CH665513A5

CH665513A5 - ELECTRIC DRIVE ARRANGEMENT FOR SLOW-RUNNING OBJECTS.

Info

Publication number: CH665513A5
Application number: CH6900/81A
Authority: CH
Inventors: Vladimir Vladimirovi Zhulovian; Georgy Alexeevich Shanshurov; Boris Konstantinovi Chemodanov; Vladimir Nikolaevich Brodovsky; Boris Nikolaevich Karzhavov; Evgeny Serafimovich Ivanov; Jury Pavlovich Rybkin
Original assignee: Novosib Elektrotekhnichesky I
Priority date: 1981-11-23
Filing date: 1981-10-28
Publication date: 1988-05-13
Also published as: FR2517088B1; JPS5899293A; FR2517088A1

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. DESCRIPTION The invention relates to an electric drive arrangement according to the preamble of claim 1.

Eine solche, durch Wechselstrom gespeiste, regelbare Antriebsanordnung ist insbesondere für niedrige Drehzahlen von beispielsweise einer Umdrehung in 24 Stunden bei hohen Anforderungen an die Regelgüte und einer Genauigkeit von wenigen Winkelsekunden geeignet. Die Antriebsanordnung kann in der Industrie für Werkzeugmaschinen mit Programmsteuerung, für den Vorschub von Schweisselektroden, für Bandziehvorrichtungen, für die Steuerung der Spannung beim Ziehen von Fasern, als Antrieb für Schieber sowie auch zur Verstellung von Sonnenbatterien in Weltraumstationen, zur Verstellung von Antennen und Teleskope für optische Astro-Navigationseinrich-tungen und als Antrieb für sonstige Geber und Testgeräte verwendet werden. Such a controllable drive arrangement, which is fed by alternating current, is particularly suitable for low speeds of, for example, one revolution in 24 hours with high demands on the control quality and an accuracy of a few angular seconds. The drive arrangement can be used in the industry for machine tools with program control, for the feed of welding electrodes, for tape pulling devices, for the control of the tension when pulling fibers, as a drive for sliders and also for the adjustment of solar batteries in space stations, for the adjustment of antennas and telescopes for optical astro navigation devices and as a drive for other sensors and test devices.

Für solche und weitere Aufgaben werden heutzutage in der hochentwickelten Industrie Antriebsanordnungen für die Regelung der Drehzahl und der Lage der angetriebenen Belastung bei Drehzahlen und Stetigkeiten der Rotation benötigt, die zur täglichen Erdrotation in einem bestimmten Verhältnis stehen und dabei die geforderte Genauigkeit von wenigen Sekunden erreichen. For such and other tasks, drive arrangements for regulating the speed and the position of the driven load at speeds and continuous rotation are required in the highly developed industry today, which are in a certain ratio to the daily rotation of the earth and thereby achieve the required accuracy of a few seconds.

Für die genannten Aufgaben stehen spezielle Antriebsanordnungen zur Verfügung, die langsam laufende Elektromotoren mit einem grossen Drehmoment, sogenannte Drehmomentmotoren, und langsam laufende Tachogeneratoren mit einer hohen Eingangskennlinien-Steilheit aufweisen. Die Welle eines solchen Motors wird unmittelbar mit der anzutreibenden Last verbunden. Durch eine solche direkte Kupplung wird ein Untersetzungsgetriebe im Regelkreis für die Drehzahl und Lage der Last vermieden, welches ein unvermeidliches Element im Regelkreis einer herkömmlichen elektrischen Antriebsanordnung mit einem schnellaufenden Elektromotor darstellt. Ein solches Untersetzungsgetriebe begrenzt die Genauigkeit und Starrheit bei der Schaffung hochpräziser Regelungsanordnungen für die Drehzahl und Lage der Last, so dass erst dann die Voraussetzungen für die Entwicklung einer hochpräzisen Regelungsanordnung geschaffen sind, wenn ein solches mechanisches Untersetzungsgetriebe nicht mehr erforderlich ist, sondern langsamlaufende Motoren und Tachogeneratoren unmittelbar verwendbar sind. Special drive arrangements are available for the above-mentioned tasks, which have slow-running electric motors with a large torque, so-called torque motors, and slow-running tachometer generators with a high steepness of the input characteristic. The shaft of such a motor is directly connected to the load to be driven. Such a direct clutch avoids a reduction gear in the control loop for the speed and position of the load, which is an unavoidable element in the control loop of a conventional electric drive arrangement with a high-speed electric motor. Such a reduction gear limits the accuracy and rigidity when creating high-precision control arrangements for the speed and position of the load, so that the conditions for the development of a high-precision control arrangement are only created when such a mechanical reduction gear is no longer required, but slow-running motors and Tachogenerators can be used directly.

Eine aus dem Buch «Elektrische Machinen geringer Leistung in den Schaltungen der Automatik und Steuerschaltungen, Übersicht über die USA-Katalogwerte» von W.J. Bespalow aus dem Verlag «Informstandartelektro», Moskau 1967 bekannte elektrische Antriebsanordnung weist einen Kollektormotor und einen Tachogenerator für Gleichstrom sowie eine Steuereinrichtung für den Motor auf, deren Ausgang mit den Ankerwicklungen des Motors verbunden ist. Der Ausgang des Tachogenerators ist auf einen Eingang der Steuereinrichtung geschaltet, während ein weiterer Eingang der Steuereinrichtung mit dem Ausgang eines Steuersignalgebers verbunden ist. One of W.J.’s book “Low-Power Electrical Machines in Automatic and Control Circuits, Overview of USA Catalog Values”. Bespalow from the publisher "Informstandartelektro", Moscow in 1967 known electric drive arrangement has a collector motor and a tachometer generator for direct current and a control device for the motor, the output of which is connected to the armature windings of the motor. The output of the tachometer generator is connected to an input of the control device, while a further input of the control device is connected to the output of a control signal generator.

Das beispielsweise eine Information über die erforderliche Drehzahl der Belastung enthaltende Sollsignal wird in der Steuerinrichtung mit dem Istsignal des Tachogenerators verglichen, um der resultierenden Regelabweichung entsprechend einen Strom an die Ankerwicklungen des Motors zu liefern, der die Belastung antreibt. The setpoint signal, which for example contains information about the required speed of the load, is compared in the control device with the actual signal of the tachometer generator in order to deliver a current to the armature windings of the motor which drives the load in accordance with the resulting control deviation.

Der Kollektormotor und der für Gleichstrom bestimmte Tachogenerator dieser bekannten Antriebsanordnung stellen eine Sonderausführung dar, da beim Motor und Tachogenerator eigene Lager fehlen. Die Ständer und Läufer der genannten Gleichstrom-Kollektormaschine sind in Form einzelner Baugruppen ausgeführt und zum Einbau in das anzutreibende Objekt bestimmt. Dabei entfällt ein mechanisches Untersetzungsgetriebe, da der Motor als Drehmomentmotor und der Tachogenerator als langsamlaufender Tachogenerator mit einer grossen Steilheit ausgeführt ist. The collector motor and the tachometer generator intended for direct current of this known drive arrangement represent a special design, since the motor and tachometer generator do not have their own bearings. The stator and rotor of the DC collector machine mentioned are designed in the form of individual assemblies and are intended for installation in the object to be driven. There is no mechanical reduction gear, since the motor is designed as a torque motor and the tachometer generator as a slow-running tachometer generator with a steep slope.

Nachteilig ist bei dieser bekannten Antriebsanordnung das Vorhandensein von Kollektoren beim Motor und Tachogenerator, da Kollektoren die Zuverlässigkeit beinträchtigen, die Lebensdauer herabsetzen und wegen der Gefahr einer starken Funkenbildung explosionsgefährdet und störanfällig sind. Ferner ist die Anordnung der Bürstenelemente innerhalb des anzu5 The disadvantage of this known drive arrangement is the presence of collectors in the motor and tachometer generator, since collectors impair reliability, reduce the service life and are at risk of explosion and prone to failure because of the risk of strong spark formation. Furthermore, the arrangement of the brush elements within the to be5

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treibenden Objektes unbequem, die Herstellung kompliziert und kostenintensiv, da die Verwendung spezieller Werkstoffe im Kollektor und für die Bürsten erforderlich ist. driving object uncomfortable, the production complicated and costly, since the use of special materials in the collector and for the brushes is required.

Ferner weisen die langsamlaufenden Gleichstrom-Drehmomentmotoren einen grossen Ankerwiderstand und eine grosse Ankerinduktivität auf, wodurch erhöhte Leistungsverluste auftreten und die Gefahr einer übermässigen Erwärmung des Motors und des anzutreibenden Objektes besteht. Ausserdem ist ein Umformer mit einer grossen installierten Leistung erforderlich, um eine Entdämpfung zu bewirken und die erforderliche Schnellwirkung zu gewährleisten. Furthermore, the slow-running DC torque motors have a large armature resistance and a large armature inductance, as a result of which increased power losses occur and there is a risk of excessive heating of the motor and the object to be driven. In addition, a converter with a large installed capacity is required to achieve a damping and to ensure the required quick action.

