-
erfahren und Vorrichtung zur Steuerung wenigstens
-
eines elektromagnetischen Stellglieds Stand der lechnik Die Erfindung
geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Eine solche Vorrichtung ist bereits aus der US-PS 3 763 745 zur Steuerung hydraulischer
Stellglieder bekannt und wurde auch schon in der deutschen Patentanmeidung P 31
40 301.8 zur Steuerung pneumatischer Stellglieder vorgeschlagen. Dort sind die elektromagnetischen
Stellglieder als Magneventile ausgebildet und werden pulslängenmoduliert gesteuert.
Dabei besteht das Problem, daß das Einschaltverhalten diese Ventile von Temperatur-und
Betriebsspannungsschwankungen stark abhängig ist, Die Lageauflösung ist daher sehr
begrenzt.
-
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße
Vorrichtung hat demgegenüber den Vorteil, daß durch den Stromanstieg über einen
Rampengenerator ein exaktes Einschaltverhalten ohne Einfluß von Temperatur- und
Betriebsspannungsschwankungen erreicht werden kann.
-
Die Einschaltzeit ist reproduzierbar. Weiterhin können anhand der
Kollektorspannung des Endstufentransistors, konstante Betriebsspannung vorausgesetzt,
Veränderungen des Magnetkreises (Ankerknick) erfaßt und für Regelzwecke verwendet
werden.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der Vorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft
ist es, das Steuersignal über einen Pl-Verstärker mit einer Frei zone zu führen,
dem eine Gleichrichteranordnung nachgeschaltet ist. Dadurch ergibt sich ein günstiges
Steuer- bzw. Regelverhalten, bei dem das Stellglied innerhalb der Freizone unbetätigt
bleibt. Eine gemeinsame PI-Beschaltung von zwei vorzugsweise als Operationsverstärker
ausgebildeten Verstärkern führt zu einer Reduzierung von Bauteilen..tiudem kann
hier bei Regelkreisen gleichzeitig die Summierung für den Soll-Ist-Vergleich durchgeführt
werden.
-
Werden zur -Steuerung eines pneumatischen oder hydraulischen Stellglieds
zwei elektromagnetische Stellglieder benötigt, so genügt vorzugsweise ein einziger
Rampengenerator zur Ansteuerung zweier Spannungs-Strom-Wandler, denen Auswahlsignale
in Abhangigkeit des Vorzeichens 1er Regelabweichung zugeführt werden,
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Blockschaltbild
des ersten Ausführungsbeispiels, Figur, 2 ein Blockschaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels,
Figur 3 ein Schaltungsbeispiel einer Eingangs schaltung mit PI-Verstarkern, Figur
4 ein Schaltungsbeispiel eines Rampengenerators mit nachgeschalteten Spannungs-Strom-Wandlern
und Figur 5 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Bei dem in Figur 1 dargestellten
ersten Ausführungsbeispiel werden an einem Summationspunkt 10 der Istwert I und
der Sollwert S eines Regelkreises zusammengeführt.
-
Die Regelabweichung wird einer PI-Verstärkeranordnung 11 mit einer
Freizone zugeführt. Das Ausgangssignal steuert über eine Gleichrichteranordnung
12 einen Pulslängenmodulator 13, durch dessen Ausgangssignale wiederum ein Spannungsrampengenerator
14 einschaltbar ist. Das Rampensignal wird zwei Spannungs-Strom-Wandlern 15, 16
zugeführt, durch die eine entsprechende Stromrampe erzeugt wird, die zwei elektromagnetische
Stellglieder 17, 18 beaufschlagt. In Abhängigkeit der Polarität der Regelabweichung,
bzw. des Ausgangssignals der PI-Verstärkeranordnung 11 erden die beiden Spannungs-Strom-Wandler
15, 16 alternativ eingeschaltet, sofern nicht der Zustand der Freizone vorliegt.
-
Die beiden elektromagnetischen Stellglieder 17, 18 können gemäß dem
eingangs angegebenen Stand der Technik z.B, Elektromagnetventile sein, durch die
ein pneumatischer oder hydraulischer Druck-Auf- bzw. Abbau in einem Stellglied gesteuert
bzw. geregelt wird. Die Stellung eines solchen Stellglieds kann dann wiederum als
Istwert dem Summationspunkt 10 zugeführt werden.
