DE1463048A1 - Anordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors - Google Patents

Description

Akten-Z.: P 1k 63 O*t8.9 25. 6. t>9 '

Continental Oil Company Reg.-Nr.

Dr. F/M

Anordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors mit einem Bezugssignalgenerator zum Erzeugen einer für die Solldrehzahl des Motors repräsentativen ersten Spannung, einer Rückkopplungsschaltung zum Ableiten einer für die Istdrehzahl des Motors repräsentativen zweiten Spannung, einem Phasenkomparator zum Gewinnen einer für die Zeitdifferenz zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl repräsentativen dritten Spannung durch einen Phasenvergleich zwischen dem Bezugssignal und dem Rückkopplungssignal, deren Frequenz der Solldrehzahl bzw. der Istdrehzahl proportional ist, und einem Differenzverstärker für die Erzeugung «ines Steuersignals für den Motorantrieb aus der Summe der *~sten, zweiten und dritten Spannung.

Eine Anordnung dieser Art ist in Ausgab· A. der BTZ vom k. 6. 1962 auf den Seiten 381 - 387 beschrieben. Der Hauptnachteil dieser bekannten Anordnung liegt darin, daß sich die ie Ausgangesignal des Differenzverstärker« auftretend« Willigkeit die Genauigkeit der Drehzahlregelung negativ beeinflußt.

Ausgehend von diesem bekannten Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde» eine Anordnung sum Regeln der Drehzahl von Gleichstrommotoren zu schaffen, die sich durch eine gesteigerte Genauigkeit und gleichseitig durch eine größere Anspreehgeschwindigkeit auszeichnet und sich dadurch insbesondere für den Betrieb von Registriereinrichtungen für seisBologische Zwecke eignet, bei denen sehr kleine Drehzahlen einerseits sehr rasch umgestellt und andererseits mit höchster Genauigkeit eingehalten werden müssen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung der eingangs erwähnten Art erfindungegemäfi dadurch gelöst, daß der Bezugssignalgenerator zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Ausgangssignale abgibt, von denen das eine der Gewinnung der ersten Spannung dient, während das zweite dem Phasenkomparator zugeführt wird. _₁_

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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in der Zeichnung ein mögliches Ausführungsbeispiel für eine erfindun^sgemäße Anordnung veranschaulicht, das im folgenden beschrieben wird. Dabei zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für die Anordnung als Ganzes;

Fig. 2 eine Alternativausführung für eine Frequenzverdopplungsschaltung, die in der Anordnung von Fig. 1 benutzt werden kann;

Eig. 3 einen Phasendetektor, wie er zur Verwendung in einer Anordnung nach Fig. 1 bevorzugt ist;

Fig. k eine graphische Darstellung von Zeit und Amplitude der in dem Frequenznormalteil der Anordnung von Fig. 1 auftretenden Rechteckwellen.

Fig. 5 ist ein Schaltbild für die Summierschaltungen und den Differentialverstärker der Anordnung nach Fig.' 1;

Fig. 6 ein Schaltbild für den Leistungsverstärker der in Fig. 1 dargestellten Anordnung; und

Fig. 7 ein Schaltbild für die Schutzeinrichtung und die Rückhol-Schaltung der Anordnung von Fig. 1.

Ia Fig. 1 ist ein Blockschaltbild für die Anordnung als Ganzes dargestellt. Ein Gleichstrom-Schaltmotor 20 treibt eine Magnetband-Trommel 22, die ihrerseits eine Chiffriervorrichtung 24 antreibt. Die Chiffriervorrichtung Zh erzeugt ein Signal, das eine für die Motordrehzahl repräsentative Frequenz hat, und diese Spannung wird einer Frequenz-Betriebs-Schaltung 26 zugeführt. Die Schaltung 26 hat einen Mehrfachumschalter 28 und dient dazu, ein Signal abzuleiten von der Motor-Bückkopplunge-Frequenzj die immer annähernd dieselbe Frequenz sein wird, unabhängig davon, wie der Mehrfachumschalter 28 eingestellt ist, ausser während ganz kurzer Zeitspannen, die auf eine Umschaltung folgen.

Das Motor-Rückkopplungs-Signal wird dann in. Parallelschaltung einem Frequenz-Spannung-Umwandler 30 und einem Phasendetektor 32 übermittelt. Der Umwandler 30 dient zur Ableitung einer zu dem Motor-Bückkopplungs-Signal proportionalen Gleichspannung, die als Rückkopplungsspannung für die Motorgeschwindigkeit dient. Der Phasendetektor 32 eapfängt das Motor-Bückkopplungs-Signal und vergleicht es in Phase mit einem Bezugs-Signal, das von einem Frequenznormal-Abschnitt 34 erzeugt wird. Dieser Phasenvergleich führt zu einer zweiten Steuergleichspannung, welche die Motor-

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Phasen-Rückkopplungs-Spannung ist.

Ein Bezugs-Frequtnz-Signal von dem Frequenz-Normal-Abschnitt 34 wird auch einem zweiten Frequenz-Spannung-Umwandlcr zugeführt, der noch eine weitere Steuergleichspannung ableitet, die der Bezugsfrequenz proportional ist. Diese dritte Steuergleichspannung wird die Bezugsspannung der Kotorgeschwindigkeit genannt und ist repräsentativ für die gewünschte Kotordrehzahl, wenn sie im Verhältnis zu den anderen Rückkopplungs-Steuerspannung betrachtet wird.

Jede der Steuergleichspannungen, die Geschwindigkeits-Bezugsspannung, die Phasen-Eückkopplungs-Spannung und die Geschwindigkeits-Rückkopplungs-Üpannung werden in einem Differenzverstärker 38 summiert, und dessen Ausgangsleitung regelt die Erregung eines Leistungsverstärkers 40 und dann den Hotor 20 und hält ihn dadurch auf der richtigen Geschwindigkeit.

Der Ilotor 20 ist ein Gleichstrom-Kotor mit niedriger Drehzahl, hohem Drehmoment und von flacher Ausführung und ist durch eine Welle 42 an die Magnetband-Trommel 22 angeschlossen.