Zudem erfordert ein langsam laufender Gleichstrom-Tacho-generator infolge der grossen Induktivität seines Ankerstromkreises einen hohen Eingangswiderstand der Steuereinrichtung, da sich sonst die Zeitkonstante des Tachogenerators nachteilig auswirkt und die erforderliche schnellwirkende Drehzahlregelung nicht gewährleistet ist. Ferner müssen auch durch den Kollektor verursachte Pulsationen im Ausgangssignal des Tachogenerators berücksichtigt werden, da sonst die Stetigkeit der Rotation des angetriebenen Objektes nachteilig beeinflusst wird. In addition, a slow-running DC tacho generator requires a high input resistance of the control device due to the large inductance of its armature circuit, since otherwise the time constant of the tacho generator has an adverse effect and the required fast-acting speed control is not guaranteed. Furthermore, pulsations caused by the collector must also be taken into account in the output signal of the tachometer generator, since otherwise the continuity of the rotation of the driven object is adversely affected.

Eine weitere elektrische Antriebsanordnung mit einem Motor und Generator für Wechselstrom ist beispielsweise aus dem SU-Urheberschein 671 007, Kl. H. 02 K 29/02 aus dem Jahre 1979 bekamt, wobei der Motor und der Generator als Synchronmaschinen ausgeführt sind. Diese bekannte Antriebsanordnung weist einen Drehzahlgeber, einen Regler, ein Stromversorgungsteil, einen Code-Einsteller, eine Additionsvorrichtung, einen Codegeber und einen phasenempfindlichen Gleichrichter auf, dessen Informationseingänge an den Ankerwicklungen des Synchron-Generators, Steuereingänge an die Ausgänge der Additionsvorrichtung und deren Ausgang an den Eingang des Reglers zum Schliessen eines Regelkreises angeschlossen sind. Der Ausgang des Reglers ist über das Stromversorgungsteil mit den Ankerwicklungen des Synchronmotors verbunden, dessen Welle mit dem Codegeber und dem Synchron-Generator mechanisch gekuppelt ist. Der Ausgang des Codegebers ist an die Frequenzsteuereingänge des Stromversorgungsteils und an die einen der Eingänge der Additionsvorrichtung angeschlossen, an deren andere Eingänge die Ausgänge des Code-Einstellers gelegt sind. A further electric drive arrangement with a motor and generator for alternating current is obtained, for example, from the SU author certificate 671 007, class H. 02 K 29/02 from 1979, the motor and the generator being designed as synchronous machines. This known drive arrangement has a speed sensor, a controller, a power supply part, a code adjuster, an addition device, a code transmitter and a phase-sensitive rectifier, the information inputs on the armature windings of the synchronous generator, control inputs on the outputs of the addition device and their output on the Input of the controller for closing a control loop are connected. The output of the controller is connected via the power supply part to the armature windings of the synchronous motor, the shaft of which is mechanically coupled to the code transmitter and the synchronous generator. The output of the code transmitter is connected to the frequency control inputs of the power supply unit and to one of the inputs of the addition device, at the other inputs of which the outputs of the code adjuster are connected.

Das von Drehzahlgeber gelieferte Signal für den Drehzahl-Sollwert wird im Regler mit dem vom phasenempfindlichen Gleichrichter gelieferten Signal verglichen. Der resultierenden Abweichung entsprechend steuert der Regler die den Ankerwicklungen des Synchronmotors zugeführte Ausgangsspannung des Stromversorgungsteils. Die Frequenz dieser Spannung wird mittels eines Mitkopplungskreises für die Wellendrehzahl des Synchronmotors erzeugt, in welchen Kreis der Codegeber eingeschaltet ist. Der phasenempfindliche Gleichrichter wandelt die Spannung vom Ausgang des Synchrongenerators in ein der Wellendrehzahl des Synchronmotors proportionales Gleichstromsignal um. An den Steuereingängen des phasenempfindlichen Gleichrichters treffen von der Additionsvorrichtung Bezugssignale ein, deren erforderliche Phasenlage durch Umwandlung der vom Codegeber und- Einsteller gelieferten Signale in der Additionsvorrichtung erfolgt. The signal provided by the speed sensor for the speed setpoint is compared in the controller with the signal supplied by the phase-sensitive rectifier. In accordance with the resulting deviation, the controller controls the output voltage of the power supply part supplied to the armature windings of the synchronous motor. The frequency of this voltage is generated by means of a positive feedback circuit for the shaft speed of the synchronous motor, in which circuit the code transmitter is switched on. The phase sensitive rectifier converts the voltage from the output of the synchronous generator into a direct current signal proportional to the shaft speed of the synchronous motor. At the control inputs of the phase-sensitive rectifier, reference signals arrive from the addition device, the required phase relationship of which is carried out by converting the signals supplied by the code transmitter and adjuster in the addition device.

Bei dieser bekannten Antriebsanordnung tritt das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Gleichrichters an Stelle des Ausgangssignals des Tachogenerators und wird in einem Gegenkopplungskreis zur Drehzahlregelung des Synchronmotors verwertet. In this known drive arrangement, the output signal of the phase-sensitive rectifier replaces the output signal of the tachometer generator and is used in a negative feedback circuit for speed control of the synchronous motor.

Die zuletzt erwähnte bekannte Antriebsanordnung gestattet eine Geschwindigkeitsregelung mit einem Motor und Tachogenerator ohne Kollektorbaugruppen, so dass eine solche Anordnung gegenüber einer Anordnung mit Kollektoren zuverlässiger und preisgünstiger ist. The last-mentioned known drive arrangement permits speed control with a motor and tachometer generator without collector assemblies, so that such an arrangement is more reliable and less expensive than an arrangement with collectors.

Nachteilig ist dabei jedoch die Kompliziertheit dieser Antriebsanordnung, die mit der Anordnung von zwei Drehzahlgebern zusammenhängt, nämlich des Codegebers und des Synchrongenerators auf der Welle des Synchronmotors, also auf der Welle des anzutreibenden Objektes. A disadvantage, however, is the complexity of this drive arrangement, which is related to the arrangement of two speed sensors, namely the code sensor and the synchronous generator on the shaft of the synchronous motor, ie on the shaft of the object to be driven.

Für viele Anwendungen in der Industrie ist die Anordnung von zwei Drehzahlgebern auf der Welle des anzutreibenden Objektes zum Zweck der Drehzahlregelung unerwünscht oder sogar unmöglich. For many applications in industry, the arrangement of two speed sensors on the shaft of the object to be driven is undesirable or even impossible for the purpose of speed control.

Ausserdem ist die Verwendung dieser Antriebsanordnung für sehr niedrige Drehzahlen aus folgenden Gründen unmöglich: In addition, the use of this drive arrangement for very low speeds is impossible for the following reasons:

Die Diskretheit der Signale des Codegebers gestattet es nicht, ein System von Bezugssignalen für den phasenempfindlichen Gleichrichter mit einer grossen Phasenzahl zur Gewährleistung eines Signals mit einer niedrigen Welligkeit an seinem Ausgang zu erhalten, was zur Folge hat, das die Drehzahl des angetriebenen Objektes nur eine geringe Stetigkeit aufweist nnd hohen Schwankungen unterworfen ist. The discretion of the signals from the encoder does not allow a system of reference signals for the phase-sensitive rectifier with a large number of phases to be obtained to ensure a signal with a low ripple at its output, with the result that the speed of the driven object is only low Continuity shows and is subject to high fluctuations.

Bei herkömmlichen Synchronmaschinen ist es unmöglich, wegen der konstruktiven Beschränkungen bei der Ausführung einer Synchronmaschine mit einer grossen Anzahl von Polpaaren zwischen der Umlauffrequenz des Feldes und der Umlauffrequenz des Ankers ein grosses Untersetzungsverhältnis der Frequenz zu erzielen. Bei erheblichen Abmessungen solcher Maschinen ist es zwar möglich, zwanzig bis dreissig Polpaare vorzusehen, beispielsweise für Zementmühlen, jedoch werden dadurch die Widerstände der Phasenwicklungen erheblich sein und es ist ein Stromversorgungsteil mit einer grossen installierten Leistung erforderlich. In conventional synchronous machines, it is impossible to achieve a large frequency reduction ratio due to the design restrictions when designing a synchronous machine with a large number of pole pairs between the rotational frequency of the field and the rotational frequency of the armature. Given the considerable dimensions of such machines, it is possible to provide twenty to thirty pole pairs, for example for cement mills, but the resistance of the phase windings will be considerable and a power supply part with a large installed power is required.