-
Das in Figur 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht
schaltungsmäßig weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel. Gleiche Bauteile sind
-mit denselben Bezugszeichen versehen. Zum Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
tritt an die Stelle des über die C,leichrichteranordnung 12 gesteuerten Pulslängenmodulators
13 nunmehr ein speziell ausgebildeter Pulslängenmodulator, der aus einem Dreieck-Spannungsgenerator
20 besteht, dessen Ausgangsspannung dem nicht invertierenden Eingang eines ersten
Komparators 21 und dem invertierenden wingang eines zweiten Komparators 22 zugeführt
ist. Das Ausgangssignal der PlVerstärkeranordnung 11 wird dabei dem Mittelabgriff
eines aus vier Widerständen 23 bis 26 bestehenden Spannungsteilers 27 zugeführt.
Der Verknüpfungspunkt zwischen den Widerständen 23, 24 ist mit dem invertierenden
Eingang des Komparators 21 und der Werknünfungspunkt zwischen den Widerständen 25
und 26 mit dem nicht invertierenden Eingang des Kcmparators 2 verbunden. Die Ausgänge
der beiden, vorzugsweise als Operationserstärker ausgebi1deten Komparatoren steuern
sowohl den Rampengenerator 14, wie auch die alternative Einschaltung der Spannungs-Strom-Wandler
15, 16.
-
Die Wirkungsweise der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele
soll im folgenden an hand des in Figur 5 dargestellten Signaldlagramms erläutern
werden.
Die in Abhängigkeit des Sollwerts S und des Istwerts 1 im Summationspunkt 10 gebildete
Regelabweichung wird im Pl-Verstärker 11 verstärkt.
-
Dabei wird im Bereich geringer Regelabweichung eine Frei zone gebildet.
Die punktierte Linie zeigt eine Veränderung des Istwerts zwischen zu kleinen und
zu großen Werten. Dieser Spannungsverlauf U11 wird in nicht näher dargestellter
Weise in der als 2-Weg-Gleichrichter ausgebildeten Gleichrichteranordnung 12 gleichgerichtet,
so daß der Bereich negativen Spannungsver'aufs ebenfalls positiv wird. In Abhängigkeit
des jeweiligen Werts dieser gleichgerich-teten Spannung U11 wird im Pulslängenmodulator
13 eine Signalfolge erzeugt, deren Tastverhältnis eine Funktion dieser Spannung
ist. Jeweils während eines solchen Signals U13 wird im Rampengenerator ih eine Spannungsrampe
li1V gebildet, die in einem der Spannungs-Strom-Wandler 15 bzw. 16 eine entsprechende
Stromrampe zur Folge hat. Bei einem bestimmten Stromwert. Is spricht das zugeordnete
elektromagnetische Stellglied 17 bzw.
-
18 an. Dies führt zu einer sehr exakten, reproduzierbaren Einschaltzeit,
wobei Störeinflüsse durch Schwankungen der Betriebsparametern Temperatur, spannung
eliminiert werden. Die zeitliche Änaerung des Steuersignals wird vorzugsweise so
dimensioniert, daß die Stromrampe unterhalb der Nettofunktion des Stellglieds bei
Nennauslegung zu liegen kommt. Die Auslegung des Magnetkreises der elektromagnetischen
Stellglieder erfolgt vorzugseise fr die minimale Betriebsspannung bei maximal möglicher
Temperatur. 3ie Auswahl der Steliglieder 15, 16 erfolgt über das Vorzeichen der
Spannung U11. So wira beispielsweise bei positivem Vorzeichen der Spannungs-Strom-9Handler
16 eingeschaltet. wn der Totzone bleiben beide Spannungs-Strom-Wan-Il,.r 1,, 16
ausge.chaltet.
