DE3620350A1 - Vorrichtung zum messen der drehzahl eines rotierenden teils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines rotierenden Teils, insbesondere einer Welle eines Elektromotors, mit einem ersten Impulsgenerator zum Erzeugen einer Impulsfolge mit einer Frequenz, die der Drehzahl des rotierenden Teils proportional ist, einem ersten Zähler zum Zählen der Impulse der Impulsfolge, einem zweiten Impulsgenerator zum Erzeugen eines Taktsignals fester Frequenz, einem zweiten Zähler und einer Recheneinheit zum Berechnen der Drehzahl des rotierenden Teils.

Eine solche Vorrichtung zum Messen der Drehzahl ist normalerweise in einem Drehzahlsteuersystem enthalten, wie es für Vorrichtungen zum Ändern der Drehzahl für eine Thyristor-Leonard-Schaltung in einem Walzwerk oder dergleichen verwendet wird.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild eines Regelsystems mit einer konventionellen Drehzahlmeßvorrichtung. Die Anordnung enthält einen Gleichstrommotor 11, eine Vorrichtung 12 zum Messen der Drehzahl des Gleichstrommotors 11 und einen Drehzahlregler 13 zu Erzeugen einer Regelgröße, die der Differenz zwischen einem Drehzahl-Sollsignal und der durch die Vorrichtung 12 gemessenen tatsächlichen Drehzahl entspricht. Außerdem sind eine Dreiphasen- Wechselstromquelle 14, ein Leistungsgleichrichter 15 zum Umwandeln des Dreiphasen-Wechselstroms in eine variable Gleichspannung, ein Stromsensor 16 zum Messen des dem Leistungsgleichrichter 15 zugeführten Stromes und ein Stromregler 17 zur Einstellung der Ausgangsspannung des Leistungsgleichrichters 15 vorgesehen. Die Einstellung der Ausgangsspannung des Leistungsgleichrichters 15 erfolgt in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen dem durch den Stromsensor 16 gemessenen Strom und der von dem Drehzahlregler 13 gelieferten Regelgröße. Weiterhin ist eine Gate-Steuerschaltung 18 vorgesehen, die die Schaltelemente wie Thyristoren des Leistungsgleichrichters 15 in Übereinstimmung mit den von dem Stromregler 17 gelieferten Signalen steuert. Die Drehzahl des Gleichstrommotors 11 wird durch Veränderung der ihm zugeführten Spannung gesteuert. Der Leistungsgleichrichter 15 ist in der Lage, entweder eine positive oder eine negative Ausgangsspannung zu liefern, je nach der von dem Drehzahlregler 13 gelieferten Regelgröße.

Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt.
Das Regelverhalten einer solchen Schaltungsanordnung wird im allgemeinen verbessert, wenn die Abtastzeit für das Messen der Drehzahl verkürzt wird. Aufgrund des in jedem Mechanismus wie eines Getriebes vorhandenen Spiels treten jedoch große kurzzeitige Schwankungen in der gemessenen Drehzahl auf, wenn die Abtastzeit kurz ist, so daß auch die Regelgröße des Drehzahlreglers 13 in erheblichem Maße impulsartig schwankt. Ist die angeschlossene Last gering, so daß ein verhältnismäßig geringes Drehmoment erforderlich ist, so ist der mittlere Strom ebenfalls gering ist. Es kann somit ein Zustand entstehen, bei dem die Regelgröße aufgrund der kurzzeitigen Drehzahlschwankungen zwischen positiven und negativen Werten schwankt. Dementsprechend muß der Leistungsgleichrichter 15 dauernd zwischen der Erzeugung einer positiven Spannung und einer negativen Spannung hin- und hergesschaltet werden, wodurch das Regelsystem unstabil wird und unnötige Schaltzeiten verbraucht werden.

Wird jedoch die Abtastzeit verlängert, so gehen die momentanen Schwankungen in dem Mittelwert unter, so daß die Drehzahlvariationen zurückgehen und das Regelsystem sich stabilisiert. Wird jedoch von dem Motor zum Beispiel aufgrund eines Walzvorganges durch eine höhere Last ein größeres Drehmoment gefordert, so steigt als Resultat der mittlere Strom an. Die Stromschwankungen gehen im Verhältnis zum mittleren Strom zurück und werden fast vernachlässigbar. Es ist aus diesem Grunde erforderlich, das Ansprechverhalten in einem solchen Zustand durch Einstellen einer kurzen Abtastzeit zu verbessern.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist es also erforderlich, die Abtastzeit abhängig von der Last zu verändern, um über den vollen Arbeitsbereich eine hohe Stabilität zu erzielen.

