EP0571646A1 - Einrichtung zum Ermitteln des Quotienten zweier analoger elektrischer Grössen - Google Patents

Abstract

Die Quotientenbildung zweier elektrischer Größen (Ue,UV) wird in einer Regelschaltung (R,VCO,M1,G1,P1) vorgenommen, die einen Multiplizierer (M1) in ihrer Rückführung aufweist. Durch Einsatz eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers (VCO) kann die dem Quotienten entsprechenden Größe als Frequenzsignal gewonnen werden, den entweder direkt digital weiterverarbeitbar ist oder dazu leicht in ein Analogsignal umformbar ist. <IMAGE>

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ermitteln des Quotienten zweier analoger elektrischer Größen.
• Bei technischen Prozesse, beispielsweise Antriebsregelungen elektrischer Maschinen, kommt es vor, daß der Quotient zweier analoger Größen benötigt wird, der dann gegebenenfalls analog oder digital speziellen Verarbeitungseinrichtungen zugeleitet wird. Zur Realisierung dieser Quotientenbildung stehen prinzipiell zwei Möglichkeiten zur Verfügung.
• Zum einen kann der Quotient zweier analoger Größen mittels eines Analogdividierers oder eines beschalteten Analogmultiplizierers gebildet werden. Das analoge Ergebnis kann dann zur Weiterverarbeitung in einer Recheneinheit mit Hilfe eines Analog-Digital-Umsetzers digitalisiert werden. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß relativ teuere Bausteine verwendet werden müssen und zur Steuerung des Analog-Digital-Umsetzers wird ein gesondertes Steuerwerk benötigt. Ferner wird auch für die Analog-Digital-Wandlung je nach Auflösung eine mehr oder minder lange Wandlungszeit anzusetzen sein, die sich letztendlich als Totzeit im System bemerkbar macht.
• Zum anderen ist es möglich, beide analoge Größen über einen Analog-Digital-Wandler in digitale Wert umzusetzen, woraufhin die eigentliche Division digital in einer Recheneinheit durchgeführt werden kann. Dieses Verfahren hat ebenfalls einige Nachteile; so handelt es sich bei den Analog-Digital-Umsetzern um relativ teuere Bauelemente, die Wandlungszeit geht auch hier als Totzeit ein und die Analog-Digital-Umsetzung benötigt zum Anstoßen der Digitalisierung ein Steuerwerk, was ebenfalls Hard- oder Softwareaufwand bedingt. Ferner wird dadurch, daß die Division auf der digitalen Seite durchgeführt wird, Rechenzeit benötigt, die auch bei diesem Verfahren störend als Totzeit eingeht.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit einfachen elektronischen Bauelementen eine äußerst schnelle Quotientenbildung möglich ist.
• Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die dem Dividenden entsprepchende elektrische Größe dem ersten Eingang eines Vergleichers zugeleitet wird, dessen subtrahierendem Eingang ein Rückführsignal zugeleitet wird, daß das Ausgangssignal des Vergleichers einem Regler zugeleitet wird, dessen Ausgangssignal einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer zugeleitet wird, daß durch dessen Ausgangsfrequenz die Frequenz einer Folge von zeitlich jeweils gleich langen Rechteckimpulsen ausgelöst wird, deren mit dem Wert des Divisors multiplizierter Gleichanteil das Rückführsignal bildet und daß die sich einregelnde Frequenz am Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umrichters die dem Quotienten entsprechende Größe darstellt.
• Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß mit Hilfe von Spannungs-Frequenz-Umsetzer relativ einfach Multiplikationsvorgänge vorgenommen werden können, die den Erfordernissen schneller technischer Prozesse genügen, und daß die Rückführung eines multiplizierten Signals innerhalb eines Regelkreises sich dort als eine Division auswirkt.
• Eine erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Divisor die Amplitude der Rechteckimpulse bestimmt. Eine derartige Amplitudenvariation kann beispielsweise äußerst einfach mit Hilfe von Monoflops geschehen, wie sich diese Maßnahme bei Multiplizierern bereits als vorteilhaft erwiesen hat.
• Wenn als Regler ein I-Regler vorgesehen ist, kann die Regelabweichung des Regelkreises gegen Null gebracht werden.
• Dadurch, daß dem Vergleicher additiv das dem Divisor entsprechende Signal zugeleitet wird, so daß sich jede Änderung des Dividenden sozusagen als Frequenzhub gegenüber einer Mittenfrequenz am Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers zeigt, ist sichergestellt, daß sich der Spannungs-Frequenz-Umsetzer stets mit einer aussagekräftig von der Frequenz "O" entfernten Frequenz betreiben läßt.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
• Bei der in Form eines Blockschaltbildes gezeigten Schaltung wird eine elektrische Größe, bei der es sich um eine Eingangsspannung U_e handelt, als Dividend einem Eingang E1 der Schaltung zugeleitet. Der Dividend gelangt an einen ersten Vergleicher V1, dem subtrahierend ein Rückführsignal von einem Proportionalglied P1 mit einem Verstärkungsfaktor K₁ zugeleitet wird.
• Ferner wird dem Vergleicher V1 additiv zum Dividenden der Divisor in Form einer zweiten Eingangsspannung U_V zugeleitet, die Einspeisung erfolgt über einen Eingang E2 der Schaltung. Der Einfluß des Divisors auf den Vergleicher V1 wird jedoch zunächst für eine erste Betrachtung als nicht vorhanden angenommen.
• Das Ausgangssignal des ersten Vergleichers V1 gelangt an den Eingang eines Reglers R mit integralem Verhalten, wie dies durch die Zeit T_I im Blockschaltbild des Reglers R visualisiert ist. Das Ausgangssignal des Reglers R gelangt an den Eingang eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers VCO. Die Spannungsseite des Spannungs-Frequenz-Umsetzers ist im Blockschaltbild mit U bezeichnet, die Frequenzseite ist mit f bezeichnet. Am Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers VCO liegt dabei ein Frequenzsignal vor, das im eingeregelten Zustand das Ergebnis der Quotientenbildung an einem Ausgang A1 in digitaler Form ausgibt. Das Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz-Umsetzers VCO triggert ferner mit seiner Frequenz ein Monoflop M1, das zeitgleiche Binärimpulse der Länge T_M1 auslöst, deren Amplitude dem Divisor, d.h. der Eingangsspannung U_V, entspricht. Dieser Sachverhalt ist im Blockschaltbild zum Monoflop M1 angedeutet.
• Das Ausgangssignal des Monoflops M1 gelangt an ein Glättungsglied G1 mit einer Zeitkonstante T₁ und das Ausgangssignal des Glättungsgliedes G1 wird über das Proportionalglied P1 mit dem Faktor K₁ verstärkt. Am Ausgang des Proportionalgliedes P1 liegt damit eine Spannung der Größe ${\text{K₁ . U}}_{\text{v}}{\text{. T}}_{\text{M1}}{\text{. f}}_{\text{VCO}}$