Die Antriebswelle 44 ist direkt mit der iiotor-Antriebswelle 42 verbunden und treibt direkt die Chiffriervorrichtung 24 an. Die Chiffriervorrichtung 24 ist eine photoelektrische Lichtzerhacker-Vorrichtung von üblicher Ausführung. Wenn der Motor 20 in Betrieb ist, liefert die Chiffriermaschine 24, auf einer Leitung 46, eine gewisse Anzahl von Rückkopplungs-Imfulsen, die mit der tatsächlichen Geschwindigkeit der Bandtrommel 22 gleichgesetzt werden.

Die Anordnung von Fig. 1 hat vier Bandgeschwindigkeiten (berechnet für eine Trommel 22 mit einem Durchmesser von 7j5 Zoll) deren Chiffriervorrichtungs-Frequenzen in Übereinstimmung mit den gewünschten Bandgeschwindigkeiten geregelt werden, wie dies weiter unten erläutert wird. Diese Eückkopplungs-Impulse der Motorgeschwindigkeit werden über die Leitung 46 zu einer Impulsformerstufe 48 geleitet. Die Stufe 48 ist ein übersteuerter Verstärker und dient zur Verstärkung der Impulse der Chiffriervorrichtung 24 um die steile Wellenfront weiter so zu betonen und zu erhalten, daß eine momentane Amplitudenänderung wirksam ersichtlich ist. Die geformten Impulse werden dann jeweils über Leitungen 50, 52 und 54 zu geeigneten Frequenz-Umsetzungs-Einrichtungen (in dem strichpunktierten Bereich 26) geführt, die eine Frequenz-Teilung oder -Verviel-

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fachung bewirken, je nach, dem, wie der Drehzahlschalter 28 eingestellt ist. Die Frequenz-Umsetzer sind so angeordnet, daß ohne Rücksicht darauf, wie der Schalter 28 eingestellt ist, sein Abnahme-Signal eine Motor-Rückkopplungs-Frequenz ist der Nähe der'Bezugsfrequenzen, je nach der Genauigkeit der momentanen Motordrehzahl.

Die geformten Impulse auf der Leitung 34 werden durch zwei Freouenzteile.r 56 und 58 geführt, wobei jeder Teiler eine Teilung von 2 i 1 bewirkt und dann·über eine Leitung 6O zu dem Nr. 4 Schaltstück 62 des Drehzahl-Wählschalter 28. Die Impulse werden auch einmal in der Teilerstufe 56 geteilt und dann über eine Leitung 64 zum Nr. 3 Schaltstück 66 von Schalter 28 geleitet. Eine Leitung 52 führt die geformten Impulse geradewegs durch zu Nr. 2 Schaltstück 68, während eine Leitung 50 zu einem Frequenzverdoppler 70 führt und dann über eine Leitung 72 zu Nr. 1 Schaltstück 74 des Schalters 28. Die Frequenzteiler-Stufen können die Form von Flip-Flop-Schaltungen oder bistabilen Kultivibratoren haben, die zur Bewirkung einer 2 zu 1 Frequenzteilung geschaltet sindw Der Frequenzverdoppler 70 kann ein Vollweg-Gleichrichter sein, der für·diese Zwecke zur Beschaffung einer wirksamen Frequenz-Verdopplung genügt. In dieser Stufe kann fast jeder Art von Frequenzverdoppler benutzt Werden, z. B. ein Differentiator und ein Iinpuls-Additivkreis. Ein anderer Verdoppler-Typ, der in dem vorliegenden Gerät mit nehr guten Ergebnissen benutzt wurde, ist in Fig. 2 dargestellt. ■

In Fig. 2 ist ein Frequenzdoppier 70a dargestellt, der einen selbständig kippenden Multivibrator benutzt, 76, der frequenzgeregelt ist dadurch, daß er eine Hälfte seiner Ausgangsfrequenz rückkoppelt und sie in Phasengleichheit hält mit der Eingangsfrequenz der Chiffriervorrichtung 24 von der Impulsformerstufe 48. Ein Phäsendetektor 78 von üblicher Bauart erhält eine Eingangsleistung über die Leitung 50, die das wellenförmige Signal bei der Frequenz der Chiffriervorrichtung 24 ist. Der selbständig kippende Multivibrator 76 leitet eine Ausgangsleistung auf einer Leitung 80 zu einem 2 : 1 Frequenzteiler 82 zurück, einem Flip-Flop-Generator oder bistabilen Multivibrator-Schaltung. Das sich ergebende 2 : 1 geteilte Signal wird über eine Leitung 84 zu dem Phasendetektor 78 geführt. Wenn das Eingangssignal auf der Leitung 50 und das geteilte Rückkopplungs-Signal auf der Leitung 84 frequenzgleich sind, ist der Phasendetektor 78 im Gleichgewichtszustand, und eine Frequenz gleich der doppelten Chiffriervorrichtungs-Frequenz kann an einem Ausgang 72 des

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— 5 — ■ Multivibrators 76 abgenommen werden. Wenn die Multivibrator-Frequenz nach oben oder unten schwankt, wird sie zu einem Abgleichfehler des Phasendetektors 78 führen, so daß ein Korrektureffekt auf Leitung 86 erscheint, um dadurch den Multivibrator 76 wieder auf die Frequenz zu bringen, die einen Ausgleich in dem Phasendetektor 78 ermöglicht.

Der Kontaktarm 28a Fig. 1 des Drehzahl-Schalters 28 nimmt ein Signal ab, das entweder die Frequenz der Chiffriervorrichtung 2h (auf Leitung k6) o'der ein Vielfaches oder einen Teil davon hat, je nach der Einstellung des Schalters 28. Dies ist das Rückkopplungssignal des Motors, daß auf dem Leiter 90 erscheint, und die Frequenz dieses Signals wird immer auf ungefähr derselben Höhe gehalten, ohne Rücksicht auf die Drehzahl-Einstellung an Schalter 28, durch den Frequenzgang der restlichen .Anordnung, außer während der kurzen Ansprechpausen unmittelbar nach dem Schalten von Motordrehzahlen, wenn der Motor von einer eingestellten Geschwindigkeit auf eine andere übergeht.

