DE2916615A1

DE2916615A1 - Regelsystem fuer einen gleichstrom- motor

Info

Publication number: DE2916615A1
Application number: DE19792916615
Authority: DE
Inventors: Yoshiki Dipl Ing Fujioka; Tokio Hino; Shigeki Dipl Ing Kawada; Naoto Dipl Ing Ohta; Yasuo Dipl Ing Takahasi
Original assignee: Fujitsu Fanuc Ltd
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1978-04-26
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1979-10-31
Also published as: GB2022867A; JPS6031191B2; FR2424658A1; US4300079A; FR2424658B1; GB2022867B; JPS54140915A; DE2916615C3; DE2916615B2

Description

Regelsystem für einen Gleichstrom-Motor Priorität: 26. April 1978 Japan 49414/1978

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für einen Gleichstrom-Motor, welche eine konstante Leistungscharakteristik eines Gleichstrom-Motors über einen weiten Bereich bringt und ein hervorragendes Ansprechverhalten des Motors gewährleistet.
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Wo ein Gleichstrom-Motor mit einer Feldwicklung zum Antrieb einer Spindel eines Maschinenwerkzeugs benutzt wird, betreibt man den Motor üblicherweise in dem Bereich, in welchem seine Leistungscharakteristik konstant ist.

In einem Bereich niedriger Drehzahlen hat der Gleichstrom-Motor eine konstante Drehmomentcharakteristik und bringt eine der Drehzahl proportionale Leistung und in einem Bereich hoher Drehzahlen zeigt er eine konstante Leistungscharakteristik, wobei unbeachtlich der Drehzahl eine konstante Leistung gebracht wird. Die Leistungscharakteristik eines Gleichstrom-Motors mit einer Nennleistung von 15 KW und einer Drehzahl von 3500 U/min ist beispielsweise in einem Drehzahlbereich von 1160 bis 35OO U/min eine konstante Leistungscharakteristik und unterhalb 1160 U/min eine konstante Drehmomentcharakteristik, wie in Fig. 1 gezeigt. Folglich wird der Motor bei Benutzung für den vorerwähnten Spindelantrieb im Bereich von 1160 bis 3500 U/min betrieben.

Für den Spindelantrieb besteht aber die Anforderung, den Bereich geringer Drehzahlen abzudecken und zu diesem Zweck wird eine Drehzahländerungs-Mechanik mit einem Getriebe, einer Kupplung usw. mit dem Gleichstrom-Motor gekoppelt, um seine Drehzahl beispielsweise auf T/3 zu reduzieren, wodurch der Bereich konstanter Leistung für den Spindelantrieb vergrößert wird. Das heißt, daß der Bereich konstanter Leistung, wie durch die gestrichelte

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Linie in Fig. 1 angedeutet, durch die Drehzahlähderungs-Mechanik vergrößert werden kann, um 580 bis 3500 U/min abzudecken. Aber die Vorkehrung einer solchen Geschwindigkeitsänderungs-Mechanik bringt eine komplexe Konstruktion, erfordert zusätzlichen Raum und erhöht die Trägheit der an dem Motor hängenden Last, was seine Ansprechempfindlichkeit reduziert.

Zur Vergrößerung des Bereichs konstanter Leistung wird in Betracht gezogen, den Gleichstrom-Motor in einer Weise zu betreiben, daß seine Leistung 1/2 oder 1/3 seiner Nennleistung beträgt, wie in Fig. 2 veranschaulicht. Wenn beispielsweise die Nennleistung eines Gleichstrom-Motors 15 KW beträgt, wird er derart betrieben, daß er 5 KW. abgibt, wodurch ein Bereich konstanter Leistung von 380 bis 3500 U/min erreicht wird. Aber dieses Verfahren hat den Nachteil einer geringeren Ansprechempfindlichkeit des Gleichstrom-Motors entsprechend der Begrenzung seiner Leistung.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Steuerung für einen Gleichstrom-Motor verfügbar zu machen, welche die Nachteile bekannter Systeme vermeidet und den Bereich konstanter Leistung ohne Anwendung einer Geschwindigkeitsänderungs-Mechanik vergrößert und auch das Ansprechvermögen des Motors steigert.