Es ist bereits eine Drehzahlmeßvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art für ein Drehzahlsteuersystem bekannt, wie es in der japanischen Gebrauchsmusterpublikation Nr. 53-53 776 beschrieben wurde. In der vorliegenden Anmeldung zeigt Fig. 4 ein Blockschaltbild und Fig. 5 ein Zeitdiagramm der Signale zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung. Ein Impulsgenerator 1 erzeugt eine Impulsfolge ϕ mit einer Frequenz, die proportional der Drehzahl ist, und diese Impulsfolge wird zum Zählen einem ersten Zähler 2 zugeleitet. Ein weiterer (zweiter) Impulsgenerator 3 erzeugt eine Taktimpulsfolge CLK mit fester Frequenz, die einem zweiten Zähler 5 zum Zählen zugeführt wird. Beim Eintreffen jedes Impulses Φ vom Impulsgenerator 1 wird der Zählwert des zweiten Zählers 5 in ein Register 8 eingegeben. Dies bedeutet, daß in dem Register 8 Ns 1 Taktimpulse gespeichert werden, wenn während des ersten Drehzahlimpulses Φ Ns 1 Taktimpulse CLK vom Impulsgenerator 3 ausgegeben werden. Während des nächsten Drehzahlimpulses Φ werden dann Ns 2 Taktimpulse und anschließend Ns 3 Taktimpulse nacheinander gespeichert. Die Summe Ns der Zählerwerte des zweiten Zählers 5, die in dem Register 8 während der Zählzeit des ersten Zählers 2 von Null bis N Φ gespeichert wird, kann wie folgt ausgedrückt werden:

Ns = Ns 1 + Ns 2 + . . . + Ns Φ.

Die Anzahl N von Umdrehungen in einem Wert ist also proportional der Anzahl der Drehzahlimpulse des Impulsgenerator 1 während einer Zeiteinheit und kann wie folgt ausgedrückt werden

Die Drehzahl N kann also durch Berechnung der Gleichung (2) ermittelt werden, indem die Inhalte N Φ und Ns des Registers 8 in eine CPU 7 eingegeben werden, wobei Ka und Kb Proportionalitätskonstanten sind und Ts eine Drehzahlmeßzeit darstellt, die der Abtastperiode für den Drehzahlmeßvorgang entspricht.

Ein solches konventionelles Drehzahlmeßsystem, bei dem die Drehzahl durch die Anzahl der Taktimpulse CLK bestimmt wird, die während der Zeiteinheit eines Impulses Φ eingegeben wird, hat zur Folge, daß die Dauer eines Impulses Φ bei niedriger Geschwindigkeit lang ist und die Anzahl Ns Φ von Taktimpulsen CLK pro Impuls Φ genügend groß wird , so daß der Fehler gering ist. Ist die Dauer eines Impulses Φ jedoch bei hoher Drehzahl kurz, so hat die bekannte Anordnung den Nachteil, daß die Anzahl Ns 1 von Taktimpulsen CLK pro Impuls Φ gering wird, wodurch sich der Fehler erhöht. Dementsprechende erhöht sich der in die Summe Ns von Ns 0, Ns 1 . . . usw. hineingebrachte Fehler ebenfalls bei hoher Geschwindigkeit. Wird N Φ konstant gehalten, so ändert sich die Abtastzeit Ts nur abhängig von der Periode des Signals Φ, das der Drehzahl entspricht, und es ist unmöglich, die Abtastzeit Ts der CPU 7 unabhängig von dem Signal Φ zu machen. In einer Schaltungskonfiguration, in der Ts mit N Φ variabel in Abhängigkeit mit Φ gemacht werden kann, ist ein Komparator erforderlich, um den Zählwert des ersten Zählers 2 mit einem eingestellten Wert N Φ zu vergleichen. Hierdurch wird jedoch die Anzahl von Bauelementen erhöht und die Schaltungsanordnung erheblich komplizierter.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines rotierenden Teils vorzuschlagen, die in der Lage ist, einen Drehzahlmeßwert mit hoher Genauigkeit unabhängig davon auszugeben, ob die Drehzahl hoch oder niedrig ist. Die Vorrichtung soll dabei einfach aufgebaut sein.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines rotierenden Teils der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der zweite Zähler als voreinstellbarer Abwärtszählers ausgebildet ist zum schrittweisen Abwärtszählen um einen vorbestimmten Wert anhängig von jedem zugeführten Taktimpuls des Taktsignals und zum Ausgeben eines Borgesignals, wenn der Zählwert auf einen bestimmten Wert erniedrigt worden ist; und daß die Berechnung der Drehzahl des rotierenden Teils durch die Recheneinheit erfolgt auf der Basis des Zählwertes des ersten Zählers, der während der Abtastzeit vom Start des Abwärtszählens des voreinstellbaren Abwärtszählers bis zur Ausgabe des Borgesignals verstrichen ist, wobei nach Abschluß eines solchen Rechenvorganges ein Voreinstellsignal ausgegeben wird, um den Zählwert des voreinstellbaren Abwärtszählers auf den vorbestimmten Wert einzustellen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines rotierenden Teils gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Signale an den verschiedenen Punkten der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein bekanntes Drehzahlregelsystem, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt werden kann;

