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Antriebsanordnung zur Positionierung einer Antriebswelle
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsanordnung zur Positionierung
einer Antriebswelle, wobei dem die Antriebswelle antreibenden Antriebsmotor zumindest
ein Regelkreis für die Winkelstellung zugeordnet ist, welcher einen halben Winkelschritt
vor der vorgegebenen Rastposition eingeschaltet wird und von einem mit der Antriebswelle
gekuppelten Winkelstellungsgeber seinen Istwert erhält.
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Bei Antriebsanordnungen dieser Art sind der Positions-Regelschleife
zur Verbesserung der Regeldynamik meist noch eine Drehzahl-Regelschleife und eine
Drehmoment-Regelschleife unterlagert.
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Fig. 1 zeigt ein derartiges Ausführungabeispiel, wobei mit 1 ein vorzugsweise
kollektorloser Motor bezeichnet ist. Der Motorstrom IM wird über einen Meßwiderstand
2 geftihrt, an dem eine dem Drehmoment MIST proportionale Spannung abfällt. Diese
wird dem Eingang eines Momentreglers 3 zugeführt, der seinen Sollwert MSOLL von
einem Drehzahlregler 4 erhält. Ein richtungsabhängiger Drehzahl-Istwert nIST wird
von einem mit dem Motor 1 gekuppelten Tachogenerator 5 geliefert, der in der Regel
ein Gleichstromgenerator ist. Der Drehzahl-Sollwert nS0LL wird von einem Positionsregler
8 geliefert, der von einem mit der Antriebswelle 6 gekuppelten Winkelstellungsgeber
7 seinen Istwert PIST erhält.
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Der Sollwert PSoLL des Positionsreglers 8 wird von außen vorgegeben
und dem Eingang 9 des Positionsreglers 8 zugeführt. Durch eine entsprechende Sollwertvorgabe
wird der Antrieb bis einen
halben Winkelschritt vor der vorgegebenen
Rastposition geführt.
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Durch Nullsetzen des Sollwertes PSOLL wird dann die Antriebswelle
6 mit Hilfe des Positionsreglers 8 in die vorgegebene Rastposition übergeführt,
in der die Positionsregelkurve durch den Nullpunkt geht.
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Fig. 2 zeigt eine entsprechende Regelkurve, wobei die mit tl, t2 ...
tn bezeichneten Nulldurchgänge Jeweils eine Rastposition darstellen und der zeitliche
bzw. räumliche Abstand zwischen den einzelnen Nulldurchgängen t1 ... tn jeweils
einen Winkelschritt Z darstellen.
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Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß die einzelnen Rastpositionen
tl ... tn nur nach einem mehr oder weniger langen Einschwingvorgang erreicht werden
können. Die Art des Einschwingvorgags hängt im wesentlichen von der Geschwindigkeit
und dem Trägheitsmoment des Antriebes sowie der Güte der Regelkreise ab.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung zur
Positionierung einer Antriebswelle der eingangs beschriebenen Art derart auszubilden,
daß das Einschwingverhalten an den einzelnen Rastpositionen mit Sicherheit beherrscht
werden kann, ohne daß der Aufwand für die einzelnen Regelkreise vergrößert zu werden
braucht. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß beim
Einschalten des Regelkreises für die Winkelstellung kurzzeitig ein den momentanen
Istwert dieses Regelkreises herabsetzendes Signal ausgelöst wird. Es hat sich als
günstig herausgestellt, wenn das den Istwert herabsetzende Signal nach einer e-Funktion
abklingt. Ein solches Signal kann in einfacher Weise dadurch gewonnen werden, daß
sich ein an Spannung gelegter Kondensator nach dem Abschalten von seiner Spannungsquelle
über einen Parallelwiderstand entlädt.
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Anhand der Fig. 3 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher
erläutert. Wirkungsmäßig gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig.