Hierzu wird erfindungsgemäß eine Steuerung für einen Gleichstrom-Motor vorgeschlagen, in welcher ein Ankerstrom und eine Drehzahl des Gleichstrom-Motors ermittelt werden zur Erzielung von Rückführ-Signalen zum Vergleich mit einem Betriebsart-Kommandosignal zum Betrieb des Motors auf einer Kommando-Drehzahl, wobei Mittel vorgesehen sind zum Feststellen des Ansteigens und Abfallens des Betriebsart-Kommandosignals zur Erzeugung eines Beschleu- nigungs-/Verzögerungs-Ein-Signals und Mittel zur Erzeugung eines Strombegrenzungs-Signals, welches den Motor mittels

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des Beschleunigungs-ZVerzögerungs-Ein-Signals treibt zur Hervorbringung einer Nennleistung und welches den Motor treibt zur Hervorbringung einer Leistung von 1/n der Nennleistung, wenn der Motor seinen stationären Zustand der Kommando-Drehzahl der Beschleunigungsperiode erreicht hat. Während der Beschleunigung oder Verzögerung durch das Betriebsart-Kommandosignal wird ein Strom zur Hervorbringung der Nennleistung an den Anker des Gleichstrom-Motors gelegt und in dem stationären Zustand wird ein Strom zur Hervorbringung einer Leistung von 1/n der Nennleistung an den Anker des Motors gelegt.

Weitere Einzelheiten werden nun anhand einer bevorzugten Ausgestaltung und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der Leistungscharakteristik eines Gleichstrom-Motors und die Vergrößerung seines Konstantleistungs-Bereichs durch Benutzung einer Geschwindigkeitsänderungs-Mechanik, Fig. 2 eine Darstellung der Vergrößerung des Konstantleistungs-Bereichs des Gleichstrom-Motors durch Begrenzung seiner Leistung,

Fig. 3 eine Darstellung der Prinzipien der Erfindung, Fig. 4 eine Ankerspannungs-Charakteristik entsprechend der Erfindung,

Fig. 5 eine Ankerstrom-Charakterstik entsprechend der

Erfindung,
Fig. 6 eine Blockschaltung zur Erläuterung einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, Fig. 7 eine Blockschaltung, welche den wesentlichen Teil eines in der Erfindung benutzten Beschleunigungs-/ Verzögerungs-Ein-Signalgenerators darstellt, und Fig. 8a bis c eine Drehzahl-, eine Leistungs- und eine Stromcharakteristik eines erfindungsgemäß gesteuerten Gleichstrom-Motors.

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Fig. 5 erläutert die Prinzipien der Erfindung. Ein Gleichstrom-Motor mit einer Nennleistung von 15 KW wird derart betrieben, daß in einer Beschleunigungs- oder Verzögerungsperiode die Leistung von 15 KW und in einer Periode stationären Zustande eine begrenzte Leistung von beispielsweise 5 KW erzielt wird. In der Periode stationären Zustande wird die Leistung begrenzt, um den Bereich konstanter Leistung zu vergrößern und in der Beschleunigungs- oder Verzögerungsperiode wird der Motor so betrieben, daß die Nennleistung erzeugt wird, wodurch eine erhöhte Ansprechempfindlichkeit des Gleichstrom-Motors erzielt wird.

Pig. 4 zeigt eine Ankerspannungs-Kennlinie und Pig. 5 eine Ankerstrom-Kennlinie. In der Beschleunigungsperiode erhält der Motor unbeachtlich seiner Drehzahl Nennstrom und in der stationären Antriebsperiode erhält er in dem Drehzahlbereich, in welchem eine konstante Leistungscharakteristik geliefert wird, einen kleineren Strom. Das heißt, daß das PeId derart gesteuert wird, daß die Ankerspannung wie in Pig. 4 gezeigt konstant ist, und daß, in Abhängigkeit davon, ob der Motor in seiner Beschleunigungs- oder seiner stationären Periode ist, wie in Fig. 5 gezeigt der Ankerstrom gesteuert wird.

