DE1109249B

DE1109249B - Wegregler mit Drehzahl und Ankerstrom des Stellmotors als Hilfsregelgroessen

Info

Publication number: DE1109249B
Application number: DES66117A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans-Joachim Henke; Dr-Ing Claus Kessler; Dipl-Ing Ingemar Neuffer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-12-04
Filing date: 1959-12-04
Publication date: 1961-06-22
Also published as: BE597230A; LU39272A1

Description

Wegregler mit Drehzahl und Ankerstrom des Stellmotors als Hilfsregelgrößen Die Grundlagen der Weg- bzw. Stellungsregelung eines Antriebes seien zunächst an Hand der Fig. 1 näher betrachtet. Der Anker des Motors soll beispielsweise um einen gewissen Winkelwert von der Stellungso in die Stellung s1 gedreht werden (vgl. Fig. 1 d). Diese Aufgabe wird dann optimal gelöst, wenn das vorhandene Motormoment während des Beschleunigungs-und Bremsabschnittes voll ausgenutzt und die neue Stellung s1 ohne Überwingen erreicht wird.
Gibt man gemäß Fig. 1 a sprunghaft einen neuen Sollwert s1+ vor, so soll durch den Wegregler das maximale Motormoment Mm gemäß Fig. 1 b so schnell wie möglich zur Verfügung gestellt werden, so daß die Drehzahl n gemäß Fig. 1 c mit der maximalen Steilheit hochläuft. Analoge Verhältnisse gelten für den Abbremsvorgang.
Aus den grundsätzlichen Beziehungen zwischen Drehzahl, Beschleunigung, Weg und Zeit ergibt sich, daß der Weg bei konstanter Beschleunigung bzw. Verzögerung während des Beschleunigungs- bzw. Bremsabschnittes dem Quadrat der Drehzahl proportional ist. Der Bewegungsvorgang läßt sich also in dem sogenannten Phasendiagramm gemäß Fig. 2 darstellen. Auf der Abszisse werden die Unterschiede As zwischen der augenblicklichen Stellung und der Sollstellung S1+ aufgetragen. Wird die. Sollstellung erreicht, so ist .Jss = 0. Auf der Ordinate ist die Drehzahl bzw. Geschwindigkeit v aufgetragen. Einem konstanten Brems- bzw. Beschleunigungsmoment entsprechen in diesem Diagramm Parabeläste, die so aneinander anschließen sollen, daß bei As = 0 auch die Drehzahl V = 0 ist. Dies ist für die stark eingezeichneten Parabeln der Fall. Der Regelvorgang geht von der Iststellung So mit konstanter Beschleunigung aus, beim Wert SB setzt der Bremsvorgang mit konstanter Verzögerung ein.
Wird der Bremsvorgang dagegen zu spät eingeleitet, so schwingt der Antrieb, solange die Maximaldrehzahl nicht erreicht ist, gemäß den gestrichelt eingezeichneten Parabelästen über, und die Ausregelung dauert erheblich länger als im optimalen Fall.
Da der Antrieb im allgemeinen eine Maximaldrehzahl nicht überschreiten darf, ergeben sich bei zu spätem Bremseinsatz sowie bei größeren Regelabweichungen Abschnitte, die parallel zur Abszissenachse mit der Maximaldrehzahl verlaufen, wie in Fig.2 punktiert angedeutet. Dabei bleibt jedoch der Wert SB für optimale Regelung unverändert.
Es sind Wegregler bekannt, die aus der Regelabweichung und dem Drehzahlistwert mit Hilfe von Rechengeräten Steuersignale für einen Dreipunktregler erzeugen. Die Erfindung geht demgegenüber von dem Prinzip der vermaschten oder unterlagerten Regelkreise aus. Mit Hilfe des Wegreglers wird ein Drehzahlsollwert für einen Drehzahlhilfsregler erzeugt, der seinerseits einen Ankerstromsollwert für einen Ankerstromhilfsregler bilden kann. Zur Umsteuerung des Antriebes bedient man sich vorteilhaft einer Stromrichterschaltung, um in Verbindung mit der Stromregelung möglichst ohne Zeitverzögerung das volle Beschleunigungs- bzw. Bremsmoment aufbringen zu können.
Ein solcher Regelkreis ist in Fig.3 schematisch dargestellt. Der Wegregler 1 mit Proportionalverhalten verarbeitet die Regelabweichung zwischen dem Wegsollwert s+ und dem Wegistwert s, der mit Hilfe eines Potentiometers 12 oder auf ähnliche Weise bestimmt wird. Das Ausgangssignal des Wegreglers stellt den Drehzahlsollwert n+ dar. Es kann, wie in Fig.3 angedeutet, in geeigneter Weise begrenzt werden, so daß nur Drehzahlsollwerte bis zur Maximaldrehzahl des Antriebes vorgeschrieben werden können.
