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Digitaler Servoachsen-Simulator
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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät, welches nach Eingabe
von Parametern unter dem Einfluß elektrischer Steuersignale das dynamische Verhalten
von Servoachsen simuliert und dabei laufend elektrische Signale abgibt, welche die
jeweilige Position und Geschwindigkeit der simulierten Bewegung beschreiben. Die
dynamischen Charakteristika simulierter Servoachsen wie zum Beispiel Trägheit, Anfangsposition,
Anfangsgeschwindigkeit sollen dem Simulator als Parameter eingegeben werden können.
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Die Parametereingabe und die Signalverarbeitung im Simulator sollen
vorzugsweise jedoch nicht ausschließlich mit digitaler Technik erfolgen.
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Der digitale Servoachsen-Simulator soll einmal dazu verwendet werden,
um Servoachsen-Steuerungen auf einfache Weise und unter leicht variierbaren Bedingungen
zu erproben, zum anderen soll er im Parallelbetrieb mit realen Servoachsen eingesetzt
werden, um das Verhalten der realen Servoachsen zu überwachen und deren Betriebssicherheit
damit zu erhöhen.
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Simulationsapparate für Servoachsen sind bekannt. Meist bestehen sie
aus Servomotor und Drehimpulsgenerator. In der Regel kann ihr charakteristisches
dynamisches Verhalten jedoch nicht variiert werden und weicht außerdem vom dynamischen
Verhalten der zu simulierenden Servoachsen ab.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Servoachsen-Simulato:
anzugeben, dem die dynamischen Charakteristika der zu simulierenden Servoachsen
in weiten Bereichen variierbar als Parameter auf einfache Weise eingegeben werden
können, der dann unter dem
Einfluß elektrischer Steuersignåle das
dynamische Verhalten von Servoachsen simuliert und dabei laufend elektrische Signale
abgibt, welche für die simulierte Bewegung die jeweilige Position, die jeweilige
Geschwindigkeit und die jeweilige Beschleunigung anzeigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Servoachsen-Simulator
gelöst, der als elektronisches Gerät aufgebaut ist, über einen Geräteteil verfügt,
mit dessen Hilfe die Simulationsparameter eingegeben und überprüft werden können,
der über elektrische Signaleingänge zur Eingabe zeitlich variabler Steuersignale
verfügt und der elektrische Signalausgänge besitzt, über welche laufend Signale
abgegeben werden, die für die simulierte Servoachsen-Bewegung die jeweilige Position,
Geschwindigkeit und Beschleunigung beschreiben.
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Der digitale Servoachsen-Simulator besitzt einen Schreiblesespeicher
zur Aufnahme der Simulationsparameter, die über eine Tastatur oder über gestufte
Drehschalter oder über stufenlose Drehschalter eingegeben werden. Die gespeicherten
Simulationsparameter werden vermittels einer alfanumerischen oder numerischen Anzeige
des Simulators sichtbar gemacht. Das Kernstück des Simulators bildet ein Rechner
mit Prozessor, Festwertspeicher, Arbeitsspeicher, Arithmetikbaugruppe, Taktgenerator.
Dem Simulator wird von außen ein analoges oder digitales zeitlich veränderliches
Signal u(t) zugeführt, im Falle eines digitalen Signale wird dieses von Gültigkeitsimpulsen
begleitet. Für die meist digitale interne Arbeitsweise des Simulators wird ein analoges
Eingangssignal über einen Analogdigitalwandler digitalisiert. Der Rechner des Servoaclisen-Simulators
berechnet mithilfe der gespeicherten Simulationsparameter die Größen Position y(t),
Geschwindigkeit y'(t), Beschleunigung y " (t) mittels der Differentialgleichung
my " + kyf = u oder mittels einer anderen Differentialgleichung und gibt die laufend
errechneten Werte für y, y', y " als digitale oder analoge Signale ständig über
seine Signalausgänge aus dem Simulator heraus. Bei digitaler Signalausgabe werden
Gültigkeitsimpulse mitausgegeben, für analoge Signalausgaben werden bei digitaler
interner Verarbeitung Signalwandlungen über Digitalanalogwandler vorgenommen. Balls-
die Ausgabegrößen
y, y', y " Grenzwerte erreichen oder überschreiten
oder unterschreiten, werden Ausnahme signale erzeugt und über dafür vorgesehene
Ausgangsleitungen ausgegeben. Die Grenzwerte in diesem Sinne gehören zu den variierbaren
Simulationsparametern.
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Für den elektrischen Betrieb wird dem Simulator Gleichspannung oder
Wechselspannung zugeführt, imletzteren Falle besitzt er ein eingebautes Netzgerät.
