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Anordnungen zur Begrenzung des Stellbereiches eines Stellantriebs
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Steuern des Schlittens einer
Werkzeugmaschine, der Stabilisierungsflosse eines Schiffes oder anderer Maschinenteile,
abhängig von einer Führungsgröße. Der Antriebsmotor derartiger Anlagen wird meist
von einem Regelverstärker gesteuert, dem als Eingangsgröße eine Spannung zugeführt
wird, die der Differenz aus einer der jeweiligen Stellung des Antriebes entsprechenden
Istwertspannung und einer Führungsgröße (Sollwert) entspricht. Diese Führungsgröße
kann bei Werkzeugmaschinen beispielsweise durch ein Lochkartenprogramm, bei Stabilisierungsanlagen
von einem Kreiselgerät geliefert werden. In beiden Fällen kann die Führungsgröße
unter Umständen so große Werte annehmen, daß der Stellbereich des Antriebes nicht
ausreicht, um einen entsprechenden Istwert einzuregeln. In einem solchen Fall würden
die beweglichen Teile unter Umständen mit großer Wucht gegen die Endlagen (Hartlagen)
laufen und dadurch Zerstörungen hervorrufen. Um solche Schäden zu vermeiden, ist
es üblich, Schalter vorzusehen, die von dem beweglichen Teil kurz vor dem Erreichen
der Enden des Stehbereiches geschaltet werden. Durch diese Schalter wird dann der
Regelkreis unterbrochen und der Antriebsmotor abgebremst. Wegen der Unterbrechung
des Regelkreises muß die gesamte Anlage direkt von Hand oder über einen Hilfsantrieb
wieder in den regulären Stellbereich eingefahren werden. Eine derartige Unterbrechung
des Regelkreises ist in vielen Fällen unerwünscht und kann unter Umständen sogar
äußerst gefährlich sein.
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Eine derartige Abschaltung des Regelkreises ist im übrigen zur Gleichlaufsteuerung
bei Mehrmotorenantrieben verwendet worden. Kennzeichnend für solche Anlagen ist
nämlich der periodische Verlauf der Regelabweichung, die von der Verdrehung der
Läufer mindestens zweier Gebermaschinen abhängig ist. Offensichtlich läßt sich bei
solchen Anlagen eine Regelung nur in einem begrenzten Bereich sinnvoll durchführen,
da nach einem überschreiten dieses Bereiches eine fehlerhafte Relation zwischen
den einzelnen Maschinen eingeregelt würde. Bei der bekannten Anordnung wird daher
der Regelkreis abgeschaltet, sobald die Stehgröße einen bestimmten Grenzwert überschreitet.
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Man könnte nun daran denken, den Sollwert mit elektronischen Mitteln,
beispielsweise Zenerdioden, auf einen Maximalwert zu begrenzen. Diese bekannte Maßnahme
führt jedoch nur dann zu dem gewünschten Erfolg, wenn der Sollwert als Gleichstrom
oder Gleichspannung vorliegt. In vielen Regelsystemen, insbesondere solchen mit
Drehmeldern, ist der Sollwert - meist auch der Istwert - als Wechselspannungsgröße
gegeben. Dabei ist die jeweilige Amplitude ein Maß für den durch eine mechanische
Größe, z. B. Verdrehung, bestimmten Soll- oder Istwert. Die von der Sollwert-Istwert-Differenz
abgeleitete Stellgröße ist jedoch meist wieder ein Gleichstrom, der durch Gleichrichtung
von Soll- und Istwert gewonnen wird. Dieser Mittelwert würde auch bei einer elektronischen
Amplitudenbegrenzung des Sollwertes nur schleichend und allmählich einen Maximalwert
erreichen. Das ist darauf zurückzuführen, daß der Mittelwert einer auf eine bestimmte
Amplitude begrenzten Halbwelle auch dann noch ansteigt, wenn der Scheitelwert der
Halbwelle größer als der Grenzwert wird. Eine Amplitudenbegrenzung mit den üblichen
Mitteln würde daher nicht zum Ziel führen, da der Verlauf des Gleichspannungsmittelwertes
der Stellgröße abhängig von dem mechanischen Istwert keinen scharf ausgeprägten
Knick, sondern einen allmählichen Übergang von dem eigentlichen Proportionalbereich
in den »Sättigungsbereich« (Begrenzung) aufweist. Dieser Übergangsbereich kann bereits
einen erheblichen Prozentsatz des gesamten Stellbereiches ausmachen.
