten Ausgang des Frequenzteilers (306) liegt, daß der zweite Dateneingang des AND/OR-Auswahlgatters (309) und der Zähleingang des Frequenzteilers (306) am Ausgang des NOR-Gliedes (305) angeschlossen sind, daß der Zähleingang des Johnson-Zählers (307) am m-ten Ausgang des Frequenzteilers (306) liegt, daß der Zähleingang des Zählers mit Speicher und Komparator (310) am Ausgang des AND/OR-Auswahlgatters (309) angeschlossen ist, daß am EQUAL-Ausgang des Komparators (310) der zweite Eingang des NAND-Gliedes (312) angeschlossen ist, dessen erster Eingang über den Inverter (311) am zweiten Ausgang des Johnson-Zählers (302) liegt, daß der Rücksetzeingang des Zählers (310) und der zweite Eingang des NAND-Gliedes (314) am Ausgang des NAND-Gliedes (313) angeschlossen sind, dessen erster Eingang am Ausgang des Inverters (315) und dessen zweiter Eingang am Ausgang des NAND-Gliedes (312) liegen, daß die beiden Eingänge des NOR-Gliedes (303) an den ersten und zweiten Ausgang des Johnson-Zählers (302) angeschlossen sind, daß am ersten Ausgang des Johnson-Zählers (302) auch der Eingang des Inverters (315) und der erste Eingang des NAND-Gliedes (316) liegen, dessen zweiter Eingang über ein RC-Glied mit dem Ausgang des Inverters (315) verbunden ist, daß der Zähleingang des an die digitale Schaltungsanordnung (3) angeschlossenen Zählers mit Speicher (4) am Ausgang des NAND-Gliedes (314) liegt, daß der Steuereingang für die Speicherübernahme des Zählers (4) am Ausgang des NAND-Gliedes (316) angeschlossen ist und daß der Rücksetzeingang des Zählers (4) mit dem zweiten Ausgang des Johnson-Zählers (302) verbunden ist.

Hierzu
2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Einrichtung zur digitalen Messung der Drehzahl eines umlaufenden Bauteils, insbesondere für Meß- und Überwachungsaufgaben in der Antriebstechnik.