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Elektronische Servoreglereinrichtung
Den Gegenstand der Erfindung bildet eine zur Betätigung von Servomotoren bestimmte elektronische
Drei-Lagen-Servo-Regeleinrichtung zur Servoregelung und für Zwecke der Messtechnik.
Es ist eine integrierende Servo-Regeleinrichtung bekannt, die das Pulsieren und Schliessen eines Ser- vomotor-Kreises mit fünf bis sieben Relais ausnutzt. In Fällen, wo ans den durch die Servoregelung ge- forderten Gründen ein rasches Pulsieren gewählt werden muss, kommt es bei der besagten Vorrichtung nach einer bestimmten Betriebsdauer zur Abnutzung der Kontakte. Ein weiterer Nachteil beruht darin, dass in manchen Fällen aus Betriebsgründen Kontakte, an welchen eine Funkenbildung erfolgen kann, unzulässig sind. In jedem Falle müssen jedoch zum verlässlichen Betrieb der integrierenden Relais-Servoregelein- richtung besondere. dem Einfluss der Umgebung nicht unterliegende Kontakte verwendet werden (z. B.
Gold-Iridium u. dgl.).
Die besagten Nachteile einer solchen Relaisanordnnng beseitigt die Erfindung, bei welcher Thyra- trone und eine Doppeltriode anstatt der Relais verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird an Hand der Zeichnungen erläutert.
Fig. l zeigt die Gesamtschalung der elektronischen Servoregeleinrichtung. Fig. 2 und 3 zeigen Verfahren zum Ausgleich der beiden Kippkreise und zwar : Fig. 2 durch gegenseitige Änderung der Grösse der Gitterwiderstände der zweiten Elektronenröhre und Fig. 3 durch Steuerung der Anodenspannung der ersten Elektronenröhre. Fig. 4 zeigt eine alternative Schaltung eines Schliess-Thyratrons für den Servomotor mit eingelegtem Kathodenfolger zwecks Ausschliessung der Rückwirkung auf den Kippkreis, die bei der Verwendung eines Thyratrons für grosse Schaltleistungen eintreten kann. Fig. 5 zeigt den Verlauf der Regelung mit der erfindungsgemässen Vorrichtung.
Eine elektronische Servoregeleinrichtung, deren Schaltung in Fig. 1 veranschaulicht ist, besteht aus zwei RC-Gliedern in der Funktion von Integrationskreisen 3,5 und 4,6, die von Gleichspannungsquellen l und 2 gespeist werden. Die Integrationskreise sind mit den Gittern 7 m und 7 m'der Eintrittselektronen- röhren von zwei bekannten Kippkreisen 7 bis 14 bzw. 7'bis 14'verbunden. Die Integrationskreise können auf verschiedene Art durch die zu messende oder zu regelnde Grösse gesteuert werden u. zw. entweder durch Änderung der Grösse der Integrationskreise 3, 4 (veränderlicher Widerstand, Photoelement, Thermistor) oder durch Änderung der Grösse der Speisespannungen der Gleichstromquellen 1 und 2, fallweise auch durch eine Änderung der beiden Grössen. In manchen Fällen kann einer der Stromkreise (z.
B. l, 3, 5) als Standard dienen wobei der andere Integrationskreis (2, 4, 6) durch die Servoregelung dem erstenKreis angepasst wird. In andern Fällen können auch beide Integrationskreise gegenseitig austauschbar sein, wobei einer von ihnen eine Plus- (+) und der andere eine Minus (-) Abweichung aufweist und die beiden Kreise durch die Servoregelung auf denselben Wert ausgeglichen werden.
Die Eignung der Betätigungskombination bestimmt die Gattung und das Verfahren der Servoregelung
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den Grössen können bei der Quelle einer konstanten Spannung Photoelemente, veränderliche Widerstände und von der Temperatur abhängige Widerstände verwendet werden. Bei einem konstanten Wert der Widerstände 3 und 4 wird als Spannungsquelle, z. B. eine Tachdynamo oder ein Potentiometer, eine besondere Anordnung eines Phasendiskriminators oder ein Differentialumformer mit einem Gleichrichter dienen. Bei Programmregelvorgängen kann einer der Integrationskreise durch Änderung des Widerstandes 3 oder 4, fallweise durch Spannungsänderung der Quelle 1 oder 2 programmässig gesteuert werden.
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Die Spannung an den Integrationskondensatoren 5, 6 steigt mit der Zeit gemäss einer Exponentialkurve. Wenn bei gleichen Werten der Widerstände 3 und 4 die Spannung der Quelle 1 grösser als diejenige der Quelle 2 ist, wird an dem Kondensator 5 ein höherer Spannungswert als am Kondensator 6 vorhanden sein.
