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Elektronischer Regler Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen
Regler, insbesondere zur Regelung der Drehzahl eines Motors mit vorgebbarer Charakteristik,
bestehend aus einem Istwertgeber, einem Sollwertgeber und einer Regelstrecke.
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Übliche Regelschaltungen haben einen Regelkreis mit Regelstrecke und
Stelleinrichtung, in dem sich ein geschlossener Wirkungsablauf vollzieht. Dazu wird
die zu regelnde technische oder physikalische Größe, die sogenannte Regelgröße,
fortlaufend erfaßt und durch Vergleich ihres Signals mit dem Signal einer vorgegebenen
Größe, der sog. Führungsgröße, die Regelabweichung bestimmt, von welcher durch die
Regeleinrichtung eine Stellgröße erzeugt wird. Dabei können solche Regler unterschiedliche
Regel-Charakteristiken aufweisen. Üblich sind beispieSweise ein proportionales (P),
ein integrales (I) und ein differenzierendes (D) Regelverhalten. Dies wird beispielsweise
beim PID-Regler nebeneinander erreicht.
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Aus der Elektrotechnik sind eine große Anzahl von Regelschaltungen
vorbekannt. Gerätetechnisch unterscheidet man einerseits zwischen kontinuierlichen
und diskontinuierlichen Regelschaltungen und weiterhin auch zwischen analogen und
diskreten Regelschaltungen. Insbesondere Tastregelungen, bei denæn z.B. die Regelabweichung
nur zu bestimmten Zeitpunkten erfaßt wird, beinhltn diskontinuierliche Regelschaltungen.
Darüber
hinaus sind auch bereits digitale Regelschaltungen bekannt,
bei denen der getastete Wert in einem Analog-Digital-Umsetzer codiert und einem
in den Regelkreis einbezogenen Prozeßrechner zugeführt wird. Dafür ist also ein
Rechner, beispielsweise Mikroprozessor mit zugehörigen Peripheriekomponenten notwendig,
wobei der Aufwand für Hardware einerseits und Software andererseits nicht vernachlässigt
werden darf.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen elektronischen Regler
zu realisieren, der kein zusätzliches Prozessorsystem benötigt.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch Anwendung
der Delta-Modulation ein digitaler Regler realisiert wird, wozu der'Sollwertgeber
ein von einem Taktgeber angesteuerter Zähler und der Istwaggebs enAnSbibigtG -Wandler
für den mittels Signalgeber erfaßten Istwert oder ein digitaler Signalgeber ist,
deren Ausgangssignale in einem digitalen Vergleicher verglichen werden.
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Durch Anwendung einer Delta-Modulation läßt sich also in einfacher
Weise ein digital arbeitender Regler realisieren. Die Delta-Modulation ist ein in
der Nachrichtentechnik bekanntes Verfahren zur Umsetzung von analogen Signalen in
eine Folge digitaler Impulse.
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Dazu wird ein analoges Eingangssal zyklisch abgefragt. Eine Komparatorschaltung
prüft im Abfragetakt, ob das Eingangssignal gegenüber dem vorhergehenden Taktsignal
größer oder kleiner/gleich ist. Ist das Signal größer geworden, so wird der digitale
Ausgang auf "EINS" gesetzt, andernfalls bleibt der Ausgang auf "NULL". Dieses ist
im einzelnen weiter unten in der zugehörigen Beschreibung erläutert.
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Besonders vorteilhaft ist, daß bei vorliegender Erfindung kein komplizierter
Schaltungsaufbau notwendig ist. Es läßt sich sowohl ein Regler mit P-Charakteristik
als auch ein Regler mit PD-Charakteristik realisieren. Im ersten Fall bewirkt die
Delta-Modulation eine Regelung mit konstanter Schrittweite, während im zweiten Fall
die Schrittweite veränderlich, d.h. adaptiv an die Verhältnisse anpaßbar ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
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Es zeigen: Fig. 1 das Prinzip der Delta-Modulation, Fig. 2 ein Blockschaltbild
zur Realisierung einer Delta-Modulation, Fig. 3 ein Blockschaltbild zum Aufbau einer
Regelschaltung durch Delta-Modulation mit konstanter Schrittweite und Fig. 4 ein
Blockschaltbild einer Regelschaltung durch Delta-Modulation mit veränderlicher Schrittweite.
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In der Figur 1 bedeuten Ue ein Eingangssignal, Uref ein Vergleichssignal
und Ua ein Ausgangssignal. Wie bereits oben erwähnt ist, wird durch eine derartige
Delta-Modulation durch Vergleich des Eingangssignals mit dem Referenzsignal in der
Figur angedeuteten Takt eines Taktgebers eine Umsetzung der analogen Signale in
eine Folge von digitalen Impulsen erreicht.
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Dies kann beispielsweise mit einer Schaltung gemäß Figur 2 durchgeführt
werden: In dieser Figur haben die Signale Ue, Uref und Ua die bereits definierte
Bedeutung. Das Signal Ue gelangt auf den Pulseingang eines Komparators 1. Dessen
Ausgangssignal wird mit einem Taktsignal in ein Flip-Flop 2) tn dm dessen Clock-Eingang
ein Taktgeber 3 angeschlossen ist, übernommen.
