DE1588961A1

DE1588961A1 - Steuerschaltung,insbesondere zur Steuerung des synchronen Laufs zweier Motoren

Info

Publication number: DE1588961A1
Application number: DE19671588961
Authority: DE
Inventors: Shimabukuro George Tomoitsu
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1966-06-24
Filing date: 1967-06-23
Publication date: 1971-05-27
Also published as: GB1136710A; US3408549A; NL6708773A; DE1588961B2

Description

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XEROX CORPORATION

Rochester, N.Y. 14603
USA

Steuerschaltung, insbesondere zur Steuerung

des synchronen Laufs zweier Motoren

Me Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Phasenlage zv/eier Signale. Eine Anwendung der Erfindung ist die Steuerung der Phasenlage von mindestens zwei Motoren.

Häufig ist es erwünscht, zv/ei räumlich voneinander entfernte Motoren synchron zueinander zu betreiben. Dieser Synchronzustand wird üblicherweise angestrebt, um die Achslasten solcher Motoren in einer genauen Geschwindigkeitsbeziehung zueinander zu halten.

Im Idealfall arbeiten zwei gleiche Motoren synchron zueinander,

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wenn angenommen wird, daß alle den Motorbetrieb beeinflussenden Faktoren für jeden Motor gl'eich sind. In der Praxis ist jedoch ein derartiger Aufbau nur sehr schwer, wenn nicht unmöglich zu erreichen. Außerdem beeinflussen Unnsreltiaktoren am Platz des Motors dessen Betriebsverhalten. Die Unterschiede der einzelnen Kennwerte der Steuerschaltungen jedes Motors tragen außerdem zur Änderung des jeweiligen Motorbetriebes bei. Die Abweichungen der Betriebsdaten können sowohl durch Alterung als auch durch den Betrieb erfolgen. Verschiedene Parameter, beispielsweise die verkettete Spannung, können willkürlich schwanken und dadurch andere Faktoren beeinflussen, die den Idealbetrieb des Motors stören.

Zur Sicherstellung eines erforderlichen synchronen Betriebes zweier Motoren ist es daher, bei Berücksichtigung aller dieser sich ändernden Faktoren, notwendig, zwischen den Motoren eine Verbindung herzustellen, um eine Anzeige zu erhalten, wann und wie weit ein Motor zum anderen außer Synchronismus gerät oder seine Phasenlage ändert. Diese Anzeige allein reicht jedoch nicht aus, sondern es muß auf sie hin auch einer der beiden Motoren beeinflußt v/erden. Die Komplexität des Verbindungsgliedes zwischen den Motoren und die zwischen ihnen üblicherweise vorhandene Entfernung macht ein elektronisches Verbindungsglied erforderlich. Ein derartiges Verbindungsglied wird als Synchrontsierschaltung bezeichnet. Eine solche Schaltung weist im allgemeinen zwei Eingänge auf, von denen jeweils einer von einem Motor ein Synchronisierungssignal aufnimmt, das die Phasenlage

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des geweiligen Motors bezeichnet. Die Synchronisierschaltung weist ferner einen Ausgang auf, an dem ein Ausgleichssignal auftritt, wenn durch Vergleich der Phasenlagen in der Synchronisierschaltung ein Niehtsynchronzustand festgestellt wurde. Das■ Ausgleichssignal gelangt in die Steuerschaltung eines Motors und korrigiert den Zustand. Das Synchronisierungssignal von dem von der Synchronisierschaltung entfernten Motor kann zu dieser entweder über eine direkte elektrische Verbindung oder durch elektromagnetische Strahlung übertragen werden. Die Art der Übertragung hängt üblicherweise sowohl von der Entfernung der Motoren voneinander als auch von deren Verwendungszweck ab.