Das Rückkopplungs-Signal des Motors wird über die Leitung 90 zu zwei Stufen geführt; aus dem Signal -wird in der Frequenz-Spannungsumformerstufe 30 eine Steuergleichspannung abgeleitet, welche die Geschwindigkeits-Rückkopplungs-Spannung auf 'Leitung 92 ist, und gleichzeitig wird das Motor-Rückkopplungs-Signal an den Phasendetektor 32 gegeben, wo es mit einem Bezugs-Frequenzsignal von dem Frequenznormal-Abschnitt Jh verglichen wird zur Ableitung einer Steuergleichspannung, welche die Phasen-Bückkopplunge-Spannung auf Leitung 9^ ist.

Die Geschwindigkeits-ßückkopplungs-Steuerspannung (Leitung 92) wird abgeleitit durch Anlegen des Motors-Rückkopplungs-Signals (Leitung 90) an den Eingang 95 und triggert einen monostabilen Multivibrator 96.

Alle Geschwindigkeitsänderungen der Trommel 22 ändern die Trigger-Geschwindigkeit für den monostabilen Multivibrator 96 und da die Ausgangsimpulslängen dieselben sind, muß jede Änderung als eine Zunahme oder Abnahme des Impulsabstandes erscheinen. Impulse mit konstantem Abstand bei konstanter Trommelgeschwindigkeit, haben einen Gleichstrom-Mittelwert, deshalb führt jede Änderung des Impulsabstandes zu einer entsprechenden Änderung im Gleichstromwert. Um diese Gleichstrom-Spannung zu erhalten, wird das JLusgangssignal des Multivibrators 96 durch einen Tiefpaß 98 geschickt. Dieser Tiefpaß besitzt ein LC-Koppelglied in Pi-Anordnung, eine sehr niedrige Grenzfrequenz und eine genügend große Zeitkonstante, so daß die Impuls-Änderungen auf

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der Leitung 92 als eine Gleichstrom-Spannung erscheinen, deren Amplitude der momentanen Motordrehzahl proportional ist.

Die Ptiasen-Rückkopplungs-Steuerspannung (Leitung^}· wird abgeleitet durch Übertragen des i\o tor-Rückkopplungs-Signals von Leitung 90 auf den Phasendetektor 32, wo sie in Phase mit'einer Bezugsfrequenz verglichen wird, wie sie in dem Frequenznormal-Abschnitt erzeugt wird. Das Motor-Rückkopplungs-Signal wird an den Eingang 99 d.er Impulsformerstufe 100 angelegt, wo der relativ rechteckige Impuls abgerundet wird, um einer Sinuswelle nahezukommen, wie sie für die Kennlinie des Phasendetektors 102 erforderlich ist. Die Impulsformerstufe 100 kann eine geeignete LC-Kombination mit dem richtigen niedrigen Frequenzgang sein. Die geformten Ausgangssignale werden dann an den Eingang IQk des Phasendetektors 102 angelegt. Eine weitere Impulsformerstufe 106, vorzugsweise ein LC-Tiefpaß von Pi-Typ, empfängt ein Bezugsfrequenz-Signal auf Leitung 107 am Eingang 108 und liefert ein geformtes Signal mit der Bezugsfrequenz an den Eingang 110 des Phasende.tektors 102.

In Fig. 3 ist ein Phasendetektor von Diskriminatortyp dargestellt, der zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung verwendet wird, die bezeichnend ist für die Phasendifferenz zwischen zwei Eingangs-Wechselstrom-Signalen. Die Wechselspannungs-Rückkopplung des Motors zu der Impulsformerstufe 100 wird verbunden mit einer Wicklung 112, die induktiv an den Kern eines Transformators 114 angekoppelt ist. Die Ausgangsspannung der Impulsformerstufe 106, welche die Bezugs-Wechselspannung ist, wird durch einen zweiten Transformator 1i6 übertragen, der zwischen den Punkten 118 und 120 angeschlossen ist. Deshalb wird die Sekundärwicklung 127 des Transformators 116 zum gemeinsamen Schenkel von zwei ähnlichen Doppelschleifen, von denen aie erste eine Sekundärwicklung 122, eine Diode 124, einen Widerstand 126 und die Bezugs-Sekundärwicklung 127 und die zweite eine Sekundärwicklung 128, eine Diode 130, einen Widerstand 132 und die Bezugs-Sekundärwicklung 127 enthält. Die Kondensatoren 13^ und 136 sind Sxebkondensatoren und sollen die Gleichspannung (die Phasen-Rückkopplungs-Spannung), die an den Endklemmen 138 und 1^0 abgenommen wird, glätten.

Im Betriebe induziert das an den Transformatoi" 114 angelegte Motor-Rückkopplungssignal Ströme gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung in den beiden Doppelschleifen, da die Widerstände 126 und 132 von

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gleicher Größe sind. Die zweite Eingangs-Wechselspannung zum Transformator 116 überlagert in beiden Schleifen eine weitere Spannung. Wenn die beiden Eingangsspannungen in richtiger Phasenbe"· iehung sind, ist die an die Sekundärwicklung 127 angelegte Spannung um 90 gegen beide Schleifen-Spannungen verschoben und die an den Belastungs-Widerständen 126 und 132 auftretenden Gleichspannungen werden gleich groß; deshalb wird die Gesamtspannung über den beiden Widerständen und damit die Spannung an den Endklemmen 138 und 14O zu Null« Jede Änderung in der Phasenbeziehung zwischen den "beiden Eingangssignalen (Motor-Plick- ■ kopplungs-Signal und Bezugs^Signal) bewirkt eine Änderung im Verhältnis der Spannungen über den Dioden 124 und 130, sodaß das an den Belastungswiderständen 126 und 132 abgenommene Ausgangssignal ein proportionales Verhalten zeigt. Dieses Ausgangssignal bildet die Phasen-Rückkopplungs-Steuerspannung und zeigt durch seine Amplitude und seine Polarität, Größe und Richtung der Spannungsdifferenz an. j

