DE1788043B2 - Numerisch arbeitende Programmsteuerung mit einer Bahnsteuereinrichtung - Google Patents

Description

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F i g, 4 erläutert die Arbeitsweise einer herkömm- zur Weg-Jstwert-Rückführung einen Schwellenwert-

iehen numerischen Bahnsteuereinrichtung mit sta- kreis 6, der das Schwellenwertsignal S_f abgibt, wenn

lijen und instabilen Punkten der Drehmoment-Dreh- ein Steuerpunkt des Schrittschaltmotor« in einer vor-

vinkel-Kennlinie; gegebenen Stellungsbeziehung mit einem Sollpunkt

F i g, 5 zeigt die Verschiebung der Drehmoment- δ ist, Der Steuerpuukt bewegt sich jeweils in Richtung

Drehwmkel-Kennlinie um einen Schritt; nach einem Sollpunkt, der einer der stabilen Punkte

F i g. 6 zeigt einen Fehlnachlauf eines Schritt- ist, wobei jeder stabile Punkt über eine Mehrzahl

ichaltmotors; von Schritten des Schrittschaltmotors verteilt ist, und

F i g, 7 (ι) und 7 (ii) zeigen die Beziehung zwischen der sich jeweils um einen Schritt weiterbewegt, wenn

einer Stellgröße, einem stabilen Bereich, einem Soll- io der Antriebskteis ein Stellsignal S„ erhält,

punkl, einem Steuerpunkt und dem erzeugten Dreh- Nunmehr wird der Begriff Sollpünkt P_e und Steuer-

rooment; punkt P_M eines Schrittschaltmotors erläutert.

F i g. 8 (i) und 8 (ii) geben ein Ausführungsbeispiel Ein Soll punkt P_n der für eine Mehrzahl von

eines Schwellenwertkreises; Schritten gültig ist, ist einer der stabilen Punkte und

F i g. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines 15 bewegt sich jeweils um einen Schritt weiter, wenn

Schwellenwertkreises; ein Stellsignal S., in den Antriebskreis einläuft. Ein

Fig. 10 zeigt eine dritte Ausführungsform des- SteuerpunktP_M 1st ein Punkt, der sich unter fester

selben; Korrelation mit dem Rotor des Schrittschaltmoiors

Fig. 11 (i) und 11 (ii) erläutern die Arbeitsweise in einer vorgegebenen Stellungsbeziehung zu dem

der Ausführungsform nach F i g. 10; ao Sollpunkt P₄. befindet, wenn der Rotor in einem Zu-

F i g. 12 zeigt eine Ausführungsform eines Unter- stand verbleibt, wo ein in dem Schrittschahmotor

drückerkreises; erzeugtes Drehmoment ^igenüber dem erregten

Fig. 13 dient zur Er'äuterung der Arbeitsweise Stator des Schrittschaltmotor., einen Nullwert hat.

der Bahnsteuereinriehtung; Der Sollpunkt P_c verschiebt sich jeweils in Abhän-

F i g. 14 zeigt eine weitere Ausfübrungsform des 25 gigkeit von einer positiven oder negativen Polari-

Unterdrückerkreises, und tat S, oder S_ des Stellsignals S₂ um einen Schritt

Fig. 15 gibt Signalwellenformen für die Ausfüh- nach vorn oder zurück, wenn das StellsignalS₂ von

rungsform nach F i g. 14 an. dem Interpolator 2 abgegeben wird. Der Steuer-

F i g. 1 zeigt eine Drehmoment-Drehwinkel-Kenn- punkl P_M folgt dem Sollpunkt P_c auf Grund des in linie eines Schrittschaltmotors. In F i g. 1 sind auf 30 dem Schrittschaltmotor erzeugten Drehmoments,
der Ordinate das Drehmoment und auf der Abszisse F i g. 4 zeigt die Grundkurve für eine numerische der Drehwinkel des Schrittschaltmotors aufgetragen. Bahnsteuereinriehtung nach F i g. 2, die einen Aus-Die Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinie ist eine schnitt mit einer Periodenlänge aus der Kurve der periodische Funktion und besitzt vier Perioden für F i g. 1 darstellt. Die Punkte P₅, P1, und P₄._, sind eine Umdrehung des Schrittschaltmotors. P₅ ist ein 35 in den F i g. 1 und 4 jeweils entsprechend eingezeichstabiler Punkt und P_Ai sowie P^₂ sind instabile net; der Punkt P_s entspricht dem Sollpunkt P_r. Wenn Punkte. Ein stabiler Bereich um den stabilen sich der Steuerpunkt P_u im Punkt P₁ befindet, erPunkt P_s liegt zwischen den instabilen Punkten P_A) zeugt der Schrittschaltmotor ein Drehmoment

Ein Blockschaltbild einer bekannten numerischen 40 Da die bekannte Bahnsteuereinriehtung nach Bahnsteuereinriehtung mit einem Schrittschaltmotor F i g. 2 den Schrittschaltmotor im Sinne einer Einist in F i g. 2 aneegeben. Diese Einrichtung umfaßt stellung T (P _M) — 0 dreht, verschiebt sich der Steuereinen Sollwertgeber 1 zur Erzeugung eines Geschwin- punkt P_M von einem Punkt P₁ nach einem Punkt P₈. digkeitssignals S₁ mit einer Wiederholungsperiode Wenn entsprechend sich der Steuerpunkt P_M in einem von 1/Sollvorschubgeschwiiidigkeit auf Grund einer 45 Punkt P₂ befindet, bewegt sich der Steuerpunkt P_M Geschwindigkeitsinformation (die z. B. von einem in Richtung des Punktes P₅, da sich der Schrittschalt-Lochband herkommt), welche die Sollvorschub- motor so dreht, daß das Drehmoment T(P_M) dem geschwindigkeit eines gesteuerten Elementes — z.B. Nullwert zustrebt. Da das Drehmoment T(P_M) im durch einen Schrittschaltmotor 4 — vorschreibt, Punkt P₅ den Wert Γ (P_M) = T (P_s) = 0 hat, dreht einen Interpolator 2 (einen digitalen Kurveninter- 50 sich der Schrittschaltmotor nicht weiter, und der polator unter Verwendung eines Differentialanaly- Steuerpunkt P,_M stellt sich auf den Punkt P_s ein. Insators), der unter Ausnutzung des Geschwindigkcits- folgedessen bezeichnet man den Punkt P_s als stabilen signals S₁ und einer Weginformation (z. B. ebenfalls Punkt.

