DE1463048B2

DE1463048B2 - Anordnung zum regeln der drehzahl eines gleichstrommotors

Info

Publication number: DE1463048B2
Application number: DE19651463048
Authority: DE
Inventors: Graydon Lester Thomas Bobby John Newlin Larry Lee CoIe Jimmy Ray Ponca City OkIa Brown (V St A )
Original assignee: Continental Oil Co , Ponca City OkIa (VStA)
Priority date: 1964-08-24
Filing date: 1965-08-04
Publication date: 1971-06-09
Also published as: NL6510764A; DE1463048A1; GB1084840A; US3361949A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf 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 ZeitdifEerenz 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 eines Steuersignals für den Motorantrieb aus der Summe der ersten, zweiten und dritten Spannung.

Eine Anordnung dieser Art ist in Ausgabe A der Elektrotechnischen Zeitschrift vom 4.6.1962 auf den Seiten 381 bis 387 beschrieben. Der Hauptnachteil dieser bekannten Anordnung liegt darin, daß die im Ausgangssignal des Differenzverstärkers auftretende Welligkeit die Genauigkeit der Drehzahlregelung negativ beeinflußt.

Ausgehend von diesem bekannten Stande der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Regeln der 'Drehzahl von Gleichstrommotoren zu schaffen, die sich durch eine gesteigerte Genauigkeit und gleichzeitig durch eine größere Ansprechgeschwindigkeit auszeichnet und sich dadurch insbesondere für den Betrieb von Registriereinrichtungen für seismologische 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 An-Ordnung der eingangs erwähnten Art, erfindungsgemäß 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.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Bezugssignalgenerator einen frei schwingenden Oszillator mit nachgeschaltetem Frequenzteiler.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht; dabei zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild für eine erfindungsgemäß ausgebildete Regelanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors für den Antrieb einer Magnetbandtrommel zum Aufzeichnen seismologischer Daten und

F i g. 2 ein Amplituden-Zeit-Diagramm für im Bezugssignalgenerator der Regelanordnung von Fig. 1 bzw. an dessen Ausgang auftretende Rechteckwellen.

Die in F i g. 1 dargestellte Regelanordnung dient zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors 20. Dieser Motor ist ein Gleichstrommotor mit niedriger Drehzahl, hohem Drehmoment und flacher Bauform und treibt über eine Welle 42 eine Magnetbandtrommel 22 an. Außerdem ist an den Motor 20 ein Kodierer 24 angeschlossen, der als photoelektrischer Lichtzerhacker üblicher Bauart ausgebildet sein kann und entsprechend seinem Antrieb von der Magnetbandtrommel 22 her über eine Welle 44 eine Impulsfolge erzeugt, deren Frequenz der jeweiligen Istdrehzahl des Motors 20 und damit der Magnetbandtrommel 22 entspricht, um deren Regelung es bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel letztlich geht.

Die Hauptbestandteile der dargestellten Regelanordnung sind ein Bezugssignalgenerator 34, eine Rückkopplungsschaltung 26, ein Phasenkomparator 32 und ein Differenzverstärker 38, der auf dem Wege über einen Leistungsverstärker 40 den Antrieb des Gleichstrommotors 20 steuert.

Die Rückkopplungsschaltung 26 erhält über eine Leitung 46 die vom Kodierer 24 abgegebene Impulsfolge zugeführt und speist ihrerseits einen Frequenz/ Spannung-Umsetzer 30 und parallel dazu einen ersten Eingang 99 des Phasenkomparators 32 mit einem der Istdrehzahl des Motors 20 proportionalen Signal. Aus diesem Signal erzeugt der Frequenz/ Spannung-Umsetzer 30 eine der Istdrehzahl des Motors 20 proportionale Gleichspannung, die er über eine Leitung 92 dem Differenzverstärker 38 zuführt.

Der Bezugssignalgenerator 34 enthält als primäre Bezugssignalquelle einen frei schwingenden Oszillator 150, der Rechteckwellen konstanter Leistung mit einer Bezugsfrequenz von beispielsweise 1248 Hz abgibt. Diese Rechteckwellen werden über eine Leitung 152 einem bistabilen Multivibrator 154 zugeführt, der als 2:1-Frequenzteiler wirkt und über Leitungen 156 und 158 zwei um 180° gegeneinander phasenverschoben Ausgangssignale mit der halben Bezugsfrequenz von beispielsweise 624 Hz zwei weiteren bistabilen Multivibratoren 160 und 162 einspeist, die ebenfalls als 2:1-Frequenzteiler wirken und daher an zwei Ausgangsleitungen 107 bzw. 142 zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Ausgangssignale mit wiederum halbierter Frequenz von beispielsweise 312 Hz erscheinen lassen.

