DE3222634C2

DE3222634C2 -

Info

Publication number: DE3222634C2
Application number: DE3222634A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Akashi Hyogo Jp Uezumi; Osamu Kobe Hyogo Jp Yamamoto; Akira Nara Jp Kaiko
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1981-06-17
Filing date: 1982-06-16
Publication date: 1990-07-12
Also published as: DE3222634A1; JPS57207901A; US4471281A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine digitale Regeleinrichtung, insbesondere zur Regelung von Gleich- und Wechselstrommotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Geschlossene Regelkreise zur Drehzahlregelung von Gleich- und Wechselstrommotoren, beispielsweise thyristorgesteuerte Motoren mit Ward-Leonard Satz werden vielfach in Verbindung mit einem auf Analogbasis arbeitenden Operationsverstärker betrieben. Aufgrund des raschen Fortschritts auf dem Gebiet von Mikroprozessoren besteht jedoch zunehmend der Wunsch, eine derartige Steuerung auf Digitalbasis vornehmen zu können.

In diesem Zusammenhang ist somit bereits ein frequenzanaloger Universalregler bekannt (sh. Zeitschrift "Regeltechnische Praxis", 1974, Heft 10, S. 249-254), bei welchem Sollwert und Istwert, die in Form von Frequenzen vorliegen, einem Frequenz- und Phasenvergleich unterzogen werden. Ausgangssignal des Reglers ist ein pulsbreitenmodulierter Rechteckpuls, mit dem man Tiefpaßstrecken direkt ansteuern kann. Entsprechend Bild 7 wird dabei eine Im pulsschaltung mittels eines Sollwertes, eines Istwertes und einer Trägerfrequenz.

Es ist ferner bereits eine digitale Regelung eines Gleichstrommotors als Vorschubantrieb für Werkzeugmaschinen bekannt (sh. Zeitschrift "Die Maschine" 1972, Heft 9, S. 69 und 70), bei welcher ein reversibler Zähler vorgesehen ist, mit dessen Ausgangssignal die Drehzahl des jeweiligen Motors festgelegt wird. Es handelt sich dabei jedoch um einen Schrittschaltmotor, welcher zum Stillstand gelangt, sobald die tatsächliche Position mit der vorgegebenen Position übereinstimmt. Der gesamte Regelvorgang ist somit im wesentlichen ein statischer Regelvorgang, welcher keine dynamische Regelung beispielsweise der Drehzahl eines Motors erlaubt. Der in diesem Zusammenhang vorgesehene Vergleichszähler zählt ferner laufend über zwei Dekaden hinweg von 0 bis 99, um auf diese Weise einen impulsbreitenmodulierten Drehzahlsollwert durch Vergleich des Vorwärts/Rückwärtszähler mit dem Vergleichszähler zu bilden. Das in diesem Zusammenhang vorgenommene Zählen von 0 bis 99 für die Ermittlung eines impulsbreitenmodulierten Signals ergibt jedoch eine relativ langsame Ansprechcharakteristik, so daß eine derartige digitale Steuerung nur in beschränktem Maße eingesetzt werden kann.

Unter Berücksichtigung dieses Standes der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung die digitale Regeleinrichtung zur Regelung von Gleich- und Wechselstrommotoren derart weiterzubilden, daß während des Betriebs eine voll dynamische Regelung der jeweiligen Einflußgröße erzielbar ist, wobei zusätzlich diese Regelung mit einer hohen An sprechcharakteristik durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies durch Vorsehen der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche 2-5.

Ein Impulsunterdrückungskreis, so wie er im Rahmen der Erfindung zum Einsatz gelangt, ist beispielsweise aufgrund des JA-OS 52-85 687 bekannt. Dieser Impulsunter drückungskreis ist dabei derart ausgebildet, daß er zwei Impulszüge addiert und den auf diese Weise gebildeten Additionsimpulszug kontinuierlich von einem weiteren Im pulszug subtrahiert, wodurch ein zu Steuerungszwecken verwendbarer Ausgangsimpulszug gebildet wird, bei welchem die einzelnen Impulse sowohl positive wie auch negative Polarität aufweisen können. Dieser Impulszug mit Impulsen positiver und negativer Polarität wird dann vorzugsweise einem Auf- und Abwärtszähler zugeführt, welcher ein Stufensignal bildet, das ebenfalls eine positive wie auch negative Polarität besitzen kann. Dieses Stufensignal kann dann einem Gatterimpulsgenerator zugeleitet werden, von welchem aus die Ansteuerung der vorgesehenen Thyristoren erfolgt, die im Speisekreis des jeweiligen Motors angeordnet sind.

Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert und beschrieben werden. Die Fig. 1, 2, 3 und 6 zeigen dabei Blockschaltbilder mit Thyristoren ausgerüsteten Ward-Leonard-Drehzahlregelkreisen.

