DE2138611A1

DE2138611A1 - Bewegungssteuereinrichtung

Info

Publication number: DE2138611A1
Application number: DE19712138611
Authority: DE
Inventors: Timothy John Windsor Berkshire; Scarrott Gordon George Welwyn Garden City Hertford; Stevenson (Großbritannien)
Original assignee: Fujitsu Services Ltd
Current assignee: Fujitsu Services Ltd
Priority date: 1970-09-04
Filing date: 1971-08-02
Publication date: 1972-03-09
Also published as: DE2138611B2; HU164251B; DE2138611C3; GB1344627A; US3729663A; PL82216B1

Description

INTERNATIONAL COMPUTERS LIMITED, ICL House, Putney, London,S.W.15

England

Bewegungssteuereinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum raschen Steuern von elektromechanischen Betätigungsgliedern.

Bei Magnetplattendateispeichern ist es oft erforderlich, einen Aufzeichnungskopf dadurch in die richtige Stellung zu bringen, daß der Kopf von. einer Spur auf der Scheibe auf eine andere bewegt wird. ,Eine Begrenzung der Geschwindigkeit, mit der Daten auf einer Scheibe zugänglich sind» liegt somit in der Zeitdauer, die erforderlich ist, urn den Aufzeichnungskopf in die entsprechende Stellung zu bringen. Auch ist die Geschwindigkeit, mit der der Aufzeichnungskopf bewegt werden kann, begrenzt, da die Energie zum Antrieb des Aufzeichnungskopfes und des zugehörigen Vorschubmechanismus wirtschaftlich ausgelegt sein muß. Da in der Praxis die Energie, die zur Erzielung einer Bewegung des -^ Kopfes und des Vorschubes oder zur Steuerung eines Betätigungsgliedes erforderlich ist, mit der umgekehrten dritten Potenz

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der Zeit, in der die Bewegung erfolgen soll, rasch ansteigt, ist es entscheidend, die Energie so wirtschaftlich wie raöglich einzuteilen. .

Es ist bekannt, die erforderliche kinetische Energie zur Steuerung einer Betätigungsgliedes dadurch aufzubringen, daß elektrische Energie über Steuerschaltungen von einer Energiespeisequelle entnommen wird. Wird das Betätigungsglied verzögert, wird die kinetische Energie des Betätigungsgliedes beispielsweise in Transistoren und Widerständen=der Steuerschaltung zwischen der Energiespeisequelle und dem Betätigungsglied abgeführt. Es m .ist auch beispielsweise in Schaltungen zur Erregung einer Wicklung eines magnetischen Aufzeichnungskopfes bekannt, einen Induktor., mit einem vorbestimmten Strom vorzusehen, der normalerweise hindurchfließt. Dieser Induktor kann als Hilfsinduktor bezeichnet werden, weil dieser Strom dann, wenn es erforderlich ist, eine Kopfwicklung zu erregen, rasch auf die Kopfwicklung geschaltet wird und dadurch dazu beiträgt, daß der Strom in der Kopfwicklung seinen maximalen Wert erreicht. Während ein Hilfsinduktor dem Aufzeichnungskopf eine Stufenfunktionsspannung aufgibt und damit die, Zeitdauer verringert, die erforderlich ist, damit der Strom in der Kopfwicklung seinen maximalen Wert erreicht, müssen die Stromkreiselemente diesen Strom bei einer Ableitung des Auf- _ Zeichnungsfeldes absorbieren. Infolgedessen wird die elektrische ™ , Energie, die zur Erregung der Kopfwicklung notwendig ist, nicht wirtschaftlich verwendet, weil sie in die Stromkreiselemente abgeführt wird.

Nach vorliegender Erfindung wird bei einer Einrichtung zur Steuerung von Bewegungen des beweglichen Teiles eines Betätigungsgliedes und zur Rückgewinnung von Energie, die von diesem beweglichen Betätigungsglied erzeugt wird, vorgeschlagen, daß eine Schaltvorrichtung eine vorbestiramte Strombedingung im Betätigungsglied und im Speicher aufbaut, damit eine Energiespeicherung im Speicher erzielt wird, daß eine Steuereinrichtung zur Veränderung

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der 3troi.vbedingung im Energiespeicher vorgesehen ist, um das Betätigungsglied in einer gewünschten Richtung zu beaufschlagen und über den Speicher Strom einzuführen, der durch die EMK erzeugt wird, die aus der Bewegung des Betatigungsgliedes entgegengesetzt zum Strom entsteht, der das Betätigungsglied beschleunigt, wodurch kinetische Energie aufgebracht wird, die durch Bewegung des Betätigungsgliedes zum Energiespeicher erzeugt wird. , .. _.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch eine Schaltanordnung zur Beschleunigung und ' ' Verzögerung eines beweglichen Bauteiles eines Betätigungsgliedes.