Gemäß Fig. 1 wird die Geschwindigkeits-Bezugs^Steuerspannung, der dritte zu benutzende Steuerwert, abgeleitet durch Umwandlung eines, phasenverschobenen Bezugssignals von dem Frequenznormal-Abschnitt 34 in einen analogen Wert, der für die gewünschte i-lotorgeschwindigkeit typisch ist. Ein Bezugs-Ausgangssignal auf der Leitung 142, das um neunzig Grad in Phase verschoben ist gegenüber dem ersten Bezugssignal auf der Leitung 107, wird dem Triggereingang eines monostabilen . Multivibrators 144 zugeführt. Ein Tiefpaß i46 (ein LC-Netzwerk von Pi-Typ, ähnlich dem Tiefpaß 98, empfängt das Ausgangssignal des KuI-tivibrators144 und bringt die Impuls-Ausgangsleistung auf einen Mittelwert, damit sie ein Gleichstrom-Bezugspotential auf einer Leitung 148 ergibt. Dieses Gleichstrom-Bezugspotential ist eine analoge Darstellung der Bezugsfrequenz, die für die gewünschte Motorgeschwindigkeit bezeichnend ist.

Der Frequenznormal-Abschnitt 54 liefert die Bezugsfrequenz für den Betrieb der Anordnung. Das Frequenznormal besteht aus einem Bezugs-Oszillator 150. Dieser Oszillator kann als freischwingender Oszillator ausgebildet sein. Er ist abgestimmt auf die Abgabe einer konstanten Rechteckwellen-Leistung mit der gewünschten Bezugsfrequenz, die unter Berücksichtigung der gewünschten Band-Trommel-Geschwindigkeit geeicht ist. Die Bezugs-Reehteckwelle auf einer an den Ausgang des

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Oszillators I50 angeschlossen Leitung 152, triggert einen bistabilen. -Multivibrator 15^> der einen 2 :1 Teiler mit zwei um 18O° gegeneinander phasenverschobenen Ausgangssignalen darstellt. Diese Ausgangssignale erscheinen auf den Leitungen 156 und 158» und die Buchstaben A und B bezeichnen die Wellenformen und Phasenbeziehungen entsprechend der Darstellung in Fig. k.

Jede dieser Rechteckwellen wird über die Leitungen I56 und I58 zu' den Eingängen eines Paares von 2:1 Teilern in Form der bistabilen MuI-tivibratoren 16O und 162 übertragen. Die Ausgänge von den Multivibratoren 16O und 162 geben die Impulse C und D (siehe Fig. ^f) auf die Leitungen 107 bzw. 1^2, die im Verhältnis zueinander um neunzig Grad phasenverschoben sind und dieselbe Ausgangsfrequenz wie das richtige oder richtig folgende Mo tor-Bückkopplungs-Signal haben. Durch diese

Teilung der Bezugsfrequenz in zwei, um 90 gegeneinander phasenverschobene Ausgangssignale, wird eine wirkungsvolle Beseitigung der Welligkeit in der Vergleichsschaltung erzielt. Selbstverständlich lassen sich auch andere Oszillatoren und/oder Phasenverschiebungs-Schaltungen benutzen, die zwei um 90 gegeneinander phasenverschobene Ausgangssignale der erforderlichen Frequenz abgeben.

Die drei analogen Steuergleichspannungen, die Geschwindigkeits-Bezugsspannung auf Leitung 1^8, die Phasen-Eückkopplungs-Spannung auf Leitung 9^ und die Geschwindigkeits-Rückkopplungs-Spannung auf Leitung 92, werden dann verglichen. Dieser Steuerspannungs-Vergleich wird in den Summations-Netzwerken 166 und 168 und in einem mehrstufigen Gleichstrom-Differential- Verstärker 170 vorgenommen. Eine dafür bevorzugte Schaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Leitungen 9^ und 1^8 führen die Phasen-Eückkopplungs- und Geschwindigkeits-Bezugs-Spannung dem Widerstands-Summation-Netzwerk I66 zu, vr die sich ergebende Gleichstrom-Spannung wird über die Leitung 172 an^die Basis 16? eines Transistors 17^· gelegt. Die Geschwlndigkeits-Bückkopplungs-Spannung und eine Wechselstrom-Verstärker-Gegenkopplungs-Spannung auf Leitung I76 werden jeweils zu dem zweiten Summations-Netzwerk I68 geführt, und dafür wiederum wird diese resultierende Spannung auf Leitung 178 an die Basis 169 eines Transistors 18O geführt. Die beiden Transistoren 17^ und 18O sind npn-Transistoren, vorzugsweise vom Typ 2N271^, und sind als ein symmetrisches Paar mit gemeinsamem Emitter-Widerstand 182 und gleichgroßen

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Kollektor-Widerständen 184 und 186 geschaltet. Die Transistoren 174 und 18O erhalten an ihrer Basis über die Widerstände 188 bzw. 190 eine Vorspannung von -18 Volt zugeführt. Da ihr gemeinsamer Emitter-Widerstand 182 groß ist, führt die Verstärkung der an den Basiszuleitungen 172 und 178 anliegenden Spannungen, zur Unterdrückung gleichphasiger Signale und nur zur Verstärkung der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen. Die Differenzgleichspannung erscheint an den Kollektoren der Transistoren 174 und 180, von denen sie über Leitungen 192 und 19²I- an die Basis der Transistoren I96 bzw. 198 geführt wird. Ein Widerstand 200 und ein Kondensator 202, die in Reihe zwischen den¹ Kollektoren der Transistoren 17^ und 180 liegen, dienen dazu, die Spannung zu stabilisieren, mittels Auskopplung etwa verstärkter Wechselspannungsanteile.

