DE2740771A1

DE2740771A1 - Schaltungsanordnung zur bildung einer drehzahlproportionalen ausgangsspannung aus einer drehzahlproportionalen impulsfolge

Info

Publication number: DE2740771A1
Application number: DE19772740771
Authority: DE
Inventors: Karl Schalk
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1977-09-09
Filing date: 1977-09-09
Publication date: 1979-03-15
Also published as: DE2740771C3; DE2740771B2; JPS5454083A; US4266147A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen:

Berlin und München h VPA 77 P 320 7 BRQ

Schalturi(^anordnung zur Bildung einer drehzahlproportionalen Ausgangsspannung aus einer drehzahlproportionalen Impulsfolge

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Bildung einer drehzahlproportionalen Ausgangsspannung aus einer drehzahlproportionalen Impulsfolge.

Es ist bekannt, aus einer drehzahlproportionalen Impulsfolge eine drehzahlproportionale Gleichspannung dadurch zu erhalten, daß von den Impulsen der drehzahlproportionalen Impulsfolge eine Zeitstufe mit konstanter Spannungsamplitude und Dauer angestoßen wird und die auf diese Weise gebildeten Spannungs-Zeitflachen integriert werden. Da die Zeitkonstante des Zeitgliedes der Zeitstufe entsprechend der höchsten zu erfassenden Drehzahl ausgelegt sein muß, ergibt sich bei den niedrigeren Drehzahlen eine mehr oder weniger starke Welligkeit der auf diese Weise gewonnenen Ausgangsspannung. Eine solche ist jedoch als Istwert für eine Dreh-Zahlregelung mit großem Drehzahl-Stellbereich nicht geeignet. Man ist daher gezwungen, bei einer Drehzahlregelung mit großem Drehzahl-Stellbereich andere Drehzahl-Istwertgeber einzusetzen, bei denen die Welligkeit der Ausgangsspannung praktisch Null ist. Diese Eigenschaft weisen beispielsweise Gleichstrom-Kollektormotoren auf, die üblicherweise als Drehzahl-Istwertgeber in drehzahlgeregelten Antrieben mit analogen Führungs- und Stellgrößen eingesetzt werden. Gleichstrom-Kollektormotoren haben jedoch den Nachteil, daß die Lebensdauer und die Meßgenauigkeit, insbesondere bei hohen Drehzahlen infolge von Bürstenabnutzung sehr stark

Hs 2 Sei, 2.9.1977 9098 11/0487

abnehmen. Diesen Nachteil vermeiden kollektorlose Gleichstrommotoren. Diese erfordern aber einen hohen Schaltungsaufwand für den Kommutator, wobei die Ausgangsspannung ebenfalls eine relativ große Welligkeit aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß bei hoher Meßgenauigkeit die Welligkeit der Ausgangsspannung praktisch auf Null gehalten werden kann. Die Meßgenauigkeit wird im wesentlichen nur durch die Auflösung der Kodierscheibe zur Erzeugung der Impulse der Impulsfolge bestimmt. Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die drehzahlproportionale Ausgangsspannung mit Hilfe eines Funktionsgebers aus der Impulsbreite tp (Impulsdauer) der Impulsfolge durch Bildung einer Funktion 1/tp abgeleitet ist. Die Funktion 1/tp kann in einfacher Weise durch überlagerung mehrerer Exponentialfunktionen unterschiedlicher Zeitkonstante gebildet werden. Es hat sich gezeigt, daß eine hinreichende Genauigkeit bereits durch überlagerung dreier Exponentialfunktionen erzielbar ist.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, wird der Gegenstand der Anmeldung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild,
Figur 2 die Funktion 1/tp,

Figur 3 eine Schaltungsanordnung mit Funktionsgeber, Zwischenspeicher und Inverter und
Figur 4 die Signale für die Abtastung der Impulsbreite tp.