Die verschiedenen Rechteckwellen innerhalb und an den Ausgängen des Bezugssignalgenerators 34 sind in ihrem zeitlichen Verlauf in F i g. 2 einander gegenübergestellt. Dabei entspricht deren erste Zeile den Verhältnissen am Ausgang des Oszillators 150, während die anschließenden Zeilen A, B, C und D in F i g. 2 die Verhältnisse an den entsprechenden Stellen A, B, C und D in der Schaltung von Fig. 1 wiedergeben.

Von den beiden Ausgangssignalen C und D des Bezugssignalgenerators 34 wird das eine (C) über die Ausgangsleitung 107 dem zweiten Eingang 108 des Phasenkomparators 32 zugeführt, der einen Phasenvergleich mit dem ihm an seinem ersten Eingang 99 eingespeisten Signal von der Rückkopplungsschaltung 26 durchführt und damit die Istdrehzahl des Motors 20 in Form des ihr proportionalen Signals von der Rückkopplungsschaltung 26 mit der gewünschten Solldrehzahl in Form des ihr proportionalen Ausgangssignals C des Bezugssignalgenerators 34 miteinander in Beziehung setzt.

Das zweite Ausgangssignal D des Bezugssignalgenerators 34 wird über die Ausgangsleitung 142 einem Frequenz/Spannung-Umsetzer 36 zugeführt, der daraus eine dazu proportionale Gleichspannung gewinnt, die er über eine Leitung 148 dem Differenzverstärker 38 einspeist. Der Frequenz/Spannung-Umsetzer 36 enthält eingangsseitig einen mit seinem Triggereingang an die Ausgangsleitung 142 des Bezugssignalgenerators 34 angeschlossenen monostabilen Multivibrator 144 und einen davon gespeisten Tiefpaß 146. Der Tiefpaß 146 besteht aus einem LC-Netzwerk vom Pi-Typ und gewinnt aus den ihm zugeführten Ausgangsimpulsen des mono-

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stabilen Multivibrators 144 einen diesen und damit Drehzahl des Motors 20 und der Magnetbandder Bezugsfrequenz aus dem Bezugssignalgenerator trommel 22 in Änderungen der Triggergeschwindig-34 entsprechenden Gleichspannungsmittelwert, der keit für den monostabilen Multivibrator 96 und eine der Solldrehzahl für den Motor 20 entsprechende führen wegen der konstanten Länge von dessen Auserste Eingangsgleichspannung für den Differenz- '5 gangsimpulsen zu entsprechenden Änderungen im verstärker 38 darstellt. Impulsabstand. Dem monostabilen Multivibrator 96

Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel sind für ist ein Tiefpaß 98 nachgeschaltet, der den den Ausden Antrieb der Magnetbandtrommel 22 durch den gangsimpulsen des Multivibrators 96 zugeordneten Motor 20 vier verschiedene Bandgeschwindigkeiten Gleichspannungsmittelwert bildet und über eine von 9,12 cm/s, 4,56 cm/s, 2,28 cm/s und 1,14 cm/s io Leitung 92 dem Differenzverstärker 38 zuleitet. Der vorgesehen, denen bei einem Durchmesser von Tiefpaß 98 ist dabei als LC-Koppelglied in Pi-19,05 cm für die Magnetbandtrommel 22 Soll- Anordnung gebaut und besitzt eine sehr niedrige drehzahlen für den Motor 20 entsprechen, bei deren Grenzfrequenz und eine genügend große Zeit-Einhaltung die vom Kodierer 24 auf der Leitung 46 konstante, so daß die Impulsänderungen auf der an die Rückkopplungsschaltung abgegebenen Impuls- 15 Leitung 92 als der Istdrehzahl des Motors 20 profolgen Frequenzen von Z₁ = 1248 Hz, /., = 624 Hz, portionale Gleichspannung erscheinen und damit die /₃ = 312 Hz bzw. /₄ = 156 Hz zeigen müßten. zweite Steuergleichspannung für den Differenz-

Entsprechend diesen vier verschiedenen Soll- verstärker 38 liefern.

