DE1084818B

DE1084818B - Elektrischer Schrittregler mit einer als Rueckfuehrschaltung wirkenden Kondensator-Widerstands-Kombination

Info

Publication number: DE1084818B
Application number: DES56912A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Karl Schlick
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1958-02-11
Filing date: 1958-02-11
Publication date: 1960-07-07

Description

Für den Betrieb von elektrischen Stellmotoren sind Schrittregler gegenüber kontinuierlichen Reglern vorzuziehen. Bei kontinuierlichen Reglern ist der Stellmotor ständig eingeschaltet und thermisch belastet, auch wenn die Regelgröße vom Sollwert nicht abweicht. Beim Schrittregler wird dagegen der Stellantrieb nur impuls weise betrieben und nur dann eingeschaltet, wenn Regelabweichungen auszuregeln sind. Es sind elektrische Regler mit Relais und einer von den Relaiskontakten geschalteten Rückführeinrichtung bekannt. Bei einem derartigen bekannten Regler verbinden die Kontakte eines polarisierten Relais beim Ansprechen dieses Relais eine der Meßgröße entgegenwirkende Spannung über eine als Rückführschaltung wirkende Kondensator-Widerstands-Kombination mit dem Verstärkereingang. Das polarisierte Relais, das auch den Stellantrieb schaltet, wird dabei durch die von der Rückführschaltung gelieferte Gegenerregung zum Abfallen gebracht, so daß Stellimpulse entstehen, deren Frequenz der Regelabweichung proportional ist.

Die Erfindung geht von einem elektrischen Regler mit Transistorverstärker oder Magnetverstärker aus, der mit einem Schaltglied zusammenarbeitet. Zweckmäßig wird als Schaltglied eine Magnetverstärkerstufe oder eine Transistorverstärkerstufe verwendet, die so stark rückgekoppelt ist, daß sie als Kippstufe arbeitet. Derartige magnetische Kippstufen und Transistorkippstufen sind bekannt.

Bei elektrischen Reglern liegt die Eingangsgröße vielfach als Gleichstromgröße, ζ. B. eines Meßwertumwandlers, vor. Für, die Verstärkung ist es daher aft zweckmäßig, die Eingangsgleichspannung nicht unmittelbar einem Transistorverstärker zuzuführen, sondern mit Hilfe eines magnetischen Modulators die Gleichstromgröße phasenabhängig in Wechselstrom umzuwandeln und diesen dem Transistorverstärker zuzuführen. Die Ausgangsspannung wird dann wieder gleichgerichtet und einer magnetischen Kippstufe oder einer Transistorkippstufe zugeführt. Die Kippstufen arbeiten entweder unmittelbar als Schaltglieder, oder es wird ihnen ein zusätzliches Schaltglied, Relais od. dgl. nachgeschaltet.

Bei einer Rückführschaltung, die über einen Umschaltkontakt wirksam wird, wird nun erfindungsgemäß vom Umschaltkontakt der Entladewiderstand des Kondensators in der einen Schaltlage (Ansprechen des Schaltgliedes und Aufladen des Kondensators) abgeschaltet und in der anderen Schaltlage zugeschaltet. Hierdurch ergibt sich gegenüber der oben erwähnten bekannten Rückführschaltung der Vorteil, daß die neue Schaltung bei beliebigen, auch trägen Regelstrecken verwendbar ist und daß die Regelparameter, Proportionalbereich und Nachstellzeit, in sehr Elektrischer Schrittregler

mit einer als Rückführ schaltung wirkenden Kondensator-Widerstands-Kombination

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dipl.-Ing. Karl Schlick, Karlsruhe,
ist als Erfinder genannt worden

weiten Grenzen praktisch unabhängig voneinander eingestellt werden können.

Bei der erwähnten bekannten Schaltung wird der Kondensator der Rückführschaltung über einen Ladewiderstand aufgeladen, wobei der Entladewiderstand zum Kondensator ständig parallel liegt. Nur wenn der Parallelwiderstand zum Ladekondensator sehr groß ist im Verhältnis zum Ladewiderstand, kann die Amplitude des Rückführeinflusses an einem Potentiometer eingestellt werden, ohne daß sich die Zeitkonstante der Rückführung in unzulässigem Maße ändert. Zur Einstellung der Zeitkonstanten muß dann der relativ hochohmige Entladewiderstand in seiner Größe verändert werden. Bei der Verstellung derartiger hochohmiger Widerstände ergeben sich häufig Kontaktschwierigkeiten, wenn sie nur von den relativ kleinen Entladeströmen des Kondensators durchflossen werden. Außerdem läßt sich die Bedingung, daß der Ladewiderstand klein bleiben muß im Verhältnis zu dem Entladewiderstand, nur bei relativ schnellen Regelstrecken, vor allem elektrischen Regelstrecken, erfüllen.