In Fig. 1 ist allgemein mit 1 eine Einrichtung zur Erzeugung einer drehzahlproportionalen Impulsfolge bezeichnet. Diese kann an sich beliebig gestaltet sein und nach dem magnetischen, induktiven, galvanomagnetischen oder optischen Prinzip arbeiten. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel findet ein galvanomagnetisches Abtastsystem Verwendung, wobei mit 2 eine Magnetscheibe bezeichnet ist, die an ihrem Umfang magnetisierte Zähne oder eine diesen entsprechende Magnetisierung aufweist. Die Magnetisierung ist dergestalt, daß Nord- und Südpole in ab-

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wechselnder Folge aufgebracht sind. Die Magnetisierung 3 beeinflußt einen Hallgenerator 4, dem ein Verstärker 5 nachgeschaltet ist, so daß am Ausgang dieses Verstärkers Rechteckimpulse S1 erscheinen, wobei bei dem gewählten Ausführungsbeispiel die Impulübreite (Impulsdauer) tp die Breite einer Impulspause aufweist. Diese Impulse S1 werden einem Funktionsgeber 6 zugeführt, der am Ausgang eine Spannung U1 abgibt, die proportional 1/tp ist. In hinein dem Funktionsgeber 6 nachgeschalteten Zwischenspeicher 7 werden die vom Funktionsgeber 6 abgegebenen, der Impulsbreite tj umgekuhrt proportionalen Spannur.gsimpulse gespeichert und stehen am Ausgang 8 als Spannung U2 zur Verfügung. Diese ist proportional dem Beti ig der Drehzahl.

Um jedoch -.tuch die Drehrichtung feststellen zu können, ist der Magnetscheibe 2 ein zweiter Hai!generator 9 zugeordnet, der gegenüber dem Hallgenerator 4 um 90° elektrisch versetzt angeordnet ist. Über einen Verstärker IO werden die von Hallgenerator ';< abgegebenen Impulse in gleicher Weise wie zuvor in Signalimpulse S2 umgewandelt, die gegenüber den Impulsen S1 in der Phase um 90° versetzt sind. Mit 11 ist eine Einrichtung zur Drehrichtungserkennung angedeutet, die an sich bekannt ist und daher auch nicht näher beschrieben zu werden braucht. Die Drehrichtungserkennungseinrichtung 11 beeinflußt einen Inverter 1?, der· über eine Leitung 13 mit dem Ausgang des Zwischenspeichers 7 in Verbindung steht. Am Ausgang 14 des Inverters kann eine Spannung U3 abgenommen werden, die sowohl der Drehzahl als auch der Drehrichtung der Magnetscheibe 2 proportional ist. Die mit 15 bezeichnete Einrichtung ist also nur dann erforderlich, wenn die drehzahlproportionale Aasgangsspannung auch die Drehrichtung durch eine entsprechende Polarität kennzeichnen soll. Diese zusätzliche Einrichtung 15 ist in Fig. 1 mit strichpunktierten Linien umrahmt.

Wie zuvor ausgeführt worden ist, werden die Ausgangsimpulse S1 des Impulsgebers 1 dem Funktionsgeber 6 zugeführt. Die Impulsbreite tp der Impulse S1 ist der Drehzahl η des mit der Magnetscheibe 2 gekuppelten Antriebs umgekehrt proportional.

tp ~ 1 /n; η — 1 /tp ~ U1 90981 1/0487

Der Funktionsgeber 6 soll nun so ausgebildet sein, daß er eine Ausgangsspannung U1 liefert, die der Impulsbreite tp umgekehrt und der Drehzahl η direkt proportional ist. Um also die drehzahlabhängige Ausgangsspannung U1 zu erhalten, muß durch die Impuliibreite tp dividiert werden. Eine exakte Dividierschaltun^ elnktronisch zu realisieren, ist sehr aufwendig.

Gemäß der Erfindung wird daher vorgeschlagen, daß die Funktion 1/tp durch überlagerung mehrerer Exponentialfunktionen unterschiedlicher Zeitkonstante gebildet wird. Es leuchtet ein, daß diese Funktion um so exakter nachgebildet werden kann, je mehr Exponentialfunktionen verwendet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Funktion 1/tp bereits durch die Überlagerung von drei Exponentialfunktionen mit ausreichender Genauigkeit nachgebildet werden kann. In Fig. 2 ist die Funktion 1/tp dargestellt, wobei in der Abszissenachse die Impulsbreite tp und in der Ordinatenachse die Spannung U1 aufgetragen ist. U1 ist ja proportional der Drehzahl n.

