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System zur Regelung der Drehzahl des Kapstanmotors eines Magnetbandgerätes
Die Erfindung betrifft ein System zur Regelung der Drehzahl des Xapstanmotors eines
.7Iagnetbandgerätes, insbesondere beim Unsspulen, unter Vermeidung von unzulässig
hohen Beschleunigingen Bei den gebräuchlichen Magnetbandgeräten, beispielsweise
bei Geräten zur Aufzeichnung von Fernsehsignalen, wird die Geschwindigkeit des Magnetbandes
von der Drehzahl der Kapstanwelle bestimmt0 Dieses geschieht sowohl beim gesteuerten
Vorlauf zur Wiedergabe bzw. Aufnalune als auch beim Umspulen.
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Die Geschwindigkeit des Magnetbandes beim Umspulen kann Üblicherweise
in einem großen Bereich variiert werden, wozu entsprechende Regeleinrichtungen vorgesehen
sind. Bei einer sprunghaften Einstellung der entsprechenden Bedienorgane kann es
jedoch vorkommen, daß unzulässig hohe Beschleunigungen auftreten und zu Beschädigungen
des Magnetbandes führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Regelsystem vorzuschlagen,
bei welchem die Beschleunigungen des Kapstanmotors begrenzt werden.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine einstellbare Steuerspannung
einem nicht invertierenden Eingang eines ersten Verstärkers und eine der Motordrehzahl
proportionale Spannung einem invertierenden Eingang des ersten Verstärkers zugeführt
ist, daß der Ausgang des ersten Verstärkers Über einßn Widerstand mit dem Eingang
eines als Integrator geschalteten zweiten Verstärkers verbunden ist und daß die
Ausgangsspannung
des zweiten Verstärkers, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Leistungsverstärkers,
dem Kapstamnotor zugeleitet ist.
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Die Erfindung weist den Vorteil aufs daß einerseits während des stationären
Zustandes der Regeleinrichtung der Kapstanmotor eine Drehzahl- aufweist, welche
genau der eingestellten Steuerspannung entspricht, und daß andererseits die zeitlichen
Änderung.~~ der Betriebsspannung des Kapstanuiotors, also auch die Beschleunigung,
nach sprunghaften Änderungen der Steuerspannung bis zum Erreichen der neu eingestellten
Drehzahl unabhängig von der Höhe der sprunghaften Änderung konstant ist.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.
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Von diesen zeigt Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 Diazpamlile der bei der Schaltungsanordnung nach Figur 1 auftretenden Spannungen
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel, und Fig. 4 Diagramme der bei der Schaltung
nach Figur 3 auftretenden Spannungen.
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In Figur 1 wird mit Hilfe des Potentiometers 25, dessen Enden mit
gleich hohen positiven und negativen Spannu#ngen beaufschlagt sind, die Drehzahl
des Kapstanmotors 2 eingestellt. Die vom Potentiometer 25 abgegebene Steuerspannung
gelangt bei 42 zum nicht invertierenden Eingang des Opera tionsverstärkers 26. Über
die Welle 1 ist ein Tachogenerator 41 mit dem Kapstanmotor 2 gekoppelt. Dieser gibt
eine der Drehzahl proportionale Spannung ab, welche bei 43 dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 26 zugeführt wird.
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Ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Steuerspannung bei 42
ist in der gleichlautend bezeichneten Zeile der Figur 2 dargestellt. Die Verstärkung
des. Operationsverstärkers 26 ist derart hoch, daß schon bei geringen Abweichungen
der Eingangsspannungen voneinander die Ausgangsspannung bei 44 je nach Vorzeichen
der Abweichung einen der Extreinwerte einniiflmt, Diese Spannung wird einer Integrationsschaltung
zugeführt, welche aus dem Operationsverstarker 27, dem Kondensator 28 und dem Widerstand
31 besteht, Die Integrationsschaltung wirkt derart, da-ß bei einem Betrag der Spannung
bei 44 von 0 Volt die Ausgangsspannung der Integrationsschaltung bei 45 konstant
bleibt und daß bei einem der Extremwerte der Spannung bei 44 die Spannung bei 45
mit einem konstanten vorgegebenen Differentialquotienten steigt bzw. fällt.
