DE2729440B2 - Servoregelsystem für die Drehung einer Welle - Google Patents

Servoregelsystem für die Drehung einer Welle

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Shigeyuki Araki
Tomoatsu Imamura
Nobuo Iwata
Masahiro Yoshimi
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Description

Die Erfindung betrifft ein Servoregelsystem für die Drehung einer Welle der im Oberbegriff des Anspruchs angegebenen Gattung.
Aus der US-PS 37 23 748 ist eine Photosensoranordnung bekannt die .mittels einer beweglichen und einer festen, jeweils mit lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Abschnitten versehenen Scheibe und zwei Photozellen ein Positionssignal ableitet das aus zwei um
so 90° gegeneinander phasenverschobenen, sinusförmigen Signalen besteht Ein ähnlicher Lagegeber ist aus der DE-AS 15 48 747 bekannt wobei jedoch noch zusätzlich Maßnahmen zur Einstellung der Intensität der Lichtquelle in der zugehörigen Auswerteschaltung vorgese- hen sind.
Ein Servoregelsystem für die Drehung einer Welle der angegebenen Gattung ist aus der US-PS 38 39 665 bekannt das einen Servomotor, einen induktiven Wandler zur Erzeugung von Positionssignalen für die
μ rotierende Welle, eine Rechenschaltung, die aus einem Positionsbefehlssignal und einem Positionssignal ein Geschwindigkeitsbefehlssignal bildet um den Motor und damit die Welle aus einer Anfangslage in eine dem Positionsbefehlssignal entsprechende Lage zu bringen, eine Differenzieranordnung für die Positionssignale, um ein Geschwindigkeitssignal zu erzeugen, und einen Komparator aufweist, der das Geschwindigkeitssignal und das Geschwindigkeitsbefehlssignal vergleicht und
ein Fehlersignal erzeugt, das der Differenz zwischen diesen Signalen entspricht; dieses Fehlersignal wird dem Servomotor zugeführt, um diesen und damit die Welle anzutreiben.
Bei einem solchen Servoregelsystem werden die Positionssignale mit Positionsbefehlssignalen verglichen, um ein Differenzsignal zu erzeugen. Außerdem werden die Positionssignale differenziert, wodurch ein Geschwindigkeitssignal entsteht Die Rechenschaltung erzeugt ein Geschwindigkeitsbefehlssigna} durch Dämpfung eines Bezugssignals in Abhängigkeit von dem DifferenzsignaL Der Komparator vergleicht das Geschwindigkeitssignal mit dem Geschwindigkeitsbefehlssignal, um das Fehlersignal zu erzeugen, das den Servomotor wiederum beschleunigt oder verlangsamt, wodurch die Welle in entsprechender Weise gedreht wird.
Wenn das Differenzsignal abnimmt, reduziert sich die Größe des Geschwindigkeitsbefehlssignals entsprechend und nimmt schließlich auf Null ab, um den Motor anzuhalten, wenn die Welle die gewünschte Lage erreicht hat
Dieses bekannte Servoregelsystem arbeitet in der Praxis zwar einwandfrei, enthält jedoch einen äußerst komplizierten induktiven Wandler mit mehreren Leitern und Wicklungen, die insbesondere in der Fertigung Schwierigkeiten bereiten. Außerdem stellt dieser Wandler eine ständige Quelle von Störungen und Defekten dar, so daß er häufig, & h. in relativ kurzen Zeitabständen, gewartet werden muß.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Servoregelsystem der angegebenen Gattung zu schaffen, das einen einfachen und sehr störungssicheren Wandler enthält
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs ! angegebenen Merkmale gelöst
Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß solche optoelektronischen Wandler relativ einfach hergestellt werden können und auch bei längerem Betrieb störungsfrei arbeiten. Gleichzeitig werden noch die folgenden Probleme bei der Verwendung von lichtempfindlichen Elementen, insbesondere Photodioden, vermieden: Die bei diesem Servoregelsystem auftretenden Positionssignale haben eine Quasi-Sinusform und sind einer Gleichstromkomponente überlagert die allen Photodioden gemeinsam ist Bei einer Änderung der Umgebungstemperatur, der nicht zu vermeidenden Alterung der Dioden und unter der Einwirkung ähnlicher Einflüsse ändern sich jedoch die Amplitude und die Gleichstromkomponente der Positionssignale, was zu einer entsprechenden Änderung der Kennlinie der Photodioden führt Wenn beispielsweise die als Lichtquelle verwendete, licht emittierende Diode durch konstanten Strom gespeist wird und sich die Umgebungstemperatür um 500C ändert, können sich auch die Ausgangsspannungen der Photodioden um bis zu 40% ändern. Da die Positionssignale differenziert werden müssen, um das Geschwindigkeitssignal zu erzeugen, dessen Amplitude der Motorwellendrehzahl entspricht führt jede Änderung der Ausgangsspannung der Photodioden zu einem ins Gewicht fallenden Fehler bei der Drehzahl und der Positioniergenadigkeit des Servoregelsystems.