Die Transistoren I96 und 198 sind ebenfalls npn-Transistoren (2N 271**) und sind in einer ähnlichen Anordnung zu symmetrischen Paaren verbanden. Die Kollektorwiderstände 201 und 203 sind von gleicher Größe, und der gemeinsame Emitterwiderstand 204 führt dem Paar Vorspannung von der 18-Volt-Spannungsqüelle zu. Die Signale auf den Leitungen 192 und 1°Λ werden den Transistoren 196 und 198 an ihrer Basis zugeführt, und die verstärkte Gleichspannung erscheint an den Kollektoren 206 und 208 und ist an den Kollektorwiderständen 201 und 203 abgreifbar. Die Ausgangsgleichspannungen werden durch Leitungen 210 und 212 an die Basis von Transistoren 214 bzw. 216 geführt, die pnp-Transistoren und paarweise verbunden sind mit einem kleinen gemeinsamen Emitterwiderstand. An diesem Transistorpaar entsteht eine verstärkte Ausgangsgleichspannung an den Kollektorwiderständen 220 und 222. Die eine dieser Ausgangsspannungen auf Leitung 22k wird zu einem Leistungs-Verstärker k0 geführt und bildet die Gleichstrom-Motor-Steuerspannung. Die zweite Ausgangsspannung auf Leitung 226 wird durch einen Kondensator 228 gefiltert und ergibt eine Gegenkopplungs-Spannung. Diese Gegenkopplungs-Spannung wird durch einen der gewählten Rückkopplungs-Dämpfungs-Widerstände 230 bis 233t und durch den Drehzahl-Wahl-Schalter 28 über den Kontaktarm 28b geführt und weiter über die Leitung 176 zum Summations·^ Netzwerk 168. Der Zweck der Rückkopplungs-Wechselspannungskomponente besteht darin, die Welligkeit in den Differential-Verstärker-Stufen noch stärker zu unterdrücken. Die Dämpfungs-Widerstände 230 bis 233

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sind ausgewählte .-.-.trte, welche die Eückkopplungs-Spannung auf einem für die jeweilige Bandtrommel-Geschwindigkeit geeigneten Durchschnittsniveau halten.

Die Ausgangs-Steuerspannung auf der Leitung 224 in Fig. 1 wird über den "AN-AUS"-Schalter 236 (in AUS-Stellung· dargestellt) geführt und dann über die Leitung 238 zu dem Leistungsverstärker 40 und dem Rückstellkreis 41, der, in Übereinstimmung mit der angelegten Steuerspannung, den Motor-Antriebsstrom liefert. Der Leistungsverstärker 40 stellt eine Motor-Steuerung dar, die bei zu hoher Geschwindigkeit des Motors als dynamische Bremse wirkt.

Fig. 6 zeigt den,Leistungsverstärker 40 mit einem an die Leitung 238 angeschlossenen Steuereingang239j der über einen Widerstand 240 mit der Basis 241 eines pnp-Transistor 242 verbunden ist. An den Kollektor des Fransistors 242 wird eine Spannung von -15 Volt unmittelbar angelegt, und der Emitter wird über einen Widerstand 246 mit einer solchen Vorspannung gegenüber der Basis 241 versorgt, daß jede negative Steuerspannung an der Basis 241 den Transistor 242 leitend werden läßt. Bei leitendem Transistor 242 herrscht an der Basis 247 eines zweiter, pnp-Transistors 248 ein negatives Potential, und da der Kollektor 250 dieses Transistors direkt auf -15 Volt liegt und sein Emitter über den Widerstand 252 eine positive Vorspannung gegenüber der Basis 247 zugeführt erhält, leitet der Transistor 248 gemeinsam mit dem Transistor 242. Der durch den Widerstand 258 nach dem auf +15 Volt liegenden Punkt 260 fließende Strom prägt über die Leitung 254 und den Widerstand 256 der Basis 262 des npn-Transistors 264 eine negative Spannung auf, sodaß der Transistor 264 ebenso wie der ihm folgende npn-Fransistor 266 im nichtleitenden Zustand. Außerdem führt dieser Strom wegen des Leitens der Transistoren 242 und 248 über einen Widerstand 268 zu einem negativen Potential an der Basis der parallel zueinander liegenden Transistoren 270, 272, 274 und 276, und da diese Transistoren pnp-Transistoren sind und an ihren Kollektoren -15 Volt anliegen, leiten sie parallel und in Übereinstimmung mit der eingeprägten Steuerspannung und speisen so über die Abglexchpotentiometer 278 und 2δθ und die Leitung 282 den Gleichstrommotor mit der richtigen Strommenge.

Diese Arbeitsweise gilt für den normalen Antriebsvorgang, wenn eine Mull- oder negative Steuer-Spannung am Eingang 239 liegt. W-5nn der Mo-

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tor auf höhere Geschwindigkeit übergeht, geht die Steuerspannung an der Basis 241 ein wenig über Null hinaus (positiv), und die Transistoren 242 und 248 leiten nicht. Wenn kein Strom durch den Widerstand 258 fließt, erscheint über die Leitung 254 an der Basis der Transistoren 270, 272, 274 und 276 eine positive Spannung, wodurch der Stromdurchgang unterbrochen wird; eine positive Spannung gelangt weiter über den Widerstand-256 an die Basis 262 des Transistors 264 und macht ihn leitend, was auch den Transistor 266 leitend macht. Da die Transistoren 264 und 266 npn-Transistoren sind und entgegengesetzt zu den Transistoren 270, 272, 274 und 276 gespeist werden, ziehen sie in leitendem Zustand Strom vom Gleichstrom-Motor 20 ab, der die Leitung 282 in der entgegengesetzten Richtung zu der normalen Motorspeisung über die Transistoren 272 bis 278 durchfließt und eine Abbrennung des Gleichstrom-Motors 20 bewirkt. Nachdem der Motor 20 etwas verlangsamt worden ist und das Steuersignal am Eingang 239 negativ wird, tritt wieder dernormale Antriebs-Stromweg über die Transistoren 270 bis 276 in Funktion .