1 versehen. Der Antriebsmotor 1 treibt über seine Antriebswelle 6 einen Winkelstellungsgeber
7 an, der für den Positionsregler 8 den in Fig. 2 dargestellten Positions-Istwert
PIST liefert. Dieser Positionsgeber 7 kann in an sich
bekannter
Weise so ausgebildet sein, daß er dem Drehwinkel proportionale Signale abgibt, die
dann in entsprechender und an sich bekannter Weise in eine Funktionskurve umgewandelt
werden, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Eine solche kann beispielsweise so gebildet
werden, wie es in der DT-PS 22 17 383 näher beschrieben ist. Um den in Fig. 1 mit
5 bezeichneten Tachogenerator einzusparen, kann von dem Winkelstellungsgeber 7 über
einen Impulsformer und Integrator 10 eine dem Drehzahl-Istwert nIST proportionale
Größe gebildet werden. Eine solche Stufe 10 ist beispielsweise in der älteren Patentanmeldung
P. näher dargestellt und beschrieben. Der Drehzahl-Istwert nIST wird nach Vergleich
mit dem Drehzahl-Sollwert nSOLL dem Eingang des Drehzahlreglers 4 zur Verfügung
gestellt. Der Drehzahl-Istwert nIST wird aber auch einem Kondensator 15 zugeführt,
dem ein Widerstand 16 parallel geschaltet ist. Über einen Kontakt 11 eines Umschalters
kann der in dem Kondensator 15 gespeicherte Drehzahl-Istwert nIST oder der Ausgang
des Drehzahlreglers 4 wahlweise mit einem Eingang 12 eines Summierverstärkers 13
in Verbindung gebracht werden. Der Ausgang des Summierverstärkers 13 liefert den
Sollwert MSOLL für den Momentregler 3. Der Istwert MIST für diesen wird an einem
Widerstand 2 abgenommen, der vom Strom des Motors 1 durchflossen ist. Fig. 3 zeigt
also eine Positionsregelanordnung mit unterlagerter Drehzahlregelung.
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Der Positionsregler 8 ist über einen mormal geschlossen Schaltkontakt
14 mit dem Eingang 12 des Summierverstärkers 13 verbunden, während der Kontakt 11
des Umschalters in der dargestellten Stellung ist. Da der Positionsregler 8 eingeschaltet
ist und der Sollwert PSoLL gleich Null ist, befindet sich die Antriebswelle 6 in
einer der Rastpositionen t1 ... tn. Da der Drehzahl-Istwert nIST Null ist, ist auch
der Kondensator 15 entladen. Wird nun durch ein Steuersignal der Schaltkontakt 14
geöffnet und gleichzeitig der Kontakt 11 des Umschalters 80 umgelegt, daß der Ausgang
des Drehzahlreglers 4 mit dem Eingang 12 des Summierverstärkers 13 verbunden ist,
so wird der Motor 1 in Bewegung gesetzt und schließlich mit einer Drehzahl umlaufen,
wie sie durch den Drehzahl-Sollwert nSOLL vorgegeben ist. Gleichzeitig wird der
am Ausgang des Impulsformers 10 angeschlossene Kondensator 15 auf eine Spannung
aufgeladen, die proportional der Drehzahl ist. Einen halben
Winkelschrift
(Z 1 2 ) vor der vorgegebenen Rastposition, z.B.
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t4, wird durch ein Steuersignal der Schaltkontakt 11 umgeschaltet
und der Schaltkontakt 14 geschlossen. In Fig. 4 ist dieser Zeitpunkt mit t bezeichnet.
Es wird also von Drehzahlregelung auf Positionsregelung umgeschaltet. In Fig. 4
ist die Ausgangsspannung des Impulsformers 10 dargestellt, die proportional der
momentanen Drehzahl n ist. Da zum Zeitpunkt t der Schalter 11 umgeschaltet wird,
erscheint am Eingang 12 des Summierverstärkers 13 die Spannung des Kondensators
15, der sich nunmehr über den Widerstand 16 nach einer e-Funktion entlädt, wie Fig.
