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Verfahren zur Stellungsregelung eines elektromotorisch angetriebenen
Stellglieds Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stellungsregelung eines-
elektromotorisch angetriebenen Stellglieds, dessen Istwertsignal durch Integration
der Spannung eines von dem Stellglied angetriebenen Tachogenerators erzeugt wird,
in Abhängigkeit von einem Steuersignal.
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Auf dem Gebiete der Stellantriebe, wie sie beispielsweise zur Betätigung
von Stellgliedern in Steuer- oder weise zur Betätigung von Stellgliedern in Steuer-Steuerung
des Stellantriebs gewöhnlich in der Weise, daß dem Stellmotor ein Signal vorgegebener
Größe zugeführt wird, dessen Dauer proportional der Entfernung bzw. Drehung, um
welche das Stellglied verstellt werden soll, ist. Hierbei ergeben sich ernsthafte
Schwierigkeiten, falls für das Stellglied verhältnismäßig kleine Verstellbewegungen
gewünscht Werden. Während für verhältnismäßig große Stellwege ohne nennenswerten
Fehler davon ausgegangen werden kann, daß der Stellantriebsmotor praktisch während
der gesamten Dauer des Steuersignals mit konstanter Winkelgeschwindigkeit läuft,
derart, daß der Stellweg proportional der Dauer des Steuersignals wird, ist diese
Annahme für verhältnismäßig kleine Bewegungen nicht mehr zulässig, da hierbei die
für die Beschleunigung des Stellantriebsmotors zu Beginn des Stellvorgangs und für
die Abbremsung des Motors am Ende des Stellvorgangs erforderlichen Zeiten vergleichbar
mit der Gesamtdaue'r des Steuersignals werden.
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Allgemein liegt daher der Erfindung das Problem der Erzielung einer
genauen Regelung des Stellvorgangs auch für verhältnismäßig sehr kleine Stellwege
in Abhängigkeit von einem leicht und bequem zu verändernden Steuersignal zugrunde.
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Ein bekanntes Verfahren zur Lösung dieses Problems besteht in der
Anwendung von Digitalsystemen, wobei der jeweilige Istwert der Stellung in digitaler
Form ermittelt und mit einem weiteren, den SpUwert der Stellung wiedergebenden Digitalsignal
verglichen wird und der Stellantrieb nach Maßgabe des Ergebnisses dieses Vergleichs
gesteuert wird. Dieses Verfahren erfordert zu seiner Ausführung jedoch einen erheblichen
Aufwand an logischen Schaltungen und zumeist auch die Umwandlung von Digitalsignalen
in Analogsignale, und umgekehrt.
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Aus der französischen Patentschrift 1014 116 ist ein
nicht digitales Verfahren zur Stellungsregelung eines elektromotorisch angetriebenen
Stellglieds bekannt, bei dem der Stellungssollwert durch die Größe einer einstellbaren
Gleichspannung vorgegeben ist. Bei der zugehörigen bekannten Anordnung ist der Stellantrieb
mechanisch mit einem Gleichstrom-Tachogenerator gekuppelt, dessen jeweilige momentane
Gleichspannung proportional der Verstellgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Stellantriebsmotors
ist; durch Integration dieser Tachogleichspannung erhält man eine dem jeweiligen
Istwert des Stellglieds entsprechende Gleich-spannung, und der Stellantrieb
wird durch elektrische Bremsung angehalten, sobald diese den Stellungs-Istwert abbildende
Gleichspannung die Größe der an einem Spannungsteiler eingestellten Sollwertgleichspannung
erreicht. Bei jeder Sollwertänderung ist demnach eine Verstellung des Spannungsteilerabgriffs
od. dgl. erforderlich.
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Die Erfindung geht von diesem Stande der Technik aus. Durch die Erfindung
soll eine Stellungsregelung geschaffen werden, welche in Abhängigkeit von einem
im Vergleich zur Verstellung eines Spannungsteilerabgriffs auf einfachere und feinfühligere
Weise veränderbaren Steuersignal auch kleine Verstellbewegungen mit hoher Genauigkeit
auszuführen gestattet.
