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Verfahren und Einrichtung zur selbsttätigen Regelung der Phasenlage
der Welle eines elektrischen Antriebsmotors Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Einrichtung zur selbsttätigen Regelung der Phasenlage der Welle eines elektrischen
Antriebsmotors in Anlagen für die Aufzeichnung und Abnahme von Fernsehsignalen auf
bzw. von einem bandförmigen magnetischen Informationsträger. An einen solchen Regelvorgang
werden besonders hohe Anforderungen gestellt. Die Abweichung der Phasenlage der
Welle des Kopfradmotors soll möglichst kleiner sein als ein Sechzigtausendstel einer
Umdrehungsperiode, und die wichtigste zu lösende Aufgabe ist dabei die Dämpfung
des Regelvorganges.
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Alle selbsttätigen Regelungen verwenden das Prinzip, daß der Betriebszustand
einer zu regelnden Größe automatisch gemessen wird, das Meßergebnis mit einem Sollwert
verglichen, aus diesem Vergleich eine Stellgröße, z. B. eine Spannung, erzeugt und
mit dieser über ein Stellglied die Regelgröße so nachgeregelt wird, daß sie mit
dem Sollwert übereinstimmt. Bei Abweichung der Regelgröße vom Sollwert muß eine
Rückstellkraft in Erscheinung treten, die die Abweichung rückgängig macht. Diese
Rückgängigmachung, also der Ausgleichsvorgang, soll möglichst schwingungsfrei, also
aperiodisch, und möglichst schnell erfolgen. Ein schneller Ausgleichsvorgang hat
weiterhin den Vorteil, daß in der Regelung große Störungen erst gar nicht auftreten,
weil sie bereits im Entstehen wirksam ausgeregelt werden. Der zeitliche Verlauf
des Regelvorganges ist nun außer von der Art der Regelschaltung selbst von den zeitabhängigen
Stellgrößen der Schaltung abhängig, und es lassen sich im allgemeinen erst dann
Aussagen über den Verlauf des Ausgleichsvorganges machen, wenn dessen Differentialgleichung
vorliegt. Im allgemeinen hat diese die Form:
wobei y(n) die n-te Ableitung der zeitabhängigen Variabeln der Differentialgleichung
und a,t die sich aus der Schaltung ableitenden Vorzahlen der ISifferentialquotienten
sind. Es ist bereits bekannt, daß in der Differentialgleichung kein Glied von niedrigerer
als n-ter Ordnung fehlen darf, wenn der Regelvorgang stabil, also abklingend gedämpft,
sein soll. Diese Bedingung genügt aber allein nicht, sondern es müssen noch Nebenbedingungen
erfüllt werden, und die Anzahl dieser Nebenbedingungen ist um so größer, je höherer
Ordnung die Differentialgleichung ist, der der Regelvorgang entspricht. Die Erfüllung
von Nebenbedingungen als Folge von Ausgleichsvorgängen nach Differentialgleichungen
höherer Ordnung wurde daher als notwendiges Übel, aber nicht als ausschlaggebend
empfunden.
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Die meisten elektrischen Regelschaltungen arbeiten zur Schwingungsunterdrückung
mit einem Dämpfungsausgleich, der aus der Reihenschaltung eines Kondensators und
eines Ohmschen Widerstandes besteht, die parallel zur Regelspannungsleitung liegen.
Der Regelvorgang erfolgt dann nach einer Differentialgleichung 3. Ordnung, und es
läßt sich die Erfüllung zweier Nebenbedingungen durch den Abgleich des RC-Dämpfungsgliedes
und des Verstärkungsgrades der Regelanordnung verwirklichen. Eine Variation der
Dämpfung in der Richtung, sie möglichst groß zu machen, wird jedoch durch die Erfüllung
der Nebenbedingungen stark eingeschränkt.
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In der Starkstromtechnik ist bereits eine Anordnung zur Unterdrückung
von Pendelschwingungen parallellaufender Synchrongeneratoren durch Einwirkung auf
die Leistungszufuhr einer mit dem einen der Generatoren gekuppelten Kraftmaschine
bekannt, bei welcher die Leistungszufuhr von den Pendelschwingungen derart beeinflußt
wird, daß die dem Generator zugeführten periodischen Antriebsmomente den bei der
Pendelung auftretenden Massenkräften entgegenwirken. Die Leistungszufuhr kann dabei
von den periodischen Abweichungen des Polradwinkels von der der augenblicklichen
statischen Last entsprechenden Lage gesteuert werden sowie außerdem von der Größe
der Änderungsgeschwindigkeit des Polradwinkels abhängig sein.