Die Figuren zeigen dabei im einzelnen:

Fig. 1 ein herkömmliches analoges Steuerungssystem;

Fig. 2 ein derzeitiges programmiertes digitales Steuerungssystem;

Fig. 3 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerung;

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur näheren Erläuterung der Schaltungsanordnung einer Spannungssteuerung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4; und in

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerung.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer mit Thyristoren ausgerüsteten Ward-Leonard-Geschwindigkeitssteuerung, die auf einem herkömmlichen analogen Steuerungssystem basiert. Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 wird eine von einer Wechsel spannungsquelle 1 gelieferte Spannung mit Thyristoren 2 gleichgerichtet und treibt dann einen Gleichstrommotor 3. Die Thyristoren 2 werden von einem Taktimpulsgenerator getriggert und so gesteuert, daß der Motor 3 mit einem Gleichstrom (erste gesteuerte Variable) und einer Gleichspannung (zweite gesteuerte Variable) versorgt werden kann.

Operationsverstärker 5, 6 und 7 werden jeweils als Ge schwindigkeitssteuerung, Stromsteuerung (erste Steuereinrichtung) bzw. als Spannungssteuerung eingesetzt. Sie sind insgesamt kaskadenartig geschaltet und so gesteuert, daß der Motor 3 sich schließlich mit einer Geschwindigkeit drehen kann, die einem Geschwindigkeitsreferenzwert 8 entspricht. In der Zeichnung bezeichnen die Bezugszeichen Z₁ bis Z₉ Impedanzen, die gemäß den Charakteristiken der Ope rationsverstärker und einer Steuerungstheorie bestimmt werden.

Die Geschwindigkeitssteuerung 5 vergleicht das Referenzsignal 8 und ein Rückkopplungssignal von einem Tachometerdynamo 9, verstärkt die Differenz und liefert dann das verstärkte Signal der Stromsteuerung 6. Die Stromsteuerung 6 vergleicht das Ausgangssignal der Geschwindigkeitssteuerung 5 und ein Stromrückkopplungssignal von einem Hauptschaltungs- Stromwandler 10, verstärkt die Differenz und liefert dann das verstärkte Signal der Spannungssteuerung 7. Diese Stromsteuerung 6 hat zwei Funktionen, von denen die eine Funktion darin besteht, den Strom der Hauptschaltung so zu steuern, daß ein Hindurchfließen von irgendeinem übermäßigen Strom verhindert wird, während die andere Funktion darin besteht, die Änderungsgeschwindigkeit des Hauptschaltungsstromes zu unterdrücken, um zu verhindern, daß beim Motor 3 ein Überschlagen aufgrund einer übermäßigen Geschwindigkeitsänderung erfolgt.

Die Spannungssteuerung 7 vergleicht das Ausgangssignal der Stomsteuerung 6 und ein Spannungsrückkopplungssignal von einem Hauptschaltungs-Spannungswandler 11, verstärkt die Differenz und liefert dann das verstärkte Signal dem Takt impulsgenerator 4. Diese Spannungssteuerung 7 ist als Ver zögerungsschaltung erster Ordnung hinsichtlich der Steuerungs- bzw. Regeltheorie ausgebildet und hat zwei Funktionen. Eine von diesen ist die Eliminierung von nicht linearen Charakteristiken. Bei der Charakteristik des Thyristors 2 besteht der Nachteil, daß der Hauptschaltungsstrom in einer Periode unterbrochen wird, der jedem Zyklus der Wechselspannungsquelle 1 in einem Bereich von niedrigen Strömen zugeordnet ist, so daß die Steuerungsverstärkung abnimmt, was zu einem verringerten Ansprechen führt. Da in dieser Hinsicht die Spannungssteuerung 7, die als Verzögerungsschaltung erster Ordnung mit einer hohen Verstärkung ausgebildet ist, als interne Steuerungsschleife vorgesehen ist, kann die nicht lineare Charakteristik kompensiert werden, um das Abnehmen des Ansprechens bzw. der Empfindlichkeit zu verhindern.

Die andere Funktion der Spannungssteuerung 7 besteht in der Vereinfachung einer Umschalt-Schaltungsanordnung. Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 werden die Thyristoren 2 in zwei Richtungen betrieben, von denen die eine einem Betrieb entspricht, der als Vorwärts- bzw. Durchlaßbetrieb oder Wandlerbetrieb bezeichnet wird, wobei die Wechselspannungsquelle 1 ihre Leistung dem Motor 3 zuführt, während die andere einem Betrieb entspricht, der als Rückwärts- bzw. Sperrbetrieb oder Umkehrbetrieb bezeichnet wird, wobei der Motor 3 die Leistung der Wechselspannungsquelle 1 zurückführt. Normalerweise wird der Wandlerbetrieb durchgeführt, und eine Last wird vom Motor 3 getrieben. Zum Zeitpunkt des Anhaltens wird jedoch kinetische Energie, die die Last besitzt, von dem als Dynamo arbeitenden Motor 3 in elektrische Energie umgewandelt, und letztere wird über den Thyristor 2 zur Wechselspannungsquelle 1 zurückgeführt. Dementsprechend wird der Umkehrbetrieb auch als regenerierendes Bremsen bezeichnet. Wie oben erläutert, haben die Thyristoren zwei Betriebsarten, nämlich Vorwärts- und Rück wärtsbetriebsarten. Wie in der Zeichnung dargestellt, werden die beiden Betriebsarten von jeden jeweiligen Thyristoren getrennt voneinander durchgeführt. Wenn sich somit der Normalbetrieb zum Anhalten verschiebt, muß das zu triggernde Thyristorelement umgeschaltet werden.

