DE2751276C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanord­ nung zur Einstellung eines beweglichen Bauteils auf eine bestimmte Soll-Position entlang seiner Bewegungs­ bahn, mit einer durch einen Linearmotor gebildeten elektrischen Antriebseinrichtung zum Antrieb des be­ weglichen Bauteils entlang dieser Bewegungsbahn, mit einem Positionsgeber, der ein die Ist-Position des be­ weglichen Bauteils darstellendes Rückführungssignal erzeugt, mit einem Vergleicher, der das Rückführungs­ signal des Positionsgebers mit einem die Soll-Position darstellenden Eingangssignal vergleicht und daraus ein Positionsabweichungssignal zur Ansteuerung der elektri­ schen Antriebseinrichtung bildet, und mit einer Begren­ zerschaltung, die eine Begrenzung der Werte des Posi­ tionsabweichungssignals bewirkt.

Schaltungsanordnungen dieser Art finden vielfältige Anwendung beispielsweise bei Servo-Steuerungen und Stellgliedern und Linienschreibern, wobei diese Auf­ zählung in keiner Weise beschränkend ist. Bei derar­ tigen Anwendungen ist es erforderlich, eine mechani­ sche Bewegung und Position des beweglichen Bauteils sehr genau in Abhängigkeit von dem elektrischen, die Soll-Position darstellenden Eingangssignal zu steuern, ohne daß irgendwelche Störeinflüsse Auswirkungen auf die Position oder Bewegung des beweglichen Bauteils haben können. Hierbei ist es insbesondere schwierig, bei sich schnell ändernden elektrischen Eingangssig­ nalen ein Überschwingen des beweglichen Bauteils über die gewünschte Position zu verhindern, da ein derarti­ ges Überschwingen zu Fehlanzeigen bzw. Verfälschungen von Anzeigen oder zu fehlerhaften Positionen führt. Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht in der Verwendung einer mechanischen Dämpfung des beweg­ lichen Bauteils, doch ist diese Maßnahme technisch kom­ pliziert und weiterhin sehr schwer einstellbar, wobei insbesondere eine zu große Dämpfung unerwünscht ist, da dann die gewünschte Position nur nach längerer Zeitver­ zögerung oder überhaupt nicht erreicht wird.

Es ist eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art bekannt (DE-AS 12 73 043), bei der zur Erzielung einer gleichförmigen Bewegungsgeschwindigkeit des be­ weglichen Bauteils bzw. des Antriebsmotors eine Begren­ zerschaltung vorgesehen ist, die das Ausgangssignal des Vergleichers begrenzt. Auf diese Weise werden übermäßige Bewegungsgeschwindigkeiten vermieden. Andererseits führt diese bekannte Schaltungsanordnung jedoch dazu, daß die­ se gleichförmige Geschwindigkeit selbst bei kleinen Ab­ weichungen des beweglichen Bauteils von der Soll-Posi­ tion angesteuert wird, was in vielen Fällen zu einem Überschwingen führen kann.

Es ist weiterhin ein motorischer Antrieb bekannt (DE-OS 22 01 924), bei dem dem Vergleicher eine Rechenschaltung nachgeschaltet ist, die ein Ausgangssignal erzeugt, das über eine parabolische Funktion zur Amplitude des Ver­ gleicherausgangssignals in Beziehung steht. Auch hier­ bei ist jedoch eine sehr schnelle Positionierung des be­ weglichen Bauteils auf eine bestimmte Soll-Position unab­ hängig von dem jeweils zurückzulegenden Weg nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine sehr schnelle Einstellung des beweglichen Bauteils auf eine Soll-Position ohne Überschwingen und ohne großen Aufwand sicher vermieden wird, ohne daß eine große Dämpfung gewählt werden muß.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er­ findung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schaltungs­ anordnung ist sichergestellt, daß das die Soll-Position des beweglichen Bauteils darstellende Eingangssignal nie­ mals eine Anstiegsgeschwindigkeit aufweist, die zu einem Überschwingen des beweglichen Bauteils über die Soll-Po­ sition führen würde. Durch eine entsprechende Wahl der Bauteile der Begrenzerschaltung läßt sich eine sehr ge­ naue Anpassung an die mechanischen Eigenschaften des Ge­ samtsystems erzielen, ohne daß aufwendige Dämpfungsmaß­ nahmen erforderlich sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine zum Betriebsstrom durch die elektrische Antriebseinrichtung proportionale Spannung dem Vergleicher als weiteres Rückführungssignal zuge­ führt wird. Hierdurch wird sichergestellt, daß der in der elektrischen Antriebseinrichtung fließende Strom, der in Beziehung zu der auf das bewegliche Bauteil wir­ kenden Beschleunigung bzw. Verzögerung steht, niemals einen übermäßig hohen Wert erreicht, der zu einer zu hohen Bewegungsgeschwindigkeit des beweglichen Bau­ teils führen würde.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung wird das Rückführungssignal des Positionsgebers dem Vergleicher über ein Proportional- Differential-Funktiongsglied zugeführt. Auf diese Weise ergibt sich ein gutes Regelverhalten des Systems.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgen­ den anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Ausführungsform der Schaltungsanordnung;