Ein Anwendungsbeispiel für zwei Motoren, die in Phase arbeiten müssen, ist ein Faksimile-Übertragungssystem. In einem typischen derartigen System befinden sich mindestens zwei Stationen, eine Sende- oder Abtaststation und eine Empfangs- oder Aufzeichnungsstation. In jeder Station befindet sich ein Motor, der in Abhängigkeit von der Benutzungsart der Station eine bestimmte Aufgabe ausführt. In der Sendestation treibt der Motor einen üblichen mechanischen Abtaster, der ein Original, beispielsweise ein gedrucktes Schriftstück, abtastet. In der Empfangsstation treibt der Motor beispielsweise eine mechanische Aufzeichnungsvorrichtung und einen Papierförderer derart, daß die Aufzeichnungsvorrichtung ein Faksimile des ursprünglichen Schriftstückes auf das Papier druckt. Es ergibt sich aus den Aufgaben der beiden I4otoren in beiden Stationen, daß sie in Synchronismus betrieben werden müssen. Kommen die Motoren im Betrieb außer Pha-

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se, so wird das in der Empfangsstation aufgezeichnete Faksimile des ursprünglichen Schriftstückes verzerrt.

Üblicherweise macht das Betriebs-verhalten von Synchronmctoren diese besonders zur Verwendung in Faksimilesystemen geeignet. Eine derjenigen Eigenschaften, die diesen Motoren die Verwendungsfähigkeit in Faksimilesystemen verleiht, ist ihre unabhängig von der Last konstante Geschwindigkeit. Ein anderer wichtiger Gesichtspunkt ist, daß die Arbeitsgeschwindigkeit des Motors von der Frequenz seiner Speisespannung bestimmt wird. Das ermöglicht eine einfache und wirksame Motorgeschwindigkeitssteuerung durch Steuerung der Frequenz eines astabilen Multivibrators mit Hilfe der Phasendifferenz zwischen zwei Motoren. Das Ausgangssignal des Multivibrators liefert dann die Klemmenspannung des Motors. Kommen die Motoren außer Phase, so erzeugt eine Synchronisierschaltung ein Signal, das die Größe des Synchronisierungsfehlers zwischen den Motoren anzeigt. Dieses Signal kann zur kompensierenden Änderung der Frequenz des den Motor steuernden Multivibrators benutzt werden. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit eines Motors zum in Phasebringen mit einem anderen Motor vergrößert oder verringert werden. Wie vorstehend erwähnt, ändern sich jedoch die Betriebsdaten des Multivibrators, was beispielsweise zu einem Synehronisierungsfehler führen kann. Dies ist offensichtlich unerwünscht.

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zur Erzeugung eines Steuersignals, dessen Amplitude ein Maß für die Phasendifferenz

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zwischen einem ersten und einem zweiten Signal ist, insbesondere zur Steuerung des synchronen Laufs zweier Motoren. Sie ist gekennzeichnet durch eine Vergleichsschaltung zur Erzeugung eines ■voreilenden oder eines nacheilenden Phasensignals, dessen Bauer eine Funktion der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal ist, durch erste und zweite Logikschaltungen zur Erzeugung eines ersten bzw. zweiten Zählersignals in Abhängigkeit von der Koinzidenz des voreilenden bzw. nacheilenden Phasensignals mit Impulsen einer vorbestimmten Impulsfolgefrequenz, durch eine Zählschaltung mit einer Vielzahl vorbestimmter, zyklisch aufeinanderfolgender Zählerstände, die derart auf das erste und das zweite Zählersignal anspricht, daß sie auf einen dem ersten oder dem zweiten Zählersignal entsprechenden Zählerstand gebracht wird, und durch eine Wandlerschaltung, die ein dem jeweiligen Zählerstand entsprechendes Ausgangssignal erzeugt, dessen Amplitude ein Maß für diesen Zählerstand ist.

