DE2352684C3 - Drehzahlregelungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein programmierbares, digitals Drehzahlregelungssystem mit einer Einrichtung zur jeferung einer Drehzahiführungsgröße, die einen pannungsgesteuerten Oszillator und einen Phasendeektor aufweist, einer Zählereinheit zum Empfang der )rchzah!führur.gsgröße und eier Drehzahlregelgröße, md mit einem an den Ausgang der Zählereinheit ingeschlossenen Integrator.

Ein Drehzahlregelungssystem der eingangs genannen Art ist bereits aus der DT-OS 19 09 430 bekannt und bezweckt die Änderung einer Geschwindigkeit innerhalb kleiner Grenzen zur Vermeidung von Umdrehungsschwankungen, wobei die Änderungen durch einen Phasenvergleich mit einem Bezugswert erhalten werden.

In der US-PS 36 46 417 ist ein Geschwindigkeits-Regelungssystem beschrieben, bei dem eine Nachregelung im Falle zu niedriger oder zu hoher Motorgeschwindigkeit erfolgt Die US-PS 36 21 353 beschreibt ein Geschwindigkeits-Regelungssystem, bei dem in einem Phasendetektor der Vergleich zwischen der Führungsgröße und einem Bezugswert erfolgt, um eine entsprechende Stellgröße zu liefern.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein programmierbares, digitales Drehzahlregelungssystem zu schaffen, welches auf einen großen verfügbaren Drehzahlbereich anwendbar ist und eine exakte Regelung sowie Anzeige gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Gemäß der Erfindung kann der Drehzahlbereich durch Drehzahl-Stellschalter verändert werden; eine zugeordnete Schaltung bewirkt eine entsprechende Verstellung des Regelkreises aut den jeweiligen Drehzahlbereich, wie auch eine Verstellung der Drehzahlanzeige. Die Drehzahlregelung und -anzeige gemäß der Erfindung ist von höchster Genauigkeit und umfaßt vorteilhafterweise einen sehr großen Drehzahlbereich. Beispielsweise läßt sich eine Drehzahlregelung im Verhältnis 15:1 durchführen, wodurch die Erfindung vielfach anwendbar ist.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild des Drehzahlregelungssystems,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer bei der Erfindung angewandten Integrationsschaltung,

F i g. 3 ein Blockschaltbild eines Frequenzsynthesizers mit einem phasenstarren Rückkopplungskreis zur Verwendung bei der Erfindung,

F i g. 4 eine Schaltung zur Änderung des Drehzahlbereichs für die in F i g. 3 gezeigte Anordnung,

F i g. 5 ein Blockschaltbild eines 1/K-Zählers,

F i g. 6 einen Drehzahlsignalwandler für die Schaltung nach F ig. 1,

Fig.7 ein Blockschaltbild eines Zählers und einer Drehzahlanzeige,

Fig.8 eine graphische Darstellung der Wellenformen, die bei der erfindungsgemäßen Schaltung auftreten und

F i g. 9 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Erfindung.

F i g. 1 ist ein Blockschaltbild eines programmierbaren, digitalen Drehzahlregelungssystems. Gemäß F i g. 1 ist ein elektrischer Motor 10, dessen Drehzahl geregelt werden soll, mit einer Welle 11 gekuppelt, an der ein Zahnrad 12 befestigt ist. Die Welle 11 ist durch ein nicht gezeigtes Mittel ebenfalls an den durch den Motor anzutreibenden Apparat gekuppelt. Der Motor 10 wird über eine Leitung 51 von einem Stromkreis 50 mit gesteuertem Siliziumgleichrichter (SCR) gespeist. Die Drehzahl des Motors wird durch den Strom gesteuert, den er aus dem Stromkreis 30 erhält, der seinerseits durch Signale gesteuert wird, die von dem Regelsystem erzeugt werden.

Für die Erzeugung von Rückkopplungssignalen zur

Anzeige der Motordrehzahl ist ein Drehzahlsignal-Wandler 100 vorgesehen. Ein Dnhzahlsensor 101 jefindet sich am Zahnrad 12, spricht auf die vorbeilauenden Zahnradzähne an und erzeugt Signale, die der Drehzahl des Motors proportional sind. Diese Signale werden durch wellenformende Kreise im Wandler 100 geformt und dann als eine Serie von Drehzahlimpulsen an eine Leitung 110 gelegt. Auf diese Weise werden Rückkopplungssignale, die die Drehzahl des Motors anzeigen, in der Form einer Serie von Drehzahlimpulsen geliefert, welche eine zur Drehzahl des Motors proportionale Frequenz haben.

Die durch den Wandler 100 erzeugten Drehzahlimpulse werden als Drehzahlrückkopplungssignale in der Regelung und für die Anzeige der Motordrehzahl benutzt Die Anzeige erfolgt durch einen Zähler 350 und eine Anzeigeeinheit 360. Die Signale der Leitung 110 werden an den Eingang des Zählers 350 gelegt, der die Drehzahlimpulse über ein vorbestimmtes Zeitintervall zählt Die Zahl der gezählten Impulse wird durch eine Leitung 351 an die Anzeigeeinheit 360 gegeben, die die Zahl optisch darstellt. Durch richtige Wahl der Zeitbasis für das Zählintervall des Zählers 350 kan die angezeigte Drehzahl auf die Einheit bezogen werden, die für die durch den Motor 10 angetriebene Maschine geeignet ist. Die Zeitbasis kann zum Beispiel derart gewählt werden, daß die Anzeige direkt in Umdrehungen pro Minute, Zoll pro Sekunde, Gallonen pro Minute oder dergl. erfolgt

Die Drehzahlimpulse der Leitung 110 steuern ferner die Rückstellung eines durch die Zahl K teilenden Zählers 150, der die von einem Frequenzsynthesizer 200 an eine Leitung 201 angelegten Impulse zählt. Der Frequenzsynthesizer 200 empfängt an Leitungen 211 Signale von mehreren Drehzahl-Schaltern 200. Bei diesen Schaltern kann es sich um binär kodierte Wählscheibenschalter mit Dezimaleinteilung handeln, mit denen eine der Solldrehzahl des Motors entsprechende Zahl wählbar ist. Die kodierten Zahlen der Schalter werden durch die Leitungen 211 zum Frequenzsynthesizer 200 geführt, der an seinem Ausgang zu einer Leitung 201 Impulse für die Drehzahlführungsgröße erzeugt, deren Frequenz der durch die Schalter 210 gewählten Drehzahlführungsgröße proportional ist.