Die Spannungssteuerung 7 hat den positiven Effekt, die Um schaltfunktion zu vereinfachen. Genauer gesagt, wenn die Spannungssteuerung 7 in die Form einer Steuerung gebracht wird, die eine hohe Verstärkung hat, aber eine Verzögerung erster Ordnung besitzt, mit anderen Worten eine Steuerung vom P-Typ (Proportionaltyp), kann die Abtastung für das Umschalten durchgeführt werden, indem man das Phänomen der ständigen Abweichung verwendet, das einer Steuerung vom P-Typ eigen ist. Der Grund ist der, daß in dem Falle, wo das Ausgangssignal der Stromsteuerung 6 und das Spannungs rückkopplungssignal des Ausganges vom Hauptschaltungs- Spannungswandler 11 bei der Anordnung gemäß Fig. 1 verglichen werden, eine kleine Abweichung stets existent ist, und daß die Polarität der Abweichung bei Vorwärtsbetrieb und Rückwärtsbetrieb umgekehrt wird. Wenn dementsprechend das Ausgangssignal des Spannungswandlers 7 beobachtet wird, wird seine Polarität in gleicher Weise bei Vorwärtsbetrieb und Rückwärtsbetrieb umgekehrt. Somit kann die Umschaltung zwischen den Thyristoren 2, welche für die beiden Richtungen, nämlich Vorwärts- und Rückwärtsrichtung sorgen, glatt und allmählich ohne Hindernis vorgenommen werden, indem man lediglich eine Polaritäts-Diskriminatorschaltung, die in Fig. 1 nicht dargestellt ist, an der Ausgangsseite der Spannungssteuerung 7 anordnet und das Umschalten der Thyristoren 2 entsprechend der Unterscheidung dieser Schaltung vornimmt. Dementsprechend ist eine komplizierte Umschalt- Logikschaltung nicht gesondert erforderlich. Dies ist einer der großen Vorteile, die mit der Einführung der Spannungs- Steuerung 7 erreicht werden.

Die obigen Darlegungen geben die Erläuterung für ein analoges Steuerungsstystem, das seit einer Zeit praktiziert worden ist, die vor dem Aufkommen von digitalen Steuerungen unter Verwendung eines Mikroprozessors liegt. Das analoge Steuerungssytem ist hinsichtlich des Falles erläutert worden, wo eine Geschwindigkeitssteuerung mit geschlossenen Regelkreisen der Spannungssteuerung und der Stromsteuerung ausgerüstet ist.

Andererseits hat eine Geschwindigkeitssteuerung, die auf einer programmierten digitalen Steuerung basiert und derzeit praktiziert wird, einen Aufbau gemäß dem Blockschaltbild in Fig. 2. Anstelle der Gruppe von Operationsverstärker in Fig. 1 ist ein Mikroprozessor 12 vorgesehen, der in Fig. 2 in Form eines Kastens angedeutet ist und die programmierte Steuerung vornimmt. Mit den Bezugszeichen 5 A, 6 A und 7 A in Fig. 2 sind auf Fig. 1 bezugnehmende Teile bezeichnet, die funktionell das Programm unterteilen. Das Bezugszeichen 5 A bezeichnet die Geschwindigkeitssteuerungsfunktion, das Bezugszeichen 6 A die Stromsteuerungsfunktion und das Bezugszeichen 7 A die Kompensationsfunktion der nicht linearen Charakteristik.

Ein digitalisiertes Geschwindigkeitsreferenzsignal 8 A wird mit einem Ausgangssignal von einem Geschwindigkeitsdetektor 9 B verglichen, der einen einer Geschwindigkeit entsprechenden digitalen Wert liefert, indem er die von einem Tachometer-Impulssignalgenerator 9 A erzeugten Impulse zählt und verarbeitet. Das resultierende Signal wird verarbeitet und dann von der Geschwindigkeitssteuerungsfunktion 5 A der Stromsteuerungsfunktion 6 A zugeführt. Die Stromsteue rungsfunktion 6 A vergleicht das Ausgangssignal von der Ge schwindigkeitssteuerungsfunktion 5 A und ein Ausgangssignal von einem Stromwandler 10 A, der einen Hauptschaltungsstrom in einen digitalen Wert umwandelt, verarbeitet die Differenz und liefert das resultierende Signal der Kompensationsfunktion 7 A für nicht lineare Charakteristiken.