Derselbe Fall tritt solange die Aufladung nicht beendet ist, bei gleicher Spannung der Quellen 1 und 2 ein,
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geben ist) am Kondensator 5 plötzlich gekippt, d. h. die Leitfähigkeit der beiden Elektronenröhren 7, 8 des
Kippkreises wird plötzlich geändert. Solange die Spannung am Gitter 7 m der Elektronenröhre 7 einen ge- ringen Wert aufweist, ist diese Röhre nicht leitend und an ihrer Anode 7a liegt die volle Anodenspannung von annähernd derselben Grösse wie die Spannung der Quelle. Die Spannung aus der Anode 7a wird auf das
Gitter 8 m der Elektronenröhre 8 mittels eines durch Widerstände 10 und 13 gebildeten Spannungsteilers Übertragen.
Auf das Gitter 8 m wirkt eine positive Spannung und durch die Elektronenröhre 8 tritt Anoden- strom durch, der an dem Kathodenwiderstand 9 einen die Elektronenröhre 7 blockierenden Spannungsab- fall bildet. Wenn die Spannung auf dem Integrationskondensator den Kippwert erreicht, beginnt die Elek- tronenröhre 7 leitend. zu werden. da die positive Spannung am Kondensator 5 die blockierende Spannung am Widerstand 9 zu überwinden beginnt. Die Spannung an der Anode 7a und dadurch auch an dem Gitter
8 m beginnt zu sinken, wodurch sich die Elektronenröhre 8 zu schliessen beginnt.
Mit dem Rückgang des Spannungsabfalls am Kathodenwiderstand 9 wird die Elektronenröhre 7 um- somehr geöffnet. Der ganze Vorgang erfolgt lawinenartig (sprungweise) und die Elektronenröhre 7, ist voll- auf leitend, solange an ihrem Gitter eine genügend positive Spannung verbleibt, während'die Elektronenröhre 8 geschlossen bleibt. Der Kondensator 14 überträgt den Spannungssprung derivativ auf das Gitter 8 m und beschleunigt das Kippen. Durch Schliessung der Elektronenröhre 8 steigt an ihrer Anode 8a plötzlich die Spannung und dieser Sprung wird durch den Widerstand 19 auf das Gitter 15m des Thyratrons 15 übertragen, das Thyratron spricht an (zündet) und schliesst somit den Stromkreis der Quelle 17 in den Servo- motor 18 für die eine Drehrichtung.
Für die andere Drehrichtung des Servomotors 18 wird an die Quelle
17 ein anderes Thyratron 16 angeschlossen, welches aber einen Widerstand 21 durch einen andern Kippkreis 7'bis 14'betätigt wird. Dieser Stromkreis arbeitet ähnlich wie der erste Kippkreis 7 bis 14 und die analogen Elemente sind hier mit denselben Bezugszeichen, jedoch mit einem Strich (Apostroph) bezeichnet.
Bei der Verwendung von Thyratrons 15 und 16 muss die Quelle 17 entweder eine Wechselstromquelle bzw. pulsierend (zweiweg) gleichgerichtet sein, denn in einem Thyratron kann man den einmal entzündeten Bogen durch blosse Erhöhung des negativen Gitterpotentials nicht auslöschen, ohne die Zufuhr des Anodenstromes zu unterbrechen. Bei einer Wechselstrom-Speisung oder Speisung mit einem pulsierenden' Strom tritt der Strom für einen Augenblick durch den Nullwert hindurch und der Bogen im Thyratron erlischt. Bei der Verwendung von Tacitronen kann auch eine reine Gleichstromquelle verwendet werden.
Parallel zu der Anode 8a ist über den Widerstand 24 das Gitter 29 m der Elektronenröhre 29 ange- schlosssn. Dj. s Spannungssteigerung an der Anode 8a verursacht auch ein Anwachsen des Potentials am Gitter 29 m und dadurch auch eine Spannungserhöhung. an der Kathode, die der Stromfluss durch den Widerstand 28 hervorruft. Die Spannungssteigerung am Widerstand 28 wird durch den Widerstand 33 auf die Gitter 31 m und 32 m von zwei Thyratrons 31 und 32 übertragen. Die Anoden der Thyratrons 31a und 32a sind zu den Integrationskondensatoren 5 und 6 parallel geschaltet.
Durch das Verhältnis der Widerstände 33 und 34 und der Grösse der negativen Vorspannung 36 werden derartige Arbeitsbedingungen für die beiden Thyratrons 31 und 32 geschaffen, dass sie beim Umkippen nur eines der Kippkreise 7 bis 14 oder 7'bis 14' in nicht leitendem Zustand verbleiben. Nach dem Umkippen des andern Kippkreises z. B. 7'bis 14'wird der Spannungssprung auf der Anode 8a'durch den Widerstand 26 auf das Gitter der andern Triode 30 übertragen, deren Kathode an die Kathode der Elektronenröhre 29 angeschlossen ist.