Der Drehzahlhilfsregler 2 mit IP-Verhalten erhält den Drehzahlistwert beispielsweise aus einer Tachometermaschine 11 und erzeugt den Ankerstromsollwert 1A+, der ebenfalls begrenzt werden kann. Der Ankerstromhilfsregler 3 mit IP-Verhalten bildet aus der Differenz zwischen Ankerstromsollwert und dem aus einem Stromwandler 10 im Ankerkreis des Motors gewonnene Stromistwert 1A ein Signal für den Gittersteuersatz 4 der Stromrichter 5 und 6. Der Anker des Motors ist über die Stromrichterschaltung und einen Transformator 7 ans Drehstromnetz angeschlossen. Die Erregerwicklung 9 kann von konstantem Strom durchflossen sein.
Der Ankerstromsollwert stößt schon bei relativ kleinen Wegänderungen an seine Begrenzung an. Für den Wegregler bedeutet dies, daß sich der unterlagerte Drehzahlregelkreis in einem Teil seines Arbeitsbereiches nichtlinear verhält. Die theoretische Kennlinie des Reglers ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Die Abszisse ist die auf den optimalen Bremsweg SB bezogene Regelabweichung, die Ordinate der auf die Maximaldrehzahl n,nax bezogene Drehzahlsollwert n+. Bei großen Regelabweichungen ist n+ = nmax, während der optimale Bremsvorgang bei As = s$ im Punkt A der Fig. 4 beginnt.
Aus der Übergangsfunktion des Motors für eine Ankerstromänderung gewinnt man nach Elimination der Zeit die Beziehung Dies entspricht der vom Punkt A in den Nullpunkt laufenden Parabel. Bei kleinen Wegänderungen gilt diese Beziehung nicht, da die Begrenzungen der unterlagerten Regelkreise nicht wirksam werden. In diesem Fall verhält sich der Drehzahlregelkreis annähernd wie ein Zeitkonstantenglied, und die Kennlinie wird durch eine Gerade aus dem Nullpunkt gebildet. Die Gerade schneidet die Parabel im Punkt C. Der zugeordnete Wert von ergibt sich aus den Daten des Antriebes. Es sei hier bemerkt, daß für Wegregelkreise, bei denen für den Knickpunkt C gleich 1 ist, ein linearer Regler genügen würde.
Die Realisierung der Kennlinie nach Fig. 4 würde einen verhältnismäßig großen Aufwand verursachen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das gewünschte Regelverhalten auf möglichst einfache Weise anzunähern.
Der Wegregler nach der Erfindung mit Drehzahl und Ankerstrom des Stellmotors als Hilfsregelgrößen in unterlagerten Regelkreisen verwendet eine nichtlineare Gegenkopplung, die den Verstärkungsgrad des Regelverstärkers in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung unstetig ändert, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker mit einem ohmschen Eingangswiderstand sowie einem Schwellwertglied aus antiparallel geschalteten Dioden und einem Potentiometer im Gegenkopplungskreis versehen ist, die so einstellbar sind, daß die parabelförmige Kennlinie der Wegregelung durch zwei gradlinige Äste nachgebildet wird.
Nichtlineare Gegenkopplungen sind an sich bekannt. Beispielsweise hat man sie dazu verwendet, bei verschiedener Polarität der Regelgröße verschiedene Rückführgrößen in den Regler einzuspeisen oder eine Regelkennlinie mit einem Unempfindlichkeitsbereich zu versehen. Im vorliegenden Fall handelt es sich jedoch darum, die spezielle Kennlinie einer Wegregelung mit einfachen Mitteln zu realisieren.
Der Regler nach der Erfindung hat eine Kennlinie gemäß Fig.5, bei der der Parabelast zwischen den Punkten A und C durch eine Gerade angenähert wird. Bei Regelvorgängen, die von großen Regelabweichungen ausgehen, wird ein Regler mit einer solchen Kennlinie sich praktisch ebenso verhalten, wie einer mit der Kennlinie nach Fig. 4. An den Knickpunkten A und C wird nämlich vom Regler ein Drehzahlsollwert gebildet, der vom Antrieb kurzzeitig eine überhöhte Bremsverzögerung fordert. Da dieser Befehl nicht erfüllt werden kann, wird annähernd wieder die Parabel durchlaufen und erst im Koordinatenursprung die Gerade durch C erreicht. Die Stabilität des Endzustandes wird durch die begrenzte Steilheit dieser Geraden gewährleistet. Nur bei Regelvorgängen, die von kleinen Werten ausgehen, wird durch die Annäherung des Parabelastes mittels einer Geraden der Bremseinsatz zu früh erfolgen, so daß der Antrieb seine maximale Bremsverzögerung nicht ausnützen kann. In diesem Fall wird also eine geringfügige Vergrößerung der Ausregelzeit eintreten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Fig. 6 zeigt den Wegregler 1, dem am Eingang über einen Widerstand R, das Regelabweichungssignal in Form der Spannung UAs zugeführt wird. Der Regler besteht aus zwei Verstärkerstufen 13, 14, die vorteilhaft mit Transistoren bestückt sind. Die Ausgangsspannung UA stellt den Drehzahlsollwert n+ dar, sie kann mit Hilfe einer vorgespannten Diodenschaltung 15 in an sich bekannter Weise begrenzt werden.