Der Zähler 150 arbeitet während eines ersten Zeitintervalls, um vom Frequenzsynthesizer empfangene Impulse zu zählen, bis die Zahl K erreicht ist. Während dieses ersten Zeitintervalls wird vom Zähler 150 an der Leitung 151 ein erstes Ausgangssignal erzeugt Während eines zweiten Zeitintervalls, das nach Erreichen der Zahl K beginnt, wird an der Leitung 151 ein zweites Ausgangssignal erzeugt. Dieses zweite Zeitintervall endet beim Empfang eines Drehzahlimpulses von der Leitung 110, der den Zähler 150 zurückstellt, wodurch die Wiederholung des ersten Zeitintervalls eingeleitet wird.

Dieses erste und zweite Ausgangssignal wird von dt: Leitung 151 in einen Integrator 300 gegeben. Der Integrator spricht auf die relative Dauer dieser beiden Signale an und erzeugt Regelsignale für den SCR-Stromkreis 50. Wenn der Motor genau mit der gewählter. Drehzahl arbeitet, ist die Dauer der beiden Ausgangssignale des Zählers 150 gleich, und die richtige Drehzahl wird beibehalten.

Falls eine neue Drehzahl gewählt wird oder die Drehzahl des Motors von der gewählten Drehzahl abweicht, haben die beiden Ausgangssignale des Zählers

150 eine ungleiche Dauer, und der Integrator 300 erzeugt entsprechende Regelsignale, die den Motor auf die richtige Drehzahl zurückführen. Der Zähler 150 und der Integrator 300 bilden einen Komparator zum Vergleichen der Führungs- und Meßgrößen der Drehzahl.

In F i g. 3 sind mit 200 der Frequenzsynthesizer und mit 210 die Drehzahl-Schalter bezeichnet. Außerdem ist ein Sollwert-Frequenzoszillator 202 zur Lieferung der Sollwertsignale an eine Leitung 203 vorgesehen. Der Sollwertoszillator kann ein kristallgesteuerter Oszillator sein, dessen Frequenz im Bereich von mehreren MHz liegt. Da die Ausgangsfrequenz des Frequenzsynthesizer 200 von der vom Frequenzoszillator 202 erzeugten Sollwertfrequenz abgeleitet wird, hängt die Genauigkeit und Präzision von der Genauigkeit dieses Frequenzoszillators ab. Der Einsatz eines kristallgesteuerten Oszillators ist wegen seiner Stabilität wünschenswert.

Die Sollwertfrequenz an der Leitung 203 wird zu einem Frequenzteiler 204 geführt, der eine Kette von Flipflop-Kreisen enthält. Die Funktion des Frequenzteilers 204 besteht darin, die Sollwertfrequenz in eine niedrigere Frequenz zu teilen. Die vom Frequenzteiler 204 gelieferte genaue Frequenz kann so ausgelegt werden, daß sie die digitale Drehzahlregelung in geeigneter Weise auf die Charakteristika des zu regelnden Prozesses abstimmt. Die Ausgangsfrequenz des Frequenzteilers 204 liegt vorzugsweise bei mehreren hundert Hertz. Der Ausgang des Frequenzteilers 204 wird durch eine Leitung 205 an ein Addierglied 206 geführt. Das Addierglied 206 bildet den Eingang zu einem phasenstarren Kreis, der die Funktion der Frequenzsynthese ausübt. Dieser phasenstarre Kreis umfaßt einen Phasendetektor 207, einen spannungsgesteuerten Oszillator 208 sowie einen Rückkopplungskreis mit einem Zähler 209 und einen Teiler 215. Die rückgekoppelte Frequenz wird über das Addierglied 206 an die Leitung 216 gegeben.

Der Phasendetektor 207 vergleicht die Phase der beiden Eingangssignale an den Leitungen 205 und 216 und erzeugt eine Differenzspannung auf der Leitung 217, von der gegebenenfalls die Phasendifferenz des Sollwertsignals und des Rückkopplungssignals geliefert wird. Die Differenzspannung wird über eine Leitung 217 an den spannungsgesteuerten Oszillator gelegt. Der spannungsgesteuerte Oszillator liefert ein Ausgangssignal mit der Frequenz Fc, die an der Leitung 201 erscheint. Das Signal Feist der Ausgang des Frequenzsynthesizers 200 und wird an den Zähler 150 gelegt. In F i g. 3 wird die Ausgangsfrequenz Fc auch an den Eingang eines Zählers 209 gelegt.

Die Ausgangsfrequenz F_c wird durch die Drehzahl-Schalter 210 in folgender Weise beeinflußt. Das Ausgangssignal F_c wird im Zähler 209 und Teiler 215 einer Frequenzteilung unterzogen, bevor es an das Addierglied 206 angelegt wird. Typischerweise liegt die Ausgangsfrequenz Feim Bereich von mehreren hundert Kilohertz, doch wird diese Frequenz auf mehrere hundert Hertz geteilt und an die Leitung 216 angelegt, damit sie genau auf das ankommende Sollwertsignal der Leitung 205 abgestimmt ist. Wenn das Rückkopplungssignal mit dem ankommenden Signal nicht übereinstimmt, liefert der Phasendctcktor 207 ein Differenzsignal ausreichender Größe, damit der spannungsgesteuerte Oszillator 208 nachgestellt wird, um jeden beliebigen Wert der Ausgangsfrequenz Fc zu liefern, der zur Erfüllung der Rückkopplungsbedingung erforder-

lieh ist, d. h., es wird dafür gesorgt, daß die Frequenz der Leitung 216 mit der Frequenz der Leitung 205 gleich ist. Somit ist es durch Einstellung der Höhe der Frequenzteilung in dem Rückkopplungskreis möglich, die Ausgangsfrequenz zu beeinflussen.

Die Beeinflussung der Frequenzteilung im Rückführungskreis des phasenstarren Kreises wird durch einen programmierbaren Komparator 214 erreicht. Der Komparator 214 ist damit angeschlossen, daß er von den Schaltern 210 Drehzahlführungsgrößen empfängt. In Fig.3 umfassen die Drehzahl-Schalter Einer-, Zehner- und Hunderter-Dekaden. Diese Schalter können in der Weise eingestellt werden, daß eine dreistellige Zahl entsprechend der gewünschten Betriebsdrehzahl des Motors wählbar ist. Jeder Schalter liefert einen binären verschlüsselten Dezimalausgang, der zum Komparator 214 geführt wird. In F i g. 3 ist eine Leitung 211 dargestellt, welche die Zahl vom Schalter mit Hunderterdekade zum Komparator 214 leitet; ersichtlicherweise sind tatsächlich vier Zuleitungen erforderlich, um eine einzelne binär verschlüsselte Dezimalziffer weiterzuleiten. In ähnlicher Weise werden die Zahlen der Zehnerdekade und der Einderdekade durch Leitungen 212 und 213 an den Komparator 214 gegeben. Der Zähler 209 umfaßt drei Dekaden binär verschlüsselter Dezimalzähler. Die Leitungen 221 liefern die verschiedenen Zählerinhalte an den Komparator 214, der einen Rückstellimpuls 224 an seinem Ausgang an eine Leitung 225 liefert, wenn die Zahl im Zähler ~209 mit der in Leitungen 211, 212 und 213 programmierten Zahl übereinstimmt; d. h., das Ausgangssignal Fc vom Zähler 209 wird gezählt. Wenn die eingestellte Zahl erreicht ist, liefert der Komparator 214 einen Rückstellimpuls, der den Zähler 209 zurückstellt und an die 1/2-Schaltung 215 einen Impuls liefert. Auf diese Weise wird der Zähler 209 zurückgestellt und beginnt von neuem zu zählen. Beim nächsten Rücksteüimpuls erhält die Divisionsschaltung 215 erneut Impulse und liefert einen Rechteckwellenausgang 226 mit der halben Frequenz des Rückstellimpulses 224. Die Rechteckwelle 226 hat die gleiche Frequenz wie die Sollwertfrequenz der Leitung 205, auf die sie an dem Addierglied 206 abgestimmt wird. Somit Hefen der phasenstarre Kreis eine Ausgangsfrequenz Fc-, die von den Drehzahl-Schaltern präzise beeinflußt wird. Die Stabilität und Genauigkeit der Ausgangsfrequenz Frist somit genau gleich der Stabilität und Genauigkeit des vom Oszillator 202 gelieferten Sollwertsignals, da die phasenstarre Schleife der Eingangsfrequenz exakt folgt.

Die konventionellen Bauteile für phasenstarre Regelkreise haben den Nachteil, daß sie einer Höchstschwankung in der Ausgangsfrequenz von ca. 1,6 : 1 Rechnung tragen. Diese Begrenzung ist für den Einsatz der Erfindung nicht annehmbar, weil die Möglichkeit erwünscht ist, die Drehzahl des Motors über einen Bereich von mindestens 10:1, vorzugsweise von 15:1 zu regeln. Dadurch ergibt sich die Forderung, daß sich die Ausgangsfrequenz des phasenstarren Kreise:= über den gleichen Bereich ändern kann.

Die notwendige Erweiterung des Betriebsbereichs des phasenstarren Regelkreises wird durch ein RC-Üknlcnin..i/.werk 240 und eine Skalenänderungs-Schulumg 230 geschaffen. Der Ausgang der Hunderterdekadc der Schalter 210 wird durch Leitungen 231 an die Skaleiianderungs-Schaltung 230 (gleitet. Die Schaltung IM) funktioniert so. dab <,k- ;uit liio wichtigste Stelle der eingegebenen '."irch/üU an:---.nc!,{ uno ;ut dei 1 Λ.Ίίιιπ.- 232 Ausgangs.si^ii.'.u: lu:iY'ι ιί'ιπ.¹ die ivvirki v. _:r<· ;l,ii-.

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das ÄC-Skalennetzwerk 240 Nachstellungen der Werte der externen Widerstände und Kondensatoren vornimmt, die an den integrierten Schaltkreis nut dem Phasendetektor und dem spannungsgesteuerten Oszillator angeschlossen sind.

Dieser Schaltkreis 230 ist in F i g. 4 gezeigt; dort ist die Hunderterdekade der Schalter 210 mit einer Mehrzahl von Schaltkontakten 233, 234, 235 und 236 dargestellt, die in dieser Reihenfolge den Bits des in Binärstrahlen verschlüsselten Dezimalausgangs der Dekade für die 8, 4, 2 und 1 entsprechen. Alle Schaltkontakte haben eine Klemme über eine Leitung

237 geerdet, während die anderen Kontakte über Leitungen 211 mit dem programmierbaren Komparator 214 in Verbindung stehen.

In F i g. 4 bezeichnet die Bezugsnummer 230 die Skalenänderungsschaltung, die UND-Tore 238 und 239 umfaßt. Das UND-Tor 238 hat drei Eingänge, die an die Kontakte für zwei Bit, vier Bit und acht Bit der Drehzahlstellschalter angeschlossen sind. Das UND-Tor 239 hat zwei Eingänge, die an die Kontakte für vier Bit und acht Bit des Drehzahl-Schalters angeschlossen sind.

In Fig.4 ist mit 240 das KC-Skalennetzwerk angegeben. Ein Widerstand 243 liegt zwischen einer positiven Spannungsquelle ■+· V und über eine Leitung 241 an dem Oszillator 208 an. Ein Kondensator 244 verbindet die positive Spannungsquelle über eine Leitung 242 mit dem Oszillator 208. Ein Widerstand 245 iiegt zwischen der Leitung 241 und dem Kollektor eines Transistors Ql, ein Kondensator 246 zwischen der Leitung 242 und dem Kollektor des Transistors Q i. Ein dritter Widerstand liegt zwischen der Leitung 241 und dem Kollektor des Transistors Q?.. Die Emitter der Transistoren Ql und Q 2 sind an die positive Spannungsquelle angeschlossen. Zudem sind die Basiselektroden der Transistoren Q1 und Q 2 durch Widerstände 248 bzw. 249 an die Spannungsquelle angeschlossen. Der Ausgang des UND-Torcs 238 ist mit der Basis des Transistors Q1 durch einen Widerstand 250 und der Ausgang des UND-Tores 239 mit der Basis des Transistors Q 2 durch einen Widerstand 251 verbunden.