Solch ein kleines, der Anzahl von Polpaaren entsprechendes Frequenzuntersetzungsverhältnis einer Synchronmaschine gestattet es nicht, einen Drehzahlregler für die unmittelbar mit der Belastung gekuppelte Synchronmaschine im Bereich sehr niedriger Drehzahlen und mit einer hohen Stetigkeit der Rotation aufzubauen, weil die Fehler der elektronischen Steuergeräte für den Motor von wesentlichem Einfhiss sind. Insbesondere wird die Häufigkeit der Einwirkung solcher Fehler auf die Belastung niedrig sein, und es ist unmöglich, die eigenen Filtereigenschaften der Belastung (Trägheitsmoment) auszunutzen. Such a small frequency reduction ratio of a synchronous machine, corresponding to the number of pole pairs, does not make it possible to set up a speed controller for the synchronous machine that is directly coupled to the load in the range of very low speeds and with a high degree of rotation, because the errors of the electronic control units for the motor of essential information. In particular, the frequency of exposure to such errors will be low, and it is impossible to take advantage of the load's own filtering properties (moment of inertia).

Die vorliegende Erfindung dient dem Zweck, die vorstehend genannten Nachteile zu überwinden und die Leistungsverluste in der elektrischen Antriebsanordnung gegenüber bekannten Anordnungen zu verringern. The present invention serves the purpose of overcoming the disadvantages mentioned above and reducing the power losses in the electric drive arrangement compared to known arrangements.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Antriebsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Genauigkeit und Stetigkeit der Rotation des anzutreibenden Objektes gewährleistet. The invention has for its object to provide an electric drive arrangement of the type mentioned, which ensures high accuracy and continuity of rotation of the object to be driven at low speeds.

Die gestellte Augabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anpruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. According to the invention, the statement made is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 2 las st sich die Genauigkeit und die Stetigkeit der Drehzahlregelung für das anzutreibende Objekt noch weiter erhöhen, weil es eine solche Regelung erlaubt, sowohl einen Frequenzsteuerkanal als auch einen Steuerkanal für den Spannungs- oder Stromwert sowie einen Elektromotor und einen Tachogenerator mit einem grossen Verhältnis der Frequenzuntersetzung zu verwenden. In a preferred embodiment according to claim 2, the accuracy and the continuity of the speed control for the object to be driven can be increased still further, because such a control allows both a frequency control channel and a control channel for the voltage or current value and an electric motor and one Tachogenerator with a large ratio of frequency reduction to be used.

Eine derartige schaltungstechnische Lösung vereinfacht ausserdem die Antriebsanordnung durch Verwendung eines einzigen Drehzahlgebers in Form eines Synchrongenerators in Verbindung mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter. Such a circuit solution also simplifies the drive arrangement by using a single speed sensor in the form of a synchronous generator in conjunction with a phase-sensitive rectifier.

Der phasenempfindliche Gleichrichter demoduliert ein mit einem Steuersignal (Informationssignal) moduliertes höherfre-quentes Signal mittels eines Bezugssignals hoher (vorgegebener) Frequenz in ein Niederfrequenzsignal. The phase-sensitive rectifier demodulates a higher-frequency signal modulated with a control signal (information signal) into a low-frequency signal by means of a reference signal of a high (predetermined) frequency.

Die schaltungstechnische Lösung ermöglicht auch eine Verringerung der Leistungsverluste und eine Herabsetzung der Leistung der Stromquelle, weil sie es gestattet, den Synchronmotor The circuit solution also enables a reduction in power losses and a reduction in the power of the power source because it allows the synchronous motor

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mit einer kleinen Anzahl von Polpaaren (geringere Widerstände der Ankerwicklungen) bei einem grossen Untersetzungsverhältnis der Frequenz auszuführen. with a small number of pole pairs (lower resistance of the armature windings) with a large reduction ratio of the frequency.

Darüberhinaus ergibt eine derartige schaltungstechnische Lösung eine Erhöhung des Pegels der Nutzkomponente und eine Verringerung des Pegels der pulsierenden Komponente im Signal für die Drehzahl sowie eine Verminderung der Verzögerung in einer Formierungskette für dieses Signal, weil der Ta-cho-Synchrongenerator für ein grosses Untersetzungsverhältnis der Frequenz ausgeführt werden kann und der Geschwindigkeitssensor die Signale dieses Generators in Signale mit seiner grossen Phasenzahl umwandeln und mit einer Phasenregelung bei einer niedrigen Welligkeit und ohne zeitliche Filterung gleichrichten kann. In addition, such a circuit solution results in an increase in the level of the useful component and a decrease in the level of the pulsating component in the signal for the speed and a reduction in the delay in a formation chain for this signal, because the Ta-cho synchronous generator for a large reduction ratio of the frequency can be executed and the speed sensor can convert the signals of this generator into signals with its large number of phases and can be rectified with a phase control with a low ripple and without temporal filtering.

Bei einer Ausführungsform nach Anspruch 3 lässt sich die Stetigkeit der Drehzahlregelung erhöhen, weil es möglich ist, die Phasenlage der Bezugssignale mit der Winkellage der Welle der Antriebsanordnung in engere Beziehung zu bringen. In one embodiment according to claim 3, the continuity of the speed control can be increased because it is possible to bring the phase position of the reference signals into closer relationship with the angular position of the shaft of the drive arrangement.

Ausserdem ermöglicht eine derartige schaltungstechnische Lösung eine Vereinfachung der Antriebsanordnung, weil der Bezugssignalgeber auf der Basis herkömmlicher Operationsverstärker aufgebaut werden kann. In addition, such a circuitry solution enables the drive arrangement to be simplified because the reference signal generator can be constructed on the basis of conventional operational amplifiers.

Bei einer Ausführungsform nach den Ansprüche 4 und 5 lässt sich die Genauigkeit und die Stetigkeit der Regelung auch bei einer Drehzahl gleich null erhöhen, weil die Erhaltung der erforderlichen Phasenlage der Bezugssignale durch Messung der Winkellage der Welle und durch Darstellung der Messergebnisse in Form einer Mehrphasenspannung gewährleistet ist, deren Frequenz und Phasenlage mit der Frequenz und Phasenlage des Tacho-Synchrongenerators gekoppelt ist. In an embodiment according to claims 4 and 5, the accuracy and the continuity of the control can be increased even at a speed equal to zero, because the maintenance of the required phase position of the reference signals by measuring the angular position of the shaft and by displaying the measurement results in the form of a multiphase voltage ensures is whose frequency and phase position is coupled to the frequency and phase position of the tachometer synchronous generator.

Eine bevorzugte Ausführungsform nach den Ansprüchen 6 und 7 gewährleistet neben der stufenlosen Drehzahlregelung eine exakte Regelung der Winkellage der Welle, weil die Winkellage abgetastet und in Abhängigkeit eines Signals am Eingang des Drehwinkelreglers regelbar ist. A preferred embodiment according to claims 6 and 7 ensures, in addition to the infinitely variable speed control, an exact control of the angular position of the shaft, because the angular position is scanned and can be regulated as a function of a signal at the input of the rotational angle controller.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. It shows:

Fig. 1 ein Schaltbild für eine elektrische Antriebsanordnung mit einem Bezugssignalgeber, 1 is a circuit diagram for an electric drive arrangement with a reference signal generator,

Fig. 2 ein gegenüber der Fig. 1 erweitertes Schaltbild mit einem Schaltungsglied für mehrphasige Bezugssignale, FIG. 2 shows a circuit diagram expanded with respect to FIG. 1 with a circuit element for multiphase reference signals,

Fig. 3 ein einweitertes Schaltbild, in welchem der Bezugssignalgeber eine Integratoreinheit aufweist, 3 shows an expanded circuit diagram in which the reference signal transmitter has an integrator unit,

Fig. 4 ein Schaltbild mit einem Drehwinkelgeber, 4 is a circuit diagram with an angle encoder,

Fig. 5 ein gegenüber der Fig. 4 erweitertes Schaltild mit einer phasenempfindlichen Gleichrichtereinheit, 5 shows a circuit diagram expanded compared to FIG. 4 with a phase-sensitive rectifier unit,

Fig. 6 ein Schaltbild mit einem digitalen Drehwinkelgeber und Fig. 6 is a circuit diagram with a digital rotary encoder and

Fig. 7 ein gegenüber der Fig. 6 erweitertes Schaltbild mit einem Digital-Analog-Wandler. Fig. 7 is a circuit diagram expanded compared to Fig. 6 with a digital-to-analog converter.

Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer elektrischen Antriebsanordnung für langsam laufende Objekte. Zum Antrieb eines solchen nicht dargestellten Objektes dient ein Synchronmotor 1, dessen Welle mit derjenigen eines Tacho-Synchrongenerators 2 unmittelbar und starr gekuppelt ist. Die Ankerwicklungen des Synchronmotors 1 sind an eine regelbare Stromquelle 3 angeschlossen. Als Stromquelle dient hier ein Stromversorgungsteil, welches beispielsweise an einem nicht dargestellten Stromversorgungsnetz angeschlossen ist. 1 shows a block diagram of an electrical drive arrangement for slow-moving objects. A synchronous motor 1 is used to drive such an object, not shown, the shaft of which is directly and rigidly coupled to that of a speedometer synchronous generator 2. The armature windings of the synchronous motor 1 are connected to a controllable current source 3. A power supply part, which is connected, for example, to a power supply network, not shown, serves as the current source.