Wie Fig. 3 zeigt, werden die drei Exponentialfunktionen durch RC-Glieder 16, 17 und 18 gebildet. Diese drei e-Funktionen besitzen unterschiedliche Zeitkonstanten τ1, τ2 und τ.3. τ1 wird bestimmt durch die beiden Parallelwiderstände R1 und R2 und den Kondensator C1, τ2 wird bestimmt durch die beiden Parallelwiderstände R3 und R4 und Kondensator C2 und i3 wird bestimmt durch die beiden Parallelwiderstände R5 und R6 und Kondensator· 03.

.'ährend die Widerstände R1 , ^U3 und R5 die ladewiderstände bilden und an der positiven Versorgungsspannung liegen, bilden die Widerstände R2, Rh und R6 Entladewiderstände. Sie sind in einem Strom-Summenpunkt 19 miteinander verbunden und stehen mit dem invertierenden Eingang eines Verstärkers V1 in Verbindung. Die RC-Glieder 16, 17 und 18 werden über Gatter G1, G2 und G3 angesteuert; sie bestimmen, ob die Kondensatoren C1, C2 und C3 geladen oder entladen werden. Vorzugsweise werden als Gatter CMOS-Gatter mit open-drain-Ausgängen verwendet, welche den Vorzug haben, daß zusätzliche Strombegrenzungswiderstände für den Entladestrom aufgrund der CMOS-Struktur nicht erforderlich sind.

Die Gatter G1 bis G3 werden über Gatter G4 und G5 einerseits unmittelbar von den Signalen S1 als auch mittelbar über eine Zeit-

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stufe Z1 angesteuert. Ist kein Signal S1 vorhanden, so ist der Eingang des HOR-Gatters G5 Null, am Ausgang erscheint dann das Η-Signal. Da das Gatter GU eine Umkehrstufe ist, führt der Ausgang dieses Gatters Null-Signal. Null-Signal für die Gatter G1 bis G3 bedeutet, daß der Verbindungspunkt der RC-Glieder 16 bis 18 auf Nullpotential gelegt ist, so daß die Kondensatoren C1 bis C3 praktisch kurzgeschlossen sind. Der Strom-Summenpunkt liegt dann etwa auf Nullpotential. Erscheint nun ein Eingangsimpuls S1 am Eingang E, so erscheint dieses ebenfalls am Ausgang des Gatters GA, so daß die Gatter G1 bis G3 geöffnet werden, so daß sich die Kondensatoren C1 bis C3 über die Widerstände R1, R3 bzw. R5 aufladen können. Die Ladezeit wird durch die Dauer bzw. Impulsbreite der Eingangs-Impulse bestimmt. Die Ladespannungen der Kondensatoren C1 bis C3 werden über die Widerstände R2, R4 bzw. R6 in Ströme umgewandelt und dem Strom-Summenpunkt 19 am Eingang des Verstärkers V1 zugeführt.

Der invertierende Eingang des Verstärkers V1 ist über einen Widerstand R9 mit dem negativen Pol der Versorgungsspannung U verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers V1 ist über einen Widerstand R8 mit dem Bezugspunkt verbunden. Durch den Widerstand R9 wird der Strom-Summenpunkt 19 am Verstärker V1 so verschoben, daß die an sich ansteigende Ladespannung der Kondensatoren C1 bis C3 am Ausgang des Verstärkers V1 als zeitlich abnehmende Spannung U1~i/tp erscheint. Diese Ausgangs spannung des Funktionsgebers 6 wird nun in dem nachgeschalteten Zwischenspeicher 7 für Jeweils einen Meßzyklus gespeichert. Die Ausgangsspannung U2 des Zwischenspeichers 7 entspricht dann dem Betrag des Drehzahlmomentanwertes η. Um dies zu bewerkstelligen, ist die Zeitstufe Z1 vorgesehen, die mit der Rückflanke der Eingangsimpulse Si aktiviert wird. Der Ausgang 0 gibt dann einen Impuls S3 ab, wie aus Fig. U zu ersehen ist. Die Impulsdauer wird durch einen Widerstand R11 und Kondensator C5 festgelegt. Der Ausgangsimpuls S3 der Zeitstufe Z1 schaltet einen FET-Analog-Schalter G6 kurzzeitig in den leitenden Zustand, so daß ein Kondensator CA über einen Widerstand R10 mit einer Zeitkonstante τA = R10 · C4 auf die Ausgangsspannung U1 von dem Verstärker V1 geladen wird. Im gesperrten Zustand des FET-Analog-Schalters G6 entspricht die Spannung an dem Kondensator CA dem Momentanwert der Drehzahl n.

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Die Spannung an dem Kondensator CU wird dem nichtinvertierenden Eingang eines Verstärkers V? zugeführt, der praktisch als Impedanzwandler arbeitet; am Ausgang des Verstärkers V2 steht die Kondensatorspannung U2 des Kondensators CA dann niederohmig zur Verfügung, über die Leitung 8 kann somit die der Drehzahl proportionale Spannung U2 abgenommen werden.

Damit sich die Kondensatoren C1 bis C3 nicht bereits während der Abtastung durch die Impulse S3 entladen, wird über das Gatter G3 die Impulsbreite der Eingangsimpulse SI um die Dauer der Abtastimpulse S3 verlängert. Wie Fig. 4 zeigt, setzt sich die Meßzeit L, (Meßimpuls S4) aus der Impulsbreite tp und der Dauer der, Abtastimpulses 33 zusammen. Während dieser Zeit werden die Kondensatoren C1 bis C3 geladen. In der folgenden Impulslücke werden die Kondensatoren C1 bis C3 mit Hilfe der Gatter G1 bis G3 wieder entladen. Beim nächsten Impuls S1 am Eingang E wiederholen sich die beschriebenen Vorgänge. Der Einfluß der Abtpstimpu Ise S3 auf die Meßgenauigkeit kann auch vernachlässigt werden, da in der Regel der Abtastimpuls S3 von erheblich kleinerer Dauer ist als der Impuls S1.

Um auch die Drehrichtung zu berücksichtigen, kann mit Hilfe de? Inverters 12 die Polarität der Ausgangsspannung des Verstärkerr V2 entsprechend der Jeweiligen Drehrichtung umgeschaltet werden.

Der Inverter 12 weist einen Verstärker V3 auf, dem die Ausgangsspannung U2 des Verstärkers V2 über Leitung 13 und Widerstände R12 und R13 an beiden Eingängen zur Verfügung gestellt wird. Der· Ausgang des Verstärkers V3 steht über einen Widerstand R14 gleicher Größe wie die Widerstände R12 und R13 mit dem Eingang des invertierenden Eingangs in Verbindung. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers V3 kann über einen FET-Analog-Schalter G7 auf Bezugspotential gelegt werden. Die Ansteuerung dieses Schalters erfolgt durch das Signal S? gemäß Fig. 1. Ist das Signal S2 vorhanden, ist der Schalter G7 nicht durchgeschaltet, so daß an beiden Eingängen des Verstärkers V3 Signal anliegt, so daß das Eingangssignal U2 an der Leitung 13 unverändert am Ausgang 14 erscheint. Der Verstärker V3 arbeitet nichtinvertierend. Sobald jedoch das Ausgangssignal S2 verschwindet, schließt der Schalter G7 und legt den nichtinvertierenden Eingang auf Bezugspotential. In

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diesem Falle arbeitet der Verstärker V3 invertierend, so daß am Ausgang 14 des Verstärkers V3 das inverse Signal entsteht. Da die Verstärkung in beiden Fällen V = 1 ist, ist das Ausgangssignal U3 in beiden Fällen gleich proportional der Drehzahl n, wobei jedoch durch die Polarität der Spannung U3 die Drehrichtung bestimmt ist. Die Polarität der Ausgangsspannung den Verstärkers V3 wird also durch das Signal S2 festgelegt.