Die Kompensationsfunktion 7 A für nicht lineare Charakteristiken überwacht das Ausgangssignal des Stromwandlers 10 A, und während der Unterbrechung des Stromes ändert sie die Regel- oder Steuerungsverstärkung in Abhängigkeit vom Betriebszustand zu dieser Zeit, um das Absinken des Ansprechvermögens zu verhindern, das auf der nicht linearen Charakteristik beruht, die den Thyristoren 2 eigen ist. Um den Betriebszustand zu überwachen, werden die Ausgangssignale vom Stromwandler 10 A und ein Ausgangssignal von einem Spannungswandler 11 A, der eine Hauptschaltungsspannung in einen digitalen Wert umwandelt, der Kompensationsfunktion 7 A für nicht lineare Charakteristiken zugeführt, und das Ausgangssignal der Stromsteuerungsfunktion 6 A wird außerdem berücksichtigt, um die Regel- bzw. Steuerungsverstärkung einzustellen. Somit wird ein Ausgangssignal zur Steuerung des Taktimpulsgenerators 4 erzeugt, der die gleiche Funktion wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1 besitzt.

Die vorstehenden Darlegungen geben eine Erläuterung für ein digitales Steuerungssystem unter Verwendung eines Mi kroprozessors, wie es bislang praktiziert worden ist. Das digitale Steuerungssystem ist dabei für den Fall der Anwendung auf die Geschwindigkeitssteuerung erläutert worden.

Bislang sind somit ein herkömmliches analoges Steuerungssystem unter Verwendung von Operationsverstärkern und ein programmiertes digitales Steuerungssystem unter Verwendung von Mikroprozessoren angegeben worden. Während beide Systeme im Hinblick auf das Ansprechverhalten der Geschwindigkeitssteuerung äquivalent sind, ist das digitale Steuerungssystem wesentlich besser im Hinblick auf die Steuerungsgenauigkeit und die Fähigkeit der Verarbeitung von Steuerungsinformation innerhalb des Steuerungssystems. In Zukunft wird daher ein mit Thyristoren ausgerüstetes Ward- Leonard-System, basierend auf dem digitalen Steuerungssystem, hauptsächlich zum Einsatz gelangen, insbesondere in Gebieten, die hohe Präzision erfordern.

Als Nachteil eines derzeitigen digitalen Steuerungssystems ist jedoch das Nichtvorhandensein einer Funktion zu erwähnen, die der der Spannungssteuerung 7 gleicht, um die zweite gesteuerte Variable im analogen Steuerungssystem gemäß Fig. 1 zu steuern. Die entsprechende Funktion ist die Kom pensationsfunktion 7 A der Nichtlinearität in Fig. 2, jedoch ist diese Kompensationsfunktion 7 A eine Steuerung, die auf einer offenen Schleife oder einem offenen Regelkreis basiert und nicht die Wirkung eines geschlossenen Regelkreises hat, wie es bei der Spannungssteuerung 7 in Fig. 1 der Fall ist.

Die oben genannten Umstände sind mit den derzeit zur Verfügung stehenden Mikroprozessoren unvermeidbar. Das analoge Steuerungssystem gemäß Fig. 1 hat ein Steuerungsansprechverhalten erreicht, das eine Grenzfrequenz von ungefähr ω _c=1000 Radien/sec zuläßt. Wenn beabsichtigt ist, ein dafür äquivalentes Ansprechverhalten mit einer Abtaststeuerung zu erhalten, die auf einem programmierten digitalen Steuerungssystem basiert, ist es technisch erforderlich, daß die Hauptschaltungssteuerung als Rückkopplungssignal etwa alle 200 bis 300 µsec digitalisiert wird und daß die Spannungssteuerungsfunktion, die unter Verwendung des Durchschnittswertes der zahlreichen digitalen Werte als Rückkopplungssignal verwendet wird, etwa alle 800 bis 1000 µsec durchgeführt wird. Irgendein Mikroprozessor, der diesen strengen Anforderungen jedoch in zufriedenstellendem Maße genügt, ist überhaupt nicht vorhanden, und kann auch in naher Zukunft nicht erwartet werden.

Dementsprechend wird die Abtastperiode geändert und erheblich bis zu dem Grade ausgedehnt, der vollständig von einem derzeit zur Verfügung stehenden Mikroprozessor be herrschbar ist, woraufhin die Kompensationsfunktion 7 A für die Nichtlinearität, die auf einem offenen Regelkreis basiert, hinzugefügt wird.

