DE2621086C3 - Verfahren und Anordnung zur Schwinganker-Regelung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Impulserregung und Regelung eines mechanischen Schwingers oder Schwingankerantriebs mit Stellgliedern und einem Weggeber zur kontinuierlichen Messung der Auslenkung einer schwingenden Masse und zur Bildung eines zur momentanen Auslenkung der schwingenden Masse proportionalen Signals.

Schwingankerantriebe werden auf Grund ihres einfachen, robusten Aufbaus als Antriebsmittel häufig angewendet Die durch solche Schwingankerantriebe erzeugten, pendeiförmigen Bewegungen lassen sich mittels Schubstangen und Gelenken leicht in translatorische Bewegungen umsetzen, so daß diese Antriebsart sehr vielseitige Verwendung finden kann.

Bei ungeregelten Schwingankerantrieben kann durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch große

to Massenträgheitsmomente, die kinetische Energie so groß gewählt werden, daß relativ kleine Laststöße die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude des Ankers nur unwesentlich beeinflussen. Dabei sind jedoch erhebliche Anschwing- und Abklingzeiten der Schwingankerbewegung in Kauf zu nehmen. Außerdem weisen ungeregelte Schwingankerantriebe meist ein lastabhängiges dynamisches Verhalten auf.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Anordnung zur Regelung eines Schwingankerantriebes anzugeben, die auch bei großen Massenträgheitsmomenten relativ kleine Anschwing- und Ausschwingzeiten aufweist und deren dynamisches Verhalten relativ lastunabhängig ist.
Aus der DE-OS 16 13 221 ist ein elektromagnetischer Vibrator mit Schwingbreitenregelung bekannt, der zum Antrieb von Schwingrinnen in Mischanlagen von mehreren Schüttgutkomponenten Verwendung finden kann. Bei diesem Vibrator wird ein von einem an dem Vibrator befestigten elektromagnetischen Schwingbrei-

jo tengeber erzeugtes Wechselspannungssignal zu einer proportionalen Gleichspannung gleichgerichtet und mit einer Referenzspannung zu einem korrigierten Istwert der Schwingbreite addiert. Diese bekannte Vorrichtung kann relativ grolle An- und Ausschwingzeiten aufweisen, was bei dem Anwendungsgebiet der bekannten Vorrichtung indessen unbeachtlich ist.

Der Erfindung liegt demgegenüber gerade die Aufgabe zugrunde, die An- und Ausschwingzeiten eines Schwingers oder Schwingankeranträebs zu verkürzen, sein dynamisches Verhalten zu verbessern und zugleich die durch mechanische Dimensionierung erzielte Frequenzkonstanz der Ankerschwingung aufrechtzuerhalten. Die Erfindung soll sich insbesondere auch für Schwingankerantriebe von einigen Grad Pendelwinkel-Ausschlag, mit dem daraus resultierenden, nichtlinearen Verhalten der Regelstrecke, eignen.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß einerseits ein aus diesem Signal ein im Takte der Schwingungsfrequenz pulsierendes Dreieck-Signal bildender, einem Symmetrier-Komparator nachgeschalteter Integrierer und andererseits ein ein zum Dreiecksignal geschwindigkeitsproportionales zumindest angenähert sinusförmiges Signal bildender, einem Differenzierglied nachgeschalteter Proportional-Verstärker vorgesehen ist, daß ferner ein eine Phasenverschiebung zwischen dem Dreiecksignal und dem sinusförmigen Signal bewirkendes Glied vorgesenen ist und daß schließlich eine das Dreiecksignal und das sinusförmige Signal interva'lweise in ihren Momentanwerten miteinander vergleichende Komparator-Steuerschaltung vorgesehen ist, die nur bei den Momentanv.'ert des sinusförmigen Signals übersteigendem Momentanwert des Dreiecksignals eine Erregung der Stellglieder bewirkende Ausgangssignale abgibt.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist den Vorteil auf, daß die Erregung des Schwingankers jeweils in einer Teilperiode der Schwingung derart erfolgt, daß nur die zu einer Auslenkung der schwingenden Masse

auf einen Soll-Amplituden-Wert notwendige Energie zugeführt wird, so daß sich das gewünschte dynamische Verhalten, nämlich ein schnelles An- und Ausschwingen (engl. Fast-Response-Controll), ergibt; aie Gefahr des Überschwingens besteht im belasteten Betrieb nicht

Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich unabhängig von der Art der Schwingungserregung anwenden.