Wenn die Einstellung des Schalters 210 für die Hunderterdekade entweder 0 oder 1 ist, schließt keiner der Schalter 233, 234 oder 235. Folglich sind alle drei Eingänge zum UND-Tor ?.38 und beide Eingänge zum UND-Tor 239 hoch bzw. auf einer binären »1«. Dementsprechend sind die Ausgänge der UND-Tore

238 und 239 jeweils ein hohes Signal, und die beiden Transistoren Ql und Q 2 sind gesperrt. Da die beiden Transistoren gesperrt sind, befinden sich die Widerstände 245 und 247 sowie der Kondensator 246 außerhalb des Kreises, und nur der Widerstand 243 und der Kondensator 24-4 liegen zwischen der Spannungsquelle -f V und dem Oszillator 208. Entsprechend werden die Mittenfrequenz und Stabilität des Oszillators 208 füi diese Einstellung des Drehzahl Schahers durch der Widerstand 243 und Kondensator 244 bestimmt.

Wenn die Einstellung des Schalters 210 einer »2< (2-Bit) oder »3« (2-Bit und 1 -Hit) entspricht, wird de Schalter 235 geschlossen und einer der Eingänge zun UND-Tor 238 i'.rcniei. Die Eingänge /urn UND-To

239 bleiben diesmal hoch. Der niedrige Eingang zun UND-Tor 238 he wirkt. <hti sein Ausgang eine binlire bzw. geerdet ist. wodurch ein Strom von de Sp;ntnuntf.';c|udle + V durch die Widerstände 248 im 250 ΠκΊιί und iihi··- 'Jeu Widerstand 24fi ein Spiinnihig:

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abfall entsteht, der die Basis des Transistors Q1 weniger positiv als dessen Emitter macht. Somit wird der Transistor Qt eingeschaltet, der den Widerstand 245 und den Kondensator 246 mit + V in Parallelschaltung mit dem Widerstand 243 bzw. Kondensator 244 verbindet. Die Parallelschaltung des äußeren Widerstandes liefert eine berichtigte Mittenfrequenz für den spannungsgesteuerten Oszillator, die der vom Drehzahl-Schalter befohlenen erhöhten Frequenz entspricht. Die Parallelschaltung des zusätzlichen Kondensators 246 schafft die erwünschte Stabilität im neuen Arbeitsbereich.

Wenn der Drehzahl-Schalter 210 auf eine der Stellen 4 bis 9 eingestellt wird, schließen die Kontakte 233 und 234 und mindestens ein Eingang des UN D-Tores 238 sowie ein Eingang des UND-Tors 239 werden an Erde gelegt. In diesem Zustand bleibt Q 1 leitend, wie bereits beschrieben. Zusätzlich wird der Ausgang des UND-Tors 239 an Erde gelegt, so daß der Transistor Q 2 leitend wird. Hierdurch wird der Widerstand 247 zwischen die Spannungsquelle + V und die Leitung 241 parallel geschaltet und dadurch die Mittenfrequenz des Oszillators 208 weiter nachgestellt, damit sie der neuen, höheren Einstellung des Drehzahl-Schalters 210 entspricht. Soweit es für die Stabilität erforderlich ist, kann ein weiterer Kondensator zwischen den Kollektor des Transistors Q 2 und die Leitung 242 geschaltet werden.

Der Wandler 100 ist in F i g. 6 detailliert dargestellt. Die Drehzahlmeßstelle 101 weist einen ferromagnetischen Kern 102 auf, den eine Wandlerspule 103 umgibt, welche an die Eingänge eines Verstärkers 107 durch Leitungen 104 und 105 angeschlossen ist. Der Kern 102 befindet sich nahe genug am Zahnrad 12, so daß der Vorbeigang der Zähne des Zahnrades bei dessen Umdrehung Magnetflußänderungen im Kern hervorruft. Diese Magnetflußänderungen induzieren ein sinusförmiges Signal in der Wandlerspule 103, die bei

106 dargestellt ist. Die Frequenz dieser Signale ist gleich der Zahl der Zahndurchläufe pro Sekunde, die der Drehzahl des Motors proportional ist. Der Verstärker

107 ist für eine ausreichende Verstärkung ausgelegt, so daß infolge der angelegten Spannung eine Sättigung erfolgt. Dementsprechend ist der Ausgang des Verstärkers 107, der an einer Leitung 108 erscheint, eine Rechteckwelle, die bei 109 dargestellt ist. Diese Rechteckwelle wird an den Eingang eines Differenziergliedes Ul gelegt, das auf die ins Positive gehenden Flanken der Rechteckwelle anspricht und sehr enge, spitze Impulse erzeugt, wie bei 112 dargestellt ist. Diese Impulsspitzen sind die Drehzahlimpulse, die an einer Leitung HO (Fig. 1) erscheinen und in Fig.8 bei B dargestellt sind.

F i g. 5 veranschaulicht den 1IK-Zähler 150, der einen Digitalzahler 152 mit einem Eingang von einer Leitung 153 und einem Rückstelleingang aufweist, der so s> angeschlossen ist, daß er die Drehzahlimpulse von der Leitung 110 empfängt. Der Zähler 152 hat mehrere Ausgänge 154, die an die Ausgänge verschiedener Stufen im Zähler angeschlossen sind. Ein die Programmierung erfassender Fühler 155 ist an Leitungen 154 <« angeschlossen und liefert einen Ausgang auf einer Leitung 151. Dieses Ausgangssignal wird an den in F i g. 1 gezeigten Integrator 300 angelegt und auch an das UND-Tor 156 (Fig.5) geführt. Das UND-Tor 15ti hat als Eingang die Leitung 201, die die Impulse vom <"> Frequenzsynthesizer 200 empfängt.