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Eine Begrenzung der als Gleichspannung vorliegenden Regelabweichung
mit einfachen elektronischen Mitteln führt ebenfalls nicht zum Ziel, weil die begrenzte
Regelabweichung bei einer sehr großen Sollwertspannung auch noch nach Erreichen
der Hartlagen vorhanden wäre. Der Antrieb würde daher trotzdem gegen die Hartlagen
laufen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung des Stehantriebes für
einen beweglichen Maschinenteil, der mittels eines Reglers abhängig von der Differenz
(Regelabweichung)
zwischen einer der jeweiligen Stellung des Antriebes entsprechenden Istwert-Wechselspannung
und einer in weiten Grenzen veränderbaren Sollwert-Wechselspannung (Führungsgröße)
in einem durch Hartlagen begrenzten Bereich eingestellt wird. Bei einer derartigen
Anlage läßt sich der Stellbereich erfindungsgemäß dadurch wirkungsvoll begrenzen,
daß kurz vor Erreichen der Hartlagen des Stellbereiches selbsttätig die Steilheit
des Anstieges der Istwertspannung sprungartig derart vergrößert wird, daß die Regelabweichung
sehr schnell zu Null wird und gegebenenfalls das Vorzeichen wechselt.
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Wird die Istwertgröße beispielsweise von einem Drehmelder (Drehtransformator)
geliefert, dann läßt sich dies beispielsweise dadurch erzielen, daß beim Erreichen
der Endlagen das Übersetzungsverhältnis eines dem Drehmelder nachgeschalteten Transformators
oder die Erregung des Drehmelders selbst verändert wird.
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Bei einer derartigen Anlage lassen sich aber die obenerwähnten Nachteile
nicht in jedem Fall mit Sicherheit vermeiden. Es könnte hierbei nämlich der Fall
eintreten, daß. durch irgendwelche Fehler in dem Istwertkreis plötzlich der Istwert
Null gemeldet wird. Dem Stellantrieb würde dann eine sehr große bleibende Regelabweichung
zugeführt, und er würde die- beweglichen Teile ebenfalls bis. an die Grenzen des
Stellbereiches steuern. In diesem Fall bietet auch eine andere sehr einfache Lösung,
nämlich eine rein elektrische Begrenzung des Sollwertes, keinen ausreichenden Schutz.
Abgesehen davon läßt sich aber eine Begrenzung einer gleichgerichteten Wechselspannung
nicht mit der erforderlichen Exaktheit erreichen. Bei allmählicher Begrenzung besteht
aber bereits wieder die Gefahr, daß der Antrieb mit verhältnismäßig großer Wucht
gegen die Enden des Stehbereiches läuft.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung läßt sich dieser Nachteil weitgehend
dadurch vermeiden, daß zwei Istwertgeber vorgesehen werden, von denen der eine eine
Ausgangsspannung liefert, die wesentlich schneller mit der Verstellung des .Antriebes
zunimmt als die -des anderen, daß die Ausgangsspannungen der beiden Istwertgeber
über eine Weiche dem Regelverstärker zugeführt werden, die jeweils nur die größere
der beiden Spannungen durchläßt, und däß der Istwertgeber mit der steiler ansteigenden
Ausgangsspannung erst kurz vor der Hartlage selbsttätig mit dem Antrieb gekuppelt
wird.