Zur Gegenkopplung dienen Widerstände R1, R2, ein Potentiometer R3 sowie ein Schwellwertglied 16. Bei kleinen Ausgangsspannungen unterhalb des konstanten Schwellwertes gilt für die Verstärkung VR der Schaltung als Funktion der Potentiometereinstellung a Überschreitet die Ausgangsspannung den Schwellwert, dann überbrückt das Schwellwertglied 16 den Widerstand R2 und das Potentiometer R3, so daß im Gegenkopplungskreis nur noch der Widerstand R1 liegt. Dadurch wird der Verstärkungsgrad des gesamten Regelverstärkers verringert. Man erhält also mit geringem Aufwand die Kennlinie nach Fig. 5.
Für das Schwellwertglied eignen sich besonders Siliziumdioden, die im Durchlaßbereich einen annähernd konstanten Spannungsabfall haben. Die Anzahl der in Reihe zu schaltenden Dioden richtet sich nach dem gewünschten Knickpunkt C. Mit Hilfe des Widerstandes R, wird der Bremseinsatzpunkt (A) eingestellt.
Die bisher behandelte Regeleinrichtung eignet sich für Betriebsfälle, in denen der neue Sollwert jeweils absolut vorgegeben wird. In manchen Anwendungsfällen, z. B. der Einstellung des Walzenspaltes bei einem Walzgerüst, ist es vorteilhaft, auf eine absolute Wegregelung eine oder mehrere Wegdifferenzrege-Iungen folgen zu lassen. Zu diesem Zweck kann man den Weg aus der Motordrehzahl mit Hilfe eines Integrators bestimmen. Für kurze Zeitabschnitte ist ein elektrischer Integrator vorteilhaft, wie er in Fig. 7 dargestellt ist. Der Drehzahlistwert wird als Spannung Un über einen Eingangswiderstand 18 einem linearen Verstärker 17 zugeführt, der eine Gegenkopplung über einen Kondensator 19 aufweist. Am Ausgang dieses Verstärkers ist der Wegistwert in Form der Spannung Us abnehmbar. Er wird mit dem Sollwert des zurückzulegenden Weges in Form der Spannung Us+, die aus einem Potentiometer 21 entnommen werden kann, über zwei Widerstände 22, 23 zusammengesetzt. Die so entstandene Regelabweichung As wird dem Wegregler zugeführt. Im Ruhestand ist der Kondensator 19 über einen Kontaktsatz des Schalters 20 kurzgeschlossen und damit der Integrator gelöscht. Der Wegsollwert wird mit Hilfe eines zweiten Kontaktsatzes des Schalters 20 an den Wegregler durchgeschaltet, wobei die Überbrückung des Kondensators 19 aufgehoben wird und der Integrator die Tachometerspannung so lange integriert, bis die Regelabweichung verschwindet.
Der Wegregler nach der Erfindung ist nicht auf Stromrichterantriebe beschränkt, sondern kann bei allen Stellgliedern Anwendung finden, die einen raschen Aufbau des Motormomentes gestatten. Ferner ist die Erfindung nicht nur bei der Regelung von Winkelstellungen, sondern auch bei Wegregelungen längs einer Geraden vorteilhaft verwendbar.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Wegregler mit Drehzahl und Ankerstrom des Stellmotors als Hilfsregelgrößen in unterlagerten Regelkreisen, unter Anwendung einer nichtlinearen Gegenkopplung, die den Verstärkungsgrad des Regelverstärkers in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung unstetig ändert, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker mit einem ohmschen Eingangswiderstand (R,) sowie einem Schwellwertglied (16) aus antiparallel geschalteten Dioden und einem Potentiometer (R3) im Gegenkopplungskreis versehen ist, die so einstellbar sind, daß die parabelförmige Kennlinie der Wegregelung durch zwei geradlinige Äste nachgebildet wird (Fig. 4, 5).
2. Wegregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelverstärker ein Begrenzungsglied (15) für die Ausgangsspannung vorgesehen ist.
3. Wegregler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsregler (2, 3) IP-Verhalten aufweisen.
4. Wegregler nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen elektrischen Integrator (17, 18, 19) zur Bildung des Wegistwertes aus der Drehzahl für eine Wegdifferenzregelung. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 762 964; schweizerische Patentschrift Nr. 296 151.