Diese Probleme werden durch den hier beanspruchten Aufbau dadurch ve/mieden. daß die Amplitude der Positionssignale, unabhängig von etwaigen Änderungen der Betriebsparameter der Lichtquelle, im allgemeinen einer Licht emittierenden Diode (LED), oder der Photodioden konstant gehalten wird; zu diesem Zweck
s wird die Ausgangsspannung der ersten Photodiode, die ständig von der Lichtquelle bestrahlt wird, festgestellt und der Stromfluß durch die Lichtquelle und damit ihre Lichtintensität so lange justiert bis die Ausgangsspannung dieser Photodiode sich auf einem vorher
ίο bestimmten Wert befindet Da die Photodioden beispielsweise zu einer Baugruppe zusammengefaßt sind, ändern sich dadurch ihre Kennlinien in identischer Weise, so daß ein gleichmäßiger Betrieb gewährleistet ist
Die Ausgangssignale der zweiten Photodiode, die das von der Scheibe durchgelassene Licht empfängt werden Verstärkern zugeführt, die durch eine Vorspannung beaufschlagt werden, um die Gleichstromkomponente aus den Positionssignalen zu entfernen. Die gleiche Schaltungsanordnung, die den Stromfluß durch die Lichtquelle einstellt, dient also ?.xh zur Einstellung eines den Verstärkern zugeführten V'orspannungssignals, so daß dieses gleich der Gleichstromkomponente ist Die Verstärker werden in Gegenschaltungen betrieben, so daß dieses Vorspannungssignal die Gleichstromkomponente kompensiert
Das an die Verstärker angelegte Vorspannungssignal folgt also jeder Änderung der Gleichstromkomponente der Positionssignale und entfernt die Gleichstromkom ponente äußerst präzise, so daß die Positionssignale nicht mehr verzerrt werden und die entsprechende Beeinflussung der Funktionsweise des Servoregelsystems vermieden wird. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevor zugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein Gesamtblockschaltbild eines Servoregelungssystems gemäß der Erfindung, Fig.2 eine Draufsicht auf eine Abdeckscheibe des
Servoregelungssystems,
F i g. 3 eine Draufsicht auf eine Maske des Servorege-Iun^ssystems, wobei die Anordnung von Photodiodensensoren gestrichelt wiedergegeben ist Fig.4 einen Teil einer schematischen Schnittansicht der Abdeckscheibe, der Maske, der Photodioden und einer Lichtquelle in Form einer lichtabgebenden Diode,
Fig.5 eine Draufsicht auf eine abgewandelte Abdeckscheibe gemäß der Erfindung, wobei die Maske
und eine der Photodioden strichpunktiert dargestellt ist
so F i g. 6 ein Blockschaltbild eines Teils des erfindungsgemäßen Servoregelungssystems,
Fig.7 ein ins einzelne gehendes schematisches Schaltbild des in Fig.6 dargestellten Teils des Servoregelungssystems,
Fig.8 ein Zeitdiagramm des erfindungsgemäßen Servoregelungssy; tems und
Fig.9 eine Kurve, in der die Erzeugung eines Drehzahlbefehlssignals in der erfindungsgemäßen Servoregelungseiarichtung dargestellt ist
In Fig. 1 wekt ein in seiner Gesamtheit mit 11 bezeichnetes Servoregelungssystem für einen Servomotor 12 auf. Eine Welle 13 des Motors kann verwendet werden, um ein Typenelement in einem Aufschlagdrukker, verschiedene Elemente in einem Faksimilesystem
u. ä. (was nicht dargestellt ist) in die entsprechende Lage zu bringen. Das erfindungsgemäße Servosystem kann im allgemeinen bei Anwendiingsfällen verwendet werden, bei welchen ein Element mittels einer
Drehwelle in die entsprechende Stellung gebracht werden muß.
Ein Wandler oder eine Sensoranordnung 14 ist vorgesehen', um die Stellung und Drehzahl der Welle 13 zu fühlen. Wie insbesondere der F i g. 8 zu entnehmen ist, werden beim Drehen der Welle 13 von der Sensoranordnung 14 elektrische Positionssignale A 'und B' erzeugt, welche die Form von quasisinusförmigen Signalen haben, die einem negativen Gleichspannungspegel überlagert sind. Die Frequenz der Positionssignale A'und S'ist direkt proportional zu der Drehzahl der Welle 13, wie unten nioch im ezinzelnen beschrieben wird. Die Positionssignale /4'und fl'sind zueinander um 90° phasenverschoben.
Verstärker 16 und 17 verstärken die Positionssignale A 'bzw. B' und entfernen die Gleichspannungsanteile, um Positionssignale A und ßzu erzeugen. Invertierende Verstärker 18 und 19 invertieren die Positionssignale A ürid B bei einem Verstärkungsfaktor vnn pin* um Umkehrungen bzw. Inversionen der Positionssignale A und B zu schaffen, welche mit Ä und B bezeichnet sind. Wie in F i g. 8 dargestellt, sind die Signale A. B. A und B um 90c verschoben, wobei die Signale B, A und B bezüglich des Signals A fortschreitend um 90° phasenverschoben sind.
Die Positionssignale Ä. B. A und B werden an differenzierende Schaltungen 21 bis 24 angelegt, weiche sje differenzieren, um differenzierte Positionssignale A, B, A bzw. B zu erzeugen. Obwohl die Amplitude der Positionssignale A, B, Ä und B unabhängig von der Drehzahl der Motorwelle 13 und dadurch unabhängig von der Frequenz der Positionssignale ist, nimmt die Amplitude der differenzierten Positionssignale Ä. B, A und B mit der Wellendrehzahl und dementsprechend der Positionssignalfrequenz zu. Insbesondere gilt
df
[/!(sin i-.l)] =
wobei A die Amplitude, ω die Schwingungsfrequenz und Γ die Zeit ist. Mit anderen Worten, die Amplitude der differenzierten Positionssignale Ä, B, A und B ist direkt proportional der Schwingungsfrequenz und der Drehzahl der Motorwelle 13.