Da jedoch die Kompensationsfunktion 7 a einen offenen Regelkreis darstellt, ist eine exakte Kompensation unmöglich, wenn nicht sämtliche elektrischen Konstanten, wie z. B. die Charakteristik der Thyristoren 2 und die Widerstands- und Induktivitätskomponenten des Motors 3 vollständig bekannt sind. Genauer gesagt, vom Standpunkt des Herstellers der Vorrichtung tritt das schwierige Problem der mangelnden Reproduzierbarkeit in der Weise auf, daß die elektrischen konstanten Werte des zu betreibenden Motors 3 einzeln gemessen werden müssen oder daß der Test der Kombination zwischen der Thyristorbrücke und dem Motor zu jeder Zeit erforderlich ist. Andererseits ist vom Standpunkt des Benutzers der Vorrichtung die Wartung bzw. Instandhaltung in der Weise unbequem, daß dann, wenn der Motor ersetzt worden ist, die Kompensationsbedingungen neu eingestellt werden müssen. Im Gegensatz dazu ist bei einem herkömmlichen analogen Steuerungssystem gemäß Fig. 1 die Spannungssteuerung 7 als geschlossener Regelkreis ausgebildet. Somit ist die Steuerungs- oder Regelverstärkung nur durch eine Verstärkung eines Umlaufes bestimmt, welche von den Impedanzen Z₈ und Z₉, dem Taktimpulsgenerator 4, den Thyristoren 2 und dem Hauptschaltungs-Spannungswandler 11 bestimmt ist und nicht von den elektrischen konstanten Werten des Motors 3 abhängt. In dieser Hinsicht war das herkömmliche analoge Steuerungssystem bequem und angemessen. Außerdem ist für das Umschalten der betreffenden Thyristoren 2 von Vorwärtsbetrieb auf Rückwärtsbetrieb oder umgekehrt bei einem derzeitigen programmierten digitalen Steuerungssystem gemäß Fig. 2 eine komplizierte Umschalt- Logikfunktion unabhängig von der Kompensationsfunktion 7 A für die Nichtlinearität erforderlich. Die Gründe sind folgende. Bei einem herkömmlichen analogen Steuerungssystem gemäß Fig. 1 kann ein Steuerungssignal für das Umschalten gebildet werden, indem man lediglich die Polarität des Aus gangssignals der einen geschlossenen Regelkreis bildenden Spannungssteuerung 7 abtastet, bzw. unterscheidet, während bei einem digitalen Steuerungssystem gemäß Fig. 2 die Kom pensationsfunktion 7 A eine Steuerungsfunktion eines offenen Regelkreises ist und somit keine Vergleichs- und Dis kriminierungsfunktion hat. Da außerdem ein schnelles An sprechverhalten erforderlich ist, muß das Umschalten ganz separat berücksichtigt werden.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, bestehen die Nachteile von derzeitigen digitalen Steuerungssystemen darin, daß während die Spannungssteuerung, die die größte Wirkung trotz der einfachen Anordnung in herkömmlichen analogen Steuerungssystemen erreicht hat, d. h. die interne Spannungssteuerungsfunktion eines geschlossenen Regelkreises, im Verhältnis zum Leistungsvermögen eines Mikroprozessors als verwendetes Bauelement fallengelassen wird, muß die komplizierte Steuerungsfunktion eines offenen Regelkreises der Kompensationsfunktion für die Nichtlinearität unvermeidlicherweise eingeführt werden, um die erforderliche entsprechende Funktion technisch aufrechtzuerhalten, und daß eine Umschalt-Schaltungsanordnung für Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb erforderlich ist, unabhängig von der oben erwähnten Funktion.

Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist nachstehend anhand der Fig. 3 und 4 näher erläutert. Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer mit Thyristoren ausgerüsteten Ward- Leonard-Geschwindigkeitssteuerung, die der Anordnung in Fig. 2 entspricht. In Fig. 3 ist ein eingerahmter Bereich der Steuerungsbereich, für den der Mikroprozessor 12 sorgt. Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 ist es ähnlich wie in Fig. 2, daß das Bezugszeichen 5 A die Geschwindigkeitssteuerungsfunktion angibt, während das Bezugszeichen 6 A die Strom steuerungsfunktion bezeichnet. Außerdem sind die entsprechenden Funktionen der Wechselspannungsquelle 1, der Thyristoren 2, des Gleichstrommotores 3, des Taktimpulsgenerators 4, des digitalisierten Geschwindigkeitsreferenzsignals 8 A, des Tachometer-Impulssignalgenerators 9 A, des Geschwindigkeitsdetektors 9 B und des Stromwandlers 10 A völlig die gleichen wie bei einem derzeitigen digitalen Steuerungssystem gemäß Fig. 2. Dementsprechend liefert die erste Steuerung 6 A für die Stromsteuerung ein digitalisiertes Steuerungsausgangssignals 13 für den digitalen Spannungswandler, der in Fig. 3 mit 7 B bezeichnet ist. Die zweite Steuerung 7 B für die Spannungssteuerung ist eine unabhängige digitale Steuerungschaltung, die eingebaut ist, um genau die Steuerungsfunktion vorzunehmen wie die Spannungssteuerung 7 bei einem herkömmlichen analogen Steuerungssystem gemäß Fig. 1.

