DE1588329B2

DE1588329B2 - Einrichtung zur digitalen drehzahlregelung eines gleichstrommotors

Info

Publication number: DE1588329B2
Application number: DE1967J0033260
Authority: DE
Inventors: Clifton von Boulder CoI. Martin (V-StA.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-03-28
Filing date: 1967-03-21
Publication date: 1977-11-17
Also published as: GB1181692A; DE1588329A1; US3443186A; FR1522343A; JPS4541536B1; DE1588329C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur digitalen Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein Anwendungsgebiet der Erfindung sind Antriebsmotoren für die Typenträger von Stangendruckern.

Aus der CH-PS 3 71 172 ist bereits eine Einrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Bei der bekannten Anordnung wird die Frquenzdifferenz zwischen den Zeitimpulsen und den Rückkopplungsimpulsen zur Beeinflussung der Motor-Istdrehzahl verwendet.

Für eine Anwendung beim Typenträgerantrieb eines Stangendruckers ist eine solche frequenzdifferenzabhängige Regelung der Motordrehzahl jedoch kaum ausreichend genau. Es ist deshalb wünschenswert, nicht die Frequenzdifferenz, also den Drehzahlfehler der ' Motordrehzahl, sondern die Phasenverschiebung zwischen Zeitimpuls und Rückkopplungsimpuls zu erfassen und auszuregeln, um eine besonders genaue und feinfühlige Drehzahlregelung zu erhalten.

Eine solche phasenlagenabhängige Regelung einer Motordrehzahl ist an sich aus der DT-AS 11 44 374 bekannt. Dazu läuft bei dieser bekannten Anordnung zusammen mit der Motorwelle eine Lochscheibe um, auf deren einer Seite eine Lichtquelle und auf deren anderer Seite eine Photozelle angeordnet ist. Die Lichtquelle, nämlich eine Glimmlampe, wird mit einer der Solldrehzahl der Welle proportionalen Frequenz getastet, und die so erzeugten Lichtimpulse fallen bei Solldrehzahl der Welle jeweils durch ein Loch der Lochscheibe hindurch auf die Photozelle.

Für den Typenträgerantrieb bei Stangendruckern ist aber eine besonders große Zuverlässigkeit und Störungsunempfindlichkeit zu fordern, da eine Störung des Typenträgerantriebs den Ausfall des gesamten Drukkers zur Folge hätte. Bei Einrichtungen, von welchen große Zuverlässigkeit und Störungsunempfindlichkeit verlangt werden, verwendet man jedoch nicht gerne mit hoher Blinkfrequenz betriebene Lichtquellen und damit zusammenarbeitende Photozellen, da bekanntermaßen einerseits die Lichtquellen verhältnismäßig störanfällig sind und andererseits Störungen durch Fremdlichteinfall auf die Photozelle möglich sind. Außerdem erfordert der Betrieb einer Glimmlampe, die im Hinblick auf die Zuverlässigkeitserfordernisse am ehesten als Lichtquelle in Frage kommt, verhältnismäßig hohe Spannungen, wie sie in Transistorschaltungen nicht zur Verfugung stehen, sondern besonders erzeugt werden müssen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs so auszubilden, daß sie eine von der Phasenlage zwischen den Zeitimpulsen und den Rückkopplungsimpulsen abhängige Regelung der Motordrehzahl bei größtmöglicher Zuverlässigkeit und Störungsunempfindlichkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

Die Erfindung bringt den Fortschritt, daß mit sehr einfachen Mitteln eine phasenlagenabhängige Drehzahlregelung erzielt wird, indem die Zeitimpulse jeweils

nicht nur dem Setzanschluß der einen Kippschaltung, sondern gleichzeitig dem Rückstellanschluß der anderen Kippschaltung und die Rückkopplungsimpulse nicht nur dem Setzanschluß der anderen Kippschaltung, sondern gleichzeitig dem Rückstellanschluß der einen Kippschaltung zugeführt werden, so daß die Signalausgänge der beiden Kippschaltungen dem Motorstromkreis jeweils einen beschleunigenden bzw. verzögernden Steuerimpuls zuführen, dessen Dauer der Größe der Phasenverschiebung zwischen den Zeitimpulsen und den Rückkopplungsimpulsen entspricht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4. Die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 dienen dazu, einem Überschwingen des Reglers entgegenzuwirken. Die Merkmale des Anspruchs 4 dienen der Steuerung der Motoranlaufphase.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des Typenträgerantriebs eines Stangendruckers mit einer Einrichtung zur digitalen Drehzahlregelung des Typenträgerantriebsmotors,