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Beim vorliegenden Verfahren zur selbsttätigen Regelung der Phasenlage
der Welle eines elektrischen Antriebsmotors in Anlagen für die Aufzeichnung und
Abnahme von Fernsehsignalen auf bzw. von einem bandförmigen magnetischen Informationsträger
werden erfindungsgemäß bei der Abnahme von Fernseh-
Signalen folgende,
einzeln zum Teil bekannte Verfahrensschritte gleichzeitig angewendet: a) Von der
Drehbewegung der Motorwelle werden periodische Impulse abgeleitet, deren Phasenlage
gegenüber Vergleichsimpulsen ein Maß für die jeweilige Phasenlage der Motorwelle
ist; b) diese periodischen Impulse werden mit als Vergleichsimpulse periodisch vorgegebenen
Synchronimpulsen verglichen und daraus eine Regelspannung und aus dieser durch Differentiation
eine zusätzliche Hilfsspannung gewonnen; c) sowohl die Regelspannung als auch die
Hilfsspannung wirken auf die Drehzahl und Phasenlage der Motorwelle entweder direkt
durch Einwirkung auf eine mit der Motorwelle gekuppelte Induktionsbremse oder indirekt
über einen elektrischen Generator, welcher den Motor speist. Es ist günstig, wenn
bei Erzeugung der Regelspannung durch einen Spannungsvergleich, der nach sich wiederholenden
Zeitintervallen der Periode T erfolgt, diese Zeitdauer weniger als ein Zehntel der
erforderlichen kürzesten Regeldauer ist.
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Hierbei sollten zur Steuerung der Phasenlage des Kopfradmotors bei
der Abnahme der auf Magnetband aufgezeichneten Fernsehsignale als Synchronimpulse
die von einem Fernseh-Impulsgeber gelieferten Zeilenimpulse verwendet werden. Es
ist vorteilhaft, wenn der durch Spannungsvergleich erfolgende Phasenvergleich öfter
als 1000mal in der Sekunde, vorzugsweise etwa 16000mal in der Sekunde, erfolgt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens
wird die zu differenzierende Spannung an das freie Ende eines näherungsweise differenzierenden
Spannungsteilergliedes und an die Kathode einer Verstärkerröhre angelegt, die am
Abgriff des Spannungsteilers auftretende Spannung zum Gitter der Verstä.rkerröhre
geführt und der Fußpunkt des Spannungsteilers wechselspannungsmäßig zwischen einem
Arbeitswiderstand im Anodenstromkreis und der.#node gewählt; ferner wird die differenzierte
Spannung zwischen der Kathode der Röhre und einem ,Punkt zwischen dem Arbeitswiderstand
und der Anode der Röhre abgenommen und schließlich das Produkt aus Steilheit der
Röhre und Arbeitswiderstand wesentlich größer als 1, vorzugsweise größer als 10,
gewählt.
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Nachstehend wird die Problemstellung näher erläutert und die Erfindung
in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es zeigt F i g. 1 das vereinfachte Blockschaltbild einer bekannten Schaltanordnung
zur selbsttätigen Regelung der Phasenlage der Welle eines Kopfradmotors in Anlagen
für die Aufzeichnung und Abnahme von Fernsehsignalen, F i g. 2 das vereinfachte
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur selbsttätigen Regelung der
Phasenlage der Welle des Kopfradmotors, F i g. 3 ein Diagramm, das den zeitlichen
Verlauf der Drehzahländerung der Motorwelle bei verschiedenen Betriebszuständen
nach einem Bremsstoß für die bekannte Schaltanordnung nach F i g. 1 zeigt, F i g.
4 ein Diagramm gemäß F i g. 3 der Zeitfunktion bei Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens gemäß der Schaltanordnung nach F i g. 2, F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel
des Differenzierdämpfungsgliedes in der Schaltanordnung nach Fig.2, F i g. 6 ein
Blockschaltbild der gesamten Antriebsvorrichtung für die Aufzeichnung und Abnahme
von Fernsehsignalen, F i g. 7 ein Blockschaltbild der gesamten Antriebsvorrichtung
nach F i g. 6 mit Steuerung der Phasenlage des Motorspeisestromes, F i g. 8 ein
Blockschaltbild der gesamten Antriebsvorrichtung für die Abnahme der auf einem Magnetband
gespeicherten Fernsehsignale mit Steuerung einer zusätzlichen Motorbelastung (Wirbelstrombremse).
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In den Zeichnungen sind alle zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen
Teile weggelassen. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit gleichen
Bezugsziffern versehen.