Eine Servo- und Steuerschaltung 12 ist mit einem ersten Ausgang an die Basis eines Transistors 10 über eine Leitung 22 und mit einem zweiten Ausgang an die Basis eines Transistors 11 über eine Leitung. 23 gelegt. Eine Drossel 25 weist einen Kern 20 und zugeordnete Wicklungen 16 und 17 auf; die Spulen sind gleichförmig polarisiert gekoppelt. Um die Streuinduktivität zwischen den wicklungen 16 und 17 so klein wie möglich zu halten, sind sie tifilar gewickelt. Der positive Anschluß einer Speisequelle 18 ist mit dem negativen Anschluß einer Speisequelle 19 verbunden. Diese beiden Anschlüsse sind an den gleichen Eingang eines Be- i tätigungsgliedes 21 gelegt. Der negative Anschluß der Speisequelle 18 ist mit dem oberen Ende der Wicklung 17 verbunden, während der positive Anschluß der Speisequelle 19 mit dem unteren Ende der Wicklung 16 verbunden ist.Das untere Ende der Wicklung 17 ist über eine Diode 14 mit dem Kollektor des Transistors 11 verbunden, während das obere Ende der Wicklung 16 über eine Diode 15 an den Kollektor des Transistors 10 gelegt ist. <*=-

Das andere Ende des Betatigungsgliedes 21 ist mit den Emitterelektroden der Transistoren 10 und 11 verbunden. Das Betätigurigs·*. -

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glied kann beispielsweise ein Linearmotor sein, der in einer Magnetscheibenkopfeinstellvorrichtung verwendet wird. Dieser Motor kann ein Schwingspulantrieb sein.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung ist folgende:

Das Betätigungsglied 21 weist zweckmäßigerweise eine bewegliche Masse auf, auf die von einem Gleichstrommotor eingewirkt wird, der eine Kraft proportional dem Strom im Motor erzeugt. Die Kombination aus Masse und Motor, weist eine äquivalente Schaltung auf, deren Hauptimpedanzkomponente kapazitiv ist. Infolgedessen kann die äquivalente Kapazität des Betätigungsgliedes als Teil eines abgestimmten Stromkreises mit der induktiven Impedanz der Drossel 25 betrachtet werden, so daß das Betätigungsglied und die Impedanz Energie austauschen können. Eine Form eines Linearantriebes oder eines Betätigungsgliedes ist in der US-Patentschrift 3.260.870 beschrieben und dargestellt.

Damit das Betätigungsglied 21 in einem stationären Zustand gehalten wird, ist die Servo- und Steuerschaltung 12 so ausgelegt, daß sie Ausgangssignale über die Leitungen 22 und 23 erzeugt, damit beide Transistoren 10 und 11 in einem stromleitenden Zustand gehalten werden, der niedriger ist als der vollstrornleitende Zustand. Die Energiequelle 19 kann dann einen Strom i, durch die Wicklung 16, den Transistor lO und das Betätigungsglied 21 in einer ersten Richtung schicken. Gleichzeitig erzeugt die Energiequelle 18 einen Strom i_?, der gleich dem Strom i, ist und der durch die Wicklung 17, den Transistor 11 und das Betätigungsglied in einer Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung fließt. Da die Ströme i, und i₂ gleich oder zumindest annähernd gleich sind, heben sie einander am Betätigungsglied ganz oder zumindest weitgehend auf, so daß der Nutzstromfluß durch das Betätigungsglied 21 nicht ausreichend ist, um das Betätigungs-.glied zu erregen und es anzuschalten. Selbst wenn der Nutzstrom

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fluß Null ist, erzeugen die Ströme i, und i~ einen ruhenden Stromzustand in der Drossel, so daß ein entsprechender Energiezustand in der Drossel erhalten wird.

Die Servo- und Steuerschaltung 12 ist so ausgelegt, daß sie die Ströme i-, und i₂ um gleiche und entgegengesetzte Beträge steuert, während der gewünschte Nutzstrom-zustand über das Betätigungsglied 21 aufrechterhalten wird. Infolgedessen kann die Schaltung 12 das Betätigungsglied 21 in der gewünschten Stellung genau stationär halten, indem die entsprechenden Änderungen in i, und i_ vorgenommen v/erden. Diese Betriebsweise ermöglicht beispielsweise, daß ein (nicht dargestellter)Aufzeichnungskopf, in der Nähe einer einzigen Spur auf einer (nicht dargestellten) Magnetscheibe eingestellt wird. -

Wenn es erwünscht ist, beispielsweise die Lage eines Aufzeichnungskopf es zu ändern, wird der abgeglichene Stromzustand im Betätigungsglied aufgehoben und das Betätigungsglied muß erregt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Servo- und Steuerschaltung 12 einen Ausgang· über die Leitung 23 führt, der den Transistor 11 nicht stromleitend macht, und einen Ausgang über die Leitung 22, der bewirkt, daß der Transistor 10 voll stromleitend wird. Der Stromfluß i₂ durch die Serienschaltung aus Spule 17, Diode 14, Energiequelle 18, Betätigungsglied 21 und Transistor 11 *

wird unterbrochen, während der Strom durch die Reihenschaltung aus Spule 16, Diode 15, Transistor 10, Betätigungsglied 21 und Energiequelle 19 fließt. Aufgrund der Unterbrechung des Stromflusses i„ durch die vorerwähnte Reihenschaltung besteht die Wirkung der Drossel 25 darin, einen Strom zu erzeugen, der anfänglich dem Strom i₂ äquivalent ist und der die Spule 16 durchfließt, so daß der ruhende Strom i, und i , der ursprünglich dem Betätigungsglied aufgegeben worden ist, durch die Spule 16 fließt. Mit anderen Worten heißt dies, daß ein Strom, der gleich

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dem doppelten des ruhenden Stromes i, ist, welcher anfänglich in der Wicklung 16 fließt, dem i₂ -Stromeingang des Betätigungsgliedes 21 aufgegeben wird.

Bei einer Aufnahme dieses kombinierten Stromes i und i₂ wird das Betätigungsglied in einer ersten Richtung beschleunigt. Während dieser Beschleunigung wird Energie aus der Drossel entnommen, so daß die Stromkomponente i, fällt.

Die Bewegung des Betätigungsgliedes erzeugt eine Gegen- EMK , die wiederum einen Strom i-, erzeugt, der in entgegengesetzter Richtung auf den Antriebsstrom i, und i_ . , so daß jeder Augenblick der Bewegung des Betätigungsgliedes die Resultierende des Stromes i- fallender Größe, des Stromes i, aus der Energiequelle 19 und des Gegenstromes I₃, der sich aus der Gegen-EMK ergibt, ist.

Die algebraische Summe der Ströme i,, i₀ und i verringert sich laufend, bis der Strom etwa auf Null fällt, bedingt durch die Entladung der Drossel bei einer Vergrößerung der Gegen-EMK, die sich aus der Beschleunigung ergibt.

Wenn die Drossel etwa die Hälfte des gewünschten ALstandes zurückgelegt hat, den sie sich bewegen soll, werden ö.ie stronleitenden Zustände der Transistoren 10 und 11 vertauscht. I:· dieser Stellung kann der Strom, der das Betätigungsglied antreiben soll, auf den vorerwähnten Nullzustand bereits gefallen sein oder auch nicht. Dies bedeutet, da.; die Wicklung 16 aus der Schaltung abgeschaltet und die Wicklung 17 in die Schaltung eingeschaltet ist. Der Strom, der sich aus der Gegen-EMK ergibt, kann nunmehr den ruhenden Stromzustand in der Drossel aufbauen, derart, daß bei entsprechender Steuerung durch die Steuerschaltung 12 das Betätigungsglied zur Ruhe kommt, wobei der ruhende Strom in der Drossel 25 auf den anfänglichen Wert zurückgeführt wird.

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Die Steuerschaltung 12 ist so ausgelegt, daß sie die Feineinste!lagesteuerung für das Betätigungsglied bis unmittelbar ; zu der Stelle steuert, an der das Betätigungsglied in ihrer neuen Stellung zur Ruhe kommt. Das heißt, daß die kinetische Energie des Betätigungsgliedes der Drossel 25 aufgegeben worden ist, statt daß sie in die Stromkreiselemente, wie beispielsweise die Transistoren 10 und 11, abgeführt worden wäre.

