DE1068035B

DE1068035B - Anordnung zur Drehzahlregelung von motorisch angetriebenen Teilen auf konstante Drehzahl- oder Geschwindigkeitsverhältnisse, insbesondere für Mehrmotorenantriebe

Info

Publication number: DE1068035B
Application number: DENDAT1068035D
Authority: DE
Inventors: Erlangen Dipl.-Ing. Dr. Gerhart Kessler
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Publication date: 1959-10-29

Description

DEUTSCHES

Zur Regelung einer Drehzahl muß bekanntlich ihr Istwert mit einem Sollwert verglichen werden. Als direkt vergleichendes Meßwerk kann beispielsweise ein mechanisches Differential dienen, dessen Differenzwelle als Stellglied auf die Regeleinrichtung einwirkt. Ein solches Meßwerk hat ein integrales Zeitverhalten, d. h., bei einer Differenz der zu vergleichenden Drehzahlen bewegt sich der Steller mit einer der Differenz proportionalen Geschwindigkeit. Dies hat zur Folge, daß bei Störungen des Gleichgewichtes so lange geregelt wird, bis der Steller zur Ruhe kommt, d. h. die Istgröße der Sollgröße exakt gleich ist.

Soll nun beispielsweise ein bestimmtes Verhältnis zweier Drehzahlen eingeregelt werden, so ist ein Getriebe dazwischenzuschalten. Um das Drehzahlverhältnis feinstufig einstellen zu können, muß das Getriebe häufig stetig verstellbar sein. Die stetigen Getriebe weisen jedoch meist einen Schlupf auf, der die Genauigkeit der Regelung trptz des exakt genauen Vergleiches im Differential beeinträchtigen kann.

Bei elektrischen Reglern werden die Drehzahlen durch Meßwertumformer beispielsweise in elektrische Spannungen umgewandelt. Dazu dienen vorzugsweise Tachogeneratoren, welche die Drehzahlen in proportionale Spannungen., z. B. Gleichspannungen, umformen. Die mit Hilfe der Tachogeneratoren gewonnenen Spannungen, werden als Soll- und Tstwert verglichen und die Differenz einem als Verstärker ausgebildeten Regler, beispielsweise einem Gleichspannungsverstärker, zugeführt. Eine solche Meßeinrichtung hat proportionales Verhalten, d. h., die Ausgangsspannung ist dem Augenblickswert der Drehzahldifferenz proportional. Bei diesen bekannten proportionalen Meß- und Regeleinrichtungen können je- doch verschiedene Fehler auftreten, die einmal durch die ungenaue Umformung, z. B. infolge Temperatureinfluß, Bürstenspannungsabfälle u. dgl., und zum anderen auch durch Nullpunktwanderungen der Verstärker bedingt sein können. Letztere können durch einen äquivalenten Fehler der Meßgrößen dargestellt werden. Weiter können Unterschiede zwischen SoIl- und Istwert dadurch entstehen, daß die technischen (stetigen) Verstärker keine unendlich große, sondern nur eine endliche Verstärkung haben, so daß zur Ausregelung einer Störung eine von Null abweichende Spannung am Eingang des Reglers bestehenbleiben muß. Ferner können Fehler beim Gleichlauf zweier oder mehrerer Antriebe infolge Krümmung der Kennlinien der Tachogeneratoren entstehen, wenn die Antriebe in großen Niveaubereichen verhältnisgleich gefahren werden sollen. Diese Fehler können durch vergrößerten Aufwand zwar klein gemacht werden, spielen aber bei genauen Regelungen, vor allem bei Anordnung zur Drehzahlregelung

von motorisch angetriebenen Teilen

auf konstante Drehzahl- oder

Geschwindigkeitsverhältnisse,

insbesondere für Mehrmotorenantriebe

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Dr. Gerhart Kessler, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

großen Bereichen und bei Mehrmotorenantrieben, z. B. für Papiermaschinen, eine zu beachtende Rolle.

Weiter ist bekannt, die Genauigkeit der Regelung dadurch zu verbessern, daß die Drehzahlen durch geeignete Meßwertumformer in elektrische Wechselspannungen oder Impulsspannungen umgesetzt werden, deren Frequenzen den Drehzahlen exakt proportional sind. Hierbei wird zur Regelung die Istfrequenz mit der Sollfrequenz verglichen. Die Durchführung und Auswertung des Vergleiches bzw. die Umformung in eine elektrische Größe zur Aussteuerung eines elektrischen Verstärkers kann auf verschiedene Weise vorgenommen werden. Beispielsweise kann in Mischschaltungen die Differenzfrequenz gebildet werden, die anschließend in eine der Drehzahldifferenz proportionale Spannung umgeformt wird.

Alle zuvor beschriebenen Meßverfahren, welche, die zu messende Größe stetig abbilden, werden als analoge Verfahren bezeichnet. .

Demgegenüber stehen die digitalen Verfahren, worunter hier solche zu verstehen sind, bei welchen die Meßwerte durch Zählung gewonnen werden. So kann beispielsweise die Zahl der Impulse während eines vorgegebenen Zeitintervalls oder die Zeit für eine vorgegebene Zahl von Impulsen bestimmt werden. Die. den Soll- und Istwerten entsprechenden Zählergebnisse werden sodann miteinander verglichen, wobei die Differenz in eine passende Eingangsgröße für einen Regler umgesetzt werden muß.

Diese digitalen Verfahren können beliebig genau gemacht werden, wenn nur die Zahl der in der Meßzeit angelaufenen Impulse groß genug gewählt ist, wobei zu berücksichtigen ist, daß in jedem Fall ein

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Fehler von einem Impuls auftreten kann. Zur Er- Korrektur, bei größeren aber eine mehr als proporreichung beispielsweise einer Genauigkeit von 1 °/oo tional größere Korrektur veranlaßt. In manchen müssen wenigstens 1000 Impulse erfaßt werden. Zur Fällen kann es genügen, wenn der Umformer ein Erreichung einer dynamisch richtigen Regelung muß Dreipunktverhalten aufweist, d. h. wenn seine Ausweiter die Meß- und Auswertungszeit wesentlich 5 gangsgröße nur angibt, ob die Abweichung vom Sollkleiner gewählt werden als die kleinste Dauer der wert gleich Null, positiv oder negativ ist. Vorzugsdurch die Regelung erreichbaren oder angestrebten weise enthält der Meßumformer ein Integrationsglied, dynamischen Ausregelzeiten. Es hat sich nun gezeigt, welches das Ergebnis während der nächstfolgenden daß die Frequenz der Impulsgeber für die Drehzahlen Zählung festhält. Als Integrationsglied kann beispielsin den technisch vorkommenden Bereichen sehr hoch io weise ein elektromechanisch betätigter Stufenschalter gewählt werden muß. Die Erzeugung dieser hohen vorgesehen sein, welcher vor- und rückwärts laufen Frequenzen mit den zur Zeit bekannten Impulsgebern kann. Dieser Stufenschalter kann ein im analogen macht jedoch noch erhebliche Schwierigkeiten. Regel- oder Meßkreis angeordneten Potentiometer

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, od. dgl. verstellen. Das Integrationsglied kann auch eine Regelanordnung zu schaffen, bei der die verschie- 15 als rückgekoppelter A^erstärker ausgebildet sein. Bei denen, auf die Regelung wirkenden Störeinflüsse, der stufenweisen Integration ist es zweckmäßig, daß welche durch die technische Unzulänglichkeit der be- dem Integrationsglied ein Glättungsglied, z. B. ein kannten Meßeinrichtungen bedingt sind, weitgehend Kondensator od. dgl., nachgeschaltet ist, dessen Zeitausgeschaltet werden, um eine wesentlich erhöhte konstante im Verhältnis zu den digitalen Meßinter-Regelgenauigkeit zu erzielen. Gemäß der Erfindung 20 vallen groß ist.

besteht die Anordnung zur Regelung von motorisch An Hand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden angetriebenen Teilen insbesondere auf konstante Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Drehzahlen und Drehzahlverhältnisse darin, daß eine Mit M₂ ist ein Motor bezeichnet, dessen Welle 2 analoge Drehzahlmeßeinrichtung mit einer digitalen auf eine bestimmte Drehzahl geregelt werden soll. Meßeinrichtung kombiniert wird, die vorzugsweise 25 Mit der zu regelnden Welle 2 sind ein Tachoauf einen gemeinsamen Regler einwirken. Die An- generator T₂ und ein Impulsgeber G₂ zur Abgabe der Ordnung ist hierbei so getroffen, daß die schnell auf- Istwerte gekuppelt. Die von dem Tachogenerator T₂ tretenden Abweichungen mit Hilfe der analogen Dreh- abgegebene Spannung U₂ wird mit einer konstanten zahlmeßeinrichtung erfaßt werden, während mit Sollspannung U₀ verglichen, die beispielsweise einer Hilfe der exakt messenden, aber im Prinzip integrie- 30 Batterie B₀ od. dgl. entnommen werden kann. Die rend wirkenden . digitalen Drehzahlmeßeinrichtung Größe der Sollspannung kann mit Hilfe eines eine. Korrektur der Regelung vorgenommen wird. Da Potentiometers W₀ eingestellt werden. Die Differenzviele Fehler und Störungen der analogen Meßeinrich- spannung U₀-U₉ wird in an sich bekannter Weise tung im allgemeinen nur sehr langsam eintreten, ge- einem Regler R zugeführt, der auf die nicht weiter nügt es, die digitale, exakt reproduzierbare Messung 35 dargestellte Drehzahlstelleinrichtung des Motors M₂ nur in größeren Meß Intervallen vorzunehmen und die einwirkt.