-
Bei dem in Figur 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel wird
die Spannung U11 durch den Spannungsteiler 27 einmal In die positive und einmal
in die negative Richtung verschoben. Es entsteht der mit einer durchbrochenen Linie
dargestellte Spannungsverlauf U24, der dem Komparator 21 zugeführt wird und der
strichpunktiert dargestellte Spannungsverlauf U26, der dem Komparator 22 zugeführt
wird. Dadurch wird ausgangsseitig am Komparator 21 ein Signal erzeugt, wenn die
Dreieckspannung des Dreieck-Spannungsgenerators die Spannung U24 überschreitet und
am Ausgang des .Somparators 22 ein Signal, wenn die Dreieckspannung die Spannung
U26 unterschreitet. Die Komparatorausgangsspannungen U21 und U22 sind in Figur 5
dargestellt. Innerhalb der Frei zone entsteht kein Ausgangssignal. Durch diese Signale
U21 und U22 erfolgt die Ansteuerung des Spannungsrampengenrators ih und die Einschaltung
der Spannungs-Strom-Wandler 15 bzw. 16. Zur Dimensionierung sei noch darauf hingewiesen,
daß eine vorteilhafte Steigerung des Auflösungsvermögens möglich ist, wenn die Verschiebungen
der Spannungen U24 und. U26 relativ zur Spannung U11 geringer sind, so daß sich
auch im Bereich der Freizone eine Überschneidung mit dem Signal des Drei eck-Spannungsgenerators
ergibt. Durch das innerhalb der Freizone kann stanze Ansteuersignal der Pulsbr-eite
b, bei der unter Berücksichtigung aller Betriebsparameter ie elektromagnetischen
Stellglieder soeben noch unbetätigt bleiben, wird die AusvirRung der Einschalt"er
zögerung, insbesondere die von Magnetventilen, verringert, In dem in Figur 3 dargestellten
Schaltungsbeispiel für die Baugruppen 1û, 11 der beiden Ausf:ahrungsbeispiele ist
der Sollwert S und der Istwert I über je
einen Widerstand 30, 31
zusammengeführt un mit den invertierenden Eingängen zweier Operationsverstärker
32, 33 verbunden. in aus drei WIderständen 34 bis 36 bestehender Spannungsteiler
ist zwischen den positiven ?ol 37 einer Versorgungsspannungsquelle und Masse geschaltet.
Der Verknüpfungspunkt zwischen den Widerständen 34, 35 ist mit dem nicht invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 32 und der Verknüpfungspunkt zwischen den Widerständen
35, 36 mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 33 verbunden.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 33 ist über die Reihenschaltung einer ersten
Diode 37, mit einem Widerstand 38 und einer weiteren Diode 39 mit dem Ausgang des
Operationsverstärkers 32 verbunden.
-
Die Kathode der Diode 37 bildet den Ausgang der Schaltung und ist
über einen aus der Reihenschaltung eines Kondensators 40 mit einem Widerstand 41
bestehenden PI-Rückkopplungszweig zu den invertierenden Eingängen der beiden Operationsverstärkern
32, 33 rückgeführt.
-
Auf diese Weise wird für beide Operationsverstärker 32, 33 nur ein
einziger Rückkopplungszweig benötigt.
-
Die Klemme 37 ist über einen Widerstand h2 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers
33 verbunden.
-
Die Wirkungsweise der in Figur 3 dargestelten Schaltungsanordnung
besteht darin, daß über die Diode 37 nur positive Ausgangssignale des Operationsverstärkers
33 zum Ausgang gelangen können. 3iese liegen nur vor, wenn die Regelabweichung (Istwert
minus Sollwert) kleiner ist als die am Widerstand 36 abgegriffene Spannung. Durch
die Diode 35 können nur negative Ausgangsspannungen des Operationsverstärkers 32
zum Ausgang gelangen. Diese liegen nur vor, wenn i pg;labweichung größer als die
an \1ilerstand 35 abgegriffene
Spannung ist. Durch die Dimensionierung
der Widerstände 34, 36 kann somit die Totzone festgelegt werden.
-
Die dargestellte Schaltung kann auch als Präzisions-Einweg-Gleichrichter
mit inversem Betriebsverhalten bezeichnet werden. Das Ausgangssignal der dargestellten
Schaltung kann je nach Bedarf verschoben werden z.B. durch den in Figur 2 dargestellten
Spannungsteiler 27.
-
In Figur 4 ist ein Schaltungsbeispiel eines Spannungsrampengenerators
14 mit zwei nachgeschalteten Spannungs-Strom-Wanlern 15, 16 dargestellt. Die Signale
U13 bzw. U21, U22 (z.B, über ein ODER-Gatter verknüpft) sind über eine invers geschaltete
Diode 40 dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 41 zugeführt.