Da die Drossel 25 und das Betätigüngsglied 21 einen Teil eines abgestimmten Stromkreises bilden, wird ein gedämpfter Resonanzzustand zwischen der Drossel und dem Betätigungsglied geschaffen, ^ wobei letztere als Kapazität in bezug auf die Gegen-EMK dient ™ und die. gewünschte Energieübertragung damit unterstützt. Wenn die Gegen-SMIC den Aufbau des Stromes in der Drossel 25 bewirkt, wird das Betätigungsglied 21 verzögert und kommt zur Ruhe, nachdem es eine bestimmte Strecke X zurückgelegt hat. Die Strecke X, die das Betätigungsglied 21 zurückgelegt hat, kann durch Auswahl eines Betätigungsglxedes (oder Linearmotors) und der Drossel 25 mit den gewünschten Parametern voreingestellt werden. Üie voreingestellte Strecke X kann entweder verlängert oder verkürzt werden. Beispielsweise kann eine kürzere Strecke dadurch erhalten werden, daß die Servo- und Steuerschaltung-12 die Verbindungen von dem Betätigungsglied 21 zur Drossel 25 vertauscht, bevor die Gegen-EMK bewirkt, daß der Strom Null wird. Die Strecke | X ~kann/üurch vergrößert werden, daß das Betätigüngsglied 21 von der Drossel 25 eine bestimmte Zeitlang, nachdem der Strom:Null geworden ist, abgeschaltet wird. In diesem letzteren Falle hält die Servo- und Steuerschaltung 12 beide Transistoren 10 und im nichtleitenden Zustand. Diese beiden Transistoren können jedoch nur im nichtleitenden Zustand gleichzeitig gehaltai werden, wenn der Strom Null ist, da eine hohe Spannungspitze, die die Transistoren 10 und 11 beschädigen würde* entstehen würde, falls die Transistoren lo und 11 mit dem sie durchfließenden Ström in einem offenen Stromkreis geschaltet sind. ^! ·

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Durch Sie Möglichkeit der Einstellung der voreingestellten Strecke X ist die Servo- und Steuerschaltung 12 in der Lage, alle üngeliauigkeiten im System zu kompensieren, und zu gewährleisten, daß das Betätigungsglied 21 zur Ruhe kommt, wobei die Drossel. 25 mit ihrem vollen Anfangsstrom erregt wird. Auch sind die Anforderungen an die Energiequellen 18 und 19 geringer als wenn die kinetische Energie des Betätigungsgliedes 21 einfach in die Stromkreiselemente abgeleitet würde. Bei vorliegender Einrichtung müssen die Energiequellen 18 und 19, die nominell gleiche Spannungen aufweisen, nur in der Lage sein, einen Strom und eine Spannung zu erzeugen, die ausreichen, um die Drossel 25 zu magnetisieren und die Widerstandsverluste in der Drossel 25 und in den Transistoren 10, 11 sowie im Betätigungsglied 21 zu kompensieren. Derartige Verluste sind jedoch im Vergleich zur Gesaratenergie, die in die Drossel 25 zurückgeführt wird, gering, so daß die Gesamtableitung an Energie auf einem wirtschaftlich geringen Wert gehalten wird.

Nachdem das Betätigungsglied 21 sich um eine Strecke X bewegt hat, oder die bewegliche Spule eines Linearmotors eine Strecke X zurückgelegt hat, kann die Anordnung in einen stationären Betrieb dadurch zurückgeführt werden, daß ein Ausgangssignal über die Leitung 23 aufgegeben wird, das den Transistor 11 teilweise stromleitend macht. In ähnlicher Weise wird der Transistor 10 ebenfalls nur teilweise stromleitend gemacht, indem die Servo- und Steuerschaltung 12 ein entsprechendes Ausgangssignal über die Leitung 22 aufgibt. Auf diese Weise werden die Ströme i, und i„ wieder hergestellt.

Das Betätigungsglied 21 wird so erregt, daß es sich in einer Richtung bewegt, indem der Transistor 10 vollständig stromleitend und der Transistor 11 nicht stromleitend gemacht wird. In ähnlicher Weise kann die Servo- und Steuerschaltung 12 Ausgangs signale aufgeben, die den Transistor Io nichtstromleitend und den Transistor

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11 stromleitend machen, damit das Betätigungsglied 21 so erregt

wird, daß es eine Bewegung in umgekehrter Richtung erzeugt. '

Das Betätigungsglied 21 ist als Schwingspul- Linearmotor beschrieben worden, es können jedoch auch andere Ausführungsformen von Elektromotoren verwendet werden. Statt eine Spule um eine
Strecke X zu verschieben, kann ein Anker um einen Winkel verschoben werden, wenn beispielsweise ein entsprechender Gleichstrommotor verwendet wird.

Die Dioden 14 und 15 haben die Aufgabe, die Transistoren 11 und lO gegen Rückspannungen zu schützen, die aufgrund der Transfor-- \ mationswirkung zwischen den Wicklungen 16 und 17 der Drossel 25 erzeugt werden.

Während die Transistoren.10 und 11 als Schalteinrichtungen verwendet werden, können auch andere Halbleiterschaltelemente oder Elektronenröhren verwendung finden.

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1 C -

Claims

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Patentansprüche

Einrichtung zur Steuerung" von Bewegungen des beweglichen Teiles eines Betätigungsgliedes und zur Rückgewinnung von Energie, die von diesem beweglichen Teil erzeugt wird, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (15, 19) zum Aufbau einer vorbestimmten Strombedingung im Betätigungsglied (21) und im Speicher (25) , um eine Energiespeicherung im Speicher zu erzielen, und eine Steuereinrichtung (12) zur Veränderung der Strombedingung im Speicher (25) , um das Betätigungsglied (21) in einer gewünschten Richtung zu beschleunigen und über den Speicher (25) Stz'cm einzuführen, der von der EMK erzeugt wird, die aus der Bewegung des Betätigungsgliedes (21) entgegengesetzt zu dem Strom entsteht, der das Betätigufigsglied (2.1) beschleunigt, wodurch aufgrund der Bewegung des Betätigungs gliedes (21) erzeugte kinetische Energie dem Energiespeicher (25) aufgegeben wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ds"; erste und zweite Strompfade zum Zuführen erster und zwei- l Ströme in den Speicher (25) und das Betätigungsglied (21) vorgesehen sind, um das Betätigungsglied in einen stationären Zustand zu halten und einen vorbestimmten Energiepegel ϊ;λ Speicher aufzubauen, und daß die Steuereinrichtung (12) con Stromfluß von einem ausgewählten Pfad in solcher VZeise -.,r.-ierbricht, daß der Stromfluß durch das Betätigungsglied (21) unabgeglichen und der Energiespeicher (25) über üen anderen Strompfad entladen wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der

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Strom, der sich aus der Gegen-EMK ergibt, durch den anderen Stroinpfad entgegengesetzt zu dem Stromfluß darin fließt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (12) so ausgelegt ist, daß sie den ersten und den zweiten Strompfad in der Weise schaltet, daß ein Stromfluß durch den ausgewählten Pfad ermöglicht wird und daß der Stromfluß im anderen Pfad unterbrochen wird, -wobei die Anordnung so ausgelegt ist, daß das Betätiguhgsglied (-21) verzögert und kinetische Energie des Betätigungsgliedes in den Speicher (25) übertragen wird.

5. Einrichtung, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

sie

die Steuerschaltung (12) so ausgelegt ist, daß/die Strompfade wieder schaltet, wenn der Strom in dem ausgewählten Pfad den Wert Null genau oder angenähert erreicht hat. ,

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3, 4 oder 5,. dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (25) ein Spulenpaar (16, 17) auf einem geraeinsamen Kern (20) aufweist, wobei eine Spule (16, 17) in jeden der Strompfade eingeschaltet

7i Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 6, dadurch ge- (J

kennzeichnet, daß die Steuerschaltung (12) einen Transistorschalter (10, 11) in jedem Stroiapfad und eine Vorrichtung r-iifweist, die die stromleitenden Zustände der Transistorschalter (10, 11) so steuert, daß die stromleitenden Zustände der ersten und zweiten Strompfade geändert werden. /

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 7*.. dadurch ge- .:-■-.-" kennzeichnet, daß jeder Strompfad eine Spanhungsquelle (18>19) eine Gleichrichteranordnung (14, 15), eine Schaltvorrichtung/

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(lO, 11), die von der Steuerschaltung Letätigbar- iät, ^r.velcl:e beiden StroiapJraden gemeinsam ist, unc eine Spule (16,, 17) ii.. Speicher (25) aufweist, und de.3 die Strorapfade parallel zu dem Betätigungsglied (-21) geschaltet sind, so daß deiu Betätigungs-.glied (21) entgegengesetzt gerichtete Ströne aufgegeben werden.

•9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied (21) durch Anlegen gleicher und entgegengesetzt gerichteter Ströme an das Betätigungsglied (21) in einer Ruhestellung gehalten wird, und daß die Steuerschaltung (12) den Stromfluß durch die Transistorschaltvorrichtung (lO, 11) in uon entsprechenden Strompfaden vergrößert oder verringert, ohne daß der Magnetisierungszustand des Betätigungsgliedes (21) geändert wird, wodurch der Tendenz des Betätigungsgliedes (21) ,' aus der Ruhestellung auszuweichen, entgegengewirkt wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied (21) ein Motor, z.B. ein Linearmotor ist.

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