Fig. 4 das Blockschaltbild einer bekannten Vorrichtung zum Messen der Drehzahl; und

Fig. 5 ein Zeitdiagramm für die Signale an verschiedenen Punkten der Vorrichtung nach Fig. 4.

In der Vorrichtung nach Fig. 1 sind ein Impulsgenerator 1, ein erster Zähler 2, ein Impulsgenerator 3 und eine CPU 7 vorgesehen, die die gleiche Funktion wie die entsprechenden Teile in der Fig. 4 ausüben und deshalb mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Zusätzlich enthält die Vorrichtung nach Fig. 1 ein Einstellregister 6, einen voreinstellbaren Abwärtszähler 9 und eine Abtastbefehlsschaltung 10.

Im Betrieb erzeugt der erste Impulsgenerator 1 Ausgangsimpulse Φ mit einer Frequenz, die der Drehzahl proportional ist. Diese Impulse werden dem ersten Zähler 2 zugeführt, der als Aufwärtszähler ausgebildet ist. Außerdem erzeugt der Impulsgenerator 3 Taktimpulse CKL mit der Frequenz 1/t, die dem voreinstellbaren Abwärtszähler 9 zugeführt und durch diesen gezählt werden. Wird dem voreinstellbaren Zähler 9 von der Abtastbefehlsschaltung 10 ein Ladesignal zugeleitet, so wird der Zähler auf einen Zählerstand Nc eingestellt, der durch das Einstellregister 6 vorgegeben wird. In Übereinstimmung mit den Taktimpulsen CLK vom Impulsgenerator 3 zählt der voreinstellbare Abwärtszähler 9 von dem Wert Nc abwärts und gibt beim Erreichen des Zählerstandes Null ein Borgesignal an die Abtastbefehlsschaltung 10 aus. Anschließend zählt der voreinstellbare Abwärtszähler 9 bis -1, -2, -3 . . . usw. abhängig von dem Eintreffen der Taktimpulse CLK.

Die in der Fig. 2 gezeigten Zeitdiagramme zeigen, wie der Drehzahlmeßvorgang in der Vorrichtung nach Fig. 1 abläuft. Wird von der Abtastbefehlsschaltung 10 dem voreinstellbaren Abwärtszähler 9 ein Ladesignal zugeführt, so wird der Zählwert des voreinstellbaren Abwärtszählers 9 gleich dem in dem Einstellregister 6 gespeicherten Wert Nc. Wird angenommen, daß der Zählwert des ersten Zählers 2 zu diesem Zeitpunkt gleich N Φ 1 ist, so zählt der voreinstellbare Abwärtszähler 9 schrittweise abwärts entsprechend den ankommenden Taktimpulsen CLK. Die Abtastzeit Ts endet mit dem Anstieg des nächsten Drehzahlimpulses Φ nach Erreichen des Zählwertes Null.

Somit wird die Zeit Tc, die erforderlich ist, um den Zählwert des voreinstellbaren Zählers 9 von Nc auf Null zu erniedrigen, durch folgende Größe angegeben:

Somit ist Ts Tc. Ist die Drehzahl niedrig, so wird die Abtastzeit Ts fast unendlich hoch. In einem Normalzustand, bei dem während der eingestellten Abtastzeit Tc mehr als ein Drehzahlimpuls Φ erzeugt wird, steigt der Drehzahlimpuls Φ vor dem Ablauf des letzten Abtastzeitraums Tc nach einem vorhergehenden Abtastzeitraum Tc an. Somit ergibt sich bei normalem Betrieb folgendes Bild:

Somit wird Ts begrenzt und es wird somit möglich, Ts durch Variation von Nc, der Tc bestimmt, zu steuern.