Der Zähler 150 liefert während der Zeit ein Ausgangssignal 151, in der er bis zur Zahl K zählt, um dann sein Ausgangssignal auf Erdpotential zu ändern, um in diesem Zustand bis zum nächsten Rückstellimpuls von der Leitung 110 zu verbleiben. Bei der Zahl K handelt es sich um eine Konstante, die entsprechend den Erfordernissen des Systems gewählt wird, dessen Drehzahl bzw. Geschwindigkeit zu regeln ist. Sobald der Betriebsbereich und die richtigen Skalenfaktoren für eine gegebene Anwendung bekannt sind, kann der Wert für K gewählt werden. Die Einstellung des Wertes K erfolgt durch Verdrahten von Ausgängen entsprechender Teile des Zählers 152 als Eingänge zum Fühler 155, so daß dieser bei Erreichen von K durch die Binärzahl im Zähler 152 die Ausgangszustände ändert. Der Fühler 155 arbeitet als NAN D-Tor und erzeugt während des Zeitintervalls, bei dem der Zähler 152 zählt, an der Leitung 151 als Ausgang eine binäre »1«. Diese binäre »1« ermöglicht es dem UND-Tor 156, daß die die Drehzahlführungsgröße darstellende Impulse des Synthesizers 200 an den Eingang des Zählers 152 gelegt werden. Wenn die Zahl K erreicht ist, haben alle mit dem Fühler 155 verbundenen Leitungen 154 den Zustand einer binären »1«, wodurch eine Änderung des Ausgangs der Leitung 151 auf eine binäre »0« bewirkt wird. Diese binäre »0« sperrt das Tor 156, so daß die Signale Fc nicht mehr an den Eingang vom Zähler 152 gelegt, werden können. Dieser Zustand bleibt bestehen, bis der nächste Drehzahlimpuls an der Leitung 110 empfangen und der Zähler 152 zurückgestellt wird. Beim Zurückstellen des Zählers 152 erscheint die Zahl K nicht mehr an den Eingängen des Zustandsfühlers 155, und der Ausgang an der Leitung 151 kehrt in den Zustand einer binären »1« zurück, wodurch die Eingangsimpulse an den Zähler 152 zurückgelangen und sich der Ablauf wiederholt.

Der Zähler 350 und die Drehzahlanzeige 360 nach F i g. 1 sind detailliert in F i g. 7 dargestellt. Ein Zähler 352 empfängt Drehzahlimpulse an seinem Ausgang von der Leitung 110. Die Drehzahlimpulse werden im Zähler 352 gezählt, und die der Zählung entsprechende Zahl wird durch Leitungen 353 an einen Haltekreis 354 geführt. Der Haltekreis umfaßt Speicherregister, die den Ausgang eines Zählers 352 bei Vorliegen eines Impulses an einer Leitung 355 aufnehmen und speichern. Jede im Haltekreis 354 gespeicherte Zahl wird durch Leitungen 351 zur Drehzahlanzeige 360 geführt. Die Drehzahlanzeige 360 enthält eine Einerdekade 361, eine Zehnerdekade 362 und eine Hunderterdekade 363. Die an den Leitungen 351 gelieferten Zahlen werden aus der binärkodierten Dezimalform umgewandelt und durch die Drehzahlanzeige 360 optisch angezeigt. Die Impulse einer Leitung 355, die den Haltekreis 354 erregen, werden durch einen Zeitbasisgenerator 356 erzeugt und dienen auch zurr Zurückstellcn des Zählers 352. Der Zeitbasisgeneratoi 356 umfaßt einen Zeitbasiszähler 357 und einer Programm-Fühler 358. Der Zeitbasiszähler 357 emp fängt Führungsimpulse einer konstanten, vorbestimm ten Frequenz an seinem Ausgang von der Leitung 205 Vom Zeitbasiszahler 357 (Fig.7) können auch Füh rungsimpulse des Frequenzteilers 204 (F i g. 3) benutz werden; es kann auch eine andere Quelle für di Führungssignale benutzt werden.

Der Zeitbasiszähler 357 zählt die an der Leitung 20 empfangenen Impulse. Der Inhalt des Zählers 357 wir an die Einginge des Fühlers 358 über mehrcr Leitungen 359 geführt, die je nach der erwünschte Zeitbasis an entsprechende Stufen des Zählers 35 angeschlossen sind.

Wenn die vorprogrammierte Zahl erreicht wird, liefert der Fühler 358 eine binäre »1« an seinem Ausgang zur Leitung 355, die den Haltekreis 354 sowie die Zähler 352 und 357 zurückstellt. Der Zähler 357 und der Fühler 358 arbeiten ähnlich wie der Zähler 152 und Fühler 155 in Fig.5. Ein Unterschied besteht insoweit, daß der Fühler 155 als NAND-Tor wirkt, während der Fühler 358 ein UND-Tor darstellt. Daher ist der Ausgang des Fühlers 358 beim Zählen des Zählers 357 eine binäre »0« und nach Erreichen der programmierten ι ο Zahl eine binäre »1«. Der Zeitbasisgenerator 356 funktioniert also so, daß er Rückstellimpulse mit einer Periode Td liefert, die eine Funktion der Frequenz der an den Eingang des Zählers 357 gelegten Führungsimpulse ist und von der Programmierung des Fühlers 358 abhängt. Der Fühler 358 wird abhängig von der vom Motor 10 angetriebenen Anordnung programmiert, so daß die Anzeige 360 die gewünschten Maßeinheiten aufzeigt.

Die Drehzahlimpulse Fo werden vom Zähler 352 während des Intervalls Td gezählt. Am Ende der Zeitperiode Td wird jede im Zähler 352 erreichte Zahl in den Haltekreis 354 zwecks Wiedergabe durch die Drehzahlanzeige 360 geleitet. Gleichzeitig wird Zähler 352 zurückgestellt, um mit dem Zählen der Drehzahlimpulse während des nächsten Intervalls Td zu beginnen. Die Zahl im Haltekreis 354 wird in der Drehzahlanzeige 360 bis zum nächsten Rückstellimpuls angezeigt.

Bei dem in F i g. 2 gezeigten Integrator 300 weist ein Hochleistungs-Vorwärtsverstärker 302 Eingänge 303 und 304 sowie einen Ausgang 305 auf. Eine Rückkopplungskapazität 306 ist zwischen den Ausgang 305 und den Eingang 303 geschaltet. An den Ausgang 305 ist ein Widerstand 307 angeschlossen, der zur Leitung 301 führt. Ein Kondensator 308 liegt zwischen der Leitung

301 und Erde. Die Eingänge zum Vorwärtsverstärker

302 werden wie folgt geliefert.

Widerstände 309 und 310 bilden einen Spannungsteiler, der zwischen die positive Spannungsquelle + Vund Masse geschaltet ist. Die Spannung an der Verbindung zwischen den Widerständen 309 und 310 wird durch einen Widerstand 311 als Führungswert an den Eingang 304 des Verstärkers 302 angelegt. Der andere Eingang des Verstärkers 302 wird vom Kollektor eines Transistors Q 3 geliefert und über einen Widerstand 312 an den Verstärkereingang 303 angelegt. Der Emitter des Transistors Q 3 liegt an Masse bzw. Erde, während dessen Kollektor über einen Widerstand 313 an die Spannu::gsquelle + V angeschlossen ist. Die Basis des Transistors Q 3 liegt über einen Widerstand 314 an der so Leitung 151 an.

Im Betrieb werden gemäß Fig. die Binärsignale »0« und »1« des Zählers 150 über die Leitung 151 und einen Widerstand 314 an die Basis des Transistors Q 3 (F i g. 2) angelegt. Somit wirkt der Transistor Q3 als Schalter -,5 und leitet bei Vorliegen eines Signals»I«, während er im Falle eines Signals »0« gesperrt ist. Der über den Widerstand 412 geleitete Eingang zum Verstärker 302 wird somit wechselweise an die Spannungsquelli; -f V und an Erde geschaltet. Wenn der Transistor Q3 <„> gesperrt ist, ist die am Widerstand 312 vorliegende Spannung größer als die am Widerstand 312 erzeugte Spannung für die Führungsgröße, so daß der Ausgang des Verstärkers 302 negativ verstärkt wird. Wenn der Transistor Q3 sich im Leit/.ustand befindet, wird <.·, demgegenüber die am Widerstand 313 erzeugte Spannung größer als die Spannung am Widerstand 312, welcher gegen Erde liegt. Die Spannung am Ausgang 305 des Verstärkers 302 ist somit weniger negativ. Die Ausgangssignale des Integrators 300 werden durch einen Widerstand 307 und einen Kondensator 308 gefiltert, wie dies noch später erläutert ist

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Erfindung erläutert. Die Fig.8 und 9 zeigen die Wellenformer beim erfindungsgemäßen Drehzahlregelungssystem wobei in F i g. 8 die horizontale Achse die Zeitachse und die vertikale Achse die Spannung der verschiedener Signale angeben. In der Darstellung B in F i g. 8 sind die vom Wandler 100 erzeugten und auf der Leitung 110 auftretenden Impulse dargestellt Diese Impulse haben eine Frequenz F₀ entsprechend der Drehzahl des Motors und eine Periode ro, welche das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen angibt In dei Darstellung A sind die am Ausgang des Frequenzsynthesizers 200, d.h. an der Leitung 201 auftretende Signale veranschaulicht. Die Frequenz dieser Signale entspricht Fc, die abhängig von der Einstellung eines Drehzahlschalters 210 variabel ist. Die Zeiteinteilung bei der Darstellung A unterscheidet sich gegenüber der Darstellungen B, C und D. Die Frequenz F_c ist vorzugsweise um einige Größenordnungen größei gewählt als F₀; aus der Darstellung A geht hervor, da£ die Impulsfrequenz des Synthesizers um ein Vielfaches größer als die Frequenz der Drehzahlimpulse ist.

Bei Cist die Form der Signale der Leitung 151, d.h am Ausgang des Zählers 150 dargestellt. Zur Zeit ίο wird der Ausgang des Zählers 150 positiv, während dei Zähler die Eingangsimpulse zählt. Wenn der Zähler die Zahl K erreicht hat, was zum Zeitpunkt t₀ (F i g. 8) dei Fall ist, wird der Ausgang des Zählers auf Erdpotentia! (0) geändert, und verbleibt bei diesem Pegel bis zum Empfang eines Drehzahlimpulses, der zur Zeit h auftritt und den Zähler zurückstellt. Das Zeitintervall zwischen h und t₂ ist mit τ* bezeichnet und entspricht dem Intervall, das der Zähler 150 bis zum Erreichen des Wertes K erfordert. Das Zeitintervall zwischen h und t entspricht der Differenz zwischen T₀ und τ*. Die relative Dauer des Zeitintervalls T_k, in welchem der Zähler 15C eingeschaltet ist, und dem Zeitintervall T₀-Tt. ^ir welchem der Zähler gesperrt ist, ist aus F i g. 8 und 9 ersichtlich.

Die Ausgangsimpulse des Zählers 150 werden somit über die Leitung 151 dem Integrator 300 zugeführt, der Regelsignale an einen Leistungsverstärker 50 über eine Leitung 301 aufgrund der vom Zähler 150 empfangener Signale liefert. Bei D in F i g. 8 ist die Wellenform dei Regelspannungen gezeigt, die an der Ausgangsleitung 301 des Integrators 300 in Abhängigkeit von der Impulsen bei C erzeugt werden, welche ihrerseits dem Integrator zugeführt werden. Während des Zeitintervalls zwischen r, und t₂ bewirkt der Ein-Impuls eine gleichmäßige Erhöhung des Integratorausgangs in negativer Richtung entsprechend dem negativen Zeilintegral des Impulses bei C Während des Zeitraumes t; und f₃ erfolgt eine Integration durch den Integrator 3OC in entgegengesetzter Richtung. Wenn der Impuls mit der Dauer τ* gleich dem Impuls mit der Dauer T₀- t* ist ergibt sich als Ausgangswert des Integrators ein praktisch konstanter Ausgang, der in Fig.8 bei 302 gezeigt ist. Obgleich der Ausgang des Integrators 301 ins Positive und ins Negative gehende Teile umfaßt spricht der Leistungsverstärker 50 auf die einzelner Signalteile nicht an, sondern nur auf den Mittelwert des Integratorausgangs. Dieser eine Mittelwertbildung bewirkende Effekt ist auf das ständige langsame Ansprechen des Motors auf Drehzahländerungeri

gegenüber den relativ schnellen Schwankungen des Ausgangssignals des Integrators ins Positive und Negative zurückzuführen sowie auf die Filterwirkung des Widerstands 307 und des Kondensators 308. Es ist dabei zu beachten, daß die Neigung der Signale in Fig.8 (bei D) der Klarheit wegen übertrieben dargestellt ist, wogegen in der Praxis diese Schwankungen sehr klein sind.

Die Funktion des Kondensators 308 stellt sicher, daß der Motor beim erstmaligen Anfahren des Gesamtsystems weich anfährt, d. h. ein glattes Anfahren des Motors ergibt. Beim erstmaligen Erregen des erfindungsgemäßen Drehzahlregelungssystems wird der an den Anker des Motors angelegte Strom von dem Leistungsverstärker beeinflußt und durch die Aufladung im Kondensator 308 verzögert.

Die dem Ein- und Aus-Zustand entsprechenden Impulse in F i g. 8 bei C haben gleiche Impulsdauer, so daß der Motor die gewünschte Drehzahl aufweist. Der Mittelwert am Ausgang des Integrators 300, der bei D gezeigt ist, bleibt konstant und hält den Motor auf der gewünschten Drehzahl. F i g. 9 zeigt Arbeitsbedingungen, bei welchen der Motor nicht mit der Solldrehzahl läuft. Derartige Situationen können eintreten, wenn die vom Motor angetriebene Last plötzlich erhöht oder verringert wird oder wenn die von dem Drehzahlschalter eingestellte Drehzahl plötzlich verändert wird. Mit E sind die Drehzahlimpulse entsprechend B in F i g. 8 gezeigt, während Fdas Ausgangssignal des 1//C-Zählers 150 entsprechend der Darstellung C veranschaulicht. Der in Fdargestellte Impuls r*, der ein Zeitintervall von ti bis fs einnimmt, ist kurzer als der dem Ausschallintervall entsprechenden Impuls το — τ*, dessen Zeitintervall von fs bis ie reicht. Dies bedeutet, daß der Motor langsamer, als durch die Solldrehzahl vorgegeben, läuft, da der Zähler in relativ kurzer Zeit eine der Zahl K entsprechende Zählung erreicht und anschließend ein längeres Zeitintervall auftritt, bis der nächste Drehzahlimpuls zum Zurückstellen des Zählers erzeugt wird. Demzufolge erhöht sich das Ausgangssignal des Integrators 300, wie bei G gezeigt ist, wobei das Signal von U bis t$ sich in negativer Richtung ändert und zwischen fs und t_b einen weniger negativen Wert annimmt. Das Zeitintervall zwischen r, und k ist größer als das Zeitintervall zwischen U und f₅, so daß der Mittelwert des Integratorausgangssignals, veranschaulicht durch 303, sich in positiver Richtung ändert. Diese Erhöhung des Ausgangssignals des Integrators läßt den Leistungsverstärker über einen längeren Zeitraum wirksam sein, wodurch ein größerer Strom an den Motor zur Erhöhung dessen Drehzahl angelegt wird.

In dem Zeitintervall zwischen I₇ bis fn tritt der entgegengesetzte Fall auf, d. h., die Drehzahl des Motors ist zu groß, weshalb der Impuls r* größer als der durch τ₀ - τι, festgelegte Impuls ist.

Zwischen t» und f₉ zählt der Zähler 150 Eingangsimpulse bis zu einer Zahl K und ändert dann zum Zeitpunkt l·, sein Ausgangssignal. Da der Motor zu schnell läuft, stellt der nächste Drehzahlimpuls zum Zeitpunkt fm den Zähler zurück, bevor die durch τ* und τ₀-η festgelegten Zeitintervalle gleich groß werden. Der Mittelwert des Ausgangssignals des Integrators ist in Fig. 9 durch 304 über den Zeitraum fo bis U\ dargestellt. Der Ausgangsmittclwert während dieses Zeitintervalls zeigt einen ins Negative gehenden Trend, der die ungleichen Werte der genannten EIN- und AUS-Impulse wiedergibt. Das weiter ins Negative gehende Ausgangssignnl des Integrators läßt den Leistungsverstärker 50 den dem Motor zugeführten Strom verringern, wodurch die Drehzahl verringert 150 wird. Das erfindungsgemäße Drehzahl-Regelungssystem weist zwei Programmierstellen auf, nämlich den Fühler 155 (F ι g. 5) und den Fühler 358 (F i g. 7). Sobald bestimmte Kennwerte des zu regelnden Prozesses bekannt sind, können die erforderlichen Programmwerte für diese Fühler ohne weiteres errechnet werden. Der Regelbereich des erfindungsgemäßen Drehzahlregelungssystems ergibt sich durch folgende Beispiele deutlich. Wird angenommen, daß die Drehzahl eines Motors geregelt werden soll, der ein Förderband od. dergl. über ein entsprechendes Getriebe antreibt und daß eine Geschwindigkeitsänderung bezüglich des

is Förderbandes zwischen 2cm/Min, bis 30cm/Min, erwünscht ist, dann ergibt sich bei einem Übersetzungsverhältnis von 445,2 U/Min. (Motor) = 27,5 cm/Min. (Förderband) folgendes: Der Drehzahlwandler 101 ist in Fig. 1 in der Nähe eines 18zahnigen Kettenrads des Motors angeordnet. Die Bestimmung der Prograrnmzahl bzw. des Programmwertes geschieht folgendermaßen: Bei der Einstellung von 27,5 cm/Min, wird ein Anzeigewert von 70,0 (entspricht 70,0 Zoll/Minute) benötigt, wodurch ein Zählerergebnis von 700 im Zähler 352 (F i g. 7) in dem Augenblick notwendig ist, in welchem der Zählerinhalt an die Drehzahlanzeige gegeben wird. Da die Drehzahlanzeige eine entsprechende Dezimalstelle aufweist, wird der Wert 700 wie 70,0 gelesen. Die Frequenz der Drehzahlimpulse F₀ ist

