DE3821938A1 - Verfahren und vorrichtung zur digitalen bestimmung einer der drehzahl eines koerpers proportionalen zahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Im Patent (Patentanmeldung P 37 09 305.9) ist ein Verfahren zur hochauf­ lösenden Drehzahlmessung beschrieben. Das Verfahren arbeitet mit einer kombinierten Frequenz- und Periodendauermessung. Auflösung und Genauigkeit hängen von einer hochfrequenten Referenzfrequenz ab, die von einem lokalen Quarzoszillator stammt.

Bei einer Referenzfrequenz fr=16,384 MHz und einer Abtastzeit ta=2 msek wird dabei eine Auflösung von 0,003% erreicht, wenn nur mindestens eine Signalflanke des Winkelschrittgebers in das Abtastintervall fällt.

Bei Mehrmotorenantriebssystemen wird vielfach eine Genauigkeit der Drehzahl­ verhältnisse zwischen zwei Antrieben unter 0,01% benötigt. Da bei nicht abgeglichenen Quarzoszillatoren aber schon Fehler von 0,03% auftreten, kann dadurch bei benachbarten Antrieben das Drehzahlverhältnis sogar um 0,06% vom Idealwert abweichen. Mit einer zentralen für alle Antriebe gemeinsamen Zeitbasis könnte der Fehler des Drehzahlverhältnisses zwischen Antrieben auf 0 gebracht werden.

Es könnte zur Erzeugung der Zeitbasis eine hochfrequente Referenzfre­ quenzschiene von 4 bis 20 MHz verwendet werden, die über ein paralleles Reglerkommunikationssystem übertragen wird. Diese Referenzfrequenzschiene ist bei bekannten System nicht oder nur mit nicht oder nur mit erhöhtem Aufwand realisierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß auf einfache Weise eine niederfrequente Synchronisation zwischen Reglerzyklen mehrerer Regler möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung zeigt einen Weg, wie die Messung auf ein niederfrequentes Synchronisationssignal bezogen wird, das für die Synchronisation aller Reglerzyklen mit dem Kommunikationszyklus verwendet wird. Das Signal steht bei allen betrachteten parallelen Reglerkommunikationssystemen zur Ver­ fügung.

Die Auflösung der Messung ist, wie vorher, von der Größe der Referenzfre­ quenz des lokalen Quarzoszillators bestimmt.

Die Genauigkeit der Messung aber hängt vom zentral generierten allen Reglern gemeinsamen Synchronisationssignal ab, dessen Fehler keine Auswirkungen auf die Messung der Drehzahlverhältnisse haben.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für Papiermaschinenantriebe, bei denen eine hohe Drehzahlgenauigkeit verlangt wird. Trotz der Verwendung weniger genauer Quarze ergibt sich eine genaue Drehzahlmessung. Das Verfahren kann in Verbindung mit Mikrorechnern mit Standard-Bussen ein­ gesetzt werden. Auch eine Synchronisation über einen seriellen Bus ist möglich. Insbesondere ist das Verfahren auch zur Feststellung geringer Drehzahlen geeignet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Drehzahlmessung werden vorzugsweise die Signalflanken eines Winkelschrittgebers, die innerhalb eines vor­ gegebenen Intervälls auftreten, vorzeichenrichtig gezählt. Parallel wird die Zeit zwischen der letzten Flanke des letzten Intervalls und der letzten Flanke des aktuellen Intervalls mit einer hochfrequenten Referenzfrequenz ausgemessen. Aus dem Quotienten des Winkeldifferenzwertes und des Zeitwertes läßt sich die Drehzahl mit einer Auflösung berechnen, die durch die Meßzeit und die Referenzfrequenz bestimmt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des im Anspruch 1 beschriebenen Verfahrens geht aus den Ansprüchen 2 bis 8 hervor.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzel­ heiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung zur Bestimmung einer Zahl, die der Drehzahl eines Körpers proportional ist,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm von Signalen und Zuständen, die in den Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 1 auftreten,

Fig. 3 ein Schaltbild eines Teils einer Anordnung zur Bestim­ mung einer mit der Drehzahl proportionalen Zahl.

