DE1538655A1 - Hybride Verhaeltnisregelung - Google Patents
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Description
Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1
Hybride Verhältnisregelung
Zusatz zu Patent .... ... (Patentanmo P 15 38 636.4)
Bei hybriden Verhältnisregelungen, z.B. bei Lageregelungen.
müssen die in digitaler ΈΌrm vorliegenden Regelabweichungen
in Digital-Analog-Umsetzern (D-A-Umsetzern) in analoge
Form umgesetzt werden, bevor sie Stellglieder beeinflussen können. Meist bilden die umgesetzten analogen Werte der Regelabweichungen
die Sollwerte unterlagerter analoger Regelkreise, z.B. analoger Drehzahlregelkreise.
Auf diesem Prinzip beruhende Lageregelungen können grundsätzlich
als pinfache Bahnsteuerungen arbeiten, v/enn der bewegte Maschinenteil einer Arbeitsmaschine, z.B. einer
009884/027$
Werkzeugmaschine, in mehreren Koordinaten gleichzeitig verfahren
wird, Dabei sind dann die Bewegungsgeschwindigkeitenin den einzelnen Koordinaten, z.B. über die Drehzahlen der
Antriebsmotoren, den Regelabweichungen proportional, so daß die vom Programmträger vorgegebenen lagesollwerte auf kürzestem
Wege angefahren werden. Zwar können durch Ungenauigkeiten
im Signalfluß und durch unterschiedliche Charakteristiken bei den Stellgliedern Abweichungen von der mathematisch
vorgegebenen Bahn auftreten, doch wird der Sollwert selbst
mit Sicherheit erreicht. Damit allerdings noch eine proportionale Zuordnung der Koordinatengeschwindigkeit besteht,
dürfen die Zuwachsstücke (Regelabweichungen) in den einzelnen Koordinaten die Stellenzahl der D-A-Umsetzer nicht überschreiten,
d.h. das Sättigungsgebiet der Umsatzerkennlinien darf
nicht erreicht werden. Die Verfahrgeschwindigkeiten sind nicht konstant, da sie ja der jeweiligen Lageregelabweichung
proportional sind und daher nach Vorgabe eines neuen Sollwertes, von einem Maximum beginnend, während des Y/eges bis auf
Null abgebaut werden. Die Folge ist ein dauerndes Schwanken der Bahngeschwindigkeit, welche um so größer wird, je größer
die vorgegebene Lage- Zuwachsstücke sind.
Zur Vermeidung des oben geschilderten Nachteiles ist in Patent
„ ... ...■■ (Patentanm, P 12 92 902.1-52) bereits eine '
hybride Verhältnisregelung vorgeschlagen worden, bei der zur
•Bildung analoger Ausgangssignale nach Bingabe von Sollwerten
allen Digital-Analog-Umsetzern eine erste gerneinsame, durch'
0 0 98 84/027 6
■ BAD QMGtNAL
die .digitalen Regelabweichungen veränderbare. Größe zugeführt
wird, bis eine mit kleiner werdenden Regelabweichungen sich
ändernde zweite Größe einen vorgegebenen Wert erreicht, worauf die zweite Größe bis zum' Erreichen der Sollwerte oder
bis zur Vorgabe von neuen Sollwerten so beeinflußt wird, daß
die erste speisende Größe bei weiterer Verkleinerung der Re_
ge!abweichungen abnimmt.
In dem Patent o ... ... (Patentanm. P 15 38 636.4) wird eine
zusätzliche Regelanordnung vorgeschlagen, die das analoge, ihre Regelgröße bildende Ausgangssignal mindestens eines
Digital-Analog-Umsetzers (D-A-Umsetzers) durch Steuerung
des alle Digital-Analog vUnisetzer speisenden, die Stellgröße
der zusätzlichen Regeanordnung bildenden Größe auf einem Höchstwert konstant hält, bis diese Stellgröße ihren
Höchstwert erreicht hat.