Die differenzierten Positionssignale A, B, A und B werden an einen Kommutator 26 angelegt, welcher sie kommutiert, um ein Drehzahlsignal VS zu schaffen. Der Kommutator ist vorgesehen und wird betrieben, um die positivsten Teile der differenzierten Positionssignale A. B, A und B abz-ifragen, um ein zusammengesetztes Signal zu erzeugen, das aus den positivsten Teilen besteht. Das Drehzahlsignal VS ist in F i g. 8 in Form eines Welligkeitssignals mit einem durchschnittlichen positiven Gleichspannungswert gezeigt der in der amplitude in positiver Richtung proportional zu der Drehzahl der Motorwelle 13 und der Frequenz der Positionssignale zunimmt Das Drehzahlsignal VS wird einem Vergleicher 27 zugeführt Der spezielle Aufbau des Kommutators 26 ist nicht Gegenstand der Erfindung; der Kommutator 26 kann jedoch m einer Weise ausgeführt sein, wie in der vorerwähnten US-Patentschrift beschrieben ist oder er kann irgendeine andere, bekannte Ausführung haben.
Der Kommutator dient auch dazu, die Nulldurchgänge des invertierten Positionssignals B zu fühlen und dementsprechend Positionsimpulse PPzu erzeugen. Die Posiiionsimpulse PP werden einer Rechenschaltung 28 zusätzlich zu einem ßczugssignal VR zugeführt, welches von der Sensoranordnung 14 erzeugt wird. Das Bezugssignal VR ist ein Gleichspannungssignal und hat eine negative Polarität.
r> Obwohl der Aufbau der Rechenschaltung 28 ebenfalls nicht Gegenstand der Erfindung und daher nicht im einzelnen dargestellt ist, weist die Rechenschaltung 28 einen digitalen Abwärts- bzw. Rückwärtszähler auf. Ein Positionsbefehlssignal PCS, das eine neue geforderte
ίο Stellung der Motorwelle 13 anzeigt, wird der Rechenschaltung 28 zugeführt, welche die Anzahl Schritte beirechnet, um welche die Welle 13 gedreht werden muß, um aus ihrer Ausgangsstellung in die neue Stellung zu kommen. Diese Anzahl Schritte wird in den Rückwärts-
i"> zähler eingegeben. Wenn der Motor 12 angeschaltet und die Welle 13 in Richtung auf die neue Stellung angetrieben und gedreht wird, werden die Positionsimpulse PP einem Rückwärtszähleingang des Rückwärts- »ählers zugeführt, um diesen schrittweise zu verringern.
2(i Wenn der Rückwärtszähler auf Null heruntergezählt hat, wodurch angezeigt wird, daß die Welle die neue Stellung erreicht hat, wird der Motor 12 abgeschaltet.
Obwohl es nicht dargestellt ist, weist die Reciienschaltung 28 auch eine Anzahl Dekodierer auf, welche den
2-) Zählerstand in dem Rückwärtszähler dekodieren. Die Dekodierer steuern das Schalten eines nicht dargestellten Däinpfungsnetzwerks, das wahlweise das Bezugssignal Vf? entsprechend dem Zählerstand des Rückwärtszähfers dämpft bzw. verringert. Wie am besten in
)o F i g. 9 dargestellt ist wird der Dämpfungsfaktor erhöht, wenn sich die Motorwelle 13 ihrer neuen Stellung nähert, oder wenn der Zählerstand in dem Rückwärtszähler abnimmt. Das gedämpfte bzw. verringerte Bezugssignal stellt ein Drehzahlbefehissignal VCS dar,
r» welches von der Rechenschaltung 28 dem Vergleicher 27 zugeführt wird. Selbstverständlich nimmt das Drehzahlbefehissignal VCS in der Größe ab, wenn sich die Motorwelle 13 der neuen Stellung nähert, so daß dadurch anfangs befohlen wird, daß die Motorwelle 13 mit einer hohen Drehzahl angetrieben wird und diese schrittweise verringert wird, wenn sie sich der neuen Stellung nähert
Der Vergleicher 27 vergleicht das Drehzahlbefehissignal VCS von der Rechenschaltung 28 mit dem tatsächlichen oder Istdrehzahlsignal VS von dem Vergleicher 26 und erzeugt entsprechend dem dazwischen bestehenden Unterschied ein Fehlersignal ES. Das Fehlersignal ES wird durch Motortreiber- und -ansteuerschaltung 29 verstärkt und an den Motor 12 angelegt, um die Drehzahl der Welle 13 in Abhängigkeit von der Polarität des Fehlersignals ES zu erhöhen xler zu verringern.