4 zeigt.
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Diese Spannung wirkt aem Ausgangssignal des Positionsreglers 8 entgegen,
so daß ein resultierendes Positionssignal zustandekommt, wie es in Fig. 5 dargestellt
ist. Die Spannung am Kondensator 15 entspricht dem zuletzt vorhandenen Drehzahl-Istwert.
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Diese Spannung klingt inlt aer Zeitkonstante R x C ab und verringert
damit kurzzeitig das beschleunigend wirkenae Positionssignal.
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Die Schaltkontakte 1 und iL. in Fig. 5 sind normalerweise durch an
sich bekannte Halblelterschalter kontaktlos ausgebildet. Durch eine Umkehrstufe
2C ist hierbei angedeutet, daß die Schaltkontakte 11 und 14 wechselweise geöffnet
bzw. geschlossen werden.
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Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Positionsregelung ohne
Drehzahlregelschleife, aber dafür mit einer Drehzahl-Ersatzgröße. Wirkungsmäßig
weiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern wie zuvor versehen. Dem Eingangides
Positionsreglers 8 werden außer dem Positions-Istwert PIST und Positions-Sollwert
PSoLL noch eine weitere Größe zugeführt, die von einer konstanten Spannung U1 abgeleitet
ist, die eine Drehzahl-Ersatz größe darstellt.
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Ein Kondensator 15 wird über einen Schaltkontakt 17 aufgeladen.
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Dem Kondensator 15 ist ein Widerstand 16 parallel geschaltet.
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Mit Hilfe eines Schaltkontaktes 18 kann die Spannung am Kondensator
15 sowohl einem Widerstand 19 als auch dem Eingang 9 des Positionsreglers zugeführt
werden.
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Der Winkelstellungsgeber 7 liefert wiederum Signale, wie sie in Fig.
2 und 7 dargestellt sind. Befindet sich der Antrieb in Ruhe, so nimmt der Antriebsmotor
5 bzw. seine Antriebswelle 6 eine der
Rastpositionen, z.B. t7, ein,
wobei der Positions-Sollwert PSoLL auf Null gelegt ist. Der Schaltkontakt 17 ist
geöffnet und der Schaltkontakt 18 geschlossen, wobei sich der Kondensator 15 vollständig
über die beiden Widerstände 16 und 19 entladen hat. Soll eine neue Position angefahren
werden, so wird der Positions-Sollwert PSoLL an eine konstante Spannung gelegt,
die in der Regel größer als die Spannung U ist. Gleichzeitig werden der Schalter
18 geöffnet und der Schalter 17 geschlossen. Beim Schließen des Schalters 17 lädt
sich der Kondensator 15 auf die die Drehzahl-Ersatzgröße bildende Spannung U1 auf.
Der Antrieb läuft dann solange, bis ein entsprechendes Haltesignal gegeben wird.
Soll beispielsweise die Rastposition t4 eingenommen werden, so wird zum Zeitpunkt
t3 der Schalter 17 geöffnet, wodurch sich Kondensator 15 nach einer e-Funktion über
den Widerstand 16 teilweise entlädt, wie Fig. 8 zeigt. Zum Zeitpunkt t wird dann
der Positions-Sollwert PSOLL auf Null gesetzt und der Schalter 18 geschlossen. Dadurch
kann sich nun die restliche Spannung am Kondensator 15 über beide Widerstände 16
und 19 vollständig entladen. Auf diese Weise erhält der Eingang 9 ein den Istwert
PIST herabsetzendes Signal, so daß als resultierendes Positionssignal ein Signal
zustandekommt, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Durch geeignete Wahl der Spannung
U1, des Kondensators 15 und der Widerstände 16 und 19 kann das beste Einschwingverhalten
des Antriebs eingestellt werden.
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5 Patentansprüche 9 Figuren
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