Bestehen die D-A-Umsetzer in an sich bekannter Weise aus parallel
geschalteten Bewertungswiderständen mit dual gestuften Leitwerten, die von den Bits zugeordneter Stellenwerte der
digitalen Regelabweichun zu- oder abgeschaltet -werden, so
liegen die von den D-A-Umsetzern abgegebenen Analogwerte zunächst in der F?rm von die Bewertungswiderstände durchfliessenden
Strömen vor. Diese Ströme können, wenn sich dies bei ihrer V/eiterverarbeitung als Sollwerte unterlagerter Geschv/indigkeitsregelkreise
empfiehlt, in Spannungen umgesetzt werden. Hierzu eignen sich wegen ihrer guten Linearität
00988 4/02 76 BAD OHJGiNAL
stark gegengekoppelte Verstärker, wie sie in der Analog-Rechentechnik
als Operationsverstärker bekannt sind.
Die alle D-A-Umsetzer speisende, die Stellgröße der zusätzlichen Regelanordnung bildende Größe ist dann zweckmässig
eine Spannung, In diesem Fall ist das Verhältnis von Speisespannung
der D-A-Umsetzer zu Gesamtwiderstand eines D-AUmsetzers gleich dem Verhältnis von Ausgangsspannung des
dem D-A.Umsetzer nachgeschalteten Operationsverstärkers (ausgeführt als gegengekoppelter Verstärker) zu Gegenkopplungswiderstand.
Bei kleinen Ausgangsspannungen, die kleine Sollgeschwindigkeiten in den unterlagerten Drehzahlregelkreisen
bedeuten, und großen lageregelabv/elchurigen, (d.h. niederohmigen Gesamtwiderständen in einem D-A-Umsetzer) wird die
Speisespannung der Umsetzer so weit heruntergeregelt, daß sie in den Bereich der Restspannungen der Schalttransistoren
der vorzugsweise kontaktlos geschalteten D-A-Umsetzer kommen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe 'zugrunde, dieser Schwierigkeit abzuhelfen. ; '
Gemäß der Erfindung gelingt dies dadurch, daß die jeweils einem Digital-Analog-Umsetzer nachgeschalteten gegengekoppelten
Verstärker zusätzlich mit jeweils einem weiteren, in gleicher Weise gesteuerten Digital-Analog-Umsetzer verbunden sind,
die an einer gemeinsamen niederen Spannung liegen.
009884/0276
Die Erfindung wird anhand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden
Zeichnung näher erläutertr
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst die
Schaltung des Hauptpatentes in der Anwendung auf die Lageregelung einer Arbeitsmaschine betrachtet.
Durch parallel geschaltete Bewertungswiderstände G- ... GL ,
G- ..o Gn mit dual gestuften Leitwerten und in Reihe liegenden
Schaltern S^_ ... S,, 'bzw. 8.Λ,_ ... SWT sind scheniatisch
oa nx. oy ny
D-A-Umsetzer DAx, DA zur Umsetzung n-stelliger natürlich-binär
kodierter Lageregelabweichungen, die z.B. von einem den
Sollwert-Istwertvergleich durchführenden digitalen Rechner
kommen, in der x- und der y-Koordinate dargestellt. Die Bewertungswiderstände
sind jeweils einer Dualstelle des Signals so zugeordnet, daß sie nach dem zugehörigen Stellwert (L,O)
über die kontaktlosen Schalter zu oder abgeschaltet werden. Die Ausgangsströme Jx, J sind den durch die■Stellungskombinationen
der Schalter gegebenen Werten der binären Signale der
einzelnen Koordinaten proportional und beaufschlagen als analoge Ausgangssignale der D-A-Umsetzer gegengekoppelte, an
sich bekannte Operationsverstärker OV , OV mit hohen BIngangswiderständen,
in denen, die in Spannungen U-. » U1 umgesetzt
werden. Die Ausgänge dieser Verstärker bilden die Sollwerte von nicht dargestellten unterlagerten GeschwindigkeitsregelkrGisen,
die nachgeschaltete, ebenfalls nicht dargestellte
G-leinhätrom-Stelluotoren steuern.
BAD 009884/0276
- 6 - P 1.538
Außerdem werden sie über als ODER-Glied, wirkende Dioden D ,
D , -mit denen hintereinandergeschaltete Zenerdioden ZD in
Reihe liegen, auf gemeinsames Potential -b12 gelegt, das
gegenüber den Ausgangspotentialen und dem Uullpotential
negativ ist. Über die beiden Transistoren P . und P 2 werden
die D-A-Umsetzer an eine Speisespannung U^. gelegt, die
bis zum Leitendwerden der Zenerdioden ZD gleich der Spannung -b12 ist.
Werden neue Lagesollwerte vorgegeben, und sind die von dem Rechenwerk ermittelten Lageregelabweichungen in mindestens
einer Koordinate so groß, daß einer der naghgeschalteten Verstärker OV , OV seinen maximalen Ausgangswert erreicht,
dann wird dieser durch die in der Umrandung RK dargestellte ' zusätzliche Regelanordnung konstant gehalten. Die Regelanordnung
arbeitet dabei so, daß bei Erreichen oder Überschreiten des Ansprech-Ausgangswertes eines Verstärkers die Zenerdioden
ZD leitend werden und das Emitterpotential des Transistors P1 erhöhen. Durch den abnehmenden Laststrom nimmt
das Kollektorpotential des Transistors P . ab. Das Emitterpotential des Transistors P » folgt, so daß die Speisespannung
Uj,. für die D-A-Urasetzer DA , DA ebenfalls abnimmt und
die Ausgangsspannung des Verstärkers, der die Begrenzung ausgelöst
hat, konstant bleibt, In entsprechender V/ei se wird
die Speisespannung der D-A-Umsetzer erhöht, wenn die Zenerdioden die Zenerrichtung sperren. Der bewegte Liaöchinenteil
BAD 009884/0276
wird nunmehr durch den analogen Geschwindigkeitsregelkreis
verfahren, wobei die zuläsEsige Höchstgeschwindigkeit konstant
"bleibtο Dadurch, daß die Lageregelabweichungen an jedem Punkt
der Bahn die Sollwerte- der Geschwindigkeitsregelkreise bilden, korrigiert sich das System stets so, daß den Zielpunkt
der Bahn der Sollwert bildet. Von dem Wert der Lageregelabweichung
an, bei dem das aus den Transistoren P . und Prp
bestehende Stellglied der zusätzlichen Regelanordnung voll ausgesteuert ist, nehmen bei weiter abnehmenden Lageregelabweichungen
auch die Ausgangswerte der Verstärker OV, OV gemäß der Kennlinie der D-A-Umsetzer ab, wodurch die Geschwindigkeitsregelung in eine reine Lageregelung übergeht. Der
lägesollwert wird dann unter Korrektur etwaiger kleiner, während
der Geschwindigkeitsregelung entstandener Bahnfehler exakt erreicht. Werden neue Lagesollwerte bereits vor Erreichung
eines LageSollwertes vorgegeben, so wird eine Anhäufung
der jeweiligen kleinen Fehler zu großen Fehlern zuverlässig
vermieden. .
Bei kleinen Werten- U1x, U1 , also kleinen Sollgeschwindigkeiten in den unterlagerten Geschwindigkeitsregelkreisen, und
großen Lageregelabweichungen, die einen sehr niederohmigen
Gesamtwiderstand eines D-A-Umsetzers bedeuten, wird die
Spannung U-.- sehr klein. Es gilt die Beziehung
009884/0276
- 8- . . P 1538 655.7-32 wobei R^A jeweils den Gesamtwiderstand eines D-A-Umsetzers
und R den Gegenkopplungswiderstand eines Operationsverstärkers 0?x, OY bedeutet.
Wird die Gleichung umgeformt in
RDA
ÜDA
R0
so ist leicht erkennbar, daß das Produkt U1.. bei kleinen Faktoren
RjjA und U.] sehr klein wird. Die Speisespannung UDA kann
dann in die Größenordnung der Re st spannungen der Schalttr'ansistoren in den D-A.Umsetzern kommen, die als Schalter S1, ...
an~ und abschalten.