■\o bei einer Geschwindigkeit von 70,0 Zoll/Minute demzufolge

_{F =} ίΐ⁵:²⁰.¹'.'^!¹}.: . 18 Zahne = 133,56 Herts:.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Oszillator 202 nach F i g. 3 eine Frequenz von 3,57 MHz auf. Der Frequenzteiler 204·. der beispielsweise aus einem 1/10-Zähler, zwei 1/16-Zählern und einem 1/4-Zähler besteht, bewirkt eine Gesamtteilung durch den Wert 10 240, so daß sich eine Frequenz an der Leitung 205 von 349,54 Hz ergibt. Diese Frequenz wird durch einen Teiler 365 durch zwei dividiert, wodurch sich auf der Leitung 366 (F i g. 7) eine Frequenz von 174,77 Hz ergibt. Der Zähler 352 erfordert einen Zeitraum von

Zahl der Zähloperationen 700

F₁, ~ 133.56Se~kunden '

um den Wert 700 zu zählen. Während diese; Zeitintervalls erreicht der Zähler 357 den Inhalt

700

.,-.-,c, , 174,7711/ =t 916 Zähliipcraiioncn I33..M1 Sekunden

so daß sich entsprechend im Dualsystem der Wer 1! 10010100 ergibt.

Diese Programmierung besteht darin, die Ausgang des Zählers 357, die eine binäre »1« aufweisen, an di Eingänge des Fühlers 358 anzulegen. Wenn somit di betreffenden Ausgänge des Zählers 357 mit de Buchstaben A bis L bezeichnet werden, wobei A da

tiedrigste Bit und L das höchste Bit angeben, ergibt sich Olgende Tabelle:

Zählerstelle
Procrammierte Zahl

LKJl HGIEDlBA 0 0 1 100010100

Demzufolge sind die Ausgänge für Q E, H, /und /, die eine »1« enthalten, an den Fühler 358 anzuschließen. Die Programmzahl für den \IK-Zähler wird auf folgende >o Weise berechnet Beim Einstellen der Drehzahlschaltei 210 auf 70,0 Zoll/Minute beträgt die Drehzahlfrequenz Fcdes Frequenzsynthesizers

F,■ = 2 · Führungsfrequenz ■ Drehzahl 10 '-"*

= 2 ■ 349,54 ■ 700
= 489.356 kHz,

wobei der Faktor 10 wegen einer Dezimalstelle auf der _;0 Kontrolltafel gewählt wird, so daß eine Einstellung von 70,0 tatsächlich die Zahl 700 in dem phasenstarren Rückkopplungskreis ergibt

Die Programmzahl entspricht der Zahl der Zählope-

rationen des Zählers 152 (Fig.4), die in der halben Periode der Drehzahlimpulse vorliegen, d. h.

Programrnzahl = -~ ■ F₁ - -^ ~r

489,356 kHz

2 · 133,56 H?.

1830,0.

welche Zahl im Dualsystem folgendermaßen wiedergegeben wird:

11100100110

Wenn die aufeinanderfolgenden Zählerstellen des Zählers 152 mit A bis L bezeichnet werden und A das niedrigste Bit und Ldas höchste Bit angeben, ergibt sich: Zählerstelle LKJ I HGFEDCBA

Programmzahl OlliOOiOOliO

Somit sind die Ausgänge ß, C, F, J, ] und K an den Fühler 155 anzuschließen.

Durch entsprechende Programmierung kann da; Drehzahiregelungssystem leicht auf den jeweiliger Bedarfsfall abgestellt werden, so daß ein direkte: Ablesen der Drehzahl- oder Geschwindigkeit ii vorbestimmten Einheiten möglich ist.

Hierzu 4 Blau Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Programmierbares, digitales Drehzahlregelungssystem mit einer Einrichtung zur Lieferung einer Drehzahlführungsgröße, die einen spannungsgesteuerten Oszillator und einen Phasendetektor aufweist, einer Zählereinheit zum Empfang der Drehzahlführungsgröße und der Drehzahlregelgröße, und mit einem an den Ausgang der Zählereinheit ι ο angeschlossenen Integrator, dadurch gekennzeichnet, daß die die Drehzahlführungsgrößen liefernde Einrichtung (200, 210) einen Komparator

(214) enthält, der mit Drehzahlwähischaltern (210) und einem Zähler (209) verbunden ist und daß eine Schaltung (230,240) zum Umstellen des Drehzahlbereichs sowie eine Drehzahlanzeige (350, 360) vorgesehen sind.

2. Drehzahlregelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (209) mit seinem Setz-Eingang an den spannungsgesteuerten Oszillator (208) angeschlossen ist und die Drehzahlführungsgröße als Eingangssignal erhält und daß die Schaltung (230,240) zum Umstellen des Drehzahlbereichs zwischen den Drehzahlwählschalter (210) und dem spannungsgesteuerten Oszillator (208) angeordnet ist.

3. Drehzahlregelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reset-Eingang des Zählers (209) mit dem Komparator (214) verbunden ist.

4. Drehzahlregelungssystem nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Addierglied (206) vorgesehen ist, welches eingangsseitig über einen Teiler

(215) mit einem Komparator (214) sowie über einen Teiler (204) mit einem Frequenzosiillator (202) und ausgangsseitig über den Phasendetektor (207) mit dem spannungsgesteuerten Oszillator (208) verbunden ist.

5. Drehzahlregelungssystem nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (230, 240) zum Umstellen des Geschwindigkeitsbereichs aus einer logischen Schaltung (230) und einem RC-Netzwerk (240) besteht, wobei letzteres an den Oszillator (208) angeschlossen ist.

6. Drehzahlregelungssystem nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählereinheit (150) aus einem Zähler (152), einem Gatter (156) zum selektiven Anlegen der Drehzahlführungsgröße an den Zähler und einem mit dem Zähler und dem Gatter verbundenen Detektor (155) besteht.

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