DE1087240B - Einrichtung zur Nachlaufregelung bzw. -steuerung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es ist bekannt, zur Nachlauf regelung bzw. -steuerung eine Drehmelderanordnung zu verwenden. Die einfachste Anordnung für derartige Zwecke, im folgenden als »Drehmeldersystem« bezeichnet, besteht aus einem Geber und einem Rückmelder; beide sind nach Art von Motoren mit dreiphasiger Wicklung des Ständers und mit einphasiger Wicklung des Läufers oder umgekehrt ausgebildet. Die Dreiphasenwicklungen von Geber und Rückmelder sind miteinander verbunden. Die Einphasenwicklung des Gebers wird aus einer Wechselstromquelle erregt. Die Läuferstellung des Gebers entspricht dem Sollwert, die Lauf erstellung des Rückmelders dem Istwert der zu regelnden Größe. Weicht der Istwert der Regelgröße von ihrem Sollwert ab, so wird in der Einphasenwicklung des Rück- melders eine Wechselspannung induziert, die der Stellgröße der Regeleinrichtung entspricht. Ein Beispiel für die Anwendung von Drehmeldern ist die Wegregelung bei der horizontalen oder vertikalen Anstellung der Walzen einer Walzenstraße; die Ausgangsspannung des Rückmelders, also die Fehlerspannung, wird in diesem Fall im allgemeinen über einen Verstärker einem Verstellmotor (Nachlaufmotor) zugeführt, der den Abstand der Walzen so lange ändert, bis die Fehlerspannung verschwindet, also der mit dem Geber eingestellte Sollwert erreicht ist. Es ist üblich, diesen Vorgang als »Synchronisierung« der Drehmelder zu bezeichnen.

Die Änderung der Regelgröße, die bei einer vollen Umdrehung des Gebers bzw. Rückmelders erfolgt, wird als Drehwert des Drehmeldersystems bezeichnet. Die Genauigkeit der Regelung ist durch den Eigenfehler des Drehmeldersystems begrenzt. Man hat daher bereits für Regelaufgaben, die eine hohe Genauigkeit erfordern, Anordnungen mit mehreren Drehmelder-Systemen verwendet, die verschiedene Drehwerte im Sinne einer Grob-Fein-Reihe aufweisen, also beispielsweise drei Drehmeldersysteme mit einem großen, mittleren und kleinen Drehwert, die durch zwei Übersetzungsgetriebe mit einem bestimmten Übersetzungsfaktor mechanisch gekuppelt sind. Bei diesen Drehmelderanordnungen besteht die Aufgabe, die Fehlerspannung der Gesamtanordnung in geeigneter Weise aus den Fehlerspannungen der einzelnen Rückmelder zu erzeugen.

Eine einfache Addition (Überlagerung) der einzelnen Fehlerspannungen führt nicht zum Ziel, da die Summe der einzelnen Fehlerspannungen beim Nachlaufen des Verstellmotors Nullstellen aufweist, die dem Sollwert nicht entsprechen, so daß die Übertragung mehrdeutig ist. Man hat aus diesem Grunde bisher Einrichtungen vorgesehen, durch die die Fehlerspannungen der einzelnen Rückmelder nacheinander dem Verstellmotor zugeführt werden. Es ist beispiels-Einrichtung zur Nachlaufregelung
bzw. -steuerung

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Hans Röhr, Berlin-Siemensstadt,
ist als Erfinder genannt worden

