DE1526497A1

DE1526497A1 - Elektrische Regelvorrichtung

Info

Publication number: DE1526497A1
Application number: DE19661526497
Authority: DE
Inventors: Bohaker Walter G; Rosenberg Merton I
Original assignee: American Bosch Arma Corp
Current assignee: Ambac International Corp
Priority date: 1965-11-12
Filing date: 1966-11-05
Publication date: 1970-01-29
Also published as: GB1156633A; US3414771A

Description

Pr» Ing, i. IiRKtNMLD, E«Un»«Yw>ll, KtUtt^ftivriUattt^oftt 31

«« i. November 1966 3ShZZNWWi₁AM. AMgfiIGAM BOSCH AIlMA GORP,

Üiektrlaahs

Sie Srfiftdung betrifft Maschinensysteme, in welchen die Öreht&hi der Machine automatisch gesteuert oder geregelt wird» und insbesondere eine in denselben verwendbare eiek« trisoh· Regelvorrichtung, (j

Se ist bekannt, die Brennstoffzuführung zu einer Maschine äutötaatiaeh au steuern, um deren Drehzahl trotz Veränderungen der Belastung der Maschine oder der Umgebungsbedingung·· en im wesentlichen auf einem vorherbestimmten Wert zu hai» ten» Ss ist auch bekannt, daß solche Systeme, in welchen die Drehzahl durch die Regelvorrichtung aufrechterhalten wird, für verschiedene Anwendungen oder als eine Drossel regelbar verändert werden können, um die Einstellung der geregelten Drehzahl während einer besonderen Verwendung des System· t\x ermöglichen. Neben mechanischen Systemen dieser Art sind verschiedene elektrische Regler vorgeschlagen worden, WtIohe die Maschinendrehzahl anzeigende Signale ableiten, dl··« Signale verarbeiten und dieselben benützen, um' die Brennstoffzuführung zur Maschine zu steuern, so daß die gewUneoht· Maschinendrehzahl aufreaohterhalten wird» Die vor· liegende Erfindung bezieht sich auf die letztere Art der elektrischen Systeme.

Obwohl eine Anzahl solcher Systeme bekannt ist, die elektrische Kegler Verwenden, sind deren zuverlässigkeit, Einfachheit, Genauigkeit der Regelung und Leichtigkeit der Drehzahlelnsteilung bei bestimmten Anwendungen geringer als würteöhenswert wäre.

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Gegenstand der Erfindung aind daher ein neues und entsprechend geregeltes Maschinensystem, sowie eine in demselben verwendbare neue elektrische Regelvor»- riehtung.

Einen anderen Gegenstand der Erfindung bilden ein sol» ches 3ystem und eine in demselben verwendbare elektrische Regelvorrichtung, die hinsichtlich ihrer Zuverlässig* keit, Einfachheit, Genauigkeit der Regelung und/oder Leich* tigkeit der Drehzahleinstellung besonders vorteilhaft ist.

Gemäß der Erfindung werden diese und andere Ziele durch Anordnung einer elektrischen Regelvorrichtung erreicht, die eine Drehzahlabtasteinrichtung zum Ableiten eines ursprünglichen elektrischen Signals verwendet, dessen Frequenz und Amplitude sich mit der Drehzahl der zu regelnden Maschine verändern. Dieses ursprüngliche elektrische Signal wird einer Begrenzungseinrichtung zugeführt, welche dasselbe in ein modifiziertes jignal umwandelt, dessen Frequenz sich mit der Maschinendrehzahl verändert, das aber einen r.rn.s.-Wert (Wert des resultierenden modifizierten Signals) aufweist, welcher bei Änderungen der Maschinendrehzahl über einen beträchtlichen Bereich von Maschinendrehzahlen im wesentlichen unveränderlich ist. Das resultierende modifizierte Signal wird einer Frequenzabtasteinrichtung zugeführt, welche ein Ausgangssignal erzeugt, dessen r.m.s.-Wert sich mit der Frequenz des modifizierten elektrischen Signals übar wenigstens einen Teil des Bereichs der Frequenzen verändert, die durch Veränderungen der Maschinendrehzahl erzeugt werden. Das Ausgangssignal spricht auch auf irgendwelche Änderungen des r.m.s.-Wertes von 3ignalen an, die der Frequenzabtasteinrichtung zugeführt werden. Da Jedoch die oben erwähnte■ Begrenzungseinrichtung das elektrische Signal von Wanderungen des r.m# S «-»Wertes befreit hat, ist das von der Frequenzab« tasteinrichtung herkommende Ausgangssignal nur von der Fre» quens d#r derselben zugeführten Eingangssignale und demnach nur Von der Maschinendrehzahl abhängig* Das Ausgangssignal JfreqUenzabtasteinrichtung wird dann einei* Einrichtung zu«' welche die Drehzahl der Maschine Steuert* um dieselbo iffi Wtiöfttlichen auf einem VoFherOtitifiiffltett Wert zu halten,