  

  vor. Im eingeregelten Systemzustand ist diese Spannung gleich der Eingangsspannung U_e. Durch Gleichsetzen dieser Spannungen ergibt sich für die eingeregelte Frequenz f_VCO des Spannungs-Frequenz-Umsetzers VCO die Bedingung
  
  ${\text{f}}_{\text{VCO}}{\text{= (1/(K₁ . T}}_{\text{M1}}{\text{)) . (U}}_{\text{e}}{\text{/U}}_{\text{V}}\text{)}$

  

  
  
  Es ist damit ersichtlich, daß die Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umsetzers VCO am Ausgang A1 das Ergebnis des Quotienten U_e zu U_V mit dem Faktor ${\text{1 / (K₁ . T}}_{\text{M1}}\text{)}$

  

  , gewichtet ergibt.
• Für die bisherige Betrachtung ist die Einflußnahme des Divisors auf den ersten Vergleicher V1 noch ohne Belang gewesen. Auch die Wirkung eines Proportionalgliedes P2 auf einen Vergleicher V2 soll vorläufig noch dahingestellt sein. So möge angenommen werden, daß das Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz-Umsetzers VCO zunächst einem zweiten Monoflop M2 zugeleitet wird, von dort an ein zweites Glättungsglied G2 gelangt und von da an über dem unter den obigen Bedingungen wirkungslosen Vergleicher V2 unverändert an einen Ausgang A2 weitergeleitet wird.
• Das Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz-Umsetzers VCO löst dabei über das Monoflop M2 zeitgleiche Impulse aus, die beispielsweise jeweils eine Zeitdauer T_M2 aufweisen mögen, wobei T_M2 durchaus der Größe T_M1 entsprechen kann. Die Amplitude der Impulse kann durch eine konstante Versorgungsspannung U_K festgelegt sein. Damit ist der Gleichanteil des Ausgangssignals des zweiten Monoflops M2 proportional dem Quotienten von Dividend und Divisor und kann mit Hilfe des Glättungsgliedes G2 leicht zu einer analogen Spannung am Ausgang A2 umgeformt werden.
• Es hat sich beim Betrieb der Schaltung allerdings gezeigt, daß bei Quotientenbildungen u.U. Ergebnisse einstellen können, die sehr geringe Frequenzen nach sich ziehen. Dies ist für den Betrieb des Spannungs-Frequenz-Umsetzers VCO jedoch nicht optimal. Aus diesem Grund ist die Beaufschlagung des Vergleichers V1 mit der Spannung U_V sowie die Einführung des Proportionalglieds P2 und des Vergleichers V2 vorteilhaft.
• Dabei wird die Eingangsspannung U_V additiv dem ersten Vergleicher V1 hinzugeführt, was dazu führt, daß sich am Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers VCO eine höhere Frequenz als im zunächst angenommenen Fall einstellt. Demzufolge würde am Ausgang A2 auch eine zu große analoge Spannung vorliegen. Dies kann aber durch den subtrahierenden Einfluß über das Proportionalglied P2 und mit Hilfe des Vergleichers V2 eliminiert werden, so daß die Ausgangsspannung am Ausgang A2 wieder korrigiert wird.
• Der Quotient wird dabei sozusagen als Frequenzhub gegenüber einer Mittenfrequenz gebildet. Selbstverständlich wird damit auch das Ergebnis am Ausgang A2, das dort in digitaler Form vorliegt, variiert. Für die weiteren Auswerteschaltungen ist es jedoch problemlos, die Frequenzanhebung bezüglich einer Mittenfrequenz durch Rechenvorgänge zu eliminieren.
• Beim bislang geschilderten Ausführungsbeispiel wird das Monoflop M1 über die Spannung U_V hinsichtlich der Amplitude des Ausgangssignals beeinflußt. Alternativ hierzu könnte die Spannung U_V jedoch den Verstärkungsfaktor K₁ multiplikativ beeinflussen, wie dies im Blockschaltbild durch einen gestrichelt angedeuteten Signalpfad gezeigt ist.

Claims (4)

1. Einrichtung zum Ermitteln des Quotienten zweier analoger elektrischer Größen, die einen Dividenden und einen Divisor darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Dividenden entsprechende elektrische Größe (U_e) dem ersten Eingang eines Vergleichers (V1) zugeleitet wird, dessen subtrahierendem Eingang ein Rückführsignal zugeleitet wird, daß das Ausgangssignal des Vergleichers (V1) einem Regler (R) zugeleitet wird, dessen Ausgangssignal einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (VCO) zugeleitet wird, daß durch dessen Ausgangsfrequenz die Frequenz einer Folge von zeitlich jeweils gleich langen Rechteckimpulsen ausgelöst wird, deren mit dem Wert des Divisors multiplizierter Gleichanteil das Rückführsignal bildet und daß die sich einregelnde Frequenz am Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umrichters (VCO) die dem Quotienten entsprechende Größe darstellt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Divisor (U_V) die Amplitude der Rechteckimpulse bestimmt.
3. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Regler ein I-Regler (R) vorgesehen ist.
4. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vergleicher (V1) additiv das dem Divisor entsprechende Signal (U_V) zugeleitet wird, so daß sich jede Änderung des Dividenden (U_e) sozusagen als Frequenzhub gegenüber einer Mittenfrequenz am Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (VCO) zeigt.

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