DE2736418B1

DE2736418B1 - Anordnung zur Ermittlung der Drehzahl,des Drehwinkels und der Drehrichtung von Maschinenwellen

Info

Publication number: DE2736418B1
Application number: DE2736418A
Authority: DE
Inventors: Roland Ing Bruestle; Josef Dipl-Ing Parlesak
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-12
Filing date: 1977-08-12
Publication date: 1978-12-21
Also published as: ATA581978A; SE7808407L; AT363148B; GB2002898A; GB2002898B; CH634925A5; DE2736418C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der Drehzahl, des Drehwinkels und der Drehrichtung von Maschinenwellen mittels eines mit der Maschinenwelle gekuppelten, zwei gegeneinander versetzte Impulsfolgen liefernden optoelektronischen Impulsgebers mit nachgeschalteter Impulsformerstufe und mit einem ein Drehrichtungssignal abgebenden Diskriminator.

Eine derartige Anordnung ist aus der britischen Patentschrift 6 89 107 bekannt

In einer bekannten Schaltungsanordnung zur Korrektur der Ausgangsspannung eines Tachogenerators werden die drehzahlproportionalen Impulse eines mit dem Tachogenerator gekuppelten Impulsgebers in Impulse mit konstanter Spannungszeitfläche umgeformt Hierzu ist ein Schaltglied vorgesehen, das während einer vorgegebenen Zeitspanne innerhalb einer Periode der drehzahlproportionalen Impulsfolge einen an eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen Schalter im Takt der Impulse betätigt (DE-PS 23 24 824).

Für die Regelung der Drehzahl von Antrieben und für die Wegregelung wird der Istwert der Drehzahl und der Istwert des Drehwinkels der Antriebswelle benötigt Hierfür wurden bisher ein Tachogenerator zur Lieferung eines analogen, der Drehzahl proportionalen und ein Impulsgeber zur Lieferung eines digitalen, dem Drehwinkel proportionalen Istwertes eingesetzt Für jeden der beiden Geber ist eine elektronische Schaltung erforderlich. Tachogeneratoren haben zwar ein dynamisch günstiges Verhalten» erfassen einen großen Drehzahlbereich und geben die Drehrichtung an, unterliegen jedoch dem Verschleiß und erfordern eine mechanische Verbindung mit der Antriebswelle. FQr hohe Genauigkeit müssen Tachogeneratoren in Sonderausführung verwendet werden.

Ausgehend von dem eingangs erwähnten optoelektronischen Impulsgeber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die für Regelzwecke benötigten analogen und digitalen, der Drehzahl proportionalen Größen aus den vom Impulsgeber gelieferten Impulsfolgen abzuleiten und dadurch den bisher üblichen Tachogenerator ohne Einbuße seiner günstigen Eigenschaften einzusparen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß die Impulsformerstufe über einen Frequenzumsetzer und eine Umformeinrichtung, die die Impulse mindestens einer der beiden Impulsfolgen in Impulse konstanter Spannungszeitfläche umformt an einen ein analoges, der Drehzahl proportionales Ausgangssignal erzeugenden Filterkreis angeschlossen ist und daß aus einer der beiden Impulsfolgen der relative und in Verbindung mit einem weiteren, vom Impulsgeber je Umdrehung gelieferten Impuls der absolute Drehwinkel bestimmbar sind.

Da optoelektronische Impulsgeber im Vergleich zu auf magnetischer Basis arbeitenden Impulsgebern Impulsfolgen hoher Frequenzen liefern können, Htt sich mit der Anordnung ein analoges, der Drehzahl proportionales Signal erzeugen, mit dem ein wesentiefe

größerer Drehzahlbereich als mit einem Tachogenerator erfaßt werden kann. Mit Hilfe des Frequenzumsetzers ist es möglich, das analoge Signal bei hoher Drehzahl aus Impulsfolgen niedriger Frequenz und bei niedriger Drehzahl aus Impulsfolgen hoher Frequenz zu s bilden. Dadurch wird die Meßgenauigkeit insbesondere bei niedrigen Drehzahlen im Vergleich zu Tachogeneratoren ohne weiteren Aufwand erhöht. Die dynamischen Eigenschaften der Anordnung entsprechen denen der Tachogeneratoren.

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert

Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur analogen Bildung von Impulsen konstanter Spannungszeitfläche,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur digitalen Bildung von Impulsen konstanter Spannungszeitfläche.