Ein drehbar gelagerter Körper, der nicht näher dargestellt ist, steht mit einem inkrementalen Winkelgeber 1 in Verbindung, der zwei um 90° gegeneinan­ der phasenverschobene Signalfolgen auf Kanälen 2 und 3 ausgibt. An die Kanäle 2, 3 ist eine Impulsauswerteschaltung 4 angeschlossen, die auf zwei Ausgängen 5, 6 jeweils richtungsabhängig Impulse abgibt, die durch Auswer­ tung der Rechtecksignale mittels Richtungsdiskriminierung erhalten wurden. Auf dem Ausgang 5 treten z.B. nur die Impulse bei Rechtslauf und auf dem Ausgang 6 nur die Impulse bei Linkslauf des Winkelgebers 1 auf. An einem weiteren Ausgang 7 der Impulsauswerteschaltung 4 entsteht bei jedem Impuls auf den Ausgängen 5, 6 ein Impuls, dessen Signalflanke dem Übernahmeeingang eines ersten Zeitspeichers 8 zugeführt, dessen Dateneingänge mit den Ausgängen 9 eines Zeitzählers 10 verbunden sind.

Der Zähleingang des Zeitzählers ist über eine Leitung 11 mit einem Referenz­ oszillator 12 verbunden, der Taktimpulse mit nahezu konstanter Frequenz erzeugt.

An die Ausgänge 5, 6 sind jeweils die Eingänge für Vor-/Rückwärtszählung eines Vor-/Rückwärtszählers 13 angeschlossen, der als "Winkelzähler" bezeichnet werden kann. Den Ausgängen 14 des Vor-/Rückwärtszählers 13 ist ein Winkelspeicher 15 nachgeschaltet, dessen Übernahmeeingang an eine Leitung 16 angeschlossen ist, die von einem zentral angeordneten für viele Meßvorrichtungen gleichzeitig gültigen Zeitgeber 17 gespeist wird, der ein Interruptsignal erzeugt. Alternativ könnte der Zeitgeber auch lokal an die Leitung 11 angeschlossen und kann als Zähler ausgebildet sein, der vorein­ stellbar ist. An die Ausgänge 18 des ersten Zeitspeichers 8 sind die Eingänge eines zweiten Zeitspeichers 19 angeschlossen, dessen Übernahme­ eingang mit der Leitung 16 verbunden ist. Der zweite Zeitspeicher 19 entspricht im Aufbau dem ersten Zeitspeicher 8. Der Winkelspeicher 13 enthält wie die Zeitspeicher 8 und 19 Flipflops zur Datenspeicherung in dem durch aufeinander folgende Interruptsignale bestimmten Zeitintervall.

Der Zeitzähler 10 ist ausgangsseitig mit einem vierten, vom Zeitgeber 17 mit dem Interruptsignal getakteten Zeitspeicher 19 a verbunden. Die oben be­ schriebene Schaltung ist bis auf den Winkelgeber und den Oszillator 12 sowie den Geber 17 als Quelle für das Interruptsignal zweckmäßigerweise in einem Baustein integriert, der in Verbindung mit Mikrorechner bzw. Mikroprozes­ soren als Peripheriebaustein eingesetzt werden kann. Ein derartiger Mikrorechner 23 weist z.B. einen Standard-Bus 22 auf, an die Ausgänge 20, 21 und die Ausgänge 21 a des Zeitspeichers 19 a angeschlossen sind. Der Winkelspeicher 15, der zweite Zeitspeicher 19 und der vierte Zeit­ speicher 19 a werden über nicht dargestellte Steuerleitungen über den Bus 22 vom Mikrorechner 23 gesteuert.

Der vierte Zeitspeicher 19 a ist mit einem fünften Zeitspeicher 29 a und Eingängen eines Subtrahierers 31 a verbunden, dessen zweite Eingänge vom Zeitspeicher 29 a gespeist werden. Der Ausgang des Subtrahierers 31 a ist an einen Multiplizierer 59 angeschlossen. Der Zeitspeicher 29 a, der Sub­ trahierer 31 a und der Dividierer 60 gehören zu einer Rechenschaltung, die einen weiteren Winkelspeicher 28 und einen dritten Zeitspeicher 29 aufweist, die jeweils mit ihren Dateneingängen an den Winkelspeicher 15 und den zweiten Zeitspeicher 19 angeschlossen sind. Die Ausgänge 20 des Winkel­ speichers 15 und die nicht näher bezeichneten Ausgänge des weiteren Winkelspeichers 28 sind je an Eingänge eines Subtrahierers 30 gelegt. Die Ausgänge des zweiten Winkelspeichers 19 und die nicht näher bezeichneten Ausgänge des dritten Zeitspeichers 29 speisen hierbei jeweils die Subtra­ hendeneingänge der Subtrahierer 30, 31. Den Ausgängen des Subtrahierers 30 ist ein Multiplizierer 32 nachgeschaltet, dem über Eingänge 33 eine Konstante vorgegeben wird. Die Ausgänge des Multiplizierers 32 und die Ausgänge des Subtrahierers 31 sind je mit Eingängen eines Dividierers 34 verbunden, der den Quotienten aus der vom Multiplizierer 32 und der vom Subtrahierer 31 ausgegebenen Zahl bildet. Dem Zeitgeber 17 wird mittels einer nicht näher dargestellten Eingabeeinrichtung, ein Wert für das Interruptintervall eingegeben.

Dem Subtrahierer 31 a ist ein auch mit dem Dividierer 34 verbundener Multi­ plizierer 59 nachgeschaltet, an den ein weiterer Dividierer 60 angeschlossen ist, dessen weitere Eingänge 61 mit einer vorbestimmten Zahl beaufschlagt sind. Eine Referenzfrequenz CLK wird vom lokalen Quarzoszillator 12 erzeugt.

Mit der Referenzfrequenz wird der Zeitzähler 10 inkrementiert, der damit immer die aktuelle relative Zeit enthält. Die Zeitauflösung ist durch die Periodendauer der Referenzfrequenz gegeben.

Die beiden um 90° versetzten Signalspuren 2 und 3 des Winkelschrittgebers werden mit dieser Referenzfrequenz synchronisiert. An jeder Flanke wird abhängig von der Drehrichtung ein Vor- oder Rückwärtsimpuls P oder N im Winkelzähler 13 gezählt. Der Winkelzähler 13 enthält also immer einen Zahlenwert, der dem aktuellen Drehwinkel des Gebers entspricht.

Unabhängig von der Drehrichtung wird bei jeder Signalflanke des Winkel­ schrittgebers 1 ein Signal FL generiert, mit dem der Inhalt des Zeitzäh­ lers 10 in den ersten Zeitspeicher 8 übernommen wird, der damit immer den Zeitpunkt der letzten registrierten Winkeländerung enthält.

Die Synchronisationsschaltung 4 sorgt dafür, daß immer einander ent­ sprechende Winkel-Zeit-Paare im Winkelzähler 13 und dem ersten Zeitspeicher 8 stehen.

Die Meßdauer wird grob durch das Interruptsignal bzw. zentrale Synchronisa­ tionssignal INT des Gebers 17 vorgegeben, daß sowohl die Reglerzyklen von Antriebsregler als auch eine zentralgesteuerte Reglerkommunikation anstößt. Das INT-Signal wird mit der Referenzfrequenz CLK synchronisiert und mit den Impulssignalen P, N und FL koordiniert.

Nach dem Erkennen einer Flanke des INT-Signals wird der Inhalt des Winkel­ zählers 13 in den ersten Winkelspeicher 15 und der Inhalt des ersten Zeitspeichers 8 in den zweiten Zeitspeicher 19 übernommen. Der Speicher 15 enthält also immer den letzten vor dem INT-Signal gültigen Winkelwert und der Speicher 19 den zugehörigen Zeitwert der letzten Änderung.

Ein vorzugsweise von dem INT-Signal angestoßenes Programm bildet zunächst die Differenz Zp zwischen dem alten Winkelwert im Winkelspeicher 28 und dem neuen Winkelwert im Winkelspeicher 20. Außerdem berechnet es die Zeitdif­ ferenz Zt aus dem alten Zeitwert im Zeitspeicher 29 und dem neuen Zeitwert im Speicher 19.

Anschließend wird der Inhalt vom Speicher 15 nach dem Speicher 28 und der Inhalt des Speichers 19 nach dem Speicher 29 umgeladen; die neuen Werte sind als Altwerte für das nächste Intervall gespeichert.

Ein Zahlenwert Zd ist ein hochauflösendes Maß für die Drehzahl des Antriebs. Er wird nach folgender Gleichung berechnet:

Zp ist ein Integerwert, der mal größer und mal kleiner ist, als das reale Produkt von Meßfrequenz fm und Abtastzeit ta.

Zp = fm · ta. (2)

Zt ist ein Integerwert, der mal größer und mal kleiner ist, als das reale Produkt von Meßzeit und Referenzfrequenz fr.

Die Meßzeit ist das Produkt aus Zahl Zp und Länge l/fm der im Intervall registrierten Perioden der Meßfrequenz.

