DE2625937A1

DE2625937A1 - Anordnung zur steuerung der umfangsgeschwindigkeit von rotierenden objekten

Info

Publication number: DE2625937A1
Application number: DE19762625937
Authority: DE
Inventors: Lars-Goeran Dipl Ing Larsson; Frede Dipl Ing Soerensen
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1975-06-17
Filing date: 1976-06-10
Publication date: 1976-12-30
Also published as: US4097787A; SE7506926L; IT1062336B; DE2625937C2; SE395844B

Description

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget Västeras/Schweden

Anordnung zur Steuerung der Umfangsgeschwindigkeit von rotierenden Objekten

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung der Umfangsgeschwindigkeit von rotierenden Objekten, wie beispielsweise motorgetriebenen Schleifscheiben.

Bei der Drehzahlsteuerung eines Antriebs für derartige Objekte, wie beispielsweise einer Schleifscheibe, besteht ein Problem darin, daß man die Größe des Durchmessers des angetriebenen Objektes nicht genau kennt. Um diesen Durchmesser zu messen, ist es bekannt, Kontaktmessungen an Schleifscheiben vorzunehmen. Eine solche Meßeinrichtung ist jedoch aufwendig, und das Meßergebnis ist häufig unsicher. Es ist ferner bekannt, den Scheibendurchmesser fotoelektrisch zu messen und diese Meßsignale zur Drehzahlsteuerung zu verwenden. Eine solche Anordnung funktioniert jedoch nur unter idealen äußeren Verhältnissen störungsfreie Bei anderen rotierenden Objekten oder Werkzeugen, bei denen man die Umfangsgeschwindigkeit steuern möchte, also beispielsweise eine konstante Umfangsgeschwindigkeit haben möchte,

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sind die Verhältnisse ähnlich. Bei Schleifscheiben "beispielsweise kennt man den genauen Durchmesser nicht, da die Scheibe sukzessiv abgenutzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei der die Steuergröße für die Umfangsgeschwindigkeit des anzutreibenden Objektes auf einfache und zuverlässige Weise gewonnen wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß " die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den UnteransDrüchen genannt.

Aufgrund der genannten Integration über eine bestimmte Zeit kann man durch Zusammensetzung der teils bei der Verzögerung und teils bei der Beschleunigung auftretenden Verluste die verlustbedingten Momente bzw. Ströme ganz oder teilweise eliminieren, wodurch man ein verlustkompensiertes Meßsystem erhält. Man nimmt hierbei eine Initialeinstellung vor und erhält ein zusammengesetztes Signal, das während einer gewissen Zeit, beispielsweise 1 Minute oder 15 Minuten, je nachdem welcher Art das Objekt ist und welche Betriebs-

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Verhältnisse herrschen, als Steuersignal für die Drehzahl über den Punktionsgenerator wirken kann. Nach diesem Zeitabschnitt 'kann man ein neues Steuersignal erzeugen und erhält eine betriebssichere Steuerung des Objektes auf oder im wesentlichen auf - die gewünschte Umfangsgeschwindigkeit. Am einfachsten wird die Kompensation, wenn man gleiche Zeitintervalle für die Verzögerung und Beschleunigung wählt, wobei eine vollkommene Beseitigung der Verluste eintreten kann.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Pig. 1 Diagramme zur Erläuterung der Gewinnung eines Steuersignals für die Drehzahl,

Pig. 2 ein Blockschaltbild einer Anordnung gemäß der Erfindung.

Zur Gewinnung von Steuersignalen wird bei konstanter Verzögerung und Beschleunigung das zugeführte Drehmoment oder der zugeführte Strom (Iff, bzw. Iff und I bzw. I) zeitintegriert.

re τ ar a

Bei einem Gleichstromantriebsmotor gilt der Zusammenhang: M=k«0«I = k·!·!, wobei k eine Maschinenkonstante, 0 der Pluß, I der Magnetisierungsstrom und I der Anker strom ist. Wird I durch PeIdstromregelung konstant gehalten, was man in diesem Fall anstrebt, so wird M proportional I. Man kann somit ein Moment signal erhalten, indem man den Anker strom

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I mißt. Im Prinzip sind die Verluste bei der Verzögerung wie bei der Beschleunigung gleich.

Indem man sowohl für die Verzögerung als auch für die Beschleunigung ein kurzes Zeitintervall wählt, kann man mit einer konstanten Verzögerung und Beschleunigung, also mit geraden Kurvenabschnitten konstanter" Neigung rechnen.