Gemäß F i g. 1 ist ein mit der Arbeitswelle eines Antriebes gekuppelter optoelektronischer Impulsgeber 1 vorgesehen, der in bekannter Weise zwei gegeneinander versetzte Impulsfolgen hoher Frequenz, z.B. 200 kHz bei der höchsten Drehzahl der Antriebswelle, und zusätzlich je Umdrehung einen Justierimpuls liefert. An den Impulsgeber ist eine Impulsformerstufe 2 angeschlossen, deren Ausgänge mit Ausnahme des den Justierimpuls liefernden Ausganges mit den Eingängen eines Frequenzumsetzers 3 und eines Drehrichtungs-Diskriminator 4 verbunden sind. Der Frequenzumsetzer untersetzt oder vervielfacht mindestens eine der beiden Impulsfolgen, beispielsweise im Verhältnis 1 :8. Die vom Impulsgeber vorgegebene Impulsfolgefrequenz ist zusätzlich über einen Ausgang des Frequenz-Umsetzers einem Steuerwerk 5 zugeführt, das mit Hilfe eines Zeitgliedes die zeitliche Aufeinanderfolge der Impulse überwacht und beispielsweise bei 12% der maximalen Drehzahl einen im Frequenzumsetzer angeordneten Schalter 6 von der untersetzten auf die volle Frequenz oder umgekehrt umschaltet Die vom Umschalter angewählte Impulsfolgefrequenz betätigt ein elektronisches Schaltglied 7, das im Takt der Impulse eine Gleichspannung LW an den Eingang eines in einer Umformeinrichtung 8 angeordneten Verstärken (Kornparators) 9 mit hohem Verstärkungsfaktor anlegt Dem Verstärker ist ein Integrator 10 nachgeschaltet, der die Spannungszeitfläche der Ausgangsimpulse des Verstärkers mißt und dessen integrierte Spannung an einen zweiten Eingang des Verstärkers als Vergleichsspan- so nung zurückgeführt ist Die dadurch am Ausgang des Verstärken erzeugten Impulse konstanter Spannungszeitfläche sind einem Verstärker 11 zugeführt Der Aufbau der Umformeinrichtung bietet den Vorteil, daß durch den Komparator hervorgerufene Verzögerungen vom Integrator ausgeglichen werden.

Damit die Spannungszeitfläche der Impulse unabhängig von der durch das Steuerwerk angewählten Impulsfolgefrequenz erhalten bleibt, wird der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 11 gleichzeitig mit der < <o Betätigung des Umschalten 6 vom Steuerwerk 5 umgeschaltet, dh, die Amplitude der Impulse wird geändert, so daß der Mittelwert des Signais, das am Ausgang eines dem Ventärker 11 nachgeschalteten Filtere 12 höherer Ordnung im Zeitpunkt der Umschal- >■>> tung gleich groß bleibt An den Filter 12 ist eine Vorrichtung 13 angeschlossen, der zur Betätigung eines die Polarität des analogen Ausgangssignals des Filten umschaltenden Schalters 14 ein von der Drehrichtung des Antriebes abhängiges Signal des Drehrichtungsdiskriminators 4 zugeführt ist. Für die Umkehrung der Polarität enthält die Vorrichtung 13 einen Verstärker 30.

Ein weiterer Frequenzuntersetzer 15 bildet aus der vollen Impulsfolgefrequenz ein digitales, für die Positionierung oder Wegerfassung auswertbares Signal. Dieses dem relativen Drehwinkel entsprechende Signal kann in Verbindung mit dem Justierimpuls zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels verwendet werden.

Am Ausgang 16 der Anordnung steht somit ein analoges Signal als Drehzahlistwert am Ausgang 17 ein die Drehrichtung anzeigendes Signal, am Ausgang 18 die Justierimpulsfolge und am Ausgang 19 eine Impulsfolge als Wegistwert an.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 2 sind die der F i g. 1 entsprechenden Teile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. An Stelle des zweistufigen Umsetzen ist hier ein beispielsweise fünfstufiger Frequenzumsetzer 20 verwendet, dessen Impulsfolgefrequenzen im Verhältnis 1:2:4:8:16 abgestuft und von einem Steuerwerk 21 über einen Umschalter 22 anwählbar sind. Die Anzahl der Stufen und das Umsetzverhältnis sind so gewählt daß die obere Grenzfrequenz jeder Stufe der optimalen Arbeitsfrequenz der elektronischen Bauelemente entspricht, während die untere Grenzfrequenz jeweils durch das dynamische Verhalten des Ausgangssignals des Gebers 1 bestimmt wird. Zeitstufen im Steuerwerk 21 überwachen über die an dem Eingang