An Hand von Zeichnungen wird im folgenden ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung :iäher erläutert üs zeigt

F i g. 5 einen Schwingankerantrieb mit einer Regelungsanordnung,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung,

Fig.3 das Steuerungsprinzip der Steuerschaltung nach F i g. 2.

Ein Schwingankerantrieb F i g. 1 weist an einem Ende eines Schwingankers Seinen bipolaren Weggeber Tauf, welcher Weggeber rein der Auslenkung des Schwingankers proportionales Signal S_cos abgibt. Das Signal S_n,, wird einerseits dem einen Eingang eines Symmetrier-Komparators V_K und andererseits einem einzigen Eingang eines Differenziergliedes Kd zugeführt. Einem zweiten Eingang des Symmetrier-Komparators Kk ist eine Referenzspannung R eingespeist. Der Ausgang des Symmetrier-Komparators Vk ist mit dem Eingang eines Integrierers Vi, dei Ausgang des Differenzierjrüedes Kt mit dem Eingang eines Proportionalverstä.kers Vp verbunden. Der Ausgang des Integrierers K; ist über eine Steuerschaltung Ks mit dem Ausgang des Proportional-Verstärkers Vp zusammengefaßt. Die Steuerschaltung Ks ist zu einem Elektromagneten Edes Schwingankerantriebs geführt

Die Steuerschaltung Ks weist, nach Fig. 2, je einen ersten und einen zweiten sogenannten Magnet-Komparator K\ bzw. Kn mit jeweils nachgeschalteten Optokopplern OCYi und OCIn auf. Je einem ersten Eingang der Magnet-Komparatoren K\ und Kn ist ein Dreiecksignal Sa und je einem zweiten Eingang der Komparatoren K\ und Kn ein sinusförmiges Signal S_51n zugeführt. Die Ausgänge der Optokoppler K\ und Kn sind zu den Steuereingängen des Elektromagneten Egeführt.

Die Funktionsweise des Schwingankerantriebs mit Regelung läßt sich am besten im eingeschwungenen Zustand erklären: Ein um einen Drehpunkt DPX schwingender Schwinganker Sbewirkt am Ausgang des induktiven Weggebers rein annähernd dem Pendelwinkel proportionales Signal So», welches bei periodischer Schwingung des Schwingankers 5 cosinusförmig sein kann. Dieses Signal S_raj wird sowohl dem Differenzierglied Vo als auch dem Symmetrier-Komparator K* zugeführt. Im Symmetrier-Komparator Vk wird das Signal S_ms mit einem Referenzsignal R verglichen und somit die Polarität des Signals S_cos bestimmt. Das Ausgangssignal des Komparator Vk weist dementsprechend einen rechteckförmigen Verlauf auf und wird einem Integrierer Vi zugeführt und in diesem zu einem Dreiecksignal Sj transformiert. Dieses Dreiecksignal Sa weist folglich dieselbe Frequenz wie die Schwingung des Schwingankers Sauf. Im Differenzierglied Kd wird aus dem Signal Scos durch Differentiation eine der Geschwindigkeit des Schwingankers S proportionale Spannung S_s gewonnen, die in einem nachfolgenden Proportional-Verstärker Vp zum sinusförmigen Signal Ssm verstärkt wird. Das Dreiecksignal Sa und das sinusförmige Signal S_Sin dienen als Eingangssignale für eine Steuerschaltung Ks, welche Steuerschaltung Ks zur zeitgerechten Erregung des Elektromagneten E eingesetzt ist.

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 werden offensichtlich von dem Schwinganker S, von der Schubstange Sch mit der für eine Umsetzung der pendeiförmigen Schwingankerbewegung in eine translatorische Schubstangenbewegung

ίο notwendigen Gelenkverbindung sowie von der angetriebenen Masse selbst bestimmt. Durch entsprechende Dimensionierung der die Schwingungsfrequenz bestimmenden Elemente kann eine hohe mechanische Frequenzstabilität der Regelstrecke 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 so viel Energie zuzuführen, als von diesem abgegeben wird Diese Aufgabe wurde im Ausführungsbeispiel durch einen Vergleich des Dreiecksignals Sj mit dem geschwindigkeitsproportionalen sinusförmigen Signa! S_51n bei entsprechender impulsartiger Erregung des Elektromagneten E gelöst. Gemäß Fig. 3 wird bei einem Nulldurchgang in positiver Richtung des Dreiecksignals Sj ein Steuerimpuls Im für den Elektromagneten E ausgelöst Abgeschaltet wird dieser Steuerimpuls Im nach einer Zeit /„ wenn ein Amplitudenvergleich zwischen dem sinusförmigen Signal S_H„ und dem Dreiecksignal Sj gleiche Werte ergibt Ein durch Überschwingen des Schwingankers S über einen Sollwert erzeugtes sinusförmiges Signal S,,,,+ ergibt, bei gleicher Steigung des Dreiecksignals Sj eine Verkürzung des Steuerimpulses Im um das Zeitintervall Αχ 1 und bewirkt die notwendige Korrektur der Amplitude des Schwinganker. Analog gilt diese Betrachtung auch für ein unier dem Sollwert liegendes sinusförmiges Signal S_11n- mit der entsprechenden Verlängerung des Steuerimpulses l_M um das Zeitintervail /Iv 2·