Ein analoges Hauptschaltungs-Spannungssignal 14 wird von einem Spannungs-Frequenz-Wandler (V/F-Wandler) 11 B in einen Impulszug 15 umgewandelt, dessen Frequenz proportional zu einer Hauptschaltungsspannung ist. Der Impulszug 15 wird an die Spannungssteuerung 7 B angelegt und von dieser verarbeitet, so daß ein digitalisiertes Steuerungsausgangssignal 16 für den Taktimpulsgenerator 4 erzeugt wird.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung von Einzelheiten der internen Schaltung der Spannungssteuerung 7 B aus der Anordnung gemäß Fig. 3 zusammen mit dem Spannungs- Frequenz-Wandler 11 B. Bei der Anordnung nach Fig. 4 wird das digitalisierte Steuerungsausgangssignal 13 gemäß der Stromsteuerungsfunktion 6 A in Fig. 3 von einem Wandler 17 in einen Impulszug 18 umgewandelt, dessen Frequenz proportional zum digitalen Wert ist. Außerdem wird das Steue rungsausgangssignal 16 der Spannungssteuerung 7 B von einem Wandler 19 in einen Impulszug 20 umgewandelt, dessen Frequenz proportional zum Steuerungsausgangssignal ist. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet einen Impulslöscher oder eine Impulsaufhebungsschaltung, die einen Impulszug 23 von vorwärts oder rückwärts gezählten Eingangsimpulsen für einen Vorwärts-Rückwärts-Zähler 22 erzeugt. Der Impulslöscher 21 erhält den Impulszug 18 in Form von vorwärts gezählten Impulsen sowie die Impulszüge 15 und 20 in Form von rückwärts gezählten Impulsen und gleicht benachbarte vorwärts und rückwärts gezählte Impulse gegeneinander aus, woraufhin der übrig gebliebene Rest als Impulszug 23 geliefert wird. Ein Beispiel für den Betrieb des Impulslöschers 21 ist in Fig. 5 zusammen mit dem Ausgangssignal 16 des Vorwärts- Rückwärts Zählers 22 dargestellt. In Fig. 5 bezeichnen die Bezugszeichen 15, 18, 20 bzw. 23 Signale von Impulszügen der entsprechenden Bauelemente in Fig. 4. Der Impulszug 23 ist in Fig. 5 so dargestellt, daß die positive Richtung für das Vorwärtszählen und die negative Richtung für das Rückwärtszählen genommen wird. Das Verfahren zum Löschen oder gegenseitigen Aufheben von Impulsen ist jedoch keinesfalls auf das Ausführungsbeispiel dieser Figur beschränkt. Das Ausgangssignal 16 des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 22 ist so dargestellt, daß sein Anfangswert ein ganzzahliger Wert N ist.

Als nächstes wird der Betrieb der Spannungssteuerung 7 B mit mathematischen Ausdrücken erläutert, und zwar in einer Darstellung des Zusammenhanges zwischen dem Ausgangssignal 16 und den Eingangssignalen 13 und 14 in Fig. 4. Dabei wird von folgendem ausgegangen:

digitaler Wert des Signals 13 = x₁₃
analoger Wert des Signals 14 = x₁₄
digitaler Wert des Signals 16 = x₁₆ (1)

Wie im Zusammenhang mit der Gruppe von Wandlern 11 B, 17 und 19 erläutert, sind die Frequenzen f₁₅, f₁₈ bzw. f₂₀ der jeweiligen Impulszüge 15, 18 bzw. 20 durch nachstehende Ausdrücke gegeben:

f₁₅ = a₁₄ · x₁₄
f₁₈ = a₁₃ · x₁₃
f₂₀ = a₁₆ · x₁₆ (2)

Dementsprechend ist die Frequenz f₂₃ des Impulszuges 23 nach dem Durchlaufen des Impulslöschers oder der Impuls aufhebungsschaltung 21 durch folgenden Zusammenhang gegeben:

f₂₃ = f₁₈ - f₁₅ - f₂₀
= a₁₃ · x₁₃ - a₁₄ · x₁₄ - a₁₆ · x₁₆ (3)

In Gleichung (3) bezeichnet das Pulszeichen des Wertes von f₂₃ ein Vorwärtszählen und ein Minuszeichen dieses Wertes ein Rückwertszählen. Außerdem gibt die Beziehung

f₂₃ = 0 (4)

an, daß der Impulszug 23 sich in dem Zustand befindet, wo kein Signal vorliegt.