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Ausgehend von einem stabilen Betriebszustand tritt zu einem in Figur
2 mit 51 bezeichneten Zeitpunkt ein Sprung in der Steuerspannung auf. Da sich die
Ausgangsspannung der Integrationsschaltung und damit die Alotordrehzahl nicht sprunghaft
ändern kann, überwiegt die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
26, was zur Folge hat, daß die Ausgangsspannung bei 44 den positiven Extremwert
annimmt. Dadurch wird ein zeitlinearer Anstieg der Motorspannung bei 45 eingeleitet.
Da die mechanischen Zeitkonstanten des rotors und der mit diesem verbundenen weiteren
mechanischen Teile klein gegenüber der Zeitkonstante der Integrationsschaltung sind,
folgt die Ausgangsspannung des Tachogenerators 41 etwa der klotorspannung bei 45.
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Sobald die Ausgangsspannung des Tachogenerators 41 den Wert der Steuerspannung
erreicht (Zeitpunkt 52), springt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers
26 auf O Volt, wodurch wiederum der Anstieg der Motorspannunr abgeschlossen wird.
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Der gleiche Vorgang spielt sich zwischen den mit 53 und 54 bezeichneten
Zeitpunkten mit umgekehrten Vorzeichen -und zwischen den mit 55 und 56 bezeichneten
Zeitpunkten mit größerer Amplitude ab. Wie es aus den Kurven ersichtlich ist, erfolgt
die Beschleunigung des Motors nach Änderungen der Steuerspannung stets mit konstanten
Werten, welche beispielsweise dicht unterhalb der maximal zulässigen Beschleunigung
gewählt werden können, so daß das Magnetband in möglichst kurzer Zeit auf die mit
Hilfe des Potentiome$ers eingestellte Geschwindigkeit gebracht wird.
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Bei dem in Fig. ~ gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich auf
der Welle 1 des Ifapstanmotors 2 ebenfalls ein Tachogenerator. Dieser Tachogenerator
3 kann beispielsweise aus einer Scheibe bestehen, welche mit entsprecheliden Ausschnitten
versehen ist, die von einer Lichtschranke abgetastet werden. Gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung sind zwei Ausgänge 4 und 5 des Tachogenerators vorgesehen, an welchen
Impulse zur Verfugung stehen, deren Frequenz proportional der Drehzahl ist. Die
Phasenlage der vom Ausgang 5 abgegebenen Impulse ist um 900 gegenüber derjenige
der Impulse am Ausgang 4 verschoben.
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Zur genaueren Erläuterung sind in Figur 4 Spannungs-Zeit-Diagramme
der in der Schaltung nach Figur 3 auftretenden Impulse dargestellt.~ Hierbei treten
die in der Spalte a dargestellten Spannungen und Impulse bei der einen Drehrichtung
des Kapstanmotors und die in der Spalte b dargestellten Spannungen und Impulse bei
der anderen Drehrichtung auf. In der mit D bezeichneten Zeile der Figur 4 sind die
Impulse des Ausgangs 4 des Tachogenerators dargestellt, welche einerseits zum Eingang
des monostabilen h.ultivibrators 6 und andererseits zum Eingang des D-Flip-Flops
9 gelangen. Die Impulse des Ausgangs 5, welche zum Takteingang des D-Flip-Flops
geführt werden, eilen bei der unter a dargestellten Drehrichtung gegenüber den
Impulsen,
welche in Zeile D dargestellt sind, vor, während sie für die andere Drehrichtung
nacheilen.
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Das D-Flip-Flop 9 hat nun die Eigenschaftw daß bei einem Sprung von
0 auf L des bei T zugeführten Signals der zu diesem Zeitpunkt vorhandene T.#rt am
D-Eingang zum Ausgang Q übertragen wird und dort bis zum nächsten Sprung von 0 auf
L am Takteingang gehalten wird. Wie es in Figur 4 gestrichelt dargestellt ist, weist
das Signal D bei den Sprüngen des Taktsignals T von 0 auf L den Wert 0 auf.