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Zu diesem Zweck ist bei dem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß
der Erfindung vorgesehen, daß das durch seine Polarität und Dauer bestimmte Steuersignal
für sich ebenfalls integriert wird und ein dem Integral des Steuersignals entsprechendes
Sollwertsignal
mit dem Istwertsignal algebraisch verglichen wird und daß dem Stellantrieb ein Stellsignal
zugeführt wird, dessen Polarität und Größe von der Polarität und Größe eines beiin
algebraischen Vergleich gebildeten Vergleichssignals abhängt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der der bekannten
Stellantriebsregelung anhaftende Nachteil, bei jeder Sollwertänderung im allgemeinen
einen Spannungsteilerabgriff verstellen zu müssen, in einfacher Weise und ohne übermäßigen
Mehraufwand dadurch überwunden werden kann, daß man den Stellungs-Sollwert mit Hilfe
eines durch seine Polarität und Dauer bestimmten Steuersignals vorgibt, dieses Steuersignal
ebenfalls integriert und dieses integrierte Signal als Sollwertsignal mit dem durch
Integration der Tachospannung erhaltenen Istwertsignal vergleicht und den kontinuierlich
arbeitenden Stellantriebsmotor in Abhängigkeit von diesem Vergleich steuert. Die
Stellungsregelung gemäß der Erfindung hat neben der uneingeschränkten Anwendbarkeit
für beliebige kontinuierlich arbeitende Stellantriebe den weiteren bedeutsamen Vorteil,
daß sie ein Selbstanpassungsverhalten auch- beim überschießen über die Sollwertstellung
besitzt. Falls beispielsweise die tatsächlichen Eigenschaften des Stellantriebs
sich stark von den theoretisch vorausgesetzten Eigenschaften unterscheiden, so kann
es zwar vorübergehend zum Überschießen über die Sollwertstellung kommen, wobei jedoch
diese Abweichung durch das der Erfindung zugrunde liegende Regelverfahren automatisch
durch eine wirksam werdende Steuerung des Stellantriebs in der für eine Korrektur
erforderlichen entgegengesetzten Richtung im erforderlichen Ausmaß korrigiert wird.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung, welche ein Blockschaltbild eines
Stellantriebs mit dem zugehörigen Steuersystem zeigt.
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Die Zeichnung zeigt ein elektromotorisch angetriebenes Stellglied
10 mit einer in beiden Drehrichtungen drehbaren Abtriebswelle 17,
welche durch den mit dem Buchstaben M angedeuteten Elektromotor angetrieben wird.
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Dieser Elektromotor wird durch eine Anordnung gesteuert, die einen
Steuerverstärker 11, eine Vergleichsvorrichtung 12, einen Integrator
13, einen Spannungsbegrenzer 14 sowie eine Istwertmeßeinrichtung aufweist,
deren Meßergebnis nach Vergleich mit dem Sollwert die Arbeitsweise des Steuerverstärkers
11 beeinflußt und die einen Tachogenerator 16 sowie einen zweiten
Integrator 15
aufweist, der das Istwertsignal V2 als Ausgangsgleichspannung
an die Vergleichsvorrichtung 12 gibt.
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Der Motor M des Stellglieds 10 und damit die Abtriebswelle
17 wird in Abhängigkeit von Steuersignalen ± VO vorgegebener Polarität
und Dauer gesteuert, welche an den Anschlußklemmen des Spannungsbegrenzers 14 zugeführt
werden. Zwischen den Klemmen 14A und 14B werden Steuersignale + VO
wählbarer Dauer und mit der einen Polarität zugeführt, während Steuersignale
- VO wählbarer Dauer, jedoch entgegengesetzter Polarität, zwischen den Klemmen
14B und 14C des Spannungsbegrenzers 14 zugeführt werden, welcher gewährleistet,
daß seine sämtlichen Ausgangssignale die gleiche Spannungshöhe aufweisen. Die Ausgangssignale
des Spannungsbegrenzers 14 werden als Gleichspannung dem Integrator 13 zugeführt,
welcher ein Sollwertsignal Vl als Ausgangsgleichspannung liefert, deren Wert proportional
der Breite der Steuersignale ± VO ist. Das Sollwertsignal Vl wird
der Vergleichsvorrichtung 12 zugeführt.