Die Sensoranordnung 14 schafft somit Positionssignale, weiche dazu verwendet werden, um Positionsimpulse ZB erzeugen, welche die Stellung der Motorwelle 13 oder insbesondere den Winkelabstand anzeigen, um den die Motorwelle 13 sich gedreht hat Die Positionssignale werden differenziert und kommutiert, um ein Drehzahlsignal zu erzeugen, das die tatsächliche oder Istdrehzahl der Motorwelle 13 anzeigt Die Rechenschaltung 28 erhält die Positionsimpuise und erzeugt ein Drehzahlbefehissignal, das die Drehzahl anzeigt, mit der sich die Motorwelle 13 drehen sollte. Der Vergleicher 27 vergleicht das Drehzahlbefehissignal mit dem Istdrehzahlsignal und steuert die Erregung des Motors 13, so daß sich die Wefle i3_mit der geforderten Drehzahl dreht Das DrehzahlbefehlssignaV wird allmählich von einem hohen Anfangswert auf Null verringert wenn
sich die Motorwelle 13 der geforderten neuen Stellung nähert.
In Fig. 2 bis 4 sind verschiedene Hauptbestandteile der Sensoranordn'ing 14 dargestellt. In Fig. 2 ist eine Abdeckscheibe 31 dargestellt, welche im Verhältnis 1:1 zu der Motorwelle 13 um eine Welle 33 gedreht wird. Die Scheibe 31 ist mit einer Anzahl am Umfang in gleiche" Abständen angeordneter, lichtdurchlassender Öffnungen 32 versehen, von denen zur Vereinfachung der Darstellung nur eine Öffnung 32 in Fig. 2 in bezeichnet ist. Die Scheibe 31 kann aus einer kreisförmigen Glasplatte hergestellt sein, die mit einem lichtundurchlässigen Material beschichtet ist, wobei die öffnungen 32 mittels eines bekannten Verfahrens aus dem opaken, lichtundurchlässigen Material herausge- r> ätzt sind.
In Fig. 3 ist eine opake, lichtundurchlässige Abdekkung 34 dargestellt, welche mit einer ersten Reihe von drei Öffnungen 36 und einer zweiten Reihe von drei öffnungen 37 versehen ist. Der Abstand zwischen den >» öffnungen 36 und zwischen den öffnungen 37 ist derselbe wie der Abstand zwischen den öffnungen 32 der Abdeckscheibe 31.
Wie aus F i g. 4 zu ersehen ist, sind die Abdeckscheibe 31 und die Abdeckung 34 mit einem kleinen y. Zwischenraum dazwischen koaxial zueinander angeordnet. Während die Scheibe 31 von der Motorwelle 13 gedreht wird, steht die Abdeckung 34 still. Wenn, wie aus F i g. 4 zu ersehen ist, die Scheibe 31 in eine Stellung gedreht wird, in welcher die öffnungen 36 mit den entsprechend benachbarten öffnungen 32 fluchten, fluchten die öffnungen 37 mit den entsprechend benachbarten öffnungen 32 nicht miteinander.
Die Sensoranordnung 14 weist ferner eine lichtabgebende Diode (LED) 38, welche als Lichtquelle arbeitet. r> und eine monolithische Anordnung 39 von ersten, zweiten und dritten Photodioden 41 bis 43 auf, welche als Photosensoren arbeiten. Die LED-Diode 38 ist bezüglich der Anordnung 39 auf der anderen Seite der Scheibe 31 sowie der Abdeckung 34 angeordnet. 4n
F i g. 3 zeigt die diesbezügliche Anordnung der Photodioden 41, 42 und 43, die symbolisch durch strichpunktierte Linien angedeutet ist. Die Photodioden 41 und 42 sind unter den Öffnungen 36 bzw. 37 angeordnet. Die Photodiode 43 ist in radialer Richtung außerhalb der Scheibe 31 und der Abdeckung 34 angeordnet und wird ständig von der LED-Diode 38 beleuchtet.
Die Anoden der Photodioden 41 bis 43 sind geerdet. Die Positionssignale A'und S'liegen an Kathoden der so Photodioden 41 bzw. 42 an. Ein negatives Gleichspannungssignal C liegt an der Kathode der Photodiode 43 an. Da die Photodiode 43 ständig von der LED-Diode 38 beleuchtet wird, wird das Signal C ständig erzeugt Die Positionssignale A' und B' werden durch die Photodiöden 41 bzw. 42 jedoch nur bei einer Drehung der Scheibe 31 bezüglich der Abdeckung 41 erzeugt. In der in Fig.4 wiedergegebenen Stellung fluchten die öffnungen 32 und 36, so daß die Photodiode 41 nicht abgedeckt ist und von der LED-Diode 38 beleuchtet wird. Dies hat zur Folge, daß die Photodiode 41 maximal leitend ist, und die augenblickliche Spannung des Positionssignals A' einen maximalen negativen Wert erreicht Umgekehrt sind die öffnungen 32 und 37 nicht ausgerichtet, so daß die Photodiode 42 abgedeckt und dadurch verhindert ist, daß sie von der LED-Diode 38 beleuchtet wird. Die (Photo)Leitung der Photodiode 42 ist gering und der augenblickliche Wert des Positionssignals B' hat einen minimalen negativen Wert oder nähert sich dem Erdpotential. Infolge der Anordnung der öffnungen 32, 36 und 37 geben die Photodioden 41 und 42 die quasisinusförmigen Positionssignalc A 'und ß'bei einer Drehung der Motorwelle 13 und der Scheibe 31 ab. Wenn die Öffnungen zu fluchten beginnen, beginnt die entsprechende Photodiode leitend zu werden, bis es zu einer maximalen Ausrichtung und damit einer maximalen Photoleitung kommt. Wenn die öffnungen aus der fluchtenden Lage herausbewegt werden, nimmt die Photoleitung aufgrund der fehlenden Ausrichtung der Öffnungen auf einen minimalen Wert ab.