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Claims

Patentansprüche

Schaltungsanordnung zur Bildung einer drohzah Lproport.i cnnl en —Äusgangsspannung aus einer dreKznM.proportiinalen Irr.puIs : c 1 \y~-. dadurch gekennzeichnet, daß die Irehznhi-· proportionale Äusgangsspannung (Jl) mit Hilfe eines Funktionsgebers (6) aus der Impulsbreite (Ip) der Impulsfolge (Π1) durch Bildung einer Funktion ( l/tp) abgeleitet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion (l/tp) durch überlagerung mehrerer Exponentialfunktionen mit unterschiedlichen Zeitkoristanten gebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nacl· Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Exponentialfunktionen durch RC-Gl Leder ( ]C bi<· 1-'<) gebildet sind.

h. Schaltungsanordnung nacn Anbruch ³J, dadurch gekennzeichnet. daß der Ladezustand der Konde;>f uoren (CI bis C3) der FH'-Gl iedf·: (16 bis 18) in Abhängigkeit im der Impulsbreite { tp) (Dauei": der Impulsfolge (51) veränderbar- ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch < , dadu.ch gekennzeichnet, daß der Ladezustand der Kondensatoren (C1 bis C3) der RC-Olieiei (16 bis 18) über Gatter (G1 bis G^) beeinflußt wird, die vci. den Impulsen (Si) der Impulsfolge ansteuerbar' sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Gatter (G1 bis G3) CMOS-Gatter mit open-drain-Ausgöngen verwendet sind, die den Kondensatoren (C1 bis C3) dar an einer konstanten Spannung (U) liegenden .IC-Glieder (16 bis 18) parallel geschaltet sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladespannung der Kondensatoren (C1 bis 03) der RC-Glieder (16 bis 18) mit Hilfe von Widerständen (R2, R4_P R6) in Ströme umgewandelt wird und diese gemeinsam dem invertierenden

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Eingang eines Verstärkers (V1) zugeführt werden, wobei der Strom-Summenpunkt (19) am Eingang des Verstärkers (V1) durch einen am negativen Potential liegenden Widerstand (R9) so verschoben wird, daß die an sich ansteigende I,ad«spannung der Kondensatoren (Ci bis C3!¹ der RC-Glieder (16 bis 18) am Ausgang des Verstärkern a'la zeitlich abnehmende Spannung erscheint.

O. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Funktionsgeber (6) ein Zwischenspeicher· (7) nachgeschaltet ist, der nach ,jeder Impulsbreitenmessung die am Ausging des Verstärkers (V1) abgebildete drehzahlproportionale Spannung (U1) speichert.

9. Schal tu. igsanOrdnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (7) aus einem Kondensator (C4) besteht, der über eimn vorzugsweise kontaktlosen Schalter (G6) kurzzeitig über einen Widerstand (RIO) mit dem Ausgang des Verstärkers (V1) des Funktionsgebers (6) verbindbar ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des kontaktlosen Schalters (06) von einem Zeitglied (Z1) erfolgt, das von der RUckflanke eines Impulses (Si) der Impulsfolge angestoßen wird.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Zeitglied (Z1) gelieferte Abfrageimpuls (S3) klein gegenüber der Breite (Dauer) der Impulse (S1) der Impulsfolge ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (Dauer) des Impulses (S1) der Impulsfolge um die Breite des Abfrageimpulses (S3) vergrößert ist.

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (C4) des Zwischenspeichers (7) ein als Impulswandler geschalteter Verstärker (V2) nachgeschaltet ist.

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14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (13) des Zwischenspeichers (7) irit einem Inverter (1P) in Verbindung steht, an dessen Ausgang ein der Größe vv.c dor Prebrichttw r»blu:i.giges Signa] (U3) abnehmbar i;;t.

15. Schaltungsanordnung nach /"-.iSpruch 15, ciadu:-nh gekenn:-eich-· ret, daß dem nichtirvei ti croi -J--η Eir^enc des \ e''stär-kets (\'^x)
oc· "inverters (1?) ebenf εΓ Ir- di· Ausgtwigi^r .,^-tnnung 'ley Zwischensp«¹'ic! ers (7) zugeführt .U-rt. u-ü: der zur Bildung dei; invertiert^· '-if'niaJs in Abhängigkeit vom -Jk. t Drehrichtung (ojgnal S>'> auf Ber.ugspott· itial legbax ist.

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