Fig. 2 ein ausführlicheres Schaltbild der Schaltungs­ anordnung nach Fig. 1.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Anwendungsbei­ spiels auf einen Linienschreiber beschrieben, ohne daß diese Anwendung in irgendeiner Weise beschränkend ist. Der Schreib­ stift des Linienschreibers wird von einem Linearmotor M ange­ trieben, der gleichzeitig einen Positionsgeber L ansteuert. Das Ausgangssignal des Positionsgebers L ist mit einer Aus­ werteschaltung 2 verbunden, die aus einem Taktgenerator 1 mit einer Rechteckschwingung gespeist wird. Das Ausgangssignal der Auswerteschaltung wird über ein Proportional-Differential- Funktionsglied 3 einem Eingang des Vergleichers 4 zugeführt, dessen anderem Eingang über eine Begrenzerschaltung 7 zur Be­ grenzung der Anstiegsgeschwindigkeit des dem Vergleicher zuge­ führten Signals das die Sollposition des beweglichen Bauteils darstellende Eingangssignal E zugeführt wird. Das Aus­ gangssignal des Vergleichers 4 wird dem Eingang eines Leistungs­ verstärkers 5 zugeführt, der den Linearmotor M steuert. Der in dem Linearmotor fließende Strom wird über eine Strombewertungs­ schaltung 6 als zu dem Strom proportionale Spannung ebenfalls dem Vergleicher 4 zugeführt. Damit wird der Strom zur Stell­ größe für den Linearmotor.

Durch die Begrenzerschaltung 7 wird die Anstiegszeit des dem Vergleicher 4 zugeführten Sollsignals auf einen Wert begrenzt, bei dem ein Überschwingen des Motors M bzw. des damit verbun­ denen Schreibstiftes selbst bei Rechtecksprüngen des Eingangs­ signals E sicher vermieden wird. Durch die Kombination dieser Begrenzerschaltung mit dem Proportional-Differential-Funktions­ glied ergibt sich eine dynamisch und statisch sehr exakte Nach­ führung des Schreibstiftes entsprechend dem Sollwert, der durch das Eingangssignal E gebildet ist.

In Fig. 2 ist ein der Fig. 1 entsprechendes ausführliches Schaltbild gezeigt.

Der Rechteckgenerator 1 besteht aus einem integrierten Takt­ geberbaustein TG 1, dessen Impulswiederholfrequenz durch die Widerstände R 1 und R 2 und den Kondensator C 5 bestimmt ist. Die Dioden D 1 und D 2 schützen den Taktgeberbaustein vor Spannungs­ spitzen beim Schalten der Induktivität des Positionsgebers L.