von einem Lochband) für die Verteilungsart, eine Da andererseits das Drehmoment 7" (P_Al) in einem

Stellgröße der numerischen Steuerung S₂ erzeugt, 55 Punkt P_A , den Wert T {P_A ,) — 0 hat, wenn sich der

sowie einen Antriebskreis 3 mit einem Motor, der Steuerpunkt P_M in Punkt P_A , befindet, dreht s^;ch

das Stellsignal S₂ als Stellgröße der numerischen der Schrittschaltmotor theoretisch nicht. Wenn sich

Steuerung empfängt und ein gesteuertes Element auf jedoch der Steuerpunkt P,_V1 nur geringfügig nach

Grund des von dem Motor abgegebenen Dreh- einer Seite gegenüber dem Punkt P_A , verschieb!

moments antreibt. 60 _wi_rd ein solches Drehmoment T (P_M) erzeugt, daC

Die Einrichtung nach der Erfindung ist in F i g. 3 sich der Steuerpunkt P_K von dem Punkt P_A , weg

mit angegeben und umfaßt neben einer herkömm- bewegt. Infolgedessen dreht sich der SchrittschaU

liehen numerischen Bahnsteuereinriehtung mit Weg- motor, und der Steuerpunkt P_M verschiebt sich ii

istwert-Rückmeldungsregelschleife zusätzlich einen Richtung des benachbarten stabilen Punktes P₅

Unterdrückerkreis S, der das Geschwindigkeits- 65 oder P₅. Deshalb wird der Punkt P_{A l} als instabile

signal S, unter Veränderung durch eine weitere Weg- Punkt bezeichnet. Der Punkt P_At ist ein ähnliche

Istwert-Rückfiihvung als modifiziertes Geschwindig- instabiler Punkt. Daher ist ein Bereich /?/, der kein

keitssignal S₁ an den Interpolator weitergibt, sowie instabilen Punkte P_{A t} und P_{A 2} einschließt, ein si«

biler Bereich für den stabilen Punkt P, als Sollpunkt. Ein praktisch brauchbarer stabiler Bereich R_s ist jedoch nach Fig. 4 ein Bereich, wo das Rückstelldrehmoment T(P_M) entsprechend dem Stellungsunterschied zwischen dem Sollpunkt P_c und dem Steuerpunkt P_M, d. h. der Größe des Nachlaufs. größer wird. Die Beziehung zwischen dem Steuerpunkt P_M, dem Sollpunkt P_c und dem stabilen Bereich R_s (oder R_s') ist jeweils symmetrisch, unabhängig von einer Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung des Schrittschaltmotors, wenn der Steuerpunkt P_M auf dem Sollpunkt P_c liegt und wenn eine Stellungsabweichung zwischen dem Sollpunkt P_c und dem stabilen Bereich R_s so bestimmt ist, daß der Steuerpunkt Ρ_ΛΙ in der Mitte des stabilen Bereiches R_s (oder R_s') liegen soll. Eine andere gegenseitige Be-Ziehung kann selbstverständlich ebenfalls benutzt werden.

Die Arbeitsweise der numerischen Bahnsteuereinrichtung nach F i g. 3 ist folgende: Ein stabiler Punkt, auf den der Steuerpunkt P„ in der Anfangsperiode eingestellt ist (z. B. im Zeitpunkt der Einschaltung der Leistungsquelle), ist in Übereinstimmung mit einer Anfangsstellung eines Sollpunktes P₍. Die Drehmoment -Drehwinkel-Kennlinie wird um eine vorgegebene Winkeleinheit in Abhängigkeit von der Polarität des Stellsignals S₂ verschoben, sobald dieses Stellsignal S₀ erzeugt wird. Der Schrittschaltmotor dreht sich in der Weise, daß der Steuerpunkt P_M dem Sollpunkt P_c näherkommt, der zusammen mit der Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinie verbehoben worden ist. Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen Sollpunkt P_f, Steuerpunkt P_M und Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinien vor und nach der Verschiebung.

Ein Fehlnachlauf kann sich in folgender Weise ergeben. Es soll ein Stellsignal S₂ mit hoher Folgefrequenz an dem Antriebskreis"3 im Sinne einer Beschleunigung des Schrittschaltmotors anliegen. Der Sollpunkt P_e verschiebt sich entsprechend schnell. Es besteht jedoch eine Grenze für das Ausgangsdrehmoment des Schrittschaltmotors. Wenn ein großes Drehmoment zur Beschleunigung des gesteuerten Elements erforderlich ist, kann der Steuerpunkt Pμ dem Sollpunkt P_c nicht folgen, so daß eine Stellungsdifferenz (Nachlauf) immer mehr zunimmt. Dieses wird an Hand der F i g. 6 verständlich, wo der Sollpunkt P_c als Ursprung genommen ist. Dies bedeutet, daß sich der Steuefpuökt P_M von dem Sollpunkt Pc allmählich über die Punkte P_Mv P_M, und P_Ms wegbewegt. Wenn er schließlich über "einen instabilen Punkt P_A gelangt, der den stabilen Bereich Λ/ begrenzt, wird das Ausgangsdrehmoment T(Pm,,) des Schrittschaltmotors gemäß Fig. 6 in einer Richtung entgegengesetzt zu der gewünschten Nachlaufrichtung erzeugt. Damit bewegt sich der Steuerpunkt P« nunmehr schnell gegen einen stabilen Punkt Pcj, der von dem Sollpunkt P_c um eine Periodenlänge entfernt ist. Diese Erscheinung wird als Fehlnachlauf bezeichnet. In Extremfällen kann es eintreten, daß der Steuerpunkt P_M hinter dem Sollpunkt um mehrere Periodenlängen herläuft. Im vorstehenden sind die Verhältnisse für eine Beschleunigung erläutert. Im Falle einer plötzlichen Verzögerun? ergibt sich der Effekt eines umgekehrten Fehlnachlaufs, nämlich eines Obervorlaufs.