In Fig. 1 ist die Winkelge schwindigkeit GJvOoer der Zeit t aufgetragen. Es gilt Cl/= — , wobei ν die Umfangsgeschwindigkeit und r der Radius ist. Die Verzögerung, findet zwischen den Zeitpunkten t₁ und tp statt und die Beschleunigung zwischen den Zeitpunkten tp und t... Die Höchstgeschwindigkeit ist CU^ und die MindestgeschwindigkeitüJp· Man erhält

dt

= 2

mittel t-3 - t..

mittel (mittleres Moment für Beschleunigung und Verzögerung) =

X₂ t₁ J ret ί t₃ -

t₂

Ist (t₂ - t-) = (t^ - t₂), so erhält man eine Kompensation von M_f · dt.

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Für das Grundträgheitsmoment J_Q gilt;

_T ^Mmittel ^J0 ⁼

dt

mittel

Das Grundträgheitsmoment Jq ist das axiale Trägheitsmoment der gesamten rotierenden Einrichtung mit Ausnahme des in seinem Durchmesser sich ändernden Objektes, z.B. eine sich abnutzende Schleifscheibe. Diese Einrichtung besteht also aus dem Antriebssystem, dessen Transmission und Befestigungsvorrichtungen sowie solchen Verstärkungen (z.B. Flansche oder Verstärkungsplatten) am angetriebenen Objekt, die nicht der homogenen Struktur des angetriebenen Objektes entsprechen. In der angegebenen Gleichung für J_Q ist also die Messung zur Gewinnung des Wertes M ohne aufgesetzte Schleifscheibe durchzuführen. Alternativ kann Jo auch definiert werden als das Trägheitsmoment der gesamten Einrichtung mit aufgesetzter Schleifscheibe, wenn diese ihren kleinsten Durchmesser hat.

Aus dem unteren Diagramm in Fig. 1 erkennt man, daß im Verzögerungsfall M , die Kurve M + um LL. verringert wird, während die Kurve M im Beschleunigungsfall um M-, vergrößert wird. Die gestrichelten Flächen in den M ■-und M^-Intervallen sind gleich groß, haben jedoch entgegengesetztes Vorzeichen. Man erhält also durch Integration von M . und M_ über die Zeit, wenn die Zeitintervalle gleich groß sind, eine Eliminierung der Verluste.

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Es gelten die folgenden Funktionszusammenhänge:

_T/\ daJ ret a

ν =CJ . r (2)

dabei ist J(r) das Trägheitsmoment der rotierbaren Einrichtung mit aufgesetzter Schleifscheibe, deren Radius r beträgt.

Der Momenten- oder Strombedarf des Systems zur Verzögerung und Beschleunigung ohne den durchmesservariablen Teil des angetriebenen Objektes (Schleifscheibe) wird also durch Integration über die Zeit mit entgegengesetztem Vorzeichen so eingeführt, daß das gemessene Momenten- und Stromintegral für konstante Verzögerung und Beschleunigung des kompletten Systems einschließlich des durehmesservariablen Teils des angetriebenen Objektes einen Wert ergibt, der nur dem durchmesservariablen Teil des Systems gemäß Gleichung (1) entspricht .

Man scheidet also durch'Einführung eines entsprechenden Gegensignals die Teile der rotierenden Massen aus, deren Durchmesser sich nicht ändert. Dadurch daß diese Teile bei der Gewinnung eines Sollwertes für die Drehzahlsteuerung eliminiert v/erden, wird das System empfindlicher gegenüber Durchmesservariationen des durchmesservariablen Objektes. Der gewonnene Sollwert bzw. das Steuersignal hat einen solchen Genauigkeits-

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grad, daß eine genaue Regelung bzw. Steuerung auf konstante Umfangsgeschwindigkeit möglich ist. Dadurch daß man dieses Steuer- bzw. Sollwertsignal bei Schleifscheiben beispielsweise nach je 15 Minuten durch eine erneute Messung neu festlegt, kann die Durchmesserverminderung von Schleifscheiben während des Verschleißes gut beobachtet werden.

Der Anker strom ist leichter und mit einer einfacheren Einrichtung meßbar als das Drehmoment. Allerdings stellt die Messung des Anker stromes nur eine akzeptable Methode mit angenäherter Genauigkeit dar. Fig. 2 zeigt einen Gleichstrommotor 11 mit einer getrennt erregten Magnetisierungswicklung, die vom Magnetisierungsstrom I durchflossen wird. Der Motor treibt eine Schleifscheibe 12 an, deren Umfangsgeschwindigkeit man während der gesamten Verschleißdauer konstant halten will.