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung,in der die Erfindung benutzt wird.

fig. 2 zeigt schematisch eine Phasenvergleichs- und Steuerschaltung gemäß der Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung enthält einen Motor 1, der in der folgenden Beschreibung als Hauptmotor bezeichnet wird. Ihm

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wird aus einer Spannungsquelle 2 Energie zugeführt. Ein als Hauptsynchronisierungssignal "bezeichnetes Synchronisierungssignal wird beispielsweise von der fotozelle 3 erzeugt, die eine am Hauptmotor angebrachte Markierung 1A anzeigt. Dieses Hauptsynchronisierungssignal wird einem Eingang einer Phasenvergleichs- und Steuerschaltung 4 zugeführt, der außerdem ein als Nebensynchronisierungssignal bezeichnetes Synchronisierungssignal von der Fotozelle 5 zugeführt wird, die eine am als Nebenmotor bezeichneten Motor 6 angebrachte Markierung 6A anzeigt. Die Phasenvergleichs- und Steuerschaltung 4 vergleicht die Phasenunterschiede zwischen dem Haupt- und dem Nebensynchronisierungssignal und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal, das die für den Nebenmotor 6 zum synchronen Betrieb mit dem Hauptmotor 1 erforderliche Geschwindigkeit anzeigt. Durch das Ausgangssignal der Phasenvergleichs- und Steuerschaltung wird der Spannungspegel an der Eingangsklemme des Multivibrators 8, der ein üblicher astabiler Multivibrator ist, geändert. Eine Änderung der Eingangsspannung dieses Multivibrators 8 bewirkt eine entsprechende Änderung seiner Arbeitsfrequenz. Me Ausgangssignale des Multivibrators 8 werden durch einen üblichen Nebenmotorantriebsverstärker 9 verstärkt und dem Nebenmotor 6 als Speisespannung zugeführt. Man erkennt, daß die Frequenz des Multivibrators 8 derart durch die Phasenlage zwischen den beiden Motoren gesteuert wird, daß der Nebenmotor 6 in Phase mit dem Hauptmotor 1 arbeitet. Die in Fig.1 durch gestrichelte Umrandung 11 umschlossenen Schaltungen werden von der Spannungsquelle 12 gespeist. Die Phasenvergleichs- und Steuerschaltung 4 ist ausführlicher in Fig. 2 dargestellt.

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— V —

Vor der Beschreibung der in Pig. 2 dargestellten Schaltung werden gewisse Bezeichnungen und Grundsätze festgelegt. Die in der Schaltung gemäß Fig. 2 benutzten Flip-Flops werden von positiven Impulsen gesetzt und zurückgestellt. Als positiver Impuls wird ein Wechsel von einem positiven Potential eines Pegels zu einem " mehr positiven Potential definiert. Entsprechend wird unter einem negativen Impuls der Wechsel von einem positiven Potential zu einem gegenüber diesem negativeren Potential verstanden. Diese Flip-Flops befinden sich zu Beginn des Betriebes im zurückgestellten Zustand. Dazu kann irgendein Rückstellverfahren benutzt werden. Die verwendeten Und-Schaltungen erzeugen bei Koinzidenz zweier Eingangssignale hohen Pegels ein Ausgangssignal hohen Pegels. Beispiele für die in der Schaltung gemäß Fig. 2 zu verwendenden Flip-Flops finden sich in Harmon Kardons Veröffentlichung "Digital Logic", Katalog-Nr. 515. Die Und-Schaltungen sind von üblicher Bauart und beispielsweise ebenfalls in dem genannten Katalog beschrieben. Obwohl auf den genannten Katalog Bezug genommen wurde, können selbstverständlich auch andere übliche Schaltungen benutzt werden.

Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 angegebene Phasenvergleichs- und Steuerschaltung 4. V;ie in der Beschreibung zu Fig. 1 gesagt, nimmt sie zwei Eingangssignale auf, nämlich das Hauptsynchronisierungssignal und das Nebensynchronisierungssignal. In Fig. 2 wird das Nebensynchronisierungssignal über die Klemme 22 sowohl einem Eingang der Und-Schaltung 20 als auch dem Rucksteileingang des* Flip-Flops 24 zugeführt. Der andere Eingang der Und-Schaltung 20 ist