Fig.2 ein Blockschaltbild der Einrichtung zur Drehzahlregelung,

F i g. 3 ein die Arbeitsweise der in F i g. 2 gezeigten Einrichtung erläuterndes Zeitdiagramm,

F i g. 4 eine nähere Einzelheiten zeigende Schaltung der Einrichtung mit einer zusätzlichen Regelschaltung zur Unterdrückung von Drehzahlschwankungen und

Fig.5 ein die Motoranlaufphase erläuterndes Zeitdiagramm.

Gemäß F i g. 1 ist ein Typenträgerantriebsmotor PCM über ein Ritzel 12 und eine am rechten Ende eines Typenträgers 14 befestigte Zahnstange 16 mit dem Typenträger gekuppelt, der eine Reihe flexibler Typenfinger 14a trägt. Außerdem ist am Typenträger 14 eine Fahne 22 angeordnet, mit welcher durch Photozellen 18, 19 und 20 und diesen zugeordnete Lichtquellen gebildete Lichtschranken zusammenwirken. Die Photozellen 18,19 und 20 erzeugen jeweils ein Rechts-Links-Signal R-L bzw. ein Stoppsignal bzw. ein Links-Rechts-Signal L-R. Diese Signale werden jeweils durch Verstärker 24 bzw. 26 bzw. 28 verstärkt und einem Regler 30 zugeführt, welcher den, den Antriebsmotor PCM speisenden Motorstromkreis 32 steuert. Außerdem kann über eine weitere Eingangsleitung dem Regler 30 ein Startbefehl zugeführt werden, um den Typenträgerantrieb in Betrieb zu setzen.

Mit ,dem Motor PCM ist außerdem eine Scheibe 34 gekuppelt, die zusammen mit einem Fühler 34a einen Rückkopplungsimpulsgeber bildet. Die vom Fühler 34a erzeugten Rückkopplungsimpulse, deren Wiederholungsfrequenz der Motordrehzahl proportional ist, werden nach Verstärkung durch einen Verstärker 36 ebenfalls dem Regler 30 zugeführt.

F i g. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild des den Regler 30, den Motorstromkreis 32, den Motor PCMund den Rückkopplungsimpulsgeber enthaltenden Regelkreises. Gemäß Fig.2 enthält der Regler 30 zwei bistabile Kippschaltungen 38 und 46, von denen die eine Kippschaltung 38, wenn sie sich in ihrem Ein-Zustand befindet, dem Motorstromkreis 32 einen beschleunigenden Steuerimpuls zuführt, und von denen die andere Kippschaltung 46, wenn sie sich in ihrem Ein-Zustand befindet, dem Motorstromkreis 32 einen verzögernden Steuerimpuls zuführt. Weiter enthält der Regler 30 einen durch einen Oszillator 42a und einen diesem nachgeschalteten mehrstufigen Zähler 42b zur Frequenzteilung gebildeten Zeitimpulsgeber, dem ein UND-Glied 44 und ein Impulsformer 40 nachgeschaltet sind. Dem zweiten Eingang des UND-Glieds 44 wird bei in Bewegung befindlichem Typenträger 14 ein dies anzeigendes Signal zugeführt.

Die der Beschleunigung zugeordnete Kippschaltung 38 wird jeweils durch die vom Impulsformer 40 kommenden Zeitimpulse in den Ein-Zustand gekippt, allerdings nur dann, wenn gleichzeitig am T-Eingang dieser Kippschaltung ein den Aus-Zustand der anderen Kippschaltung 46 anzeigendes Signal anliegt. Vom Impulsformer 48 kommende Rückkopplungsimpulse stellen die Kippschaltung 38 jeweils wieder in ihren Aus-Zustand zurück. Die andere Kippschaltung 46 wird durch die Rückkopplungsimpulse jeweils in den Ein-Zustand gekippt, sofern gleichzeitig am T-Eingang ein den Aus-Zustand der Kippschaltung 38 anzeigendes Signal anliegt, und jeweils durch die Zeitimpulse wieder rückgestellt. Dadurch werden je nach Phasenlage der Rückkopplungsimpulse mit Bezug auf die Zeitimpulse dem Motorstromkreis 22 beschleunigende oder verzögernde Steuerimpulse zugeführt, und die Dauer des Ein-Zustands der bistabilen Kippschaltungen 38 und 46 ist jeweils proportional zur Phasenverschiebung der Rückkopplungsimpulse gegenüber den Zeitimpulsen.

