DE1144374B

DE1144374B - Electrical control device for controlling the speed of a shaft

Info

Publication number: DE1144374B
Application number: DET20701A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erich Rubel
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1961-09-04
Filing date: 1961-09-04
Publication date: 1963-02-28

Description

Elektrische Regeleinrichtung zur Regelung der Drehzahl einer Welle Bei Antrieben, etwa bei Magnetbandgeräten mit Batteriespeisung, besteht oftmals die Notwendigkeit, die Drehzahl einer Welle auf elektrischem Wege zu regeln, so z. B. bei der Welle, die die Antriebsrolle trägt und damit die Geschwindigkeit des Bandtransportes bestimmt. Electrical control device for controlling the speed of a shaft In the case of drives, such as magnetic tape recorders with battery power, there is often the need to regulate the speed of a shaft by electrical means, so z. B. in the shaft that carries the drive roller and thus the speed of the Belt transport determined.

Ursache für Drehzahlschwankungen einer Antriebswelle können z. B. sein: Betriebsspannungsschwankungen, Netzfrequenzschwankungen, unterschiedliche Belastung, Lagerspiel usw., für deren Eliminierung Regeleinrichtungen bekannt sind, die eine Drehzahlschwankung registrieren und daraus eine Stellgröße, etwa eine Spannung, ableiten, mit der die Schwankung rückgängig gemacht werden kann. The cause of fluctuations in speed of a drive shaft can, for. B. be: operating voltage fluctuations, mains frequency fluctuations, different Load, bearing play, etc., for the elimination of which control devices are known, which register a fluctuation in speed and from this a manipulated variable, such as a voltage, derive with which the fluctuation can be reversed.

Es ist eine Einrichtung zur Messung der Drehzahl einer Welle bekannt, bei der unter Ausnutzung der Trägheit einer Lampe, die von einer umlaufenden Blende bei jedem Umlauf kurzzeitig eingeschaltet wird, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Blende die Länge eines beleuchteten Ausschnittes mehr oder weniger begrenzt wird. Eine Stellgröße zur Nachregelung wird mit dieser Einrichtung nicht gewonnen. A device for measuring the speed of a shaft is known, when taking advantage of the inertia of a lamp by a rotating aperture is switched on briefly with each revolution, depending on the speed the aperture limits the length of an illuminated section more or less will. A manipulated variable for readjustment is not obtained with this device.

Es ist weiter eine Einrichtung zur stroboskopischen Schlupfmessung bekannt, bei der mittels Fotozelle Steuerimpulse erzeugt werden, wenn während der Leuchtzeit einer mit einer Sollfrequenz getasteten Lichtquelle, z. B. Glimmentladungsstrecke, ein Blendenloch einer mit der Welle rotierenden Lochscheibenblende den Lichtweg passiert. Die Lichtimpulse weisen eine spitze Kurvenform auf und sind kürzer als die Durchlaufzeit eines Blendenloches. Die gewonnenen Steuerimpulse sind dann ein Maß für die Hell- und Dunkelphasen oder Durchgänge pro Zeiteinheit, die hier elektronisch gezählt werden an Stelle der Zählung mit Stoppuhr bei dem üblichen stroboskopischen Meßverfahren mit optischer Ablesung. It is also a device for stroboscopic slip measurement known, in which control pulses are generated by means of a photocell, if during the Luminous time of a light source scanned with a target frequency, e.g. B. glow discharge path, a diaphragm hole of a perforated disc diaphragm rotating with the shaft provides the light path happened. The light pulses have a sharp curve shape and are shorter than the cycle time of an aperture. The control impulses obtained are then a Measure for the light and dark phases or passages per unit of time, which are here electronically are counted instead of counting with a stopwatch with the usual stroboscopic Measurement method with optical reading.

Die Fotozelle erhält also eine rein digitale Information, die nur Drehzahlabweichungen nach Größe, jedoch keine Phasenwinkelabweichungen nach Größe und Richtung beinhaltet.The photocell therefore receives purely digital information that is only Speed deviations according to size, but no phase angle deviations according to size and direction includes.