Am Ende der Abtastzeit Ts wird ein Interruptsignal von der Abtastbefehlsschaltung 10 an die CPU 7 gegeben. Abhängig von diesem Interruptsignal wird die CPU 7 so gesteuert, daß sie die entsprechenden Zählwerte N Φ 2 und Nsa des ersten Zählers 2 und des voreinstellbaren Abwärtszählers 9 empfängt. Wird ein Ladesignal an den voreingestellten Abwärtszähler 9 gegeben, um das Laden des Wertes des Einstellregisters 6 zu ermöglichen, so schaltet die Drehzahlmessung auf die nächste Abtastperiode weiter. Die Anzahl Δ Ns von Taktimpulsen CLK, die während des Zeitraums Ts - Tc erzeugt werden, ist gleich -Nsa, während die Anzahl Ns von Taktimpulsen CLK, die während der tatsächlichen Abtastzeit erzeugt werden, durch folgenden Ausdruck gegeben ist:

Die Anzahl N Φ von Drehzahlimpulsen Φ, die während des Zeitraums Ts erzeugt wird, ist durch folgende Gleichung bestimmt:

Werden die obigen Werte in die Gleichung (2) eingesetzt, so ergibt sich die Drehzahl N aus dem folgenden Wert:

Hieraus folgt, daß der voreinstellbare Abwärtszähler 9 die Funktion eines Zählers der Taktimpulse CLK hat, die vom Impulsgenerator 3 geliefert werden. Eine andere Funktion besteht darin, die eingestellte Abtastzeit Tc zu messen, um die Abtastzeit Ts zu bestimmen. Somit ist kein Komparator erforderlich, um den Zählwert des voreinstellbaren Abwärtszählers 9 mit dem Wert Nc zu vergleichen. Da die CPU 7 in der Lage ist, die Zählwerte N Φ und Ns abhängig von dem zugeführten Interruptsignal zu bestimmen, ist kein Register erforderlich, um etwa die Werte N Φ und Ns zu speichern.

Mit anderen Worten, es besteht eine Zeitdifferenz Δ Ts zwischen der Bestimmung der Abtastzeit Ts und der Eingabe der Zählwerte in die CPU 7 nach Zuführung des Interruptsignals. Es tritt jedoch kein Problem auf, wenn die Perioden der erzeugten Drehzahlimpulse Φ und Taktimpulse CLK deutlich länger sind als die Zeitdifferenz Δ Ts. Mit der Ausnahme spezieller Fälle ist die Periode der erzeugten Drehzahlimpulse Φ ausreichend länger als die Zeitdifferenz Δ Ts, und die Periode der Taktimpulse CLK ist im wesentlichen gleich oder kürzer als Δ Ts.

Obgleich die tatsächliche Anzahl der während der Abtastzeit Ts erzeugten Taktimpulse CLK gleich Ns ist, wird der an die CPU 7 eingegebene Wert gleich Ns + ε (siehe Fig. 2). Da die von ε herrührende Zeitdifferenz Δ Ts bei der Aufstellung eines Programms bestimmt wird, entspricht die Anzahl ε von während Δ Ts erzeugten Impulsen der Taktimpulsfolge CLK in einer vorbestimmten Periode einem bestimmten festen Wert. Auf diese Weise kann ein exakter Wert Ns durch entsprechende Kompensation erzielt werden , indem von dem in die CPU 7 eingegebenen Wert Ns + ε immer der Wert ε substrahiert wird.

In der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird die Drehzahl aus zwei Faktoren berechnet. Der eine Faktor besteht aus der Anzahl N Φ von Drehzahlimpulsen Φ, während der andere Faktor durch die Anzahl Na von Taktimpulsen CLK gebildet wird, die während der Abtastzeit Ts erzeugt werden, wobei die Abtastzeit Ts im Bereich von 2Tc Ts Tc im wesentlichen konstant ist. Hierdurch kann die Messung der Drehzahl mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden, unabhängig davon, ob die Drehzahl hoch oder niedrig ist.