drehzahlen für den Motor 20 ist in der Rück- Der Phasenkomparator 32, der das ihm an seinem

kopplungsschaltung 26 ein Mehrfachumschalter 28 20 ersten Eingang 99 zugeführte Ausgangssignal der mit einem ersten Schaltarm 28 α vorgesehen, der vier Rückkopplungsschaltung 26 und das an seinem verschiedene Kontakte 62,66,68 und 74 überstreicht. zweiten Eingang 108 anliegende Ausgangssignal C " Weiterhin sind diese vier Kontakte 62, 66, 68 und 74 des Bezugssignalgenerators 34 miteinander vergleicht über Leitungen 50, 52, 54, 60, 64 und 72 an den und aus diesem Vergleich die dritte Eingangsgleich-Ausgang einer als übersteuerter Verstärker ausge- 25 spannung für den Differenzverstärker 38 gewinnt und führten und mit den Signalen des Kodierers 24 auf diesem über eine Leitung 94 zuführt, enthält als der Leitung 46 gespeisten Impulsformerstufe 48 an- Vergleichsglied einen als phasenempfindlicher Gleichgeschlossen, wobei in die entsprechenden Verbindun- richter ausgeführten Phasendetektor 102 mit zwei gen Frequenzwandler in Form zweier Frequenzteiler Eingängen 104 und 110. Dem Eingang 104 ist dabei 56 und 58 und eines Frequenzverdopplers 70 ein- 30 eine Impulsformerstufe 100 vorgeschaltet, die eine gefügt sind, die dafür sorgen, daß die an den ver- LC-Kombination mit niedrigem Frequenzgang sein schiedenen Kontakten 62, 66, 68 und 74 anliegenden kann und die ihr vom Eingang 99 her zugeführten Signalfrequenzen bei korrekter Istdrehzahl des Impulse einer Siriuswelle annähert, wie dies für die Motors 20 der vom Bezugssignalgenerator 34 an Kennlinie des Phasendetektors 102 erforderlich ist. seinen Ausgangsleitungen 107 und 142 abgegebenen 35 Zwischen den Eingang 108 des Phasenkomparators Frequenz von 312 Hz gleich sind bzw. bei Ab- 32 und den Eingang 110 des Phasendetektors 102 ist weichungen der Istdrehzahl von der Solldrehzahl um ebenfalls eine Impulsformerstufe 106 eingefügt, die diesen Frequenzwert herum schwanken. Die vom ein LC-Tiefpaß vom Pi-Typ sein kann und dem Schaltarm 28 α des Mehrfachumschalters 28 abge- Phasendetektor 102 ein aus dem Bezugssignal C am griffenen Signalfrequenzen liegen also unabhängig 40 Eingang 1G8 abgeleitetes geformtes Signal mit der von seiner Stellung relativ zu den Kontakten 62, 66, Bezugsfrequenz zuführt.

68 und 74 stets angenähert bei einer festen Bezugs- Die sich aus dem Phasenvergleich im Phasenfrequenz. Dabei besitzen die Frequenzteiler 56 und detektor 102 ergebende dritte Eingangsgleichspan-58 jeweils ein Teilerverhältnis von 2 :1 und können nung für den Differenzverstärker 38 auf der Leitung als Flipflops oder bistabile Multivibratoren ausge- 45 94 gibt mit ihrer Größe den Betrag und mit ihrer führt sein, während für den Frequenzverdoppler 70 Polarität die Richtung der Phasendifferenz zwi-Vollweggleichrichter, Differenzierstufen oder Impuls- sehen den dem Phasenkomparator 32 zugeführten addierer in Betracht kommen. Signalen an.

Das vom Kontaktarm 28 α des Mehrfachumschal- Der Differenzverstärker 38 enthält zwei aus Wider-

ters 28 abgegriffene und der jeweiligen Istdrehzahl 5° ständen aufgebaute Summationsnetzwerke 166 und des Motors 20 entsprechende Signal, das in der 168, an die über Leitungen 172 bzw. 178 die Rückkopplungsschaltung 26 je nach der Stellung des beiden Eingänge 167 bzw. 169 eines mehrstufigen Mehrfachumschalters 28 eine Frequenzuntersetzung Gleichstrom-Differential-Verstärkers 170 angeschlosum den Faktor 2 oder 4, eine Frequenzverdopplung sen sind. Die Summationsnetzwerke 166 und 168 so- oder keine Frequenzänderung erfährt, wird über eine 55 wie der Differentialverstärker 170 dienen dem Ver-Leitung90 zum einen dem ersten Eingang 99 des gleich der drei dem Differenzverstärker 38 über die Phasenkomparators 32 zugeleitet, in dem es zur Ent- Leitungen 148, 92 und 94 zugeführten Steuergleichstehung einer der Zeitdifferenz zwischen der Soll- spannungen, die der Reihe nach der Solldrehzahl, drehzahl und der Istdrehzahl entsprechenden dritten der Istdrehzahl und der Differenz zwischen SoIl-Eingangsgleichspannung für den Differenzverstärker 60 drehzahl und Istdrehzahl zugeordnet sind. Dabei 38 beiträgt, und gelangt zum anderen über die sind die Leitungen 94 und 148 mit dem Summationsgleiche Leitung 90 zum Eingang 95 eines mono- netzwerk 166 verbunden, und die sich dort aus der stabilen Multivibrators 96 im Frequenz/Spannung- ersten und der dritten Steuergleichspannung erUmsetzer 30, wo es unmittelbar zur Erzeugung einer gebende Gleichspannung wird dem Differentialder Istdrehzahl des Motors 20 proportionalen zweiten 65 verstärker 170 an seinem Eingang 167 zugeführt. Die Eingangsgleichspannung für den Differenzverstärker zweite Steuergleichspannung gelangt über die Leitung 38 dient. 92 zum Summationsnetzwerk 168, mit dem außer-