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Daraus ergibt sich, daß bei der linlrs dargestellten Drehrichtung
der 4Ausgang des D-Flip-Flops 9 den Wert O bzw.
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der %Ausgang den Wert L aufweist, während bei der rechts dargestellten
Drehrichtung der Q-Ausgapg den Wert L zeigt.
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Der monostabile Multivibrator wird von den Vorderflanken des in Zeile
D dargestellten Signals getriggert. Am Ausgang des monostabilen Multivibrators 6
stehen Impulse zur Verfügung, deren Breite unabhängig von der Frequenz der zugeführten
Impulse, also auch unabhängig von der Drehzahl des Motors 2 ist. Diese in Zeile
10 dargestellten Impulse werden je einem Eingang der UNI)-Schaltungen 7 und 8 zugeführt,
deren weitere Eingänge mit den Ausgangssignalen an Q bzw. Q des D-Flip-Flops beaufschlagt
sind. An den Ausgängen 11 und 12 der UND-Schaltungen 7 und 8 entstehen dadurch die
in Zeilen 11 und 12 dargestellten Impuls folgen.
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Diese Impuls folgen steuern die elektronischen Schalter 15 und 16
in der Weise, daß bei Auftreten eines L-Signals am Steuereingang der jeweilige elektronische
Schalter leitend ist. Der elektronische Schalter 15 ist an eine positive Spannung,
beispielsweise + 12 Volt angeschlossen während der elektronisdie Schalter 16 mit
einer gleich großen, negativen Spannungbeaufschlagt ist. Am Schaltungspunkt 13 ergeben
sich somit die in Zeile 13 der Figur 4 dargestellten
Impulsfolgen,
Die Spannung am Punkt 13 wird über den Widerstand 17 dem Eingang 18 eines Operationsverstärkers
19 zugeführt. Der Ausgang 20 des Operationsverstärkers 19 ist über einen Kondensator
21 mit dem Eingang 18 verbunden, so daß eine Integrationsschaltung gebildet wird.
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Ebenfalls dem Eingang 18 wird über einen weiteren Widerstand 22 und
über den Schaltungspunkt 14 eine Steuerspannung zur Einstellung der M6tordrehzahl
zugeführt.
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Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 19 wird schließlich
über einen Leistungsverstärker 23 dem Motor 2 zugeführt. Durch die Wirkung des Integrators
stellt sich lediglich dann ein stabiler Zustand des Systems ein, wenn das Zeitintegral
des Stromes im Widerstand 17 dem negativen Wert des Zeitintegrals des Stromes im
Widerstand 22 entspricht.
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Zur Veranschaulichung dieses Zusammenhangs sind in Figur 4 die entsprechenden
Flächen schraffiert dargestellt.
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Da die Amplitude der bei 13 auftretenden Impulse wegen der Konstanz
der zugeführten Spannung ebenfalls konstant ist und die Breite der Impulse durch
die Zeitkonstante des monostabilen Multivibrators 6 vorgegeben ist, ist das Zeitintegral
lediglich davon abhängig; wie viele Impulse innerhalb einer Zeiteinheit auftreten.
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Die Drehzahl des rotors 2 wird mit Hilfe des Potentiometers 25 eingestellt.
Um zu verhindern, daß auch die Steuerspannung bei 14 eventuell vorgenommenen plötzlichen
Betätigungen des Potentiometers 25 sprunghaft -folgt, könnte an sich ein einfaches
aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehenden Dämpfungsglied vorgesehen
sein. Dieses hätte jedoch den Nachteil, daß bei kleinen plötzlichen Änderungen der
Potentiometerstellung der Nachlauf der Steuerspannung bei 14 ebensolange dauert
wie bei großen plötzlichen Änderungen.