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direkt mit dem "1"- oder Setzausgang des Flip-Flops 24 verbunden. Da sich das Flip-Flop 24 zu Anfang im zurückgestellten Zustand befindet, ermöglicht es der mit dem "1"-Ausgang dieses Flip-Flops verbundene Eingang der Und-Schaltung 20, daß ein zugeführtes Nebensynchronisierungssignal zum Setzen des Flip-Flops 26 durch die Und-Schaltung 20 gelangt. Ist das Flip-Flop 26 gesetzt, so ist der direkt mit dem "1"-Ausgang dieses Flip-Flops 26 verbundene Eingang der Und-Schaltung 28 unwirksam gemacht. ' Gleichzeitig mit dem Unwirksammachen dieses Einganges der Und-Schaltung 28 tritt am "C'-Ausgang des Flip-Flops 26 ein Betätigungssignal auf, das einen Eingang der Und-Schaltung 30 aktiviert. Ihr anderer Eingang ist mit dem Ausgang eines üblichen Taktimpulsgenerators 32 verbunden. Während des aktivierten Zustandes gelangt durch die Und-Schaltung 30 eine bestimmte Anzahl von Taktimpulsen vom Generator 32 zu einem Eingang des üblichen Yorwärts-Rückwärts-Zählers 36. Die Anzahl der durch die Und-Schaltung 30 gelangten Impulse wird durch die Länge des Betätigungssignals vom Flip-Flop 26 und die Impulsfolgefrequenz des Taktimpulsgenerators 32 bestimmt.

Dieses Betätigungssignal wird durch den Empfang eines Hauptsynehronisierungssignals an der Klemme 34 der Phasenvergleichs- und Steuerschaltung 4 beendet. Da der andere Eingang der Und-Schaltung 28 durch den Setzzustand des Flip-Flops 26 gesperrt ist, gelangt das Hauptsynchronisierungssignal nicht durch die Und-.Schaltung 28. Das Hyauptsynchronisierungssignal stellt jedoch das Flip-Flop 26 zurück, wodurch das Betätigungssignal für das

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Und-G-atter 30 beendet wird. Bei Beendigung dieses Belätigungssignals gelangen keine Taktimpulse mehr durch die Und-Schaltung 30, und ein Synchronisierungszyklus ist beendet.

Aus der Beschreibung des Zusammenwirkens zwischen den Und-Schaltungen 20 und 28 und den Flip-Flops 24 und 26 geht hervor, daß die Zeitspanne, während der das Flip-Flop 26 im Setzzustand ist, der Zeitspanne zwischen dem Eintreffen des Neben- und des Hauptsynchronisierungssignals an den Eingangsklemmen 22 und 34- entspricht«

Die im Setzzustand des Flip-Flops 26 durch die Und-Schaltung 30 gelangten Impulse werden zur Zählung in einer Richtung, die beispielsweise als Rückwärtsrichtung bezeichnet wird, dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 36 zugeführt. Der erreichte Zählerstand ist eine Funktion der Impulsfolgefrequenz des Taktimpulsgenerators 32 und der Dauer des Setzzustandes des Flip-Flops 26. In Abhängigkeit eines im Zahler 36 gespeicherten Zählerstandes reagiert ein Digital-Analog-Wandler 38 von üblicher Bauart und setzt diesen in ein entsprechendes an seiner Ausgangsklemme 40 auftretendes Analogsignal um.

Wie in der Beschreibung zu Fig. 1 erklärt, dient das Ausgangssignal an der Klemme 40 als Kompen3ationsspannung zur Steuerung der Arbeitsfrequenz des Multivibrators 8, wodurch die Geschwindigkeit des Nebenmotors 6 gesteuert wird.

In dem beschriebenen spezie-llen Fall trifft das Nebensynehronisierungssignal vor dem Hauptsynchronisierungssignal ein, und der Zählerstand des Zahlers 36 erzeugt eine Kompensationsspannung am Eingang des Multivibrators 8, durch die die Geschwindigkeit des Nebenmotors 6 verringert wird, so daß er in Synchronismus mit dem Hauptmotor 1 kommt.