Damit die Trägheit und das Reibungsmoment des gesteuerten Elements vergleichsweise wenig störend sind, wird innerhalb einer bekannten numerischen Bahnsteuereinrichtung ein Schrittschaltmotor mit einem ausreichend großen Ausgangsleistungspegel zum Antrieb einer Last benutzt, die hauptsächlich durch das gesteuerte Element verwirklicht wird. Damit der Schrittschaltmotor nicht sprunghaft beschleunigt oder verzögert wird, wird eine Beschleunigung oder Verzögerung der Verstellgeschwindigkeit des Sollpunktes P_c gegenkoppelnd zur Zunahme oder Abnähme der Taktfrequenz des Geschwindigkeitssignals S₁ in Form einer Exponentialfunktion mit vorgegebener Zeitkonstante eingespeist, unabhängig von der Bewegung des gesteuerten Elements. Diese Zeitkonstante stimmt kaum mit derjenigen der beweglichen mechanischen Teile einschließlich des Schrittschaltmotors und des gesteuerten Elements 4 überein. Wenn diese Zeitkonstante kleiner als diejenige des mechanischen Systems ist. ergibt sich unerwünschterweise eine sprunghafte mechanische

ao Verstellung des von dem Schrittschaltmotor angetriebenen gesteuerten Elements, auch wenn der Schrittschaltmotor einen ausreichend hohen Leistungspegel aufweist.

Nunmehr wird die Erfindung an Hand eines Aus-

as füh: jngsbeispiels einer numerischen Bahnsteuereinrichtung mit Digital-Analog-Wandlung mittels eines Schrittschaltmotors erläutert.

In F i g. 3 erzeugt ein neben der bekannten Wegistwert-Rückmeldeschleife zusätzlich vorhandener Schwellenwertkreis 6 ein Schwellenwertsignal S_n das den Signalwert »0« hat, solange der Steuerpunkt P_Si in einer vorgegebenen Beziehung zu dem Sollpunkt P_c innerhalb eines stabilen Bereichs R_s steht (entsprechend der Erläuterung an Hand der Fig. 4); das Schwellenwertsignai hat den Wert»l«, sobald der Sieuerpunkt P_M nicht innerhalb des stabilen Bereichs R_s gelegen ist.

Fig. 7(i), 7(ii) geben die Beziehung zwischen einem Schwellenwertsignal S_c, einem stabilen Bereich /?„ einem Sollpunkt P₁-, einem Steuerpunkt P_M, einer Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinie C und einem Drehmoment T(P_M) des Schrittschaltmotors an. Fig. 7 (i) gilt für den Fall, daß der Steuerpunkt Ρ_ΛΙ innerhalb des stabilen Bereichs R_s gelegen isi und das Schwellenwertsignal S_c den Signalwert »0« hat. F i g. 7 (ii) gilt für den Fall, daß der Steuerpunkl P_M außerhalb des stabilen Bereichs R_s gelegen isi und das Schwellenwertsignal S_c einen Signalwert »1« hat

Danach hat das Schwellenwertsignal S_c den Signal· wert »0«, solange der Steuerpunkt P_M innerhalb de; stabilen Bereichs R_s gelegen ist, der m seiner Mitte den SoTIpunkt P_e enthält. Das Schwellenwertsignal S₁ hat den Signalwert »1«, sobald der SteuerpunktP_A außerhalb dieses stabilen Bereichs R_s zu liegei kommt. Wenn mit anderen Worten die Stellungs differenz zwischen dem Steuerpunkt P_M und den SoTIpunkt P_c kiemer als die halbe Größe des stabilei Bereichs R_s ist, nimmt das Schwellenwertsignal 5 den Wert »0« an. Wenn diese Stellttngsdiiferen; größer als die halbe Größe des stabilen Bereichs R ist, stellt sich das Schwelienwertsignal auf dei Wert »1« ein. Infolgedessen erhält man em gleiche ScbweFIenwertsignal S_e, wie oben erläutert ist, aud wenn der Steuerpunkt P_M in die Mitte des stabilei Bereichs R_s an Stelle des Sollpunkts P_c gestefit wird Die F i g. 8 (0 and 8 (π) zeigen ein Ausfuhrungs

beispiel für den Schweflenwertkreis 6, der eh

Schwellenwertsignal S_c in Abhängigkeit davon liefert, ob ein Sollpunkt P_c innerhalb" oder außerhalb •ines Bereichs /i_s gelegen ist. Da nach F i g. 1 die Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinie hinsichtlich der Winkelstellung eines Schrittschaltmotors periodisch ist, wird angenommen, daß die Schrittanzahl innerhal'1 einer Periode N₁ beträgt. Die Schrittanzahl innerhalb des stabilen Bereichs R_s beträgt

N_t (N₁ > N„),

und die Periodenanzahl für eine Umdrehung (360ⁿ) des Schrittschaltmotors beläuft sich auf M.

Eine in den F i g. 8 (i) und 8 (ii) dargestellte Schlitzplatte 7 ist kreisförmig ausgebildet und mechanisch mit der Drehachse des Schrittschaltmotors gekoppelt und weist M Umfangsabschnitte auf. Ein Drehwinkel η eines jeden Abschnittes entspricht N Schritten, und ein Drehwinkel n_s eines in einem jeden Abschnitt enthaltenen Schlitzes entspricht N_s Schritten (also einem stabilen Bereich). Der Einfachheit halber ist in den F i g. 8 (i) und 8 (ii) ein Teil der Schlitzplatte in Umfangsrichtung gesehen dargestellt. F i g. 8 (ii) gibt ein konstruktives Beispiel des Schwellenwertkreises 6. Ein von einer Lichtquelle L_A ausgesandtes Lichtbündel wird mittels einer Linse L parallel gerichtet, welche den Winkelbereich von η Schritten mit N Lichtbündeln überdeckt. Diese I ichtbündel werden durch Lichtröhren I₁... I_n zu Lichtempfängern d_t... d_N geführt, die in fester Beziehung zu dem Schrittschaltmotor 4 den Lichtröhren I₁.. . I_n gegenüberstehen. Die Schlitzplatte 7 ist zwischen den Lichtempfängern und den Lichtröhren gelegen. Wenn eine Anordnung aus Lichtröhre und Lichtempfänger innerhalb eines Schlitzes der Schlitzplatte 7, z. B. die Lichtröhre l_K und der Lichtempfänger d_K, ausgerichtet ist, wird ein Lichtbündel der Lichtröhre l_K von dem Lichtempfänger d_K erfaßt, dessen Ausgangssignal D^ in einen Verstärker Λ^ eingespeist wird In diesem Zeitpunkt hat das Ausgangssignal ΑΌ_Κ des Verstärkers A_K den Signalwert »1«. Für eine Lichtröhre I_n und einen Lichtempfänger d_N wird kein Ausgangssignal D_n an den Verstärker Λ _N abgegeben, da der Lichtweg durch die Schlitzplatte 7 unterbrochen ist. Infolgedessen hat das Ausgangssignal AD_n des Verstärkers A_n den Wert »0«. Jeder Lichtempfänger d^ ... d_N ist an einen Verstärker A₁... A_n angekoppelt. Die Verstärker A j... A_n sind jeweils mit Und-Torschaltungen G₁ G_n verbunden.