Regelung entsprechend zu korrigieren. Die analoge Die Frequenz /₂ des Impulsgebers G₂ wird einem Messung mittels Tachogeneratoren kann dagegen wie Zählwerk Z₂ zugeführt. Die Sollfrequenz f₀ kann beibisher infolge ihrer geringen Trägheit alle dyna- spielsweise von einem festen Impulsgeber F₀ bereitmischen Vorgänge mit hinreichender Schnelligkeit 40 gestellt werden und wird auf ein Zählwerk Z₀ gegeben, erfassen. Zu Beginn der Meßzeit starten beide Zählwerke. Das

Die längeren Meßzeiten für die digitale Mes- Zählwerk Z₀ zählt hierbei eine vorgegebene Zahl Z₀ sung gestatten die Anwendung geringerer Impuls- von Impulsen ab und sperrt dann sowohl sich selbst frequenzen, die mit den bekannten Impulsgebern als auch das Zählwerk Z₂, welches inzwischen beitechnisch wesentlich einfacher hergestellt werden 45 spielsweise eine Zahl z₂ entsprechend der Frequenz f₂ können. Da die Drehzahlen andererseits in Intervallen gezählt hat. Die Differenz z₀ — Z₂ wird beispielsweise korrigiert werden, welche noch klein bleiben können mit Hilfe eines Digital-Analog-Umformers M in eine gegen die Fehlerzeitkonstanten der Tachogeneratoren entsprechende Spannung umgesetzt und ebenfalls dem und Verstärker, braucht auf die Kleinhaltung deren Regler R zugeführt. Diese Spannung bleibt bis zum Fehler nicht mehr so großer Wert gelegt zu werden, 50 Ende des nächsten Zählintervalls bestehen. Die Einais wenn die Tachogeneratoren allein für die Messung führung der digitalen Korrektur in den analogen verantwortlich wären. Regelkreis kann z. B. auch durch Verstellung des

Zur digitalen Drehzahlmessung werden die Dreh- Soll- oder Istwertabgriffes im Tachokreis mittels

zahlen . vorzugsweise in Längen- oder Drehwinkel- weiterer Potentiometer erfolgen. Die Dauer der Inter-

einheiten proportionale Impulszahlen umgesetzt und 55 valle kann hierbei zeit- oder wegabhängig gesteuert

in an sich bekannter Weise mit Hilfe von Zählwerken werden.

gezählt. Hierbei werden zur Regelung bei digitaler Bei festen Sollgrößen U₀ und f₀ kann die Sollwert-Drehzahlmessung die in gleichen Zeitintervallen ge- verstellung beispielsweise mit Hilfe einer Verstellwonnenen Zählergebnisse der den Drehzahlen zugeord- einrichtung 5 erfolgen, die einmal den Abgriff des neten Zählwerke miteinander verglichen. Die Differenz 60 Potentiometers W₀ und zum anderen den Sollzählder während der gleichen Zählzeit gewonnenen wert Z₀ ändert. Zweckmäßigerweise ist der Sollwertdigitalen Zählergebnisse wird sodann in eine für die einsteller innerhalb seines Stellbereiches in zahlen-Beeinflussung des Reglers geeignete analoge Größe wertmäßig fortschreitenden Stufen einstellbar. Die umgeformt. ■ Sollwerteinstellung kann bei der digitalen Drehzahl-

Der Meßwertumformer kann so ausgebildet sein, 65 meßeinrichtung durch Änderung des im Sollzähldaß er eine der Drehzahlabweichung proportionale werk oder im Istzählwerk einstellbaren Vergleichs-Größe, z.B. Spannung oder Strom, abgibt. In vielen zählwertes vorgenommen werden.

Fällen kann es zweckmäßig sein, dem Umformer eine Soll die Regeleinrichtung zur Aufrechterhaltung

nichtlineare Kennlinie zu geben, beispielsweise derart, des relativen Gleichlaufes zweier oder mehrerer Andaß er bei kleinen Drehzahlabweichungen eine kleine 70 triebe dienen, so müssen die Sollgrößen als Führungs-

größen gemeinsam verändert werden. Dies kann in der Weise erfolgen, daß mit der Welle eines Leitoder Führungsmotors M₀ ein Tachogenerator T₀ und ein Impulsgenerator G₀ gekuppelt wird, die nun an Stelle der Batterie B₀ und des Impulsgebers F₀ treten. Durch Einstellung bzw. Veränderung der Leitdrehzahl »₀. des Leitmotors M₀ kann das Niveau der Drehzahlen verändert werden. Das Verhältnis der Drehzahlen H₀Zn₂ wird nach wie vor mit Hilfe des Sollwertstellers .9 eingestellt. Die Sollwertgeber T₀ und G₀ können in der beschriebenen Weise gleichzeitig mehrere Antriebe im Gleichlauf führen.