Dieser Eingang ist einmal über die Reihenschaltung eines Kondensators 42 mit einem
Widerstand 43 mit Masse und zum anderen über einen Widerstand 44 mit der Klemme
37 verbunden. Parallel zur Reihenschaltung 42, 44 ist ein weiterer Widerstand 45
geschaltet. Die Kathode der Diode 40 ist über einen Widerstand 46 mit der Klemme
37 verbunden. Der Verknüpfungspunkt zwischen dem Kondensator 42 und dem Widerstand
43 ist über eine weitere Diode 47 mit der Kathode der Diode 40 verbunden. Die beschriebene
Schaltung 40, 42 bis 47 stellt einen Integrierer dar.
-
Ein aus drei Widerständen 48 bis 50 bestehenden Spannungsteiler ist
zwischen die Klemme 37 und Masse geschaltet. Parallel zu den Widerständen 4f?, 5-)
ist die Reihenschaltung zweier Widerstände 51, 52 geschaltet. Der Verknüpfungspunkt
der Widerstände 48, 49, 51 ist an den invertierenden eingang es Operationsverstärkers
41 angeschlossen. Dessen Ausgang ist über eine invers geschaltete Diode 53 und einen
dazu in Reihe geschalteten Widerstand 54
mit der Basis eines Transistors
55 verbunden, dessen Kollektor über das elektromagnetische Stellglied 18 mit der
Klemme 37 und dessen Emitter mit dem Widerstand 50 verbunden ist. Parallel zur Basis-Kollektor-Strecke
ist eine Z-Diode 56 geschaltet. Die Basis des Transistors 55 liegt über einen Widerstand
57 an Masse.
-
Der Verknüpfungspunkt zwischen dem Widerstand 54 und der Diode 53
ist ïber eine Diode 58 mit einer Klemme 59 verbunden, an -die das Einschaltsignal
für den Spannungs-Strom-Wandler 16 anlegbar ist. Die Klemme 37 ist über einen Widerstand
60 an den Verknüpfungspunkt zwischen den Dioden 53, 58 angeschlossen. Eine der Schaltungsanordnung
53 bis 60 entsprechende Schaltungsanordnung 61 bis 68 ist ebenfalls an den Ausgang
des Operationsverstärkers 41 angeschlossen. Dabei sind die entsprechenden Bezugszahlen
jeweils um die Zahl acht erhöht.
-
Anstelle des Widerstands 50 tritt der Widerstand 53.
-
An die Klemme 67 werden die Einschaltsignale für den Spannungs-Strom-Wandler
15 angelegt.
-
Liegt ein Signal U13 bzw. ein Signal 21, U22 vor, so sind die Dioden
4C, 47 gesperrt und der kondensator 42 wird über die Widerstände 44, 43 aufgeladen.
Entsprechend dieser Aufladung steigt das Spannungssignal am Ausgang des Operationsverstärkers
41 an. Es entsteht eine Spannungsrampe. frist ein Steuersignal beendet, so wird
der Kondensator 42 über die Dioden 40, 47 entladen, so daß das Ausgangssignal des
Operationsverstärkers 41 negativer wird und über die Dioden 53, 61 die Transistoren
55, 63 sperrt. Da die Dioden 53, 58 einerseits bzw. 61, 66 andererseits die Funktion
von UND-Gattern haben, können die Transistoren 55, 63 auch über D-signale an den
Kemmen 59, 57 gesperr werden. Dies sind die Auswahlsignale für die beiden Spannungs-Strorn-Wandler
i, i6 gemä? den zu""cr Beschriebenen. Er folgt keine Sperrung
über
eine oder beide Dioden 58, 53 bzw. 66, 61, so wird der zugeordnete Transistor 55
oder o3 infolge des Spannungsteilers oO, 54, 57 bzw. 68, 62, 65 stromleitend. Die
Z-Dioden 56, o4 dienen zum Schutz der Transistoren 55 bzw. 63.
-
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die Steuerung zweier elektromagnetischer
Stellglieder beschränkt. Die Zahl der Stellglieder kann sowohl höher sein mit einer
entsprechend höheren Zahl von Spannungs-Strom-Wandlern und Mitteln zur Erzeugung
von Ausgangssignalen, wie auch im einfachsten Fall auf ein einziges Stellglied beschränkt
sein. In diesem Fall wird nur ein einziger Spannungs-Strom-Wandler benötigt. Die
Auswahlsignale können entfallen.
-
Leer seite