Außerdem ist die Änderung des Ausgangssignals x₁₆ des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 22 pro Zeiteinheit gleich der Frequenz des eingegebenen Impulszuges 23. Somit gilt folgende Gleichung:

₁₆ = f₂₃ (5)

Die obigen Gleichungen (1) bis (5) ergeben folgende Abhängigkeit von den Werten x₁₃, x₁₄ und x₁₆:

₁₆ + a₁₆ · x₁₆ = a₁₃ · x₁₃ - a₁₄ · x₁₄ (6)

Die Durchführung der Laplace-Transformation ergibt dann

mit T _a = 1/a₁₆.

Dementsprechend arbeitet die in Fig. 4 dargestellte Schaltung als Verzögerungsschaltung erster Ordnung, und dies ist dem Betrieb der Spannungssteuerung 7 bei einem herkömmlichen analogen Steuerungssystem gemäß Fig. 1 völlig äquivalent. Somit können die "Kompensation von nicht linearen Charakteristiken" und die "Vereinfachung des Umschaltens zwischen Vorwärts- und Rückwärts-Betrieb", die Eigenschaften der Spannungssteuerung von herkömmlichen analogen Steuerungssystemen waren, so wie sie sind aufrechterhalten werden.

Außerdem sind sämtliche Baugruppen, nämlich der Spannungs- Frequenz-Wandler 11 B, die Wandler 17 und 19 für variable Frequenzen, der Impulslöscher 21 und der Vorwärts-Rückwärts- Zähler 22 als Bauelemente der Anordnung gemäß Fig. 4 ohne weiteres mit der derzeitigen Technologie verfügbar, auch wenn die für die Spannungssteuerung erforderliche Grenzfrequenz ω _c≅1000 Radian/sec berücksichtigt wird. Lediglich durch Kombination dieser Bauelemente wird somit der Vorteil erreicht, daß die komplizierte Kompensationsfunktion für die Nichtlinearität und die Umschalt-Schaltungsanordnung, die den derzeitigen digitalen Anordnungen mit Thyristoren eigen ist, beseitigt werden können.

Nachstehend wird eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung erläutert. Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung, bei der neben der in Fig. 3 und 4 dargestellten Spannungssteuerung eine Geschwindigkeitssteuerung und eine Stromsteuerung vorhanden sind, die unter Verwendung eines Impulslöschsystems oder Impulsaufhebungssystems ausgebildet sind. Ähnlich wie in Fig. 3 bezeichnen das Bezugszeichen 1 eine Wechselspannungsquelle, das Bezugszeichen 2 die Thyristoren, das Bezugszeichen 3 den Gleichstrommotor, das Bezugszeichen 4 den Taktimpulsgenerator, das Bezugszeichen 9 A den Tachometer-Impulssignalgenerator, das Bezugszeichen 11 B den Spannungs-Frequenz-Wandler, die Bezugzeichen 17 und 19 Wandler, welche digitale Werte in Impulsfrequenzen umwandeln, das Bezugszeichen 21 den Impulslöscher und das Bezugszeichen 22 den Vorwärts- Rückwärts-Zähler.

Außerdem wird das digitale Geschwindigkeitsreferenzsignal 8 A von einem Impulswandler 24 in einen Impulszug umgewandelt, und der Vergleich des Impulszugsignales mit dem Impulszugsignal der tatsächlichen Geschwindigkeit vom Tachometer-Impulssignalgenerator 9 A wird mit einem Impulslöscher 25 sowie einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 26 vorgenommen. Das heißt, die Schaltungen 24, 25 und 26 entsprechen der Geschwindigkeitssteuerung 5 in Fig. 1.

Anschließend wird ein digitaler Wert als Ausgangssignal des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 26 von einem Impulswandler 27 in einen Impulszug umgewandelt, und der Vergleich dieses Impulszugsignals mit dem Ausgangssignal eines Spannungs- Frequenz-Wandlers 28, der einen tatsächlichen oder aktuellen Stromwert in ein Impulszugsignal umwandelt, wird von einem Impulslöscher 29 sowie einem Vorwärts-Rückwärts- Zähler 30 durchgeführt. Das heißt, die Schaltungen 27, 28 und 29 entsprechen der Stromsteuerung 6 in Fig. 1. Die Verarbeitung eines Ausgangssignals vom Vorwärts-Rückwärts- Zähler 30 ist genau die gleiche wie bei den Anordnungen gemäß Fig. 3 und 4.

Das Bezeugszeichen 12 bezeichnet einen Mikroprozessor, der wahlweise vorgesehen sein kann, und zwar entsprechend speziellen anderen Steuervorgängen als der Standardsteuerung, z. B. der nicht linearen Steuerung etc. Der Mikroprozessor 12 ist mit den Zählern 26 und 27 verbunden und korrigiert erforderlichenfalls die vorhandenen Werte in diesen Zählern 26 bzw. 30.