Die Signale E₁,.. E_H kommen von einem Ringzähler her, der eine Baugruppe des Antriebskreises 3 der F i g. 3 darstellt Die Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinie verschiebt sich in Abhängigkeit von diesen Signalen schrittweise vorwärts, wobei entsprechend der Sollpunkt P_c schrittweise vorrückt Jeweils ein SignalE₁.. .E_n hat den Signalwert »1«, während alle übrigen Signale den Signalwert »0« aufweisen. Wenn ein Signal E₁ den Wert »1« hat, ist ein entsprechender Sollpunkt ausgewählt, wenn ein Signal E₂ den Signalwert »1« annimmt, ist der nächstfolgende Sollpunkt ausgewählt Wenn entsprechend ein Signal E_n den Signalwert »1« aufweist, ist der AMe Sollpunkt ausgewählt Da der Ringzähler mod N arbeitet, liegt der N-te Sollpunkt einen Schritt vor dem Sollpunkt entsprechend dem Ej-Signal der nächstfolgenden Zihlperiode.

Sobald eines der Signale E₁... E_n eine der Torschaltungen G₁ G_n innerhalb eines Bereichs auf

Durchgang schaltet, der einem Schlitz der Schlitzplatte entspricht, wird ein Schwellenwertsignal S_c des Signalwerts »0« in einer Oder-Schaltung 8 erzeugt, wo die Oder-Ausgangssignale der Und-Schaltungen G₁.. .G_n negiert werden. Dies entspricht den durch die F i g. 7 (i) erläuterten Verhältnissen.

Wenn eines der Signale E₁ . . . E_n eine der Und-Schaltungen G₁.. .G_n innerhalb eines Bereichs öffnet, der einem nichtgeschlitzten Teil der Schlitzplatte 7 entspricht, wird ein Schwellenwertsignal S_c mit dem Signalwert »1« erzeugt. Dies entspricht dem Zustand der F i g. 7 (ii). Die Anordnung nach F i g. 8 (ii) ist jedoch von einer bekannten Kodierscheibe grundverschieden, indem diese Anordnung ein Schwellenwertsignal S_c erzeugt. Eine Kodierscheibe besitzt Schlitze, deren Teilung für einen Nachweisimpuls bemessen ist, sowie nur wenige Kombinationen von Lichtbündeln und Lichtempfängern. Dagegen hat die Anordnung nach Fig. 8(ii) N Gruppen aus Lichtröhren'und Lichtempfängern, die für eine Periode der Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinie des Schrittschaltmotors bemessen sind. Eine runde Schlitzplatte dieser Anordnung hat nur Schlitze (jeweils entsprechend einem stabilen Bereich R_s). deren Teilung N beträgt und deren Periodenzahl in einer Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinie M ist. In weiterem Unterschied zu einer Kodierscheibe sind Und-Torschaltungen G₁.. .G_n vorhanden, die durch Signale E₁ ... E_n getastet werden, sowie eine Nichtodcr-Schaltung 8.

F i g. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schvvcllcnvvcrtkri. -es 6. Eine runde Schutzplatte 7 und eine Nichtoder-Schaltung 8 entsprechen jeweils den Baugruppen der Fig. 8(ii). Ein Verstärker A' hat dieselbe Aufgabe wie jeweils einer der Verstärker A₁... A_n nach Fig. 8 (ii). Die Anordnung nach Fig. 9 arbeitet folgendermaßen: N Lichtquellenbereiche, die an Stelle der Lichtröhren I₁ ... I_n der F i g. 8 (ii) vorgesehen sind, befinden sich in der Nähe der Schlitzplatte und sind für eine Ein-Aus-Tastung mit hoher Schaltfrequenz eingerichtet. Jeweils eine dieser Lichtquellen wird durch dasjenige der Signale E₁ ... E_n erregt, das einen Signalwert »1« aufweist. Für den Fall, daß die belichtete Lichtquelle

/,' - · ■ V innerhalb des vorübergehenden Schlitzes der Schlitzscheibe liegt (z. B. für ein Signal E_K mit dem Signalwert »1«) erhält man ein Schwellenwertsignal S_c mit dem Signalwert »0« in der Nichtoder-Schaltung 8, wenn das Licht auf den Empfänger d'

auf trifft und in dem Verstärker Λ' verstärkt ist Dies entspricht dem Fall der F i g. 7 (i). Wenn die belichtete LichtquelleI₁ ...I_n außerhalb des betreffenden Schützes liegt (z. B. für das Signal E₁ mit dem Signalwert »1«) kommt kein Licht zu dem Empfänger d',

so daß das Schwellenwertsignal 5,. einen Signalwert »1« hat. Dies entspricht dem Fall der Fig. 7(H).

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsfonn des SchweTlenwertkreises 6. Dabei findet das bekannte Phasenmodulationsnachweisverfahren für die Errnittlung des stabilen Punktes Anwendung. Ein Synchrodetektor 9 ist mechanisch mit der Ausgangswelle eines Schrittschaltmotors verbunden. Der Synchrodetektor wird durch ein Erregersignal S_E erregt, das durch Umwandlung m einem Filter 11 aus einei

«5 Rechteckwellenform S_p gewonnen wird, welche aus einem Bezugsfrequenzoszillator 10 stammt Ein Nachweissignal V₀₀ des Synchrodetektors 9 wird in eine Stufe 12 eingespeist, die eine Phasenumkehr-

und Phasenschieberschaltung enthält. Es erfolgt eine Umwandlung in Signale V₀ und — V₀. Andererseits erhält eineSynchrosteuerstufel3 die bereits genannte Rechteckwellenform S_n und das Stellsignal S₂ von Seiten des Interpolators 2. Ein abgewandeltes Stellsignal S_n' erreicht eine Stufe 14, die einen N-, M-Drehzähier und ein Filter enthält. Das abgewandelte Stellsignal S_n wird durch Addition oder Subtraktion des Stellsignals S₂ und der Rechteckwellenform S_n gewonnen, die um einen bestimmten Pliasenbetrag vorgerückt oder verzögert wurde in Abhängigkeit von der Polarität des Stellsignals S₀. Die Stufe 14 gibt ein Phasenstellsignal V_c ab. Der" Phasenschieber der Stufe 12 muß so eingestellt sein, daß die Phase des Signals V₀ um 90° gegenüber dem Phasenstellsignal V_c verschoben ist, wenn die Stellung des Steuerpunkts P_M mit dem Sollpunkt P_f übereinstimmt. Die Funktion der Schaltung nach Fig. 10 ist folgende: Sobald ein Nachlauf auftritt, wird das Phasenstellsignal V₁. verschoben (z. B. in Richtung des Pfeils A) gegenüber der 90°-Phasenverschiebung zu dem Signal V_n. Der Ungleichgewichtswert

wird in dem Diskriminator 15 in Abhängigkeit von den Amplituden der Signale E₁ und E., erzeugt [vgl. Fig. 11 (ii).l. Die Fig. 11 (i) zeigt den Fall, daß die Amplituden der Signale E, und E₂ gegeneinander abgeglichen sind. Es ist außerordentlich leicht, das Schwellenwertsignal S_c mit einem Signalwert »1« aus dem Ungleichgewichtswert

durch einen Schmitt-Trigger 16 zu erzeugen, wenn der SollpunktP_c den stabilen Bereich/?,überschreitet.

Nunmehr wird der Unterdrückerkreis 5 zur Beeinflussung eines Befehlsverteilersignals S₁ durch das rückgekoppelte Verteilersteuersignal S_c erläutert. Diese Änderungsstufe gibt ein gesteuertes Befehlsverteilersignal 5,' an den Verteiler 2 ab.

Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform des Unterdrückerkreises zur Abgabe eines Signals nach der logischen Gleichung (1):

5/ = 5 · 5_r (1)

das Zeichen "." bedeutet die logische Und-Funktion. Das Schwellenwertsignal S_c wird in einer Oder-Schaltung 17 in das Signal 3_f umgewandelt, das den Durchlaßzustand einer Und-Schaltung 18 festlegt. Wenn das Schwellenwertsignal S_{ den logischen Wert »0« hat, ist die Und-Schaltung 18 durchlässig, so daß gilt S₁' = S₁. Wenn das Signal S_r den logischen Wert »1« hat, ist die Und-Schaltung 18 gesperrt, so daß gilt S₁ = 0, d. h., es wird kein modifiziertes Geschwindigkeitssignal 5,' abgegeben.

Nunmehr wird unter Bezugnahme auf F i g. 13 die Arbeitsweise der Bahnsteuereinrichtung nach der Erfindung erläutert, welche zusätzlich zur Weg-Istwert-Rückführung mit einem Schwellenwertkreis nach den Fig. 8 bis 10 und einem Unterdrückerkreis nach Fig. 12 ausgestattet ist.

Die BescnletUMgang des gesteuerte© Elements erfolgt folgendermaßen. (Da eine Drehung im Vorwärts- und Rückwärtssmn ähnlich verarbeitet wird, wird nur die Drehung in VöTwärtsncHtung behandelt [Pfeilriehtung in Fig. ICFf.) Der Steuerpunkt P_M wandert schrittweise von dem SoUpunktP, ab and erreicht schließlich einen Paukt P₁₀. Wenn das Stellsignal S„ <n die Antriebsstufe 3 einläuft, wird der SollpunktP_f um einen Schritt vorgerückt. Der Steuerpunkt P_M wandert über den Punkt P₁₀ und verläßt den stabilen Bereich R_s (im Punkt P,_Wl). Da das Schwellenwertsignal S_c mit dem logischen Wert »i« nunmehr von der Steuersignalstufe an den Unterdrückerkreis gegeben wird, wird S₁' = 0, und der Interpolator 2 hört mit der Erzeugung des Stellsignals S₂ auf. Der Sollpunkt bewegt sich nicht wei-

ter vorwärts, und der Nachlauf steigt nicht weiter an. Der gesteuerte Punkt P_M kommt auf den Steuerpunkt P_f infolge des Rückstelldrehmoments T(P_M = T(P_Ml) = 7"(P₁₀) im Bereich des Steuerpunkts P_M und findet sich wieder in dem stabilen Bereich R_s diesseits des Punktes P_1n, z.B. im Punkt P_Mr Deshalb erreicht das Schwellenwertsignal S_c den logischen Wert »0«, so daß gilt S₁' = S₁. Nunmehr wird wieder ein modifiziertes Geschwindigkeitssignal S₁' in den Interpolator 2 eingespeist. Somit wird das Stellsignal S₂ aus

dem Interpolator 2 in die Antriebsstufe 3 eingegeben. Der Sollpunkt P_r wandert wieder von dem Steuerpunkt P_M ab. Infolgedessen liegt der Steuerpunkt P „ bei der Beschleunigung in der Nähe des Punktes P_1n. welcher sich auf einer Randseite des stabilen Bereichs

a5 R_s befindet. Der Nachlauf steigt darüber hinaus nicht an. Nach der Beschleunigung folgt der Steuerpunkt P_M dem Sollpunkt P_r, wenn die Vorschubgeschwindigkeit des gesteuerten Elements auf den Normalwert zurückkehrt, und bleibt in unmittelbarer Nach- barschaft des Sollpunkts.