Pig. 6 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung als Blockschaltbild. Ein Kommandosignal CW für Umdrehung im Uhrzeigersinn oder ein Kommandosignal CCW für Umdrehung im Gegenuhrzeigersinn wird an eine Kommando-Steuerschal-· tung 1 gelegt zur Versorgung eines Beschleunigungs-ZVerzögerungs-Einschalt-(im folgenden als ACC/DEC-Ein abgekürzt )Signalgenerators2 und eines Digital-Analog-(im folgenden als DA-abgekürzt) Wandlers 3 mit einem Signal, welches dem Drehrichtungs-Kommandosignal CW oder CCW entspricht. Ein digitales Kommandosignal S für die Geschwindigkeit wird durch den DA-Wandler 3 entsprechend dem an den Wandler 3 gegebenen Drehrichtungs-Kommandosignal in eine positive oder eine negative Spannung

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umgesetzt, die an einen analogen Geschwindigkeitskommando-Spannungsgenerator 4 geführt wird. Der Ausgang des analogen Geschwindigkeitskommando-Spannungsgenerators 4 ist an den ACC/DEC-Ein-Signalgenerator 2 gelegt, der eine Änderung in der analogen Geschwindigkeitskommando-Spannung wahrnimmt zur Erzeugung eines ACC/DEC-Ein-Signals als Eingangsgröße für eine Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7·

Der Addierer 5 liefert ein Geschwindigkeits-Fehlersignal entsprechend einer Differenz zwischen der analogen Geschwindigkeitskommando-Spannung und einer Geschwindig— keits-Rückfuhrspannung, die von einem Tachometer 19 abgeleitet wird. Das Geschwindigkeits-Fehlersignal ist an einen Fehler-Verstärker 6 gelegt. Die Ausgänge des Fehler-Verstärkers 6 und der Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7 gelangen auf einen Eingang eines Addierers 8. Der Strom eines Ankers 17 eines Gleichspannungs-Motors wird durch einen Stromdetektor 20 ermittelt und die ermittelte Größe gelangt über eine Strom-Rückkopplungsschaltung 21 an den anderen Eingang des Addierers 8.

Der Ausgang des Addierers 8 wird durch einen Stromfehler-Verstärker 9 verstärkt und an eine Phasen-Steuerschaltung 10 geliefert zur Steuerung der Torschaltungen 11 und 12, wodurch Signale für die Steuerelektröden der Thyristorschaltungen I3 und 14 erzielt werden. Ein durch die Thyristorschaltungen 13 und 14 gesteuerter Strom einer Leistungsschaltung 15 gelangt an den Anker I7 und durch einen Widerstand 22 wird eine Ankerspannung festgestellt und einer Steuerschaltung 16 für das Feld zugeleitet, durch welche ein Strom für eine Feldwicklung gesteuert wird, um die Ankerspannung konstant zu halten.

Der ACC/DEC-Ein-Signalgenerator 2 ist beispielsweise wie in Fig. 7 gezeigt konstruiert, in welcher die Geschwindigkeitskommando-Analogspannung des Geschwindigkeitskommando-Analogspannungs-Generators 4 an eine

