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Anordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstromnebenschlußmotors
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstromnebenschlußmotors
mit Hilfe eines von der Motorwelle angetriebenen Istwert-Impulserzeugers, eines
Sollwert-Impulsgenerators und einer die Frequenzen äer Ist- und Sollwertimpulse
vergleichenden Vorrichtung.
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Es ist bei einer Steuereinrichtung für intermittierend arbeitende
Regelungen, bei denen die Einschaltdauer eines Elektromotors von der jeweiligen
Fehlergröße abhängt, z. B. bei Mehrfarbendruckmaschinen bekannt, die richtige Drucklage
der aufeinanderfolgenden Druckbilder dadurch zu erreichen, daß die Länge einer Schleife
der Papierbahn zwischen zwei Druckwalzen mittels Verschwenkens einer Leitwalze geregelt
wird. Die richtige Papierschleifenlänge bestimmt der das Verschwenken der Leitwalze
steuernde Elektromotor, der nur Strom erhält, wenn eines von zwei Relais angezogen
und das andere abgefallen ist, da der Strompfad zum Motor über einen Ruhekontakt
des einen Relais und einen in Reihe liegenden Arbeitskontakt des anderen führt.
Beide Relais werden von einem Grundimpuls erregt, den ein von einer Druckwalze angetriebener
Impulsgenerator liefert, und welches der beiden Relais zuerst abfällt,
d. h., welche Drehrichtung der Elektromotor ausführen soll, bestimmt die
Reihenfolge des optischen Abtastens zweier auf der Papierbahn aufgedruckter Steuermarkierungen,
wodurch ein Differenzverstärker jeweils an einem seiner beiden Ausgänge einen Steuerimpuls
erzeugt. Die Einschaltdauer des Elektromotors bestimmt der zeitliche Unterschied
zwischen dem Abfallen beider Relais, was abhängt von der Größe des dem einen der
beiden Relais zusätzlich vom Differenzverstärker gelieferten Steuerimpulses. Diese
Vorrichtung hat den Nachteil, daß sie zwei optische Abfühlstellen benötigt und daß
sämtliche Steuerimpulse über ein Speicherorgan, z. B. einen Kondensator, den Relais
zugeführt werden, so daß die Dichte der Aufeinanderfolge der vom Impulsgenerator
gelieferten Impulse begrenzt ist durch den zeitlichen Verlauf des Entladens des
Kondensators.
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Diese Nachteile vermeidet die Erfindung dadurch, daß die die Frequenzen
vergleichende Vorrichtung aus logischen Elementen besteht mit einer ersten bistabilen
Kippstufe, die durch einen Ausgangsimpuls eines ersten UND-Gliedes in den einen
im Ankerstromkreis des Motors liegenden Polwender umschaltenden EIN-Zustand und
durch einen Impuls des Sollwert-Impulsgenerators zurück in den AUS-Zustand kippbar
ist, mit einer zweiten bistabilen Kippstufe, die durch den Ausgangsimpuls eines
zweiten UND-Gliedes in den den Polwender umschaltenden EIN-Zustand und durch einen
Impuls des Istwert-Impulserzeugers zurück in den AUS-Zustand kippbar ist, wobei
als UND-Bedingung für das erste UND-Glied der AUS-Zustand der zweiten bistabilen
Kippstufe und ein von dem Istwert-Impulserzeuger erzeugter Impuls gilt und die UND-Bedingung
für das zweite UND-Glied durch den AUS-Zustand der ersten bistabilen Kippstufe und
einen Impuls des Sollwert-Impulsgenerators erfüllbar ist.
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Es ist zwar eine Elektromotorregelvorrichtung bekannt, bei der für
die Regelung der Vergleich der Frequenz einer von der Motorwelle erzeugten Impulsfolge
mit der Frequenz einer von einem Oszillator erzeugten Impulsfolge herangezogen wird,
bei der entsprechend der Regelabweichung die Anker-oder die Erregerspannung des
Elektromotors verändert wird, jedoch keine Steuerung der Polarität der Ankerspannung
möglich ist, so daß die Änderungsgeschwindigkeit der Regelstrecke nicht so groß
wie beim Gegenstand der Erfindung ist.