Um die Absenkung der Speisespannung υΏΑ unter einen Minimalwert
zu vermeiden, sieht die Erfindung jeweils zwei zusätzliche Digital-Analog-Umsetzer DAl und DA* vor, die von einer Spannung
Uj.. gespeist'werden und deren Bev/ertungswiderstände
Gox ··· GAx' Goy ··· Gny mittels Schalter S^ ... S^, S^y ...
S' von den Bits der digitalen Lageregelabweichung ebenso betätigt v/erden wie die Bewertungswiderstände und Schalter der
D-A-Umsetzer DA, DA„. Die Ausgangsströme J und J' durch die
zusätzlichen D-A-Umsetzer fließen bezüglich der Eingänge der Operationsverstärker OV. OV so, daß für den Strom in den
Summenpunkten Sx, S allgemein gilt:
J- J. = J0
O O 9 8 8 4 / O 2 7 6 BAD ORWIINAL
Hierbei bedeutet J die Ströme durch die D-Α-Umsetzer, J' die
Ströme durch die zusätzlichenD-A-Umsetzer und <T_ den Gegenkopplungsstrom
der Operationsverstärker,
Es gilt dann
uda uk ur
RD
Unter der Voraussetzung, daß Rn. = R1 ist, gilt
BA DA ■ .
% - UDA = — · U1
Ro
Bei großen Regelabweichungen (d.h. kleinen R-n^) und kleinen
Geschwindigkeiten (U1) nähert sich die geregelte Speisespannung
Ujj, der festen die zusätzlichen D-A.Umsetzer speisende
Spannung Ui,, die sie nicht unterschreiten kann.
Die Spannung U^n, wird zweckmäßig so hoch gewählt, daß sie
genügend hoch über den Restspannungen der Schalttransistoren
in den D~A-Umsetzern liegt.
Die Anordnung gemäß der Erfindung v/eist noch den zusätzlichen
Vorteil auf, daß durch gemeinsame Verschiebung der Sapnnungen
U-P14 und U' gegenüber Fullpotential die Richtung der Ausgangs-'
υΑ · DA ·
ströme der D-Ä-Umsetzer auf sehr einfache V/eise umkehrbar ist.
9 Seiten Beschreibung
2 Seiten Patentansprüche mit
2 Patentansprüchen
Claims (2)
1. Hybride Verhältnisregelung, bei der digitale Regelabweichungen
nach Umsetzung in von einer Spannung gemeinsam gespeisten Digital-Analog-Umsetzern mit nachgeschal-.teten
gegengekoppelten Verstärkern die Sollwerte von unterlagerten
Geschwindigkeitsregelkreisen bilden, deren Stellglieder mindestens zwei bewegte Maschinenteile
gleichzeitig verfahren, insbesondere zur Lageregelung
von Arbeitsmaschinen (Bahnsteuerung), wobei eine zusätzliche Regelanordnung das analoge, ihre Regelgröße bildende
Ausgangssignal mindestens eines Digitsl-Analog-Umsetzers durch Steuerung der alle Digital-Analog-Umsetzer speisenden,
ihre Stellgröße bildenden Spannung auf einem Höchstwert
konstant hält, bis die Stellgröße ihren Höchstwert erreicht,
nach Patent . . (Patentanm. P 1538 636.4) dadurch
gekennzeichnet, daß die jeweils einem Digital-Analog-Umsetzer (DAx, DA) nachgeschalteten gegengekoppelten
Verstärker (OV , OV) zusätzlich mit jeweils einem weiteren,
in gleicher 'tfeise gesteuerten Digital-Analog-Umsetzer
(DA·, DA1) verbunden sind, die an einer gemeinsamen
niederen Spannung (JJDA) liegen. 009 8 84/02 7 6
2. Verhältnisregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die zusätzlichen Digital_Analog-Umsetzer (D-AJLj DAJL) die
gleichen Bewertungswiderständen (G\l„ ... GL_» Gl·· ... G* )
aufweisen wie die an einer höheren Speisespannungen liegenden Digital-Analog-Umsetzer (DA, DA)β
BAD 0098 8^/0276
L e e r s e i t e
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