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Verfahren und Anordnung zur Schwinganker-Regelung
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Impulserregung
und Regelung eines mechanischen Schwingers oder Schwingankerantriebs mit Stellgliedern
und Einrichtungen zur kontinuierlichen Messung der Aus lenkung und Geschwindigkeit
einer schwingenden Masse.
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Schwingankerantriebe werden auf Grund ihres einfachen,robusten Aufbaus
als Antriebsmittel häufig angewendet. An sich lassen sich die durch solche Schwingankerantriebe
erzeugten, pendelförmigen Bewegungen mittels Schubstangen und Gelenken leicht in
translatorische Bewegungen umsetzen, so dass diese Antriebsart sehr vielseitige
Verwendung finden könnte.
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Ungeregelte Schwingankerantriebe weisen jedoch meist ein lastabhängiges
dynamisches Verhalten auf. Durch geeignete Massnahmen, beispielsweise durch grosse
Massenträgheitsmomente, kann die kinetische Energie so gross gewählt werden, dass
relativ kleine Laststösse die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude des
Ankers nur unwesentlich beeinflussen. Derartige Massnahmen weisen jedoch den Nachteil
einer gezwungenermassen notwendigen Ueberdimensionierung des Antriebes auf. Ebenfalls
sind erhebliche Anschwing- und Abklingzeiten der Schwingankerbewegung in Kauf zu
nehmen.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, das dynamische Verhalten eines Schwingers
oder Schwingankerantriebes zu verbessern
und die durch mechanische
Dimensionierung erzielte Frequenzkonstanz der Ankerschwingung durch eine zeitgerechte
Amplituden-Regelung zu unterstützen. Die Erfindung soll sich insbesondere auch für
Schwingankerantriebe von einigen Grad Pendelwinkel-Ausschlag, mit dem daraus resultierenden,
nicht linearen Verhalten der Regelstrecke, eignen.
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Das erfinderische Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass aus einem
zur momentanten Auslenkung der schwingenden Masse proportionalen Signal einerseits
ein im Takte der Schwingungsfrequenz pulsierendes Dreiecksignal und andererseits
ein zum Dreiecksignal phasenverschobenes, geschwindigkeitsproportionales sinusförmiges
Signal gebildet werden, dass das Dreiecksignal und das sinusförmige Signal intervallweise
in ihren Momentanwerten durch eine Steuerschaltung miteinander verglichen werden
und dass die Ausgangssignale der Steuerschaltung zur Impuls steuerung der Stellglieder
benutzt werden.
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Die erfinderische Anordnung zur Durchführung des Verfahrens in einem
elektrischen Schwingankerantrieb mit zwei Erregerwicklungen und vorgegebener mechanischer
Schwingungsfrequenz ist dadurch gekennzeichnet, dass im Regler eingangsseitig einerseits
ein Differenzierglied mit nachgeschaltetem Proportional-Verstärker und anderseits
ein Symmetrier-Komparator mit nachgeschaltetem Integrierer vorhanden ist, und dass
der Ausgang des Integrierers über eine Steuerschaltung mit
dem Ausgang
des Proportional-.Verstärkers zusammengefasst ist, dass die Steuerschaltung zwei
Ausgänge aufweist, um die Erregerwicklungen des Schwingankerantriebes zu schalten.
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Das erfinderische Verfahren und die Anordnung weisen gegenüber bekannten
Systemen den Vorteil auf, dass auch Schwinger mit nichtlinearem Schwingungsverhalten
erregt und auf konstante Amplitude und bei ausreichend grossen Massen auch auf konstante
Frequenz geregelt werden können. Die Erregung des Schwingers erfolgt jeweils in
einer Teilperiode der Schwingung derart, dass nur die zu einer Auslenkung der schwingenden
Masse auf einen Soll-Amplituden-Wert notwendige Energie zugeführt wird. Dies ergibt
ein ausgezeichnetes dynamisches Verhalten (engl. Fast-Response-Control); die Gefahr
des Ueberschwingens besteht im belasteten Betrieb nicht.