Während gewisser von der Bedienungsperson oder automatisch festgelegter Zeitabstände wird das System durch eine entsprechende Steuereinrichtung in der beschriebenen Weise verzögert und beschleunigt. Während dieses Vorganges wird der Ankerstrom I gemessen, und der Meßwert (siehe Pig. 1) wird in einem Integrator 13 integriert. Das Ausgangssignal U des Integrators 13 wird auf einen Punktionsgenerator 14 gegeben, der ein der Größe U entsprechendes Geschwindigkeitssignal ν für die Geschwindigkeitssteuerung (Drehzahlsteuerung) des Motors erzeugt. Dieses Signal wird in bekannter Weise einer Steuer- oder Regelvorrichtung für den Motor 11 zugeführt,

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Das Signal ν (oder U) wird in einem nicht dargestellten Speicher festgehalten, wo es so lange gespeichert bleibt, bis ein neues Signal durch einen neuen Meßvorgang gewonnen wird. Dieses neue Signal ersetzt das frühere Signal im Speicher, falls es nicht außerhalb gewisser vorgegebener Grenzen liegt. Sollte letzteres der Pail sein, so wird von oder über den Funktionsgenerator ein Signal geliefert, das einer neuen Schleifscheibe mit maximalem Durchmesser entspricht.

Der Funktionsgenerator 14 ist normalerweise nicht-an einen bestimmten Durchmesser gebunden. Er muß daher für verschiedene Durchmesser kalibrierbar sein. Dies kann in der Weise geschehen, daß eine neue Scheibe mit bekanntem Durchmesser verzögert und beschleunigt wird. Wenn dabei das Ausgangssignal ν von dem entsprechenden Ausgangssignal 0 abweicht, was in dem Vergleichsglied 15 festgestellt wird, dann wird mittels eines Motors 16 ein Potentiometer 17 zwischen dem Integrator 13 und dem Funktionsgenerator 14 verstellt.

Die Intervalle für die ,Signalgewinnung, wie oben angegeben, sind lediglich Beispiele, die je nach Art des Objektes und der herrschenden Betriebsverhältnisse variiert werden können.

Ein zum Aufrechterhalten einer konstanten Umfangsgeschwindigkeit des sich im Durchmesser vermindernden angetriebenen Objektes (12 in Fig. 2) erforderlicher Drehzahlzuschuß wird aufgrund folgender Zusammenhänge gebildet:

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^(JO ^{+ J) #} Ιΐ = ^Ma ^{+ M}f = ^m01 ^{+ m}1 - ^(mf0 ^{+ m}f1^}

M ist das Gesamtmoment bei der Beschleunigung und M„ das a ι

betreffende Verlustmoment. m_Q1 ist das Teilmoment ausschließlich des angetriebenen Objektes, und m„_fi ist das entsprechende Verlustmoment, m^ und m-.. sind die entsprechenden Teilmomente für das angetriebene Objekt. J ist das Trägheitsmoment des angetriebenen Objektes.

Bei der Verzögerung QVL , ) gilt entsprechend:

re χ

(^J0 ^{+ J)} *dt = ^Mret + ^Mf = ^m02 ^{+ m}2 ~ ^(mf0 ^{+ m}f2^} Das Grundträgheitsmoment J₀ wird durch eine separate Kessung, wie oben beschrieben, bei einem Verzögerungs- und Beschleunigung svorgang des Systems ohne das angetriebene .Objekt eliminiert, so daß man den folgenden Zusammenhang erhält:

, dO> ^m01 ^{+ m}02
^J0 · dt ⁼ 2

Das obige Teilmoment wird als eine konstante und entgegenwirkende Größe in die Meßeinheit eingeführt, so daß die folgenden Messungen bei Verzögerungs- und Beschleunigungsvorgängen mit dem angetriebenen Objekt den folgenden Zusammenhang bilden:

_T d£J ^m1 + ^m2
^J * dt = 1

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Die vorstehenden Gleichungen (1), (2) gelten, wenn die belastenden Momente (Friktion, Luftwiderstand usw. im System) während der Messungen bei der Verzögerung und Beschleunigung eliminiert sind. Dies ist eine mit großer Genauigkeit geltende Voraussetzung, da die Momente während des Messens in einem kurzen Zeitintervall integriert werden. Der Meßvorgang geschieht somit durch Integration der Momente im Drehzahlinter-VaIIiD₁ ~^p während der Zeit t.. - t^, was durch eine geregelte und konstante Verzögerung bzw. Beschleunigung erreicht wird.

Ferner gilt, daß die "Maschinenkonstante¹¹ k (siehe oben) für das Antriebssystem während des Meßverlaufes durch Regelung konstant gehalten werden soll (z.B. geregelter und konstanter Feldstrom I für eine Gleichstrommaschine).