Auf diese Weise wird ein Fehlnachlauf auch bei Überlastung des Schrittschaltmotors ausgeschaltet. Dieses stellt den ersten Vorteil der Erfindung dar. Außerdem ist während der Beschleunigung das Drehmoment T(P_M) nahezu gleich dem Wert 7"(P₁₀). Das gesteuerte Element wird gleichmäßig (mit nahezu konstanter Beschleunigung) beschleunigt, bis die von Seiten des Schrittschaltmotors zugeführte Energie mit der in dem gesteuerten Element verbrauchten Energie im Gleichgewicht steht. Dieses ist ein weiterer Vorteil der Erfindung. Auch im Falle eines maximalen Nachlaufs wanden der Steuerpunkt P_M höchstens um einen Schritt aus dem stabilen Bereich R_s aus, so daß der Nachlauf innerhalb einer vorbestimmten Grenze bleibt. Dieses stellt den dritten mit der Erfindung erzielten Vorteil dar.

Verzögerung des gesteuerten Elements: Wenn im ersten Fall die kinetische Energie des gesteuerten Elements klein ist, arbeitet die numerische Bahnsteuereinrichtung folgendermaßen. Mit Erzeugung des Verzögerungs-Schwellenwertsignals S₀ (wenn z. B. ein Stellsignal S₂ um einen Schritt von der in dem Interpolator enthaltenen Einstellungszahl subtrahiert wird, wird das Verzögerungs-Schwellenwertsignal S₀ erzeugt, sobald der Gleichgewichtsweri kleiner als ein Schwellenwert wird) bei Einspeisung in den Sollwertgeber 1 von sehen des Interpolators 2 verringert sich die Taktfrequenz des Geschwindigkeitssignals S₁ in vorgegebenem Verhältnis. Im Nor·

malfall nähert sich der Steuerpunkt P_M, der nach einer Beschleunigung dem SolIptmktP_c mit hohei Verstellgeschwindigkeit nachfolgt, im Falle einei Verzögerung allmählich dem Sollpunkt P^ dessei VerscMebimgsgeschwindigkeit geringer wird, und be

S§ wegt sich kurzzeitig über denselben hinaus, l. B. in !Punkt P_U9. Dieser Zustand ist ein inverser Nachlauf nämlich ein Vorlaufzustand Wenn die kinetisch« Energie des gesteuerten Elements klein ist, überwin

den· das Rückstelldrehmoment (das als Dämpfung wirkt) des Schrittschaitmntors und das Reibmoment des gesteuerten Elements die kinetische Energie sehr schnell. Deshalb wird die Bewegungsgeschwindigkeit des gesteuerten Elements schnell verlangsamt und infolgedessen folgt der Steuerpunkt F_M dem Sollpunkt P_c wiederum in verzögerter Stellung nach.

Wenn jedoch im anderen Fall das gesteuerte Element eine ungewöhnlich große kinetische Energie im Vergleich mit der von dem Schrittschaltmotor zugeführten Energie aufweist, überschreitet der Steuerpunkt P_M, der vor der Verzögerung dem Sollpunkt P_c mit hoher Verstellgeschwindigkeit nachläuft, nicht nur den Sollpunkt P₁., dessen Verstellgeschwindigkeit durch dasVerzögerungs-Befehlssignal5_D herabgesetzt ist, sondern läuft über den Randpunkt P₁₁ des stabilen Bereichs R_s hinaus. Bei Verwendung des Unterdrückerkreises nach F i g. 12 wird S₁' = 0, so daß der Sollpunkt P_e anhält. Infolgedessen hat der Steuerpunkt P_M das Bestreben einer weiteren Entfernung gegenüber dem Sollpunkt P_n so daß er schließlich den instabilen Punkt überläuft, und der gesamte inverse Fehlnachlauf bzw. Fehlvorlauf auftritt.

Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform des Unterdrückerkreises 5 zur Ausschaltung des Fehlvorlaufs. Dieser Unterdrückerkreis 5 liefert folgende logische Funktion:

C ' c

"³I ~ "³I

. C

5t)

(2)

Das Zeichen "·" bedeutet eine logische Und-Funktion, das Zeichen "+' eine logische Oder Funktion.

Zunächst wird das zweite Schwellenwertsignal S_T, das in Übereinstimmung mit der Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinie einen logischen Wert »0« oder »1« hat, in ähnlicher Weise wie das Schwellenwertsignal S_c erzeugt. Dieses muß nicht notwendig ein Signal sein, dessen logischer Wert von dem Sollpunkt P_c abhängig ist, der als Grenzpunkt genommen ist; dieses Signal muß den logischen Wert»l« oder »0« innerhalb eines vorgeschriebenen breiten Bereichs haben, dessen Mittelpunkt jeweils mit einer Grenze des stabilen Bereichs R_s nach F i g. 15 übereinstimmt. Die Signale S _t und S_ sind jeweils polare Signale, die die Verteilungsrichtung eines Verteilersignals S₂ angeben. Weiterhin ist S₁" ein Impulssignal mit einer Wiederholungsfrequenz, die größer als die Verschiebungsgeschwindigkeit des gesteuerten Elements ist. Dieses Signal wird in die Und-Schaltungen 21 und 22 von Seiten des Oszillators 20 nach Fig. 14 eingespeist.