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Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend an Hand eines in der Zeichnung
veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild der für die Drehzahlregelung
eines Gleichstroninebenschlußmotors erforderlichen Anordnung mit logischen Elementen
und F i g. 2 ein Impulsdiagramm.
Vor der eingehenden Erläuterung
der Erfindung sei ein Anwendungsbeispiel der Erfindung kurz beschrieben. Auf dem
Datenverarbeitungssektor ist es üblich, binäre Angaben magnetisch aufzuzeichnen
bzw. zu speichern. Es gibt verschiedene Typen magnetischer Aufzeichner, die mit
spezifischen Geschwindigkeiten arbeiten. Diese Geschwindigkeiten sind dadurch bedingt,
daß jedes Schriftzeichen einer Reihe von Schriftzeichen bei einer bestimmten Frequenz
und mit einem bestimmten Abstand auf dem magnetischen Band aufgezeichnet oder abgelesen
wird. Bei diesen Bandeinrichtungen tritt ein Problem auf, wenn es notwendig ist,
die Lese- oder Schreibgeschwindigkeit der Geschwindigkeit einer anderen, die aufgezeichneten
Angaben verarbeitenden Einrichtung anzupassen. Es muß also eine Bandeinrichtung
magnetische Schriftzeichen in bzw. aus einem Puffersystem ablesen bzw. schreiben
können, das die Schriftzeichen bei einer bestimmten Geschwindigkeit speichert und
sie dann einer anderen Einrichtung mit einer anderen Geschwindigkeit darbietet.
Eine Bandanlage, die mit der - erfindungsgemäßen Einrichtung ausgestattet
ist, erfüllt die obige Forderung.
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Ein zum Antreiben des magnetischen Bandes verwendeter Gleichstromnebenschlußmotor
hat beim Anwendungsbeispiel der Erfindung als Anker eine in einem senkrechten magnetischen
Feld rotierende flache Scheibe. Bürsten schleifen direkt auf 96 Leitern,
die auf die fläche Scheibe gedruckt sind. Der durch die Bürsten fließende Strom
erzeugt ein auf die Scheibe wirkendes Drehmoment. Eine Spannungs-und Stromumkehrung
bewirkt auch die Umkehrung des Drehmomentes. Ein derartiger Gleichstrommotor hat
eine geringe Trägheit, einen niedrigen Wider-C im
stand, geringe Induktivität
und ein gleichförmiges Drehmoment infolge der großen Anzahl von Leitern. Das Ergebnis
ist eine mit niedriger Spannung und hohem Strom arbeitende Einrichtung, die sehr
gut für Transistorschaltanordnungen geeignet ist. Die niedrige elektrische Zeitkonstante
gibt Strom-Anstiegzeiten im Bereich von Mikrosekunden und daher eine schnelle Entwicklung
des Drehmomentes. Das gleichförinige Drehmoment ermöglicht die Regelung des Motors
bei niedrigen Drehzahlen und macht daher ein Getriebe zwischen dem Motor und der
Bandantriebswalze unnötig. Diese Eigenschaften eines Motors mit gedruckten Leitern
sind für den Antrieb von Magnetbandeinheiten besonders vorteilhaft, da mit einem
derartigen Motor die Bandgeschwindigkeit über einen großen Bereich geregelt und
das Band in einer sehr kurzen Periode beschleunigt und verzögert werden kann.
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Ein Magnetband 10 (F i g. 1) ist zwischen einer
Klemm olle 11 und einer Antriebswalze 12 eingeklemmt. Die Antriebswalze
12 wird angetrieben durch eine Welle 13, auf welcher der Scheibenanker 14
eines Gleichstromnebenschlußmotors befestigt ist. Die Erregerwicklung ist nicht
dargestellt. Ein Polwender 15 legt über zwei Bürsten 16 und
17 eine Gleichspannung an die gedruckten Leiter 18 des Scheibenankers
14. Je nach Polarität der zugeführten Spannung wird dem Motoranker ein antreibendes
oder ein bremsendes Drehmoment erteilt.