weise bekannt, Relais, gesteuerte Entladungsgefäße oder vormagnetisierte Drosseln zu verwenden, die von den Fehlerspannungen der einzelnen Rückmelder derart gesteuert sind, daß die Rückmelder während der Synchronisierung in der Reihenfolge abnehmender Drehwerte nacheinander wirksam werden. Diese bekannten Einrichtungen erfordern jedoch einen erheblichen Aufwand; sie haben ferner den grundsätzlichen Nachteil, daß die dem Verstellmotor zugeführte Fehlerspannung der Gesamtanordnung einen unstetigen Verlauf hat. Dadurch ergibt sich eine ungünstige Betriebsweise des Motors bezüglich der Regelgeschwindigkeit.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Nachlaufregelung bzw. -steuerung unter Verwendung einer Drehmelderanordnung mit mehreren je aus einem Geber und einem Rückmelder bestehenden Drehmeldersystemen verschiedener Drehwerte. Die Erfindung besteht darin, daß die Fehlerwechselspannungen der Rückmelder mit Ausnahme derjenigen des Rückmelders mit dem höchsten Drehwert in ihrer Amplitude durch Spannungsabschneider begrenzt sind, daß die in Reihe geschalteten Fehlerwechselspannungen einer festen Wechselspannung sowohl gleich- als auch gegenphasig überlagert sind, daß ferner die bei den Überlagerungsspannungen je für sich gleichgerichtet und zur Erzeugung der Fehlerspannung der Gesamtanordnung mit entgegengesetzter Polarität addiert sind. Bei der erfindungsgemäßen Drehmelderanordnung ist die resultierende Fehlerspannung bei großen Regelabweichungen nur durch die feste Wechselspannung gegeben, also konstant, so daß der Verstellmotor in diesem Bereich mit konstanter Geschwindigkeit läuft. Erst in der Nähe der Regelabweichung Null nimmt die Fehlerspannung ab,

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und zwar nicht unstetig, sondern in einer glatten Kurve. Durch die Erfindung werden also die oben geschilderten, bei Verwendung mehrerer Drehmeldersysteme auftretenden Schwierigkeiten in einfacher Weise überwunden. *

Bei Drehmelderanordnungen mit mehr als zwei Drehmeldersystemen wird man die Begrenzungsamplituden der den einzelnen Rückmeldern zugeordneten Spannungsabschneider so bemessen, daß sie in der Reihenfolge abnehmender Drehwerte eine ebenfalls abnehmende Stufenfolge bilden. Eine besonders vorteilhafte Schaltung ergibt sich, wenn die den einzelnen Rückmeldern zugeordneten Spannungsabschneider jeweils die Fehlerspannungen der Rückmelder kleineren Drehwertes miterfassen. Nach einem weiteren Erfindungsgedanken kann man durch geeignete Wahl der ursprünglichen Amplituden der Fehlerspannungen und/oder der Begrenzungsamplituden der zugeordneten Abschneider erreichen, daß der Verlauf der Fehlerspannung der Gesamtanordnung in Abhängigkeit vom Fehlerwinkel in der Nähe des Fehlerwinkels näherungsweise ein Parabelast ist. Das hat den Vorteil, daß die Verzögerung des Motors in der Nähe des Fehlerwinkels Null konstant ist. Es ist dabei möglich, die Form der Parabel der Zeitkonstante des Motors einschließlich seiner Belastung derart anzupassen, daß der Pendelneigung der Regeleinrichtung entgegengewirkt wird. Zur weiteren Unterdrückung der Pendelneigung kann man mit Vorteil außerdem in Reihe mit der Summe der Fehlerwechselspannungen zwei antiparallel geschaltete Halbleiterventile legen, die durch einen einstellbaren Widerstand überbrückt sind. Dadurch ergibt sich ein derartiger Kurvenzug der Gesamtfehlerspannung, daß der Motor mit einer durch den Überbrückungswiderstand einstellbaren Schleichgeschwindigkeit in die Sollstellung ohne Überpendeln einläuft. Bei abgeschlossenem Ausgang kann eine derartige Antiparallelschaltung von Ventilen mit einem einstellbaren Überbrückungswiderstand auch zu dem gleichen Zweck in Reihe mit der Fehlerspannung der Gesamtanordnung gelegt werden, wobei dieDurchlaßwiderstände der Ventile dem Belastungswiderstand anzupassen sind.