Aus den Gleichungen (2) und (3) in (1) ergibt sich (4), wobei eventuelle Auswirkungen einer beschränkten Auflösung von Intergervariablen hier vernachlässigt werden.

Zd ist der Referenzfrequenz fr umgekehrt proportional. Fehler von fr führen daher zu einem Meßfehler bei der Drehzahlmessung. Wenn jedes Meßsystem über eine eigene Referenzfrequenz verfügt, kann der Fehler bei der Bestim­ mung von Drehzahlverhältnissen sogar doppelt so groß werden, wie der Fehler der einzelnen Messungen.

Da eine Übertragung einer hochfrequenten Referenzfrequenz bei vielen Reglerkommunikationssystemen nicht möglich ist, muß die hochfrequente Referenzfrequenz durch andere Signale ersetzt werden. Dies wird durch Einfügen des rechten Pfades in Fig. 1 erreicht.

Der vierte Zeitspeicher 19 a übernimmt den Inhalt des Zeitzählers, sobald eine Synchronisationstaktflanke erfaßt wurde. Er enthält also immer den Zeitpunkt der letzten Synchronisationstaktflanke.

Das durch diese Flanke angestoßene Programm bildet die Differenz Zk aus dem neuen Zeitwert im vierten Zeitspeicher 19 a und dem alten Zeitwert im fünften Zeitspeicher 26. Zk gibt an, wieviel Perioden der lokalen Referenzfre­ quenz fr in dem zentral generierten Abtastintervall ta enthalten sind.

Zk = fr · ta. (5)

Es wird also die lokale Referenzfrequenz fr ausgemessen.

Mit dem Quotienten von Messergebnis Zk und dem Sollergebnis Zk-soll wird die Messung so korrigiert, dass die Referenzfrequenz keine Auswirkung auf die Genauigkeit der Messung mehr hat. Zk-soll ist mit dem Produkt von Referenz­ frequenzsollwert fr-soll und Abtastzeitsollwert ta-soll vorbestimmt.

Zk-soll = fr-soll · ta-soll. (6)

Der korrigierte Meßwert Zk ergibt sich nach (7):

Daraus erhält man durch Kürzen:

Eventuelle Auswirkungen einer beschränkten Auflösung von Integervarianten werden hier vernachlässigt.

Zdk ist unabhängig von der lokalen Referenzfrequenz fr, dafür aber von der Abtastzeit ta abhängig. Diese gilt aber für alle Meßsysteme in einem Mehrmotorensystem gleichermaßen. Damit sind die Drehzahlverhältnisse fehlerfrei meßbar.

Durch die beschriebene Maßnahme wird der Meßwert nur noch von der für alle Regler gleichen zentral gesteuerten Abtastzeit abhängig, so daß deren Schwankungen zwar die Genauigkeit aller Antriebe beeinflussen, die Genauig­ keit der Drehzahlverhältnisse aber unbeeinflußt lassen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Zahl, die der Drehzahl eines Körpers proportional ist, mittels eines Winkelgebers durch Messung der Zeit, indem Perioden einer Referenzschwingung gezählt werden, durch fort­ laufende Aktualisierung und Speicherung des Winkelpositionswerts bei Änderungen der Winkelposition des Körpers, durch Speicherung des zum Zeitpunkt der Änderung vorhandenen Zeitwerts, durch Auslesung des gespeicherten Winkelpositionswerts und des gespeicherten Zeitwerts in durch ein gleichbleibendes Interruptintervall gegebenen Zeitabständen, durch Subtraktion des jeweils im vorhergehenden Interruptintervall ausgelesenen Winkelpositionswerts und des entsprechenden Zeitwerts vom ausgelesenen Zeitwert und durch Division der Differenz der Winkel­ positionswerte durch die Differenz der Zeitwerte und Multiplikation mit einer Konstanten nach Patent . . . (Patentanmeldung P 37 09 395.9-52), dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Perioden der lokalen Referenzschwingung, die innerhalb, eines durch eine zentrale Zeitbasis erzeugten globalen Zeitintervalls auftreten, erfaßt wird, und daß aus dem Verhältnis dieser erfaßten Zahl zu einer vorbestimmten Zahl ein Korrekturfaktor für die Drehzahlmessung bestimmt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem zyklisch arbeitenden Zeitzähler, der mit Taktimpulsen eines Referenz­ oszillators beaufschlagt und ausgangsseitig mit einem ersten Zeit­ speicher verbunden ist, dessen Übernahmeeingang an eine bei Änderung der digitalen Signale eines Winkelgebers einen Impuls erzeugende Schaltung angeschlossen ist, wobei ein mit dem aktuellen Winkel­ positionswert des Winkelgebers beaufschlagbarer Winkelspeicher mit seinem Übernahmeeingang an eine Zeitbasis angeschlossen ist, die Inter­ ruptimpulse erzeugt und auch den Übernahmeeingang eines zweiten Zeitspeichers speist, dessen Eingänge an den ersten Zeitspeicher angeschlossen sind, und wobei der Winkelspeicher und der zweite Zeitspeicher ausgangsseitig mit einer Anordnung verbunden sind, die den Inhalt des Winkelspeichers und den Inhalt des Zeitspeichers von den in der vorausgegangenen Periode des Interruptsignals erhaltenen Inhalten subtrahiert und aus den Differenzen der Inhalte des Winkelspeichers und des Zeitspeichers unter Multiplikation mit einer Konstanten den Quotienten bildet nach Patent ... (Patentanmeldung P 37 09 395.9-52), dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des ersten Zeitzählers ein weiterer vierter Zeitspeicher angeschlossen ist, dessen Übernahmeeingang mit dem Geber für die Interruptimpulse (Zeitbasis) verbunden ist und daß der weitere Zeitspeicher mit der Anordnung verbunden ist, in der der Inhalt des weiteren Zeitspeichers zur Subtraktion von dem Inhalt des weiteren Zeitspeichers in der darauffolgenden Interruptperiode zwischenge­ speichert wird und in der die Differenz mit dem unkorrigierten Drehzahlmesswert multipliziert und durch eine vorbestimmte Zahl dividiert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung einen mit dem Winkelspeicher (15), dem Zeitspeicher (19), dem weiteren Zeitspeicher (19 a) und mit einer digitalen Recheneinheit (23) verbundenen Bus (22) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Recheneinheit (23) ein frei programmierbarer Mikro­ rechner ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der erste Zeitspeicher, der Zeitzähler, die Schaltung der Winkelspeicher und der zweite und der weitere vierte Zeitspeicher in einer integrierten Schaltung angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung einen weiter an den ersten Winkel­ speicher (15) angeschlossenen Winkelspeicher (28), dessen Übernahmeein­ gang vom Zeitgeber (17) gespeist wird, und einen dritten, an den zweiten Zeitspeicher (19) angeschlossenen Zeitspeicher (29) enthält, daß die Ausgänge der Winkelspeicher (15, 28) je an Eingänge eines ersten Subtrahierers (30) und die Ausgänge des zweiten und dritten Zeitspeichers je an Eingängen eines zweiten Subtrahierers (31) gelegt sind, daß dem ersten Subtrahierer (30) ein Multiplizierer (32) nachgeschaltet ist, der die Dividendeneingänge eines Dividierers (34) speist, dessen Divisoreingänge mit dem Ausgang des zweiten Subtrahie­ rers (31) verbunden sind, daß der weitere vierte Zeitspeicher (19 a) an einen zusätzlichen fünften Zeitspeicher (29 a) und einen Subtrahie­ rer (31 a) angeschlossen ist, und daß dem Subtrahierer ein Multi­ plizierer (59) nachgeschaltet ist, dessen weitere Eingänge mit dem Ausgang des Dividierers (34) verbunden sind und dem ein weiterer Dividierer (60) nachgeschaltet ist, der eingangsseitig mit der vorbestimmten Zahl (61) beaufschlagt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein inkrementaler Winkelschrittgeber (1) mit einer Impulsauswerte­ schaltung (4) verbunden ist, die zwei Ausgänge (5, 6) für Zählimpulse für die beiden einander entgegengesetzten Drehrichtungen des Winkel­ schrittgebers (1) und einen Ausgang für einen Impuls bei Auftreten eines Zählimpulses der einen oder anderen Drehrichtung enthält und daß die beiden richtungsabhängigen Ausgänge (5 und 6) je mit einem Zähleingang eines Vor-/Rückwärtszählers verbunden sind, dem der Winkelspeicher (15) nachgeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der absolute Winkelgeber (37) mit dem Winkelspeicher (15) und einer Auswerteschaltung (38) verbunden ist, die bei Änderungen des digitalen Ausgangssignals des Winkelschrittgebers (37) einen Impuls am Ausgang (7) erzeugt.