In Fig. 5 ist eine abgewandelte Abdeckscheibe 44 dargestellt, welche in derselben Weise wie die Scheibe 31 mit lichtdurchlassenden Öffnungen 46 versehen ist. Die Abdeckung 34 und eine Photodiode 43 sind durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Scheibe 44 unterscheidet sich von der Scheibe 31 dadurch, daß die Scheibe 44 im Durchmesser größer ist als die Scheibe 31 und in radialer Richtung außen über die Photodiode 43 vorsteht. Ein ringförmiger Teil 47 der Scheibe 44 zwischen dem Umfang der Abdeckung 34 und dem Umfang der Scheibe 44 wird in derselben Weise wie die öffnungen 46 weggeätzt, so daß er lichtdurchlässig ist. Die Photodiode 43 wird über den ringförmigen Teil 47 der Scheibe 44 ständig von der LED-Diode 38 beleuchtet. Diese Abwandlung hat den Vorteil, daß eine Verschmutzung der Scheibe 44 durch Staub oder eine korrodierende Atmosphäre die Lichtdurchlässigkeit von der LED-Diode zu den Photodioden 41 bis 43 in gleicher Weise beeinflußt.
Die inneren Bauelemente der Sensoranordnung 14 und der Verstärker 16 und 17 sind in Blockform in Fig.6 dargestellt. Der Verstärker 16 weist zwei invertierende Verstärker 51 und 52 auf, die das Positionssignal A'verstärken, um das Positionssignal A zu erzeugen. Der invertierende Verstärker 52 entfernt die positive Gleichspannungskomponente aus dem Signal A'. In ähnlicher Weise weist der Verstärker 47 zwei invertierende Verstärker 53 und 54 auf. die den Verstärkern 51 und 52 entsprechen.
Die Sensoranordnung 14 weist einen invertierenden Verstärker 56 auf, welcher das Gleichspannungssignal C von der Photodiode 43 verstärkt. Der Ausgang des invertierenden Verstärkers 56 wird an einen Stromregler 57 angelegt, welcher den Stromfluß durch die LED-Diode 38 und damit deren Beleuchtungsstärke steuert. Die LED-Diode 38 ist zwischen den Stromregler 57 und an einen Driftkompensator 58 geschaltet, der Änderungen der elektrischen Kenndaten des Stromreglers 57 aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur u. ä. ausgleicht Eine konstante Spannungsquelle 59 wird ebenfalls durch den Driftkompensator 58 ausgeglichen und schafft eine konstante Spannung an dem Stromregler 57 für einen Vergleich mit der Ausgangsspannung des invertierenden Verstärkers 56.
Da die Photodioden 41 bis 43 als eine monolithische Anordnung ausgebildet sind, können deren elektrische Kenndaten als im wesentlichen identisch angesehen werden. Infolgedessen beeinflussen Umgebungstemperaturänderungen u. ä. die drei Photodioden in gleicher Weise. Auch die elektrischen Kenndaten der Photodioden 41 bis 43 ändern sich Ober einen längeren Betriebszeitraum in gleicher Weise.
Die Grundnierkniale sind in vorteilhafter Weise bei der Erfindung ausgenutzt Der Ausgang des invertierenden Verstärkers 56, welcher proportional zu der
Spannung an der Photodiode 43 ist. oder das Signal C wird mit der konstanten Spannung von der eine konstante Spannung abgebenden Quelle 59 verglichen. Mittels des Stromreglers 57 wird der Stromfluß durch die LED-Diode 38 automatisch eingestellt, bis der Ausgang des invertierenden Verstärkers 56 gleich der konstanten Spannung der Konstantspannungsquelle 59 ist. Wenn be:«pielsweise die Ausgangsspannung des invertierenden Verstärkers 56 zu niedrig ist, erhöht der Stromregler 57 den Stromfluß durch die LED-Diode 38 und dadurch die Stärke der Beleuchtung. Hierdurch wird die Photoleitung der Photodiode 43 und dadurch die Amplituden des Signals C und der Ausgangsspannung des invertierenden Verstärkers 56 erhöht. Eine Abnahme am Ausgang des invertierenden Verstärkers 56 hat die entgegengesetzte Wirkung. Auf diese Weise gleichen der Stromregler 57 und die LED-Diode 38 automatisch irgendwelche Veränderungen in den elektrischen Kenndaten der Photodioden 41 bis 43 aus. so daß die Amplituden der Signale A', ß'und Cimmer dieselben sind. Die vorbeschriebene Schaltung regelt die Ausgangssignale der Photodioden 41 bis 43 in einem Toleranzbereich von nur wenigen Prozent. Auf diese Weise arbeitet die Servoregeleinrichtung 11 unabhängig von den Umgebungsbedingungen und den Änderungen in den elektrischen Kenndaten der Schaltung aufgrund einer natürlichen Alterung mit optimalem Wirkungsgrad.