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Gemäß weiteren Merkmalen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Drehzahlabtasteinrichtung angrenzend an die Bewegungsbahn der Zähne eines mit der Belastung verbundenen Zahnrades angeordnet, das durch die Maschine angetrieben wird, und besteht aus einem Magneten, der mit einer Wicklung vergehen ist, welche auf den Vorbeigang aufeinanderfolgenJer Zähne des Zahnrades anspricht, um das ursprüngliche elektrische Signal zu erzeugen. Die Begrenzungseinrichtung ist vorzugsweise ein Sättigungsverstärker, dem das ursprüngliche elektrische Signal von der Drehzahlabtasteinrlchtun-j; zugeführt wird, um ein Impulssignal zu erzeugen, las aus einer Reihe von I.npuLsen besteht, die sich mit dor frequenz des ursprünglichen elektrischen Signals wiederholen, die aber eine im wesentlichen f konstante Amplitude auf v/eisen. Die Breite lieser Impulse verändert sich entgegengesetzt zur Frequenz des ursprünglichen elektrischen Signal.? un ^; lie Impulsfolge weist Jäher trotr. Frequenzänderung?n ein-jri in wesentlichen konstanten r.m.s.-Wert auf. Die Frequenzcharakteristik der Frequenzabt j. ζ te inrichtung weist vorzugsweise einen steilen Nieierfrequenzrand auf, der sich über ein begrenztes Band von Frequenzen erstrecKt, einsohlijßlich Ier Wi·..· ierholungsfftiquenz ier Impulse für einige Betriebsdrehzahlen der Maschine, sodafl der Ausgang ier Frequenzabtasteinrichtung aus einer Reihe von Impulsen besteht, die sich mit der Frequenz der derselben zugeführten Eingang sirnpulse ..led jrhol :n, Mi aber Amplituden aufweisen, ι welche sich als eine monotone h\inktion ihrer Wiederholung^- frequenz verändern. Die Frequenzabtasteinrichtung enthält vorzugsweise ein Zobelfilter, vie z.B. ein Bandfilter, sowie ein veränderliches Element, :ie z.B. einen veränderlichen Induktor, um die Verschiebung der Frequenzstellung des Nieder-Trequenzrandes zu ermöglichen. Der Bereich der Frequenzen, auf den der Hie lerfrequenzrand eingestellt werden kann, ist voi'zugsv/eise gro.3 i:n /^rgleich ::u Jerr. Band der Frequenzen, das von dem Rand zu irgenieiner gegebenen Zeit eingenommen wird.

Der Ausgang der Frequenzabtasteinrichtung wird vorzugsweise iurch einen Gleichrichter- ur.i Crleichstromfilterstronkreis

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geleitet und dann durch einen Gleichstromverstärker zu einer elektrischen Betätigungseinrichtung, welche die Brennstoffsteuerung für die Maschine in eine Stellung bewegt, die durch die Stärke des Signals vom Gleichstromverstärker bestimmt wird. Die Anordnung ist derart getroffen, daß beim Starten die Brennstoffsteuerung durch einen starken Strom vom GMchstromverstärker weit offen gehalten wird, bis die Frequenz des durch die Drehzahlabtasteinrichtung erzeugten ursprünglichen elektrischen Signals das Band der Frequenzen erreicht, das von dem Niederfrequenzrand der Frequenzabtasteinrichtung Angenommen wird, worauf das Steuersignal proportional zu weiteren Zunahmen der Dreh-

f zahl der Maschine abnimmt. Dadurch wird die Brennstoffzuführung verringert, bis sich die Maschinendrehzahl auf einen Wert stabilisiert, der von der Frequenzstellung des Niederfrequenzrandes der Charakteristik der Frequenzabtasteinrichtung abhängig ist. Nachdem diese Stellung erreicht ist, wird die Maschinendrehzahl gegen Faktoren, wie z.B. Belastungsänderungen, durch die vorstehendbeschriebene Servoeinrichtung stabilisiert, welche Zunahmen der Maschinendrehzahl veranlaßt, um die Brennstoffzuführung zu verringern. Durch Einstellung der Stellung des Niederfrequenzranie.~ ler Frequenzabtasteinrichtung kann die geregelte Drehzahl über einen beträchtlichen Bereich eingestellt wer-

. den. Da da-, System nur auf Frequenzänderungen im ursprünglichen elektrischen Signal und nicht auf Amplitudenänderungen in derselben -inopricht, arbeitet das System zuverlässig und c-nau, trotz des Auftretens elektrischer Störungen oder Veränderungen ier v.ipfindlichkeit oder der effektiven Ver-3tärkung in dem vor der Frequeimbtasteinrichtung liegenden Toil des Systems. Genauigkeit und Zuverlässigkeit werden auch^die Verwendung des Bandfilters erhöht, welches auch eine leichte Einstellung der geregelten Drehzahl ermöglicht. Die bevorzugte Ausführungsform der Abtasteinrichtung, welche ihre Signale von den Zähnen eines mit der Belastung verbundenen Zahnrades ableitet, das durch die Maschine angetrieben wird, vereinfacht sehr die Anbringung des elektrisches Reglers in vorhandenen Maschinen.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm, teilweise in

Blockform, das eine bevorzugte Ausführungs form der Erfindung veranschaulicht.

Die Figuren 2A, 2B, J5A, ^B und 4-9 sind graphische Darstellungen, auf welche bei der Beschreibung der Eigenschaften und der Wirkungsweise der veranschaulichten Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen wird.

Die in Fig. 1 dargestellte beispielsweise Ausführungsform der Erfindung zeigt einen Motor 10, wie z.B. einen Dieseloder Benzinmotor, mit einer Brennstoffsteuerung 12, die in verschiedene Stellungen einstellbar ist, um die Brennstoffzuführung zum Motor 10 in Abhängigkeit von elektrischen Signalen zu regeln, die der Steuerwicklung 14 einer elektrischen Betätigungseinrichtung 16 zugeführt werden. Die Stärke des durch die Steuerwicklung 14 hindurchgehenden Stromes bewirkt eine entsprechende vorherbestimmte Einstellung der Brennstoff steuerung 12. Die Betätigungseinrichtung ist vorzugsweise in der Richtung federbelastet, in welcher die Brennstoffzuführung verringert wird, wobei ein durch die Wicklung 14 hindurchgehender stärkerer Strom dazu dient, die Brennstoffzuführung zu erhöhen.

Ein mechanischer Ausgang des Motors 10 ist mit der Welle 20 eines Zahnrades 22 gekuppelt, das mit einem anderen Zahnrad 24 in Eingriff steht und dasselbe antreibt. Die Welle 26 des Zahnrades 24 ist mit einer anzutreibenden Belastung 28 verbunden. Demgemäß leisten beide Zahnräder 24 und 26 nützliche Arbeit, jie können beispielsweise zum Antrieb der ilauptbe-1."i-jtufvi -'Ig- Motors verwendet werden oder eine zur Wirkurißr.-wciL.-;-; 'i-^, Motori; zusätzliche Belastung betätigen, jie künnen bei ;piel3weioe darj ,schwungrad des Motors antreiben oder ein.,. Br-'ii'i.itriffeinf".prlt?5puiiipe des Motor?:, becätigon.