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Der digitale Servoachsen-Simulator wird sich dadurch als vorteilhaft
erweisen, daß er ein recht einfach zu handhabendes elektronisches Gerät darstellt,
dessen Simulationsparameter in einem weiten Spielraum variiert werden können und
welches somit zur Simulation verschiedenartiger Servoachsen mit elektrischen oder
hydraulischen Antrieben verwendet werden kann. Dia Ausgangssignale des Simulators
gleichen den Meßwertsignalen realer Achsen oder lassen sich diesen mit einfachen
elektronischen Mitteln angleichen. Der Servoachsen-Simulator wird seine hauptsächlichen
Einsatzgebiete bei der Erprobung oder bei der Uberprüfung von Servoachsen-Steuerungen
und im Parallelbetrieb mit realen Servoachsen finden.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung
näher erläutert.
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FIG.1 zeigt die wesentlichen Bestandteile eines digitalen Servoachsen-Simulators.
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Wir sehen in Fig.1 eine lOstellige alfanumerische Anzeige, eine 16teilig
Tastatur, einen Prozessorblock (Prozessor), der auch die Adreßdekodierung des Simulators
beinhaltet, einen Schreiblesespeicher (RAM) zur Aufnahme der über die Tastatur eingegebenen
Simulationsparameter und als Arbeitsspeicher des Simulators, einen Festwertspeicher
(ROM), der die Ablaufsteuerung des Simulators enthält darunter auch Programmelemente
zur Anzeige der gespeicherten Simulationsparameter, einen Arithmetikblock (Arithmetik)
zur Erhöhung der Operationsgeschwindigkeit des Simulator-Rechners, einen Taktgenerator
(Taktgen.) zur Erzeugung der für den Simulationsbetrieb
erforderlichen
Hilfsfrequenzen und ein Netzteil (betet.) zur Erzeugung der Betriebsspannungen,
die in der Regel im Bereich von +15 Volt bis -15 Volt Gleichspannung liegen werden.
Die verschiedenen Blöcke sind über einen Leitungsstrang (BUS) miteinander verbunden.
Der Leitungsstrang (BUS) besteht aus Potentialleitungen, Adreßleitungen, Datenleitungen,
Steuersignalleitungen. Im Simulationsbetrieb steht ein analoges zeitabhängiges Steuersignal
analog am Simulator an oder es steht ein digitales zeitabhängiges Steuersignal als
zeitabhängige binär verschlüsselte Zahl, die von Gültigkeitsimpulsen begleitet wird,
am Simulatoreingang an.
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Im Falle des analogen Eingangssignals wird es sich um einen Spannungswert
handeln, der in der Regel zwischen +15 Volt und -15 Volt liegt. Dieser Spannungswert
wird in den Analogdigitalwandler DAD eingeleitet und digitalisiert. In beiden Fällen
(analog und udig) wird ein digitales Eingangssignal synchronisiert an den Simulationsreohner
weitergegeben. Der Simulationsrechner arbeitet in kurzen Zeitintervallen, deren
Dauer in der Größenordnung von 10 Mikrosekunden bis 10 Millisekunden liegen wird,
und führt in jedem Zeitintervall folgende Rechenoperationen aus: Berechnung von
y " aus my'' + ky' = u oder aus einer anderen Differentialgleichung, Berechnung
des nächsten Wertes von A y aus dem vorhergehenden Wert und aus y ", Berechnung
des nächsten Wertes von y aus dem vorhergehenden Wert und aus y'.
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Im wesentlichen werden bei dieser rekursiven Vorgehensweise Differentialquotienten
durch Differenzenquotienten ersetzt.
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Formeln für dieses Verfahren finden sich in den Lehrbüchern der numerischen
Mathematik.
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Damit sind die Ausgangsgrößen y, y', ylt gewonnen und werden als zeitabhängige
binär verschlüsselte Zahlen zusammen mit Gültigkeitsimpulsen über die AusgUnge-RO,
R1, R2 des Simulators ausgegeben. Außerdem können sie über die Digitalanalogwandler
DAO, DAl, DA2 zur Ausgabe in Analogsignale umgewandelt werden.
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Es wird sich dann um Spannungswerte aus dem Bereich +10 Volt
bis
-10 Volt handeln. Sofern die Ausgangsgrößen y, y', y " gewisse als Simulationsparameter
gespeicherte Grenzwerte erreichen, werden Ausnahmesignale erzeugt und über RS auf
den Ausgangsleitungen si ausgegeben. Digitale Eingangssignale (an RU) und digitale
Ausgangssignale des Simulators werden in der Regel den Strom-Spannungsbedingungen
der TTL-Bausteine genügen. Die Ausführung' des Servoachsen-Simulators wird in moderner
Leiterkartentechnik unter Verwendung integrierter Bauelemente wie Mikroprozessoren,
EPROM-Speicher erfolgen.
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