Mit Vorteil können als Spannungsabschneider in Flußrichtung beanspruchte Halbleiterventile verwendet werden. Die Begrenzungsamplituden der Abschneider können dabei durch entsprechende Wahl der Anzahl der in Reihe geschalteten Ventilelemente bestimmt werden.

; Die erfindungsgemäße Drehmelderanordnung liefert als Gesamtfehlerspannung eine Gleichspannung. Die Fehlerspannung kann daher mit Vorteil zur Steuerung eines Magnetverstärkers verwendet werden, der seinerseits einen Antriebsmotor steuert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Die Fig. 3 bis 10 stellen Diagramme zur Erläuterung der Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 dar, und zwar beziehen sich die Fig. 3 bis 6 auf Fig. 1, die Fig. 7 bis 10 auf Fig. 2.

In der Schaltung nach Fig. 1 sind 1 und 2 zwei Drehmeldersysteme, jeweils mit einem Geber 3 bzw. 4 und einem Rückmelder 5 "bzw. 6. Das Drehmeldersystem 1 (grob) besitzt den größeren, das Drehmeldersystem 2 (fein) den kleineren Drehwert; die Geber bzw. Rückmelder sind jeweils durch ein Übersetzungsgetriebe miteinander gekuppelt.

Die dreiphasigen Wicklungen der Geber bzw. Rückmelder sind mit Za, 4 a, 5 q-und 6 a, die einphasigen Wicklungen mit Zb, 4kb, 5Ϊ> und 6b bezeichnet. Die Einphasenwicklungen der-Geber 3 & und 4& werden aus einer Wechselstromquelle 8 erregt. Dadurch werden in den Wicklungen 5 b bzw. 6 b der Rückmelder Spannungen induziert, die von dem Winkelunterschied der Läufer auf der Geber- und Rückmelderseite, also von der Regelabweichung abhängen.

Die Wicklung 6 b des Rückmelders 6 mit dem kleineren Drehwert (fein) ist mit einem Strombegrenzungswiderstand 9 in Reihe geschaltet; beide sind durch eine Antiparallelschaltung von Halbleiterventilen 10 überbrückt. Die Ventile 10 begrenzen den Spannungsabfall an der Reihenschaltung von 6& und 9 auf einen Wert, der ihrer Schwellspannung entspricht. Die Summe der an 6 b, 9 und 5 b auftretenden Spannungen liegt an der Primärwicklung 12 eines Transformators 11. Der Transformator 11 besitzt zwei Sekundärwicklungen 13 und 14. Die Sekundärwicklung 13 liegt in Reihe mit der Sekundärwicklung 17 eines anderen Transformators 15, und zwar derart, daß die an der Wicklung 13 auftretende Spannung der an der Wicklung 17 liegenden Spannung gleichphasig überlagert wird. Die Primärwicklung 16 des Transformators 15 wird durch eine konstante Wechselspannung U_T erregt. Die Summe der an den Wicklungen 13 und 17 auftretenden Wechselspannungen wird durch eine Gleichrichterbrückenschaltung 19 gleichgerichtet und dem Ausgangsteilwiderstand 21 zugeführt.

Die an der Sekundärwicklung 14 auftretende Spannung wird der Spannung der Sekundärwicklung 18 des Transformators 15 gegenphasig überlagert; die Summe beider Spannungen wird durch den Brückengleichrichter 20 gleichgerichtet und dem anderen Ausgangsteilwiderstand 22 zugeführt. Die an den Widerständen 21 und 22 auftretenden Gleichspannungen haben entgegengesetzte Polarität; ihre Summe, also die an den Anschlüssen 23 und 24 abgenommene Spannung, ist die resultierende Fehlerspannung der gesamten Drehmelderanordnung. Mit 25 sind Glättungskondensatoren bezeichnet.

Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1 sei an Hand der Fig. 3 bis 6 erläutert. Es sei angenommen, daß die Geber 3 und 4 auf einen festen Wert eingestellt sind; dann entsprechen die Abszissen der in den Fig. 3 bis 6 dargestellten Kurven der Winkellage des Rückmelders 6, bezogen auf den Sollwert. Im Interesse einer übersichtlichen Darstellung ist angenommen, daß das Übersetzungsverhältnis zwischen den Drehmeldersystemen 1 und 2 gleich 1:4 ist; bei der praktischen Ausführung der Erfindung wird dieses Verhältnis im allgemeinen größer, etwa gleich 1:10, gewählt werden. Die Diagramme umfassen eine volle Drehung .des Rückmelders 6, also eine Vierteldrehung des Rückmelders 5. Der Einfachheit halber ist ferner angenommen, daß die Transformatoren 11 und 15 das Übersetzungsverhältnis 1 :1 aufweisen.

In Fig. 3 stellt die Kurve Uq die Umhüllende der in der Wicklung 5 b des Rückmelders 5 induzierten Wechselspannungen, die Kurve U_F die Umhüllende der in der Wicklung 6 b des Rückmelders 6 induzierten Wechselspannungen dar. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird die Spannung U_F durch die Ventile 10 abgeschnitten, so daß die Umhüllende der wirksamen Fehlerspannungen des Rückmelders 6 etwa der ausgezogenen, trapezförmigen Kurve mit der Amplitude U_FS entspricht.

Die Spannungen U₀ und U_F bzw. U_FS liegen in Reihe; die Umhüllende der aus ihnen gebildeten Summenspannungen ergibt sich demnach durch Addition der einzelnen Umhüllenden. Diese Kurve, die gleichzeitig die Spannung an der Primärwicklung 12 des Transformators 11 darstellt, ist in Fig. 4 wieder-

gegeben. Vom Drehwinkel Null aus beginnt die Kurve zunächst mit einer Steigung, die der Summe der Steigungen von U₀ und Up entspricht; vom Punkt a ab verläuft sie parallel zur Kurve Uq. Zwischen den Punkten b und c tritt wieder ein Abfall ein, da in der Umgebung des Drehwinkels 180° die amplitudenbegrenzten Spannungen der Wicklung 6 & ihre Phase^ umkehren.

Die in Fig. 4 dargestellten Summenfehlerspannungen beider Rückmelder werden nun mit Hilfe der Transformatoren 11 und 15 einer Spannung U_T überlagert, deren Betrag bereits in Fig. 4 angedeutet ist. Die Amplitude der Spannung U_T ist konstant und kleiner als die Amplitude der größten Fehlerspannung des Grob-Rückmelders 5, jedoch größer als die durch die Spannungsabschneider 10 bestimmte wirksame Amplitude U_FS der Fehlerspannung des Fein-Rückmelders 6.

Die gleichphasige Überlagerung der in Reihe geschalteten Fehlerspannungen beider Rückmelder mit der Spannung U_T ergibt als Umhüllende die obere Kurve der Fig. 5. Die gegenphasige Überlagerung würde wechselstrommäßig eine Kurve ergeben, die bezüglich der Geraden U₁- der oberen Kurve spiegelbildlich genau entsprechen würde. Die Gleichrichtung der Überlagerungsspannung durch die Gleichrichteranordnung 20 hat jedoch zur Folge, daß auch die untere Kurve der Fig. 5 stets im Positiven bleibt, also vom Punkt ei ab, in dem U_T = U_PS+U_G ist, wieder ansteigt. Die am Ausgangswiderstand 21, 22 also an den Anschlüssen 23 und 24 auftretende Spannung ergibt sich aus den senkrechten Abständen der beiden in Fig. 5 dargestellten Kurven; sie ist in Fig. 6 wiedergegeben. Man erkennt aus Fig. 6, daß die Fehlerspannung des Gesamtsystems bei großen Regelabweichungen konstant ist (U_a = 2 U_T) und in der Nähe der Regelabweichung Null stetig gegen Null geht. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei der praktischen Ausführung der Schaltung der Knick am Punkt e nicht so scharf ausfällt, wie es aus dem Diagramm hervorzugehen scheint; der Darstellung liegt die Annahme zugrunde, daß die Spannungsabschneider 10 ideale Halbleiterventile sind, deren Dufchlaßkennlinie aus zwei linearen Teilen besteht, die im Schwellspannungswert einen Winkel bilden. Tatsächlieh ist jedoch die Kennlinie eines praktischen Halbleiterventils stetig gekrümmt, so daß auch der Knick der in Fig. 6 dargestellten Kurve beim Punkt e zu einer Rundung verschliffen ist.

Wie bereits bemerkt, kann man in Reihe mit der Summe der Fehlerwechselspannungen zwei antiparallel geschaltete Halbleiterventile legen, die durch einen einstellbaren Widerstand überbrückt sind. Diese Anordnung ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt und mit 26 bezeichnet. Dadurch ergibt sich etwa der in Fig. 6 gestrichelt dargestellte Verlauf f der Fehlerspannung, also eine flache Stufe der Fehlerspannung in der Nähe des Fehlerwinkels Null. Die Länge der Stufe kann durch die Anzahl der hintereinandergeschalteten Ventilelemente der Anordnung 26 beliebig variiert werden; die Höhe der Stufe hängt von der Einstellung des parallel geschalteten Widerstandes ab.

In Fig. 2 ist die Erfindung in Verbindung mit einer Anordnung aus drei Drehmeldersystemen 31 (grob), 32 (mittel) und 33 (fein) dargestellt. Die Einphasenwicklungen der drei Rückmelder sind hier mit 34, 35 und 36 bezeichnet. Die Reihenschaltung der Wicklung 36 mit einem Widerstand 37 ist durch zwei antiparallel geschaltete Halbleiterventile 39 überbrückt; ebenso ist die Reihenschaltung aus der Wicklung 36, dem Widerstand 37, der Wicklung 35 und einem weiteren strombegrenzenden Widerstand 38 durch zwei antiparallel geschaltete Halbleiterventile 40 überbrückt. Die Schwellspannung der Ventile 40 ist höher als die der Ventile39.^: Die aus- den Schaltelementen 11, ,15,19, 20, 21 und 22 bestehende Demodulatoranordnung ist die gleiche wie in Fig. 1.

Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 ergibt sich aus den Fig. 7 bis 10. In diesen Figuren sind wieder die Umhüllenden der verschiedenen Fehlerspannungen 'dargestellt, und zwar in Abhängigkeit von der Winkellage α M des Rückmelders des Drehmeldersystems 32 mit dem mittleren Drehwert. Das Übersetzungsverhältnis zwischen den einzelnen Drehmeldern ist mit 1 : 4: 16 angenommen, Die Kurven der Fig. 7 bis 10 umfassen eine Vierteldrehung des Grob-Rückmelders 31, eine volle Drehung des Mittel-Rückmelders 32 und vier Drehungen des Fein-Rückmelders 33.

In Fig. 7 ist wiederum U₀ die Umhüllende der Fehlerspannungen des Grob-Rückmelders 34, U^ die Umhüllende der Fehlerspantiungen des Mittel-Rückmelders 35 und Up die Umhüllende der Fehlerspannungen des Fein-Rückmelders 36. Die wirksamen Fehlerspannungen der Rückmelder 35 und 36 sind durch die Ventile 40 bzw. 39 auf die Werte U_MS bzw. U_PS in der gleichen Weise begrenzt, wie es bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 geschildert wurde.

In Fig. 8 ist die Umhüllende der an der Reihenschaltung 36, 37, 35, 38, 34 auftretenden Spannungen dargestellt. Diese Kurve ergibt sich im wesentlichen durch Addition der ausgezogenen Kurven der Fig. 7. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß der Phasenwechsel der Spannung U_F bei a M = 45° in der Kurve von Fig. 8 nicht zum Ausdruck kommt; das liegt daran, daß die an der Reihenschaltung 36, 37, 35 und 38 auftretende Spannung durch die Ventile 40 bestimmt ist, sofern die Summe der ursprünglichen Fehlerspannungen der Rückmelder 36 und 35 die Schwell spannung der Ventile 40 übertrifft. In diesem Fall gehen also nur U_MS und U₀ in die Summenspannung ein.