Als Vorsichtsmaßnahme gegen eine übermäßige Veränderung der Motordrehzahl ist eine Überdreh-Schutzeiririchtung und eine Rückhol-Schaltung 41 (Fig. 1) vorgesehen. Diese Schaltung enthält einen monostabilen Multivibrator, der Relaiskontakte 294 öffnet, wenn die Motorgeschwindigkeit s-Spannung in der Leitung 290 eine bestimmte voreingestellte obere Frequenzgrenze erreicht. Fig. 7 zeigt die komplette Schaltung. Die Motor-Rückkopplungs-Spannung auf der Leitung 290 wird durch ein differenzierendes Netzwerk mit Kondensator 300 und Widerstand 302 geführt, und darin werden die differenzierten Impulse durch eine negative Begrenzungsdiode 304 auf die Basis eines Transistors 306·geleitet. Die Transistoren 306 und 308 bilden einen monostabilen Multivibrator, bei dem der Transistor 308 normalerweise leitet und seine negative Kollektorspannung über einen Widerstand 3IO an die Basis 312 des Transistors 306 gelangt und diesen Transistor in nichtleitendem Zustand hält. Die Basis 312 des Transistors 306 wird außerdem über einen.Widerstand 314 negativ mit —18 Volt in Richtung auf ein Nichtleiten des Transistors 306 vorgespannt. Wenn ein positiver Impuls der Motor-Rückkopplungs-Spanmmg über die Diode 304 an die Basis 312 langt, wird der Transistor 3O6 leitend, und die am Kollektor 316 auftretende Spannungsverminderung

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führt zu einem Spannungsabfall an einem Eoppelkondensator 318» der eine negative Spannung an die Basis 320 legt, die den Transistor 308 in den nichtleitenden Zustand überführt. Die Spannung an der Basis 320 steigt mit einer voreingestellten Geschwindigkeit, die durch die Entladezedt des Kondensators 318 über einen Widerstand 322 bestimmt wird. Der Transistor 306 leitet, und Transistor 308 ist für die Dauer der voreingestellten Geschwindigkeit, die durch die Entladezeit des Kondensators 318 über einen Widerstand 322 bestimmt wird. Der Transistor 3O6 leitet, und Transistor 308 ist für die Dauer der voreingestellten Zeitkonstante abgeschaltet, bis die Spannung an der Basis 320 auf einen Wert steigt, der ausreicht, um den Transistor 308 leitend werden zu lassen. Mit dem Leitendwerden des Transistors 308 wird der Transistor 306 abgeschaltet, und der Multivibrator verbleibt in seinem stabilen Zustand, bis der nächste positive Eingangsimpuls an Basis 312 gelangt.. Ein Widerstand 32*f versorgt die Basis des Transistors 308 wit der nötigen Vorspannung und eine Diode 326 verhindert ein Überschwingen der an der Basis 320 vorhandenen SpannungsSchwankungen. Bei beiden Transistoren 306 und 308 sind die Emitter geerdet, und die Kollektoren stehen mit Widerständen 328 und 330 von gleicher Größe in Verbindung.

Die Ausgangsspannung des Multivibrators, eine Rechteckwelle von Motor-Bückkopplungs-Frequenz und mit einem Impulsabstand, der eine Funktion einer voreingestellten Zeitkonstante (EC 322 und 218), ist, wird am Kollektor des Transistors 308 über die Leitung 322 abgenommen und 'durch einen Integrator, der aus einem Widerstand 33^ und einem Speicherkondensator 336 besteht, als gemittelte.Eingangsspannung an die Basis 338 eines Transistors 3^0 legt. Die Transistoren 3^0 und 3^2 haben einen gemeinsamen Emitterwiderstand J>kk und gleichgroße Kollektorwxderstände 3^6 und 3^8 und bilden einen Schmitt-Trigger. Während des normalen Betriebs hält der Widerstand 350 an der Basis 338 eine Vorspannung aufrecht, bei der eine normale gemittelte Eingangsgleichspannung an der Basis 338 den Transistor 3^0 nicht leitend werden laßt. Dies führt zu einer hohen Kollektorspannung am Transistor 3^0, die über den Widerstand 352 an die Basis 35^ des Transistors 3^2 gelangt und gemeinsam mit der über einen Widerstand 35& zugeführten Vorspannung der Basis 35^· den Transistor 3^2 leitend macht. Dies ist der stabile Zustand, den die Schaltung im normalen Betrieb beibehält; wird jedoch die Drehzahl des

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Motors 20 unzulässig groß, so reicht das der Basis des Transistors zugeführte gemittelte Signal aus, den Transistor 3^0 leitend wrden zu lassen und damit den stabilen Betriebszustand zu ändern. Die durch den Widerstand 322 und den Kondensator 318 vorgegebene Zeitkonstante ist so festgelegt, daß eine Bandtrommel-Drehzahl vom zweifachen der normalen Motor-ßückkopplungs-Frequenz eine genügend große mittlere Gleichspannung für die Basis 338 erzeugt, um den Transistor 3^0 leitend wer- -den zu lassen.

Wenn sich der Betriebszustand ändert, d. h. der normalerweise leitende Transistor 3^2 nichtleitend wird, verursacht ein Anstieg der Kollektorspannung auf der Leitung 358 einen Potentialanst.i ag an der Basis 36O eines weiteren Transistors 362. Der Transistor362, der als Emitterfolger geschaltet ist, wird durch eine seiner Basis 36Q über einen Widerstand 36^ zugeführte Vorspannung von -1-8 Volt im nichtleitenden Zustand gehalten; jedoch macht der von dem Schmitt-Trigger verursachte Potentialanstieg den Transistor 362 leitend und führt zu Stromfluss vom Kollektor 366 über eine Leitung 368 und die Erregerspule 370 eines Beiais 373 zu einer auf +12 Volt liegenden Klemme. Die Diode 371 verhindert eine vorübergehende Störung bei der Erregung des Relais 373· Der Stromfluß durch Erregerspule 37O läßt das Eelais 373 die Kontakte 29*f zwischen den Leitungen 282 und 292 unterbrechen; damit wird der Motorantrieb über die Leitung 292 unterbrochen. Eine Anzeigelampe 372 ist mit der Erregerspule 370 parallel geschaltet und zeigt den Drehzahlfehler an. Ein zweiter Satz von Eelaiskontakten 37^ wird bei Erregung des Relais 373 geschlossen und legt das Potential +12 Volt der Leitung 376 über die Leitung 378, den Rückstell-Schalter 38O, die Leitung 382 und einen Begrenzungswiderstand 38^ an die Basis 36O des Transistors 362. Diese positive Spannung hält den Transistor 362 leitend und damit bleibt der Motor aberregt, bis eine Rückstellung durch Öffnen des Schalters 38O bewirkt wird. Nach der Rückstellung geht der ganze Stromkreis *f1 wieder in seinen normalen Betriebszustand zurück und verharrt darin, bis eine extreme Überdrehzahl auftritt.