Die Rückführschaltung bewirkt, daß die Regelabweichung magnetisch oder im Transistorverstärker elektrisch annähernd kompensiert wird, so daß das Schaltglied den Strom unterbricht und der Stellimpuls zu Ende ist. Es ergibt sich ein Impulsbild mit einem von der Regelabweichung abhängigen Verhältnis von Impuls- und Pausendauer. Bei kleinen Regelabweichungen entstehen kurze Impulse sowie lange Pausen, und mit zunehmender Regelabweichung werden die Impulse länger und die Pausen kürzer, bis schließlich oberhalb einer bestimmten Regelabweichung das Schaltglied ständig stromdurchlässig bleibt.

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Um den elektrischen Stellantrieb in beiden Dreh- Das Laden und Entladen der Kondensatoren C, C

richtungen betreiben zu können, werden zwei Schalt- über die Kontakte/} und t geht nach der e-Funktion

glieder verwendet, die den Stellantrieb in entgegen- vor sich (Fig. 3). Nach Abfallen des Relais nimmt

gesetztem Wirkungssinn schalten. Zweckmäßig werden der Rückführstrom in der Rückführwicklung nach

einem magnetischen Vorverstärker zwei magnetische 5 einer e-Funktion ab, da der Kondensator entladen

Kippstufen nachgeschaltet, von denen jede ein Relais wird. Das Relais kann erst wieder anziehen, wenn der

für den Stellantrieb betätigt. Jedes Relais bringt eine Rückführstrom so klein geworden ist, daß die Difre-

Rückführschaltung zur Wirkung. Die Bauelemente renz der magnetischen Erregung, die von der Regel-

der beiden Rückführschaltungen sind in gleicher abweichung und vom Rückführstrom herrührt, der

Weise geschaltet und gleich bemessen, und beide io Ansprecherregung des Magnetverstärkereingangs ent-

Rückführschaltungen wirken auf die gleiche Wicklung spricht.

im Eingang des magnetischen Vorverstärkers. Ein Bei einer plötzlich auftretenden Regelabweichung

Ausführungsbeispiel für eine derartige Schaltung ist gibt der Regler zunächst einen längeren Impuls ab,

in Fig. 1 dargestellt. und dann erst beginnen periodische Impulse von

Bei Verwendung entsprechender Bauelemente, z. B. 15 gegenüber dem ersten Impuls kleinerer Impulslänge, ungepolter Elektrolytkondensatoren, kann für beide Dieses Verhalten würde einem Differential-Propor-Wirkungsrichtungen ein und dieselbe Rückführschal- tional-Regler (DP-Regler) entsprechen. Durch den tung benutzt werden, die durch die Relais entspre- nachgeschalteten integrierenden elektrischen Stellchend an eine positive oder negative Spannung ge- antrieb wird daraus ein Proportional-Integral-Verlegt wird. ao halten (Fig. 4). Der Proportionalbereich hängt dabei

Der Magnetverstärker nach Fig. 1 besteht aus von der Stellzeit des Stellantriebes ab.
einem in bekannter Weise geschalteten Vorver- Um eine lineare Rückführung und einen für jede stärker V mit der Eingangswicklung E_w, der ein der Regelabweichung konstanten Proportionalbereich zu Regelabweichung proportionaler elektrischer Strom erhalten, müßte der Rückführstrom stets proportional i_xw zugeführt wird, der Rückführwicklung R_w, die der 25 mit der Zeit zunehmen. Dies ist aber nur dann der Eingangswicklung entgegenwirkt, und den Arbeits- Fall, wenn die Ladezeitkonstante der Glieder C, R₁ wicklungen A_w. Die Magnetverstärkerwicklungen sind bzw. C, R₁ gegenüber der Dauer des jeweils ersten nur schematisch angedeutet; es können, noch weitere Impulses nach plötzlichem Aufschalten einer Regel-Wicklungen, z. B. V_w zur Vorstromeinstellung, vor- abweichung ausreichend groß ist. Es ist jedoch für gesehen sein. Die beiden Kippstufen K₁, K₂ speisen 30 das Verhalten, insbesondere die Stabilität der Regedie Relais H und T, die den Stellmotor M mit den lung, günstig, wenn die Rückführung nicht linear Kontakten A₁ oder i_x in dem einen oder anderen Dreh- wirkt. Die Größe der Kondensatoren C₃ bzw. C₄ wird sinn steuern. Die statische Kennlinie der Schaltung daher zu einigen 100>F gewählt, um die nichtzeigt Fig. 2. lineare Zunahme der Kondensatorspannung aus-