Das in F i g. 3 gezeigte Zeitdiagramm verdeutlicht die Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 2. Während die Ist-Drehzahl aufgrund beschleunigender Steuerimpulse der Kippschaltung 38 ansteigt, erhöht sich auch die Wiederholungsfrequenz der Rückkopplungsimpulse vom Impulsformer 48, bis schließlich die Ist-Drehzahl über die Soll-Drehzahl hinausschwingt und zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitimpulsen vom Impulsformer 40 zwei Rückkopplungsimpulse auftreten. Von diesen beiden Rückkopplungsimpulsen stellt der erste die der Beschleunigung zugeordnete Kippschaltung 38 zurück und der zweite kippt die der Verzögerung zugeordnete Kippschaltung 46 in den Ein-Zustand, wie in Fig.3 bei A gezeigt ist. Sodann erzeugt die Kippschaltung 46 verzögernde Steuerimpulse, bis die Ist-Drehzahl wieder unter die Soll-Drehzahl abgesunken ist und nunmehr zwei Zeitimpulse zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rückkopplungsimpulsen auftreten. Durch den zweiten dieser beiden Zeitimpulse wird dann an der Stelle B in F i g. 3 die der Beschleunigung zugeordnete Kippschaltung 38 wieder in den Ein-Zustand gestellt.

Die in F i g. 3 sichtbaren Drehzahlschwankungen um den Sollwert treten fortwährend auf, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden, um sie zu unterdrücken. In der in Fig.4 mehr im einzelnen gezeigten Drehzahlregeleinrichtung ist eine Regelschaltung 80 zur Herabsetzung der Amplitude der Drehzahlschwankungen enthalten.

F i g. 4 enthält in ihrem unteren Teil die beiden bereits anhand von F i g. 2 beschriebenen bistabilen Kippschaltungen 38 und 46, die beschleunigende bzw. verzögernde Steuerimpulse für den Motorstromkreis 32 (in F i g. 4 nicht gezeigt) erzeugen. Diesen beiden Kippschaltungen 38 und 46 ist die eben erwähnte, Drehzahlschwankungen entgegenwirkende Regelschaltung 80 nachgeschaltet.

Die Regelschaltung 80 enthält einen der Beschleunigung zugeordneten Steuerimpulsgeber 82 und einen der Verzögerung zugeordneten Steuerimpulsgeber 84, welche jeweils über ein ODER-Glied 64 bzw. 66 mit dem

Motorstromkreis 32 verbunden sind und diesem jeweils Steuerimpulse vorgegebener Dauer zuführen. Der Impulsgeber 82 wird durch eine bistabile Kippschaltung 86 angesteuert, die auf zu geringe Motordrehzahl anspricht Der Impulsgeber 84 wird von einer bistabilen Kippschaltung 88 angesteuert, die auf zu hohe Motordrehzahl anspricht. Die beiden Kippschaltungen 86 und 88 sind mit einem ebenfalls als bistabile Kippschaltung ausgebildeten Umschalter 90 verbunden, der auf Drehzahlschwankungen anspricht. Der Umschalter 90 wird jeweils durch den (^-Ausgang der der Verzögerung zugeordneten Kippschaltung 46 in den Ein-Zustand und durch den (^-Ausgang der der Beschleunigung zugeordneten Kippschaltung 38 in den Aus-Zustand gekippt. Der Umschalter 90 liefert Freigabeimpulse für die Kippschaltungen 86 und 88, deren Setzeingänge jeweils mit dem Q-Ausgang der entsprechenden Kippschaltung 38 bzw. 46 verbunden sind.

Der Umschalter 90 wird jeweils bei Übergängen von Beschleunigungsphasen zu Verzögerungsphasen bzw. umgekehrt betätigt. Dabei wird dem Motorstromkreis 32 vom beschleunigenden Impulsgeber 82 oder vom verzögernden Impulsgeber 84 über das ODER-Glied 66 bzw. 64 jeweils ein Steuerimpuls genau bestimmter Dauer zugeführt, um die Motordrehzahl im Sinne der Einhaltung einer minimalen Regelabweichung zu korrigieren. Die auf zu hohe bzw. zu geringe Motordrehzahl ansprechenden Kippschaltungen 86 und 88 lassen das Wirksamwerden eines der beiden Impulsgeber 82 und 84 nur dann zu, wenn zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitimpulsen eine der beiden Kippschaltungen 38 und 46 zweimal ihren Ein-Zustand eingenommen hat.

