DE1773559A1

DE1773559A1 - Anordnung zur Erzeugung von Impulsen,welche ein genaues Mass fuer jede Umdrehung eines rotierenden Elementes sind

Info

Publication number: DE1773559A1
Application number: DE19681773559
Authority: DE
Inventors: Jones James W
Original assignee: Ampex Corp
Current assignee: Ampex Corp
Priority date: 1967-06-07
Filing date: 1968-06-04
Publication date: 1972-04-13
Also published as: DE1773559C3; NL142255B; NL6807576A; US3491247A; FR1568535A; DE1773559B2; GB1211042A; BE716102A

Description

Ampex Corporation, 401 Broadway, Redwood City, California 94063, USA

Anordnung zur Erzeugung von Impulsen, welche ein genaues Maß für jede Umdrehung eines rotierenden Elementes sind

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Impulsen, welche ein genaues Maß für jede Umdrehung eines rotierenden Elementes sind.

Es ist oft erforderlich, eine periodische Anzeige der Position eines rotierenden Elementes vorzunehmen. So werden beispielsweisebei einer genauen Steuerung der Drehstellung eines durch einen elektrischen Motor in Rotation versetzten Elementes Anzeigeimpulse, welche ein Maß für die Position

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des Elementes sind, mit JBezugsimpulsen verglichen, um ein den Zeitdifferenzen zwischen den Anzeigeimpulsen und den Bezugsimpulsen proportionales Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersignal wird dazu verwendet, um die Motordrehzahl in bezug auf die Zeitdifferenzen kompensierend zu regeln, wodurch die Drehstellung des Elementes ebenfalls geregelt wird. Zur Erzeugung der Positionsanzeigeimpulse ^ wird typischerweise ein üachometersystem verwendet, das eine mit dem Element rotierende Tachometerscheibe aufweist. Diese Tachometerscheibe ist mit einer oder mit mehreren Markierungen versehen; sind mehrere Markierungen vorhanden, so sind diese auf der Fläche der Scheibe' in Omfangsrichtung im Abstand voneinander angeordnet. Eine zur Tachometerscheibe benachbart angeordnete feste Markierungs-Abtasteinrichtung tastet jede an ihr vorbeilaufende Markierung ab und erzeugt einen entsprechenden elektrischen Impuls. Ein derartiger Impuls ist ein Maß für die Drehstellung des rotierenden Elementes. In manchen Fällen ist eine Vielzahl von Markierungen so im Abstand voneinander auf der Scheibe angeordnet, daß die Abtasteinrichtung ein auf die Dreh- ! geschwindigkeit des rotierenden Elementes bezogenes hochfrequentes Sinussignal hoher Auflösung erzeugt, üin derartiges Sinussignal wird typischerweise bei der Regelung einer Motordrehzahl auf einen konstanten Viert innerhalb ' ; enger Grenzen verwendet. Allerdings ist ein Sinussignal nicht geeignet, um eine Anzeige jeder Umdrehung des rotierenden Elementes zu erzeugen. Eine derartige Anzeige

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ist beispielsweise bei der Synchronisation der Rotation des Elementes auf einen äußeren Bezug mit relativ niedriger !Frequenz von Y/ichti&eit. In einem derartigen Pail werden mittels einer einzigen Markierung auf der Taehometerscheibe Impulse erzeugt, welche ein Maß für eine Umdrehung des Elementes sind. Bei bsiher bekannten Anordnungen besitzt die sich ergebende relativ niederfrequente Folge von Impulsen pro Umdrehung auch eine relativ geringe Auflösung mit einer Zeitungenauigkeit mit der Größenordnung von 5 lyiikr ο Sekunden für eine Drehgeschwindigkeit von 60 Hertz. Derartige Anzeigeimpulse sind zwar für viele Anwendungszwecke ausreichend genau. In anderen

er Fällen sind jedoch Impulse mit wesentlich höher/Genauigkeit erforderlich. .Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Rotation eines sich drehenden Elementes auf einen 60 Hertz-Zeitbezug mit einer Zeitgenauigkeit von weniger als 0,1 luikro Sekunde η synchronisiert werden soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der in Rede stehenden Art anzugeben, mit der die Erzeugung von niederfrequenten Impulsen pro Umdrehung mit extrem hoher Auflösung möglich ist. Dabei soll es sich beispielsweise um 60 Hertz-Impulse mit einer Zeitgenauigkeit handeln, welche besser als 0,1 Mikrosekunden ist.

Zur !lösung dieser Aufgabe ist eine Anordnung der eingangs

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genannten Art durch folgende Merkmale gekennzeichnet: eine an das rotierende Element angekoppelte Tachometerscheibe, welche eine erste Spur mit in Umfangsrichtung von einander im Abstand befindlichen Markierungen und eine zweite, gegenüber der ersten einen anderen Hadius besitzende Spur mit wenigstens einer Markierung aufweist, eine erste zur ersten Spur benachbart angeordnete Abtasteinrichtung zur Erzeugung eines sinusförmigen Signals als Funktion der Rotation der Markierungen der ersten Spur, eine zweite, zur zweiten Spur benachbart angeordnete Abtasteinrichtung zur Erzeugung eines Impulses pro Umdrehung als Funke ion der Rotation der Markierungen der zweiten Spur, einen ersten, an die erste Abtasteinrichtung angekoppelten Impulsformer za? Umformung des sinusförmigen Signals in eine Folge von Impulsen hoher Auflösung, einen zweiten, an die zweite Abtasteinrichtung angekoppelten Impulsformer zur Umformung jedes Impulses pro Umdrehung in einen Ttiggerimpuls, und durch einen Stell-Rückstell-Flip-Flop mit einem Stelleingang, einem Rückstelleingang und einem Ausgang, wobei der erste Impulsformer an den Stelleingang und der zweite Impulsformer an den Rückstelleingang angekoppelt ist, so daß am -Ausgang des Flip-Flops als Funktion der Triggerimpulse ein Ausgangsimpuls pro Umdrehung erzeugt wird, der eine durch einen der Impulse hoher Auflösung bestimmte zeitgenaue Flanke aufweist.

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Die im vorstehenden definierte Anordnung gemäß der Erfindung ist so ausgebildet, daß sie eine hochfrequente ImpuSColge hoher Auflösung mit einer niederfrequenten Folge von Impulsen pro Umdrehung geringer Auflösung kombiniert, um die niederfrequente Folge von Impulsen pro Umdrehung mit hoher Auflösung zu erzeugen. Die Tachometerscheibe kann so ausgebildet sein, daß die Markierungen Segmente aus magnetischem Material sind, wobei die Abtasteinrichtung ein Magnetkopf ist. Bevorzugt ist jedoch eine optische Tachometerscheibe, bei &r die Marieierungen durch eine Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander im Abstand befindlichen, abwechselnd durchlässigen und lichtundurchläaaigen Segmenten gebildet werden. Eine Photozelle, welche das durch die durchlässigen Segmente gestählte Licht aufnimmt, dient als Abtasteinrichtung und erzeugt ein relativ hochfrequentes sinusförmiges Signal bei Rotation der Scheibe. Zur Erzeugung der niederfrequenten Impulse pro Umdrehung geringer Auflösung ist auf der Scheibe eine " einzige zusätzliche Markkierung vorgesehen, weiche gegenüber der Vielzahl von Markierungen einen anderen Badius besitzt. Ist bei einer optischen Tachometerschdbe die zusätzliche Markierung als einzelnes lichtdurchlässiges Segment ausgebildet, so nimmt eine zweite Photozelle einmal bei jeder Umdrehung der Scheibe das durch dieses Segment gestrahlte Licht auf. Die zweite Photoz eile erzeugt auf diese Art Impulse pro Umdrehung, weiche relativgpob sind. Diese Impulse pro Umdrehung werden geformt, so daß sich

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eine Folge von niederfrequenten Triggerimpulsen relativ geringer Auflösung ergibt, während das Sinussignal ebenfalls in geeigneter Weise .geformt wird, um eine Folge von hochfrequenten Triggerimpulsen mit kleiner Anstiegszeit und hoher Auflösung zu erzeugen. Diese beiden Arten von Triggerimpulsen mit geringer und hoher Auflösung werden auf ein Paar von Eingängen des Stell-Rückstell-Flip-Flops gegeben. Jeder Triggerimpuls geringer Auflösung bewirkt beispielsweise eine Rückstellung des Flip-Flops, während der erste, auf den Impuls geringer Auflösung folgende Impuls hoher Auflösung den Flip-Flop stellt. Der Flip-Flop bleibt dann in seinem Stellzustand, bis der nächste Impuls geringer Auflösung folgt, welcher ihn zurückstellt. Das Ausgangssignal des Flip-Flops ist daher eine Folge von niederfrequenten ImpiLsen pro Umdrehung, welche aufgrund der Bie festlegenden Impulsfolge hoher Auflösung eine Flanke im vorliegenden Fall die Hinterflanke - mit extrem hoher Zeitgenauigkeit besitzen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2 ein Zeitdiagramm von Signalen an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 1.

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Pig. 1 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung von Impulsen, welche ein genaues Maß der Drehstellung eines rotierenden ■"lementes, wie beispielsweise einer Welle 11, eines Elektromotors 12, oder eines durch die Welle in Rotation versetzten Elementes, sind. Die dargestellte Anordnung eignet sich speziell zur Erzeugung von relativtiiederfrequenten Impulsen pro Umdrehung mit hoher Auflösung, welche ein Maß für jede Umdrehung der Welle sind und eine hohe Zeit- und Positionsgenauigkeit besitzen. Die Anordnung besitzt weiterhin ehe λ optische Tachometerscheibe 13, welche koaxial an der Welle 11 befestigt ist. Diese Tachometerscheibe ist an sich insofern konventionell, als sie mit einer Markierungsspur 14 versehen ist, wobei die Markierungen durch eine Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander im Abstand befindlichen, abwechselnd durchlässigen und lichtundurchlässigen Elementen gebildet werden. Dabei handelt es sich um eine Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander im Abstand befindlichen Lichtschlitzen 16 und den dazwischen liegenden Scheibenbereichen. ■^uf einer Seite der Scheibe ist eine Lichtquelle 17 angeordnet, welche Licht auf die Spur 14- strahlt, währ end sich auf der anderen Seite der Scheibe eine Photozelle 18 oder ein äquivalenter Lichtfühler befindet, welcher das durch die Schlitze übertragene Licht empfängt. Die Photozelle erzeugt daher ein relativ hochfrequentes Sinussignal, das in Pig. I am Ausgang eines Vorverstärkers 19 dargestellt ist, welcher an den Ausgang der Photozelle angeschlossen ist. Das der

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Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe entsprechende Sinussignal wird typischerweise mit einem Bezugssignal verglichen, um ein Drehzahlfehlersignal zu erzeugen. Dieses Fehlersignal wird auf ein (nicht dargestelltes) Servosystem gegeben, um die drehzahl des Motors 12 zu regeln.

In Gegensatz zu konventionellen Tachometerscheiben besitzt die Scheibe 13 eine zweite Markierungsspur 21, welche gegenüber der Spur 14 einen anderen Radius besitzt. Die Spur 21 besitzt eine einzige Markierung, welche im vorliegenden Pail als Lichtschlitz 22 ausgebildet ist. Eine Lichtquelle 23 strahlt Licht auf die Spur 21, so daß pro Umdrehungjder Scheibe einmal Licht durch den Schlitz 22 auf eine Photozelle 24 übertragen wird. Diese Photozelle erzeugt eine niederfrequente Folge von Impulsen pro Umdrehung, welche eine relativ grobe Auflösung besitzen. Einer dieser Impulse ist in Pig. I am Ausgang eines Vorverstärkers 26 dargestellt, welcher vorzugsweise an die Photozelle 24 angekoppelt ist.

Um die Impulse pro Umdrehung mit geringer Auflösung in Impulse mit hoher Auflösung und stark verbesserter Zeitgenauigkeit zu überführen, werden sie mit hochfrequenten Impul sen hoher Auflösung kombiniert, welche aus dem von der Photozelle 18 erzeugten Sinussignal abgeleitet werden. Zu diesem Zweck koppelt der Vorverstärker 19 den Ausgang der Photozelle 18 mit einer Rechteckformerstufe 27, welche das Sinus-

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signal in ein rechteeiförmiges Signal überführt. Eine an den Ausgang der Rechteckformerstufe angekoppelte Impulsformerstufe 28 erzeugt ihrerseits eine Folge von Impulsen, mit sehr kleiner Anstiegszeit und hoher Auflösung entsprechend den Flanken des rechteckförmigen Signals. Diese Impulse werden auf einen Eingang, beispielsweise den Stellehgang, eines Stell-Rückatell-Flip-Flops 29 gegeben.

Der Vorverstärker 26 koppelt den Ausgang der Photozelle 24 mit einer Impulsformerstufe 31» welche als Furkfcion jedes Impulses pro Umdrehung einen Triggerimpuls erzeugt. Aufgrund der groben Auflösung der Impulse pro Umdrehung ist die Zeitgenuaigkeit der entsprechenden Triggerimpulse relativ klein. Die Triggerimpulse am Ausgangjder Impulsformerstufe 31 werden, vorzugsweise über eine variable Zeitverzögerungsstufe 32, auf den anderen Eingang des Flip-Flops 29 - im vorliegenden Falle der Rückstelleingang - gegeben. Die Zeitverzögerungsstufe 32 dient zur Kompensation von Ungenauigkeiten der Stellung des Schlitzes 22 und justiert die Triggerimpulse in eine normale Stellung in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen der hochfrequenten Impulsfolge mit hoher Auflösung vom Impulsformer 28. Jeder Triggerimpuls von der variablen Zeitverzögerungsstufe 32 bewirkt also eine Rückstellung des Flip-Flops 29» wodurch das Potentialniveau an einem Ausgang 33 diese« Flip-Flops verschoben wird. Der unmittelbar folgende Impuls hoher Auf-

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lösung von der Impulsformerstufe 28 stellt den Flip-Flop^ so daß das Potential an seinem Ausgang auf den Ursprungswert zurückgebracht und damit der Ausgangsimpuls beendet wird. Der Flip-Flop verharrt in seinem Stellzustand, bis der nächste Triggerimpuls von der Zeitverzögerungestufe geliefert wird und den Flip-Flop zurückstellt. Das Äusgangssignal des Flip-Flops ist daher eine niederfrequente Folge von Impulsen pro Umdrehung, deren Hinterflanke aufgrund eines von der Formerstufe 28 gelieferten und den Flip-Flop stellenden Impulses hoher Auflösung eine hohe Zeitgenauigkeit besitzt.

Die im Vorstehenden beschriebene Wirkungsweise der Anordnung gemäß der Erfindung sei anhand des Diagramms nach Fig. 2. noch näher erläutert.

Das Signal (A) stellt einen Impuls pro Umdrehung mit relativ grober Auflösung am Ausgang des Vorverstärkers 26 dar. Das Signal (B) ist der entsprechende Triggerimpuls, welcher am Ausgang der Impülsformerstufe 31 zu einem auf der Vorderflanke des Impulses pro Umdrehung (A) liegenden Zeitpunkt erzeugt wird. In einer Signalform (C) ist mittels eines Pfeiles 34 die Justierbarkeit der Lage des Triggerimpulses durch die Zeitverzögerungsstufe 32 angegeben. Die Triggerimpulsfolge (C) ist auf eine Position in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen eines Signalzuges (D)