Für die Schilderung der Arbeitsweise der.erfindungsgemäßen Anordnung seien ein Aufbau entsprechend Fig. 1 mit einem Drehzahlwählschalter 28 mit vier Schaltstellungen und eine Bezugsfrequenz von 312 Hz vorausgesetzt. Bei einem Durchmesser von 19jO5 cm für die Bandtrommel 22 erge-

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ben sich dann für die vier möglichen Bandgeschwindigkeiten von 9,12 cm/s, 4,56 cm/s, 2,28 cm/s und 1,14 cm/s folgende Frequenzen für die Augangssignale der Chiffriervorrichtung Zk auf der Leitung 46 :f « 1248 Hz; f = 624 Hz; f = 312 Hz und f^ = 156 Hz. Diesen Frequenzen bzw. Bandgeschwindigkeiten entsprechen der Eeihe die Stellung 4, 3, 2 und 1 des Drehzahlwählschalters 28 in Fig. 1.

Die Frequenz der Ausgangsspannung oder genauer der beiden um 90 gegeneinander phasenverschobenen Ausgangsspannungen des Frequenznormal-Abschnitts entsprechen dann einer korrekten Motor Rückkopplungs-Frequenz von 312 Hz. Der Bezugs-Oszillator I50 wird mit 1248 Hz betrieben, der Multivibrator 154 liefert zwei Ausgangsspannungen von entgegengesetzter Phase mit 624 Hz (A und B), und diese Ausgangsspartnungen werden jeweils weiter geteilt in die zwei Bezugs-Frequenz-Ausgangsspannungen C und D

von 312 Hz, die um 90 gegeinander verschoben sind. Daher wird ohne Rücksicht auf die Einstellung des Drehzahl-Schalters 28 auf die Frequenz des Ausgangssignals der Chiffriervorrichtung 24 auf der Leitung 46 so eingewirkt (Teilung, Verdopplung, usw.), daß die mit der Leitung 90 abgenommene Motor-Rückkopplungs-Frequenz 312 Hz beträgt, wenn der Motor bei einer eingestellten Geschwindigkeit korrekt mitläuft. Nur bei Beginn der Umschaltung von einer Motordrehzahl zur anderen über den Drehzahlwählschalter 28 wird die Motor-ßückkopplungs-Frequenz sich in grösserem Ausmaß ändern. Dies führt zu einem sehr groben Frequenzfehler und damit zu einer großen Korrektur-Steuerspannung, die den Motor schnell auf die neugewählte» Drehzahl bringt. Wenn die neue Drehzahl erreicht ist, arbeitet die Anordnung wieder mit der Bezugsfrequenz von 312 Hz mit nur geringen Änderungen, die durch kleine Schwankungen in der Trommelgeschwindigkeit verursacht werden können.

Die Motor-Rückkopplungs-ßpannung auf der Leitung 90 ergibt eine Funktion, von der zwei Steuergleichspannungen abgeleitet werden, nämlich Geschwindigkeits- und Phasen-Rückkopplungssigiiale. Das Geechwindigkeits-Rückkopplungssignal wird hervorgerufen durch Erzeugung einer Rechteckwelle mit dem Multivibrator 96, die eine Frequenz von der Motor-Rückkopplungs-Frequenz hat und die zusätzliche Frequenzänderungs-Information als Funktion des Impulsabstandes trägt. Wenn eine solche Rechteckwelle durch das Geschwindigkeit-Rückkopplungs-Filter 98 geführt wird, ist die sich ergebende Spannung auf der Leitung 92 eine Gleichspannung,

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die der Durchschnittsspannung der Rechteckwelle proportional ist; und daifiit eine analoge Gleichspannung, die für die tatsächliche Motorgeschwindigkeit charakteristisch ist. Diese Spannung wird als Geschwindigkeits-Rückkopplungs-Spannung auf das Summations-Netzwerk 168 gegeben.

Das Filter 98 ist vorzugsweise ein Tiefpaß vom Pi-Typ. Da eines der Ziele der erfindungsgemäßen Anordnung die Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit ist, ist die Aufrechterhaltung'einur maximalen Bandbreite durch .-das iServo-Regelsystem wünschenswert. Dadurch kann sich eine gewis.se WeI-ligkeite in der Steuergleichspannung ergeben, die aber später im Differenzverstärkungsprozeß unterdrückt wird.

Das Motor-Rückkopplungs-Signal wird außerdem im Phasendetektor 32 unter Gewinnung einer Phasen-Rückkopplungs-Spannung auf der Leitung 9^ verarbeitet. Der phasenempfindliche Gleichrichter 102 vergleicht die Motor-Rückkopplungs-Frequenz mit der Bezugsfrequenz (312 Hz von der Impulsformerstufe 106) und erzeugt eine Gleichspannung mit einer Amplitude, die den Betrag der Phasendifferenz anzeigt, ur -nit einer Polarität, welche die Richtung des Phasenganges angibt. Die Gleichspannung auf der Leitung 94 wird im Netzwerk 166 summiert. Eine dritte Gleichspannung, die Geschwindigkeits-Bezugsspannung, wird aus der Bezugsfrequenz auf der Leitung 1^2 durch einen Frequenz/Spannung-Wandler 36 gewonnen. Diese Spannung ist eine Gleichspannung, die der gewünschten . Motordrehzahl proportional ist, und wird über die Leitung 148 ebenfalls in das Summierungs-Netzwerk 166 eingespeist.