Der obere Teil der F i g. 4 zeigt den Zeitimpulsgeber, der sich aus dem Oszillator 42a und dem fünfstufigen binären Zähler 426 zusammensetzt, und eine Schaltungsanordnung zur Steuerung des Motoranlaufs.

Den Motoranlauf nach einem Startbefehl bewirkt ein Motoranlauf-Zeitgeber 53, der sodann dem Motorstromkreis 32 direkt einen Motoranlauf-Zeitimpuls festgelegter Dauer als Startimpuls zuführt. Während dieses Startimpulses erreicht der Motor eine Drehzahl, die etwa drei Viertel der Solldrehzahl beträgt

Während der Beschleunigung des Motors in der Motoranlaufphase erfolgt eine Drehzahlmessung dadurch, daß der Zähler jedesmal beim Auftreten eines Rückkopplungsimpulses vom Impulsformer 48 über einen Impulsgeber 132, der den noch in der Anlaufphase befindlichen Zustand des Motors meldet, zurückgestellt wird, wonach durch den Zähler die Zeit bis zum Auftreten des nächsten Rückkopplungsimpulses ermittelt wird. Während der Dauer des Startimpulses bleibt die Drehzahlregeleinrichtung wirkungslos, da ein auf das Erreichen der Solldrehzahl ansprechender, als weitere bistabile Kippschaltung ausgebildeter Schalter 122 durch den auch dem Rückstellanschluß des Schalters zugeführten Startimpuls im Aus-Zustand gehalten wird. Solange die Solldrehzahl noch nicht erreicht ist, wird vom (^-Ausgang des Schalters 122 dem Setzeingang der beschleunigenden Kippschaltung 38 ein die weitere Beschleunigung bewirkendes Signal zugeführt.

Das Erreichen der Solldrehzahl wird dadurch festgestellt, daß nach einer Zählerrückstellung durch einen vorhergegangenen Rückkopplungsimpuls ein

ίο weiterer Rückkopplungsimpuls auftritt, bevor der Zählerstand 32 erreicht hat. Beim Erreichen der Solldrehzahl wird der Schalter 122 in seinen Ein-Zustand gekippt, wodurch ein diesem nachgeschalteter Impulsgeber 120 ein die Beendigung des Motoranlaufs anzeiges Signal erzeugt. Durch dieses Signal erfolgt eine Rückstellung des Zählers 426 auf den Zählerstand 1 um die Zeitzählung mit den Rückkopplungsimpulsen in Phase zu bringen, und außerdem werden durch dieses Signal die beiden Kippschaltungen 38 und 46 über ODER-Glieder 142 und 144 rückgestellt.

Das Umschalten des als bistabile Kippschaltung ausgebildeten Schalters 122 erfolgt durch das Ausgangssignal eines UND-Glieds 126, an dessen einen Eingang das Ausgangssignal eines UND-Glieds 128 und an dessen anderen Eingang das Ausgangssignal eines UND-Glieds 130 gelangt. Das UND-Glied 128 läßt vom Impulsgeber 48 kommende Rückkopplungsimpulse jeweils dann durch, wenn sich das Ausgangssignal des Oszillators 42a, das durch einen Inverter 140 invertiert wird, gerade auf niedrigem Pegel befindet. Den beiden Eingängen des UND-Glieds 130 wird ein den Zustand der 2⁴-Stufe des Zählers angebendes Signal und das durch einen Inverter 131 invertierte Ausgangssignal des Motoranlauf-Zeitgebers 53 zugeführt. Am Ausgang des UND-Glieds 130 erscheint also ein Signal, wenn der Zähler 42b den Zählerstand 32 noch nicht erreicht hat, was durch ein den Einschaltzustand der 2⁴-Stufe des Zählers anzeigendes Signal am einen Eingang dieses UND-Glieds gemeldet wird, und am Ausgang des Motoranlauf-Zeitgebers 53 kein Impuls mehr erscheint Die Zählerstufen 2¹ bis 2⁴ werden durch Ausgangssignale eines der Impulsgeber 120 oder 132 jeweils über ein ODER-Glied 118 rückgestellt, während die 2°-Stufe des Zählers bei einem Ausgangssignal des Impulsgebers 132 über eine Leitung 138 direkt auf den Wert 0 rückgestellt wird.