Auf diese Weise äußern sich Änderungen in der dem über eine Leitung 176 ein Wechselstromgegen-

kopplungszweig verbunden ist, der aus einer vom Ausgang des Differentialverstärkers 170 abzweigenden Leitung 226, einem Kondensator 228 und jeweils einem von vier Dämpfungswiderständen 230, 231, 232 und 233 besteht, der über einen mit dem ersten Kontaktarm 28 α des Mehrfachumschalters 28 gekoppelten zweiten Kontaktarm 28 b ausgewählt wird. Die sich im Summationsnetzwerk 168 ergebende Spannung wird dem Differentialverstärker 170 an seinem Eingang 169 zugeführt, und die Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 170 wird über eine Leitung 224, einen in F i g. 1 in AUS-Stellung dargestellten EIN-AUS-Schalter 236 und eine Leitung 238 dem Leistungsverstärker 40 eingespeist.

Die dem Differenzverstärker 38 auf der Leitung 148 zugeführte erste Steuergleichspannung wird, ausgehend von dem Ausgangssignal D, auf der Leitung 142 gewonnen, das gegenüber dem Ausgangssignal C auf der Leitung 107 um 90° phasenverschoben ist, das dem Phasenkomparator 32 zugeführt wird. Dies ist notwendig, weil der Phasenkomparator 32 für die auf der Leitung 92 dem Differenzverstärker 38 zugeführte zweite Steuergleichspannung zu einer Phasendifferenz von 90° gegenüber dem Bezugssignal auf der Leitung 107 führt. Eine in der zweiten Steuergleichspannung auf der Leitung 92 enthaltene geringe Welligkeit wird dann dank des Phasenunterschieds von 90° bei der Ableitung der ersten Steuergleichspannung auf der Leitung 148 bei Anlage am Differentialverstärker 170 phasengleich und damit wegen der Unterdrückung phasengleicher Signale aufgehoben.

Der Leistungsverstärker 40 betreibt den Motor 20 über Leitungen 282 und 292 und dazwischenliegende Relaiskontakte 294 entsprechend der ihm über die Leitung 238 zugeführten Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 170. Diese Ausgangsspannung hat bei normaler oder zu niedriger Drehzahl des Motors 20 ein negatives Vorzeichen, und der Leistungsverstärker 40 speist dann den Motor 20 mit einer proportionalen negativen Antriebsspannung. Bei Auftreten einer Überdrehzahl entsprechender Größe geht die Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 170 über den Wert Null ins Positive, worauf der Leistungsverstärker 40 dem Motor 20 eine positive Kompensationsspannung zuführt, was den Motor 20 auf dem Wege über eine Widerstandsbremsung rasch auf seine normale Drehzahl zurückbringt.

Als zusätzliche Vorsichtsmaßnahme gegen einen übermäßigen Anstieg der Drehzahl des Motors 20 ist eine Schutzschaltung 41 vorgesehen, die über eine Leitung 290 an den Kontaktarm 28 α des Mehrfach-Umschalters 28 in der Rückkopplungsschaltung 26 angeschlossen ist und einen monostabilen Multivibrator enthält, der die Relaiskontakte 294 im Antriebskreis für den Motor 20 öffnet, wenn dessen Drehzahl und damit das auf der Leitung 290 übertragene Signal einen vorgebbaren oberen Grenzwert überschreitet.

Claims

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 Phasen- - komparator 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 SoÜdrehzahl 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, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugssignalgenerator einen frei schwingenden Oszillator mit nachgeschalteten! Frequenzteiler enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen