DE2732789A1 - Drehzahlsteuereinrichtung fuer einen hysteresis-synchronmotor - Google Patents

Description

XEROX CORPORATION
New York / USA

drehzakistsusreinrichtung fur eiiien hysteresissynchrom-iotor

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung, mit deren Hilfe gleichstromgespeiste Hysteresis-Synchronmotoren auf einer bestimmten konstanten Drehzahl gehalten v/erden. Es ist in vielen Fällen unbedingt gewünscht oder nötig, die Drehzahl eines mit Gleichstrom gespeisten Motors mit sehr hoher Genauigkeit auf einem konstanten 'Jert zu halten. Die exakte Steuerung der Motor-

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drehzahl bedingt den Einsatz von Rückkopplungssteuerschleifen für die Drehzahlregulierung. Dabei wird ein Signal, das die tatsächliche Motordrehzahl angibt, von der umlaufenden Motorwelle abgeleitet und mit einem Bezugsdrehzahlsignal kombiniert, um daraus Befehle für die genaue Einhaltung der Motordrehzahl abzuleiten. Ss sind Kompensationsmittel vorgesehen, um in elektrischen Komponenten auftretenden Drifterscheinungen ihrer verstärkten Signale zu begegnen. Derartige Drifterscheinungen der verstärkten Signale können durch Temperaturänderungen, Halterung der 3auteile oder Feuchtigkeit bedingt sein. Der Einsatz einer Servo-Rückkopplungssteuerung erlaubt es, die Motordrehzahl auf einem vorgegebenen Wert konstant zu halten in einem System, das augenblicklich auf kleinere Abweichungen von diesem Wert reagiert.

Synchronmotoren werden dort verwendet, wo äußerst genaue Drehzahlsteuerung nötig ist. Bei Synchronmotoren fällt der Läufer des Motors bei der Synchrondrehzahl in Tritt und bleibt auf diesem Drehzahlwert, solange normale Lastbedingungen herrschen. Hysteresis-Synchronmotoren halten ihre Drehzahl innerhalb genauer Grenzen, sind jedoch sehr teuer und reagieren empfindlich auf Spannungsänderungen. Hysteresis-Synchronmotoren haben die Eigenschaft, in Pendelschwingungen zu fallen. Diese Pendelschwingungen treten gewöhnlich in einem Frequenzbereich von 1 bis 4 Hz auf und bleiben einige Zeit nach Eintritt einer Änderung der Motordrehzahl dem Motorbetrieb überlagert. Der auf Grund der überlagerten Pendelung vorhandene Fehlergrad in der Motordrehzahl ruft Ergebnisse hervor, die bei vielen Vorrichtungen nicht vertretbar sind. So ist z.B. in einer Laserstrahl-Druckmaschine, in der der Laserstrahl auf einen polygonalen Drehspiegel geworfen wird,

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um damit eine Reproduktion eines Drucktextes oder einer Darstellung zu erhalten, die Aufrechterhaltung einer absolut konstanten Drehzahl des polygonalen Spiegels äußerst wichtig. Bei den bestehenden Einrichtungen unterliegen die für das Drehen des polygonalen Spiegels verwendeten Motoren den oben bezeichneten Pendeleffekten mit der Folge, daß die Kopiequalität, die mit derartigen Druckern erzeugt wird, unter einen annehmbaren Stand absinkt, sobald eine Störung in der Hotorbelastung auftritt. Die Qualitätsverminderung erscheint in Form eines wellenförmigen Drucks auf der Kopie mit der Pendelfrequenz. Das heißt, eine Zeile, die als gerade Linie reproduziert v/erden soll, erhält dann eine wellenförmige Gestalt. Die Pendelwirkung bei einem Hysteresis-Synchronmotor kann zahlreiche Gründe haben; sehr häufig ist sie die Folge des anfänglichen Hochlaufens des Motors oder einer Motordrehzahländerung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Servosteuereinrichtung für einen Gleichströmmotor zu schaffen, die den Motor unempfindlich für solche Einflüsse machen, die gewöhnliche Synchronmotoren zu Pendlungen veranlassen. Dies wird erreicht durch eine doppelte Steuerschleife im Motorsteuerkreis. Eine der Steuerschleifen macht das System äußerst empfindlich für Änderungen der wirklichen Motordrehzahl, so daß die Motordrehzahl keinerlei Driftveränderungen nachkommen kann. Die andere Steuerschleife macht den Motor unempfindlich für vorübergehende Schwankungen von niedriger Frequenz in der Motorbelastung.

Mit der Erfindung soll auch ein Servosteuersystem für einen Synchronmotor geschaffen werden,

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dessen Bezugsdrehzahlsignal von einem gewöhnlichen Niederfrequenz-Wechselspannungsversorgungsnetz abgeleitet wird. Dies macht es möglich, den Synchronmotor auf die übliche Netzfrequenz zu beziehen und ihn damit in Übereinstimmung zu bringen mit anderen Komponenten einer Maschinenausrüstung, wie etwa anderen Motoren. Damit beeinflussen Veränderungen in der Frequenz des Versorgungsnetzes sämtliche Einheiten des Systems gleichmä3ig, so daß damit Störeinwirkungen so wenig wie möglich zur Auswirkung kommen.

Mit der Erfindung wird darüber hinaus

angestrebt, ein Servosteuersystem zu schaffen, das mehrere Steuerschleifen benützt. Damit wird die Komplexität des Servosteuersystems herkömmlicher Vorrichtungen verringert, bei denen typischerweise irgendeine Form von Phaseneinrasttechnik verwendet wird, um die Wellendrehzahl des Motors zu dämpfen und zu regulieren. Bei derartigen herkömmlichen Einrichtungen steigen die Kosten für die Servoschleifen mit ansteigender Komplexität. Durch Einsatz von zwei Schleifen läßt sich dagegen mit den Maßnahmen der Erfindung die Steuerung erheblich vereinfachen.

Sine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, in der zeigen:

Figur 1: Ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Servosteuereinrichtung;

Figuren 2A und 2B: zusammengehörende Abschnitte eines

stärker im einzelnen dargestellten Schalt bildes gemäß Figur 1;

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Figur 3: die Arbeitsweise des Kodierers aus Figur 1;

Figur 4: vom Kodierer nach Figur 3 erzeugte Vellen-

formen.

Eine mit Rückkopplung arbeitende Regeleinrichtung für die Motordrehzahl ist in Figur 1 dargestellt. Sie hält einen gleichstromgespeisten Hysteresis-Synchronmotor 10 auf konstanter Drehzahl. Es sind in der Regelschaltung nach Figur 1 zwei Drehzahlregelschleifen vorgesehen. Eine Schleife ist eine Dämpfungs-Rückkopplungsschleife 11, während die andere Schleife eine Konstantfehlerschleife 12 ist. Beide Schleifen 11 und verwenden einen gewöhnlichen spannungsgesteuerten Oszillator 13» um damit Steuersignale zu erzeugen, v/ie dies bei 14 angedeutet ist, und sie dem Motor 10 mit einer Frequenz zuzuleiten, die abhängig ist von den Signalen sämtlicher drehzahlgeregelten Schleifen.

Der spannungsgesteuerte Oszillator 13 ist eine Hälfte eines integrierten Schaltkreises und regelt den Motor 10 so, daß die Drehung der Welle 15 auf einem konstanten V/ert gehalten wird. Die Frequenz der Impulskette 14, die am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 13 auftritt, ändert sich entsprechend der Summe eines Drehzahlrückkopplungssignals bei 16 und eines Differenzsignals bei 17, welches die Phasendifferenz zwischen einem vorherigen Ausgang des frequenzgesteuerten Oszillators 13 und einer vorgegebenen Motordrehzahl wiedergibt. Die Frequenz der Impulskette 14 regelt die Umlaufdrehzahl der Welle 15 des Motors 10, so daß die Welle 15 mit einer konstanten Drehzahl angetrieben wird. Die Impulse der Impulskette 14 werden außerdem als Rückkopplungsimpulse für die Konstantfehler-

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schleife 12 verwendet. Unterschiede in der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 13 für verschiedene Vorrichtungen sind ohne Wichtigkeit, da die Konstantfehler-Rückkopplungsschleife 12 den spannungsgesteurten Oszillator 13 mit umfaßt. Auch sind alle Veränderungen der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators auf Grund von Temperaturschwankungen kompensiert.

Ein Anwendungsfall des Motors 10 ist eine Laserstrahl-Druckeinrichtung, die in der Figur 3 dargestellt ist. Ein Polygonalspiegel 18 mit beispielsweise 36 Rechteckflächen 19 ist unmittelbar auf die Welle 15 des Synchronmotors 10 aufgesetzt. Durch die direkte Kupplung des Spiegels 18 mit der Welle lassen sich Drehmomentvibrationen vermeiden, die eine Folge nachgeschalteter mechanischer Kupplungsbauteile sein könnten. Der Laserstrahl 20 ist auf den Spiegel 18 gerichtet und wird von den einzelnen Facettenflächen 19 des Spiegels 18 reflektiert, wenn die Welle 15 umläuft. Wenn eine Facettenfläche 19 in den Laserstrahl 20 hineingedreht wird, wird dieser quer über Fotozelleneinheiten 21 und 22 gelenkt, die zusammen die fotosensitiven Elemente des Kodierers 23 bilden. Der Kodierer ist von spezieller Gestaltung und benützt eine unterteilte Detektoranordnung, um genauderr Durchgangspunkt des Laserstrahls 20 zu bestimmen unabhängig von Umgebungslichtbedingungen und Intensitätsschv/anlcungen des Laserstrahls, Der Kodierer 23 setzt den abtastenden Laserstrahl 20 in ein elektrisches Signal um, das im elektronischen Tachometer 50 verwendet wird. Da der Laserstrahl 20 zuerst auf den ersten Teil des Detektors trifft, der durch die Fotozelle 21 gebildet ist, werden einander entgegengerichtete zyklische Ausgangssignale auf den Leitungen

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und 25 des Videoverstärkers 26 erzeugt. Diese Signale sind allgemein in Figur 2B angedeutet und in der Figur 4 stärker im einzelnen dargestellt. Anfangs steigt das Signal an der Ausgangsleitung 24 an, bis es einen Grenzwert 27 erreicht, der in Figur 4 dargestellt ist. Das Signal aus der Leitung 24 steigt dann weiter an und erreicht seinen Maximalwert bei 28. In diesem Zeitpunkt hat das entgegengesetzte Signal aus der Leitung 25 seinen Minimalwert 29. Die Augenblicke, in denen die Scheitelwerte 28 und 29 erreicht v/erden, entsprechen den Augenblicken, in denen der Strahl 20 unmittelbar auf die Fotozelle 21 ausgerichtet ist. Wenn der Strahl 20 die Fotozelle 21 wieder verläßt und auf die Fotozelle 22 zuwandert, fällt die Spannung in der Leitung 24 ab, während die Spannung der Leitung 25 des Videoverstärkers ansteigt bis die umgekehrten Scheitel 30 und 31 erreicht werden, die in der Figur 4 gezeigt sind. Der Laserstrahl 20 verläßt dann die Fotozelle 22. Die Signale wiederholen sich, wenn die nachfolgende Facettenfläche 19 des Spiegels 18 mit dem Strahl 20 in Ausrichtung kommt. Damit erhalten die Signale auf den Leitungen 24 und 25 ein zyklisches Erscheinungsbild.

Die Fotozellen 21 und 22 sind an eine

Spannungszuführung von plus fünf Volt gelegt, die durch Kondensatoren 32 und 33, welche mit Masse verbunden sind, wie in Figur 2B gezeigt, stabilisiert ist. Die Kathoden der Fotozellen 21 und 22 sind über Wirlerstände 34 und 35 an Masse gelegt. Dämpfungskondensatoren 48 sind an die Ausgangsleitungen 24 und 25 des Videoverstärkers 26 angeschlossen. Widerstände 38 und 39halten die Leitungen 24 und 25 auf einen vorgegebenen Span-

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nungsunterschied gegenüber Masse. Die Leitungen 24 und 25 sind die Eingangsverbindungen für einen Verstärker 40, der Nulldurchgänge feststellt. Die Leitung 25 ist außerdem mit dem Eingang eines Schwellwertfeststellverstärkers 41 verbunden. Der andere Eingang des Verstärkers 41 kommt von einem Potentiometer 42, das über einen Widerstand 43 mit einer stabilisierten 5-Volt-Spannungszuführung 44 verbunden ist. Die stabilisierte Gleichspannung bei 44 wird von einer -15 Volt Spannungsquelle abgeleitet, die durch Kondensatoren 45 und 48 gegenüber Masse stabilisiert ist.

Der Verstärker 41 erzeugt einen Ausgangswert, wenn das Signal bei 24 den Schwellwert erreicht, der in Figur 4 bei 27 dargestellt ist. Der Ausgang des Schwellwertdetektors 41 dient als Taktimpuls für eine Flip-Flop-Schaltung 46, die einen Impuls abgibt, wie er bei 47 in Figur 4 gezeigt ist. Der Impuls 47 steht solange am Q-Ausgang des Flip-Flop 46 an, bis, nachdem die Signale auf den Leitungen 24 und 25 ihre Scheitelwerte von einander entgegengesetzter Polarität angenommen hatten, die Spannungen wieder soweit abgefallen sind, daß die Ausgänge bei 24 und 25 gleich sind. Wenn die Signale gleich sind, besteht eine Nulldurchgangsbedingung, die am Nulldurchgangs-Detektorverstärker 40 einen Ausgangswert hervorruft. Der Ausgang des Verstärkers 40 löscht das Flip-Flop 46 und bringt dadurch den Q-Ausgang des Flip-Flop 46 auf LO. Der Widerstand 47 und die Kondensatoren 45 und 48 stabilisieren einen Eingang zum Impulsformer-NAND-Gate 49, dessen zweiter Eingang mit dem Q-Ausgang des Flip-Flop 46 verbunden ist.

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Die Schaltung des Dekodierers 23 reagiert auf die Behandlung des optischen Strahls 20 durch den Motor 10 damit, daß eine Rechteckimpulskette 47 gemäß Figur 4 erzeugt wird am Q-Ausgang des Flip-Flop 46, in welcher die vordere Impulsfront jedes Positionsimpulses von wenigstens einer der Fotozellen 21 und 22 erzeugt wird, wenn die Strahlintensität einen voreinstellbaren Grenzwert 27 erreicht. Der Impulsrücken des Positionsimpulses 47 wird von den Fotozellen 21 und 22 dann hervorgebracht, wenn deren Ausgänge einander gleich sind. Das NAND-Gate 49 dient lediglich dazu, die Impulse 47 rechteckig zu machen. Auf diese Weise werden die Positionssignale 47 aufeinanderfolgend erzeugt, wenn die Welle 15 des Motors 10 sich um einen vorbestimmten Umfangsabschnitt gedreht hat. Die Frequenz der Positionssignale 47 ändert sich mit der tatsächlichen Augenblicksdrehzahl des Motors 10. Mit dem Kodierer 23 ist ein elektronischer Tachometer 50 verbunden. Der Tachometer 50 enthält zwei Hauptbestandteile, einen monostabilen Multivibrator 51 und ein Filter mit Verstärker 52 und Kondensator 53. Der Multivibrator 51 wird jedesmal dann getriggert, wenn der Laserstrahl 20 den Detektor überstreicht und einen Impuls von fester Dauer erzeugt. Der Gleichstroinmittelwert vom monostabilen Multivibrator hängt von der Wiederholungsfrequenz der getriggerten Impulse ab. Das Filter beseitigt die im Ausgang des monostabilen Multivibrators 51 enthaltenen harmonischen Komponenten und vermindert dadurch die Welligkeit. Widerstände 54, 55, 56 und 57 und Kondensatoren 58 und 59 vervollständigen den Tachometer 50, wie dies die Figur 2A zeigt. Der Ausgang des monostabilen Multivibrators 51 bei 60 ist ein Impuls von konstanter Breite, der mit einer Frequenz auftritt, die von der Drehzahl der Welle 15 ab-

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hängt. Der gefilterte Ausgang des Tachometers 50 erscheint bei 61 als Gleichspannungspegel von einer Größe, die proportional der Frequenz des Positionssignals 47 ist. Dieser Gleichspannungsausgang bei 61 wird außerdem durch ein Kompensationsfilternetzwerk 68 gefiltert, das einen Verstärker 62, Widerstände 63, 64 und 65 und Kondensatoren 66 und 67 enthält. Das daraus hervorgehende Signal wird in einem Dämpfernetzwerk 69 mit Widerstand 70 und Potentiometer 71 gedämpft. Das bei 16 auftretende Signal hat damit einen Gleichspannungspegel, der ein Maß ist für die wirkliche Drehzahl der Welle 15 des Motors 10.

Das die tatsächliche Drehzahl wiedergebende Signal 16 wird mit dem Konstantfehlersignal 17 am Summierknotenpunkt 72 verbunden. Das sich daraus ergebende Signal bei 73 ist ein Gleichspannungspegelsignal, das einem Operationsverstärker 74 eingegeben wird, der mit einem Rückkopplungswiderstand 83 und einer Klammerdiode 76 so verbunden ist, daß er in summierender Weise als Fehlerverstärker zwischen der Dämpfungsschleife 11 und der Konstantfehlerschleife 12 wirkt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 74 wird als verstärktes Gleichspannungspegelsignal bei 75 dem Spannungssteueroszillator 13 eingegeben. Wie bereits gesagt, ist der Ausgang des Spannungssteueroszillators 13 das Motorantriebssignal 14.

Die Impulskette 14 wird sowohl einem sin/cos-Generator 75 als auch einem Drehzahleinstell-Schaltkreis 76 und darüber hinaus einem UND/ODER-Gattersystem 77 zugeleitet. Der Ausgangs vom spannungsgesteuerten Oszillator 13 wird auf einen Kreis 78 als

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Taktimpulse zu einem Schieberegister 79 innerhalb des sin/cos-Generators 75 gegeben. Der sin/cos-Generator 75 wandelt die Taktimpulse in der Impulskette 14, die vom spannungsgesteuerten Oszillator 13 kommt, in auf digitalem Wege zusammengesetzte Sinus- und Cosinus-Wellen um. Diese Technik erlaubt eine konstante 90°- PhasenverSchiebung zwischen den beiden Wellen unabhängig von der Betriebsfrequenz. Neben dem Schieberegister enthält der sin/cos-Generator 75 Verstärker 80, 81 und 82, Widerstände 83, 84 und 86, einen Kondensator 85 und eine Flip-Flop-Schaltung 87. Der Ausgang des Verstärkers 82 ist das Cosinus-Signal, das an der Schaltung 88 erscheint, während der Ausgang des Verstärkers 81 das Sinus-Signal ist, das an der Schaltung 89 auftritt. Diese Signale werden dann durch Leistungsvertärker 90 und 91 hindurchgegeben.

Die Leistungsverstärker 90 und 91 verstärken die Sinus- und Cοsinus-Signale auf eine für den Antrieb des Motors 10 brauchbare Höhe. Die Leistungsverstärker 90 und 91 enthalten einen Operationsverstärker 92, Transistoren 93, 93', 94 und 95, Widerstände 83, 96, 97, 98, 99, 100 und 102, Dioden 101 und Kondensatoren 59, die in einer Anordnung zusammengeschaltet sind, wie sie die Figur 2B zeigt. Gleichspannungen von plus 48 Volt und minus 48 Volt versorgen die Schaltung der Figur 2B. Die Ausgangswerte der Leistungsverstärker werden den Wicklungen des Synchronmotors 10 über die Zuleitung 103 und 104 zugeführt.

Der Ausgang vom spannungsgesteuerten Oszillator 13 wird der Drehzahleinstellschaltung 76 und der Gate-Anordnung 77 zugeführt, wie in Figur 2A

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gezeigt. Die Drehzahleinstellschaltung 76 ist eine digitale Rückwärtszählerschaltung, deren Teilungsverhältnis von der Bedienungsperson eingestellt v/erden kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel soll die Spannungseinstellschaltung 76 durch 18 teilen. Dies bedeutet, daß an der Ausgangsleitung 105 der Einstellschaltung 76 bei jedem achtzehnten Impuls, der der Schaltung vom Spannungssteueroszillator 13 zugeführt wird, ein Impuls abgegeben wird. Die Spannungseinstellschal tung 76 enthält einen Zähler 106, der von einem NAND-Gate 107, dessen Ausgangsleitungen zusammengeschaltet sind, mit Impulsen angesteuert wird. Der Grad der Einstellung wird beeinflußt in der V/eise, wie die Ausgangsleitungen des Zählers 106 mit den Eingängen eines zweiten NAND-Gatters 108 verbunden sind. Eine weitere Gattersteuerung wird durch ein Paar von NAND-Gattern 109 in einer Schaltung erreicht, wie sie die Figur 2A zeigt.

Der Ausgang des spannungsgesteuerten

Oszillators 13 ist ebenso durch die Leitung 110 direkt mit dem Gattersystem 77 verbunden. Somit erhält das Gattersystem 77 Eingangsgrößen von den Leitungen 105 und 110. Der Handschalter 11 kann betätigt werden, um ein Bezugssignal als Drehzahlbefehl dem System zuzuführen, und zwar entweder von dem Niederspannungsnetz oder von einem externen Eingang. Ein Fall, bei welchem Über den externen Eingang eine "besondere Frequenz verwendet wird, ist der, daß der Motor 10 mit Computer-Steuerung arbeiten soll. Dann werden die Impulse von einer externen Quelle als Rechteckimpulse zugeführt, wie sie nahe dem Bezugszeichen 112 in Figur 1 zeichnerisch angedeutet sind.

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Ein Transistor 113 und Widerstände 83, 114 und 115 werden dazu benützt, um Impulse einer externen Quelle 112 in Rechteckform zu bringen. Da diese Impulse normalerweise Digitalimpulse sind, ist nur geringfügige Impulsformung nötig. V/ird dagegen das übliche Niederspannungsnetz als Impulsquelle verwendet, um davon die Drehzahlsteuersignale abzuleiten, müssen diese durch ein Impulsformernetzwerk 116 geformt werden. Dieses Netzwerk enthält einen Operationsverstärker 116, Widerstände 115, 117 und 118 und einen Gleichrichter Der Ausgang des Impulsformernetzwerks 116 wird dem Gattersystem 77 über die Leitung 120 als Rechteckimpulskette von relativ niedriger Frequenz zugeleitet.

In der Gatteranordnung 77 werden Signale von dem Spannungseinstellnetzwerk 76, vom Spannungssteueroszillator 13 und vom Impulsformernetzwerk 116 und der äußeren Frequenzquelle 112 in der in Figur 2A gezeigten Weise durch UND-Gatter 121 und ODER-Gatter 122 gesteuert. Die Signale werden von der Gatteranordnung 77 auf beide Leitungen 123 und 124 durchgelassen, von denen eine für die externe Quelle und die andere für die Netz-Quelle maßgebend ist, abhängig von der Stellung des von Hand betätigbaren Schalters 111. Auf jeden Fall wird der Ausgang des Gattersystems einer Phasendetektorschal tung 125 zugeleitet. Die Phasendetektor schaltung 125 kann als die andere Hälfte des Chips mit integrierter Schaltung ausgebildet sein, der auch den spannungsgesteuerten Oszillator 13 enthält. Der Phasendetektor 125 vergleicht die Phase vom Geschwindigkeitseinstellnetzwerk 76 mit der der geformten Impulse mit Netzfrequenz, wenn die Schaltung geschaltet ist, wie es die Zeichnung zeigt. Der Phasendetektor 125 erzeugt

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dann eine Ausgangsfehlerspannung bei 126, die proportional der Differenz zwischen den Phasen beider Eingangssignale ist. Herrscht keine Phasendifferenz zwischen der Netzfrequenz und dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 13, dann liegt ein Fehlersignal Null vor. Normalerweise ist jedoch eine leichte Phasendifferenz vorhanden, was zu Impulsen von geringer Breite führt, die während der Dauer auftreten, solange keine Eingangssignale am Phasendetektor 125 vorhanden sind. Die Breite dieser Impulse 126 ist ein Maß für die Phasendifferenz. Wenn der Schalter 111 in die entgegengesetzte Richtung gelegt ist, wird ein Phasendifferenzvergleich zwischen der externen Quelle und dem unmittelbaren Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 13 angestellt.

Der Ausgang bei 126 vom Phasendetektor 125 wird einem Kompensationsfilter 127 zugeführt, der die Aufgabe hat, die Ansprechgeschwindigkeit der Konstantfehlerschleife 12 zu regulieren, und der außerdem für eine Dämpfung der Schleife sorgt. Dies wird erreicht durch Einsatz eines Potentiometers 128, eines Operationsverstärkers 129, der Widerstände 130, 131 und 132 und der Kondensatoren 133 und 134. Der sich dadurch ergebende Ausgangswert des Kompensationsfilters 127 erscheint auf der Leitung 17 und ist das Konstantfehlersignal, das als Gleichspannung auftritt. Damit erscheint die Befehlsdrehzahl an der Signalfühler-Gate-Schaltung 77 vom Schalter 111. Die Gate-Schaltung 77 verbindet das Motorantriebssignal auf der Leitung 110 vom spannungsgesteuerten Oszillator 13 mit dem Befehlsdrehzahlsignal in Form einer Impulskette von Bezugsfrequenz. Dieser Differentialausgang vom Gatesystem

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77 wird dem Phasendetektor 125 zugeführt, der bei 126 ein Fehlersignal erzeugt als Impulskette abhängig von Phasenunterschieden zwischen dem Befehlsdrehzahlsignal und dem Motorantriebssignal bei 110. Das Kompensationsfilter 127 ist mit dem Ausgang des Phasendetektors 125 verbunden und wandelt die Fehlersignal-Impulskette bei 126 in ein Gleichspannungskonstantfehlersignal bei 17 um Das Kompensationsfilter 127 steuert außerdem die Ansprechzeit und die Dämpfung der Konstantfehlerschleife 12.

Die beschriebene Einrichtung ist eine Servo-Regeleinrichtung mit Drehzahlrückkopplung. Sie unterscheidet sich von solchen Servoschleifen, die bei Hysteresis-Synchronmotoren angewendet werden, da herkömmliche Systeme eine Art von Phaseneinrasttechnik benützen, um sowohl Dämpfungswirkung als auch Regelung der Motordrehzahl zu erzielen. Dadurch wird die Schaltung sehr komplex und teuer. Bei der in der Zeichnung dargestellten Regelschaltung gemäß der Erfindung wird durch Einsatz von zwei Schleifen ein sehr einfacher Aufbau erzielt.

Eine weitere Eigenschaft der Erfindung

ist die, daß die Drehzahl des Motors 10 auf die Frequenz eines gewöhnlichen Niederspannungs-Versorgungsnetzes bezogen werden kann. Dadurch kann die Motordrehzahl in Verbindung gebracht werden zu Drehzahlen anderer Komponenten einer Druckmaschine, da diese anderen Komponenten ebenfalls mit Hilfe von Synchronmotoren in Bezug stehen zur Frequenz des Niederspannungsnetzes. Drehzahländerungen aufgrund von Schwankungen der Netzfrequenz werden mit Hilfe der Servosteuerung kompensiert. Dieses Ver-

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fahren des Anhängens der Servoeinrichtungen vermindert die Kosten und vereinfacht die Einrichtungen gegenüber solchen, bei denen ein Kodierer an anderen umlaufenden Systemkomponenten verwendet wird, um die Dauerdrehzahl des Servomotors zu regulieren wie etwa eines Motors 10. Somit ist die stationäre Drehzahl des Motors 10 bei der Erfindung so genau wie die Netzfrequenz. Die Drehzahleinstellung ist aufgrund der digitalen Rückwärtszähl-Einstellschaltung 76 exakt, und Fehler, die in Analogschaltungen auftreten können, sind in der Schaltung gemäß der Erfindung nicht vorhanden.

Die Dämpfungseinstellungen zwischen den beiden Rückkopplungsschleifen 11 und 12 sind vollständig voneinander unabhängig. Dies führt zu einer Verringerung der Einstellzeit und damit der Kosten während des Betriebs einer Druckmaschine, in der das Servosystem nach der Erfindung verwendet wird.

Der Hysteresis-Synchronmotor ist nicht Teil der Rückkopplungsschleife für die stationäre Drehzahl, und somit ist die Zahl der Schleifen um Eins verringert. Damit wird die Komplexität erheblich vermindert, was auch zu einer Verringerung der Kosten führt. Obgleich der Motor 10 nicht Teil der Gleichstrom-Rückkopplungsschleife 11 ist, folgt er dennoch dem Ausgang 14 des Spannungssteueroszillators 13 aufgrund seiner synchronen Eigenschaften. Die Phasendifferenz der Antriebssignale für den Motor wird unabhängig von der Betriebsfrequenz durch die Leistungsverstärker 90 und 91 auf 90° konstant gehalten. Dadurch erhält das System seine Flexibilität, was im Gegensatz steht zu analogen Systemen, in denen verschiedene Phasenkompensations-

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elemente für verschiedene Betriebsfrequenzen in die Schleife ein- und aus ihr ausgeschaltet werden müssen.

Als Leistungsverstärker 90 und 91 werden Niederspannungs-Betriebsverstärker verwendet mit Transistoren, womit ein Ausgang von 70 Volt Scheitelspannung erzeugt wird. Eine doppelte Rückkopplungsschleife wird verwendet, um das Eingangssignal zu steigern und um die Unabhängigkeit von Temperaturschwankungen zu erzielen. Ein einfacher Kondensator 59 wird verwendet als Leitungskompensation.

Es wird also mit der Erfindung eine

Servo-Regeleinrichtung geschaffen, mit der ein Gleichstrommotor im Betrieb auf konstanter Drehzahl gehalten werden kann, was mit Hilfe von zwei Rückkopplungs-Regelschleifen geschieht. Eine Rückkopplungs-Regelschleife dient zur Dämpfung schneller Drehzahlschwingungen und spricht deshalb schnell auf kleine Motordrehzahländerungen an, wodurch der Motor auf seiner vorgegebenen Drehzahl gehalten wird. Die andere Schleife ist eine Konstantdrehzahl-Fehlerschleife, durch die eine Befehlsdrehzahl eingegeben wird und die viel langsamer auf Änderungen der vorgegebenen Drehzahl reagiert. Der Einsatz von zwei die Drehzahl üb erwachenden Regelschleifen erlaubt es, die Motordrehzahl schnell bei Abweichungen der augenblicklichen Motordrehzahl von der vorgegebenen Drehzahl einzustellen, während Unempfindlichkeit gegenüber langsamen Prequenzveranderung en in der Rückkopplung erreicht wird, wie sie etwa Ergebnis von Störungen in der Motorbelastung sind.

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Leerseite

Claims (11)

12La ti"2 c fcl* πα * J-

Patentansprüche

1 · j Rüclckopplungs-Servo-Regeleinrichtung

r die Geschwindigkeitsregelung eines Gleichstrommotors, der mit konstanter Drehzahl "betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Drehzahl-Rückkopplungsschleifen vorgesehen sind, von denen eine der Dämpfung schneller Drehzahländerungen dient und die andere Rückkopplungsschleife Fehler der stationären Drehzahl erfaßt, wobei beide Rückkopplungsschleifen einen gemeinsamen spannungsgesteuerten Oszillator zur Zuführung von Steuersignalen zum Motor mit einer Frequenz verwenden, die abhängig von den von sämtlichen Drehzahl-Regelschleifen zugeführten Signalen ist.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgesteuerte Oszillator eine Impulskette mit einer Frequenz abgibt, die in Abhängigkeit von der Summe eines Drehzahl-Rückkopplungssignals und der Differenz zwischen einem vorhergehenden Ausgangswert des spannungsgesteuerten Oszillators und einer vorgegebenen Motordrehzahl variiert.

3. Servo-Regeleinrichtung zum Konstanthalten der Drehzahl eines Gleichstrommotors, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Drehzahl-Regelschleifen verwendet werden, die die Betriebsdrehzahl des Motors steuern, von denen die eine Schleife eine schnelle Änderungen dämpfende Rück-

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OWGlNAL INSPECTED

- iff -

kopplungsschleife ist, die einen Kodierer enthält zur Erzeugung von Positionssignalen mit vorbestimmten Stufen der Vorwärtsdrehung des Motors, eine Signalumsetzeinrichtung, um die Positionssignale in Gleichspannungswerte umzusetzen, deren Höhe proportional der Frequenz der Signale ist, einen spannungsgesteuerten Oszillator zur Erzeugung von Impulsen mit einer Frequenz proportional der Größe der Eingangsspannung, einer Signalumsetzeinrichtung, die abhängig von dem spannungsgesteuerten Oszillator Signale von gleichmäßiger relativer Phasenverschiebung bei einer Frequenz erzeugt, die durch die Impulserzeugungsgeschwindigkeit im spannungsgesteuerten Oszillator geführt wird, um den Motor mit einer Drehzahl zu steuern, die proportional der Frequenz der Impulse vom spannungsgesteuerten Oszillator ist, während eine weitere Schleife eine die Drehzahlabweichung von einem stationären Wert feststellende Schleife ist (Konstantfehlerschleife), die den spannungsgesteuerten Oszillator enthält sowie eine Bezugssignalquelle für Impulse mit einer Bezugsfrequenz, eine Fehlersignal erzeugende Einrichtung, die die Impulse von der Bezugssignalquelle^ und vom spannungsgesteuerten Oszillator erhält und einen Gleichspannungsausgangswert erzeugt, der proportional der dazwischen herrschenden Phasendifferenz ist, und eine signal summierende Schaltung, in der das Fehlersignal und das Gleichspannungssignal, das proportional zum Positionssignal ist, kombiniert werden, um einen Eingang für den spannungsgesteuerten Oszillator abzugeben.

4. Mit Rückkopplung versehene Drehzahl-

Regeleinrichtung zum Konstanthalten der Drehzahl eines Gleichstrommotors, dadurch ge ken.n -

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zeichnet , daß wenigstens zwei Drehzahl-Steuerschleifen vorhanden sind zur Erzeugung eines Motorantriebssignals, um die Motordrehzahl·zu regeln, mit einer Schwankungen dämpfenden Rücklcopplungsschleife, die ein die wirkliche Drehzahl anzeigendes Signal abgibt, und einer Drehzahlabweichungen von einer stationären Drehzahl erfassenden Schleife, deren Signal die Differenz zwischen einer vorgegebenen Drehzahl und dem unmittelbar davor liegenden Motorantriebssignal wiedergibt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen spannungsgesteuerten Oszillator zur Erzeugung des Motorantriebssignals in Form einer Impulskette mit variabler Frequenz abhängig von der Zusammensetzung des Signals der Augenblicksgeschwindigkeit und dem die Abweichung von der stationären Drehzahl anzeigenden Signals.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Signalumsetzer, der mit dem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden ist und ein Paar sich zyklisch abhängig von der Motorphasenlage ändernder Spannungen erzeugt, die um ein bestimmtes Maß gegeneinander versetzt sind und sich mit einer Frequenz verändern abhängig vom Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Kodierer zur Erzeugung von Positionssignalen mit vorbestimmten Stufen der Vorwärtsdrehung des Motors, wobei die Frequenz der Positionssignale sich ändert mit der Augenblicksdrehzahl des Motors, und einen Tachometer zur

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Erzeugung eines Gleichspannungspegels, dessen Größe der Frequenz der Positionssignale proportional ist, und einer kompensierenden Filter- und Dämpfereinrichtung, die vom Tachometer den Ausgangswert aufnimmt und Ansprechen und Dämpfung aufgrund von Schwankungen der Positionssignale steuert, um ein der wirklichen Drehzahl entsprechendes Signal am Ausgang zu erzeugen.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor optische Strahlen steuert, so daß sie eine erste und eine zweite Fotozelle überstreichen, um Rechteck-Positionsimpulse zu erzeugen, deren Impulsfront von einer Fotozelle bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellwertes der Strahlintensität hervorgerufen wird und deren Impulsrücken von der ersten und der .zweiten Fotozelle in dem Augenblick erzeugt wird, wo ihre Ausgangsgrößen gleich sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Signalfühleinrichtungen zum Zusammensetzen des Motorantriebssignals vom spannungsgesteuerten Oszillator mit einem Befehlsdrehzahlsignal in Form einer Impulskette mit einer Bezugsfrequenz und einem Phasendetektor zur Erzeugung eines Fehlersignals als Impulskette abhängig von Phasendifferenzen zwischen dem Befehlsdrehzahlsignal und dem Motorantriebssignal.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Kompensationsfilter, das an den Ausgang des Phasendetektors angeschlossen und die Fehlersignalimpulskette in ein Gleichspannungssignal umsetzt, das die stationäre Ab-

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Weichling der Drehzahl anzeigt, und zur Steuerung der Ansprechzeit und Dämpfung der Regelschleife, die die Abweichung der stationären Drehzahl erfaßt.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen mit der Signalfühlereinrichtung verbundenen Schalter, um wahl weise als Befehlsdrehzahlsignal ein Y/echselstromnetz-Sinussignal oder ein zyklisch auftretendes Digitalsignal zuzuführen.

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