Der elektrische Ausgang des Tacho-Synchrongenerators 2 ist mit dem Eingang eines Geschwindigkeitssensors 4 verbunden, der einen phasenempfindlichen Gleichrichter 5 aufweist. Der Ausgang des Geschwindigkeitssensors 4 ist durch den Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters 5 gebildet und mit einem ersten Eingang eines Reglers 6 verbunden. Ein zweiter Eingang des Reglers 6 ist mit dem Ausgang eines Drehzahlgebers 7 verbunden, der einen Bezugssignalgeber 8 aufweist. Der Ausgang des Reglers 6 ist mit einem ersten Steuereingang der Stromquelle 3 zum Steuern des Spannungs- oder Strom wertes verbunden. Damit ist der Regelkreis des Reglers 6 über die Stromquelle 3, dem Synchronmotor 1, den Tacho-Synchrongenerator 2 und dem Geschwindigkeitssensor 4 geschlossen. The electrical output of the tacho-synchronous generator 2 is connected to the input of a speed sensor 4, which has a phase-sensitive rectifier 5. The output of the speed sensor 4 is formed by the output of the phase-sensitive rectifier 5 and connected to a first input of a controller 6. A second input of the controller 6 is connected to the output of a speed sensor 7, which has a reference signal generator 8. The output of the controller 6 is connected to a first control input of the current source 3 for controlling the voltage or current value. The control loop of the controller 6 is thus closed via the current source 3, the synchronous motor 1, the tachometer synchronous generator 2 and the speed sensor 4.

Der Ausgang des Bezugssignalgebers 8 bildet einen zweiten Ausgang des Drehzahlgebers 7 und ist mit einem zweiten Steuereingang des Stromquelle 3 zum Steuern der Frequenz und mit dem Steuereingang des phasenempfindlichen Gleichrichters 5 verbunden. The output of the reference signal generator 8 forms a second output of the speed sensor 7 and is connected to a second control input of the current source 3 for controlling the frequency and to the control input of the phase-sensitive rectifier 5.

Das anzutreibende, nicht dargestellte Objekt wird nachfolgend auch als Belastung bezeichnet und ist möglichst starr und unmittelbar mit der Welle des Synchronmotors 1 mechanisch zu kuppeln. The object to be driven, not shown, is also referred to below as a load and is to be mechanically coupled as rigidly and directly as possible to the shaft of the synchronous motor 1.

Die in der Fig. 1 dargestellte Antriebsanordnung arbeitet wie folgt: The drive arrangement shown in FIG. 1 operates as follows:

Der Drehzahlgeber 7 liefert zwei Signale für die Vorgabe, von denen das erste ein Gleichspannungssignal und das zweite ein drei- oder vierphasiges Wechselspannungssignal ist. Der Wert des Gleichspannungssignals ist streng proportional zur Frequenz der mehrphasigen Wechselspannung, welche der Bezugssignalgeber 8 an die Stromquelle 3 und an den phasenempfindlichen Gleichrichter 5 des Geschwindigkeitssensor 4 liefert. The speed sensor 7 supplies two signals for the specification, of which the first is a DC voltage signal and the second is a three- or four-phase AC voltage signal. The value of the DC voltage signal is strictly proportional to the frequency of the multiphase AC voltage, which the reference signal generator 8 supplies to the current source 3 and to the phase-sensitive rectifier 5 of the speed sensor 4.

Die vom Tacho-Synchrongenerator 2 gelieferte Spannung ist ebenfalls eine drei- beziehungsweise vierphasige Wechselspannung, deren Wert proportional zur Drehzahl des Synchronmotors 1 ist. Diese Wechselspannung gelangt an den Informationseingang des phasenempfindlichen Gleichrichter 5, der an seinem Ausgang eine zur Drehzahl des Synchronmotors 1 proportionale Gleichspannung liefert, die dem Regler 6 als Istwert-Signal zugeführt wird. Im Regler 6 wird das Istwert-Signal mit dem vom Drehzahlgeber 7 zugeführten Sollwert-Signal verglichen. Aufgrund der Abweichung des Istwertes vom Sollwert liefert der Regler 6 ein Steuersignal an die Stromquelle 3, um die Spannung oder den Strom in den Ankerwicklungen des Synchronmotors 1 im Sinne einer Verkleinerung der Regelabweichung zu beeinflussen. Die Frequenz der Stromquelle 3 wird durch das zweite Signal bestimmt, welches der Stromquelle 3 unmittelbar vom Drehzahlgeber 7 zugeführt wird. The voltage supplied by the tacho-synchronous generator 2 is also a three- or four-phase AC voltage, the value of which is proportional to the speed of the synchronous motor 1. This AC voltage reaches the information input of the phase-sensitive rectifier 5, which supplies at its output a DC voltage proportional to the speed of the synchronous motor 1, which is supplied to the controller 6 as an actual value signal. In controller 6, the actual value signal is compared with the setpoint signal supplied by speed sensor 7. Due to the deviation of the actual value from the target value, the controller 6 supplies a control signal to the current source 3 in order to influence the voltage or the current in the armature windings of the synchronous motor 1 in the sense of a reduction in the control deviation. The frequency of the current source 3 is determined by the second signal, which is supplied to the current source 3 directly from the speed sensor 7.

Die elektrische Antriebsanordnung gewährleistet eine genaue und stetige Drehzahlregelung an der mit der anzutreibenden Belastung unmittelbar verbundenen Welle des Synchronmotors 1, wobei sowohl ein Mittelwert als auch ein Momentanwert der Drehzahl eingehalten wird. Die Einhaltung des Mittelwertes der Drehzahl wird dadurch erreicht, dass der Bezugssignalgeber 8 einen regelbaren Präzisions-Frequenzgenerator aufweist, so dass die mittlere Drehzahl des Synchronmotors 1 durch die Frequenz der Speisespannung seiner Ankerwicklungen genau eingehalten wird. The electric drive arrangement ensures precise and constant speed control on the shaft of the synchronous motor 1 which is directly connected to the load to be driven, both an average value and an instantaneous value of the speed being maintained. Adherence to the mean value of the speed is achieved in that the reference signal generator 8 has a controllable precision frequency generator, so that the mean speed of the synchronous motor 1 is exactly maintained by the frequency of the supply voltage of its armature windings.

Eine Änderung der Belastung verursacht bei einem Synchronmotor eine Veränderung der Winkellage seines Läufers in Bezug auf das elektrische Drehfeld. Dadurch schwankt der Momentanwert der Drehzahl, so dass die Stetigkeit der Rotation gestört ist. Um einer solchen Schwankung entgegenzuwirken, wird der Strom in den Ankerwicklungen des Synchronmotors 1 geregelt. A change in the load causes a change in the angular position of its rotor in relation to the rotating electrical field in a synchronous motor. As a result, the instantaneous value of the speed fluctuates, so that the continuity of the rotation is disturbed. In order to counteract such a fluctuation, the current in the armature windings of the synchronous motor 1 is regulated.

Die Regelung spricht an, sobald der Momentanwert der Drehzahl von einem vorgegebenen Mittelwert abzuweichen beginnt. Diese Abweichung wird vom Geschwindigkeitesensor 4 in Verbindung mit dem Regler 6 schnell und genau festgestellt, worauf der Regler 6 die Stromquelle 3 derart steuert, dass der Strom in den Ankerwicklungen des Synchronmotors 1 zur Verminderung der Drehzahlabweichung veränder wird. Die Stromänderung bewirkt eine Veränderung des an der Welle des Synchronmotors 1 erzeugten Drehmomentes, um die Belastungsänderung auszugleichen. Durch rasches Ansprechen des Reglers wird die Abweichung des Momentanwertes der Winkellage der Welle nur geringfügig sein. The control responds as soon as the instantaneous value of the speed begins to deviate from a specified mean value. This deviation is determined quickly and precisely by the speed sensor 4 in conjunction with the controller 6, whereupon the controller 6 controls the current source 3 in such a way that the current in the armature windings of the synchronous motor 1 is changed in order to reduce the speed deviation. The change in current causes a change in the torque generated on the shaft of the synchronous motor 1 in order to compensate for the change in load. If the controller responds quickly, the deviation of the instantaneous value of the angular position of the shaft will be only slight.

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60 60

65 65

5 5

665 513 665 513

Die elektrische Antriebsanordnung enthält keine mechanischen Untersetzungsgetriebe. Der Synchronmotor 1 und der Tacho-Synchrongenerator 2 sind miteinander und mit der anzutreibenden Last kraftschlüssig und unmittelbar gekuppelt. Eine solche spielfreie Kupplung für den Antrieb langsam laufender Objekte ist neu und gewährleistet eine hohe Nutzbarkeit dieser technischen Lösung. The electric drive assembly contains no mechanical reduction gears. The synchronous motor 1 and the tachometer synchronous generator 2 are non-positively and directly coupled to one another and to the load to be driven. Such a backlash-free clutch for driving slow-moving objects is new and ensures that this technical solution is extremely useful.