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Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in F i g. 1 dargestellt. Dort
ist mit 11 ein Antriebsmotor bezeichnet, der über die Welle 141 mit einem Stellglied
12- und über die Welle 142- mit dem Hauptistwertgeber 151 gekoppelt ist. -Ein zweiter
Istwertgeber 152 ist über die Welle 144, eine Kupplung 16, die Welle 143 und die
beiden Getrieberäder 192 ebenfalls mit dem Motor 11 gekoppelt. Die Istwertgeber
151 und 152 sind vorzugsweise als Drehmelder oder Drehtransformatoren ausgeführt,
die eine Wechselspannung liefern, deren Amplitude und Phasenlage von dem Drehwinkel
der Wellen 142 bzw. 144 abhängen. Diese Spannungen werden in in der Figur nicht
gezeichneten Phasendemodulatoren in Gleichspannungen umgeformt, deren Größen ein
Maß für die Verdrehung sind und deren Vorzeichen die Richtung der t Verdrehung :angeben:
Diese Spannungen werden einer elektrischen Weiche 17 zugeführt, deren Aus= gang
mit dem Eingäng eines Regelverstärkers 18 verbunden ist. Diese Weiche ist so ausgelegt,
daß sie immer nur die größere der beiden Eingangsspannungen auf den Eingang des
Regelverstärkers weitergibt. Diesem Regelverstärker wird außerdem eine Führungsgröße
W zugeführt, so daß die von ihm gelieferte Ausgangsgröße proportional der Regelabweichung
ist, d. h. also der Abweichung des Stellantriebes von einem durch die Führungsgröße
W vorgegebenen Wert - proportional ist. Die Ausgangsgröße dieses Verstärkers steuert
beispielsweise die Stromversorgung 13 des Antriebsmotors 11.
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Die Arbeitsweise der in F i g. 1 dargestellten Anordnung läßt sich
am einfachsten an Hand der F i g. 2 erläutern. Dort ist der Verlauf der der Stellung
des Antriebes proportionalen Istwertspannung Ulst abhängig vom Drehwinkel a aufgetragen.
Mit a = -h c bzw. -c sind die Grenzen des Stellbereiches (Hartlagen). bezeichnet.
Mit a = +b bzw. -b sind die Endlagen bezeichnet, die der Antrieb nicht wesentlich
überschreiten soll.. Die Spannung Uli wird abhängig vom Verdrehwinkel bis
zum Winkel a = b vom Drehgeber 151 geliefert und hat den mit A bezeichneten Verlauf.
Kurz vor. der Endlage a = b; nämlich im Punkt- a = a, wird der Drehgeber 152 über
die Kupplung 16 mit dem Stellmotor 11 gekuppelt. Die von dem Drehgeber 152 gelieferte
Spannung hat von da an den mit B bezeichneten Verlauf. Da jedoch die Weiche 17 immer
nur die größere der beiden Eingangsspannungen durchläßt, bleibt die von dem Geber
152 gelieferte Spannung zunächst noch unwirksam. Bei a = b wird die sehr steil mit
dem Drehwinkel anwachsende Spannung des Gebers 152 größer- als die Spannung des
Gebers 151. Von diesem Augenblick an wird diese Spannung (B) am Eingang des Regelverstärkers
18 mit der Führungsgröße W verglichen und für den weiteren Regelvorgang bestimmend.
Dadurch wird erreicht, daß der Antrieb selbst bei- sehr großen Führungsgrößen W
nur noch geringfügig gegen die äußersten Grenzen des Stehbereiches a = ±c (Hartlagen)
läuft.
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Der Vorteil dieser Anordnung liegt zunächst darin, daß der Regelkreis
niemals unterbrochen wird und jederzeit wieder ordnungsgemäß arbeitet, sobald die
Führungsgröße einen normalen Wert annimmt. Aber auch beim Ausfall des regulären
Istwertgebers ist die Anlage geschützt, da der zweite Istwertgeber unabhängig von
der Funktionstüchtigkeit des ersten den Stellbereich in der zuvor beschriebenen
Weise begrenzt. .
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Bei der Erläuterung des in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels
wurde erwähnt, daß die Ausgangsspannungen der Drehmelder in einem Phasendetektor
phasenrichtig gleichgerichtet und die so gewonnenen Gleichspannungen über eine Weiche
dem Regelverstärker zugeführt werden. In . diesem Fall kann man mit geringem Aufwand
die Istwertgröße von zusätzlichen Parametern abhängig machen, da der Mittelwert
der Ausgangsspannung des Phasendetektors auch stetig von der Phasendifferenz zwi=
scheu der von dem Drehmelder gelieferten Wechselspannung und der Bezugswechselspannung
abhängt. Manchmal ist ein bestimmter, beispielsweise quadratischer Zusammenhang
zwischen der Istwertspannung und der tatsächlichen Stellung des Antriebes erwünscht.
Man braucht .dann nur, der gewünschten Funktion entsprechend, die Phasenlage der
Bezugswechselspannung zu verändern und kann dann beispielsweise auf eine sonst hierzu.übliche
Veränderung
des Verstärkungsfaktors des Regelverstärkers verzichten.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Lösung im Rahmen des Grundgedankens
der Erfindung besteht darin, an Stelle des zweiten Hilfsdrehmelders einen Phasenschieber
vorzusehen, der ebenfalls kurz vor Erreichen der Endlagen mit dem Stellantrieb gekuppelt
wird und der dann eine konstante Spannung liefert, deren Phasenlage jedoch von der
Stellung des. Stellantriebes abhängt. Die Ausgangsspannung dieses Phasenschiebers
wird phasenrichtig demoduliert, wobei die Spannung des Hauptdrehmelders als Vergleichsspannung
dient. Die Ausgangsspannung des Hauptdrehmelders wird außerdem einem Phasendetektor
zugeführt, der mit einer Vergleichsspannung konstanter Phasenlage gespeist wird.
Die Ausgangsspannungen der beiden Demodulatoren werden dann in der erwähnten Weise
über eine elektrische Weiche dem Regelverstärker zugeführt.
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Ein Ausführungsbeispiel für die in F i g. 1 mit 17 bezeichnete elektrische
Weiche mit je einem nachgeschalteten Phasendetektor ist in F i g. 3 dargestellt.
In Übereinstimmung mit F i g. 1 sind der an die Weiche angeschlossene Verstärker
mit 18 und die beiden Drehgeber, für die an sich kein Schutz begehrt wird, mit 151
und 152 bezeichnet. Die beiden Drehgeber 151 und 152 liegen in Serie und sind an
die Wechselspannungsklemmen 411 und 412 einer Gleichrichterbrücke
41 angeschlossen. Der Verstärker 18 liegt zwischen dem Verbindungspunkt 415 der
beiden Quellen und über einen pnp-Transistor 421 an der positiven Klemme 413 und
über einen npn-Transistor 422 an der negativen Klemme 414 der Brücke. Die Basiselektroden
der beiden Transistoren sind über Widerstand 431 bzw. 432 mit dem Punkt 415
verbunden.
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Ist beispielsweise die von dem Geber 151 gelieferte Spannung U1 größer
als die von dem anderen Geber gelieferte Spannung U2, dann fließt ein Strom von
dem Geber 151 über den Verstärker 18, den Transistor 422 und die Diode 416. Die
Größe dieses Stromes ist allein durch die Größe der Spannung U1 bestimmt. Der Transistor
422 wird hierbei durch die am Eingang des Verstärkers 18 liegende Spannung durchgesteuert,
während der Transistor 421 durch die gleiche Spannung gesperrt wird. Auf diese Weise
wird ein Kurzschluß der beiden Spannungsquellen über die Gleichrichterbrücke 41
- deren Klemmen 411 und 412 sonst ja miteinander verbunden wären - vermieden.
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Die kleinere Spannung U2 kann in dem angenommenen Fall über den Verstärker
18 und das Ventil 417 keinen Strom treiben, da der entsprechende Brückenzweig durch
die an den Klemmen 411 und 412 liegende Gesamtspannung gesperrt ist.
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Die angegebene Anordnung arbeitet in der gleichen Weise auch bei umgekehrter
Polarität der von den Gebern gelieferten Spannungen. In diesem Fall wird dann der
Transistor 421 durchlässig und die beiden arideren Brückenzweige wirksam.
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In dem beschriebenen Fall wurde angenommen, daß die Geber 151, 152
Gleichspannungen liefern. Nach geringen Änderungen können mit dieser Anordnung auch
Wechselspannungen verarbeitet werden. Die Steuerstrecken der Transistoren 421, 422
i werden in diesem Fall so an Sekundärwicklungen eines Hilfstransformators angeschlossen,
der primärseitig mit der gleichen Spannungsquelle verbunden ist, an die auch die
Erregerwicklungen der Drehgeber angeschlossen sind, daß die beiden Transistoren
abwechselnd durchgesteuert werden. Hierbei können sogar zwei gleichartige Transistoren
(pnp) verwendet werden.