Unter dieser Voraussetzung gilt somit, daß

(J₀ + JKz(I₁ + I₂) = (i₁₀ + i₂₀) + (X₁ + i₂),

wobei i₁₀ und i₂₀ die Teilströme sind, die auf den nicht durchmesservariablen Teil des angetriebenen Systems bei der Beschleunigung (1) bzw. der Verzögerung (2) entfallen, i.. und ip sind die entsprechenden Teilströme, die auf die durchmesservariablen Teile entfallen.

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i₂₀)

+ I₂) = I₁ +I₂- (i₁₀ +

U ist das Ausgangssignal des Integrators 13·

Das Trägheitsmoment J ändert sich mit dem Radius r des
angetriebenen Objektes unter der Voraussetzung, daß das
angetriebene Objekt ein homogener Zylinder mit planparallelen Seiten ist,wie folgt:

U (3)

Ferner gilt für ein konstantes Einhalten der Umfangsgeschwindigkeit des angetriebenen Objektes, daß dessen Winkelgeschwindigkeit OJ sich im Intervall r _> r>r . umgekehrt propor-

/ ClP \ tional mit dem Radius des angetriebenen Objektes ändert ( — ;.

Die erforderliche Drehzahlerhöhung für die Verkleinerung des Radius,bezogen auf r , ergibt sich aus dem Zusammenhang:

CJ - ω

min _ ( ^rmax - 1)

Da gemäß Gleichung (3) gilt:

U '

/ ^rmax \4 _

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ergibt sich:

min

für 1 > U > U_1111n und to _nin

Die erforderliche Drehzahlerhöhung kann somit gemäß
Gleichung (4) durch einen Punktionsgenerator aus dem Signal U als steuernder Größe gewonnen werden.

Dem Signal U entspricht das gespeicherte Signal von der
zeitintegrierten Momenten- oder Stromzufuhr zum Antriebssystem, das erforderlich ist, um nur das Trägheitsmoment,
des angetriebenen Objektes zu verzögern und zu beschleunigen.

Der hierdurch erhaltene DrehzahlZuschuß wird unter gewissen Bedingungen in einem Speicher mit Grenzwertvorrichtungen
gespeichert und mit dem ermittelten Drehzahlzuschuß der folgenden Messung verglichen, der unter gewissen Bedingungen nur dann in dem Speicher gespeichert wird, wenn der neue Zuschuß
innerhalb im voraus eingestellter Grenzwerte liegt. Dies sind also die einstellbaren Bedingungen,und liegt ein Signal U
oder ν außerhalb dieser Bedingungen, so wird - im Beispiel der Schleifscheibe - stattdessen ein Signal für eine neue Scheibe

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mit maximalem Durchmesser eingestellt .■

Der akzeptierte Drehzahlzuschuß in dem Speicher (nicht gezeigt) wird anschließend dem Antriebssystem als ein Zuschui?- sollwert zugeführt. Durch Kalibrierung, wie sie oben beschrieben wurde, kann eine veränderte Dichte und Breite der Schleifscheibe berücksichtigt werden.

Die Anordnung nach der Erfindung kann im Rahmen des offenbarten Erfindungsgedankens in vielfacher Weise variiert werden.

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Claims

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Patentansprüche:

Anordnung zur Steuerung der Umfangsgeschwindigkeit von rotierenden Objekten, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebssystem mit dem rotierenden Objekt während eines bestimmten Zeitintervalles zunächst verzögert und dann beschleunigt wird oder umgekehrt, daß während dieses Vorganges der dem Antriebssystem zugeführte Strom oder das zugeführte Drehmoment über der Zeit in einem Integrator (13) integiriert wird und daß das Ausgangssignal U des Integrators (13) einem Funktionsgenerator (14) zugeführt wird, welcher das Signal U zu einer Steuergröße für die Drehzahl des rotierenden Objektes (12) umrechnet.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eliminierung der Verlustmomente in dem Ausgangs signal U des Integrators die Integrationszeit während der Verzögerung und der Beschleunigung gleich groß sind«,
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Integrationsvorgang bei nicht angekoppeltem anzutreibendem Objekt durchgeführt wird und das so gewonnene Grundsignal von dem bei der Integration mit angekoppelten anzutreibenden Objekt gewonnenen Meßwert subtrahiert wird.

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4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3 beim Antrieb

von Schleifscheiben, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korrekturfaktor zur Änderung des Ausgangs signals des Funktionsgenerators (14) in Abhängigkeit der Dichte und Breite der Schleifscheibe (12) eingestellt werden kann.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengesetzte Signal in einem Speicher gespeichert wird und mit einem später gewonnenen zusammengesetzten Signal verglichen wird, wobei das letztere nur dann das erstere im Speicher ersetzt, wenn es innerhalb bestimmter vorgegebener Grenzen liegt.

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