Der Synchronmotor 1, der Tacho-Synchrongenerator 2 und der Bezugssignalgeber 8 funktionieren nach dem Prinzip elektrischer Maschinen mit elektromagnetischer Frequenzuntersetzung. The synchronous motor 1, the tacho-synchronous generator 2 and the reference signal generator 8 function according to the principle of electrical machines with electromagnetic frequency reduction.

Für den Synchronmotor 1 gilt: The following applies to synchronous motor 1:

Die Drehfrequenz wird durch die elektromagnetische Drehfrequenzuntersetzung bestimmt und nach der Formel fspeisung îlRotor = The rotation frequency is determined by the electromagnetic rotation frequency reduction and according to the formula ffeeding îlRotor =

z2 z2

berechnet, wobei mit Z2 die Zähnezahl des Rotors bezeichnet ist, die von der Zähnezahl Zi des Stators und der Anzahl Pole der Ankerwicklung P nach der Formel calculated, Z2 denotes the number of teeth of the rotor, the number of teeth Zi of the stator and the number of poles of the armature winding P according to the formula

Z2 = Zi + vP Z2 = Zi + vP

abhängt, wobei v durch die Bauart der Maschine bestimmt wird, meistens V 3 ±1, ±3. depends, where v is determined by the design of the machine, mostly V 3 ± 1, ± 3.

Für den Synchron-Generator 2 gilt: The following applies to synchronous generator 2:

Die Frequenz der erzeugten elektromotorischen Kraft (Spannung) wird durch den Grundsatz der elektromagnetischen Untersetzung nach der Formel fGenerator = Z2nRotor bestimmt, das bedeutet, dass bei den geringen Drehfrequenzen hohe Frequenzen der erzeugten Spannung erzielt werden können. In diesem Zusammenhang wird auf das folgende Werk hingewiesen: «Elektrische Maschinen, Lehrbuch für Hochschulen» von Ivanov-Smolenskij A.V., Verlag Energia, Moskau, 1980, 928 S., S. 168/187. The frequency of the electromotive force (voltage) generated is determined by the principle of electromagnetic reduction according to the formula fGenerator = Z2nRotor, which means that at the low rotational frequencies, high frequencies of the generated voltage can be achieved. In this context, reference is made to the following work: “Electrical machines, textbook for universities” by Ivanov-Smolenskij A.V., Energia Publishing House, Moscow, 1980, 928 pages, p. 168/187.

Der Synchronmotor 1 und der Tacho-Synchrongenerator 2 sind dem vorstehend gesagten entsprechend induktormaschinen-artig nach dem Prinzip der Reluktanzmaschinen ausgebildet. The synchronous motor 1 and the tacho-synchronous generator 2 are designed in accordance with the above-mentioned inductor-type, according to the principle of reluctance machines.

Die Zähnezahl des Läufers kann grösser, beispielsweise gleich mehreren Zehnern und sogar wesentlich grösser als hundert gewählt werden. Solch ein grosses UntersetzungsVerhältnis ist bei keiner der bekannten elektrischen Maschinen üblich, so dass die elektrischen Maschinen mit einer elektromagnetischen Untersetzung zu einer Sondergruppe der elektrischen Maschinen zählen, die für die Verwendung in langsam laufenden elektrischen Antriebsanordnungen geeignet sind. The number of teeth of the rotor can be selected to be larger, for example several tens and even considerably larger than one hundred. Such a large reduction ratio is not common in any of the known electrical machines, so that the electrical machines with an electromagnetic reduction belong to a special group of electrical machines which are suitable for use in slow-running electrical drive arrangements.

Wichtig ist es, dass bei einem derart grossen Frequenzuntersetzungsverhältnis die Anzahl der Polpaare gering, beispielsweise gleich drei, vier u.s.w. gewählt werden kann. Die Ausführung des Synchronmotors 1 mit einem grossen elektromagnetischen Untersetzungs Verhältnis gestattet es, bei einer geringen Anzahl von Polpaaren eine hohe Stetigkeit der Rotation der Belastung bei verhältnismässig geringen Widerständen der Ankerwicklungen des Synchronmotors 1 zu erzielen, wodurch sich die Leistungsverluste im Synchronmotor 1 und die zu installierende Leistung der Stromquelle 3 gering halten lassen. It is important that, with such a large frequency reduction ratio, the number of pole pairs is small, for example three, four, etc. can be chosen. The design of the synchronous motor 1 with a large electromagnetic reduction ratio makes it possible, with a small number of pole pairs, to achieve a high degree of steady rotation of the load with relatively low resistances of the armature windings of the synchronous motor 1, as a result of which the power losses in the synchronous motor 1 and the one to be installed Keep the power of the power source 3 low.

Die Ausführung des Tacho-Synchrongenerators 2 mit elektromagnetischer Untersetzung bei einem grossen Untersetzungsverhältnis ermöglicht es, einen Pegel der Nutzkomponente im Signal für die Drehzahl der Belastung von beispielsweise 5 bis 10 mV pro Umdrehung in 24 Stunden zu erhalten. Hierbei gelingt es, eine relativ geringe Induktivität für die Ankerstromkreise des Tacho-Synchrongenerators 2 zu erhalten, so dass nur eine geringe Verzögerung bei der Bildung des Drehzahl-Signals auftritt. The execution of the tacho-synchronous generator 2 with electromagnetic reduction with a large reduction ratio makes it possible to obtain a level of the useful component in the signal for the speed of the load of, for example, 5 to 10 mV per revolution in 24 hours. Here it is possible to obtain a relatively low inductance for the armature circuits of the tachometer synchronous generator 2, so that only a slight delay occurs in the formation of the speed signal.

In einer Ausführungsform nach Fig. 2 weist der Bezugssignalgeber 8 an seinem Ausgang ein Glied 9 zur Bildung eines mehrphasigen Bezugssignals auf. Der Geschwindigkeitssensor 4 weist bei dieser Ausführungsform einen Phasenwandler 10 auf. Der phasenempfindliche Gleichrichter 5 ist mehrphasig, beispielsweise für eine Phasenzahl von mehreren Zehnern ausgeführt. Das Glied 9 muss die gleich Phasenzahl aufweisen. Die Ausgangsspannung des Tacho-Synchrongenerators 2 wird mittels des Phasenzahlwandlers 10 in eine Spannung mit der gleichen Phasenzahl umgeformt. In one embodiment according to FIG. 2, the reference signal generator 8 has a link 9 at its output for forming a multiphase reference signal. In this embodiment, the speed sensor 4 has a phase converter 10. The phase-sensitive rectifier 5 is multi-phase, for example for a phase number of several tens. The link 9 must have the same number of phases. The output voltage of the tachometer synchronous generator 2 is converted into a voltage with the same number of phases by means of the phase number converter 10.

Der Ausgang des Gliedes 9 bildet den Ausgang des Bezugssignalgebers 8 und ist mit dem Frequenzsteuereingang der Stromquelle 3 und mit den Steuereingängen des mehrphasigen phasenempfindlichen Gleichrichters 5 verbunden. The output of the element 9 forms the output of the reference signal generator 8 and is connected to the frequency control input of the current source 3 and to the control inputs of the multi-phase phase-sensitive rectifier 5.

Die Schaltungsanordnung nach dem Blockschaltbild der Fig. 2 arbeitet im wesentlichen gleich wie diejenige nach Fig. 1. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass das ein Signal für die Drehzahl der Belastung darstellende Ausgangssignal des mehrphasigen phasenempfindlichen Gleichrichters 5 einen niedrigen Pegel der pulsierenden Komponente durch Verwendung einer mehrphasigen Gleichrichter-Schaltung aufweist. Dadurch lässt sich die Stetigkeit der Drehzahlregelung erhöhen. The circuit arrangement according to the block diagram of FIG. 2 operates essentially the same as that according to FIG. 1. The only difference is that the output signal of the multiphase phase-sensitive rectifier 5, which is a signal for the speed of the load, uses a low level of the pulsating component a multi-phase rectifier circuit. This allows the speed control to be increased continuously.

Die durch die Fig. 1 und 2 dargestellten elektrischen Antriebsanordnungen benötigen weitgehend handelsübliche Schaltungselemente und Baugruppen, wie Leistungstransistoren, Halbleiterstromschalter, Operationsverstärker sowie Strom-und Spannungsgeber. The electrical drive arrangements represented by FIGS. 1 and 2 largely require commercially available circuit elements and assemblies, such as power transistors, semiconductor current switches, operational amplifiers, and current and voltage transmitters.

Für hochpräzise elektrische Antriebsanordnungen wird die regelbare Stromquelle 3 vorzugsweise aus einzelnen Phasen-stromverstärkern zusammengesetzt. Jeder der Stromverstärker wird in der Regel auf der Basis von Leistungstransistorschaltern in Form eines Impulsbreiten-Spannungsverstärkers mit einer starren Ausgangsstrom-Rückkopplung ausgeführt. An den Eingang des Stromverstärkers gelangt in diesem Fall ein Steuersignal, dessen Wert durch ein Signal vom Ausgang des Reglers 6 und dessen Frequenz durch die Signalfrequenz vom Ausgang des Bezugssignalgebers 8 bestimmt wird. For high-precision electrical drive arrangements, the controllable current source 3 is preferably composed of individual phase current amplifiers. Each of the current amplifiers is typically implemented on the basis of power transistor switches in the form of a pulse width voltage amplifier with a rigid output current feedback. In this case, a control signal arrives at the input of the current amplifier, the value of which is determined by a signal from the output of the controller 6 and the frequency of which is determined by the signal frequency from the output of the reference signal generator 8.

Nach einer Ausführungsform gemäss Fig. 3 weist die elektrische Antriebsanordnung eine Integratoreinheit 11 als Bestandteil des Bezugssignalgebers 8 auf. Der Eingang der Integratoreinheit 11 ist mit dem Ausgang des Tacho-Synchrongenerators 2 verbunden, während der Ausgang der Integratoreinheit 11 mit dem Eingang des Gliedes 9 verbunden ist. According to an embodiment according to FIG. 3, the electric drive arrangement has an integrator unit 11 as part of the reference signal generator 8. The input of the integrator unit 11 is connected to the output of the tachometer synchronous generator 2, while the output of the integrator unit 11 is connected to the input of the link 9.

Die durch die Fig. 3 symbolisierte Antriebsanordnung arbeitet wie folgt: The drive arrangement symbolized by FIG. 3 operates as follows:

Vor Anlauf des Elektroantriebes werden in der Einheit 11 Anfangswerte eingestellt. Falls der Synchrongenerator 2.(bzw. der Synchronmotor 1) mit einer Magneterregung ausgeführt ist, sind die Anfangswerte für die Integratoren bei der Einschaltung einer Speisequelle des Erregerstromkreises verfügbar. Die Signale vom Ausgang der Einheit 11 werden durch das Glied 9 umgewandelt und am Frequenzsteuereingang der Stromquelle 3 und an den Steuereingängen des mehrphasigen phasenempfindlichen Gleichrichters 5 eingespeist. Gleichzeitig trifft ein analoges Signal für die Drehzahlvorgabe vom Drehzahlgeber 7 am Informationseingang des Reglers 6 ein, der ein Steuersignal für den Spannungswert (Stromwert) des Synchronmotors 1 liefert. Before starting the electric drive, 11 initial values are set in the unit. If the synchronous generator 2 (or the synchronous motor 1) is designed with magnetic excitation, the initial values for the integrators are available when a supply source of the excitation circuit is switched on. The signals from the output of the unit 11 are converted by the element 9 and fed in at the frequency control input of the current source 3 and at the control inputs of the multi-phase phase-sensitive rectifier 5. At the same time, an analog signal for the speed specification from the speed sensor 7 arrives at the information input of the controller 6, which delivers a control signal for the voltage value (current value) of the synchronous motor 1.

Sobald sich die Welle des Elektroantriebes zu drehen beginnt, werden die Spannungen vom Ausgang des Synchrongenerators 2 in der Einheit 11 integriert, wodurch die Phasen der Ausgangssignale am Ausgang dieser Einheit 11 und folglich auch an den Ausgängen des Gliedes 9 bestimmt werden. As soon as the shaft of the electric drive begins to rotate, the voltages from the output of the synchronous generator 2 are integrated in the unit 11, as a result of which the phases of the output signals at the output of this unit 11 and consequently also at the outputs of the element 9 are determined.

Die Phase der an den Steuereingängen des mehrphasigen phasenempfindlichen Gleichrichters 5 vom Glied 9 ankommenden Signale wird also unabhängig von der Drehzahl der Belastung und deren Schwankungen mit der Phase der vom Syn- The phase of the signals arriving at the control inputs of the multi-phase phase-sensitive rectifier 5 from the link 9 is therefore independent of the speed of the load and its fluctuations with the phase of the signal

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

665 513 665 513

6 6

chrongenerator 2 über den Phasenzahlwandler 10 eintreffenden Signale streng verbunden sein. Chrongenerator 2 signals arriving via the phase number converter 10 be strictly connected.

Bei derartiger Schaltung des Elektroantriebes wird eine hochpräzise Gleichrichtung der Signale des Synchrongenerators 2 und also die Erzeugung eines Signals für die Drehzahl der Belastung mit betragsmässig minimal möglichen Pulsationen verwirklicht. With such a switching of the electric drive, a highly precise rectification of the signals of the synchronous generator 2 and thus the generation of a signal for the speed of the load with minimal amount of possible pulsations is realized.

Dieser Umstand erhöht die Stetigkeit der Drehzahlregelung für die Belastung und verringert die Verzögerung in der Erzeugung eines Signals für die Drehzahl, weil er es gestattet, praktisch ohne Zeitfilter am Ausgang des Geschwindigkeitssensors 4 zu arbeiten. This fact increases the continuity of the speed control for the load and reduces the delay in the generation of a signal for the speed, because it allows to work practically without a time filter at the output of the speed sensor 4.

Zur Vereinfachung des Elektroantriebes wird er mit einem Drehwinkelsensor 12 versehen, dessen Läufer mit dem Läufer des Synchronmotors 1 (Fig. 4) mechanisch gekuppelt ist. Der Ausgang des Drehwinkelsensors 12 ist elektisch mit dem Eingang des Bezugssignalgebers 8 verbunden. To simplify the electric drive, it is provided with a rotation angle sensor 12, the rotor of which is mechanically coupled to the rotor of the synchronous motor 1 (FIG. 4). The output of the rotation angle sensor 12 is electrically connected to the input of the reference signal generator 8.

Die Arbeit des in Fig. 4 dargestellten Elektroantriebes geschieht folgenderweise: The electrical drive shown in FIG. 4 works as follows:

Das analoge Signal für die Drehzahlvorgabe gelangt vom Drehzahlgeber 7 auf den Informationseingang des Reglers 6, wo es mit einem Signal für die Drehzahl der Belastung verglichen wird, das vom Drehzahlsensor 4 kommt, an dessen Steuereingängen Signale vom Bezugssignalgeber 8 eintreffen. The analog signal for the speed specification passes from the speed sensor 7 to the information input of the controller 6, where it is compared with a signal for the speed of the load, which comes from the speed sensor 4, at whose control inputs signals from the reference signal generator 8 arrive.

Die eine Information über die Winkellage der Welle des Synchronmotors 1 tragenden Signale kommen vom Ausgang des Drehwinkelsensors 12 am Eingang des Bezugssignalgebers 8 an, der entsprechend den genannten Signalen für den Drehzahlsensor 4 Bezugssignale erzeugt, deren Frequenz und Phase sich mit der Frequenz und Phase der Rotation der Welle des Elektromotors 1 und des Generators 2 als streng verbunden erweisen. The signals carrying information about the angular position of the shaft of the synchronous motor 1 arrive from the output of the rotation angle sensor 12 at the input of the reference signal generator 8, which generates reference signals for the speed sensor 4 in accordance with the signals mentioned, the frequency and phase of which change with the frequency and phase of the rotation the shaft of the electric motor 1 and the generator 2 prove to be strictly connected.

Dadurch wird eine genaue Gleichrichtung der Signale des Synchrongenerators 2 unter geringer Welligkeit im Drehzahlsensor 4 ermöglicht. This enables precise rectification of the signals of the synchronous generator 2 with little ripple in the speed sensor 4.

Die Signale vom Ausgang des Reglers 6 erzeugen mit Hilfe der Stromquelle 3 einen erforderlichen Strom in den Ankerwicklungen des Synchronmotors 1, dessen Frequenz und Phase durch die Frequenz und Phase der Signale vom Ausgang des Bezugssignalgebers 8 bestimmt werden. The signals from the output of the controller 6 use the current source 3 to generate a required current in the armature windings of the synchronous motor 1, the frequency and phase of which are determined by the frequency and phase of the signals from the output of the reference signal generator 8.

Derartige schaltungstechnische Lösung vereinfacht den Elektroantrieb, weil die Erhaltung der erforderlichen Phase der Bezugssignale für den Drehzahlsensor 4 durch Messung einer tatsächlichen Winkellage der Welle des Synchrongenerators 2 ermöglicht wird. Hierbei ist die Anwendung eines Präzisionsgenerators für die Frequenz im Bezugssignalgeber 8 überflüssig, die mit dem analogen Signal des Drehzahlgebers 7 für die Drehzahlvorgabe für die Belastung streng abzustimmen war. Such circuitry solution simplifies the electric drive, because the maintenance of the required phase of the reference signals for the speed sensor 4 is made possible by measuring an actual angular position of the shaft of the synchronous generator 2. Here, the use of a precision generator for the frequency in the reference signal generator 8 is superfluous, which had to be strictly coordinated with the analog signal of the speed generator 7 for the speed specification for the load.