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In F i g. 1 ist eine Regelanordnung mit der bisher üblichen Dämpfung
durch ein RC-Glied mit einem Ohmschen Widerstand 5 der Größe R und einem Kondensator
6 mit der Kapazität C dargestellt. Ein Elektromotor 1, z. B. ein Drehstrommotor,
wird von einem Generator 2, z. B. mit Drehstrom, gespeist. Die Frequenz des Generators
wird durch eine Regelspannung beeinflußt, die durch Phasenvergleich zwischen einer
Sollfrequenz f1, die z. B. aus einem Impulsgeber entnommen wird, und einer Frequenz
fz, die in Abhängigkeit von der Motordrehzahl z. B. von einem Tachogenerator 4 geliefert
wird, in der Einrichtung 3 gewonnen wird. Jede Regelspannungsänderung erleidet durch
das Dämpfungsglied 5, 6
eine weitere Verformung, so daß
wird, wobei C und R die Größe des RC-Gliedes und i der Strom durch dieses ist. Solange
die Frequenzen f1 und f, nicht übereinstimmen, erfolgt mit bekannten Mitteln, z.
B. durch Verwendung eines selbstanlaufenden Synchronmotors, ein Frequenzvergleich,
der bewirkt, daß die Frequenz f2 durch die Regelanordnung auf die Frequenz f1 gebracht
wird. Erst dann erfolgt der Phasenvergleich.
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Der Regelvorgang beim Phasenvergleich soll so wirken, daß ein Abweichen
der Motorphasenlage von der Synchronimpulsphasenlage einen Regelvorgang einleitet,
der die Motorphasenlage wieder in Übereinstimmung mit der Phasenlage der Synchronimpulse
bringt bzw. eine inzwischen eingetretene Änderung der Motorphasenlage wieder rückgängig
macht. Weicht die der Motordrehzahl entsprechende Frequenz von der Generatorfrequenz
ab, so entsteht außerdem im Motor ein Rückstellmoment
MR =mla=mlfwdt,
| weiterhin bei Vorhandensein von Käfigstäben oder |
| einer Hystereseschicht ein Dämpfungsmoment |
| doc |
| MD m2 d t - m2 6u |
| und ein Trägheitsdrehmoment |
| MT =1.äz o =I- ä |
| so daß das gesamte Drehmoment des Motors |
| MD = I - ä(o -f- m2 co -E- ml f co d t |
sein muß
und im Regelkreis folgende Bedingungen erfüllt
sein müssen:
| 1. I' dt m,c'+mlfa-)dt=-k34U2. |
| 2. Au, = CJ didt+di-R. |
| 3. 4i-R =kodm. |
| 4.47 =feodt-mi. |
Hieraus ergibt sich die Differentialgleichung des Regelvorganges:
beziehungsweise
Ein Bremsstoß auf das Regelsystem ergibt unter der Bedingung
als Lösung eine von der Zeit abhängige Frequenzänderung
nach der Gleichung:
Die Bedingung 1 schränkt die freie Wahl von
sehr ein; außerdem ist eine stabile Regelung ohne die
Motordämpfung (m2
= b = 0) nicht möglich, denn
stellt eine Schwingung dar.
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F i g. 2 zeigt das Schema einer der F i g. 1 ähnlichen Regelanordnung,
die jedoch gemäß der Erfindung ausgeführt ist. An Stelle des Dämpfungsgliedes
5, 6 tritt hier ein Widerstand 7 mit einer Dü%renziereinrichtung
B.
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Im Regelkreis hier werden folgende Bedingungen erfüllt:
Hieraus ergibt sich die Differentialgleichung des Regelvorganges:
beziehungsweise
Unter der Bedingung löst ein Bremsstoß einen Regelvorgang entsprechend
der Lösung der Differentialgleichung
aus. F i g. 3 zeigt die Zeitfunktion der Regelung bei der bekannten Schaltanordnung
nach F i g. 1, während F i g. 4 die Zeitfunktion der Regelung bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren gemäß der Schaltanordnung nach F i g. 2 zeigt. Auf der horizontalen Achse
ist eine der Zeit proportionale Größe aufgetragen, wobei in beiden Figuren der gleiche
Maßstab verwendet ist. Auf der vertikalen Achse ist eine der Frequenzabweichung
proportionale Größe aufgetragen. Es sind die sich für verschiedene Parameter, entsprechend
dem Ausdruck unter der Wurzel in den vorstehend angeführten Gleichungen, ergebenden
Zeitfunktionen eingezeichnet. Eine stabile Regelung wird bei der bekannten Anordnung
zwischen den Grenzen
bzw. für
größer als 0,25 und kleiner als 0,335 erreicht (F i g. 3).
Bei der Anordnung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der stabile Bereich
für den Wurzelausdruck
zwischen 0< und 1 bzw. für
zwischen 0 und 0,25 (F i g. 4).
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Hieraus geht hervor, daß der stabile Bereich bei der bekannten Schaltanordnung
wesentlich kleiner ist als bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden
Schaltanordnung.
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F i g. 4 zeigt außerdem eindeutig den besseren Regelvorgang,.denn
sowohl Regelamplitude als auch Regelzeit sind kleiner. Ein weiterer Vorteil ist,
daß man die Konstanten a, b, c beim erfindungsgemäßen Regelvorgang nach F
i g. 4 günstiger wählen kann als nach F i g. 3, denn es ist Durch eine Verstärkung
des differenzierten Anteils k$ kann in der erfindungsgemäßen Schaltanordnung die
Störabweichung und damit auch die Abklingzeit der Störung sehr klein gemacht werden.
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Versuche brachten an der erfindungsgemäßen Schaltanordnung mit Differenzierdämpfungsglied
etwa ein Fünftel bis ein Zehntel-,der Abklingzeit.gegenüber der in-der bekannteü.äelladtdnerdmmg
mit RC Dämpfungsglied.
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In F i g. 5 ist ein Differenzierdämpfungsglied gezeigt, wie es für
die Versuche verwendet wurde. Bei diesem wird die zu differenzierende Spannung von
den Eingangsklemmen 11, 12 über' einen Kathodenverstärker 13 an das
freie Ende eines näherungsweise differenzierenden Spannungsteilers 14, 15
und .an die Kathode einer Verstärkerröhre 16 angelegt, wobei die am Abgriff
des Spannungsteilers 14, 15 auftretende Spannung an dem Gitter der Verstärkerröhre
16 und der Fußpunkt des Spannungsteilers wechselspannungsmäßig zwischen einem
Arbeitswiderstand 17 im Anodenstromkreis und der Anode der Röhre 16 liegt.
Die exakt differenzierte Spannung -
- wird zwischen def .Kathode und der Anode der Röhre 16 abgenommen; dabei
soll das Produkt aus Steilheit der Röhre und Arbeitswiderstand 17 wesentlich größer
als 1, vorzugsweise größer als 10, sein. 1$ steilt eine Umkehrstufe mit Kathodenverstärker
dar. Der Widerstand 19 dient zur Übertragung der nicht differenzierten Spannung
auf die Ausgangsklemmen 21, 22. Die differenzierte Spannung wird auf den
Anschiuß 21 über den Koppelkondensator 23 übertragen. Der Kondensator
24 verbindet den Widerstand 15 wechselstrommäßig mit der Anode der Röhre
16. Über den Widerstand 25 wird der Röhre 16 die Gittervorspannung vom Anschluß
26:
und vom Anschluß 27 die Anodenspannung . zu. geführt.
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d u1 ist die differenzierende und
die mit der Regelspannung d u1 gemischte differenzierte Spannung. Die Schaltanordnung
hat den Vorteil, daß sie exakt differenziert und den Differentialquotient um den
Faktor k2 = R - C verstärkt.
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F i g. 6 zeigt die Anwendung des Verfahrens für die Aufzeichnung von
Videosignalen auf ein Magnetband, F i g. 7 und 8 zeigen Anwendungsbeispiele für
die Motorsynchronisierung beim Abspielen von Videosignalen vom Magnetband.
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Beim Aufzeichnen der. Signale werden nach F i g.. 6 Kontrollsignale
vom Motor 10 über eine von einer Photozelle 30 abgetastete schwarzweiß markierte
Scheibe 20 abgenommen, mit den Synchronimpulsen 40
in der Phasenvergleichsschaltung
50 verglichen und
daraus die Regelspannung abgeleitet. Diese wird
in dem Dämpfungsglied 60 gemäß der Erfindung differenziert und damit ein Generator
70 geregelt, der den Strom für den Motor 10 liefert.
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Beim Abspielen der Signale werden nach F i g. 7 und 8 die vom Kopfrad
80 abgetasteten Signale mit den Synchronsignalen 40 verglichen. In F i g.
7 wirkt die erzeugte Regelspannung über das Differenzierdämpfungsglied
60 auf den Generator 70, in F i g. 8 auf eine Wirbelstrombremse 90, die über
den Verstärker 100 gespeist wird, während der Motor 10 als selbstanlaufender
Synchronmotor ausgebildet ist und daher von sich aus synchron zu den Synchronimpulsen
läuft. Der Generator 70 dient hier nur als Verstärker und Stromerzeuger.
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Wird die Regelspannung durch Spannungsvergleich nach sich wiederholenden
Zeitabschnitten derPeriode T gewonnen, so soll diese Zeit weniger als ein Zehntel
der erforderlichen kürzesten Regeldauer von z. B. 1/26O Sekunde sein. Spannungssprünge
der Regelspannung sollen durch einen Glättungskondensator ausgeglichen werden, da
sonst die Differentiation Fehlregelungen verursacht.