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Eingangsklemme Ein geliefert wird. Ein Kondensator C1, Widerstände R1 bis R5 und Dioden D1 und D2 bilden eine Differenzierschaltung, deren Ausgangsgröße einem Pufferverstärker BA zugeführt wird. Die Bezugszeichen C2 und R6 bezeichnen einen Kondensator und einen Widerstand für Rückkopplungszwecke. Komparatoren COMPI und C0MP2 werden mit durch Widerstände R7 bis R10 entsprechend geteilte Bezugsspannungen versorgt und jeder derselben vergleicht die Bezugsspannung und die Ausgangsspannung des Pufferverstärkers BA. Der Pufferverstärker BA und die Komparatoren C0MP1 und C0MP2 bilden einen Pegel-Komparator. Durch die vorerwähnte Differenzierschaltung werden der Anstieg und der Abfall der analogen Geschwindigkeit skommando-Spannung festgestellt und durch den Pegel-Komparator wird ermittelt, ob sich der Pegel des Ausgangs der Differenzierschaltung oberhalb eines vorbestimmten Werts befindet oder nicht, wodurch einer Fehlfunktion durch Störungen oder dgl. vorgebeugt wird. Wenn die positive oder negative differenzierte Ausgangsgröße die Bezugsspannung des Komparators C0MP1 bzw. des Komparators C0MP2 übersteigt, wird von dem Komparator C0MP1 oder dem Komparator C0MP2 ein Beschleunigungs-/Verzögerungs-Start-Triggerimpuls abgeleitet, um einen Zeitgeber TIM zu starten. Der Ausgang des Zeitgebers TIM gelangt als das vorerwähnte ACC/DEC-Ein-Signal von einer Ausgangsklemme Aus an die Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7·

Die Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7 ist eine Art Funktionsgenerator und hat eine Ausgangscharakteristik, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Wenn sie ein ACC/DEC-Ein-Signal erhält, erzeugt die Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7 unbeachtlich der Geschwindigkeits-Rückfuhrspannung des Tachometers 19 ein Maximalstrom-Signal. In Abwesenheit eines ACC/DEC-Ein-Signals bringt die Schaltung 7 ein Signal hervor, welches einen Strom abfallen läßt bei einem Anstieg in der Geschwindigkeits-

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Rückführspannung, das heißt einem Anstieg der Drehzahl des Gleichstrom-Motors, und liefert einen begrenzten Strom, wenn die Drehzahl des Gleichstrom-Motors einen vorgegebenen Wert überschreitet. Die Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7 kann beispielsweise aus einem Widerstand und einem Schalterelement gebildet sein.

Bei Anwendung der Drehzahl-Kommandosignale CW und GCW und des Geschwindigkeits-Kommandosignals S an der Dreh,-zahlkommando-Schaltung ermittelt der ACC/DEC-Ein-Signalgenerator 2 den Anstieg der analogen Geschwindigkeitskommando-Spannung von dem analogen Geschwindigkeitskommando-Spannungsgenerator zum Anlegen des ACC/DEC-Ein-Signals an die Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7· Da die Strombegrenzungs-Einstellscnaltung 7 die Ausgangsgröße des Geschwindigkeitsfehler-Verstärkers 6 nicht unterdrückt, wird dem Anker Ι? über die Thyristor-Schaltungen 13 und 14- ein Strom einer bemessenen Ausgangsgröße geliefert, um den Gleichstrom-Motor mit einem Signal zur Erzeugung der bemessenen Ausgangsleistung zu starten.

Der ACC/DEC-Ein-Signalgenerator 2 erzeugt das ACC/DEC-Ein-Signal beispielsweise für eine durch den vorerwähnten Zeitgeber TIM bestimmte Zeitperiode und wenn das ACC/DEC-Ein-Signal abgeschaltet wird, erzeugt die Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7 ein Strombegrenzung s-Signal , welches der Geschwindigkeitsrückführ-Spannung folgt zur Unterdrückung der Ausgangsgröße des Fehler-Verstärkers 6. Als Folge wird die Ausgangsgröße des Addierers 8 auf Null reduziert, wenn das Rückführungsstrom-Signal unterhalb eines bemessenen Werts ist, so daß der Strom des Ankers 17 begrenzt ist.