Bei der Rotation der Belastung mit einer maximal möglichen Stetigkeit und mit höchstmöglichen Drehzahlen wird der Elektroantrieb mit einer Einheit 13 phasenempfindlicher Gleichrichter als Bestandteil des Bezugssignalgebers 8 (Fig. 5) versehen, während die Integratoren in der Einheit 11 in Form aperiodischer Glieder mit einer grossen Zeitkonstante ausgeführt werden. Hierbei wird der Läufers des Drehwinkelgebers 12 ohne Wicklung ausgeführt, während auf seinen Ständer Wechselstromwicklungen aufgebracht werden. Die Speisung des Drehwinkelsensors 12 erfolgt von einer in Fig. 5 nicht aufgezeigten Quelle für die Trägerfrequenz. Am Ausgang des Drehwinkelsensors 12 liegt eine Wechselspannung der Trägerfrequenz an, die durch eine Mehrphasenspannung mit der Frequenz und der Phase des Drehwinkels des Läufers des Synchronmotors 1 durchmoduliert ist. When rotating the load with the maximum possible continuity and at the highest possible speeds, the electric drive is provided with a unit 13 phase-sensitive rectifier as part of the reference signal generator 8 (FIG. 5), while the integrators in the unit 11 in the form of aperiodic elements with a large time constant be carried out. Here, the rotor of the rotary angle sensor 12 is designed without a winding, while AC windings are applied to its stator. The rotation angle sensor 12 is supplied from a source for the carrier frequency, not shown in FIG. 5. An AC voltage of the carrier frequency is present at the output of the rotation angle sensor 12 and is modulated by a multiphase voltage with the frequency and the phase of the rotation angle of the rotor of the synchronous motor 1.

Der Informationseingang der Einheit 13 ist an den Ausgang des Drehwinkelsensors 12 und deren Ausgang ist an den Eingang der Integratoreinheit 11 angeschlossen. Der Steuereingang der Einheit 13 ist mit der gleichen Quelle für die Trägerfrequenz verbunden, die den Drehwinkelsensor 12 speist. The information input of the unit 13 is connected to the output of the rotation angle sensor 12 and its output is connected to the input of the integrator unit 11. The control input of the unit 13 is connected to the same source for the carrier frequency that feeds the rotation angle sensor 12.

Am Ausgang der Einheit 13 wird beispielsweise ein Drehstrom erzeugt, dessen Frequenz und Phase mit der Frequenz und Phase der Rotation der Welle des Synchronmotors 1 und des Synchrongenerators 2 streng verbunden sind. At the output of the unit 13, for example, a three-phase current is generated, the frequency and phase of which are strictly connected to the frequency and phase of the rotation of the shaft of the synchronous motor 1 and the synchronous generator 2.

Die Funktion des in Fig. 5 gezeigten Elektroantriebes entspricht im wesentlichen derjenigen des in Fig. 4 dargestellten Elektroantriebes. Der einzige Unterschied besteht darin, dass am Eingang der Einheit 11 zusätzlich Signale vom Ausgang des Synchrongenerators 2 eintreffen. The function of the electric drive shown in FIG. 5 essentially corresponds to that of the electric drive shown in FIG. 4. The only difference is that additional signals from the output of the synchronous generator 2 arrive at the input of the unit 11.

Die Ausgangssignale der Einheit 11 werden also nach den Ergebnissen einer Summation von Signalen an den Ausgängen der Einheit 13 (des Drehwinkelsensors 12) und des Synchrongenerators 2 erzeugt. The output signals of the unit 11 are thus generated based on the results of a summation of signals at the outputs of the unit 13 (of the rotation angle sensor 12) and the synchronous generator 2.

Der statische und der dynamische Übertragungsfaktor der Einheit 11 werden in der Weise gewählt, dass an deren Ausgang ein betragsmässig konstantes, beispielsweise ein dreiphasiges Signal der Frequenz und Phase des Drehwinkels des Synchrongenerators 2 bei einer beliebigen Drehzahl seiner Welle gebildet wird. Dieses Signal gelangt auf den Eingang des Gliedes 9, dessen Signale an den Steuereingängen des mehrphasigen phasenempfindlichen Gleichrichters 5 ankommen. The static and the dynamic transmission factor of the unit 11 are selected in such a way that at their output a constant, for example a three-phase signal of the frequency and phase of the angle of rotation of the synchronous generator 2 is formed at any speed of its shaft. This signal reaches the input of the link 9, the signals of which arrive at the control inputs of the multi-phase phase-sensitive rectifier 5.

Dadurch, dass die Signale des Synchrongenerators 2 an der Erzeugung der Signalphase am Ausgang der Einheit 11 mitwirken, gelingt es, die Eingangssignale des mehrphasigen phasenempfindlichen Gleichrichters 5 exakter in Phase zu bringen und eine geringe Welligkeit in seinem Ausgangssignal zu erhalten, was für die Betriebsarten mit für die Belastung maximal möglichen Drehzahlen von besonderer Tragweite ist. Because the signals of the synchronous generator 2 participate in the generation of the signal phase at the output of the unit 11, it is possible to bring the input signals of the multiphase phase-sensitive rectifier 5 more precisely into phase and to obtain a low ripple in its output signal, which is the case for the operating modes is of particular significance for the maximum possible speeds.

Auf Grund dessen, dass an der Erzeugung der Ausgangssignale der Einheit 11 die Signale des Drehwinkelsensors 12 teilnehmen, treten die für den Drehzahlsensors 4 erforderlichen Betzugssignale bei einer Drehzahl der Belastung gleich Null auf. Deshalb ist es nicht nötig, vor Anlauf des Elektroantriebes die Anfangswerte in der Einheit 11 einzustellen, und also entfallen auch die Baugruppen zur Anfangswertstellung bei den aperiodischen Gliedern, was den Elektroantrieb vereinfacht. Due to the fact that the signals of the rotation angle sensor 12 participate in the generation of the output signals of the unit 11, the supply signals required for the speed sensor 4 occur at a speed of the load equal to zero. It is therefore not necessary to set the initial values in the unit 11 before the electric drive starts up, and so the assemblies for the initial value setting in the aperiodic elements are also omitted, which simplifies the electric drive.

Zur Regelung der Winkellage der Belastung wird der Elektroantrieb mit einem Drehwinkelregler 14 und mit einem digitalen Drehwinkelsensor 15 für den Läufer des Synchronmotors 1 (Fig. 6) versehen, dessen Ausgang mit den Eingängen des Bezugssignalgebers 8 und des Drehwinkelgebers 14 verbunden ist, dessen Ausgang an den Eingang des Reglers 6 angeschlossen ist. To control the angular position of the load, the electric drive is provided with a rotation angle controller 14 and with a digital rotation angle sensor 15 for the rotor of the synchronous motor 1 (FIG. 6), the output of which is connected to the inputs of the reference signal generator 8 and of the rotation angle transmitter 14, the output of which the input of controller 6 is connected.

Die Arbeit des in Fig. 6 wiedergegebenen Elektroantriebes geht wie folgt vor sich: The work of the electric drive shown in Fig. 6 proceeds as follows:

Das Vorgabesignal für die Winkellage der Belastung gelangt an den Informationseingang des Drehwinkelreglers 14. Dieses Signal wird meist durch eine (nicht eingezeichnete) äussere digitale Steuermaschine erzeugt und kann am Eingang des Drehwinkelreglers 14 in Form sowohl eines analogen als auch eines Codesignals ankommen. The predetermined signal for the angular position of the load reaches the information input of the rotary angle controller 14. This signal is usually generated by an external digital control machine (not shown) and can arrive at the input of the rotary angle controller 14 in the form of both an analog and a code signal.

In Fig. 6 ist die digitale Steuermaschine nicht angedeutet, weil sie zum Eleketroantrieb gehört. The digital control machine is not indicated in FIG. 6 because it belongs to the electric drive.

Gleichzeitig mit dem genannten Signal von der digitalen Steuermaschine kommt im Drehzahlgeber 7 in der Regel ein Vorgabesignal für die Drehzahl der Belastung an. Simultaneously with the signal from the digital control machine, a predetermined signal for the speed of the load is generally received in the speed sensor 7.

Der digitale Drehwinkelsensor 15 misst in digitaler Form hochpräzis die Winkellage der Belastung, und die erhaltene Information trifft am Eingang für eine Rückkopplung des Drehwinkelreglers 14 sowie am Eingang des Bezugssignalgebers 8 ein. The digital angle of rotation sensor 15 measures the angular position of the load with high precision in digital form, and the information received arrives at the input for a feedback of the angle of rotation regulator 14 and at the input of the reference signal generator 8.