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Die Ausgangsgröße der Vergleichsvorrichtung 12 ist als Vergleichssignal
V3 bezeichnet. Das Vergleichssignal V3 kann von der einen oder der anderen Polarität
sein; je nach seiner Polarität steuert es den Steuerverstärker
11 so, daß dieser seinerseits den Elektromotor M zur Drehung in der einen
Richtung oder in der anderen Richtung veranlaßt.
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In dieser Weise spricht der Motor des Stellglieds auf die Eingangsgröße
des Spannungsbegrenzers 14 über den Integrator 13, die Vergleichsvorrichtung
12
und den Steuerverstärker 11 so an, daß er die Abtriebswelle
je nach der Breite und der Polarität eines oder mehrerer Steuersignale
± VO in eine gewünschte Stellung in einer vorgegebenen Richtung verdreht.
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Falls der Elektromotor ein solches Ansprechverhalten besäße, daß er
seine volle Neundrehzahl sogleich nach Erregung erreicht und entsprechend auch sogleich
nach Entregung zum Stillstand kommt, so würde der Motor bei Betätigung die Abtriebswelle
jeweils um einen genauen Betrag in eine gewünschte Stellung verdrehen. Tatsächlich
wird jedoch der Motor weder sogleich zum Stillstand kommen, noch sich momentan
auf seine volle Neundrehzahl beschleunigen; außerdem kann der Motor von einem
Typ mit nicht konstanter Drehzahl sein. Wenn der Elektromotor beispielsweise
ein Induktionsmotor ist, wird seine Drehzahl je nach der Belastung schwanken,
so daß die Abtriebswelle 17 ohne Soll- und Istwertvergleich bei einem gegebenen
Steuersignal nicht um den gewünschten Betrag verdreht würde.
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Um sicherzustellen, daß der Elektromotor die Abtriebswelle tatsächlich
in die gewünschte Stellung verdreht, ist die Istwertmessung vorgesehen. Diese wird
mit Hilfe des Tachogenerators 16 ausgeführt, der mechanisch mit dem Stellglied
10 gekuppelt ist und eine Gleichspannung erzeugt, deren Betrag proportional
der Motordrehzahl ist und deren Polarität sich mit der Drehrichtung des Motors ändert.
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Die Gleichspannung des Tachogenerators 16 wird dem Integrator
15 zugeführt, an dessen Ausgang als Ergebnis der kontinuierlichen Integration
der Tachogeneratorspannung ein Istwertsignal V 2 auftritt, dessen Betrag somit proportional
der erfolgten Verdrehung der Abtriebswelle ist. Das Istwertsignal V2 wird als Gleichspannung
der Vergleichsvorrichtung 12 zugeführt, wo sie von der Ausgangsgleichspannung des
Integrators 13 subtrahiert wird; durch geeignete relative Bemessung der Ausgangssignale
VI und V2 der beiden Integratoren 13 und 15 läßt sich die Polarität
des Vergleichssignals V3 der Vergleichsvorrichtung 12 umkehren, so daß, falls die
Abtriebswelle 17 über die durch ein bestimmtes Steuersignal ± VO geforderte
Sollstellung hinausschießt, dies eine Vorzeichenumkehr des Vergleichssignals V3
zur Folge hat, was seinerseits den Steuerverstärker 11 zu einer Umkehr der
Drehrichtung des Mektromotors M veranlaßt, so daß die Abtriebswelle 17 in
die Sollstellung zurückgedreht wird. Mit anderen Worten, wird das Stellglied
10 sich so verhalten, daß das Vergleichssignal Y 3 auf einen sehr
kleinen Wert entsprechend einer sehr kleinen Regelabweichung gebracht wird.