Das bedeutet, daß bei dieser Ausführungsform der Mikroprozessor, der kostspielig und schwierig in der Handhabung ist hinsichtlich der Standardsteuerungen entfällt und nur für spezielle Steuerungen verwendet wird, so daß die Steuerung selbst mit geringen Kosten aufgebaut werden kann. Im Falle der Verwendung des Mikroprozessors hat die Steuerung einen Betriebsspielraum im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 oder Fig. 3, welches die internen geschlossenen Regelkreise, wie z. B. die Ge schwindigkeitssteuerung und die Stromsteuerung direkt unter Verwendung des Mikroprozessors durchführt, und somit ist es möglich, eine Funktionserweiterung vorzunehmen, wie z. B. eine Steuerungsinformationsverarbeitung, die nur vom Mikroprozessor durchgeführt werden kann.

Bei den oben beschriebenen beiden Ausführungsformen handelt es sich bei dem mit Thyristoren ausgerüsteten Ward- Leonard-System, das den Gleichstrommotor treibt, um das gesteuerte System. Das gesteuerte System ist jedoch nicht auf ein derartiges mit Thyristoren versehenes Ward-Leonard- System begrenzt, vielmehr kann die Erfindung auch Anwendung finden bei einer VVVF Versorgung zum Antrieb eines Wechselstrommotors und ganz allgemein bei sämtlichen Steuerungsfunktionen, die analoge Operationsvertärker verwenden. Insbesondere kann die Steuerungsschaltung gemäß Fig. 4 in einem gemeinsamen Gehäuse eine herkömmliche analoge Steuerung vollständig ersetzen, und es ist klar, daß eine derartige Anordnung in bequemer Weise einsetzbar und verwendbar ist.

Wie oben erwähnt, ist die digitale Steuerung, die bei einem mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden geschlossenen Regelkreis verwendbar ist, durch Kombination von Impulslöscher, Vorwärts-Rückwärts-Zähler und Frequenzwandler aufgebaut. Somit werden gemäß der Erfindung die Effekte erreicht, daß einerseits die schnellen geschlossenen Regelkreise von mit Thyristoren ausgerüsteten Ward-Leonard- Systemen usw. digitalisiert werden können, während andererseits die Funktionen von herkömmlichen Analogsteuerungen und Steuerungen hoher Präzision in einfacher und kostengünstiger Weise realisiert werden können.

Claims

1. Digitale Regeleinrichtung, insbesondere zur Regelung von Gleich- und Wechselstrommotoren, beispielsweise thyristorgesteuerten Motoren mit Ward-Leonard-Satz, bei welchen eine vorgegebene Sollgröße (13) sowie eine gemessene Istgröße (14) mittels Signalwandler (11 B, 17) in entpsrechende Impulssignale (15, 18) umgewandelt werden, die innerhalb einer digitalen Steuerschaltung (7 b) einem Impulsunterdrückungskreis (21) zugeführt sind, welcher im Rahmen einer Impulssubtraktion der beiden Impulssignale (15, 18) ausgangsseitig ein Impulssignal (23) mit Impulsen sowohl positiver wie auch negativer Polarität abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Impulsunterdrückungskreis (21) ein reversibler Zähler (22) nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal (16) über einen weiteren Signalwandler (19) einem dritten Eingang des Impulsunterdrückungskreis (21) zugeführt ist, welcher derart ausgebildet ist, daß er die einzelnen Impulse der Impulssignale (15, 20) des Istsignalwandlers (11 B) sowie des weiteren Signalwandlers (19) zusammenfaßt und die Impulse dieses durch Überlagerung gebildeten Impulssignals (15, 20) von den Impulsen des Impulssignals (18) des Sollsignalwandlers (17) subtrahiert.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Impulsunter drückungskreis (21) über den Istsignalwandler (11 B) zugeführten Istgröße (14) ein Spannungswert ist, während die dem Impulsunterdrückungskreis (21) über den Sollsignalwandler (17) zugeführte Sollgröße (13) einen vorgegebenen Stromwert darstellt.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem vorgegebenen Stromwert entsprechende Sollgröße (13) über zwei hin tereinandergeschalteten Steuerschaltungen (5 A, 6 A) von einem digitalisierten Drehzahlsollwertsignal (8 A) abgeleitet ist, wobei diesen weiteren Steuerschaltungen (5 A, 6 A) zusätzlich über entsprechende Signalwandler (9 A, 10 A) hinweg jeweils das digitalisierte Drehzahlistwertsignal eines Tachogenerators (9 A) bzw. ein digitalisiertes Stromistwertsignal zugeführt sind.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese weiteren Steuerschaltungen (5 A, 6 A) jeweils aus einem Signalwandler (24, 27), einem nachgeschalteten Impulsunterdrückungskreis (25, 29) sowie einem wiederum nachgeschalteten reversiblen Zähler (26, 30) aufgebaut sind.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reversiblen Zähler (26, 30) der weiteren Steuerschaltungen (5 A, 6 A) zusätzlich von einem Mikroprozessor (12) her angesteuert sind.