Der Drehwinkelregler 14 vergleicht die Information des Drehwinkelsensors 15 mit der Information von der digitalen Steuermaschine und erzeugt ein erstes Vorgabesignal für den Regler 6. The rotation angle controller 14 compares the information from the rotation angle sensor 15 with the information from the digital control machine and generates a first preset signal for the controller 6.

Als zweites Vorgabesignal für den Regler 6 dient ein analoges Signal, das vom Drehzahlgeber 7 kommt und mit einem vom Drehzahlsensor 4 eintreffenden Rückführungssignal für die Drehzahl verglichen wird. An analog signal, which comes from the speed sensor 7 and is compared with a feedback signal for the speed arriving from the speed sensor 4, serves as the second preset signal for the controller 6.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

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7 7

665 513 665 513

Der Regler 6 erzeugt Steuersignale für die Stromquelle 3, die mit Rücksicht auf vom Bezugssignalgeber 8 ankommende Signale nach dem Wert und der Frequenz erforderliche Ströme in den Ankerwicklungen des Synchronmotors 1 erzeugt. Hierbei dreht sich die Belastung und ändert ihre Winkellage in Übereinstimmung mit den von der digitalen Steuermaschine ankommenden Vorgabesignalen für Drehzahl und Winkellage. The controller 6 generates control signals for the current source 3, which generates the required currents in the armature windings of the synchronous motor 1 with respect to signals arriving from the reference signal generator 8 according to the value and the frequency. Here, the load rotates and changes its angular position in accordance with the input signals for the speed and angular position from the digital control machine.

In dem in Fig. 6 gezeigten Elektroantrieb werden die für eine phasensynchronisierte Gleichrichtung der Signale des Synchrongenerators 2 und für eine Steuerung der Drehzahl des Synchronmotors 1 erforderlichen Signale im Bezugssignalgeber 8 auf der Basis einer vom digitalen Drehwinkelsensor 15 kommenden Information gebildet. Eine derartige schaltungstechnische Lösung gestattet es, die Winkellage der Belastung einfach und hochpräzis zu regeln, da die Information des hochpräzisen Drehwinkelgebers 15 zugleich im Regelkreis für die Winkellage der Belastung, im Steuerkreis für die Drehzahl des Synchronmotors 1 und im Formierungskreis für das Signal für die Drehzahl der Belastung ausgenutzt wird. In the electric drive shown in FIG. 6, the signals required for phase-synchronized rectification of the signals of the synchronous generator 2 and for controlling the speed of the synchronous motor 1 are formed in the reference signal generator 8 on the basis of information coming from the digital angle of rotation sensor 15. Such a circuit solution allows the angular position of the load to be controlled easily and with high precision, since the information from the high-precision angle encoder 15 is also used in the control circuit for the angular position of the load, in the control circuit for the speed of the synchronous motor 1 and in the formation circuit for the signal for the speed the load is exploited.

Es ist zweckmässig, dass der Elektroantrieb einen Digital-Analog-Wandler 16 als Bestandteil des Bezugssignalgebers 8 enthält, in dem die Integratoren der Einheit 11 in Form aperiodischer Glieder mit einer grossen Zeitkonstante (Fig. 7) ausgeführt sind. Hierbei ist der Eingang des Digital-Analog-Wandlers 16 an den Ausgang des digitalen Drehwinkelgebers 15 und sein Ausgang an den Eingang der Einheit 11 angeschlossen, an deren Eingang auch der Ausgang des Synchrongenerators 2 geschaltet ist. It is expedient that the electric drive contains a digital-to-analog converter 16 as part of the reference signal generator 8, in which the integrators of the unit 11 are designed in the form of aperiodic elements with a large time constant (FIG. 7). Here, the input of the digital-to-analog converter 16 is connected to the output of the digital angle encoder 15 and its output is connected to the input of the unit 11, at the input of which the output of the synchronous generator 2 is also connected.

Die Funktion des in Fig. 7 angedeuteten Elektroantriebes entspricht im wesentlichen derjenigen des in Fig. 6 gezeigten s Elektroantriebes. Der Unterschied besteht in der Erzeugung der Bezugssignale im Bezugssignalgeber 8. The function of the electric drive indicated in FIG. 7 essentially corresponds to that of the electric drive shown in FIG. 6. The difference lies in the generation of the reference signals in the reference signal generator 8.

Die Signale des digitalen Drehwinkelgebers 15 treffen codiert am Eingang des Digital-Analog-Wandlers 16 ein, der einen nichtlinearen Wandler darstellt und an seinen Ausgängen bei-io spielsweise ein dreiphasiges System von Signalen erzeugt, deren Frequenz und Phase mit der Drehzahl und der Winkellage der Belastung streng verbunden sind. The signals of the digital angle encoder 15 arrive encoded at the input of the digital-to-analog converter 16, which represents a non-linear converter and generates a three-phase system of signals at its outputs, for example, the frequency and phase of which with the speed and the angular position of the Are strictly connected.

Dieses mehrphasige System der Signale gelangt in die Einheit 11 und erzeugt an deren Ausgang dank dem Vorhandensein 15 eines statischen Übertragungsfaktors ein entsprechendes System der Signale, das seinerseits am Eingang des Gliedes 9 ankommt. This multiphase system of signals arrives in the unit 11 and, at its output, generates a corresponding system of the signals thanks to the presence 15 of a static transmission factor, which in turn arrives at the input of the link 9.

Zur Korrektur der Signale am Ausgang der Einheit 11 treffen an deren Eingang Zusatzsignale vom Ausgang des Synchrongenerators 2 ein. Die Signale am Ausgang der Einheit 11 20 müssen insbesondere bei Grenzwerten der Drehzahl der Belastung korrigiert werden. To correct the signals at the output of the unit 11, additional signals from the output of the synchronous generator 2 arrive at its input. The signals at the output of the unit 11 20 must be corrected, in particular, in the case of limit values for the speed of the load.

Eine derartige schaltungstechnische Lösung des Elektroantriebes verringert die Welligkeit des Signals für die Drehzahl der Belastung am Ausgang des Drehzahlsensors 4 und erhöht die 25 Genauigkeit und Stetigkeit der Steuerung der Drehzahl und der Winkellage der Belastung. Such a circuit solution of the electric drive reduces the ripple of the signal for the speed of the load at the output of the speed sensor 4 and increases the accuracy and continuity of the control of the speed and the angular position of the load.

v v

3 Blätter Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims

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1. Electric drive arrangement for slow-moving objects, with a synchronous motor (1) connected to a controllable current source (3), which is mechanically coupled to a tacho synchronous generator (2), with a speed sensor (4), which is a phase-sensitive rectifier (5), the information input of which is connected to the tachometer synchronous generator (2) and the output of which is connected to a first input of a controller (6), to a speed sensor (7) which is connected to a second input of the controller (6), whose output is connected to a first control input of the current source (3) for controlling the voltage or current value of the current source (3), characterized in that the speed sensor (7) has a reference signal generator (8), the output of which is connected to a second control input of the current source (3) for controlling the frequency of the current source (3) and with a control input of the phase-sensitive rectifier (5) and that the synchronous motor (1) u nd the tacho synchronous generator (2) are equipped according to the principle of a reluctance machine with electromagnetic frequency reduction.

2. Drive arrangement according to claim 1, characterized in that the reference signal generator (8) has a member (9) for forming a multiphase reference signal and the speed sensor (4) has a phase number converter (10) that the phase-sensitive rectifier (5) is and be multiphase Information input via the phase number converter (10) to the tachometer synchronous generator (2) and its control input is connected to the link (9) of the reference signal generator (8). (Fig. 2).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Drive arrangement according to claim 2, characterized in that the reference signal generator (8) has an integrator unit (11), the input of which is connected to the tachometer synchronous generator (2) and the output of which is connected to the input of the link (9) of the reference signal generator (8) is. (Fig. 3).

4. Drive arrangement according to claim 1, characterized in that with the synchronous motor (1), a rotation angle sensor (12) is mechanically coupled and is electrically connected to the reference signal generator (8). (Fig. 4).

5. Drive arrangement according to claims 3 and 4, characterized in that the reference signal generator (8) has a phase-sensitive rectifier unit (13) whose input is connected to the rotation angle sensor (12) and whose output is connected to the integrator unit (11), the integrators of which are aperiodic Have limbs. (Fig. 5).

6. Drive arrangement according to claim 1, characterized in that for scanning the rotor of the synchronous motor (1) there is a digital rotation angle sensor (15), the output of which is connected to the inputs of the reference signal generator (8) and to a rotation angle controller (14) and that the output of the rotary angle controller (14) is connected to a third input of the controller (6). (Fig. 6).

7. Drive arrangement according to claims 3 and 6, characterized in that the reference signal generator (8) has a digital-to-analog converter (16), whose input with the digital angle of rotation sensor (15) and whose output with the input of the integrator unit (11) is connected, whose integrators have aperiodic elements. (Fig. 7).