Der inverse Fehlnachlauf kann auf die aus den Fig. 14 und 13 ersichtliche Weise ausgeschaltet werden. Bei einer Drehung in Vorwärtsrichrung ist in dem zweiten Term m Gleichung (2) nur die Größe iS_t zu betrachten. Es werde nunmehr angenommen, daß der Steuerpunkt P_M aus dem stabilen Bereich R_s ausläuft (z.B. in eine Stellung P_M J. Dann wird der erste Term in Gleichung (2) nicht wirksam, und nur die Größe mit S _t innerhalb des zweiten Terms wirkt sich aus, da die Größen S_c, S₁. und S_T zusammen einen logischen Wert»l« aufweisen. Dies bedeutet, daß das Schwellenwertsignal S_c die Torschaltung 18 in F i g. 14 sperrt und eine Bedingung zur Öffnung der Torschaltung 21 erfüllt. Das zweite Schwellenwertsignal S_T sperrt eine Torschaltung 22 und erfüllt die andere Bedingung zur öffnung der Torschaltung

21. Da zunächst eine Drehung in Vorwärtsrichtung angenommen ist, sperrt das polare Signal S die Torschaltung 22, und das polare Signal 5 ₊ genügt der anderen Bedingung zur öffnung der Torschaltung 21. Infolgedessen wird ein Impulssignal S₁" mit hoher Taktfrequenz durch die Torschaltung 21 weitergegeben und bewirkt eine schnelle Verschiebung des Sollpunktes P_n so daß der Steuerpunkt Py₁ dem Sollpunkt P_r vergleichsweise näher kommt und wiederum

ίο in dem stabilen Bereich R_s eingefangen wird, z. B. in einem Punkt P^.. Dann wird der erste Term der logischen Gleichung (2) wirksam, und der zweite Term wird unwirksam. Auf diese Weise wird der Steuerpunkt P_M auch beim Auslauf aus dem stabilen Bereich R_s unmittelbar in den stabilen Bereich /?_s wieder zurückgeführt. Mittlerweile hat die kinetische Energie des gesteuerten Elements allmählich infolge des Drehmoments von Seiten des Schrittschaltmotors, das als Dämpfungsmoment in diesem Fall wirksam

so ist und dessen Größe auch im Zeitpunkt der Verzögerung den Wert T(P₁₁) hat, und des Reibmoments des gesteuerten Elements 4 abgenommen. Wenn die Vorschubgeschwindigkeit des gesteuerten Elements einen normalen Wert erreicht, folgt der Steuerpunkt Pm geringfügig dem Sollpunkt P₁. nach. Somit erfüllt die Einrichtung nach der Erfindung auch im Verzögerungsfall ihre Aufgabe: I. Beseitigung des Fehlnachiaufs, 2. allmähliche Verzögerung und 3. Einhaltung des Nachlaufs unter einem vorgegebenen Schwellenwert. Im Falle einer Drehung in Rückwärtsrichtung tritt die gleiche Wirkung auf. Bei einer Verzögerung einer Drehung in Rückwärtsrichtung werden die Größen mit dem polaren Signal S^ des zweiten Terms und der erste Term der Gleichung (2)

wirksam, da ein Signal 5_r über die Nichtoder-Schaltung 19 in Fi g. 14 zugeführt wird.

Wenn auch die Erfindung der Einfachheit halber in Verbindung mit einem Antriebskreis erläutert ist. kann man zahlreiche Ausführungsformen der Erfindung durch Kombination von bekannten Einrichtungen unter Verwendung der Erfindung erhalten. Wenn beispielsweise der Antriebskreis 3 ''tr F i g. 3 eine 3achsige Koordinaten-Stelleinrichtung mit drei Antriebsstufen 3_V, 3_V und 3j ist, wie dies in einer umfangreichen numerischen Bahnsteuereinrichtung der Fall ist, muß der Interpolator für jede Antriebsstufe ein Schwellenwertsignal S_cx, S₀. und S₁₂ ei7*ugen können. Ein Signal entsprechend der logischen Summe S_cx + S_cy + S_cz dieser Schwellenwertsignale muß dem Unterdrückerkreis 5 an Stelle des Schwellenwertsignals S_c zugeführt werden. Schließlich ist folgender Punkt bei der Arbeitsweise der Einrichtung nach der Erfindung sorgfältig zu betrachten. Wenn die Leistungscrueile für die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung eingeschaltet wird, ist es unbestimmt, auf weichen stabilen Punkt der Rotor des Schrittschaltmotors eingestellt ist. Damit sich die Vorteile der Erfindung ergeben, muß man einen stabilen Punkt zum Sollpunkt P_c und damit zusammenfallend den Steuerpunkt P_M festsetzen. Dieser Vorgang der Gleichsetzung von Steuerpunkt und Sollpunkt kann auf folgende einfache Weise erfolgen. Wenn der Steuerpunkt P_M nicht innerhalb des stabilen Bereichs jR_s gelegen ist, hat das Schwellenwertsignals,, den

logischen WeTt »1«, andernfalls den logischen Wert »0«. Wenn also das verstärkte Schwellenwertsignal S_c den Wert »1« hat, wird eine Anzeigelampe angesteuert, die der Bedienungsperson anzeigt, daß der

p^ außerhalb des stabilen Bereichs Ä_s ;en ist. Dann kann die Bedienungsperson durch pejsung eines zweiten StellsigusistS/ von Seiten Interpolators den Antriebskreis 3" (wobei die nnten Kreise in Fig, 3 fehlen) unabhängig von anderen Baustufen I₁ 2, S, 6 usw. betreiben, bis

die Anzeigelampe verlöscht, Dadurch kann Steuerpunkt Pm mit dem gewünschten So innerhalb höchstens VM Umdrehungen in Stimmung bringen. Dieser Vorgang kann ständljcb in entsprechender Weise aut werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Tätigkeit des Schrittschaltmotor» ist, selbst wenn Patentanspruch: eine Einrichtung zum Ausgleich des Stellungsfehlers

   vorgesehen ist.

   Numerisch arbeitende Programmsteuerung mit Aus »Die elektrische Ausrüstung«, 1963, Heft 1, einer Babnsteuereinrichtung für ein Maschinen- 5 S. 29 bis 35, sowie aus VDE-Bucbreihe, Bd. 8, »Dielement, mit einem numerischen Sollwertgeber gitale Signalverarbeitung in der Regelungstechnik«, für ein Geschwindigkeitssignal, mit einem Inter- 1962, VDE-Verlag GmbH, BejUn, S. 204 und 205, polator, der aus dem Gescbwindigkeitssignal und sind Bahnsteuereinrichtungen mit einer stabilisierenaus einer aus einem Wegsollwert und einem Weg- den Rückführung bekanntgeworden. Diese stabiliistwert gebildeten Wegfehlerinformation ein io sierende Rückführung kann jedoch dann flicht wirkkombiniertes Steuersignal für Weg und Ge- sam sein, wenn das Sollgeschwindigkeitssignal Beschwindigkeit erzeugt, mit einem Antriebskreis schleunigungen erfordert, die die Leistungsgrenzen einschließlich eines Schrittschaltmotors, der eine des jeweiligen Antriebsmotors übersteigen,
   periodische Drehmoment-Drehwinkelkcnnlinie Aufgabe der Erfindung ist die Herabsetzung von

   aufweist und durch das kombinierte Steuersignal lj. Nachlauffehlern auch in diesem Fall, damit vor schrittweise weitergeschaltet wird, dadurch allem auch bei mehrdimensionalen Bahnsteuerungen gekennzeichnet, daß an den Schrittschalt- eine genaue Bahnführung möglich ist.
   motor (4) über einen Wegistwertgeber ein zusatz- Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei der

   licher Schwellenwertkreis (6) angekoppelt ist, der eingangs genannten Bahnsteuerun_Sseinrichtung dabei Übersch-eiten eines Abweichungswertes des 20 durch gelöst, daß an den Schrittschaltmotor über Motorsteuerpunktes von dem Sollpunkt (zu- einen Wegistwertgeber ein zusätzlicher Schwellenlässiger Wegfehler) ein Schwellenwertsignal ab- wertkreis angekoppelt ist, der bei Überschreiten gibt, und daß zwischen den Sollwertgeber (1) und eines Abweichungswertes des Motorsteuerpunktes den Interpolator (2) ein Unterdrückerkreis (5) von dem Sollpunkt (zulässiger Wegfehler) ein eingefügt ist, der von dem Schwellenwertsignal 25 Schwellenwertsignal abgibt, und daß zwischen den derart steuerbar ist, daß er beim Vorliegen des- Sollwertgeber und den Interpolator ein Unterseiben während einer Beschleunigungsperiode drückerkreis eingefügt ist, der von dem Schwellendes Schrittmotors das Geschwindigkeitssignal wertsignal derart steuerbar ist, daß er beim Vorunterdrückt bzw. während einer Verzögerungs- Hegen desselben während einer Beschleunigungsperiode ein zusätzliches Signal für den Inter- 30 periode des Schrittschaltmotors das Geschwindigpolator erzeugt. keitssignal unterdrückt bzw. während einer Verzöge

   rungsperiode ein zusätzliches Signal für den Interpolator erzeugt.

   Der Schwellenwertkreis bedeutet neben der be-

   35 kannten Rcgelschleife eine weitere Weg-Istwert-Rückführung, womit ein Ausgangssignal erzeugt

   Die Erfindung bezieht sich auf eine numerisch wird, wenn der Nachlauf des Schrittschaltmotors in arbeitende Programmsteuerung mit einer Bahn- der einen oder anderen Richtung einen vorgegebciteuereinrichtung für ein Maschinenelement, mit nen Schwellenwert übersteigt. Dann wird die Weitereinem numerischen Sollwertgeber für ein Geschwin- 40 gäbe des Geschwindigkeitssignals auf den Antriebsdigkeitssignal, mit einem Interpolator, der aus dem kreis unterdrückt, so daß keine weitere Beschleuni-Geschwindigkeitssignal und aus einer aus einem gung des Schrittschaltmotors erfolgt. Infolgedessen Wegsollwert und einem Wegistwert gebildeten Weg- kann der Nachlauf nicht weiter anwachsen, sondern fehlerinformation ein kombiniertes Steuersignal für wird vielmehr kleiner. Die Einspeisung von Ge-Weg und Geschwindigkeit erzeugt, mit einem An- 45 schwindigkeitssignalen wird damit im Rahmen der triebskreis einschließlich eines Schrittschaltmotors, Leistungsfähigkeit des Schrittschaltmotors gehalten, der eine periodische Drehmoment-Drehwinkelkenn- Indem der Nachlauf innerhalb eines bestimmten

   linie aufweist und durch das kombinierte Steuer- Schwellenbereichs gehalten wird, kann der Nachsignal schrittweise weitergeschaltet wird. lauf nicht unzulässig anwachsen. Hierdurch erzielt Solche Bahnsteuerungen sind bereits in zahl- 5° man fernerhin eine gleichmäßigere Beschleunigung reichen Ausführungen bekannt. Beispiele solcher bzw. Verzögerung des gesteuerten Elements. Dieses Bahnsteuerungen sind beschrieben in »Control«. ist vor allem bei mehrdimensionalen Steuerungen März 1967, S. 129, sowie »Control Engineering«, wichtig, damit die Beschleunigungen in Richtung Mai 1967, S. 97 bis 99. Diese Bahnsteuerungen er- einer jeden Koordinate innerhalb zulässiger Werte zeugen aus einem Signal für ilie Sollgeschwindig- 55 gehalten werden. Damit ist eine wesentlich genauere keit in einem Interpolator ein Geschwindigkeits- Bahnsteuerung möglich.

   signal. Hierdurch wird die Antriebsstufe eines Die Erfindung wird an Hand bevorzugter Aus-

   Schrittschaltmotors gesteuert. Das Geschwindigkeils- führungsfofmen unter Bezugnahme auf die Zeichsignal hat eine Taktzeit entsprechend dem Reziprok- nungen erläutert.

   wert der Soll-Vorschubgeschwindigkeit. Das Ge- 60 F i g. 1 zeigt eine Drehmoment-Drehwinkel-Kenn schwindigkeitssignal berücksichtigt lediglich die ge- linie für einen Schrittschaltmotor;
   wünschte Bahnkurve, jedoch nicht die Leistungs- Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer herkömmwerte des Schrittschaltmotors. Bei Beschleunigungen liehen Bahnsteuereinrichtung für einen Schrittschalt- und Verzögerungen kann infolgedessen ein erheb- motor ohne Regelschleife;

   licher Nachlauf oder Vorlauf auftreten. Dieser Nach- 65 Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer bekannten lauffehler läßt sich auch dann nicht ausschalten. numerischen Bahnsteuereinrichtung mit Regelwenn die sich aus dem Sollgeschwindigkeitssignal schleife, in die die erfindungsgemäße weitere Regelergebende Beschleunigung größer als die Leistungs- schleife integriert sein soll;