Wie eingangs erwähnt, werden durch die analoge Meßeinrichtung (T₀, T₂) die plötzlich auftretenden Drehzahlabweichungen erfaßt, während mit der digitalen Meßeinrichtung (G₀, G₂, Z) eine Korrektur der Regelung, die durch die Unzulänglichkeit der analogen Meßeinrichtung bedingt ist, durchgeführt wird.

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Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Regelung eines oder mehrerer motorisch angetriebener Teile auf konstante Drehzahlen oder auf vorgegebene Drehzahlverhältnisse, insbesondere für Mehrmotorenantriebe, gekennzeichnet durch die Kombination einer analogen Drehzahlmeßeinrichtung mit einer digitalen Drehzahlmeßeinrichtung, welche vorzugsweise auf einen gemeinsamen Regler einwirken.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schnell auftretenden Drehzahlabweichungen mit Hilfe der analogen Drehzahlmeßeinrichtung und die vergleichsweise langsam auftretenden D rehzahl abweichungen mit Hilfe der, digitalen Drehzahlmeßeinrichtung erfaßt bzw. korrigiert werden.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der digitalen Meßeinrichtung eine Korrektur der Regelung in vorgegebenen Intervallen erfolgt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Intervalle zeit- oder wegabhängig gesteuert werden.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Sollwerte für die Drehzahlen oder die Drehzahlverhältnisse für die analoge und digitale Meßeinrichtung von einem gemeinsamen Sollwerteinsteller erfolgt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwerteinsteller innerhalb seines Stellbereiches in zahlenwertmäßig fortschreitenden Stufen einstellbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung bei analoger Drehzahlmessung vorzugsweise zwei drehzahlproportionale Spannungen oder Ströme miteinander verglichen werden.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der drehzahlproportionalen Spannungen oder Ströme in an sich bekannter Weise Tachogeneratoren verwendet sind.

9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur digitalen Drehzahlmessung die Drehzahlen in mit Längen- oder Drehwinkeleinheiten proportionale Impulszahlen umgesetzt und in an sich bekannter Weise mit Hilfe von Zählwerken gezählt werden.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung bei digitaler Drehzahlmessung die in gleichen Zeitintervallen gewonnenen Zählergebnisse der den Drehzahlen zugeordneten Zählwerke miteinander verglichen werden.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der während der gleichen Zählzeit gewonnenen digitalen Zählergebnisse mit Hilfe eines Meßwertumformers in eine für die Beeinflussung des Reglers geeignete analoge Größe umgeformt wird.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertumformer eine der Drehzahlabweichung proportionale Größe, z. B. Spannung oder Strom, abgibt.

13. Anordnung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwertumformer mit nichtlinearer Kennlinie verwendet ist, der bei kleinen Abweichungen eine kleine Korrektur, bei größeren aber eine mehr als proportional größere Korrektur veranlaßt.

14. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer ein Dreipunktverhalten aufweist.

15. Anordnung nach Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertumformer ein Integrationsglied enthält, welches das Ergebnis während der nachfolgenden Zählung festhält.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Integrationsglied als elektromechanisch betätigter, vorzugsweise vor- und rückwärts stufenweise verstellbarer Schalter oder Potentiometer ausgebildet ist.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromechanische Integrationsglied ein Potentiometer oder Widerstand im analogen Regel- oder Meßkreis (Tachokreis) verstellt.

18. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Integrationsglied als rückgekoppelter Verstärker ausgebildet ist.

19. Anordnung nach Anspruch 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrationsglied ein Glättungsglied mit im Verhältnis zu den digitalen Meßintervallen großer Zeitkonstante nachgeschaltet ist.

20. Anordnung nach Anspruch 1 bis 19, bei Regelung auf konstante Drehzahlen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für die analoge Messung einer festen Spannung, z. B. einer Batterie, und der Sollwert für die digitale Messung einem Impulsgenerator mit fester Frequenz entnommen wird.

21. Anordnung nach Anspruch Γ bis 19, bei Regelung auf konstante Drehzahlverhältnisse, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte für die analoge und digitale Drehzahlmessung einem Tachogenerator bzw. einem Impulsgeber entnommen werden, welche mit demLeit- oder Führungsmotor gekuppelt sind.

22. Anordnung nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerteinstellung bei der digitalen Drehzahlmeßeinr,ichtung durch Änderung des im Sollzählwerk oder im Istzählwerk einstellbaren Vergleichszählwertes vorgenommen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen