DE2013477C3 - Servo-System - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Servo-System nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Die äußerst schnelle Beschleunigung eines Motors aus dem Stillstand auf eine gegebene Drehzahl unter gleichzeitiger Ermöglichung der Synchronisation der Motorphase bei dieser Drehzahl mit einer gegebenen Bezugsphase ist beispielsweise bei dem Antrieb der Wandlerköpfe in Band-Aufzeichnungs- und Wiedergabegeräten wichtig, wie sie in der Fernsehsendetechnik verbreitete Verwendung finden.

Durch die Verwendung von Servosystemen mit hoher Verstärkung kann die Zeit bis zur Synchronisation vermindert werden, doch können hierbei Stabilitätsprobleme auf Grund von dem stationären Zustand folgenden Störungen auftreten. Ferner besteht die Gefahr, daß der Antrieb den geforderten Drehzahlarbeitspunkt überläuft und gedämpfte Schwingungen auftreten, die eine schließliche Annäherung an diesen Arbeitspunkt bringen. Hierdurch wird aber die Gesamtzeit bis zum Erreichen des stabilisierten Betriebes wieder verlängert.

Aus der US-PS 33 09 597 ist ein Drehzahlregelsystem für einen Bandantriebsmechanismus bekannt, bei dem der Motor dieses Mechanismus zunächst mit relativ hohem Drehmoment hochgefahren und nach Erreichen seiner Betriebsgeschwindigkeit sprunghaft auf ein niedriges, nur für die Einhaltung der Betriebsgeschwindigkeit notwendiges Drehmoment umgeschaltet wird. Die Umschaltung erfolgt nicht direkt in Abhängigkeit von der Drehzahl, sondern in Abhängigkeit von einem Zähler, der linear mit der Zeit aufwärts und linear mit dem zurückgelegten Weg abwärts zählt. Auch bei diesem bekannten System besteht die Gefahr, daß die Solldrehzahl überschritten wird, wenn der Motor mit einem zu starken Anfangsdrehmoment schnell hochgefahren wird.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Servosystem anzugeben, mit dem der Motor in kürzester Zeit seine Solldrehzahl erreicht und dann sofort auf dieser Dreh/uhl stabilisiert wird, ohne daß die Gefahr einer Übersteuerung besteht.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch dds im An spruch 1 gekennzeichnete Servosystem.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch das Hiifsfehlersignal dem bis zum Erreichen der Solldreh/ahl eine starke Beschleunigung bewirkenden Fehlersignal bei Drehzahlübereinstimmung gerade so entgegengewirkt werden kann, daß eine sonst unvermeidbare Übersteuerung des Motors kompensiert wird. Ferner besieht die Möglichkeit, den Betriebszustand des Motors hinsichtlich der Phase genau festzulegen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 eine teilweise in Blockform dargestellte Schaltung der Ausführungsform,

Fig. 3 Diagramme von bei der Schaltung gemäß F i g. 1 und 2 auftretenden Impulsen.

Ein Aufzeichnungs- und Wiedergabegerät gemäß F i g. 1 weist einen Kopfrad-Servo und ein System gemäß der Erfindung auf. Ein Aufnahmemedium 2, auf das ein Signal aufgespielt oder von dem ein Signal abgenommen werden kann, kann in Form einer (nicht dargestellten) endlosen Schleife angeordnet sein oder verläuft von einer Ablaufspule 4 zu einer Aufwickelspule 6. Es wird zwischen den Spulen durch die gemeinsame Wirkung eines Antriebszylinders 8 und einer Andrückrolle 10 transportiert. Ein Motor 12 treibt ein Kopfrad 14 an. das zweckmäßigerweise eine Reihe von Wandlerköpfen 16 zum Abtasten des Aufnahmemediums 2 trägt. Vom Motor 12 wird weiterhin ein Einstimmungsoder Tonrad 18 angetrieben, das aus magnetisch aufnahmefähigem Material bestehen kann und eine Nut oder Öffnung aufweist. Jedesmal, wenn die Nut an einem daneben angeordneten Fühler 20 vorbeiläiifi, wird ein Impuls erzeugt. Auf diese oder eine ähnliche Weise entsteht bei jeder vollständigen Umdrehung des Kopfrads 14 ein Impuls. Das Ausgangssignal des Fühlers 20 ist einer Tonradsignal-Schaltung 22 zugeleitet, das eine Impulsfolge abgibt, die die Drehzahl des Motors 12 und damit des Kopfrads 14 anzeigt. Diese Ausgangsimpulsfolge von der Tonradsignal-Schaltung 22 bildet eines der Eingangssignale einer Fehlerdetektorschaltung 24, der an einem zweiten Eingang eine zweite Impulsfolge 26 eingespeist wird, die eine festliegende oder Bezugsdrehzahl repräsentiert. Ein erster Ausgang 27 der Fehlerdetektorschaltung 24 ist mit einem Eingang einer Antricbssieuereinrichtung 28 verbunden, deren Ausgang an den Motor 12 angeschlossen ist. Ein zweiter Ausgang 29 der Fehlerdetektorschaltung 24 ist mit einem Drehzahlübereinstimmungs-Sensor 30 verbunden. Dieser Sensor 30 liefert an einer ersten Ausgangsklemme 31 ein erstes Ausgangssignal von erster, festliegender Spannung, wenn die Drehzahl des Kopfrads !4 über der Bezugsdrehzahl liegt, und auf einer zweiten Ausgangsklemme 33 ein zweites Ausgangssignal von zweiler fester Spannung, wenn die Drehzahl des Kopfrads 14 niedriger ist als die Bezugsdrehzahl.

Das Signal von der ersten Ausgangsklemme 31 des Sensors 30 wird einem Hilfsfehlersignal-Generator 32 eingespeist, dessen Ausgangsklemme 35 an den Eingang der Antriebssteuereinrichtung 28 gelegt ist. Die zweite Ausgangsklemme 33 des Sensors 30 ist mit einer Beschleunigungssieuerungs-Einrichn ng 34 verbunden, deren Ausgangsklemme 37 ebenfalls mit dem Eingang der Antriebssteuereinrichtung 28 verbunden ist.

Für die Beschreibung des Betriebs des Systen.s gemäß Fig. 1 sei davon ausgegangen, daß der Motor 12 anfänglich in auf den Stillstand abgebremstem oder nicht rotierendem Zustand ist. Die Tonradsignal-Schaltung 22 gib; deshalb kein Ausgangssignal ab, und am ersten Ausgang 27 der Fehlerdetektorschaltung 24 tritt bei diesem Zustand ein einen maximalen Fehler anzeigendes Fehlersignal auf, wodurch die Antriebssteuereinrichtung 28 dem Motor 12 maximale Leistung einspeist. Der Motor 12 beginnt nun zu rotieren und bewirkt damit ein Ausgangssignal von der Tonradsignal-Schaitung 22. Die Fehlerdelektorschaltung 24 lielert daraufhin an ihrem ersten Ausgang 27 ein Signal, dessen Größe sich mit der abgegriffenen Drehzahldifferenz ändert. Während dieser anfänglichen Beschleunigungsphase des Motors 12, bei der seine Drehzahl niedriger ist als die Bezugsdrehzahl, erzeugt der das Schneiden des Istdrehzahlverlaufs mit der Solldrehzahllinie prüfende Übereinstimmungs-Sensor 30 ein Signal an seiner zweiten Ausgangsklemme 33, das der Beschleunigungssteuerungs-Einrichtung 34 zugeleitet ist. Auf Grund dieses Zustands wird die Beschleunigungssteuerungs-Einrichtung 34 so betrieben, daß der gesamte effektive Signaleingang auf einem Wert bleibt, der zu einem maximalen Antrieb und damit zu einer maximalen Beschleunigung des Motors 12 führt.

Wird die Motordrehzahl der Bezugsdrehzahl gleich oder übei schreitet sie sie, so erzeugt der Sensor 30 an seiner ersten Ausgangsklemme 31 einen zweiten feststehenden Signalpegel. Auf dieses Ausgangssignal hin erzeugt der Hilfsfehlersignal-Generator 32 an seiner Ausgangsklemme 35 ein zusätzliches Eingangssignal für die Antriebssteuereinrichtung 28. Dieses zweite der Antriebssteuereinrichtung 28 zugeführte Signal sorgt für eine veränderbare Antriebssteuerung für den Motor 12. Die vom zweiten Eingangssignal abgeleitete Steuerung ändert sich von einem einen Minirnalantrieb des Motors darstellenden Wert zu einem Zwischcnwert in einer Zeitspanne, die von der Schaltung der Bcschleunigungssteuerungseinrichlung 34 bestimmt wird.

F i g. 2 zeigt mehr im einzelnen ein Aufzeichnungs- und Wiedergabegerät, das eine spezielle Ausführungsform der Erfindung enthält. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Elemente wie in Fig. 1. Zusätzlich sind für die Blöcke des Systems gemäß F i g. I Schaltungsausführungen angegeben. Die Fehlcrdetektorschaltung gemäß F i g. 2 enthält eine Gruppe von miteinander verbundenen bistabilen Multivibratoren oder Flip-Flops 40, 42 und 44. Solche Flip-Flops sind hinsichtlich ihrer Schallung allgemein bekannt, so daß die Einzelheiten ihres Aufbaus nicht besprochen zu werden brauchen. Ein erstes Eingangssignal 45 zu den Flip-Flops 40, 42 und 44 besteht aus einer impulsfolge, die von der Tonradsignal-Schaltung 22 herkommt, und ein zweites Eingangssignal 46 aus einer zweiten Impulsfolge, deren Wiederholungsfrequenz eine Bezugsdrehzahl angibt. Ausgangsklemmen 48, 50 bzw. 52 oder Flip-Flops 40 bis 44 sind mit einer Torschaltung 54 verbunden, die ein logisches Schaltglied oder eine Reihe von miteinander verbundenen logischen Schaltgliedern wie etwa ODER EXCLUSIV-Schaltungen enthält. Der Aufbau solcher Schallglieder und ihre Arbeitsweise sind in der Technik bekannt. Die Ausgangsklemme 50 des Flip-Fiops 42 ist außerdem mit einer Eir.gangsklemme eines Trapez- oder Viereckimpulsgenerators 56 verbunden.

Der Generator 56 erzeugt eine trapez- oder rampenförmige Impulsform entsprechend der Impulsform A gemäß F i g. 3, die als erstes Eingangssignal einer Auslese- und Halteschaltung 58 zugeleitet wird. Dieser Auslese- und Halteschaltung 58 ist als zweites Eingangssignal das Bezugs-Eingangssignal 46 zugeleitet. Solche Schaltungen sind in der Technik bekannt und brauchen deshalb nicht im einzelnen besprochen zu werden. Die Erzeugung der Trapez-Impulsform A erfolgt entsprechend der Zeitsteuerung gemäß F i g. 3, die die veränderliche zeitgesteuerte Erzeugung des Ausgangssignals des Generators 56 andeutet. Das zweite Eingangssignal zur Schaltung 58, das als Impulsfolge B in F i g. 3 dargestellt ist, wird dazu ausgenutzt, den Wert des trapezförmig ansteigenden Impulses A zur Zeit des Auftretens des Bezugs-Eingangssignals 46 herauszulesen. Der ausgelesene Wert wird beispielsweise durch eine Kapazität festgehalten und auf einer Leitung SO als Eingangssignal für einen Steuerverstärker 62 für den Motor 12 bereitgestellt.

Das Ausgangssignal der Torschaltung 54 wird über einen gleichrichtenden Leiter, etwa über eine Diode 64. in den Eingang des Steuerverstärkers 62 eingespeist. Das Ausgangssignal der Torschaltung 54 wird außerdem über eine Inverterschaltung 66 an die Eingangs klemme 68 einer Differenzierschaltung 70 gelegt, in der ein Widerstand 72 zwischen die Basis 74 eines ersten pnp-Transistors 75 und die Eingangsklemme 68 geschaltet ist. Der Emitter 76 des Transistors 75 ist an ein geeignetes Speisepotential 78 angeschlossen und sein Kollektor 80 ist an Erdpotential 82 über einen Widerstand 84 angeschlossen. Ein Kondensator 86 ist mit einer Klemme an den Anschlußpunkt des Widerstands 84 an den Kollektor 80 des eisten Transistors 75 und mit seiner anderen Klemme über einen Widerstand 88 an das Erdpotential 82 geschlossen. Der Verbindungspunkt des Kondensators 86 mit dem Widerstand 88 ist mit der Basis 90 eines zweiten Transistors in Form eines npn Transistors 91 angeschlossen, dessen Kollektor 92 mit der Quelle des vorspannenden Potentials 78 und dessen Emitter 94 über einen Widerstand 96 mit dem Erdpotential 82 verbunden ist. Der Verbindungspunkt des Emitters 94 des Transistors 91 mit dem Widerstand 96 ist über eine Leitung 99 und einen gesteuerten Leiter wie etwa eine Diode 98 an den Eingang des Steuerverstärkers 62 angeschlossen.

Bei der Erläuterung der Betriebsweise der Anordnung gemäß F i g. 2 sei davon ausgegangen, daß der Motor 12 anfänglich fcstgebremst ist, also nicht rotiert: den Fehlerdetektor-Flip-Flops 40, 42 und 44 wird also von der Tonradsignal-Schaltung 22 kein Eingangssignal geliefert. |edoch liegt am Eingang dieser Flip-Flops 40. 42 und 44 die Impulskette des der Bezugsdrehzahl entsprechenden Eingangssignals 46 an und führt dazu, daß die miteinander verbundenen Flip-Flops 40, 42 und 44 einen ersten Schaltzustand einnehmen. Dieser Zustand wird aufrechterhalten, bis der Motor 12 zu laufen beginnt und an der Tonradsgnal-Schaltung 22 ein Ausgangssignal erzeugt wird. Dieses Ausgangssignal führt z.u einer Änderung des Schaltzustands der Fehlerdetektor-Flip-Flops 40, 42 und 44. Das Zeitverhältnis des Ausgangssignals der Tonradsignal-Schaltung 22 re-

lativ zur Bezugsimpulsfolge des Eingangssignals 46 bestimmt im folgenden die besonderen Schaltzustände der Flip-Flops 40, 42 und 44 und damit die Signalpcgel, die an der Torschaltung 54 und am Viereckitnpulsgencrator 56 anliegen. Die Flip-Flops 40, 42 und 44 sind miteinander so verbunden, daß sich bei einer Annäherung der Motordrehzahl an die Bezugsdrehzahl das Ausgangssignal des Flip-Flops 42 an der Ausgangsklemme 50 in Übereinstimmung mit den nacheinander eintreffenden Bezugsimpulsen des Eingangssignals 46 und den Tonradimpulsen der Tonradsignal-Schaltung 22 ändert. Hat der Motor 12 die Bezugsdrehzahl erreicht und überschritten, so treten zwischen aufeinanderfolgenden Bezugsimpulsen des Eingangssignals 46 zwei Impulse von der Tonradsignal-Schaltung 22 auf. Dies hat zur Folge, daß sich das der Torschaltung 54 zugeführte Ausgangssignal des Flip-Flops 44 an seiner Ausgangsklemme 52 ändert.

Das zeitveränderliche Wechselimpuls-Ausgangssignal des Flip-Flops 42 hat, solange der Motor zu langsam läuft, zur Folge, daß aufeinanderfolgende trapezförmige Impulse erzeugt werden. Von diesen Impulsformer! wird durch die aufeinanderfolgenden Bezugsimpulse des Signals 46 in der Schaltung 58 durch Herausgreifen eine veränderliche Spannung erzeugt, die auf der Leitung 60 dem Verstärker 62 zugeleitet wird. Diese an der Leitung 60 anliegende Spannung ist von einem ersten Wert bei stillstehendem Motor, der den maximalen Antrieb darstellt, bis zu einem mittleren stationären Wert bei Bezugsdrehzahl veränderlich. Beim beschriebenen Beispiel sei angenommen, daß der Wert der Ausgangsspannung der Schaltung 58 sich von Null bis zu einem positiven Spannungwert ändert.

Auf die an den Klemmen 48, 50 und 52 liegenden Eingangssignalc hin liegt, solange der Motor zu langsam läuft, am Ausgang der Torschaltung 54 Null- oder Erdpotential an. Die positive Spannung am Ausgang der Schaltung 58 bzw. am Eingang des Verstärkers 62 macht die Diode 64 leitend, so daß sie die Eingangsspannung am Verstärker 62 auf Null- oder Erdpotential hält. Da dieser Wert den höchsten Fehler bei festgebremstem Motor entspricht, wird an diesem die volle Antriebsleistung aufrechterhalten. Zur Sicherstellung dieser Wirkungsweise müssen selbstverständlich geeignete Eingangs- und Ausgangsimpedanzen der verschiedenen Schaltungen vorgesehen sein. Das Ausgangssignal der Auslese- und Halteschaltung 58. das dem festgestellten Drehzahlfehler folgt, wird also übergangen.

Zum Zeitpunkt, da sich die Drehzahlverläufc (SoII- und Istwert) schneiden, zu der also die Motordrehzahl der Bezugsdrehzahl gleich ist, wechselt das Ausgangssignal des Flip-Flops 44, so daß die Torschaltung 54 plötzlich ihren Ausgangspcgcl verschiebt. Dieser Ausgangspegel nimmt einen positiven Wert an, der höher ist als der von der Auslese- und Halteschaltung 58 an den Verstärker 52 abgegebene Spannungspegel. Dieser Spannungszustand hat zur Folge, daß die Diode 64 sperrt und der Eingang des Verstärkers 62 freigegeben wird.

ίο Gleichzeitig schaltet eine invertierte Form des positiven Übergangs-Ausgangssignals der Torschaltung 54 den Transistor 75 in leitenden Zustand. Dessen Ausgangsspannung macht den Transistor 91 leitend, so daß an der Leitung 99 ein scharfer positiver Ausgangspcgel auftritt. Auf Grund der flC-Schallung 86, 88 nimmt dann die Ausgangsspannung des Transistor 91 an der Leitung 99 ab oder wird in unlinearem Verlauf, der von den Schaltungsparametern der Differenzierschaltung 70 bestimmt wird, weniger positiv. Das Ausgangssignal des Transistors 91 der Differenzierschaltung 70 entspricht etwa einem Teil 100 der Impulsform C gemäß F i g. 3. Wie an der Impulsform C erkennbar ist, ist das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 70 anfänglich wesentlich höher positiv als der gestrichelt cingezcichnetp Verlauf 102 des Ausgangssignals der Auslese- und Halteschaltung 58. Hierdurch tritt der erforderliche Mindestantriebszustand oder die maximale augenblickliche Verzögerung für den Motor 12 ein. um die Situation zu beenden, daß er über seine geforderte Bezugsdrehzahl hinaus beschleunigt worden ist. Die hierbei an der Diode 98 anliegende Spannung bewirkt, daß sie leitet und das Ausgangssignal des Transistors 91 dem Eingang des Verstärkers 62 zuführt. Die Ausgangsspannung des Transistors 91 nimmt dann mit gegebenem Dekrement ab, bis sich die Spannung an der Diode 98 durch das von der Schaltung 58 kommende Eingangssignal am Verstärker 62 umkehrt. Da nun sowohl die Diode 64 als auch die Diode 98 sperren, kehrt die Funktion der Fehlerregelung des Motors 12 über den Vcrstärker 62 zum Ausgangssignal der Schaltung 58 zurück.

Der exakte Wert und die Form der Ausgangsspannung der Differenzierschaltung 70 können so gewähl! sein, daß die Tendenz des Systems zur Übersteuerung gerade ausgeglichen ist. Der Motor kann also in kürzester Zeitspanne beschleunigt werden und das sich ergebende Überschießen der Drehzahl kann ausgeglichen werden, so daß der Kopfradmotor seinen stabilen geforderten Bczugsdrehzahl-Zustand erreicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Servo-System zur Regelung eines in kurzer Zeit auf eine gegebene Soll-Drehzahl und Phase zu beschleunigenden Motors, mit einer Fehlerdetektorschaltung, die an dem Eingang eines die Beschleunigung steuernden Verstärkers ein Fehlersignal erzeugt, das einen eine starke Beschleunigung bewirkenden Wert hat, bis die Drehzahl des Motors mit dem Sollwert übereinstimmt, und dann eine sprunghafte Änderung auf einen Wert für geringere Beschleunigung erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschleunigungssteuerschallung (34, 64) und eine Differenzierschaltung (70) parallel geschaltet und von der Fehlerdetektorschaltung (24) gesteuert sind und daß die Differenzierschaltung (70) bei Drehzabiübereinslimmung ein zunächst den Wert für geringe Beschleunigung sprunghaft übersteigendes und sich diesem mit einer vorbestimmten nichtlinearen Amplitudenänderung annäherndes Hilfsfehlersignal (100) an den Steuerverstärker (62) anlegt.

2. Servo-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungssteuerschaltung (34, 64) die Amplitude des Fehlersignals am Eingang des Steuerverstärkers (62) bis zur Erzeugung des Hilfsfehlersignals (100) auf einem Wert für maximale Beschleunigung festhält.

3. Servo-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungssteuei schaltung (34) eine an den Eingang des Steuerverstärkers (62) geschaltete Diode (64) enthält.