Beim Ansprechen eines der beiden Relais werden 35 zunutzen. Bei kleinen Regelabweichungen und kleinen die Kontakte h oder t in der Rückführschaltung R_sch Impulslängen bleibt die Kondensatorspannung klein, nach oben umgelegt. Die Spannung der Batterie B und die Zunahme des Rückführstromes pro Zeiteinheit wird dabei in dem einen oder anderen Wirkungssinn ist am größten, da die Ladung des Kondensators nach über die aus Widerständen und Kondensatoren be- dem steilen Teil der e-Funktion verläuft. Bei größeren stehende Schaltung mit der Rückführwicklung R_w des 40 Regelabweichungen wird die Kondensatorspannung Magnetverstärkereingangs verbunden. Für jede Stell- entsprechend größer, und die Ladung verläuft nach richtung des Stellmotors ist ein Rückführzweig vor- dem flachen Bereich der e-Funktion, so daß die Zugesehen, um als Kondensatoren gepolte Elektrolyt- nähme des Rückführstromes pro Zeiteinheit kleiner kondensatoren verwenden zu können. Beim Ansprechen wird. Je kleiner man die Ladezeitkonstante wählt, um eines Relais wird über den Kontakt h oder t die Bat- 45 so stärker weicht der zeitliche Verlauf des Rückführteriespannung an die aus dem Kondensator C und dem stromes von der Linearität ab. Für einen Stellantrieb Widerstand R₁ (bzw. C, R₁) bestehende Reihen- von 50 Sekunden Stellzeit hat sich z. B. eine Ladeschaltung gelegt. Der Strom in der Rückführwicklung zeitkonstante von 10 Sekunden als günstig erwiesen, steigt hierbei entsprechend der Spannung über C bzw. um eine ausgeprägte Nichtlinearität zu erreichen. Bei C mit der Einschaltdauer der Relais nach einer 50 kleinen Regelabweichungen besitzt der Regler dann e-Funktion an. Die Relais fallen ab, und der Impuls einen sehr großen P-Bereich, der bei großen Regelist zu Ende, wenn der Rückführstrom die durch die abweichungen stark zurückgeht.

Regelabweichung hervorgerufene Erregung der Dros- Die Nichtlinearität des Proportionalbereiches wirkt sein in der Vorstufe des Magnetverstärkers so weit sich sehr vorteilhaft aus. Bei technischen Regelkompensiert hat, daß nach der statischen Kennlinie 55 strecken treten gelegentlich kleine, nur kurzzeitig von Fig. 2 die Schaltstufe wieder ausschaltet und das wirkende Störungen auf, die den Regler zum AnRelais wieder abfällt. sprechen bringen, aber infolge des Zeitverhaltens der

Beim Abfallen der Relais werden die Widerstände Regelstrecke gar nicht ausregelbar sind. Die üblichen R₂ und R₂' zu den Kondensatoren C, C₃' parallel gelegt. Regler mit linearem Verhalten des Proportional-Die Entladezeitkonstante der Kondensatoren C, C" 60 bereiches sind dabei sehr unruhig und bringen zukann auf diese Weise durch die Parallelwiderstände sätzliche Unruhe in den Regelkreis, Die Stellglieder zusätzlich beeinflußt werden. Werden diese Wider- werden stark beansprucht. Bei einem Regler mit nichtStände einstellbar ausgebildet, so kann hiermit die linearem Proportionalbereich werden dagegen kleine Pausenzeit zwischen den Impulsen in bestimmten vorübergehende Störungen unterdrückt, und die Rege-Grenzen eingestellt werden. Mit Hilfe der veränder- 65 lung bleibt ruhig. Bei großen Regelabweichungen baren Widerstände^ und R₁ läßt sich die Impuls- greift der Regler sehr stark ein, und zwar über den länge, d. h. die Dauer der Impulse, einstellen. Beide Eingriff eines linearen Reglers hinaus, so daß die Einstellmöglichkeiten sind infolge des Zeitverhaltens Regelabweichung in wesentlich kürzerer Zeit wieder des magnetischen Verstärkers nicht ganz voneinander verschwindet. Der Regler hat dabei ein Verhalten, unabhängig. 7° das einem PID-Regler ähnlich ist.