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Das erfinderische Verfahren lässt sich unabhängig von der Art der
Schwingungserregung anwenden.
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An Hand von Zeichnungen wird im folgenden ein Beispiel einer erfindungsgemässen
Anordnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Schwingankerantrieb mit einer Regelungsanordnung
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung Fig. 3 das Steuerungsprinzip der
Steuerschaltung nach Fig. 2
Ein Schwingankerantrieb Fig. 1 weist
an einem Ende eines Schwingankers S einen bipolaren Weggeber T auf, welcher Weggeber
T ein der Auslenkung des Schwingankers proportionales Signal 5 abgibt. Das Signal
5 wird einercos cos seits dem einen Eingang eines Symmetrier-Komparators VK und
andererseits einem einzigen Eingang eines Differenziergliedes VD zugeführt. Einem
zweiten Eingang des Symmetrier-Komparators VK ist eine Referenzspannung R eingespeist.
Der Ausgang des Symmetrier-Komparators VK ist mit dem Eingang eines Integrierers
VI, der Ausgang des Differenziergliedes VD mit dem Eingang eines Proportionalverstärkers
Vp verbunden. Der Ausgang des Integrierers VI ist über eine Steuerschaltung Vs mit
dem Ausgang des Proportional-Verstärkers Vp zusammengefasst.
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Die Steuerschaltung V5 ist zu einem Elektromagneten E des Schwingankerantriebs
geführt.
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Die Steuerschaltung V5 weist, nach Fig. 2, je einen erstenund einen
zweiten sogenannten Magnet-Komparator KI bzw. KII mit jeweils nachgeschalteten Optokopplern
OCII und OCIII auf. Je einem ersten Eingang der Magnet-Komparatoren KI und KII ist-ein.-
Dreiecksignal Sa und je einem zweiten Eingang der Komparatoren KI und KII ein sinusförmiges
Signal S i zugeführt. Die Ausgänge der Optokoppler KI und KII sind zu den Steuereingängen
des Elektromagneten E geführt.
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Die Funktionsweise des Schwingankerantriebs mit Regelung lässt sich
am besten im eingeschwungenen Zustand erklären: Ein um einen Drehpunkt DP1 schwingender
Schwinganker S bewirkt am Ausgang des'induktiven Weggebers T ein annähernd dem Pendelwinket
proportionales Signal 5 welches bei cos periodischer Schwingung des Schwingankers
S cosinusförmig sein kann. Dieses Signal 5cos wird sowohl dem Differenzierglied
VD als auch dem Symmetrier-Komparator VK zugeführt.
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Im Symmetrier-Komparator VK wird das Signal S mit einem cos Referenzsignal
R verglichen und somit die Polarität des Signals ScOs bestimmt. Das Ausgangssignal
des Komparators cos VK weist dementsprechend einen rechteckförmigen Verlauf auf
und wird einem Integrierer VI zugeführt und in diesem zu einem Dreiecksignal Sa
transformiert. Dieses Dreiecksignal 5A weist folglich dieselbe Frequenz wie die
Schwingung des Schwingankers S auf. Im Differenzierglied VD wird aus dem Signal
5 durch Differentiation eine der Geschwincos digkeit des Schwingankers S proportionale
Spannung 5 ge-5 wonnen, die in einem nachfolgenden Proportional-Verstärker Vp zum
sinusförmigen Signal S in verstärkt wird. Das Dreiecksignal SA und das sinusförmige
Signal Ssin dienen als Eingangssignale für eine Steuerschaltung Vss welche Steuerschaltung
V6 zur zeitgerechten Erregung des Elektromagneten E eingesetzt ist.