In dem Pail, in dem das Hauptsynchronisierungssignal vor dem Nebensynchronisierungssignal eintrifft, erfolgt der Vorgang ähnlich wie anhand von Fig, 2 erklärt. Beim Empfang des Hauptsynchronisierungssignals wird jedoch das Flip-Flop 24 gesetzt und verbleibt in diesem Zustand, bis es vom Nebensynchronisierungssignal zurückgestellt wird. Während des Setzzustandes dieses Flip-Flops 24 gelangt eine entsprechende Anzahl von Taktimpulsen vom Taktimpulsgenerator 32 durch die Und-Schaltung 42. Diese Taktimpulse gelangen an den anderen Eingang des Zählers 36 und bewirken eine Zählung entgegengesetzt zur Richtung der Zählung mit Hilfe der Und-Schaltung 30 oder in Vorwärtsrichtung. Auf diese Weise erzeugt der Digital-Analog-Wandler 38 eine Spannung zur Vergrößerung der Geschwindigkeit des Nebenmotors 6, so daß dieser in Synchronismus mit dem Hauptmotor 1 kommt.

Arbeiten der Haupt- und der Nebenmotor in Synchronismus, so setzen das Haupt- und das Nebensynchronisierungssignal die beiden Flip-Flops 24 und 26 und stellen sie gleichzeitig zurück. Vorzugsweise verbleiben die Flip-Flops im Buhestand. Erfolgt in den

Und-Schaltungen 20 und 28 eine Verzögerung, so kann diese zur Sicherstellung des gewünschten Ergebnisses ausgenutzt werden, so daß der Zustand des Zählers 36 unverändert bleibt.

Jeder Zählerstand des Zählers 36 kennzeichnet eine andere Geschwindigkeit des Nebenmotors. Ist dieser Zählerstand eingestellt, so xtfird die Geschwindigkeit des Nebenmotors 6 über den Digital-Anal οg-Wandler 36 und den astabilen Multivibrator 8 entsprechend dem Zählerstand geregelt. Ist die Geschwindigkeit des Nebenraotors gegenüber der des Hauptmotors zu langsam oder zu schnell, so zeigt die Phasenvergleichs- und Steuerschaltung 4 diesen Unterschied an und bewirkt durch den Zählerstand des Zählers 36 eine diesem entsprechende Änderung der Geschwindigkeit des Nebenmotors.

Da jeder Zählerstand einer anderen Geschwindigkeit des Nebenmotors entspricht, kann die Genauigkeit dieses Synchronismerungssystems durch Änderung der Impulsfolgefrequenz des Taktimpulsgenerators 32 eingestellt werden. Durch eine höhere frequenz erhält man eine größere Genauigkeit, da eine größere Abstufung der Geschwindigkeiten des Nebenmotors möglich ist.

Für den Fachmann ist es klar, daß die Kapazität des Zählers in Abhängigkeit von der Impulsfolgefrequenz und der maximal möglichen Phasendifferenz geändert werden muß.

Obwohl in dem Allsführungsbeispiel ein Yorwärts-Rückwärts-Zähler beschrieben wurde _t können zur Erzielung komplementärer Zähler-

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stände in Abhängigkeit von den durch die Und-Schaltungen 30 und 42 gelangten Impulsen auch zwei übliche in einer Richtung zählende Zähler verwendet werden. In diesem Fall wird jeder Zähler für sich derart mit dem Digital-Analοg-Wandler verbunden, daß diesem ein dem absoluten Zählerstand entsprechendes Signal zugeführt wird.

Der Digital-Analog-Wandler 38 kann beispielsweise eine Anzahl von Parallelschaltungen aus Widerständen und Dioden enthalten, von denen jede eine bestimmte Stellung des Zählers 36 überwacht. Der Widerstand jedes Parallelzweiges ist auf die Anzeige eines bestimmten Zählerstandes abgestimmt. Beispielsweise aktiviert ein hoher Zählerstand die mit einem großen Widerstand verbundene Diode, während ein niedriger Zähla-stand einem entsprechend kleineren Widerstand zugeordnet ist.

Die Überwachung der verschiedenen Zählerstellungen durch den Digital-Analog-Wandler 38 kann dauernd erfolgen. Dann wird eine Integrierschaltung zur Erzeugung eines Mittelwertes der Reihe von aufeinanderfolgenden Zählerständen des Zählers 36 oder eines Mittelwertes der Analogsignale des Digital-Analog-Wandlers 38 benutzt.

Dem Fachmann ist außerdem die Verwendung von Logikschaltungen, beispielsweise Und-Schaltungen, an den Ausgängen des Zählers zur diskreten Anzeige des Zählerstandes jeweils nur beim Speichern eines den Phasenzustand kennzeichnenden Zählerstandes bekannt.

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Die anderen Eingänge dieser Logikschaltungen können beispielsweise über eine Oder-Schaltung miteinander verbunden sein, über welche die das Ende einer Phasendifferenzbestimmung anzeigende Rückstellung des jeweiligen Flip-Flops 24 oder 26 überwacht wird.

Obwohl die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie nicht auf dieses beschränkt, sondern es können beispielsweise elektrische Teile durch andere diesen äquivalente ersetzt werden. Beispielsweise können die Flip-Flops und Logikschaltungen durch andere Kombinationen mit gleicher Funktion wie die in Fig. 2 gezeigte Schaltung ersetzt werden.

Obwohl vorstehend darauf hingewiesen wurde, daß ein Synchronmotor verwendet wird, kann selbstverständlich für die erfindungsgemäße Schaltung auch irgendein anderer Motor verwendet werden, dessen Geschwindigkeit von der Frequenz der Speisespannung des Motors abhängt.

Es ist außerdem klar, daß die Phasenvergleichs- und Steuerschaltung gemäß Fig. 2, obwohl sie in Zusammenhang mit einem Motorsynchronisierungssystem beschrieben wurde, auch in anderen Systemen verwendet werden kann.

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Claims

1588051 Pat entans prüche

1. Steuerschaltung zur Erzeugung eines Steuersignals, dessen Amplitude ein Maß für die Phasendifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Signal ist, insbesondere zur Steuerung des synchronen Laufs zweier Motoren, gekennzeichnet durch, eine Vergleichsschaltung (20, 22, 24, 26, 28, 34) zur Erzeugung eines voreilenden oder eines nacheilenden Phasensignals, dessen Dauer eine I¹UnICtIOn der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal ist, durch erste und zweite Logikschaltungen (30 bzw. 42) zur Erzeugung eines ersten bzw. zweiten Zählersignals in Abhängigkeit von der Koinzidenz des voreilenden bzw. nacheilenden Phasensignals mit Impulsen einer vorbestimmten Impulsfolgefrequenz, durch eine Zählschaltung (36) mit einer Vielzahl vorbestimmter, zyklisch aufeinanderfolgender Zählerstände, die derart auf das erste und das zweite Zählersignal anspricht, daß sie auf einen dem ersten oder dem zweiten Zählersignal entsprechenden Zählerstand gebracht wird, und durch eine Wandlerschaltung (38), die ein dem jeweiligen Zählerstand entsprechendes AusgangssiPrnal erzeugt, dessen Amplitude ein Maß für diesen Zählerstand ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählschaltung einen Vorwärts-Rückwärts-Zähler (36) enthält, dessen Zählerstand durch das erste Zählersignal in der

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einen Richtung und durch das zweite Zählersignal in der ande-. ren Richtung geändert wird und daß die Wandlerschaltung einen Digital-Analog-Wandler (38) enthält·

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signal aus die Winkelstellung und die Drehgeschwindigkeit eines Hauptmotors (1) anzeigenden periodischen Hauptsynchronisierungsimpulsen besteht, während das zweite Signal aus die Winkelstellung und die Drehgeschwindigkeit eines Nebenmotors (6) anzeigenden Nebensynehronisierungsimpulsen besteht und daß zur wahlweisen Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Nebenmotors (6) eine mit dem Ausgang (40) der Wandlerschaltung (38) verbundene Spannungsquelle veränderbarer Frequenz vorgesehen ist.

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