Die Verwendung dieser bekannten Einrichtung als Meßglied eines Drehzahlreglers hätte den Nachteil einer geringen Genauigkeit, denn, da eine Phasenabtastung fehlt, wäre bei der Regelung eine proportionale Abweichung bezüglich der Drehzahl, jedoch nicht bezüglich des Phasenwinkels vorhanden. Außerdem eignen sich die in der Fotozelle entstehenden Impulse noch nicht für die Ableitung einer Stellgröße. The use of this known device as a measuring element of a speed controller would have the disadvantage of poor accuracy because, since there is no phase sampling, would be a proportional deviation with respect to the speed in the control, however not available with regard to the phase angle. The ones in the photocell are also suitable resulting impulses are not yet used to derive a manipulated variable.

Bei einer anderen bekannten Einrichtung wird bei gleicher Lochteilung zweier Blenden die Zahl der durchgelassenen Lichtimpulse, oder bei ungleicher Lochteilung die Zahl der Hell- und Dunkelphasen gemessen. Auch hier erfolgt also lediglich eine Messung der Drehzahl. In another known device, the hole pitch is the same two diaphragms the number of light pulses allowed through, or unequal Hole division the number of light and dark phases measured. Here, too, there is only one Measurement of the speed.

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Regeleinrichtung zur Regelung der Drehzahl einer Welle durch Vergleich einer Istfrequenz mit einer Sollfrequenz, wobei die Istfrequenz mittels einer mit der Welle umlaufenden Lochblende erzeugt wird, die im Strahlenweg des von einer Lichtquelle zu einer Fotozelle ausgesendeten Lichtes liegt, und die Sollfrequenz durch Tastung der Lichtquelle mit einer Frequenz erzeugt wird, die gleich der Zahl der bei Solldrehzahl der Welle an der Lichtquelle vorbeilaufenden Öffnungen der Blende ist. The invention relates to an electrical control device to control the speed of a shaft by comparing an actual frequency with a Setpoint frequency, with the actual frequency by means of a perforated diaphragm rotating with the shaft generated in the beam path of the emitted from a light source to a photocell Light lies, and the target frequency by touching the light source with a frequency is generated which is equal to the number of the shaft at the light source at the target speed passing openings of the aperture is.

Die Erfindung besteht darin, daß die Zeit, in der die Lichtquelle hellgetastet ist, und die Länge der Öffnungen der Blende so bemessen sind, daß bei Solldrehzahl und Durchlauf einer Öffnung während der gesamten Helltastdauer Licht auf die Fotozelle fällt, und daß zur Messung der Regelabweichung die bei der Abweichung von der Solldrehzahl auftretende Formänderungen der Vorder- oder Rückflanke, der Impulse, die der Lichtstrom in der Fotozelle erzeugt, herangezogen wird. The invention consists in that the time in which the light source is light keyed, and the length of the openings of the aperture are dimensioned so that at Target speed and passage of an opening during the entire light button duration light falls on the photocell, and that for measuring the system deviation, the one for the deviation Changes in shape of the leading or trailing edge occurring from the target speed, the Pulses generated by the luminous flux in the photocell are used.

Die erfindungsgemäße Maßnahme ermöglicht eine Stabilisierung der Drehzahl der Welle mit großer Genauigkeit, weil nicht Drehzahländerungen, sondern Phasenwinkeländerungen der Welle ausgeregelt werden. Der Aufwand bleibt dabei außerordentlich gering, weil in der Fotozelle bereits eine Information entsteht, die Phasenabweichungen nach Größe und Richtung beinhaltet. Schließt man dann an die Fotozelle ein Differenzierglied an, so entstehen hinter dem Differenzierglied bei positiver oder negativer Abweichung positive oder negative Impulsspitzen, deren Amplitude vom Vor- und Nacheilungswinkel abhängt und die nach einer Gleichrichtung zur Nachregelung des Motors herangezogen werden. Es ist weder eine gesonderte Verstärrung von Ist und Sollfrequenz noch eine elektronische Vergleichsschaltung erforderlich. The measure according to the invention enables a stabilization of the Speed of the shaft with great accuracy, because not speed changes, but Phase angle changes of the shaft are regulated. The effort remains extraordinary low, because information already arises in the photocell, the phase deviations according to size and direction. If you then connect a differentiating element to the photocell on, result behind the differentiating element in the event of a positive or negative deviation positive or negative pulse peaks, the amplitude of which depends on the angle of lead and lag and which are used to readjust the motor after rectification. It is neither a separate amplification of the actual and target frequency nor an electronic one Comparison circuit required.

Die Erfindung soll an einem Beispiel näher erläutert werden. The invention will be explained in more detail using an example.

Ein Generator 1 speist eine Gasentladungslampe, z. B. eine Glimmlampe 2 mit einer periodischen Spannung. Die Glimmlampe 2 ist von einem Gehäute 4 umschlossen. Durch einen Spalt 5 und die Öffnungen 6 einer Lochscheibenblende 7 sendet die Glimmlampe 2 einen Lichtstrahl auf eine Fotozelle 8, der durch die Blenden 9 der Scheibe 7 unterbrochen wird. A generator 1 feeds a gas discharge lamp, e.g. B. a glow lamp 2 with a periodic voltage. The glow lamp 2 is enclosed by a skin 4. The glow lamp transmits through a gap 5 and the openings 6 of a perforated disk diaphragm 7 2 a light beam onto a photocell 8, which passes through the apertures 9 of the pane 7 is interrupted.

Die Dimensionierung erfolgt z. B., wie in der Zeichnung dargestellt, so, daß der Spalt 5 und die Öffnungen 6 gleiche, rechteckige Abmessungen haben, die Blenden 9 in Bewegungsrichtung 11 die dreifache Länge der Öffnungen 6 besitzen und folglich das Tastverhältnis des impulsförmigen Lichtes 3 (s. Fig. 2) gleich eins ist. The dimensioning takes place z. B., as shown in the drawing, so that the gap 5 and the openings 6 have the same, rectangular dimensions, the diaphragms 9 have three times the length of the openings 6 in the direction of movement 11 and consequently the duty cycle of the pulsed light 3 (see FIG. 2) is the same one is.

Die Abmessungen der Öffnungen 6 sind außerdem so gewählt, daß die Lochscheibenblende 7 bei Solldrehzahl während der Periodendauer T des impulsförmigen Lichtes 3 eine dem Abstand zweier Öffnungen 6 entsprechende Strecke zurücklegt. Die Zeit, in der die Öffnung 6 teilweise bzw. ganz in Deckung ist mit dem Spalt 5, ist also gleich der halben Periodendauer des impulsförmigen Lichtes. The dimensions of the openings 6 are also chosen so that the Orifice plate 7 at the set speed during the period T of the pulse-shaped Light 3 travels a distance corresponding to the distance between two openings 6. The time in which the opening 6 is partially or completely in congruence with the gap 5, is therefore equal to half the period of the pulsed light.

Es werde angenommen, daß diese Zeit gerade zusammenfällt mit der Halbperiode T/2, in der die Glimmröhre hell getastet ist. Dann entsteht am Ausgang der Fotozelle 8 eine Dreieckspannung 12 (s. Fig. 3). Dieser Zustand bleibt erhalten, solange die Lochscheibenblende 7 mit ihrer Solldrehzahl rotiert. It is assumed that this time coincides with the Half period T / 2, in which the glow tube is keyed brightly. Then emerges at the exit the photocell 8 has a triangular voltage 12 (see Fig. 3). This state is retained, as long as the perforated disk diaphragm 7 rotates at its target speed.

Sobald die Welle schneller laufen will, tritt eine Verschiebung 16 (s. Fig. 4) auf zwischen dem Zeitpunkt, da die Glimmlampe hell getastet wird und dem Zeitpunkt, da die Öffnung 6 vor den Spalt 5 tritt. In der Fotozelle entsteht eine Spannung 13 nach Fig. 4. Diese Spannung enthält annähernd senkrechte Sprünge 15, deren Höhe proportional der genannten zeitlichen Verschiebung 16 ist. Durch Differenzierung der Spannung 13 in einem Differenzierglied 17 entsteht die Spannung 14 mit Spannungsspitzen, deren Amplitude proportional der Höhe der Sprünge 15 und damit auch proportional der zeitlichen Verschiebung 16 ist. Die Spannung 14 wird dem Eingang eines Gleichrichters 18 nach Fig. 6 zugeführt. Fig. 5 zeigt analog zu Fig. 4 die Spannungen für den Fall, daß die Welle voreilt. Am Ausgang A dieses Gleichrichters 18 kann dann eine Regelspannung entnommen werden, die in Größe und Vorzeichen der zeitlichen Verschiebung 16 proportional ist. Die so gewonnene Regelspannung dient als Stellgröße und wird dazu benutzt, beginnende Drehzahlschwankungen auszuregeln. Die beschriebene Lösung hat gegenüber dem Frequenzvergleich in einem üblichen, aus Schwingkreisen aufgebauten Diskriminator den Vorteil, daß die Regelsteilheit groß ist, da ein Phasenvergleich stattfindet, und gegenüber einem üblichen Phasendiskriminator besteht der Vorteil, daß eine gesonderte Verstärkung von Normal- und Istfrequenz und eine elektrische Vergleichsschaltung entfallen, da durch das Zusammenwirken von Wechsellicht und rotierender Lochscheibe an der Fotozelle ein Signal entsteht, welches die Abweichung bereits nach Größe und Vorzeichen beinhaltet. As soon as the wave wants to run faster, there is a shift 16 (See Fig. 4) on between the point in time when the glow lamp is keyed brightly and the point in time when the opening 6 occurs in front of the gap 5. Arises in the photocell a voltage 13 according to FIG. 4. This voltage contains approximately vertical jumps 15, the height of which is proportional to the time shift 16 mentioned. By Differentiating the voltage 13 in a differentiating element 17 results in the voltage 14 with voltage peaks, the amplitude of which is proportional to the height of the jumps 15 and thus 16 is also proportional to the time shift. The voltage 14 becomes fed to the input of a rectifier 18 according to FIG. 5 shows analogously to 4 shows the voltages in the event that the shaft is leading. At output A of this rectifier 18 can then be taken from a control voltage, the size and sign of the temporal shift 16 is proportional. The control voltage obtained in this way is used as a manipulated variable and is used to regulate incipient speed fluctuations. The solution described has, compared to the frequency comparison in a usual, from Resonator built-up discriminator has the advantage that the control steepness is great is, since a phase comparison takes place, and compared to a conventional phase discriminator there is the advantage that a separate amplification of normal and actual frequency and an electrical comparison circuit are omitted because of the interaction a signal is generated by changing light and rotating perforated disc on the photocell, which already includes the deviation in terms of size and sign.

Als Festfrequenz des Generators 1 kann z. B. eine Sinusspannung benutzt werden, aus der eine Glirrunröhre selbsttätig impulsförmiges Licht formt. Mit der Größe dieser Sinusspannung kann das gewünschte Tastverhältnis des impulsförmigen Lichtes eingestellt werden. Es ist auch möglich, als Festfrequenz eine Spannung mit einer Frequenz von 50 Hz, z. B. die Netzspannung, heranzuziehen. As a fixed frequency of the generator 1, for. B. used a sinusoidal voltage from which a glirrun tube automatically forms pulse-shaped light. With the Size of this sinusoidal voltage can be the desired duty cycle of the pulse-shaped Light can be adjusted. It is also possible to use a voltage as a fixed frequency at a frequency of 50 Hz, e.g. B. the mains voltage to be used.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Electrical control device for controlling the Speed of a shaft by comparing an actual frequency with a target frequency, where the actual frequency is generated by means of a perforated diaphragm rotating with the shaft, those in the beam path of the light emitted by a light source to a photocell and the setpoint frequency is generated by scanning the light source with a frequency which is equal to the number of the shaft passing the light source at the target speed Openings of the diaphragm is characterized in that the time in which the light source is light keyed, and the length of the openings of the aperture are dimensioned so that at Target speed and passage of an opening during the entire light button duration light falls on the photocell, and that in order to measure the control deviation, the at deviation Change in shape of the leading or trailing edge of the pulses from the target speed, generated by the luminous flux in the photocell.

2. Control device according to claim 1, characterized in that a glow lamp is used as a light source in a manner known per se.

3. Control device according to claim 2, characterized in that the glow lamp is fed with a sinusoidal alternating voltage, such as the mains voltage will.

4. Control device according to claim 1 to 3, characterized in that that the gap (5) provided between the light source (2) and the perforated disc diaphragm (7) and the openings (6) of the perforated disk diaphragm (7) are rectangular and congruent to one another are.

5. Control device according to claim 1 to 4, characterized in that that the photocell (8) is followed by a differentiating element (17).

6. Control device according to claim 1 to 5, characterized in that that the voltage taken from the differentiating element (17) and separated by sign (14) is rectified.

7. Control device according to claim 1 to 6, characterized in that that in the direction of movement (11) of the perforated disc diaphragm (7) the diaphragms (9) are threefold Have the length of the openings (6).

Considered publications: German Patent Specifications No. 864 327, 723 541, 1098259.