Infolge der Summierung der beiden den gemeinsamen Kathodenwiderstand 28 durchfliessenden Anodenströme steigt an diesem Widerstand der Spannungsabfall, wodurch ein derartiges Anwachsen des Gitterpotentials der Thyratrons 31 und 32 verursacht wird, dass dieselben Zünden und die beiden Integrationskondensatoren 5 und 6 entladen.
Der ganze Zyklus wird periodisch wiederholt, bis unter dem Einfluss der Regelung der durch den Servomotor 18 gesteuerten Grösse ein Gleichgewicht am Eintritt in die Integrationskondensatoren erzielt wird. Wenn das Ungleichgewicht einen entgegengesetzten Sinn aufweist, schliesst zunächst der Stromkreis 7'bis 14'und
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29 und 30 werden durch das Verhälsnis der Widerstände 24,25 und 26,27 und die Grösse der negativen Vorspannung 37 bestimmt. In gleicher Weise werden die Bedingungen des Ansprechens der Thyratrons 15 und
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16 durch das Verhältnis der Widerstände 19 und 20 bzw. 21 und 22, sowie durch die Grösse der negativen Vorspannung 23 eingestellt.
Beim Kippen des andern Kippkreises z. B. 7'bis 14'würde beim Brennende : ThyEMroM ISaufeinsn Augenblick auch das Thyratron 16 zünden. Eine solche Verbindung des Weges für die Drehung des Servomotors in entgegengesetzter Richtung braucht nicht immer hinderlich zu sein, ja sie kann sogar infolge ihrer Bremswirkung willkommen sein. Falls sie jedoch nicht erwünscht ist, genügt es, an die Gitter der Thyratrons 15 m und 16 m Kondensatoren 38 und 39 anzuschliessen, die das Ansprechen der Thyratrons 15 und 16 etwas verzögern.
Die abgleichende Tätigkeit der Kippkreise 7 bis 14 und 7'bis 14'kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Zwei solche Verfahren, d. h. der Abgleich der Kippwertspannungsgrösse, sind in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht.
Fig. 2 zeigt den Abgleich mittels einer gegenseitigen Änderung der Grösse der Gitterwiderstände 10 und 10'der Elektronenröhre 8 und 8', zwischen welche ein Potentiometer 40 eingeschaltet ist, dessen Schleifer geerdet ist.
Fig. 3 veranschaulicht ein Verfahren zum Abgleich der beiden Kippkreise durchÄnderung derAnoden- spannung der Elektronenröhren 7 und 7', die durch einen Spannungsteiler in -Schaltung ausgeführt wird, welcher sich aus einem Potentiometer 41 und zwei Widerständen 42 und 43 zusammensetzt. Durch Verschiebung des Schleifer des Potentiometers 41 wird die Grösse der Anodenspannung der Elektronenröhren 7 und 7'und dadurch auch die Grösse der Kippwertspannung an den Gittern der beiden Elektronenröhren gegenseitig geändert.
Bei der Verwendung von Thyratrons mit einer hohen Schaltleistung muss aus Gründen der Rückwirkung der Thyratrons 15 bzw. 16 auf den Kippkreis in den Gitterkreis des Thyratrons 15 bzw. 16 eine Kathodenfolgestufe geschaltet werden. Diese Ausführung ist in Fig. 4 dargestellt. Die Anode der Elektronenröhre 8 bzw. 8'ist über den Widerstand 46 an das Gitter der als Kathodenfolgestufe geschalteten Elektronenröhre 44 angeschlossen, in deren Kathode der Widerstand 45 geschaltet ist. Der Spannungsabfall an dem Kathodenwiderstand 45 wird wiederum durch den Widerstand 19 bzw. 21 an die Gitter der Thyratrons übertragen. Bei Verwendung von Leistungsschalttransistoren ist diese Anordnung zwecks Erzielung einer niederohmigen Quelle zur Steuerung der Leistungsschalttransistoren unbedingt notwendig.
Der Regelverlauf eines elektronischen Servoreglers ist in Fig. 5 graphisch dargestellt. Er gilt genau für den Fall, dass die beiden Integrationswiderstände 3 und 4 gleich sind und die Spannungsquellen sich
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h. dassE, die Spannung der Quelle 2 bedeutet.
Durch Servoregelung der auszugleichenden Grösse wird dann die Spannung derart ausgeglichen, dass Ei = Et.
Für andere Fälle ist der Verlauf analog, bloss in der Berechnung geht man von ändern Gleichungen aus und die Frequenz der Servoregelung und ihre Änderungen differieren mit der Abweichung.