Die Geschwindigkeits-Bezugs-Spannung (Leitung 148) wird «on einer Bezugsfrequenz-Spannung (Leitung 1^2) abgeleitet, die um 90 phasenverschoben ist gegenüber der Bezugs-Spannung(Leitung 107)1 die an den Phasendetektor 3'2 angelegt wird. Dies ist notwendig, wei der Phasen-

. ι. ο ' detektor 32 einen Phasenunterschied von 90 zwischen die Bezugssparinung (bei Leitung 107) und die Geschwindigkeits-Rückkopplungs-Spannung einführt, die in der Anordnung abgeleitet wird und auf der Leitung 92 vorhanden ist. Wie oben erwähnt zeigt.die Geschwinoi-;keits-Rückkopplungs-Spannung (Leitung92) eine geringe Weliigkeit von der hotor-Rückkopplungs-Geschwindigkeit. Durch die Ableitung der Geschwindigkeits-Bezugsspannung (Leitung 148) mit einem Unterschied' von 90 werden die Welligkeits-Frequenzen jedoch bei Anlegen an den Differenzverstärker 170 phasen-

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gleich, sein und wegen der unterdrückung gleichphasiger Signale aufge-•hoben.

Ein 'weiteres aus dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 170 abgeleitetes Bückkopplungs-Signal wird über eine Leitung 226 einem Kondensator 228 und einen der Dämpfungs-Widerstände 230 bis 233 ebenfalls dem Summatiohs-Netzwerk 168 zugeführt. Diese Verstärker-Rückkopplung besteht aus einer kleinen Amplitudenprobe von Wechselstrom-Schwankungen, die im Ausgangssignal des Differenzverstärkers 170 vorhanden sind, und wird durch Zwischenschaltung der Spannung am Summatione-Netzwerk 168 auf den Eingang gegengekoppelt. Die Geschwindigkeits-Bezugsspannung und die Phasen-Bückkopplungs-Spannung werden im Netzwerk 168 summiert, und die summierte Spannung wird an einen Eingang 167 des Differzverstärkers 170 angelegt; desgleichen werden die Geschwindigkeit s-Eückkopplungs-Spannung und die Verstärker-Bückkopplunge-Schwankungen im Netzwerk 168 summiert, und die sich ergebende Spannung wird an einem zweiten Eingang 169 des DifferenzVerstärkers 170 angelegt. Die Ausgangespannung des Differenzverstärkers 170 besteht aus einer Steuergleichspannung, die in Übereinstimmung mit den verschiedenen Eingangs-Steuerfunktionen bewertet wird, und sie wird·über die Leitung 238 dem Leistungs-Verstärker kO zugeführt.

Der Leistungsverstärker 4-0 benutzt diese Steuergleichspannung zum An- · trieb des Gleichstrommotors 20. Das Ausgangssignal des Differenzve,rstärkers 170 ist während des Betriebs mit normaler und zu niedriger Drehzahl von negativem Vorzeichen. Der Leistungsverstärker *fO betreibt den Gleichstrom-Motor 20 entsprechend dieser negativen S^euergleichspannung, indem er ihm eine proportionale negative Antriebsspannung gegenüber Erde zuführt. Bei ausreichender Überdrehzahl steigt die Steuergleichspannung auf der Leitung 238 über Null ins Positive, und der Leistungsverstärker kO wird dann so geschaltet, daß er dem Gleichstrom-Motor 20 eine positive Kompensationsspannung liefert, was zu einer Widerstandsbremsung führt, und den Motor schnell auf seine normale Geschwindigkeit zurückbringt... Im Bereich der normalen Geschwindigkeit nimmt der Leistungsverstärker kO die negative Antriebs-Spannungs-Steuerung des Gleichstrommotors 20 in der normalen Betriebsweise wieder auf.

Die Überdreh-Schutzeinrichtung und Rückhol-Schaltung *H ist vorgesehen, um die Versorgungsleitung für die Steuerspannung zu unterbrechen, so-

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bald eine übermäßige Überdrehzahl auftritt. Die Schaltung spricht auf die Motor-Rückkopplungs-Frequenz auf der Leitung 290 an und ist normalerweise so eingestellt, daß sie die Öffnung/Kontakte 2<$k im Motor-Antriebs-Schaltkreis öffnet, wenn die Motordrehaahl das Doppelte der normalen Betriebsdrehzahl beträgt.

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Claims (2)

Akten-Z.: P 14· 63 0^-8.9 25. 6. 69 Continental Oil Company 10 Reg.-Nr. 1/979 ^0 Dr. F/M Patentansprüche

1. Anordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors mit einem Bezugssignalgenerator zum Erzeugen einer für die Solldrehzahl des Motors repräsentativen ersten Spannung, einer Rückkopplungsschaltung zum Ableiten einer für die Istdrehzahl des Motors repräsentativen zweiten Spannung, einem Phasenkomparator zum Gewinnen einer für die Zeitdifferenz zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl repräsentativen dritten Spannung durch einen Phasenvergleich zwischen dem Bezugssignal und dem Eückkopplungssignal, deren Frequenz der Solldrehzahl bzw. der Istdrehzahl proportional ist, und einem Differenzverstärker für die Erzeugung eines Steuersignals für den Motorantrieb aus der Summe der ersten, zweiten und dritten Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugssignalgenerator zwei um 90 gegeneinander phasenverschobene Ausgangssignale abgibt, von denen das eine der Gewinnung der ersten Spannung dient, während das zweite dem Phasenkomparator zugeführt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, d.g.d. der Bezugssignalgenerator einen freischwingenden Oszillator mit nachgeschaltetem Frequenzteiler enthält.

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Unterlagen (Art 7 il AtK-ZNr. l Satz a del XnderungagM. ν. 4.». 1967)

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