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Wenigstens einer der Zahnräder, z.B. das Zahi^nad 22, besteht aus magnetischem Material. Angrenzend an den Weg der Spitzen seiner Zähne ist eine Drehzahlabtasteinrichtung ~jö angeordnet, die in diesem Beispiel aus einem permanenten Magneten J>2 besteht, um welchen eine Wicklung ~5k aus Kupferdraht gewickelt ist. Diese Abtasteinrichtung ist dem V/eg der Spitzen der Zähne des Zahnrades genügen! nahe angeordnet, so daß in der Wicklung J>k ein elektrisches Signal mit einer Frequenz induziert v/ird, 'lie der Frequenz des Vorbeiganges der Zähne des Zahnrades gleich ist. Bei der dargeiellten Ausführungsform der Einrichtung hat die in der V/icklung 34 induzierte Spannung im wesentlichen Sinusform. Fig. 2A zeigt die Veränderung der Spannung in der V/icklung jj4 als eine Funktion der Zeit für eine gegebene Drehgeschwindigkeit des Zahnrades 22 und damit für eine gegebene Drehzahl des Motors 10. Fig. 23 zeigt die gleiche Spannung für den Fall, daß das Zahnrad 22 und damit der Motor 10 mit der Hälfte der Drohzahl umlaufen, die in Fig. 2Λ gezeigt ist. Die Frequenz des in der V/ici:lung -j4 erzeugten ursprünglichen elektrischen Signals verändert sich daher direkt proportional zur Drehzahl des Mot or.3 10.

Der elektrische Ausgang der Wicklung jb wird auf einen oättigunga-V/ochselstromverstärker zur Einwirkung gebracht, •der sich innerhalb des mit einer unterbrochenen Linie bezeichneten Blocks jj6 befindet. Dieser Verstärker dient als Begrenzer, um das ursprüngliche elektrische Signal von Am- ,· plitudenverän lerungen zu befreien, das durch die Drehzahlabtasteinrichtung j>0 auf den Eingang des Verstärkers zur •Unwir-kung gebracht wird. Diese Charakteristik ist in. Fiß. dargestellt, in solcher auf der Ordinate der r.m.s-V/ert.J.n-, Volt Liη 1 --!iif K)r Abrisse die Drehzahl des Motors 10 in U/n ;mi'ia.'i;r·'p;o:i sin·'. Die Kurve A stellt den r.m.s-'/ert des ur-

t-ii·'uii;L1.l;[i:;ri ο L. .-',risohen Signals aar, dos auf die liingang.3-l.i. ...,!on l· ■/>·! :, arsona; ^C über :!ie LelUmgm 'fO im 1 h2 zur ;.·.■·; ; viii , - 'Uirin.i -lie Kurvo L'> in Fig. (.'■ -ian r.i.i.-"..- ■ ■-■·■ μ. - :.nr ·!.!: ι*-; I ; .; Vera^iv' »iv· "\<„ I;: ν -,t ■! li;, t--:t· ■ ; :i-a. ■'. \ ι ... 11(, ■:; .l.oi tunken 4 i- nni n e'roi'aaiiiL. W'iia.' -ί. ί

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das ursprüngliche elektrische Signal von der Drehzahlabtasteinrichtung j5OfÜr Motordrehzahlen von weniger als 400 U/ra bis zu ungefähr 36OO U/m im wesentlichen linear zunimmt, erreicht die Ausgangsspannung des Verstärkers bei ungefähr 4öÖ V/m einen maximalen Wert, der bis zu ungefähr 36OÖ U/m im wesentlichen konstant gehalten wird.

Der Sättigungsverstärker, der bei der bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, um diese Begrenzung des 3ingangssignals und einen im wesentlichen konstanten r.m.s.-Wert der Ausgangsspannung zu erzeugen, besteht aus zwei in Kaskade geschalteten Wechselstromtijansistor-Verstärkerstufen. Die von der Drehzahlabtasteinrichtung 30 herkommenden Leitungen 40 und 42 sind mit der 3a$is 50 eines NPN-Traneietors 52 bzw. mit einer gemeinsamen Erdleitung 53 verbunden. Der Emitter 54 des Transistors 52 ist unmittelbar mit Erde Verbunden, während der Kollektor 56 über einen Belastungs-Widerstand 58 mit einer Quelle positiven Potentials verbunden ist, die mit B+ bezeichnet ist, und zwar durach einen manuell betätigbaren Netzschalter 60, der geöffnet werden kann, um die Tätigkeit des elektrischen Reglers zu unterbrechen. Das Ausgangssignal am'Kollektor 56 wird über einen Kondensator der Basis 64 eines anderen NPN-Transistors 66 zugeführt. Beide Transistoren 52 und 66 sin1 vorzugsweise Uliciumtransistoren. Der Emitter 68 des Transistors 66 ist unmittelbar mit Erde verbunden, während 1er Kollektor 70 über einen Belastungswiderstand 72 mit 1er Quelle B+ positiven Fotentials f !Verbunden ist, und zwir wieder durch den Netzschalter 60. Die Vorspannung für die Basis 64 des Transistors 66 wiri -lurch eine Spannungsteileranordnung geliefert, die aus den '.'iderstand 74 besteht, der zwischen Kollektor und 12asi3 des Transistors 66 eingeschaltet ist, und aus de:n V.'i !erstand 76, der zwischen Basis 64 und Erde eingeschaltet ist.

Bei einer beispielsweisen Ausführungsform können die Transistoren 5£ und 66 ewei 2112926 3iliciu:ntransistoren sein, die Widerstände 53, 72, 74 und 76 können die Vierte von 470 Ohm, 250 Ohm, 5000 Ohm und 1000 Ohr.! haben, und der Kondensator 62 kann einen Wert von j Mikrofarad aufweisen.