Außerdem erzeugt der Stromregler 57 ein Vorspannungssignal ÖS entsprechend der geregelten Ausgangsspannung des invertierenden Verstärkers 56, welches dem invertierenden Verstärker 52 und 54 und auch einem Bezugssignalgenerator 61 zugeführt wird. Dieses Vorspannungssignal BS wird auch von den invertierenden Verstärkern 52 und 54 zum Entfernen des positiven Gleichspannungsanteils aus den Positionssignalen A' und B' verwendet. Da irgendeine Veränderung in der Amplitude der Positionssignale A' und B' zu einer Verschiebung des positiven Gleichspannungsanteils führt, hebt das Vorspannungssignal BS, das an die invertierenden Verstärker 52 und 54 von dem invertierenden Verstärker 56 aus angelegt wird, derartige Veränderungen auf, und stellt sicher, daß der positive Gleichspannungsanteil richtig entfernt wird. Der Bezugssignalgenerator 61 erzeugt das Bezugssignal VT?, welches der Rechenschaltung 28 zugeführt wird, um das Drehzahlbefehlssignal VCS zu schaffen. Das Bezugssignal VR und die entfernten Gleichspannungspegel werden mit derselben Genauigkeit wie die Amplitude der Positionssignale A'und B'gesteuert, um einen genauen Betrieb des Servoregelsystems 11 sicherzustellen.
Eine ins einzelne gehende Schaltung der in Fig.6 dargestellten Schaltungsteile ist in F i g. 7 wiedergegeben. Der invertierende Verstärker 56 ist ein Operationsverstärker 62, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 63 mit der Kathode der Photodiode 43 verbunden ist Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 62 ist über einen Widerstand 64 geerdet Ein Rückkopplungswiderstand 66 und ein Rückkopplungskondensator 67 sind parallel zueinander zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 62 geschaltet Der Ausgang des Operationsverstärkers 62 ist auch mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 68 des Stromregiers 57 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 68 ist mit dessen invertierenden Eingang verbunden, so daß der Operationsverstärker 68
als Spannungsfolgestufe mit einer Verstärkung Hins arbeitet. Der A'.sgang des Operationsverstärkers 68 ist über einen Eingangswiderstand 71 mit der Basis eines PNP-Transistors 69 des Stromregiers 57 verbunden. Der Kollektor des Transistors 69 ist über einen Kondensator 62 geerdet und auch mit der Anode der LED-Diode 38 verbunden. Die Kathode der LED-Anode 38 ist mit dem Emitter eines PNP-Transistors 73 verbunden, welcher den Driftkompensator 58 darstellt. Die Basis des Transistors 73 ist geerdet.
Der nichtinvertierende Eingang eines Operationsverstärkers 74 der Konstantspannungsquelle 59 ist über einen Widerstand 76 mit dem positiven Pol + V einer Spannungsquelle verbunden. Der nichtinvertierende Eingang eines Operationsverstärkers 74 ist auch mit der Kathode einer Zenerdiode 77 verbunden, deren Anode mit dem Emitter des Transistors 73 verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 74 ist über einen Widerstand 79 mit der Basis eines NPN-Transistors 78 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand Hl mit dem Pol + V der Spannungsquelle verbunden ist. Der Emitter des Transistors 78 ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 74 und auch mit dem Emitter des Transistors 69 verbunden. Die Anode einer Diode 82 ist mit dem Emitter des Transistors 78 verbunden, während ihre Kathode mit der Basis des Transistors 78 verbunden ist. Die Kathode einer Anode 83 ist mit dem Emitter des Transistors 69 verbunden, während ihre Anode mit der Basis des Transistors 69 verbunden ist.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 68 ist über einen Widerstand 86 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 84 des Bezugssignalgenerators 61 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 84 ist über einen Widerstand 87 geerdet. Das Bezugssignal wird am Ausgang des Operationsverstärkers 84 erzeugt und auch an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 84 über Widerstände 88 und 89 rückgekoppelt. Der Widerstand 89 ist ein veränderlicher Widerstand, um eine genaue Einstellung der Verstärkung des Operationsverstärkers 84 zu ermöglichen.
Die Kathode der Photodiode 41 ist über einen Widerstand 92 mit einem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 91 des invertierenden Verstärkers 51 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 91 ist über einen Widerstand 93 geerdet. Ein Rückkopplungswiderstand 94 ist zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 91 vorgesehen. Der Ausgang des Operationsverstärkers 91 ist über einen Widerstand % mit einem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 97 des invertierenden Verstärkers 52 verbunden. Das Positionssignal A wird am Ausgang des Operationsverstärkers 97 erzeugt und zu dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 97 über Widerstände 98 und 99. rückgekoppelt, wobei der Widerstand 99 veränderlich ist, um die Verstärkung des Operationsverstärkers 97 einstellen zu können. Der Ausgang des Operationsverstärkers 68 des Stromreglers 57 ist über die Reihenschaltung aus Widerständen 101 und 102 geerdet Hierbei ist der Widerstand 102 ein Potentiometer, dessen Gleitkontakt über einen Widerstand 103 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 97 verbunden ist
Die Kathode der Photodiode 42 ist über einen Widerstand 106 mit einem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 104 des invertierenden Verstär-
ker& 53 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 104 ist üher einen Widerstand 107 geerdet. Ein Rückkopplungswiderstand 108 ist zwischen Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 104 vorgesehen. Der Ausgang des Operationsverstärkers 104 ist über einen Widerstand 109 mit einem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 111 des invertierenden Verstärkers 54 verbunden. Das Positionssignal B wird am Ausgang des Operationsverstärkers 111 erzeugt, und über Widerstände 112 und 113 zu dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 111 rückgekoppelt, wobei der Widerstand 113 veränderlich ist, um die Verstärkung des Operationsverstärkers 111 einzustellen. Der Ausgang des Operationsverstärkers 68 des Stromreglers 57 ist über eine Reihenschaltung aus Widerständen 114 und 116 geerdet. Der Widerstand 116 ist ein Potentiometer, dessen Gleitkontakt über einen Widerstand 117 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers Ui verbunden ist. Die inverlierenden Verstärker 53 und 54 entsprechen genau den Verstärkern 51 bzw. 52.