Die Fig. 8a bis c zeigen die Drehzahl-Charakteristik, die Leistungs-Charakteristik und die Strom-Charakteristik des Gleichstrom-Motors für den Fall, daß seine

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bemessene Leistung 15 KW und seine Drehzahl 3500 U/min beträgt. Weil der Gleichstrom-Motor gesteuert wird, um für die durch den Zeitgeber TIM bestimmte Zeitspanne T die bemessene Leistung abzugeben, wird er zur Zeit des Startens rapide beschleunigt. Zur Zeit des Anhaltens wird, weil regeneratives Bremsen vorliegt, die Stromrichtung umgepolt und in diesem Fall wird der Strom gesteuert, ein Strom zur Abgabe der bemessenen Leistung zu sein, was ein rapides Abbremsen des Motors zur Folge hat.

Wie vorstehend beschrieben, wird entsprechend der Erfindung während des Beschleunigens oder Abbremsens durch das ACC/DEC-Ein-Signal ein Strom für die bemessene Leistung an den Anker I7 gelegt, weswegen der Motor auch bei großer Belastung ein ausgezeichnetes Ansprechvermögen zeigt. Im stationären Zustand wird dem Motor ein Strom für eine Leistung 1/n so gering wie die Nennleistung geliefert, wodurch der Drehzahlbereich vergrößert wird, in welchem der Motor die konstante Leistungscharakteristik hat, wie zuvor mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Deswegen wird, auch wenn keine Geschwindigkeitsänderungs-Mechanik benutzt wird, ein weiter Bereich konstanter Leistungscharakteristik erzielt und der Raum zur Installation einer solchen Geschwindigkeitsänderungs-Mechanik kann gespart werden, wobei zu alledem der Antriebsmechanismus für ein Maschinenwerkzeug oder dgl. vereinfacht wird.

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Claims

REINLANDER & BERNHARDT ? 9 -, 6 61 5 PATENTANWÄLTE 6/367 Orthstraße 12 D-8000 München 60 FUJITSU FANUG LIMITED No. 5-1> Asahigaoka, 2-chome Hino-shi, Tokyo, Japan Patentansprüche

1. i Regelsystem für einen Gleichstrom-Motor, das zur —Erzielung von Rückkopplungs-Signalen zum Vergleich mit einem Antriebs-Befehlssignal einen Ankerstrom und die Drehzahl des Motors ermittelt und entsprechend den Resultaten des Vergleichs den Motor zu seinem Antrieb bei einer Kommando-Drehzahl steuert,

gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Feststellen des Ansteigens und Abfallens des Antriebs-Befehlssignals zur Erzeugung eines Beschleunigungs-ZVerzögerungs-Signals, und

Einrichtungen zur Erzeugung eines Strombegrenzungs-Signals zum Antrieb des Motors durch ein Beschleunigungs-ZVer-, zögerungs-Signal zur Erzeugung einer Nennleistung und ^zum Antrieb des Motors zur Erzeugung einer Ausgangsleistung von 1/n der Nennleistung, wenn der Motor von einem Beschleunigungszustand in einen stationären Zustand geschaltet wird,

wobei, wenn der Motor beschleunigt oder verzögert wird, durch das Antriebs-Befehlssignal ein Strom zur Erzeugung der Nennleistung an den Anker des Motors gegeben wird und, wenn der Motor in seinem stationären Zustand ist, ein Strom zur Erzeugung von 1/n der Nennleistung an den Anker des Motors gegeben wird.

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2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitgeber vorgesehen ist, der durch Signale, die das Ansteigen oder Abfallen des Antriebs-Befehlssignals erfassen, getriggert wird und dessen Ausgangsgröße als das Beschleunigungs-ZVerzögerungs-Signal dient.

3. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung des Strombegrenzungs-Signals bei Empfang des Beschleunigungs-ZVerzögerungs-Signals ein Maximalstrom-Signal zur Steuerung des Motors zum Hervorbringen der Nennleistung und bei Nichtempfang des Beschleunigungs-/Verzögerungs-Signals ein Steuerstrom-Signal erzeugen, das den Strom des Motors bei einem Ansteigen des Rückkopplungs-Signals der ermittelten Drehzahl des Motors absenkt.

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