In Fig. 9 stellt wieder die obere Kurve die Umhüllende der Spannungen dar, die sich durch gleichphasige Überlagerung der in Reihe geschalteten Fehlerspannungen mit der konstanten Wechselspannung U_T ergeben. Die konstante Wechselspannung U_T ist kleiner als die größte Amplitude der Fehlerspannung des Grob-Rückmelders (U_G), jedoch größer als die größte Amplitude der wirksamen Fehlerspannung des Mittel-Rückmelders (U_MS). Die gegenphasige Überlagerung mit nachfolgender Gleichrichtung ergibt die untere Kurve der Fig. 9. Die Differenz beider Kurven, also die Ausgangsspannung der Anordnung, stellt Fig. 10 dar. Es ergibt sich auch hier, daß die Ausgangsspannung bei großen Regelabweichungen konstant ist und erst in der Nähe des Fehlerwinkels Null stetig gegen Null geht. Man erkennt aus der Darstellung, daß es bei mehreren Drehmeldern ohne weiteres möglich ist, die Form der Fehlerspannungskurve nach Fig. 10 durch Veränderung der Schwellspannungen der Ventile 39 bzw. 40 zu beeinflussen, insbesondere derart, daß der abfallende Teil der Kurve annähernd einen Parabelast darstellt. Auch hier ist zu beachten, daß die Knicke der Kurve bei der praktischen Ausführung der Schaltung abgerundet sind.

In den Fig. 3 bis 10 ist angenommen, daß die ursprünglichen Fehlerspannungen sämtlicher Rückmelder die gleiche Amplitude haben. Das ist jedoch nicht unbedingt erforderlich; eine verschiedene Be-

messung derAmplituden kann vielmehr ebenfalls dazu dienen, die Form der in Fig. 10 dargestellten Kurve zu beeinflussen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Nachlauf regelung bzw. „ -steuerung unter Verwendung einer Drehmelderanordnung mit mehreren je aus einem Geber und einem Rückmelder bestehenden Drehmeldersyste- to men verschiedener Drehwerte, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerwechselspannungen der Rückmelder mit Ausnahme derjenigen des Rückmelders mit dem höchsten Drehwert in ihrer Amplitude durch Spannungsabschneider begrenzt sind, daß die in Reihe geschalteten Fehlerwechselspannungen einer festen Wechselspannung sowohl gleich- als auch gegenphasig überlagert sind, daß ferner die beiden Überlagerungsspannungen je für sich gleichgerichtet und zur Erzeugung der Fehlerspannung der Gesamtanordnung mit entgegengesetzter Polarität addiert sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1 mit mehr als zwei Drehmeldersystemen, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsamplituden der den einzelnen Rückmeldern zugeordneten Spannungsabschneider in der Reihenfolge abnehmender Drehwerte eine abnehmende Stufenfolge bilden.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen Rückmeldern zugeordneten Spannungsabschneider jeweils die Fehlerspannungen der Rückmelder kleineren Drehwertes miterfassen.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine derartige Wahl der ursprünglichen Amplituden der Fehlerspannungen und/oder der Begrenzungsamplituden der zugeordneten Abschneider, daß der Verlauf der Fehlerspannung der Gesamtanordnung in Abhängigkeit vom Fehlerwinkel in der Nähe des Fehlerwinkels Null näherungsweise ein Parabelast ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Summe der Fehlerwechselspannungen zwei antiparallel geschaltete Halbleiterventile liegen, die durch einen einstellbaren Widerstand überbrückt sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsabschneider in Flußrichtung beanspruchte Halbleiterventile verwendet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerspannung der Gesamtanordnung am Eingang eines Magnetverstärkers liegt, der einen Antriebsmotor steuert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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