Während des Betriebs wird das Positionssignal A'an der Kathode der Photodiode 41 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 91 angelegt, welcher es verstärkt und invertiert. Der Operationsverstärker 97 verstärkt und invertiert das Ausgangssignal von dem Operationsverstärker 91. um das Positionssignal A zu schaffen. Wenn die Diode 41 nicht abgedeckt ist, wird sie in höherem Maße leitend u.id zieht mehr Strom aus dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 91, wodurch der Ausgang positiver wird. Hierdurch wird der Ausgang des Operationsverstärkers 97 oder das Positionssignal A negativer. Die entgegengesetzte Wirkung tritt ein, wenn die Photodiode 41 abgedeckt ist. Das Vorspannungssignal am Ausgang des Operationsverstärkers 68 des Stromreglers 57 hat positives Potential, wie unten im einzelnen noch beschrieben wird, und wird an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 97 über ein Spannungsteilernetzwerk aus den Widerständen 101 bis 103 angelegt. Die Spannung an dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 97 ist so gewählt, daß sie denselben positiven Wert wie der Gleichspannungsanteil des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 91 hat (der Gleichspannungsanteil ist hier infolge der invertierenden Wirkung des Operationsverstärkers 91 positiv). Wenn diese zwei Signale summiert werden (wobei die Signale subtrahiert werden) ist der Ausgang des Operationsverstärkers 97 das Positionssignal A mit einem entfernten Gleichspannungsanteil. Die Verstärker 53 und 54 arbeiten auf dieselbe Weise wie die Verstärker 51 und 52 und werden daher nicht nochmals beschrieben.
Das Signal Cwird an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 62 angelegt, verstärkt und dadurch invertiert. Der positive Signalausgang des Operationsverstärkers 62 liegt auch am Ausgang des Operationsverstärkers 68 an, da der Operationsverstärker 68 als Spannungsfolgestufe ausgelegt ist Hierdurch wird das Vorspannungssignal gebildet, das den Operationsverstärkern 84,97 und 111 zugeführt wird.
Der Operationsverstärker 74 und der Durchlaßtransistor 78 stellen einen Spannungsregler oder eine Konstantspannungsquelle dar, wobei die konstante Spannung am Emitter des Transistors 78 anliegt Diese konstante Spannung wird auch an den Emitter dts Transistors 69 angelegt. Der Strom für die LED-Diode 38 fließt über den Durchlaßtransistor 78 und die Kollektorschaltung des Transistors 69, Der Stromfluß über den Transistor 69 und damit zu der LED-Diode 38 wird durch das Vorspannungssignal an d'r Bacis des Transistors 69 gesteuert. Wenn die Größe des Vorspannungssignals über einen vorbestimmten Wert ansteigt, der anzeigt, daß die Amplitude der Positionssignale A' und B' übertrieben hoch ist, wird die Basis-Emitter-Vorspannung in Durchlaßrichtung des Transistors 69 herabgesetzt, wodurch der Stromfluß durch den Transistor 69 und die LED-Diode 38 und damit die Beleuchtungsstärke der LED Diode 38 abnimmt. Die entgegengesetzte Wirkung tritt ein, wenn die Größe bzw. die Amplitude des Vorspannungssignals abnimmt. Selbstverständlich wird die Vorspannung durch den Transistor 69 auf dem optimalen Wert gehalten, und auch das Bezugssignal und die an die Operationsverstärker 97 und iii angelegten Spannungen, um die Gleichspannungsanteile aus den Positionssignalen zu entfernen, werden auf optimalen Werten gehalten.