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Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen war die Führungsgröße
eine elektrische Größe, die zusammen mit einer der Stellung des Antriebes entsprechenden
Istwertspannung demRegelverstärker zugeführt wurde. In anderen Anwendungsfällen
liegt die Führungsgröße als mechanische Größe insbesondere als Drehwinkel vor. Zur
Stabilisierung von Schiffen mit Hilfe von Flossen wird beispielsweise die Führungsgröße
von einem Kreiselgerät in Form einer mechanischen Verdrehung geliefert. Diese mechanische
Größe läßt sich nun mit der tatsächlichen Verdrehung des Stellantriebes am einfachsten
mit Hilfe von zwei dreiphasigen Drehgebern vergleichen, deren Ständerwicklungen
dreiphasig ausgeführt und nach Art einer elektrischen Welle miteinander verbunden
sind. In F i g. 4 und 5 ist schematisch gezeigt, wie sich die Erfindung dann am
einfachsten realisieren läßt. Dabei ist nur der Teil dargestellt, der von dem in
F i g. 1 abgebildeten Beispiel abweicht.
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In F i g. 4 ist wieder mit 11 der Antriebsmotor bezeichnet, der über
ein Getriebe 19 einen Istwertgeber 151 und über eine Kupplung 16 und ein Vorgelege
51 einen zweiten Istwertgeber 152 antreibt. Ein Sollwertgeber 55, z. B. ein Kreisel,
ist mit dem Läufer eines dreiphasigen Gebers 54 gekuppelt, dessen drei Ständerwicklungen
mit entsprechenden drei Ständerwicklungen des Gebers 151 nach Art einer elektrischen
Welle verbunden sind. Die Läuferwicklungen des Gebers 54 werden dabei mit einer
Hilfswechselspannung konstanter Amplitude und Phase gespeist. Die von dem Läufer
des, Gebers 151 abgreifbare Spannung ist dann nach Größe und Phase von der Abweichung
der Stellung des Antriebes von dem Drehwinkel des Sollwertgebers 55 abhängig. Sie
ist Null, wenn die beiden Größen übereinstimmen.
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Dem Regelverstärker 18 wird neben der Ausgangsgröße dieses Gebers
151 noch die Spannung vom Geber 152 zugeführt. Dieser wird mit dem Antrieb 19 erst
dann gekuppelt, wenn der Antrieb eine der kurz vor den Hartlagen liegenden Endlagen
erreicht. Seine Ausgangsspannung nimmt aber dann sehr steil zu. Das Vorzeichen dieser
Spannung - das sich durch Einstellung der Erregerspannung am Regler 53 leicht verändern
läßt - wird vorzugsweise so gewählt, daß die dem Verstärker 18 zugeführte Spannung
den Antriebsmotor zum Rückwärtslauf veranlaßt, so daß der Antrieb immer in die Endlagen
zurückläuft, wenn er diese z. B. auf Grund seiner Massenträgheit etwas überlaufen
haben sollte.
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Eine noch einfachere Ausführungsform ergibt sich, wenn man die Statorwicklungen
der beiden Drehgeber über ein dreiphasiges elektromechanisches Differential miteinander
verbindet und den Rotor dieses Differentials erst bei Erreichen der Endlagen mit
dem Antrieb kuppelt. Durch geeignete Wahl des mechanischen Übersetzungsverhältnisses
läßt sich hierbei ebenfalls erreichen, daß die von dem Läufer des mit dem Stehantrieb
verbundenen Gebers abgegriffene Spannung den gewünschten Verlauf hat. Ein solches
Ausführungsbeispiel ist in F i g. 5 gezeigt, das weitgehendst mit dem nach F i g.
4 übereinstimmt. Entsprechende Teile sind deshalb mit gleichen Bezugszeichen.
verseheu.
Abweichend ist hier jedoch an Stelle des- Gebers 152 ein elektromechanisches Differential.
56. vorgesehen; das zwischen die. dreiphasigen Ständerwicklungen des Gebers 54 und
des Drehgebers 151 geschaltet ist. Durch entsprechende Wahl des Vorgelegen 51 läßt
sich auch hier erreichen, daß die von detn.Geber 151_abgegriffene, dem Verstärker
18 zugeführte: Spannung nach überschreiten der Endlagen den gewünschten Verlauf
.hat.