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Die maximal zulässige Beschleunigung des !rotors 2 wäre also bei kleinen
Änderungen bei weitem nicht ausgenutzt. Zur Vermeidung kieses Nachteils ist eine
Schaltung aus den beiden Operationsverstärkern 26 und 27 vorgesehen, von denen der
erste als Differenzverstärker und der zweite mit Hilfe des Kondensators 28 und des
Widerstandes 31 als Integrator geschaltet ist. Die Widerstände 29, 30 und 32 sowie
die elektronischen Schalter 33
und 34 sind im Hinblick auf die Begrenzung
der Beschleunigung des Motors 2 nach schnellen Änderungen der Potentiometerstellungen
und des Potentiometers 25 bedeutungslos und könnten zunächst bei der Beschreibung
der Schaltung außer Betracht gelassen werden.
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Die vom Schleifer des Potentiometers 25 abgenommene Spannung gelangt
zum nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 26. Im stabilen Zustand
der Anordnung weist die Spannung bei 14 den gleichen Wert wie die Spannung des Schleifers
des Potentiometers 25 auf, so daß am Ausgang des Differenzverstärkers 26 nahezu
0 Volt anliegen. Da diese Spannung zum Eingang des Integrators 27, 28 gelangt, bleibt
die Ausgangsspannung des Integrators, also die Spannung bei 14 konstant. Wird jedoch
der Schleifer des Potentiometers 25 bewegt, so entsteht am Ausgang des Differenzverstärkers
eine positive oder negative Spannung, was einen zeitlinearen Anstieg bzw. Abfall
der Ausgangsspannung des Integrators zur Folge hat, bis die Spannung bei 14 den#neueingestellten
Spannungswert entspricht. Da die Verstärkung des Differenzverstärkers 26 recht hoch
ist und schon bei geringen Abweichungen die Ausgangsspannung entweder den positiven
oder negativen Extreniwert a7nilnmt, ist die Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangssignälslntegrators
unabhängig von der Höhe des eingestellten Spannungssprungs am nicht invertierenden
Eingang des Differenzverstärkers 26.
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Bei den heute gebräuchlichen ìlagnetauizeichnungseinriclltungen werden
die Motore zum Antrieb der Vorratsspulen im folgenden kurz Wickelmotore genannt,
nach der durch den Kapstarnnotor vorgegelenen Geschwindigkeit gesteuert. Häufig
sind Vakuumsäulen vorgesehen, um plötzliche Gesc}lwindigkeitsänderungen des Magnetbandes
abzufangen, damit keine zu großen Beschleunigungskräfte auf die Spulen und auf das
aufgewickelte Band einwirken können. Sollte es trotzdem eirnijal vorkommen, daß
die
Wickelmotore ein zu großes Drehmoment aufwenden müßten, um der durch den Kapstan-Antrieb
vorgegebenen Beschleunigung des Mtlagnetbandes zu entsprechen, wird gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung der Anstieg der Steuerspannung in der Integrationsschaltung
vermindert, wenn der Strom mindestens eines Wickelmotors den vorgegebenen Grenzwert
übersteigt oder wenn die Betriebsspannung der Wickelmotore nicht ausreicht, um die
erforderliche Drehzahl zu bringen, insbesondere während der Beschleunigungsphase.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Figur 1 ist zur Verdeutlichung des
Sachverhalts lediglich ein Wickelmotor 35 dargestellt, in dessen Zuleitung zu einem
der Pole 36 und 37 einer Betriebsspannungsquelle eine Strommeßeinrichtung 38 eingefügt
ist. Diese Strommeßeinrichtung kann illl einfachsten Fall aus einem Widerstand,
dessen Spannungsabfall weitergeleitet wird, bestehen. Die dem otorstro proportionale
Spannung gelangt zu einer Schwellwerteinrichtung 39, deren Ausgangsspannung beispielsweise
von 0 auf 1, springt, sobald der Motorstrom einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
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Die Steuerspannung für Begrenzung durch zu kleine Betriebs spannung
wird dadurch gewofl#fl, daß bei einem geschalteten Verstärker festgestellt wird,
ob das Tastverhältnis ein/aus dem Wert 1 zustrebt. Dies ist der Fall, wenn der Motorstrom
länger als ca. (2 - 10) x T eingeschaltet wird. T ist die elektrische Motorzeitkonstante.
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Das Ausgangssignal der Schweliwerteinrichtung gelangt einerseits als
Steuerspannung zum Schalter 33, welcher bei Überschreiten des Grenzwertes in den
leitenden Zustand gerät. Dadurch wird die vom Potentiometer 25 abgegebene Spannung
kurzgeschlossen. Gleichzeitig wird der Schalter 34 ebenfalls geschlossen, was zur
Folge hat, daß die Widerstände 30 und 33 als Spannungsteiler arbeiten und lediglich
ein Teil der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 26 zur Integrationsschaltung,
bestehend aus dem Verstärker 27, dem
Kondensator 28 und dem Widerstand
31 gelangt. Sinkt der Motorstrom wieder unter den vorgegebenen Grenzwert, so wird
der Schalter 33 geöffnet und die eingestellte Steuerspannung wieder zum Verstärker
26 geleitet. Damit jedoch die Steuerspannung bei 14 nicht sofort wieder unerwünscht
steil ansteigt, wird der Ausgang5impuls des Schwellwert~ schalters 39 mit Hilfe
eines monostabilen Flip-Flops 40 verlängert, so daß auch nach dem Unterschreiten
des C-renzwertes die Wirkung des Spannungsteilers zwischen den Verstärkern 26 und
27 erhalten bleibt und die Spannung bei 14 langsamer als bei eöffnetein Schalter
34 ansteigt.
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Mit der beschriebenen Anordnung ist es niöglich, die Drehzahl des
Kapstanmotors in weiten Grenzen, beispielsweise im Bereich 1 : 1000 kontinuierlich
zu regeln. Hierbei ist es jedoch #~u#nschenswert, dem Bedienorgan, also deni Potentiometer
25 eine derartige Charakteristik zu geben, daß die Drehzahl des Motors in allen
Teilen des erwähnten Bereichs bequem genau einstellbar ist. Für das Potentiometer
25, welches mit der beiden Enden an je eine positive und negativ Spannung angeschlossen
ist, ergäbe sich damit die Forderung einer von der Mitte ausgehend symetrischen
exponentiellen Kennlinie. Da derartige Potentiometer für andere Zwecke der Technik
derzeit nicht gebraucht werden und deshalb nicht ohne weiteres erhältlich sind,
ist gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung das lineare Potentiometer 25
mechanisch mit einem weiteren linearen Potentiometer 46 gekoppelt. Dieses Potentiometer
46 verfügt über einen 2,idttelabgriff und ist elektrisch über seinen Schleifer mit
dem Schleifer des Potentiometer 25 verbunden, während die Endkontakte des Potentiometers
46 ohne Anschluß bleiben.
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Bei der Mittelstellung ergibt sich für die Schleifer eine Spannung
mit dem Wert O Volt Ba egen sich die Schleifer in Richtung des einen oder anderen
sandes, so ist die kleine b eichun von der #-ittelstellung der Widerstand zwischen
dom
Schleifer des Potentiometers 46 und dessen Mittelanzapfung sehr klein, so daß die
vom Potentiolneter 25 aufgrund des jeweiligen Widerstandverhältnisses abzugebende
Spannung praktisch Jcurzgeschlossen wird. Mit zunehmender Abweichung der Schleifste4##-ug
von-der Mittelstellung wird jedoch der Innenwiderstand des Potentiometers 25, der
ja durch die Parallelschaltung der beiden Teilwiderstände gebildet ist, geringer,
während der Widerstand zwischen Schleifer und Mittelanzapfung des Potentiometers
46 größer wird.
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Daraus ergibt sich, daß die dem Verstärker 26 zugeführte Spannung
bei Betätigung des Potentiometers 25 aus der Mittelstellung heraus zunächst langsam
und dann steiler ansteigt.