Der Transistor 69 ist Verstärkungsänderungf π aufgrund der Umgebungstemperatur und des Emitterstroms unterworfen, was eine Abweichung in den Amplituden der Signale /\'und ß'zur Folge hat. Diese Wirkung wird durch den die Drift ausgleichenden Transistor 73 beseitigt. Wenn mit V43 die Amplitude der Positionssignale Λ'und B' bezeichnet wird, nimmt die Amplitude V43 mit einer Zunahme des Emitterstroms des Transistors 69 zu und bei "'ner Zunahme der Umgebungstemperatur nimmt sie ab. Die folgende Gleichung gibt die Amplitude V4j wieder
wobei V77 die Zenerspanr.'ng der Zenerdiode 77. VW7i die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 73. Vßroo die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 69 und G die Verstärkung des invertierenden Verstärkers 56 ist. Wenn die Basis-Emitter-Übergänge der Trans' 'oren 69 und 73 so gewählt sind, daß sie dieselben elektrischen Kenndaten haben, läßt sich die Gleichung (2) zurückführen auf
Mit anderen Worten, die Drift ist aufgehoben und beseitigt, und die Amplitude der Positionssignale A 'und B' ist auf einen Wert gehalten, welcher gleich der Zenerspannung der Zenerdiode 77, geteilt durch die Verstärkung des Operationsverstärkers 62, ist. Auch die Vorspannung am Ausgang des Operationsverstärkers 68 wird auf der Zenerspannung der Zenerdiode 77 gehalten. Gemäß der Erfindung ist somit ein verbessertes Servoregelungssystem geschaffen, welches in der Arbeitsweise genau und irn Vergleich zu herkömmlichen Systemen preiswert herzustellen ist Die Wandlerschaltung des Servoregelungssystems reguliert sich automatisch im Hinblick auf eine Änderung und eine Drift der elektrischen Kenndaten der einzelnen Bauteile,
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Servoregelsystem für die Drehung einer Welle mit einem Servomotor, mit einem Wandler zur Erzeugung von Positionssignalen für die rotierende Welle, mit einer Rechenschaltung zur Bildung eines Geschwindigkeitsbefehlssignals für den Servomotor aus einem Positionsbefehlssignal und dem Positionssignal, wobei der Servomotor die Welle in eine dem Positionsbefehlssignal entsprechende Lage bringt, weiterhin mit einer Differenziereinrichtung für die Positionssignale zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals und mit einem auf das Geschwindigkeitssignal und das Geschwindigkeitsbefehlssignal ansprechenden Komparator zur Erzeugung eines der Differenz zwischen diesen beiden Signalen entsprechenden Fehlersignals, das dem Servomotor zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler eine Lichtquelle (38), mindestens ein ersteg und ein zweites, jeweils identisches lichtempfindliches Element (43; 41, 42), von denen das erste lichtempfindliche Element (43) ständig von der Lichtquelle (38) bestrahlt wird, eine drehbar mit der Welle (13) gekoppelte Scheibe (31,44) und eine stationäre Maske (34) aufweist, wobei sowohl die Scheibe (31. 44) als auch die Maske (34) mit wenigstens einer lichtdurchlässigen öffnung (32,46; 36,37) ausgebildet und zwischen der Lichtquelle (38) und dem zweiten lichtempfindlichen Element (41,42) angeordnet sind, das Positionssignale (A', B') mit einer Gleichstromkomponente erzeugt, daß ein auf das Ausgangssignal (C) der ersten lichtempfindlichen Elements (43) arsprechender Fühler (56) und eine auf den Fühler (56) ans? sehende Intensitätssteuerung (57) vorgesehen sind, welche die Intensität der Lichtquelle (38) so einstellt, daß das Ausgangssignal des ersten lichtempfindlichen Elements (43) einen vorher bestimmten Wert hat, und daß zwischen das zweite lichtempfindliche Element (41, 42) und die Rechenschaltung (28) Verstärker (16,17) geschaltet sind, wobei die Intensitätssteuerung (57) die an die Verstärker (16, 17) angelegte Vorsp Innung (BS) so einstellt, daß in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des ersten lichtempfindlichen Elements (43) die Gleichstromkomponente aus den Positionssignalen (A', /^entfernt wird.
2. Servoregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite lichtempfindliche Element (43; 41,42) Photodioden sind, und daß die Lichtquelle (38) eine lichtemittierende Diode (LED) ist
3. Servoregelsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das erste und zweite lichtempfindliche Element (43; 41, 42) als monolithische Gruppe (.19) ausgebildet sind.
4. Servoregelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß ein ringförmiger Bereich (47) der Scheibe (44) lichtdurchlässig ist, und daß das erste lichtempfindliche Element (43) ständig durch diesen ringförmigen Bereich (47) der Scheibe (44) hindurch von der Lichtquelle (38) bestrahlt wird.
5. Servoregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (56) einen Spannungsverstärker aufweist, und daß die Intensitätssteuerung (57) eine Strotnsteuerung für den durch die Lichtquelle (38) fließenden Strom aufweist.
6. Servoregelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteuerung einen Transistor (69) aufweist
7. Servoregelsystem nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Driftkompensationseinrichtung
(58) für die elektrische Kennlinie des Transistors (69).
8. Servoregelsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Driftkompensationseinrichtung (58) ein Halbleiterelement (73) mit einem
ίο Obergang mit einer elektrischen Kennlinie aufweist die im wesentlichen dem Basis/Emitter-Obergang des Transistors (69) ähnelt
9. Servoregelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dz β die Intensitätssteuerung (57)
!> sine Konstantspannungsquelle (59) und eine Einrichtung für den Vergleich der Ausgangsspannung des Spannungsverstärkers (56) mit der Konstantspannung der Konstantspannungsquelle (59) aufweist
10. Servoregelsystem nach einem der Ansprüche 5 oder 9, gekennzeichnet durch einen auf das Ausgangssignal des ersten lichtempfindlichen Elements (53) ansprechenden Bezugsspannungsgenerator (61) zur Erzeugung eines Bezugssignals (VRX wobei die Rechenschaltung (28) das Geschwindigkeitsbefehlssignal (VCS) durch Verringerung der Bezugsspannung um einen Betrag erzeugt welcher der Differenz zwischen dem Poshionsbefehlssignal (PCS)und dem Positionssignal entspricht
11. Servoregelsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß die Rechenschaltung (28) die Bezugsspanmsng um einen bei der Reduzierung der Differenz fortschreitend größeren Betrag verringert
12. Servoregelsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß die Rechenschaltung (28) die Bezugsspannung um einen der Differenz entsprechenden Faktor dämpft
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