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Die Wirkung des ersten Transistors 52 besteht darin, das ursprüngliche Eingangssignal auf eine Größe zu verstärken, die ausreicht, um den zweiten Transistor 66 zwischen Ausschaltung und Sättigung des Kollektors stark anzutreiben, so daß die eine Halbwelle der sinusförmigen Eingangswelle wirksam vollständig abgeschnitten wird, v/ährend die andere Halbwelle in eine Reihe im wesentlichen rechteckiger Impulse mit konstaanter Amplitude umgewandelt wird, von denen jeder eine Dauer hat, die im wesentlichen gleich ist einer Hälfte der Periode der sinusförmigen Eingangswelle. Obwohl bei höheren Frequenzen am Ausgang des Verstärekers ^6 eine größere Zahl von Impulsen pro Sekunde auftritt, verändern sich die Breiten der einzelnen Impulse entgegengesetzt zur Frequenz, so daß der r.m.s.-Wert der gleiche bleibt, solange der Spitzenwert der Impulse konstant ist. Dies wird durch die Figuren ^A und JB gezeigt, in welchen auf der Ordinate die Amplitude des Signals am Ausgang des Suttigungs-Wechselstcrnverstärkers J6 und auf der Abszisse die Zeit aufgetragen ist. Die Impulse der Figur 3A sind entsprechend der Wellenform der Figur .2A erzeugt und die Impulse der Figur 3B entsprechend der Wellenform 1er Figur Lb. Aus einem Vergleich der Figur J>k mit Figur ^E ergibt sich, laß bei der Figur 2A entsprechenden Frequenz vier rechteckige Impulse erzeugt werden in dem Zeitraum, der in Figur ^B von zwei Impulsen eingenommen wird, lie entsprechend 1er Wellenform der Figur 2B erzeugt v/erden« Die I:.ipul-.e der Figur 23 weisen daher eine doppelt solange Dauer auf al: ^ene der Figur j5A. Demgemäß ist die Gesamtenergie 1er Impulsfolge und damit ihr r.m.s.-Wert in einer ;S'jgenen?n Zeit in beiden Fällen dei/gleiche, d.h. ohne Rücksicht auf die Frequenz der sinusförmigen Singangswelle.

Der Ausgang des Sättigungs-Wechselstromverstärkers ^6, der aus einer Reihe rechteckiger Impulse mit konstanter Amplitude besteht, welche sich mit der Frequenz des ursprünglichen si-·. nusförmigen -iingarpssignals wiederholen, wird mittels des großen Wechselstrom- Kupplungskondensators 82 auf den Eingang des V.'echselotromfilter-und Drehzahlsteuerstromkreises 80 zur Einwirkung gebracht. Das Wechselstromfilter besteht aus einem Frequenzabtaststromkreis, der Ausgangairmgplse er-

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zeugt, deren Amplituden von ihrer Wiederholungsfrequenz abhängig sind. Das Wechselstromfilter ist vorzugsweise ein sogenanntes Zobelfilter, wie z.B. ein Bandfilter, und ist ein Hochpassfilter mit einer Frequenzcharakteristik, die einen steilen Niederfrequenzrand aufweist, welcher sich über ein Band erstreckt, das Frequenzen enthält, die gleich der Wiederholungsgeschwindigkeit der auf dasselbe vom Verstärker 36 zur Einwirkung gebrachten Impulse sind. Die Frequenzstellung dieses Niederfrequenzrandes ist vorzugsweise manuell oder mechanisch veränderlich.

Bei der dargestellten Ausführungsfomi enthält der Wechsel- J stromfilter- und Drehzahlsteuerstromkreis 80 eine symmetrische Anordnung von gleich großen Kondensatoren 84 und 86, die beide mit einem Verbindungspunkt 88 verbunden sind. Die andere Klemme des Kondensators 84 ist mit dem Kupplungskondensator 82 und die andere Klemme des Kondensators 86 ist mit der Ausgangsleitung 90 des Wechselstromfilter- und Drehzahlsteuerstromkreises verbunden. Zwei symmetrisch angeordnete, gleich große Widerstände 92 und 94 sind zwischen Erde und den anderen Klemmen der Kondensatoren 84 und 86 eingeschaltet. Der Verbindungspunkt 88 ist mit Erde über einen veränderlichen Induktor 98 verbunden, der in Reihe mit einem Kondensator 100 angeordnet ist. Zwei weitere Widerstände und 104 sind zu den Kondensatoren 84 und 86 parallel ge- %

schaltet.

Bei einer beispielsweinen AusfUhrungsform können die Kondensatoren 84, 86 Werte von 0,12 Mikrofarad und lie Widerstänle 92, 94 Werte von 1000 Ohm aufweisen, der Widerstand 102 kann einen Wert von 400 0hm und der Widerstand 104 einen Wert von 75O 0hm haben, während der Kondensator 100 3tn<_;n Wert von 0,5 Mikrofarad aufweisen kann. Der Induktor Oo kann einen veränderliehen Wert im allgemeinen EVjr jieh vo ι Ί Henry haben.

i'\Lg. 4 vc?ranschaulicht das allgemeine Prim.ip >'mv Wirkungse des Weohselstromfilters. Die Kurve inl <; Lne Aufztü :

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bei welcher auf der Ordinate das relative Ansprechen des Filters und auf der Abszisse die Frequenz aufgetragen sind. Die Filtercharakteristik ist Jena eines Hochpaßfilters mit einem steil ansteigenden Niederfrequenzrand C. In Fig. 4 stellt die Ordinatenlinie A die Amplitude der Impulse dar, die entsprechend den sich verhältnismäßig rasch wiederholenden iSingangsirnpulsen aus dem Wochselstromfilter austreten. Die Ordinatenlinie B stellt den Ausgang des '.Vechselstromfliters dar, entsprechend den sich bei einer niedrigeren Frequenz wiederholenden ßingangsimpulsen. Da die V/iederholungsfrequenz der in den Wechselstromfilter- und Drehzahlsteuerstromkreis 80 eintretenden iingangsimpulse über " das Frequenzband D zunimmt, das von dem Niederfrequenzrand C der Filtercharakteristik eingenommen wird, nimmt die Amplitude der dadurch vom Filter erzeugten Ausgangsimpulse im wesentlichen monoton und im wesentlichen linear zu.