Während des Motoranlaufs, solange der Motor die Solldrehzahl noch nicht erreicht hat, gelangen die den Zähler rückstellenden Rückkopplungsimpulse über das UND-Glied 128 und ein UND-Glied 134 zum Impulsgeber 132. Mit dem UND-Glied 134 sind außerdem der (^-Ausgang des Schalters 122 und über einen Inverter 136 der Ausgang des UND-Glieds 130 verbunden.

F i g. 5 zeigt ein Zeitdiagramm, das die Motoranlaufphase bis zum Erreichen der Solldrehzahl verdeutlicht

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur digitalen Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, mit einem oszillatorgesteuerten, einen mehrstufigen Zähler zur Frequenzteilung enthaltenden Zeitimpulsgeber, dessen Pulsfrequenz der Motor-SoIIdrehzahl proportional ist, ferner mit einem Rückkopplungsimpulsgeber, dessen Pulsfrequenz der Motor-Istdrehzahl proportional ist, und mit einem, zwei bistabile Kippschaltungen enthaltenden Regler, dessen eine Kippschaltung durch die Zeitimpulse in den Ein-Zustand und dessen andere Kippschaltung durch die Rückkopplungsimpulse in den Ein-Zustand kippbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Regelung des Motors (PCM) jeweils in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung zwischen den Zeitimpulsen und den Rückkopplungsimpulsen die eine, durch die Zeitimpulse in den Ein-Zustand kippbare Kippschaltung (38) mit ihrem Rückstellanschluß an den Rückkopplungsimpulsgeber (48) angeschlossen ist und während der Dauer ihres Ein-Zustands dem Motorstromkreis (32) einen beschleunigenden Steuerimpuls zuführt und die andere, durch die Rückkopplungsimpulse in den Ein-Zustand kippbare Kippschaltung (46) mit ihrem Rückstellanschluß an den Zeitimpulsgeber (42a, 426) angeschlossen ist und während der Dauer ihres Ein-Zustands dem Motorstromkreis einen verzögernden Steuerimpuls zuführt, und daß eine die Rückstellung des Zählers (42a) zum Zwecke der Synchronisation der Zeitimpulse mit den Rückkopplungsimpulsen nach dem Motoranlauf ermöglichende Verbindung zwischen dem Zähler (42a) und dem Rückkopplungsimpulsgeber (48) vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei mit dem Motorstromkreis (32) verbundene Steuerimpulsgeber (82, 84) und durch einen mit den beiden Steuerimpulsgebern verbundenen Umschalter (90), der jeweils beim Auftreten des Ein-Zustands an einem der beiden bistabilen Kippschaltungen (38, 46) einen der jeweils entsprechenden Kippschaltungen zugeordneten Schaltzustand einnimmt und dadurch bewirkt, daß der diesem Schaltzustand zugeordnete Steuerimpulsgeber (82 oder 84) einen den Motor (PCM) jeweils beschleunigenden oder vergrößernden Steuerimpuls' vorgebbarer Zeitdauer an den Motorstromkreis anlegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer der Steuerimpulse der Steuerimpulsgeber (82, 84) größer als die geringste Einschaltdauer der beiden bistabilen Kippschaltungen (38,46) ist, und daß an den Umschalter (90) und an die beiden Steuerimpulsgeber zwei weitere bistabile Kippschaltungen (86, 88) angeschlossen sind, welch letztere das Wirksamwerden eines der beiden Steuerimpulsgeber nur dann zulassen, wenn zwischen zwei Zeitimpulsen eine der beiden erstgenannten Kippschaltungen (38 oder 46) zweimal ihren Ein-Zustand eingenommen hat.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Motoranlauf-Zeitgeber (53), der nach dem Empfang eines Startbefehlssignals einen Motoranlauf-Zeitimpuls vorgebbarer Dauer erzeugt, und durch eine noch weitere bistabile Kippschaltung (122), weiche nach dem Motoranlauf den genannten mehrstufigen Zähler (42a) dann auf Eins zurückstellt und die Drehzahlregelung wirksam werden läßt, wenn das Erreichen der Motor-Solldrehzahl dadurch gemeldet wird, daß nach einem Zeitimpuls vor dem nächstfolgenden Zeitimpuls ein Rückkopplungsimpuls auftritt.