Es wurde in Verbindung mit der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, daß, wenn der Zählwert des voreinstellbaren Abwärtszählers 9 den Wert Null erreicht, der Zählwert entsprechend -1, -2 . . . usw. in Übereinstimmung mit den eingehenden Impulsen fortschreitet. Der voreinstellbare Abwärtszähler 9 kann jedoch auch so ausgebildet sein, daß bei einem Erreichen des Zählerstandes Null wieder ein Ladewert Nc automatisch in den Zähler 9 eingeladen wird, und daß nach Ersetzen des Zählwertes durch Nc der Zähler entsprechend Nc - 1, Nc - 2 . . . usw. in Übereinstimmung mit den eingehenden Impulsen fortschreitet. In einem solchen Fall wird der Zählwert Nsc des voreinstellbaren Abwärtszählers 9 am Ende der Abtastzeit Ts durch folgenden Wert bestimmt:

so daß Ns wie folgt bestimmt wird:

Der erste Zähler 2 in der vorliegenden Ausführungsform ist als Aufwärtszähler ausgebildet und die Anzahl von Drehzahlimpulsen Φ wird aus N Φ = N Φ 2 - N Φ 1 ermittelt, unter der Bedingung, daß N Φ 1 kleiner ist als N Φ 2. Es ist jedoch auch möglich, den ersten Zähler 2 als Abwärtszähler auszubilden. In einem solchen Fall ist N Φ 1 größer als N Φ 2, und die Anzahl der Drehzahlimpulse Φ wird durch N Φ = N Φ 1 - N Φ 2 bestimmt.

Zum Zwecke der Variation der Abtastzeit Ts ist das Einstellregister 6 vorgesehen, um Nc durch die CPU 7 in Echtzeitbetrieb zu bestimmen. Soll Ts jedoch nicht variiert werden, so ist das Einstellregister 6 nicht erforderlich, wodurch die Vorrichtung einfacher wird. Wird die Vorrichtung zum Messen der Drehzahl mit einem Mechanismus versehen, um Impulse zu erzeugen, deren Frequenz proportional der Drehzahl ist, so ist die Vorrichtung in der Lage, sowohl die Geschwindigkeit einer Linearbewegung als auch die Drehzahl eines drehenden Teils zu messen.

In der vorstehend beschriebenen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein voreinstellbarer Abwärtszähler verwendet, um die Anzahl Ns von Taktimpulsen CLK zu zählen, und die Daten N Φ und Ns können bei einem Interruptvorgang der CPU eingegeben werden. Auf diese Weise ist eine zusätzliche, effektive Steuerfunktion möglich, um die Abtastzeit Ts zu variieren. Außerdem ist weder ein Komparator noch ein Register erforderlich, um die Zählwerte Ns und N Φ zu speichern. Auf diese Weise ergibt sich ein deutlich geringerer Aufwand und eine wesentlich einfachere Struktur der Vorrichtung bei hoher Genauigkeit.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines rotierenden Teils, mit einem ersten Impulsgenerator zum Erzeugen einer Impulsfolge mit einer Frequenz, die der Drehzahl des rotierenden Teils proportional ist, einem ersten Zähler zum Zählen der Impulse der Impulsfolge, einem zweiten Impulsgenerator zum Erzeugen eines Taktsignals fester Frequenz, einem zweiten Zähler und einer Recheneinheit zum Berechnen des rotierenden Teils,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zähler als voreinstellbarer Abwärtszähler (9) ausgebildet ist zum schrittweisen Abwärtszählen um einen vorbestimmten Wert abhängig von jedem zugeführten Taktimpuls des Taktsignals (CLK) und zum Ausgeben eines Borgesignals, wenn der Zählwert auf einen bestimmten Wert erniedrigt worden ist; und
daß die Berechnung der Drehzahl des rotierenden Teils durch die Recheneinheit (7) erfolgt auf der Basis des Zählerwertes des ersten Zählers (2), der während der Abtastzeit vom Start des Abwärtszählens des voreinstellbaren Abwärtszählers (9) bis zur Ausgabe des Borgesignals verstrichen ist, wobei nach Abschluß eines solchen Rechenvorganges ein Voreinstellsignal ausgegeben wird, um den Zählwert des voreinstellbaren Abwärtszählers (9) auf den vorbestimmten Wert einzustellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Einstellregister (6) zur Abgabe des vorbestimmten Wertes des voreinstellbaren Abwärtszählers (9) abhängig von dem Voreinstellsignal.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Einstellregister (6) angegebene Wert variabel ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Abtastbefehlsschaltung (10), die der Recheneinheit (7) ein Interruptsignal (Ts) zuführt, das die Beendigung der Abtastzeit abhängig von dem Borgesignal des voreinstellbaren Abwärtszählers (9) bewirkt und dem voreinstellbaren Abwärtszähler (9) ahängig von einem Ladefreigabesignal der Recheneinheit (7) ein Ladesignal zuführt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zähler (2) ein Aufwärtszähler ist.

6. Vorichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zähler (2) ein Abwärtszähler ist.