Wird ein Magnetverstärker mit hoher Verstärkung als Regelverstärker und als Kippverstärker verwendet, dann verzögert die Zeitkonstante des Verstärkers jeweils das Anziehen und Abfallen der Relais. Das Impulsschema wird verfälscht. Dabei stört insbesondere bei kleinen Regelabweichungen die Abfallverzögerung des Verstärkers, weil die erzielbaren kürzeren Stellimpulse viel zu lang werden und so zu Schwingungen des Reglers über die Regelstrecke una auch über die Rückführung Anlaß geben können. Eine Erweiterung der Rückführschaltung nach Fig. 5 vermeidet diesen Fehler. Dem Rückführstrom wird für kleine Regelabweichungen ein Stromstoß überlagert, der die Relais bereits nach 200 bis 300 ms zum Abfall bringt. Erzeugt wird der Stoß durch die Konin Verbindung mit den Wider-Für große Regelabweichungen

densatoren C₂ bzw. C₂

ständen i?₄ bzw. i?₄

treten entsprechend längere Impulse auf, und der Stoß über C₂ bzw. C₂' wird unwirksam. Lediglich i?₄ bzw. i?₄' bewirken einen etwas erhöhten Rückführstrom, der zu einem rechtzeitigen Abschalten der Relais führt. Die Überhöhung verschwindet in dem Moment, in dem das Relais abschaltet, so daß sich der richtige Rückführstrom augenblicklich einstellt.

Bei weniger trägen Verstärkern, wie Magnetverstärkern mit geringer Verstärkung oder bei einem Verstärker mit Modulator und nachgeschaltetem Transistorverstärker, kann C₂ bzw. C₂' entfallen, jedoch ist ein kleiner Widerstand i?₄ bzw. i?₄' von Vorteil. Es werden dann auch bei einem sehr klein eingestellten Proportionalbereich (großes R₁ bzw. R₁) für kleine Regelabweichungen noch genügend kurze Stellimpulse erzeugt, um eine genügend hohe statische Stellgenauigkeit zu erhalten. Im anderen Falle wäre für das Regelverhalten der P-Bereich wohl nicht zu klein, aber bei kleinen Regelabweichungen wäre die kürzeste Verstellung derart groß, daß die Regelgröße den Sollwert nach der anderen Seite überschreiten würde und so langsame Schwingungen um die Ansprechgrenze des Reglers herum entstehen könnten.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Schrittregler mit einer als Rückführschaltung wirkenden Kondensator-Widerstands-Kombination, bei der die Rückführschaltung über einen Umschaltkontakt wirksam wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltkontakt (h bzw. t) den Entladewiderstand (R₂ bzw. R₂') des Kondensators (C bzw. C) in der einen Schaltlage (Ansprechen des Schaltgliedes und Aufladen des Kondensators) abschaltet und in der anderen Schaltlage zuschaltet.

2. Elektrischer Regler nach Anspruch 1 für einen tragen Verstärker zur Erzeugung kurzer Stellimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführspannung über einen Widerstand (R₁ bzw. R₁) dem Umschaltkontakt (h bzw. t) und der Rückführschaltung zugeführt wird und zu diesem Widerstand ein zusätzlicher Kondensator (C₂ bzw. C₂') parallel liegt und daß in der Rückführschaltung ein zusätzlicher Widerstand (R_t bzw. i?₄') mit dem Kondensator (C bzw. C) in Reihe geschaltet ist, derart, daß die zusätzlichen Schaltelemente beim Ansprechen des Schaltgliedes einen vorübergehenden Stromstoß in den Rückführeingang des Verstärkers liefern.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 767 636.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen