DE2243299A1 - Impuls-drehzahl-wandler zur umwandlung einer variablen impulsfrequenz in eine dieser frequenz proportionale drehgeschwindigkeit einer achse - Google Patents
Impuls-drehzahl-wandler zur umwandlung einer variablen impulsfrequenz in eine dieser frequenz proportionale drehgeschwindigkeit einer achseInfo
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Description
Va/EVH.
Anmelder: M. Y. Philips' GIoeilarnpenfabrieken
Akte No., PHlT- 5880
Akte No., PHlT- 5880
Anmeldung vom ι 1. Sept. 1972
Impuls-Drehzahl-Wandler zur Umwandlung einer variablen Impulsfrequenz
in eine dieser Frequenz proportionale Drehgeschwindigkeit einer Achse.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Impuls-Drehzahl-Wandler
zur Umwandlung einer variablen Impulsfrequenz in eine dieser Frequenz proportionale Drehgeschwindigkeit einer Ausgangsachse,
welcher Wandler einen Impulsfrequenz-Spannungs-Wandler enthält, der eine Speisespannung für einen Motor mit
Tachosignalgegenkopplung liefert, dessen Rotor mit der Ausgangsachse
gekoppelt ist.
Aus der Regeltechnik ist es bekannt, einen Motor über
einen Verstärker zu speisen und dem Motor ein Tachosignal zu entnehmen, das also ein Mass für die Drehzahl des Motors ist,
welches Signal als Gegenkopplungssignal wieder in den Verstärker
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zurückgeführt wird, wodurch eine Drehzahl des Motors erhalten
wird, die der Eingangsspannung an dem Verstärker nahezu proportional ir.t. In gewissen Schallplattenspielern
wird dieses Prinzip angewandt.
Venn nicht die Amplitude einer Eingangsspannung, sondern die Frequenz einer Uechselspannnng oder einer Impulsreihe die umzuwandelnde Grosse ist, können in gewissen Fällen
Synchronmotoren oder Schrittmotoren verwendet werden. Wenn aber der Frequenzbereich zu gross ist oder die Frequenzen zu
hoch liegen, können diese Motoren entweder nicht verwendet werden, oder sie erfordern verwickelte Schaltungen, wie
Frequenzwand1 er.
Eine auf der Hand liegende Lftsung für dieses Problem
besteht darin, dass die Frequenz in nine Spannung umgewandelt und diese Spannung einem Notorregelverstärker der obenbeschriebenen
Art zugeführt wird, der mit einer Tachogegenkopplung versehen ist. Die Genauigkeit eines derartigen Systems ist
aber gering. Auch kann bei gewissen Anwendungen die Temperatur einen zu grosaen einfluss ausüben und spielen Toleranzen von
Bauteilen eine grosse Rolle bei der genauen Umwandlung einer Frequenz in eine Drehzahl.
Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu vermeiden
und bezieht sich auf einen Impuls-Drehzahl-Wandler der in der Einleitung beschriebenen Art, flor dadurch gekennzeichnet
ist, dass eine Ge^enkopplungsschleife mit einem Signalgeber
angebracht ist, der mit der· Ausgarigsnchse gekoppelt ist und
ein Achsenlagens Lgrial an eine Schalteinrichtung abgibt, die
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rait dem Eingang des Wandlers verbunden ist und deren Ausgang
eine Korrektursignalquelle schaltet, die ein Korrektursignal dem Impulsfrequenzwandler zuführt, wobei die Gegenkopplungsregelung derartig ist, dass der Zeitpunkt, zu dem ein Achsenlagensignal
auftritt, innerhalb einer Wiederholungsperiode der Eingangsimpulse liegt.
Der Vorteil eines Impuls-Drehzalil-Wandlers nach der
Erfindung ist der, dass von der Ausgangsachse eine Grbsse abgeleitet wird, die genau die Achsenlage angibt und diese
mit der Eingangsimpulsfrequenz vergleicht, wobei der Regelkreis sich zwangsweise einstellt. Das Korrektur signal -wird
sich derart einstellen, dass Aenderungen in der Motorbelastung, Aendprungen der Werte der Bauteile in dem Frequenz-Spannungswandler,
in der Korrektursignalquelle, in dem Verstärkerkreis, in dem Tachosignal und in dem Motor infolge Alterung oder
TemperaturSnderungen neutralisiert werden.
Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, dass bei einer richtigen Bemessung in einem gewünschten Drehzahloder
Frequenzbereich die Phasendifferenz zwischen der Eingangsfrequenz und der Frequenz des Achsenlagensignals pro Periode
zur Steuerung einer Korrekturregelung benutzt werden kann, die die obengenannten Aenderungen neutralisieren kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet,
dass von einer festen Korrekturgrösse ausgegangen
wird, die dan .Regelkreis pro Periode zugeführt wird und für
die Zeitspanne, in der er eingeschaltet ist, eine Synchronisation sicherstellt. Ein Impuls-T3rohzahl-Wandler nach der
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung
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ein Flip-Flop ist, das mit Hilfe des Achsenlagensignals in
die eine Lage und mit Hilfe eines Eingangsimpulses in die andere Lage umklappt, während die Korrektursignalquelle einen
von dem Flip-Flop gesteuerten Halbleiterschalter enthält, der eine Korrekturgrösse ein- und ausschaltet, wobei diese
Korrekturgrösse den Impuls-Drehzahl-Wandler beeinflusst.
Die Korrekturgrösse kann z.B. den zeitbestimmenden Kreis des monostabilen Multivibrators beeinflussen, mit dem
viele bekannte Impulsfrequenz-Gleichspannungs- oder Gleichstromwandler
bestückt sind. So kann ein Widerstand in Reihe mit oder parallel zu dem Entladewiderstand einer RC-Kombination
in dem zeitbestimmenden Kreis angeordnet oder kann der Wert
einer Entladestromquelle geändert werden.
Auch kann der Kreis, der eine integrierende Wirkung aufweist, um die Ausgangsgleichspannung oder den Ausgangsgleichstrom
zu liefern, durch Aenderung des Ladekreises oder des Entladekreises beeinflusst werden.
Es sei noch bemerkt, dass das Tachosignal auf vielen bekannten Wegen erhalten werden kann, z.B. durch Anwendung
eines mit dem Motor oder mit der Ausgangsachse über eine elektronische Subtraktionsschaltung gekoppelten Generators,
wie nachstehend noch beschrieben werden wird; durch Anwendung eines Gleichstrommotors mit Dauermagnetanregung, der kurzzeitig
als Generator geschaltet wird, wobei die erzeugte Spannung gespeichert wird, oder durch Anwendung des Achsenlagensignals
mit einem Frequenz-Spannungswandler. Der Signalgeber, der die Achsenlage bestimmt, kann ebenfalls eine
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bekannte Bauart aufweisen. Einige Beispiele: Scheibe mit
Oeffnurrg mit Lampe und Photozelle, Zahnkranz mit induktivem
Aufnehmer, Magnet auf Achse und Reed-Kontakt oder magnetfeldempfindlicher
Widerstand, gegebenenfalls das Koramutierungssignal,
das von Gleichstrommotoren mit Bürsten oder Hall-Platten abgeleitet werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend für ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert". Es zeigen?
Fig. 1 ein Blockschaltbild des Impuls-Drehzahl-Wandlers nach der Erfindung, und
Fig. 2 ein ausgearbeitetes Schema einer elektrischen Achse, in der ein Impuls-Drehzahl-Wandler nach der Erfindung
verwendet wird.
In Fig. 1 wird dem Impuls-Drehzahl-Wandler eine Impulsreihe 18 an der Eingangsklemme 1 zugeführt. Dieses Signal
wird einem Impuls-Gleichspannungswandler 2 und. einer Schalteinrichtung 13 zugeleitet. Der Wandler 2 liefert ein Gleichspannungssignal,
dessen Mittelwert zu der Wiederholungsfrequenz der Impulsreihe 18 in Beziehung steht. Dieses Gleichspannungssignal wird einer Vergleichsschaltung 3 mi* einem ersten
Eingang h zugeführt. Zugleich ντ±τά einem zweiten Eingang 5
über die Verbindungsleitung 19 mit einem Motor 9 ein Gleichspannungssignal
zugeführt, das von dem Motor abgeleitet ist und dessen Amplitude der Drehzahl, d.h. der Drehgeschwindigkeit,
der Achse 10 proportional ist, welche Achse mit dem Rotor des Motors 9 gekoppelt ist. Der Unterschied zwischen
den beiden Signalen an den Eingängen k und 5 ergibt ein
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Steuersignal an dem Ausgang 6 der Vergleichsschaltung 3 Für eine Verstärkerspeiseschaltung 7t f'ie endgültig am Ausgang 8
den Motor 9 speist, wonach letzterer sich auf eine bestimmte Drehzahl einstellt. Indem von einer Gleichspannung ausgegangen
und ein Gleichstrommotor vorwendet wird, kann bei gewissen Anwendungen eine sehr kleine Einheit erhalten werden. Der
Motorregler, der aus der Vergleichsschaltung 3» dem Verstärker 7»
dem Motor 9 und der Tachogegenkopplung 19 besteht, kann auch für Wechselspannung geeignet sein, wobei das Steuersignal
am Eingang h einen daran angepassten Wert und eine angepasste
Form aufweisen kann.
Ein Signalgeber 11 liefert ein Achsenlagensignal, d.h.
ein Signal, das zu der Drehung der Achse 10 über eine feste
Anzahl Grade in Beziehung steht. Dieses Signal wird über eine
Verbindungsleitung 20 dem Eingang 12 der Schalteinrichtung 13 zugeführt. Je nach dem Frequenzunterschied zwischen der
Impulsreihe 18 am Eingang 14 und dem Achsenlagensignal am
Eingang 12 wird eine Steuerung an der Verbindungsleitung 15
für eine Korrektursignalquelle 16 erhalten, die ein Korrektursignal an einen Steuereingang 17 des Wandlers 2 liefert.
In einer günstigen Ausführungsform kann der Verstärkerregler
3-7-9-19 derart eingestellt werden, dass sich der Motor 9 bei nicht-angeschlossenem Eingang 17 des Wandlern 2
zu schnell oder zu langsam dreht. Am Eingang 17 ist dann
ein Korrektursignal erforderlich, das den Wert der zu liefernden
Steuerspannung am Eingang h der Vergleichsschaltung 3
herabsetzt bzw, erhöht.
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Dieses Korrektursignal kann z.B. einen konstanten
Wert mit variabler Zeitdauer aufweisen. Dadurch, dass das Korrektursignal gegebenenfalls mit einem Schalter eingeschaltet
und dieser Schalter mit Hilfe einer bistabilen Schalteinrichtung 13 betätigt wird, die beim Auftreten eines
Impulses am Eingang 14 umschaltet und·von dem Achsenlagensignal
am Eingang 12 zurückgesetzt wird, kann die variable Zeitdauer erhalten werden. Die Regelung erfolgt dann durch
Phasenverschiebung zweier Signale an den Eingängen 12 und 14,
Fig. 2 zeigt eine praktische Ausarbeitung, bei der eine Achse Sp mit einer Achse S1 synchron laufen muss. Die
Achse S1 kann z.B. die Kardanachse eines Motorfahrzeuges sein,
während die Achse S„ mit einem üblichen Geschwindigkeitsmesser-Kilometerzähler
gekoppelt sein kann, wie er in Kraftfahrzeugen verwendet wird. Statt eines mechanischen Bowden-Kabels ist
nun eine "elektrische Achsen"-Kopplung erhalten, was viele bekannte Vorteile ergibt, wie keine mechanische Abnutzung und
Störung und freie Wahl in bezug auf die Anordnung von Bauteilen.
Die Achse S1 ist mit einem Magnet M1 versehen, der
bei einer gegebenen Achsenlage den Reed-Kontakt RE1 schliesst.
Dadurch wird der Pegel am Eingang einer logischen Schaltung A , die unter der Bezeichnung "NAND"-Tor bekannt ist, von einem
hohen auf einen niedrigen Wert gebracht. Das Tor A1 ist als
Puffer geschaltet, um Stromstösse durch den Kontakt RE1 zu
vermeiden, denn der Ausgang von A^ wird ebenfalls von einem
hohen auf einen niedrigen Pegel gebracht. Die monostabile. Schaltung, die aus dem Kondensator C„, dem Widerstand Rr und
dem Transistor T2 besteht, wird dadurch aktiviert, was eine
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zeitweilige Sperrung des Transistors T2 zur Folge hat.
Der Transistor T« wird nun dadurch leitend, dass seine Basis
über den Kollektorwiderstand R- des Transistors T„ aus der
stabilisierten Speiseanordnung Strom ziehen kann, welche Anordnung durch die Zenerdiode Z.., den Vorschaltwiderstand R^
und die Speisequelle +V. gebildet wird.
Infolge der Tatsache, dass der Transistor T„ zeitweilig
leitend ist, wird die aus der Zenerdiode Z_, den Emitt erwiderst and R„ und dem Transistor Ti. bestehende Stromquelle
wirksam. Eine feste Ladung wird nun an den Sammelkondensator
C- geliefert, der einen Entladewiderstand R10 aufweist.
Die Wirkungsweise ist also derart, dass pro Eingangsimpuls
dem Kondensator C_ eine zusätzliche feste Ladung zugeführt wird, die über den Widerstand R10 abfliessen kann, so dass
über der Basis des Transistors T- eine Spannung steht, die
zu der Impulsfrequenz in einer mehr oder weniger proportionalen Beziehung steht.
Der Motor M besitzt eine Ausgangsachse S_, auf der
ein Magnet M„ befestigt ist, der in einer bestimmten Achsenlage
den Reed-Kontakt RE„ erregt.
Die aus den Transistoren T- und T, mit einem gemeinsamen
Emitterwiderstand R11 aufgebaute Vergleichsschaltung
vergleicht die Spannung am Kondensator C- mit der Kollektorspannung
des Transistors T„, von der nachgewiesen, werden
kann, dass sie nahezu gleich der von dem Gleichstrommotor selber erzeugten elektromotorischen Kraft (EHR) ist, die
der Drehzahl des Motors proportional ist. Das Differenzsignal
steuert den Transistor T„, der seinerseits den Transistor T0
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steuert und in dessen Kollektorkreis der Motor M und der Reihenwiderstand R1- aufgenommen sind. Die Spannung über dem
Motor wird bestimmt durchj
VMotor - EMK + ΤπΛ
wobei I den Motorstrom und R den Innenwiderstand des Motors
wobei I den Motorstrom und R den Innenwiderstand des Motors
darstellt. Die Spannung über R^- ist: I ,R1- = 1,--.R..^,
wobei Xpq den Kollektor-Emitterstrom des Transistors T„ und
R1Ji, den Emitterwiderstand darstellt. In den Kollektorkreis
dieses Transistors ist ein Widerstand R1- aufgenommen, über
dem ein Spannungsabfall IT_.R^„ auftritt.
Die Spannung zwischen dem Kollektor des Transistors und der Masse ist:
. EHK + Im (Rm + R15)
A B
Wenn nun der Term A gleich dem Term B gemacht wird, ist die Ko11ektorspannung des Transistors T9 in der Tat gleich
der EMK des Motors und der Drehzahl proportional. Durch Einsatz
ist die Bedingungι
H-H R13 " R1»
Rm - R15 * R14
Rm - R15 * R14
Diese Schaltung mit drei Widerständen und einem Transistor
liefert mit genügender Genauigkeit in diesem Impuls-Drehzahl-Wandler
das benötigte Tachosignal,
Das Korrektursignal für genaue Synchronisation wird von einem zusätzlichen Leckwiderstand R7 geliefert, der
parallel zu der Kombination R10-C- liegt und mittels eines
Transistors T1 ein- oder ausgeschaltet wird. Der Transistor T1
wird dadurch eingeschaltet, dass über den Widerstand-R„ und
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die Diode D„ Strom gezogen wird, wenn die Diode D1 bei auf
hohem Pegel liegendem Ausgang des NAND-Tores A^ gesperrt ist.
Letzteres ergibt sich, wenn sich RE2 schliesst und dem Tor Al
über den Puffer A2 und den Differenzierkreis R1Cp einen
Triggerimpuls liefert. Die NAND-Tore A_ und A^ bilden ein
Flip-Flop. Sobald der nächstfolgende Triggerimpuls am Eingang des Tores A„ erscheint, welcher Impuls durch den Differenzierkreis
RpC^ und die Aenderung des Potentialpegels von einem
hohen zu einem niedrigen Wert am Ausgang des Tores A1 infolge
des sich schliessenden Reed-Kontaktes RE1 erhalten wird,
klappt das Flip-Flop A-Ar um, wird der Ausgang von Al von
einem hohen auf einen niedrigen Pegel gebracht, wird der Transistor T1 gesperrt und wird der Leckwiderstand R- wieder
ausgeschaltet.
Bei einem praktischen Beispiel erfolgt die Regelung in einem Impulswiederholungsfrequenzbereich von einigen Hz
bis 60 Hz, wobei pro Periode, an Abhängigkeit von dem Motor und der Motorbelastung, eine Neigungskorrektur von 5 - 15$
der RC-Kombination R^qC1. durch den Leckwiderstand R_ stattfinden
kann· In dem genannten Frequenzbereich erfolgt eine genaue Synchronisation, nicht nur bei ansteigenden oder
abfallenden Frequenzänderungen, sondern auch beim plötzlichen Einschalten des Wandlers auf eine bestimmte Impulsfrequenz.
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Claims (1)
- -Vl- PHN.5880.ItPATSNTANSPRUECHE;M1J Impuls-Drehzahl-Wandler zur Umwandlung einer variablen Impulsfrequenz in eine dieser Frequenz proportionale Drehgeschwindigkeit einer Ausgangsachse, welcher Wandler einen Impulsfrequenz-Spaniiungswandler enthält, der eine Speiseschaltung für einen Motor mit Tachosignalgegenkopplung speist, dessen Rotor mit der Ausgangsachse gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gegenkopplung mit einem Signalgeber vorgesehen ist, der mit der Ausgangsachse gekoppelt ist und ein Achsenlagensignal an eine Schalteinrichtung abgibt, die mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist und deren Ausgang eine Korrektursignalquelle schaltet, die ein Korrektursignal dem Impulsfrequenzwandler zuführt, wobei die Gegenkopplungsregelung derartig ist, dass der Zeitpunkt, zu dem ein Achsenlagensignal auftritt, innerhalb einer Wiederholungsperiode der Eingangsimpulse liegt.2. Impuls-Drehzahl-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung ein Flip-Flop ist, das mittels des Achsenlagensignals in die eine Lage und mittels eines Eingangsimpulses in die andere Lage umklappt, während die Korrektursignalquelle einen Halbleiterschalter , enthält, der von dem Flip-Flop gesteuert wird und eine Korrekturgrösse ein- und ausschaltet, wobei diese Korrektur- gv'össe den Impulsfrequenzwandler beeinflusst.3. Impuls-Drehzahl-Wandler nach Anspruch 2, der einen Impulsfrequenz-Gleichspannungswandler mit einem monostabilen Multivibrator enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die303811/0809PITN.5830.KorrekturgrBsse an den zeitbestimnienden Kreis des monostabilen Multivibrators angeschlossen ist.h, Impuls-Drehzahl-Vandler nach Anspruch 2, der einen Impulsfrequenz-Gleichspannungswandler mit einer pro Eingangsimpuls während einer festen Zeit gesteuerten Stromquelle enthält, welche Stromquelle an einen Sammelkondeiisator mit Parallelwiderstand angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturgrösse die Amplitude des Stromes der Stromquelle beeinflusst,5. Impuls-Drehzahl-Wandler nach Anspruch 2, der einen Inipulsfrequenz-Gleichspannungswandler mit einem Samme!kondensator enthiilt, zu welchem Kondensator ein Entladekreis parallel geschaltet ist, über dem die Ausgangsgleichspannung entnommen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturgrösse ein Widerstand ist, der die Ladung des Saiiinielkondensators beeinflusst.3098 11
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