23 angeschlossene Leitung den zeitlichen Abstand zwischen den Impulsen, deren Frequenz der Drehzahl proportional ist. Wird der zeitliche Abstand größer als der maximale Abstand, der der unteren Grenzfrequenz der jeweiligen Stufe entspricht dann schaltet das Steuerwerk auf die Stufe der nächsthöheren Frequenz um. Untenchreitet der zeitliche Abstand den der oberen Frequenzgrenze entsprechenden Minimalwert so wird auf die nächstniedrigere Stufe umgeschaltet Im Zeitpunkt der Umschaltung von einer Stufe des Frequenzumsetzers auf die nächste, muß die mittlere Spannungszeitfläche der Impulse konstant bleiben. Im Gegensatz zu der analogen Bildung nach F i g. 1 wird im Ausführungsbeispiel nach Fig.2 nicht die Amplitude, sondern die Zeitdauer (Breite) der Impulse geändert Die Bildung der Impulse mit konstanter Spannungszeitfläche übernehmen eine Umformeinrichtung 24, die einen mehrstufigen, an einen hochgenauen Oszillator 26 angeschlossenen Zähler 27 und eine elektronische Schaltvorrichtung 28 enthält und eine Verstärkerstufe 25, deren Verstärker 29 mittels des Schaltgliedes 7 an eine Referenzgleichspannung U_nr anschließbar ist Die Zeitdauer der Impulse wird in der Umformeinrichtung

24 mit Hilfe des Zählen 27 festgelegt der jeweils von Null bis zu dem Zählerstand, der der vom Steuerwerk über den Schalter 28 angewählten Zählerstufe entspricht ein »1 «-Signal ausgibt Jeder Ausgangsimpuls des Frequenzumsetzen setzt den Zähler auf Null zurück. Damit ist die Breite der Impulse am Zählerausgang dem Umsetzverhältnis des Frequenzumsetzen proportional.

Die Ausgangsimpulse des Zählen betätigen das Schaltglied 7, so daß die Referenzgleichspannung U_n/ im Takt der Impulse an den Ventärker 29 gelegt wird und am Ausgang der Verstärkerstufe 25 eine Folge von Impulsen entsteht deren Spannungszeitfläche der jeweiligen Drehzahl der Maschinenwelle proportional ist

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Ermittlung der Drehzahl, des Drehwinkels und der Drehrichtung von Maschinen- s wellen mittels eines mit der Maschinenwelle gekuppelten, zwei gegeneinander versetzte Impulsfolgen liefernden optoelektronischen Impulsgebers mit nachgeschalteter Impulsformerstufe und mit einem ein Drehrichtungssignal abgebenden Diskri- to minator, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsformerstufe (2) über einen Frequenzumsetzer (3; 20) und eine Umformeinrichtung (8; 24, 25), die die Impulse mindestens einer der beiden Impulsfolgen in Impulse konstanter Spannungszeitfläche umformt, an einen ein analoges, der Drehzahl proportionales Ausgangssignal erzeugenden Filterkreis (12) angeschlossen ist und daß aus einer der beiden Impulsfolgen der relative und in Verbindung mit einem weiteren, vom Impulsgeber (1) je Umdrehung gelieferten Impuls der absolute Drehwinkel bestimmbar ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumsetzer (3; 20) mit mehreren die Frequenz der Impulsfolge vervielfachenden oder untersetzenden Stufen ausgeführt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Stufen des Frequenzumsetzers (3; 20) ein Umschalter (6,22) zugeordnet ist, der durch ein Steuerwerk (5; 21) in Abhängigkeit von dem zeitlichen Abstand zwischen den Impulsen betätigbar ist

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß die Umformeinrichtung (8) aus einem Komparator (9) und einem diesem nachgeschalteten Integrator (10) besteht dessen Ausgang auf einen ersten Eingang des !Comparators zurückgeführt ist an dessen zweiten Eingang eine Gleichspannung (Und mittels eines im Takt der Ausgangsimpulse des Frequenzumsetzers (3) betä- «ο tigten elektronischen Schaltgliedes (7) anschließbar ist

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß zwischen der Umformeinrichtung (8) und dem Filterkreis (12) ein Verstärker (U) angeordnet ist dessen Verstärkungsfaktor vom Steuerwerk (5) in Abhängigkeit von der angewählten Stufe des Frequenzumsetzers (3) umschaltbar ist

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß die Umformeinrichtung aus so einem an einen Oszillator (26) angeschlossenen Zähler (27) mit einer nachgeschalteten, vom Steuerwerk (21) gleichzeitig mit dem Umschalter (22) betätigbaren elektronischen Schaltvorrichtung (28) und einer Verstärkerstufe (25) besteht die einen Verstärker (29) und ein diesem vorgeschaltetes Schaltglied (7) enthält das im Takt der Ausgangssignale des Zählers eine Gleichspannung (U_n^ an den Eingang des Verstärkers schaltet

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden t>o Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß an den Filterkreis (12) eine die Polarität festlegende Vorrichtung (13) angeschlossen ist der das Ausgangssignal des Drehrichtungsdiskriminators (4) zugeführt ist *>5

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß aus den vom Impulsgeber (1) gelieferten Impulsen in einem weiteren Frequenzuntersetzer (15) dem relativen Drehwinkel entsprechende, wegproportionale Impulse abgeleitet sind

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß der Filterkreis (12) aus einem Filter zweiter oder höherer Ordnung besteht