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Verfahren und Sollwertgeber zur Sollwertvorgabe bei der Drehzahlregelung
eines elektromotorischen Antriebs Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Sollwertgeber
zur Sollwertvorgabe bei der Drehzahlregelung während der Anfahr- bzw. Stillsetzzeit
eines elektromotorischen Antriebs, der über elastische Verbindungselemente Massen,
z. B. eine Arbeits- oder Fördermaschine, antreibt.
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Mit der zunehmenden Arbeitsgeschwindigkeit von Industrieanlagen gewinnt
der Einfluß der Massenträgheit beweglicher Teile bei der Drehzahlregelung des zugehörigen
Antriebsmotors wachsende Bedeutung. Sind die zu beschleunigenden Massen starr mit
dem Antriebsmotor gekuppelt, so erfordern sie während der Anfahrzeit zwar eine gewisse
Beschleunigungsleistung, bei entsprechender Dimensionierung des Antriebsmotors brauchen
diese Massen jedoch keine Verschlechterung der dynamischen Eigenschaften des Antriebes
zu bringen. Die Verhältnisse liegen wesentlich schwieriger, wenn die Schwungmassen
nicht starr, sondern elastisch mit dem Antriebsmotor gekuppelt sind. Das elastische
Kuppelglied wird im allgemeinen eine Welle sein, die Kupplung wird jedoch noch wesentlich
elastischer, wenn zwischen dem Antrieb und der Masse lange Seile, wie bei Aufzügen
und Fördermaschinen, vorhanden sind.
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Die elastischen Kuppelglieder stellen mit der trägen Masse ein schwingungsfähiges
Gebilde dar, das nur schwach gedämpft ist. Bei drehzahlgeregelten Antrieben mit
annähernd trägheitsfreien Stellgliedern kann angenommen werden, daß der zeitliche
Verlauf der Drehzahl des Antriebsmotors während der Beschleunigung bzw. Verzögerung
von den angetriebenen Massen nicht wesentlich beeinflußt wird, da die Regelvorrichtung
schon geringe Regelabweichungen für den Motor schnell ausregelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schwingungen der angetriebenen
Masse Während der Beschleunigung und der Verzögerung des Antriebs zu unterdrücken,
d. h. in dem Zeitraum, in dem der Sollwert der Drehzahl des Antriebsmotors vom Wert
Null auf die Nenndrehzahl oder eine andere gewünschte Enddrehzahl und von dieser
Drehzahl wieder auf Null gebracht wird. Dies wird bei einem Verfahren der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der einem Sollwertgeber entnommene
Sollwert für die Drehzahl des Antriebsmotors im ersten Drittel der Anfahrzeit vom
Wert Null linear mit einer vom Quotienten aus der Eigenschwingungszeit der Massen
und der Anfahrzeit abhängigen Steigung ansteigt, im dritten Drittel linear mit derselben
Steigung auf den Sollwert für die Nenndrehzahl bzw. Enddrehzahl ansteigt und im
zweiten Drittel linear vom Drehzahlsollwert am Ende des ersten Drittels bis zum
Drehzahlsollwert zu Beginn des dritten Drittels der Anfahrzeit verläuft, und daß
der Sollwert während der Stillsetzzeit spiegelbildlich zum Sollwertverlauf während
der Anfahrzeit fällt.
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Die weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft Sollwertgeber, mit
denen das Verfahren nach der Erfindung durchzuführen ist. Sie werden nachstehend
an Hand der Zeichnungen beschrieben. In F i g. 1 bis 3 ist der Verlauf der Sollwerte
für die Drehzahl des Antriebsmotors und der Verlauf der Geschwindigkeit der über
elastische Verbindungselemente angetriebenen Massen über der Zeit dargestellt; F
i g. 4 bis 6 zeigen Sollwertgeber nach der Erfindung; F i g. 7 zeigt als Ausführungsbeispiel
einen Fördermaschinenantrieb.
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In F i g. 1 ist der bei Fördermaschinenantriebsmotoren u. dgl. häufig
gewählte Verlauf 11 des Drehzahlsollwerts in Form einer Sollwertspannung
U" über der Zeit t aufgetragen. Vom Zeitpunkt to an steigt sie linear mit der Zeit,
nach Ablauf der Anfahrzeit TA (Zeitraum der Beschleunigung der angetriebenen Massen
auf Nenngeschwindigkeit) im Zeitpunkt t1 erreicht der Sollwert den Nennwert US".
In einem wählbaren Zeitpunkt t2 setzt die Verzögerung ein, zu welchem Zweck der
Sollwert linear bis zum Wert Null verkleinert wird. Nach Ablauf der Verzögerungszeit,
die gleich der Anfahrzeit TA sein soll, im Zeitpunkt t3 erreicht der Sollwert den
Wert Null.
In F i g. 2 sind zwei Kurven 21 und 22 für den Verlauf
der Geschwindigkeit der angetriebenen Massen über der Zeit aufgetragen. Ohne besondere
Maßnahmen, insbesondere ohne ein Verfahren zur Sollwertvorgabe nach der Erfindung,
verläuft die Geschwindigkeit der Massen nach Kurve 21, wenn die Sollwertkurve
11 vorgegeben wird: Im Anfahraugenblick to wird das mechanische Schwingungssystem,
gebildet durch die Massen sowie die Federkonstanten der elastischen Übertragungsglieder,
zu Eigenschwingungen angestoßen. Die starken Eigenschwingungen der Massen überlagern
sich dem Hochlauf und ergeben den in Kurve 21 wiedergegebenen zeitlichen Verlauf
der Geschwindigkeit. Die gleichen Schwingungen sind auch bei der Stillsetzung der
Massen zu beobachten und stören das Abbremsen. Die Eigenschwingungen lassen sich
vermindern, wenn die Sollwertfunktion einen verschliffenen Verlauf erhält. Dadurch
wird aber beim Anfahren eine große Totzeit hervorgerufen, außerdem tritt ein großes
überschwingen beim Einfahren in die Endgeschwindigkeit in Erscheinung.
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Nach der Erfindung wird die Sollwertfunktion in Abhängigkeit von dem
Verhältnis von Eigenschwingungszeit TE der Massen (Dauer einer Periode der Eigenschwingung
und Anlaufzeit T,4) verändert. Hierbei liegen folgende Überlegungen zugrunde: Die
Schwingung wird im Zeitpunkt einer unstetigen Änderung der Beschleunigung bzw. Verzögerung
angestoßen. Bei der Kurve 21 in F i g. 2 erfolgt der erste Anstoß beim Anfahren
im Zeitpunkt to, der zweite Anstoß beim Einlaufen in die Endgeschwindigkeit im Zeitpunkt
t1. Eine Abbremsung der Eigenschwingung durch den zweiten Anstoß erfolgt dann, wenn
die Eigenschwingung sich gerade in Gegenphase zu dem zweiten Anstoß befindet. Das
ist bei TE = 1,0, 0,5 usw. allgemein bei n mit n als ganzer
A
Zahl der Fall. Bei allen anderen Verhältnissen von TE werden für den gleichen
Zweck mehrere A Knickpunkte der Sollwertfunktion notwendig. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird die gesamte Anfahr- und die gesamte Verzögerungszeit in drei zeitlich
gleich lange Teilabschnitte unterteilt und in jedem Abschnitt der Sollwert linear
verändert, wobei die Steigung der Funktionen im ersten und dritten Abschnitt einander
gleich ist. In F i g. 3 sind die Sollwertkurven 31 bis 34 mit den unterschiedlichen
Knickpunkten in Form der Funktion
des Antriebs hat der Sollwert spiegelbildlichen Verlauf. Die sich ergebenden Übergangsfunktionen
und damit der Verlauf der Geschwindigkeit vm der Massen über der Zeit t ist aus
F i g. 2, Kurve 22, zu ersehen.
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F i g. 4 bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele für den Sollwertgeber.
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In F i g. 4 gehört zum Sollwertgeber eine Gleichspannungsquelle
41, die eine konstante Spannung abgibt, und ein Potentiometer 42, an dem
mit einem Abgriff 43 die Sollspannung US abgegriffen wird. Der Abgriff 43 bewegt
sich im allgemeinen während der Anlaufzeit TA mit konstanter Geschwindigkeit über
die Schleifbahn. Das Potentiometer 42 hat bei einem Drittel und zwei Drittel seines
Gesamtwiderstandes feste Abgriffe. Außerdem sind zwei gleiche, aber galvanisch getrennte
Gleichspannungsquellen 44a
und 44b vorhanden, bei denen mit Hilfe je zweier
gleich großer konstanter Widerstände 45a und 45b sowie je eines Potentiometers
46 a und 46 b, deren Abgriffe 49 mechanisch gekuppelt sind, zwei gleiche, in ihrem
Betrag und ihrem Vorzeichen veränderbare Gleichspannungen eingestellt werden können.
Diese Spannungen liegen über Endkopplungswiderstände 47 und 48 an dem ersten bzw.
dritten Drittel des Potentiometers 42. In der Mittelstellung der Abgriffe 49 der
Potentiometer46a und 46b sind die abgegriffenen Zusatzspannungen Null, und die Sollwertfunktion
US hat dann den in F i g. 3 für TF = 0,5 A und 0,1 eingetragenen Verlauf nach Kurve
33. Befinden sich die Abgriffe 49 der Potentiometer 46a und 46 b in dem oberen Teil,
so werden die Spannungen am ersten und dritten Drittel des Potentiometers 42 verkleinert,
und es ergibt sich eine der in F i g. 3 für TA T' = 0,7
angegebenen Sollwertfunktion 34 ähnliche Sollwertkurve. Befinden sich die Abgriffe
49 der Potentiometer 46 a und 46 b in der unteren Hälfte, so ergibt sich entsprechend
der Kurve 31 in F i g. 3 für T' = 0,43 und 1,6 eine Sollwertkurve mit ver-A minderter
oder sogar negativer Steigung im Mittelabschnitt. Die Betätigung der gekuppelten
Abgriffe 49 muß deshalb nach dem vorliegenden Verhältnis TE vorgenommen werden.
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Eine andere Ausführung des Sollwertgebers zeigt F i g. 5. Zu diesem
Sollwertgeber gehören vier Sprungfunktionsgeber 51 bis 54, die bei
Beginn des Hochlaufes bzw. der Abbremsung durch einen Schalter 55 eingeschaltet
werden. Die Sprungfunktionen haben im Verhältnis zueinander eine Phasenverschiebung
von #-1 . Die Ausgangsspannungen der Sprungfunk-3 51, 52, 53 und 54 werden in einem
Summierglied 56 addiert, und die Summenspannung wird über ein Integrierglied 57
geführt. Am Ausgang des Integriergliedes ergibt sich die Sollspannung U,. Die von
den Sprungfunktionsgebern 51 und 54 abgegebenen Spannungen sowie die von den Sprungfunktionsgebern
52 und 53 abgegebenen Spannungen haben gleichen Betrag, aber entgegengesetztes Vorzeichen.
Die Amplituden sind so zu wählen, daß die von der Summenfunktion des Summiergliedes
56 eingeschlossene Fläche konstant bleibt, denn nur dann ist die maximale Sollwertänderung
konstant.
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Bei Fördermaschinen wird es vorgezogen, den Sollwert in Abhängigkeit
vom Fahrzeug s des Förderfür den Anlaufvorgang bei verschiedenen Verhältnissen T'
im Bereich A
eingetragen. Zwischenwerte lassen sich interpolieren. Diese Funktionen stellen bei
dem zugehörigen Zeitenverhälinis TE sicher, daß der zeitliche Verlauf der A Geschwindigkeit
der elastisch gekuppelten Massen, wie auch der Übergang in die Endgeschwindigkeit
bzw. in die Geschwindigkeit Null ohne störende Eigenschwingungen erfolgt. Während
der Bremsung
korbes vorzugeben. Dadurch ist sichergestellt, daß
der Förderkorb nicht über die Haltestellen hinwegfahren kann. Hierzu ist mit der
Treibscheibe eine Kurvenscheibe fest gekuppelt, von deren Umfang der Sollwert mittels
eines Fühlhebels abgetastet wird. Auch bei einer derartigen wegabhängigen Sollwertvorgabe
läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren der Sollwertvorgabe anwenden. Es ist hierbei
der Sollwert US = f (t) in einen Wert US = f (s) umzuformen, da die
Kurvenscheibe den Standort des Korbes angibt. In F i g. 6 ist eine Kurvenscheibe
61 für den gesamten Förderweg mit einer Sollwertfunktion 34, deren Anfahrteil in
F i g. 3 wiedergegeben ist, dargestellt. Die Kurvenscheibe wird von einer Rolle
62 abgetastet, die über eine Stange 63 den Abgriff eines Potentiometers 65 verstellt.
Zwischen den Anschlüssen 65 und 66 liegt eine konstante Gleichspannung, während
zwischen den Klemmen 65 und 67 die Sollspannung US abgegriffen wird.
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Zur Einstellung der optimalen Sollwertfunktion ist die Kenntnis der
Anlauf- bzw. Bremszeit TA und der Eigenschwingungszeit TE der Massen erforderlich.
Die Anlauf- bzw. Bremszeit ist meist fest gegeben. Die Eigenschwingungszeit dagegen
hängt von einigen Betriebsparametern, wie z. B. der Länge des Seiles und der Belastung
des Förderkorbes bzw. den Abmessungen der Kuppelwelle und dem Trägheitsmoment der
Belastung, ab.
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In F i g. 7 ist als Beispiel für die Anwendung des Verfahrens nach
der Erfindung das Schaltbild eines Fördermaschinenantriebs dargestellt. Ein Gleichstrommotor
71 treibt über eine Treibscheibe 72 zwei Förderkörbe 73 und 74 an, so daß deren
Geschwindigkeit VK beträgt. Die Speisung des Motors erfolgt aus einem Transformator
77 über einen Stromrichter 76. Ein Gittersteuergerät 78 gestattet
die Einstellung der Ankerspannung UA in Abhängigkeit von der durch ein Summierglied
79 ermittelten Regelabweichung entsprechend der Differenz zwischen der vom Sollwertgeber
80 gelieferten Drehzahlsollspannung und der Drehzahlistspannung, die von einer mit
dem Motor gekuppelten Tachometermaschine 75 abgegeben wird.
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Jeder Förderkorb stellt mit seinem Seil ein schwingungsfähiges Glied
dar. Da die Eigenschwingungen beider Glieder infolge der drehzahlgeregelten Treibscheibe
entkuppelt sind, kann jeder Korb für sich betrachtet werden. Beim Korb am langen
Seil treten besonders hohe Schwingungsamplituden auf. Die Betrachtungen werden deshalb
stets auf den unteren Korb bezogen und die Solltwertfunktion dem Korb am langen
Seil angepaßt.
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Die Eigenschwingungszeit TE ist abhängig einerseits von der Länge
ISL des langen Seiles, andererseits von dem Seilgewicht, dem Korbgewicht und der
Nutzlast. Der Förderkorb soll aus einer beliebigen Stellung bei jeder Belastung
schwingungsfrei anzufahren und stillzusetzen sein. Die Seillänge kann über ein mit
der Treibscheibe 72 gekuppeltes Meßrad 81 und ein Integrierglied 82 gemessen und
daraus mit einem Rechenglied 83 die Federkonstante kf errechnet werden. Ein Maß
für die Nutzlast ist der Ankerstrom des Gleichstrommotors 71. Der Ankerstrom wird
mit Hilfe eines Gleichstromwandlers 84 gemessen, und mit einem Rechenglied 85 wird
unter Berücksichtigung der übrigen bekannten Gewichte die Masse m des Korbes 74
am langen Seil berechnet. Aus Masse rri und Federkonstante kf wird mit Hilfe eines
Summiergliedes 86 nach der Beziehung
die Eigenschwingungszeit TE berechnet. Die Komponeten TA und TF werden in
ein Rechenglied 87 eingegeben, das die Einstellung des mit 80 bezeichneten
Sollwertgebers, für den in F i g. 4 bis 6 Ausführungsbeispiele dargestellt sind,
vornimmt.
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Als Anwendungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren wurden
Antriebe für Fördermaschinen und Aufzüge genannt. Die Anwendung der Erfindung ist
jedoch nicht auf derartige Antriebe beschränkt, sondern für alle Antriebe geeignet,
die über elastische Verbindungselemente Massen antreiben.