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eingestellt. Bei dieser Signalfolge (D) handelt es sich um die hochfrequente Folge von Impulsen hoher Auflösung, welche durch die Impulsformerstufe 28 als Punktion der Flanken des rechteckförmigen Ausgangssignals der Rechteckformerstufe 27 erzeugt werden. Das Signal (C) wird auf den Rückstelleingang des Flip-Flops 29 gegeben, während das Signal (D) auf den Stelleingang des Flip-Flops gegeben wird. Aufgrund dieses Sachverhaltes wird am Ausgang 33 des Flip-Flope ein Signal (E) erzeugt, dessen Vorderflanke durch das Signal (G) und dessen genaue Hinterflanke durch den nächstfolgenden Impuls (D) bestimmt wird.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1. Anordnung zur Erzeugung von Impulsen, welche ein genaues Maß für jede Umdrehung eines rotierenden Elementes sind, gekennzeichnet durch eine an das rotierende Element (11) angekoppelte l'achometerscheibe (13), welche eine erste Spur (14) mit in Umfangsrichtung voneinander im Abstand befindlichen Markierungen (16) und eine zweite, gegenüber der ersten, einen anderen Radius besitzende Spur (31) mit wenigstens einer Markierung (22) aufweist, eine erste, zur ersten Spur (14) benachbart angeordnete Abtasteinrichtung (17,18) zur Erzeugung eines sinusförmigen Signals als Punktion der Rotation der Markierungen (16) der ersten Spur, eine zweite, zur zweiten Spur (21) benachbart angeordnete Abtasteinrichtung (23>24) zur Erzeugung eines Impulses pro Umdrehung als Punktion der Rotation der Markierungen (22) der zweiten Spur, einen ersten, an die erste Abtasteinrichtung (17,18) angekoppelten Impulsformer (27,28) zur Umformung des sinusförmigen Signals in eine Folge von Impulsen hoher Auflösung, einen zweiten, an die zweite Abtasteinrichtung (23,24) angekoppelten Impulsformer (31,32) zur Umformung jedes Impulses pro Umdrehung in etien Trigger-r impuls und durch einen Stell-Rückstell-Flip-Plop (29) mit einem Stelleingang, einem Rückstelleingang und einem Ausgang, wobei der erste Impulsformer (27,28) an den Stelleingang und der zweite Impulsformer (31,32) an den Rück-

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Stelleingang angekoppelt ist, so daß am Ausgang (33) des Plip-Plops (29) als Funktion der Triggerimpulse ein Ausgangsimpuls pro Umdrehung erzeugt wird, der eine durch einen Impulse hoher Auflösung bestimmte zeitgenaue Planke aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Impulsformer (27,28) eine rechteckige Pormerstufe

(27) zur Überfiirung des sinusförmigen Signals in ein Recht- ™ eck-Signal -und eine an die Rechteck-Pormerstufe angekoppelte Impulsformerstufe (28) zur Erzeugung von Impulsen mit geringer Anstiegszeit als Punktion der Planken des rechteckförmigen Signals aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tachometerscheibe (28) eine optische Tachometerscheibe ist, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander in Abstand befindlichen, abwechselnden durch- | lässigen und lichtundurchlässigen Segmenten die erste Spur (14) von Markierungen (16Y) und ein einziger transparenter Schlitz (22) die zweite Spur (21) von Markierungen bildet.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Abtasteinrichtung (17,18) eine auf einer Seite der Tachometerscheibe angeordnete und Licht auf die erste Markierungsspur (14) strahlende Lichtquelle (17) und eine auf der anderen Seite der

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Tachometerscheibe angeordnete, durch die lichtdurchlässigen Segmente (16) der ersten Spur (14) gestrahltes Licht empfangende Photozelle (18) aufweist und daß die zweite Abtasteinrichtung (23,24) eine auf einer Seite der Tachometerscheibe angeordnete und Licht auf die zweite Spur (21) strahlende Lichtquelle (17) und eine auf der anderenSeite der Tachometerscheibe angeordnete, durch den lichtdurchlässigen Schlitz (22) der zweiten Spur (21) gestrahl-tes Licht empfangende Photozelle (24) aufweist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Impulsformer (31,32) eine Impulsformerstufe (31) zur Überführung der Impulse pro Umdrehung in Triggerimpulse und eine dieser Impulsformerstufe (31) nachgeschaltete variable Zeitverzögerungsetufe (32) aufweist.

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