Im Diagramm nach Fig. 5 ist auf der Ordinatenachse X die Zeit t und auf der Abszissenachse Y die Spannungshöhe der Quelle E aufgetragen. Die horizontale Linie Ey bedeutet den Gleichgewichtszustand, wenn die Spannung der beiden Quellen EI'EI gleich ist.
Es sei angenommen, dass EI gleich Null ist und E, den doppelten Wert 47 derQuellenspannungen im Gleichgewichtszustand aufweist. Die in Fig. 5 aufgetragenen gebrochenen Linien des Regelverlaufes gelten für die Spannungsänderungen der Quelle E. Im Zeitpunkt to=O(punkt s) beginnt sich derIntegrationskreis 4 und 6 aus der Quelle 2 mit dem Strom L aufzuladen. Im Zeitpunkt t (Punkt b) wird auf dem Integra- tionskondensator 6 die Kippspannung Ek erzielt, der Kreis 7'bis 14'wird umgekippt und schliesst das Thyratron 16.
Der Servomotor 18 regelt die zu beherrschende Grösse und gleichzeitig ändert sich auch die Spannung der Quellen 1 und 2, u. zw. so, dass die Spannung E der Quelle 1 steigt, während die Spannung E der Quelle 2 sinkt.
Die Regelung kann grundsätzlich auf dreiArten vor sich gehen : Der entscheidende Faktor für den Regelverlauf gemäss den gebrochenen Linien A, B oder C ist die Gleichheit oder Ungleichheit der Beziehung Ex-C K
Hier bedeutet : Ek die Kippspannung,
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C die Kapazität der Kondensatoren 5 und 6,
I die Änderung der Ladeströme der Integrationskondensatoren, welche die Regelgeschwindigkeit in liA/Sek. ausdrückt,
K die von den Parametern des Servoreglers abhängige Servorregelkonstante.
Im Falle der Gleichheit der obenerwähnten Beziehung ist die Regelung kritisch und verläuft in einem Zyklus gemäss der Linie A. Wenn das Produkt Ek C. I kleiner als die Konstante K ist, wird die Regelung
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die Regelung mit gedämpften Schwingungen gemäss der Linie C verlaufen. Nach Erreichung des Punktes c, d. h. im Zeitpunkt t (im Falle der kritischen Regelung A) kommt die Regelung zum Stillstand, die Eintrittskippkreise pulsieren zwar regelmässig weiter, aber der Servomotor bleibt in Ruhe, solange keine Abweichung in der Spannung der beiden Quellen eintritt.
Beim Verlauf gemäss den Kurven B und C werden im Punkt c'bzw. c"die beiden Kippkreise umgekippt und die Thyratrons 31 und 32 heben die Ladung an den Integrationskondensatoren 5 und 6 auf, wor-
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(Punkt d') das Thyratron 16 und die Regelung verläuft bis zum Zeitpunkt t'. (Punkt e'), wenn nach Erreichung der Kippspannung am zweiten Integrationskreis der zweite Zyklus c', d', e'beendet wird. Die Regelung verläuft zyklisch so lange, bis ein Gleichgewicht der Spannungen E und E der beiden Quellen 1 und 2 erreicht wird.
Im Falle einer Regelung gemäss der Kurve C wird nach Erreichung des Punktes c" die Spannung der Quelle E grösser als E sein und deshalb schliesst im zweiten Zyklus c", d", e"im Punkt d"der Kreis des Thyratrons 15 früher und die Regelung wird hier im entgegengesetzten Sinn nach der Linie d", e"verlaufen. In diesem Falle schreitet die Regelung mit gedämpften Schwingungen so lange fort, bis das Gleichgewicht der beiden Spannungen erreicht ist.
Um die zu steuernden Grössen raschest auszugleichen, werden die Arbeitsbedingungen des Servoreglers zweckmässig derart gewählt, dass die Regelung stets gemäss der kritischen Regelung, d. h. nach der Linie A vor sich geht. Wenn eine sehr hohe Genauigkeit der Regelung gefordert wird, muss der Zyklus ge-
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die Servoregelung in Tätigkeit versetzt. Die Regelgeschwindigkeit ist dann sehr gering. Wenn eine rasche Regelung erwiinscht ist, kann ein kurzer Arbeitszyklus und eine hohe Regelgeschwindigkeit gewählt werden.
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derschung der Thyratrons geltend machen. Bei hohen Regelgeschwindigkeiten müssen ferner die Trägheit- massen, die Anlauf- und Auslaufzeit des Servomotors in Betracht gezogen werden.
Der elektronische Servoregler kann zur Servoregelung und für Zwecke der Mess-und Registrationstechnik bei Ziffennessgeräten u. dgL verwendet werden.
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