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Ein Sollwert-Impulsgenerator 19 erzeugt periodisch wiederkehrende
Impulse zur Vorgabe der Solldrehzahl des Motors. Die Frequenz dieser Impulse ist
proportional der Frequenz, mit der magnetische Schriftzeichen vom Magnetband
10 abgelesen oder auf dieses geschrieben werden sollen. Der Sollwert-Impulsgenerator
19 kann verschieden ausgebildet sein. So kann er ein mit einer vorbestimmten
Frequenz arbeitender Steueroszillator sein, oder er kann eine Reihe von
Im ; pulsen mit einer Frequenz erzeugen, die sich durch e'm*en Faktor von
der vorbestimmten Frequenz unterscheidet. Es kann natürlich auch in bekannter Weise
eine veränderbare Frequenz erzeugt werden. Der Sollwert-Impulsgenerator
19 kann Teil einer Einrichtung sein, welche die übertragung der Schriftzeichen
auf oder aus dem Magnetband 10 bewirkt. Die Geschwindigkeit, mit der diese
Einrichtung die binären Schriftzeichen behandelt, steuert dann die Geschwindigkeit,
mit der die Magnetbandeinrichtung die Schriftzeichen abliest oder schreibt.
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Die Motoristdrehzahl zeigt Impulse an, die in einem Istimpulserzeuger
20 von einer Lochscheibe 20a erzeugt werden, welche die gleiche Winkelgeschwindigkeit
wie der Scheibenanker 14 und die Antriebswalze 12 hat. Dielochscheibe 20 a besitzt
eine Reihe von Löchem 21, die jeweils das von einer Lichtquelle 22 ausgesandte Licht
auf eine Photozelle 23
fallen lassen. Wenn die Antriebswalze 12, der Scheibenanker
14 und die Lochscheibe 20a rotieren, werden Impulse mit einer der Motoristdrehzahl
proportionalen Frequenz erzeugt. Diese Impulse werden, durch einen Verstärker 24
verstärkt, der Drehzahlregelanordnung zugeführt.
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Die Drehzahlregelanordnung umfaßt einen Polwender 15, zwei
UND-Glieder 27, 28 und zwei bistabile Kippstufen 25, 26. Die beiden
stabilen Zustände der Kippstufen 25 und 26 sind in der Zeichnung mit
EIN bzw. AUS bezeichnet. Ist die Kippstufe 25 im EIN-Zustand, liefert
der Polwender 15 eine Gleichspannung an die Bürsten 16 und
17, die eine Drehbewegung des Motorankers in einer Richtung bewirkt. Ist
dagegen die Kippstufe 26 im EIN-Zustand, liefert der Polwender
15 eine Gleichspannung umgekehrter Polarität, und ein in entgegengesetzter
Richtung durch die Bürsten 16 und 17 fließender Strom erzeugt ein
Bremsmoment im Motoranker.
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Die Eingänge der bistabilen Kippstufen 25, 26
sind so gelegt,
daß ein Impuls an der EIN-Seite einer Kippstufe nur ihre Umschaltung vom
AUS- in den EIN-Zustand bewirkt. Ist diese Kippstufe bereits im EIN-Zustand,
bleibt ein an diesen Eingang angelegter Impuls unwirksam. Entsprechend reagiert
jede
der Kippstufen 25, 26 auch beim Anlegen eines Impulses an die
AUS-Seite.
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Die Kippstufen 25, 26 sind mit den UND-Gliedern 27,
28 derart verbunden, daß die Kippstufe 25
einen Impuls vom UND-Glied
27 nur dann erhält, wenn die Kippstufe 26 im AUS-Zustand ist. Damit
die Kippstufe 25 durch einen vom UND-Glied 27
empfangenen Impuls umschalten
kann, muß diese Kippstufe zum Zeitpunkt des Auftretens eines Impulses vom Sollwert-Impulsgenerator
19 sich im AUS-Zustand befinden. Die Umschaltung der Kippstufe
25 vom EIN- in den AUS-Zustand erfolgt beim Auftreten eines Ausgangsimpulses
vom Verstärker 24.
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In Analogie zu obigen Erläuterungen wird die Kippstufe 26 durch
einen Impuls vom UND-Glied 28 nur dann in den EIN-Zustand geschaltet, wenn
sie im AUS-Zustand ist und die Kippstufe 25 sich im Zeitpunkt des Auftretens
eines Impulses vom Verstärker 24 ebenfalls im AUS-Zustand befindet. Die Umschaltung
der Kippstufe 26 vom EIN- in den
AUS-Zustand erfolgt beim
Auftreten eines Impulses vom Sollwert-Impulsgenerator 19.
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Die Wirkungsweise der in der F i g. 1 gezeigten Vorrichtung
mit logischen Elementen ist in Verbindung mit dem Impulsdiagramm nach F i
g. 2 leichter verständlich. In der ersten Zeile des Impulsdiagramms sind
Sollwertimpulse des Impulsgenerators 19, in der zweiten Zeile die zwei stabilen
Zustände der dem antreibenden Drehmoment des Motorankers 14 zugeordneten bistabilen
Kippstufe 25
(Lauf-Kippstufe), in der dritten Zeile von der Lochscheibe 20a
erzeugte und anschließend vom Verstärker 24 verstärkte Impulse und in der letzten
Zeile die zwei stabilen Zustände der dem bremsenden Drehmoment des Motorankers zugeordneten
bistabilen Kippstufe 26 (Brems-Kippstufe) dargestellt.
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Beim Auftreten des Sollwertimpulses Nr. 1
(Fig.2, erste Zeile)
sei angenommen, daß der Motoranker im Stillstand ist und die beiden Kippstufen
25, 26 sich im AUS-Zustand befinden. Zu diesem Zeitpunkt ist das UND-Glied
27 durch den Ausgangsimpuls von der sich im AUS-Zustand befindlichen Brems-Kippstufe
26 vorbereitet und sendet einen Impuls zur Lauf-Kippstufe 25, um diese
in den EIN-Zustand zu bringen und die Drehbewegung des Motorankers über den Polwender
15 einzuleiten. Der zweite und dritte Impuls vom Sollwert-Impulsgenerator
19 haben keinen Einfluß auf die Kippstufe 25, da sich diese bereits
im EIN-Zustand befindet. Sobald sich der Anker dreht, wird ein Istwertimpuls erzeugt,
wenn das erste Loch 21 der Lochscheibe 20 a zwischen die Lichtquelle 22 und die
Photozelle 23 gelangt. Da die Lauf-Kippstufe 25 im EIN-Zustand ist,
ist das UND-Glied 28 nicht vorbereitet, wodurch die Brems-Kippstufe 26 keinen
Eingangsimpuls erhält. Dagegen bewirkt der von der Lochscheibe 20a erzeugte Impuls
die Umschaltung der Lauf-Kippstufe 25 vom EIN- in den AUS-Zustand.
Der vierte Sollwertimpuls folgt unmittelbar dem ersten Istwertimpuls und bewirkt
erneut die Umschaltung der Lauf-Kippstufe 25 in den EIN-Zustand. Dadurch
wird weiterhin ein antreibendes Drehmoment erzeugt und so die Drehzahl des Ankers
erhöht. Der nächste Istwertimpuls schaltet wiederum die Lauf-Kippstufe
25 in den AUS-Zustand, und zwar unmittelbar nach dem sechsten Sollwertimpuls.
Der Sollwertimpuls 7 schaltet die Lauf-Kippstufe 25 wieder in den
EIN-Zustand, und der unmittebar darauffolgende Istwertimpuls schaltet die Lauf-Kippstufe
25 wieder zurück in den AUS-Zustand. Nach dem Auftreten des Sollwertimpulses
7 (F i g. 2) ist die Frequenz der Sollwertimpulse gleich der Frequenz
der die Istdrelizahl des Motors anzeigenden, durch die Lochscheibe 20a erzeugten
und im Verstärker 24 verstärkten Istwertimpulse. Diese Frequenzgleichheit dauer
an bis zum Sollwertimpuls 11. Aus vorstehendem ist ersichtlich, daß die Lauf-Kippstufe
25 in den EIN-Zustand geschaltet wird, um dem Anker ein antreibendes Drehmoment
zu erteilen und seine Drehzahl auf einer konstanten, durch die Sollwertimpulse bestimmbaren
Höhe zu halten.
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Es sei nun angenommen, daß nach dem Auftreten des Sollwertimpulses
11 die Drehzahl des Motors um die Hälfte verringert werden soll. Diese Forderung
ist dargestellt durch die Verdoppelung des Ab-
standes zwischen den Sollwertimpulsen
11 und 12. Zunächst treten zwei Istwertimpulse aufeinanderfolgend auf, da
die Motordrehzahl noch nicht auf die niedrigere Solldrehzahl abgefallen ist. Im
Zeitpunkt des Auftretens des zweiten der aufeinanderfolgenden Istwertimpulse sind
sowohl die Lauf-Kippstufe 25 als auch die Brems-Kippstufe 26 im AUS-Zustand.
Dadurch ist das UND-Glied 28 durch die im AUS-Zustand befindliche Lauf-Kippstufe
25
vorbereitet, so daß durch den genannten Istwertimpuls das UND-Glied
28 einen Impuls an die Brems-Kippstufe 26 sendet. Dadurch schaltet
die Brems-Kippstufe 26 vom AUS- in den EIN-Zustand um, und der Polwender
15 führt den Leitern 18 des Motorankers 14 Strom in entgegengesetzter
Richtung zu. Es wird also die Motordrehzahl durch Bremsung herabgesetzt. Der darauffolgende
Sollwertimpuls 12 schaltet die Brems-Kippstufe 26
wieder in ihren AUS-Zustand
zurück. Dieses Wechselspiel geschieht nach dem Diagramni in F i g. 2 bis
zum Sollwertimpuls 14. Allgemein ausgedrückt erfolgt die Drehzahlverminderung bis
zu dem Zeitpunkt, in welchem zwei -Sollwertimpulse zwischen zwei Istwertimpulsen
auftreten. Dieser Zustand zeigt an, daß die Motordrehzahl unter die von den Sollwertimpulsen
vorgegebene Solldrehzahl gefallen ist. Es muß demnach anschließend die Lauf-Kippstufe
25 erneut in den EIN-Zustand geschaltet werden, um die Drehzahl auf die gewünschte
Höhe zu bringen bzw. auf dieser zu halten. Dies wird dadurch erreicht, daß der zweite
der beiden zwischen zwei Istwertimpulsen liegenden Generatorimpulse, nämlich der
SollWertimpuls 15, das durch die in dem AUS-Zustand befindliche Brems-Kippstufe
26 vorbereitete UND-Glied 27 zum Senden eines Impulses veranlaßt,
welcher der Lauf-K-ippstufe 25 zugeführt wird. Unmittelbar nach dem Sollwertimpuls
15 wird ein Istwertimpuls erzeugt und dadurch die Lauf-Kippstufe
25 wieder in den AUS-Zustand zurückgeschaltet. Wie aus der F i
g. 2 ersichtlich, werden vom Sollwertimpuls 15 bis 18 Istwertimpulse
mit der gleichen Frequenz wie die Sollwertimpulse erzeugt. Die Lauf-Kippstufe
25 hält dabei durch impulsweise Einschaltung die Motordrehzahl konstant.
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Vom Sollwertimpuls 19 bis 25 ist die Sollwertfrequenz
wiederum vergrößert. Deshalb ist auch die Umschaltefrequenz der Lauf-Kippstufe
25 größer, so daß die Zeiten der Drehmomenterzeugung in kürzeren Abständen
auftreten, um den Anker zu beschleunigen, so daß er die der Sollwert-Impulsfrequenz
entsprechende Drehzahl annnimmt, wobei die Frequenz der Istwertimpulse wiederum
gleich der Frequenz der Sollwertimpulse ist.