Durch Veränierung der Induktanz des Induktors 98 kann die Frequenzstellung des Randes C der Frequenzcharakteristik der Fig. 4 nach Belieben verändert worden. Dies ist in Fig. 7 dargestellt, in v/elcher auf der Ordinate der r.m.s.-Wert in Volt dos Wechselstromfilter^- und Drehzahlsteuerstrornkreises 60 und auf der Abszisse die Motordrehzahl in k U/m aufgetragen sind. Die Kurven a, b, c, d und e zeigen die Frequenz3tellungen des lliederfrequenzranles der Frequenzcharakteristik dos WeehseLotrornfilters für verschiedene !Einstellungen des Induktors 9^· Aus Fig. 7 ist eroiehbli:h, daß 'ie>j Froquenzstellung über einen großen Barc-ioh ve rand ort . erden kann, hoi-pielsweise über d'jn ganzen üoroich !..·:"- ,i'ouuam: jn, i io ^!iir :h Motorirohzahlen von üü(i Mo <>00 U/m .!.'Wjugt -./i.-rlen, un ι daß Ji^er gereich dur Voriinrl j/'un.; -I ;i' .;^;, ..iiU!V:' de^ri Rr.n loo /lan-jhrii il ^röSor ist -·ι1:. •l 1, :·■■■!.·■■ .V₁L:.- ..:,i!ii, -Μ.-; von. λϊΐ,ι "... t: ' ^;.!l oliici¹ .^ogoi^nori Ün-Vl _'i. 1 .in.· Ln, .;; .:,ΐίϊοη "/it'l. 'Üo n.f:h U'iu¹:.¹ r; r;'.u^;.-i' ■ .-rU. ^;/.i.'t . ir', .', .· .^!i'i.."i..M ■>'■'-.■:: i ,:: ;i;;il; Aiut ■; i .70a ''.': 'i.'.indos ein.^ ge-

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geregelten Drehzahl unter Beibehaltung ^er Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Regelung ermöglicht.

Die aus dem Weehselstroitif ilter- und Drehzahlsteuerstromkreis θθ austretenden Impulse, die entsprechend der Beziehung ihrer Wiederholungsfrequenz zum Niederfrequenzrand der Frequenzcharakteristik des Wechselstromfilters eine modifizierte Amplitude aufweisen, werden dann durch einen Kupplungskondensator 105 einem Gleichrichter-. Und Gleichstromfilterstromkreis 106 der Fig. 1 zugeführtygjLetzterer erzeugt an seinen Ausgangsleitungen 103 und 110 eine kontinuierliche Gleichspannung, die sich in Ubereinstiumung mit^der Amplitude der I.npuls- J folge verändert, welche vom Wechselstrornfilter- und Drehzahlsteuerstromkreis Uo zugeführt wird. Dies ist in Fig. 5 dargestellt, in v.elcher auf der Ordinate die Gleichstromspannung zwischen den Ausgangsleitungen 1Oi und 110 des Gleichrichter- und Gleiehstromfilterstromkreises 105 aufgetragen ist. In Fig. 3 stellt die Linie A die Gleichspannung dar, lie entsprechend den Impulsen mit höherer Frequenz erzeugt wird, welche der Ordinate A in Fig. 4 entsprechen, während die Linie 3 lie Gleichspannung 3arstellt, die entsprechend den Inpulsen mit niedrigerer Frequenz erzeugt wird, welche der Ordinate 13 in Fig. 4 entsprechen. Demgemäß wird zwischen den Ausjangsleitungen 1Oo unrt 11C des Gleichrichter- und Gleichstror.ifilterstro'ikreises 10c eine i sich langsam verändernde Gleichspannung erzeugt, deren Größe zur Impulswiederholungsfrequenz in wesentlichen proportional ist, wenn die letzter» innerhalb des Bandes D liegt, das vom R..n1 C der Frequenzcharakteristik des V.'echselstromfilteruni Drehzahlsteuerstroir.krcises oC eingenommen wird.

Der Gleichrichter- uni Gleichstromfilterotronkrsis 106 kann eine grofle Zahl bekannter Formen aufweisen. Bei der in Fig. dargestellten besonderen Ausführungsform besteht derselbe aus einer Spannungsverdopplungsanorinung mit einer Diode 114, deren Anode geerdet und deren Kathode mit einer, Verbindungs-

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punkt 115 zwischen dem Kupplungskondensator 105 und einer anderen Diode 116 verbunden ist. Die Anode der Diode 116 ist mit dem Verbindungspunkt II5 verbunden und die Kathode derselben isf/mit einem Filterungs- und Glättungsstromkreis verbunden, der aus einem Reiheninduktor 118 und zwei Filterkondensatoren 120 und 122 besteht, welche zwischen Erde und den entgegengesetzten Enden des Induktors HS eingeschaltet sind. Die Klemme des Induktors 118 die der mit der Diode HO verbundenen gegenüberliegt, ist mit der Ausgangsleitung IO8 verbunden. Diese Stromkreisrjaordnung ist für die vorstehend beschriebene Tätigkeit wirksam, um zwischen den Ausgangs- ^ leitungen 10b und 110 eine Gleichspannung zu erzeugen, die sich im wesentlichen nur mit der Motordrehzahl verändert.

Bei einer beispielsweisen Ausführungsform kann der Induktor 118 eine Induktanz von etwa 4,5 Henry und einen Wlder-3tand von ^00 0hm haben. Jeder der Kondensatoren kann e-ine Kapazität von ;>4 Mikrofarad aufweisen.

Der Ausgang des Gleichrichter- und Gleichstromfilterstromkreises 1C6 wird dem Eingang eines Gleichstromverstärkers 1^0 zugeführt, welcher dazu dient, das Gleichstromsignal zu verstärken und dasselbe mit der rthtigen Polarität auf " die Steuerwicklung 14 der elektrischen Betätigungseinrichtung 16 zur Einwirkung zu bringen. Zu diesem·Zweck kann irgendeine der bekannten Arten von Gleichstromverstärkern verwendet ..erden. Der in Fig. 1 dargestellte besondere Gleichstromverstärker verwendet drei in Kaskade geschaltete Transistorstufen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten beispielsweisen AufUhrungsform ist der Gleichstromverstärker 1J0 wie folgt ausgebll* det. Ein Spannungsteiler, der aus drei hintereinender geschalteten Wüerständen I32, .1^4 und I36 besteht, let zwischen die Ausgangsieltungen I08 und 110 des Gleichrichter- und Gleichstromfilterstromkreises 106 eingeschaltet·

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Die Widerstände 132 und I36 sind mit veränderlichen Anzapfungen I38 und 14O versehen. Die veränderliche Anzapfung Yj>& ist mit der Basis eines NPN-Transistors 142 verbunden, dessen Emitter mit der Basis eines zweiten NPN-Transistors 143 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 142 ist über einen Belastungswiderstand 146 und einen Regelwiderstand 148 mit dem Netzschalter 60 und demnach mit der Quelle positiven Potentials verbunden, die mit B+ bezeichnet ist. Der Balastungswiderstand 150 des Transistors 143 ist auf ähnliche Weise über einen Widerstand 148 mit B+ verbunden. Der Emitter des Transistors 143 ist unmittelbar mit Erde verbünden.

Der Kollektor des Transistors 143' ist über einen Glättungsinduktor 16O auch mit der Basis eines dritten Transistors 162 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand 164 mit Erde verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 162 ist über die 3teuerwicklung 14 der elektrischen Betätigungseinrichtung 16 mit dem Netzschalter 60 und mit der Quelle positiven Potentials B+ verbunden. Ein negativer Rückkopplungsweg ist von der Basis des Transistors 162 zur Basis des Transistors 142 mittels eines Reihenkondensators I70 und eines veränderlichen Reihenwiderstandes 172 für Stabilisierungszwecke vorgesehen. Die Einstellung des Widerstandes 172 ermöglicht die Einstellung des Ausmaßes der negativen Rückkopplung. Ein negativer RUckkopplungsweg ist vom Emitter de3 Transistors 162 zur veränderlichen Anzapfung des Widerstandes I36 und damit auch zur Basis des Transistors 142 über einen Widerstand I76 vorgesehen, um als ein Antipendelstromlcreis zu dienen. Ein manuell betätigbarer Schalter 178 ist zum Widerstand I76 parallel geschaltet. Wenn daher der Motor mit niedrigen Drehzahlen läuft, kann der RückkOpplungswiderstand I76 kurzgeschlossen werden, um eine erhöhte negative Rückkopplung und eine verminderte Verstärkung zu bewirken. Sine dpannungsregelnde Zenerdiode 180 ist zwischen Erde und der Verbindung zwischen den Widerständen und 148 eingeschaltet. Bine weitere schüttende Zenerdiode let zwischen Erde und dem Kollektor des Transistors I62 einge-

Zur Betätigung des Gleichstromverstärkers 1j50 ist bei der Beschleunigung des Motors 10 beim Anlassen anfänglich kein Eingangssignal für den Transistor 142 vorhanden. Wenn jedoch die Motordrehzahl eine Höhe erreicht, die durch die Einstellung des Induktors 9^ bestimmt wird, wird auf ilie Basis des Transistors 142 eine zunehmende positive Spannung zur Einwirkung gebracht. Das bewirkt, daß der Transistor 142 stärker leitend wird und die Basis des Transistors I4j5 stärker positiv macht. Letzterer wird daher stärker leitend un 1 seine Kollektor spannung wird stärker negativ, wodurch die Leitung im Transistor 162 verrinsert wird. Das entspricht einer Verringerung des durch lie .jtüuerwickfc lung 14 der elektrischen Betätigungseinrichtung 16 hindurchgehenden Stromes.

Die elektrische Betätigungseinrichtung 16 besteht aus einer elektrischen V/icklung und sinern Anker, wobei der Anker durch ein entsprechendes Gestänge mit der Brennstoffsteuerung 12 vorbun lan und so angeordnet ist, daß ein durch die Steuerwicklung 14 hindurchgehender stärkerer Strom die Brennstoffsteuerung 12 in der Richtung: bewegt, in welcher dem Motor 10 mehr Brennstoff zugeführt und der Motor daher beschleunigt '<ird. Wenn daher der Motor 10 genügend beschleunigt wird, um in dem Frequenzband, das vom R na der Frequenzcharakteristik des W ehselstrom-' filters eingenommen wird, Impulswiederholungsfrequenzen zu erzeugen, vermindert die auf den Eingang des Gleichstromgleichrichters 130 zur Einwirkung kommende zunehmende positive Spannung den durch die Steuerwieklung 14 der elektrischen Betätigungseinrichtung 16 hindurchgehenden Strom und bewirkt, daß die Brennstoffsteuerung 12 die Zuführung^ des Brennstoffs verringert, um den Motor 10 zu verlangsamen. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis ein Gleichgewicht erreicht und die Motordrehzahl auf einem Wert stabilisiert ist, der durch die Einstellung des Induktors 98 bestimmt wird.

Der letztere Vorgang ist in Pig. 7 veranschaulicht. Wenn ! . · . 909885/(KU '·. bad

angenommen wird., iaß der Induktor 'JL· so eingestellt ist, daß iie Frequenzcharakteristik les W ch.jelotror·- fliter- und Drehzahlsteuerstromkreises OO ier iurch die Kurve a gezeigten entspricht, ;iri lie Motorirehzahl auf einen; Wert stabilisiert, ier iurch iie unterbrochene Linie a¹ angegeben ist, uni auf eine: Spannung des Wechsel3tromfliters, lie dem Schnittpunkt ie;"· ιπΛerbrochenen Linie a¹ un1 der Kurve a ier Charakteristik entspricht. 3-llte die Motordrehzahl trachten, von iiesern Wert abzuweichen, z.B. infolge Γ. lastung3änierungen_; wird 3le dadurch iie elektrische.Betätigungseinrichtung 16 veranlassen, iie Brennstoff steuerung 12 etwa 3 in ler Richtung zu bewegen, welche ier Dreh:: ah lan Ie rung entgegenwirkt. Die Verstärkung das vollständigen 3ystoi 3 ist ausreichend, so daß nur kleine Drehrahlänierunizen erfolgen können, ;;as .einer» hohen Grad !er Regelung entspricht. Wenn der Induktor f>3 so iingeitellt ..iri, Ia^ ier *!ic ler_: frequenzran1 in iie .Stellung 1 it. höherer Frequenz bewegt wirl, He dar Kurve b in Fig. 7 entspricht, · irl iie M.:- torirehzahl auf len höheren ,'.'ert geregelt, welcher lei unterbrochenen Linie b' entspricht. Auf iiese '..'eise ica-.n die geregelte 3reh::ahl les I!:tor.5 über einen gvoier. ^r)-;-relch eingestellt ».erlen.. bei :piel^.;eije von .weniger ·\1.ΐ 800 U/t: bis {Wer ..COO U/r.· uni auf ier geregelten Dreiizaiii Im ..asentlichen constant gehalten .vorlen.

Die Betätigungseini'ichtung Io vr.'-./eniet voi.ugswei.io einj drehbaren Ankei , ler geze:\ iie i: agnotisier enie Kraft f:- derbela3t3t ist^ -..«»lche iurch Ii¹ 3te':eiv:if!-;lung 1i erzeugt v;iri. Pei ler iai-ge-stellt?n Λί:3fUhrun.' ^Γον. uii'kc die Federbsilastung iiilier Richöunv, in ..eichei 1er Hot er 1' t v.iii.

Pig. b" ist eine Aufzeichnung, in welche, auf ier Ordinate der den: Eingang ier elektrischen Betätigungseinrichtung «ugefünrte 3tror.. uni auf der Abrisse iie Drehr;alil des I":- tors 10 in U/m aufgetragen sind. Die einzelnen Kurven a, i c, d uni e stellen iie Charakteristiken dar, iie für iie verschiedenen Frequenzcharakteri?tiken a, b, c, 1 uni e

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-'or Flg. ,·' erhalten !orden, welche durch verschiedene v, nstellungjt-, n>.- I , luktory ^c/r. erv.ougt werden, v;enn das 3orvos.yste:, ^eoTfn^t ist, 2.B. durch 'öffnung des Gestänges tischen -Ie)' elektrischen Betätigungseinrichtung 1·. und ':er Brennstoff steuerung 12. Diese Charaktei 1 striken ^ er Fig. ■ neigen an, laß sich der jtr-oi ler .1 ,tätigung.seinrichOung auf einem featge-* 3iO>rccn Y./ieii :Tlv-;au befindet, bis 'Ue Motordrehzahl -'¹Uf sinen . η u .ngestiegen i.t, irni -,/elcheni die dadurch erzeugten Impulse sich i; it einer Frequenz in dec V-5 η^ . i ;-^"Ί' Io ι, l;..s von i.ei ι iarm .Uric jacen besonderen Irie rji'fi'equjnr.raa ! d<:s V/echselytro!.- filters ningenor'ai.en "iri, zu reich ;i '-',-.ritij /nkt der 3tro: ler Betätigungsein:"i;'.: uung Jt .-.unehiüender M _>to .· 1r'e'n:⁷,ahl stark abnimmt. ,-nn ias 'f.rvo.iy ,t :;.. geschlossen .ist, wi ■; Fig. 1 %eigt, viird U 3 I·' t>-■■ 1· ^ahz 'JhI gerer¹'It und auf einer;i besonderen vsrh-.jrbe r^i... ten ^li.''=r'o festgeh^lt-jn, wie 2.B. a¹ in Fig. ^: für lon P-U. !■-.'.- -lie Kurve a der· Charakteristik wirk-

■.tin. ·' Γ/jj.chnun;_,, in ..elcher auf der Ordinate Ue Belastung \·-.=> '" tor·-, 10 und auf der Abszisse die Dreh- ;-.ahl los Ά Ir.r-; 10 J-; u/. aufgetragen sind. Die fünf Kurven .,h,c. i .,.vi ; entsprechen v,ielni· den vorsteheiid seschri noen ?n i'Mnl' vir-ochi·.·''enen Einstellungen des Wechsel nf'·: filt:r- ■;. l. : /.. serer Kurv-jn jind nicht unbedingt ; .:si>' : gore'jh'ö. r-nlern neigen nur die '-.rt der erz^.lten ■•;:-,vung :Ti. '■ n:"_; '-.T;-.' die waagerechte Linie F.L. die v:12- r.r.-i- -.'r.η '-: .'.tors larst'illt, ist ersichtlich, di3 -la.-; Uj .' ';·..■ i:-'jhrfihl ir;tätigende Regel- und Steuer- :..— ',,':. auf _:.-g.jn '■-.1 η ■:. gev.ünschten Viert von v;eniger als -..GC Tj/ Li . i-.vr ·.00 U/r.i eingestellt /.erden kann und siel; nicht ■.: i >j:r„lieh verändern /ird. trotz Veränderungen von C eis zur ν Ilen Belastung des Hotors.

Zs ist Iahen ein elektrisch geregeltes iiaschinengystem vor gesehen ι ^s leicht in vorhandene Arten von Maschinensyste.ien einreset. t ,.erden kann, la es seine Eingangssignale direkt vcn ien vornan lenen, nit ler B' lastung ver-

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bunlenen Zahnrädern ableiten kann, die durch lic
Maschine angetrieben ..'erden, während es seinen
Ausgang über die vorhandenen Arten der Gestänge
zur Einwirkung bringen kann, welche lie Hvonnstoffsteuerung betätigen. Das System ist genau und
zuverlässig, da es nur auf Änderungen in rl ar Frequenz dar elektrischen Abtastsignale und nicht auf
daren Stärke anspricht, sobald die Maschin ^!drehzahl in den Dreh ζ aiii bereich angestiegen ist, iar geregelt warden soll. Dia Art des verwendeten V.'ecnselstrüiiifliters bewirkt eine rasche Änderung ler Tnannunr if.it der I ,pulsfrequenz innerhalb des B ndes d >r :Ύο-quenz-an, für welche die Regelung ausgeübt ;;ird. Das
v/oterii sieht auch eine einfache und gc-nauu iJinstallung lai¹ gei'egelten Drehzahl übe:¹ einen großen Bereich vor-, >-;oboi die oben erwähnten wünschanswertan Chai'T.iiteri'5t:! ϊγλ.'π les 3ysteiüS für alle Einstellungen innerhalb das baibehalten v/arden.

Di-; rCrf in lung ist nicht auf die largestollto und boj'jhi'iebsne beispielsweise Ausfülirungsfor;., 'üeo^iränkt 11 j '/arschiedene Abänderungen erfahren ',:aiin, oha./len !i.i'a: ion der 'irfindung ^u varlassen.

Patentansprüche

- 17 -

Claims

Dr. Ing. E. BERKENFELD, Pot« ntonwolt, KÖLN, U niver«ltöt»«tro6» 31
2. ilovember 1966 _, . . American Bosch Arma Corpo-

zw Eingab· vom Nam· d. Aam. ^Γ .

ration,

Garden City, Hew York, USA

Patentansprüche

1. Regelschaltung für die Drehzahlregelung bei einem Motor gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Drehzahlmeßmittel (3O₃ 32, 3¹I) zum Ableiten eines ursprünglichen elektrischen Signales, dessen Frequenz mit der zu regelnden Drehzahl veränderlich und in der Amplitud'e variabel ist,

b) Schaltmittel, welche das Signal in ein modifiziertes Signal umwandeln, dessen Frequenz mit der Hotordrehzahl veränderlich 1st., aber über einem weiten Bereich der Motordrehzahl einen praktisch quadratischen Mittelwert (r m s ) hat unabhängig von Drehzahländerungen über einem weitem Bereich,

c) Frequenzmeßmittel, denen das modifizierte Signal zuge-" führt wird, um ein Ausgangssignal mit einem auadra-

tischen Mittelwert zu erzeugen, der mit der Frequenz des modifizierten Signales über mindestens einem Teil des Bereiches der Frequenz veränderlich ist, die durch Änderungen in der Motordrehzahl erzeugt wird, und prak-

ο tisch konstant bleibt bei Änderungen im quadratischen

co '

O₀ Mittelwert des ursprünglichen Signals,

^ d) Mittel (I¹I, 16) zum Regeln der Drehzahl des Motors nach

*- Maßgabe des Ausgangssignales, um die Drehzahl auf einem £ Sollwert zu halten.

2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzmeßmittel, dem das modifizierte Signal zugeführt wird, auf dieses modifizierte Signal anspricht, um ein Ausgangssignal

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zu erzeugen, das der Frequenz des modifizierten Signales nur über einem begrenzten Frequenzbereich praktisch proportional ist und Mittel aufweist zum Einstellen der Frequenzlage des Bandes.
3. Regelschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellmittel einstellbar ist zum Verändern der Frequenzlage des Bandes um einen Betrag, der viele Male größer ist als die Breite des Bandes.
Ί. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzahlmeßmlttel (30, 32, 3¹O neben den Zähnen (22) eines last-führenden Zahnrades (20) angeordnet ist, das von dem Motor j (10) angetrieben wird, und bei Vorbeilauf der Zähne (22) das ursprüngliche elektrische Signal erzeugt.
5. Regelschaltung nach Anspruch 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Drehzahlmeßmittel (30, 32, 3*0 auf die Drehung eines von dem Motor (10) angetriebenen Elementes (20) anspricht zum Erzeugen eines ursprünglichen elektrischen Signales, dessen Frequenz proportional zu der Dreh ζ aiii des Motors (10) veränderlich ist und dessen Amplitude mit zunehmender Drehzahl steigt.

b) ein im Sättigungsbereich arbeitender Verstärker (36) i mit dem ursprünglichem elektrischem Sicnal gespeist wird, um eine Impulsfolge zu erzeugen, deren Impulsfolgefrequenz gleich der Frequenz des ursprünglichen elektrischen Signales ist, die aber praktisch konstante Amplitude hat,

c) ein Filter (80) vorgesehen ist. mit einem Durchlaß-(D

o bereich mit einer steilen unteren Anstiegsflanke, der

ο» _r sich über einen begrenzten Bereich der Folgefrequenz * der Impulse erstreckt, wobei das Filter (80) mit der.

■**» Irapulssignal gespeist wird, um ein modifiziertes Im-

*«- pulsssignal zu erzeugen, das aus einer Folge von Im- £ pulsen besteht, die bei den Wjaderholungsfrequenzen in den Band auftreten, aber Amplituden haben, die als eine

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monotone Funktion der Fol~efrcquenz in dem Band schwanken,

(1) ein Tiofi.-yßfilter (10b) rr.it der ^ol-e der modlfizierten Impuissirnale pe spei st wird, um ein kontiriulerli ehes elektrisches Ci;-nal mit einem üetrar. zu uiiaen. der mit aem Quadratischer. Mittelwert der Impulsfolge au: dem Filter (^C) schwankt,

e) eine tie:; triscne riet'itirunr-s vorri cntunr (1^JI. 16) mit α err. kontinuierlichem elektrischem ripnal pespeist v;irü_; un die Drehzahl des MOtors (10) nach Maßgabe des Frequenz Verhältnisses zwischen der Folpe frequenz der Impulse zu rercln. die den¹ ersten Filter (80) zupeführt weraen. urin dem Frequenzband, das der Flanke der Frequenzcharakteristik des Filters (80) entspricht.
6. He-eIschaltun ■ nach Anspruch ^ dadurch rekennzeichnet₃ daß das von der Flanks einr-enonrene Frequenzband l:lein ist im Vergleich zu der. rrequenzbereich des ursprünrlichor. bei/Lauf des Motors (10) erzeurten Sipnaies und da.?, das Filter (80) Mittel enthalt, um die Flanke über einer. Frequenzbereich zu verändern, der r,roß ist im Vergleich zu eier, vcn der Flanke eingenommenem Frequenzband.
7. Ref.-elschaltunr nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (BO) ein Filter ist, das eine Siebkette aus zueinander widerstandsreziproken Schaltungen und m-abgeleitete Filter enthalt.

S. Regelschaltung nach Anspruch 7, dadurch rekennzeichnet, daß das Filter (30) eine Steuerbar veränderliche Drossel (98) zum Verschieben der Frequenzstellung des von der Flanke eingenommenen Bandes aufweist.

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