In Fig. 2 sind die zur Durchführung des beschriebenen Ampiitudenvergleichs benutzten Magnet-Komparatoren K₁ und Kn dargestellt Jeder dieser Magnet-Komparatoren K\ und Kn steuert über je einen korrespondierenden Optokoppler OCh und OCIn einen Teil I bzw.Teil Il des Elektromagneten fan.

Selbstverständlich reicht die Schaltleistung eines Optokopplers nicht für leistungsfähige Schwingankerantriebe aus, so daß für derartige Antriebe zusätzlich entsprechende Leistungsverstärker notwendig sind.

Um einen definierten Schnittpunkt zwischen den bei idealer (mathematischer) Differentiation in gleicher Phasenlage befindlichen Signalen S_51n und Sj zu erzielen, wird die Ausgangscharakteristik des Integrierers in bekannter Weise exponentiell verformt. Ebenso wären zum selben Zweck ein das sinusförmige Signal S_im zeitlich verzögerndes Glied oder ähnliche Mittel zur Erzeugung einer Phasenverschiebung denkbar.

Der Symmetrier-Komparator Vk weist an seinem Ausgang eine in bekannter Weise aufgebaute Dioden-Brückenschaltung und ein Begrenzungsglied auf.

Die an Hand der Fig. 3 geführten, auf eine positive Sch'vingungshalbwelle ausgerichteten Überlegungen 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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Impulserregung und Regelung eines mechanischen Schwingers oder Schwingankerantriebs mit Stellgliedern und einem Weggeber zur kontinuierlichen Messung der Auslenkung einer schwingenden Masse und zur Bildung eines zur momentanen Auslenkung der schwingenden Masse proportionalen Signals, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits ein aus diesem Signal ein im Takte der Schwingungsfrequenz pulsierendes Dreieck-Signal (Sa) bildender, einem Symmetrier-Komparator (V_K) nachgeschalteter Integrierer (V₁) und andererseits ein ein zum Dreiecksignal (Sa) geschwindigkeitsproportionales zumindest angenähert sinusförmiges Signal (S„„) bildender, einem Differenzierglied (V_D) nachgeschalteter Proportional-Verstärker (Vp) vorgesehen ist, daß ferner ein eine Phasenverschiebung zwischen dem Dreiecksignal (Si) und dem sinusförmigen Signal (Ss,,,) bewirkendes Glied vorgesehen ist und daß schließlich eine das Dreiecksignal (S^ und das sinusförmige Signal (S_sin)intervallweise in ihren Momentanwerten miteinander vergleichende Komparator-Steuerschaltung (Vs) vorgesehen ist, die nur bei den Momentanwert des sinusförmigen Signals übersteigendem Momentanwert des Dreiecksignals eine Erregung der Stellglieder bewirkende Ausgangssignale abgibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparator-Steuerschaltung (V_s) einen ersten Ausgang für die den positiven Halbperioden des dreieckförmigen Signals (S.]) entsprechenden Ausgangssignale und einen zweiten Ausgang für die den negativen Halbperioden des dreieckförmigen Signals (Sa) entsprechenden Ausgangssignale aufweis'..

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparator-Steuerschaltung (Vs) entweder einen Ausgang für die den positiven Halbperioden des dreieckförmigen Signals (Sa) entsprechenden Ausgangssignale oder einen Ausgang für die den negativen Halbperioden des dreieckförmigen Signals (Si) entsprechenden Ausgangssignale aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder zur Umwandlung der elektrischen in mechanische Energie Elektromagne- Ie(E) aufweisen.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparator-Steuerschaltung (V_s) aus zwei parallelgeschalteten Komparatoren (K\, Ku) besteht und daß einem jeweils ersten Eingang jedes Komparators (K\ bzw. Kn) die dreieckförmigc Ausgangsspannung des Integrierers (V₁) und einem zweiten Eingang die sinusförmige Ausgangsspannung des Proportional-Verstärkers (Vp) zugeführt sind.