In der Auswerteschaltung 2 wird der Scheinwiderstand des Posi­ tionsgebers L mit dem Widerstand eines Potentiometers R 3 ver­ glichen. Ein Anschluß des Potentiometers R 3 und des Positions­ gebers L ist mit dem Ausgang des Rechteckgenerators 1 verbunden, während die anderen Anschlüsse dieses Potentiometers R 3 und des Positionsgebers L über zwei parallele Serienschaltungen mit­ einander verbunden sind. Die erste Serienschaltung ist durch einen ersten Widerstand R 4, die hintereinander geschalteten Dioden D 3, D 4 und den Widerstand R 5 gebildet, während die zweite Serienschaltung aus dem ersten Widerstand R 7, den beiden Dioden D 5 und D 6 sowie dem Widerstand R 6 gebildet ist. Die Verbindungs­ punkte der beiden Dioden beider Serienschaltungen sind mit Kon­ densatoren C 2 bzw. C 1 verbunden, deren anderer Anschluß mit Erde verbunden ist. Diese Verbindungspunkte sind weiterhin mit dem invertierenden bzw. nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP 1 verbunden, der über einen Gegen­ kopplungswiderstand R 9 gegengekoppelt ist. Dieser Operations­ verstärker OP 1 verstärkt die Spannungsdifferenz der Spannungen an den Kondensatoren C 1 und C 2, deren Wert ein Maß für die jeweilige Position des Schreibstiftes ist. Die Verstärkung dieses Operationsverstärkers ergibt sich aus dem Verhältnis der Widerstände R 9 und R 8.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP 1 und damit der Auswerteschaltung wird dem Eingang des Proportional-Differential- Funktionsgliedes 3 zugeführt, das im Proportionalzweig die Wider­ stände R 13, R 14 und R 15 aufweist, während der Differentialzweig durch den Kondensator C 3 und den Widerstand R 12 gebildet wird, wobei die letztgenannten beiden Bauteile zwischen Eingang und Ausgang des Funktionsgliedes 3 geschaltet sind. Der Ausgang des Funktionsgliedes 3 wird dem invertierenden Eingang des als Vergleicher verwendeten Operationsverstärkers OP 2 zugeführt. Diesem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP 2 wird weiterhin eine zum Betriebsstrom des Linearmotors M pro­ portionale Spannung dadurch zugeführt, daß der Betriebsstrom dieses Linearmotors über einen Widerstand R 16 fließt. Die an dem Widerstand R 16 abfallende Spannung wird dem nichtinver­ tierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP 3 zugeführt, der einen Teil der Strombewertung 6 bildet. Dieser Operations­ verstärker OP 3 ist mit Widerständen R 17, R 18 geschaltet, die die Verstärkung dieses Operationsverstärkers festgelegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP 3 wird über den Widerstand R 11 ebenfalls dem invertierenden Eingang des Operationsver­ stärkers OP 2 des Vergleichers 4 zugeführt.

Dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP 2 des Vergleichers 4 wird weiterhin das Sollsignal zugeführt, das in Abhängigkeit von dem Eingangssignal E in der Begrenzer­ schaltung 7 erzeugt wird. Diese Begrenzerschaltung 7 weist einen ersten Operationsverstärker OP 5 auf, der über einen Widerstand R 20 gegengekoppelt ist und dessen invertierendem Eingang das Eingangssignal E über ein Potentiometer R 19 zuge­ führt wird, das die Amplitude der Bewegung des beweglichen Bauteils in Abhängigkeit von dem Eingangssignal einstellt. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP 5 ist über einen Kopplungswiderstand R 21 mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers OP 4 verbunden, wobei der in­ vertierende Eingang dieses Operationsverstärkers weiterhin über einen Gegenkopplungskondensator C 4 mit seinem Ausgang verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP 4 ist weiterhin mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Opera­ tionsverstärkers OP 5 verbunden und bildet weiterhin den Aus­ gang der Begrenzerschaltung. Die Zeitkonstante des aus dem Kopplungswiderstand R 21 und dem Gegenkopplungskondensator C 4 gebildeten RC-Gliedes bestimmt die maximale Anstiegsgeschwin­ digkeit des Ausgangssignals der Begrenzerschaltung 7.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Einstellung eines beweglichen Bauteils auf eine bestimmte Sollposition entlang seiner Bewegungsbahn, mit einer durch einen Linearmotor gebil­ deten elektrischen Antriebseinrichtung zum Antrieb des beweglichen Bauteils entlang dieser Bewegungsbahn, mit einem Positionsgeber, der ein die Ist-Position des beweg­ lichen Bauteils darstellendes Rückführungssignal erzeugt, mit einem Vergleicher, der das Rückführungssignal des Positionsgebers mit einem die Sollposition darstellenden Eingangssignal vergleicht und daraus ein Positionsabwei­ chungssignal zur Ansteuerung der elektrischen Antriebs­ einrichtung bildet, und mit einer Begrenzerschaltung, die eine Begrenzung der Werte des Positionsabweichungssignals bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das die Sollposition des beweglichen Bauteils darstel­ lende Eingangssignal (E) zur zeitlichen Begrenzung seiner Anstiegsgeschwindigkeit über die Begrenzerschaltung (7) dem Sollpositions-Eingang des Vergleichers (4) zugeführt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zum Betriebsstrom durch die elektrische Antriebs­ einrichtung (M) proportionale Spannung dem Vergleicher (4) als weiteres Rückführungssignal zugeführt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückführungssignal des Positionsgebers (L) dem Ver­ gleicher (4) über ein Proportional-Differential-Funktions­ glied (3) zugeführt wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung (7) einen ersten Operations­ verstärker (OP 5), dessen invertierender Eingang das Ein­ gangssignal (E) empfängt und über einen Gegenkopplungs­ widerstand (R 20) mit dem Ausgangsanschluß des ersten Ope­ rationsverstärkers (OP 5) verbunden ist, und einen zweiten Operationsverstärker (OP 4) aufweist, dessen invertierender Eingang über einen Koppelwiderstand (R 21) mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OP 5) und über einen Ge­ genkopplungskondensator (C 4) mit seinem Ausgang verbunden ist, daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (OP 4) weiterhin mit dem nichtinvertierenden Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OP 5) verbundenist und den mit dem Sollpositions-Eingang des Vergleichers (4) ver­ bundenen Ausgang der Begrenzerschaltung (7) bildet, und daß die Zeitkonstante des aus dem Koppelwiderstand (R 21) und dem Gegenkopplungswiderstand (C 4) gebildeten RC-Glie­ des die maximale Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangs­ signals der Begrenzerschaltung (7) bestimmt, das dem Ver­ gleicher (4) zugeführt wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher durch einen Operationsverstärker (OP 2) gebildet ist, dessen nichtinvertierendem Eingang das in seiner Anstiegsgeschwindigkeit begrenzte Ausgangs­ signal der Begrenzerschaltung (7) und dessen invertie­ rendem Eingang das Ausgangssignal des Proportional-Dif­ ferential-Funktionsgliedes (3) zusammen mit dem das Ge­ gegenkopplungssignal bildenden weiteren Rückführungssig­ nal zugeführt wird, das zum Betriebsstrom der elektri­ schen Antriebseinrichtung (M) proportional ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber ein induktiver Positionsgeber (L) ist, dessen Impedanz eine Funktion der Ist-Position des beweglichen Bauteils ist, daß der Positionsgeber (L) mit dem Eingang einer Auswerteschaltung (2) verbunden ist, die von einem Taktgenerator (1) gespeist wird, und deren Ausgangssignal dem Eingang des Proportional-Diffe­ rential-Funktionsgliedes (3) zugeführt wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (2) einen Vergleichswiderstand (R 3) aufweist, dessen einer Anschluß mit einem Anschluß des induktiven Positionsgebers (L) und mit dem Ausgang des Taktgenerators (1) verbunden ist, daß die anderen An­ schlüsse des Vergleichswiderstandes (R 3) bzw. des induk­ tiven Positionsgebers (L) über zwei parallele Reihen­ schaltungen miteinander verbunden sind, die jeweils ei­ nen ersten Widerstand (R 4; R 7), zwei in Durchlaßrichtung hintereinander geschaltete Dioden (D 3, D 4; D 5, D 6) und einen zweiten Widerstand (R 5; R 6) einschließen, wobei die Dioden der einen Serienschaltung entgegengesetzt zu den Dioden der anderen Serienschaltung geschaltet sind, daß die Verbindungspunkte der beiden Dioden jeweils mit Ladekondensatoren (C 1, C 2) und einem Eingang eines Ope­ rationsverstärkers (OP 1) verbunden sind, dessen Ausgangs­ signal dem Eingang des Proportional-Differential-Funk­ tionsgliedes (3) zugeführt wird.