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Die Resonanzfrequenz des Schwingankerantriebs wird bekanntlich einerseits
durch das gesamte Massenträgheitsmoment aller bewegten Massen und andererseits durch
die Federkonstante einer Feder F bestimmt. Die hauptsächlichen Massenträgheitsmomente
der bewegten Massen sind offensichtlich der Schwinganker S, die Schubstange Sch
mit den für eine Umsetzung der rotatorischen Schwingankerbewegung in eine translatorische
Schubstangenbewegung notwendigen Gelenkverbindung - sowie die angetriebene Masse
selbst. Durch entsprechende Dimensionierung der die Schwingungsfrequenz bestimmenden
Elemente kann eine hohe mechanische Frequenzstabilität der Regelstrekke erzielt
werden, so dass es Aufgabe der Regelung ist, dem System unter Berücksichtigung der
zwischen dem Schwinganker S und dem Elektromagneten E in der Regelstrecke verursachten
Nichtlinearitäten dem System genau soviel Energie zuzuführen, als von diesem abgegeben
wird. Diese Aufgabe wurde im Ausführungsbeispiel durch einen Vergleich des Dreiecksignals
Sb mit dem geschwindigkeitsproportionalen sinusförmigen Signal in bei entsprechender
impulsartiger Erregung des Elektromagneten E gelöst. Gemäss Fig. 3 wird bei einem
Nulldurchgang in positiver Richtung des Dreiecksignals Sa ein Steuerimpuls IM für
den Elektromagneten E ausgelöst. Abgeschaltet wird dieser Steuerimpuls IM nach einer
Zeit tx, wenn ein Amplitudenvergleich zwischen dem sinusförmigen Signal Ssin
und
dem Dreiecksignal 5A gleiche Werte ergibt. Ein durch Ueberschwingen des Schwingankers
S über einen Sollwert erzeugtes sinusförmiges Signal Ssin + ergibt, bei gleicher
Steigung des Dreiecksignals S# eine Verkürzung des Steuerimpulses IM um das Zeitintervall
A X1 und bewirkt die notwendige Korrektur der Amplitude des Schwingankers. Analog
gilt diese Betrachtung auch für ein unter dem Sollwert liegendes sinusförmiges Signal
Ssin- mit der entsprechenden Verlängerung des Steuerimpulses IM um das Zeitintervall
ß X2 -In Fig. 2 sind die zur Durchführung des beschriebenen Amplitudenvergleichs
benutzten Magnet-Komparatoren K1 und KII dargestellt. Jeder dieser Magnet-Komparatoren
KI und KII steuert über je einen korrespondierenden Optokoppler OCII und OCIII einen
Teil I bzw. Teil II des Elektromagneten E an.
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Selbstverständlich reidht die Schaltleistung eines Optokopplers nicht
für leistungsfähige Schwingankerantriebe aus, so dass für derartige Antriebe zusätzlich
entsprechende Leistungsverstärker notwendig sind.
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Um einen definierten Schnittpunkt zwischen den bei idealer (mathematischer)
Differentiation in gleicher Phasenlage befindlichen Signalen S i und SA zu erzielen,
wird die Ausgangscharakteristik des Integrierers in bekannter Weise exponentiell
verformt.
Ebenso wären zum selben Zweck ein das sinusförmige Signal Spin zeitlich verzögerndes
Glied oder ähnliche Mittel zur Erzeugung einer Phasenverschiebung denkbar.
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Der Symme-trier--Komparator;VK weist an seinem Ausgang eine in bekannter
Weise aufgebaute Dioden-BrAckenschaltung und ein Begrenzungsglied auf.
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Die an Hand der Fig. 3 geführten, auf eine positive Schwingungshalbwelle
ausgerichteten Ueberlegungen gelten analog auch für eine negative Schwingungshalbwelle.
Durch eine derartige, sogenannte Vollphasen-Steuerung wird ein sehr gutes dynamisches
Regelverhalten, auch bei wechselnder Belastung des Antriebssystems erzielt.