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Das Ausgangssignal des Flip-Flops 2 stellt die digitale Impulsfolge
Ua dar. Die Impulsfolge dient außerdem nach Mittelwertbildung in einem Tiefpaß mit
Widerstand 4 und Kondensator 5 als Vergleichssignal für den Komparator 1 das vom
Ausgang des Flip-Flops 2 auf den Minus eingang des Komparators 1 zurückgekoppelt
wird.
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Obiges aus der Nachrichtentechnik vorbekanntes Modulationsverfahren
wird nun zum Aufbau einer digitalen Regelstrecke verwendet: Beispielsweise soll
die Drehzahl eines Motors geregelt werden, aber auch für andere Regelungen ist das
gleiche Verfahren verwendbar.
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In der Figur 3kgn«echEt 10 enEn Motor mit einer Drehachse 11. An der
Drehachse ist ein Winkelgeber 12 angebracht, welcher ein für den Drehwinkel spezifisches
Ausgangs signal liefert. Dieses Ausgangssignal stellt den Istwert dar und gelangt
auf einen Analog/Digital-Wandler 13. Es ist auch möglich, einen digitalen Winkelgeber
zu verwenden, so daß ein Digitalsignal unmittelbar zur Verfügung steht.
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Mit 14 ist ein digitaler Zähler bezeichnet, der als Sollwertgeber
dient und dem ein Taktgenerator 15 zugeordnet ist. Die digitalen Ausgangssigale
des A/D-Wandlers 13 und des digitalen Zählers 14 gelangen auf die Vergleichseingänge
B bzw. A eines digitalen Ver-
gleichers 16, in dem ein Vergleich
der eingegebenen, binär codierten Informationen erfolgt.
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Das Ausgangssignal A)B des digitalen Vergleichers 16 wird mit dem
Statussignal des At-Wandlers 13 in einem UND-Glied 17 verknüpft und triggert eine
monostabile Kippstufe 18. Das Signal der monostabilen Kippstufe 18 mit vorgegebener
Setzzeit gelangt über einen Widerstand 19 mit nachgeschalteter Diode 20 auf ein
RC-Glied 21, 22 welches als Tiefpaß wirkt. Der monostabilen Kippstufe 18 ist ein
weiteres RC-Glied 23 und 24 zugeordnet.
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Am Kondensator 21 des Tiefpasses 21, 22 entsteht also eine treppenförmige
Spannung in Abhängigkeit des Zustandes des digitalen Vergleichers 16. Nach Verstärkung
dieser Spannung in einer Endstufe 25 wird der zu regelnde Motor 10 mit dieser Treiberspannung
angesteuert.
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Die Regelstrecke gemäß der Figur 3 zeigt näherungsweise eine P-Charakteristik.
In vielen Anwendungsfällen ist ein zusätzlicher D-Anteil in der Regelstrecke erwuecht,
um eine schnelle Reaktion auf sprunghafte Änderungen des Sollwertes zu ermöglichen.
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Eine derartige Schaltungserweiterung ist in Figur 4 dargestellt.
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In Figur 4 bedeuten 30 ein Motor mit einer Drehachse 31 und daran
angeschlossenem Winkelgeber. Entsprechend Figur 3 wird die gemessene Winkelinformation
im A/D-Wandler 33 als Digitalinformatiün gewandelt. Mit 34 ist wiederum ein digitaler
Zähler als Sollwertgeber und zugehörigem Taktgeber bezeichnet. Die Digitalinformation
vom A/D-Wandler 33 und Zähler 34 gelangt ebenfalls auf einen digitalen Vergleicher
36.
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Soweit entspricht die Schaltung exakt der Figur 3.
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Es werden aber nun alle drei Ausgangssignale des Vergleichers und
zwar für A<B,A=B,A>B ausgenutzt. Alle Signale werden jeweils mit dem Statussignal
des A/D-Wandlers 33 in jeweils zugeordneten UND-Gliedern 37, 38 und 39 verknüpft.
Die so verknüpften Signale werden den verschiedenen Eingängen eines digitalen Zählers
40 aufgeschaltet. Im einzelnen gelangt das Signal A=B auf den Rücksetzeingang des
Zählers 40, der damit auf den Wert Null gesetzt wird. Das Komporatorsignal A>B
gelangt auf den l'count-upt'-Eingang des Zählers 40, so daß sich der Zählerstandjeils
um eins erhöht, wenn der Sollwert größer als der Istwert ist. Entsprechend wird
das Komparatorsignal A<B auf den Eingang countdown" gelegt, wodurch jeweils der
Zählerstand um eins erniedrigt wird, wenn der Sollwert kleiner als der Istwert ist.
Der Zählerstand des digitalen Zählers 40 wird in einem digitalen Addierer 41 zu
dem in einem nachgeschalteten Speicher (latch) 41 gespeicherten Wert aufaddiert.
Dabei erfolgt die Addition und Zwischenspeicherung in der Art, daß der jeweils neu
errechnete Wert des Addierers 40 anschließend wieder im latch 41 gespeichert wird.
Aus diesem Wert wird nach Analogwandlung in einem Digital/Analog-Wandler 42 eine
Steuerspannung gewonnen.
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Das Taktsignal für die uebernahme des im Speicher 41 zwischengespeicherten
Signals wird als Clock-Signal aus dem Statussignal des Analog/Digital-Wandlers 33
erzeugt. Dabei wird im Verzögerungsglied 44 eine Zeitverzögerung eingestellt, die
die Durchlaufverzögerung der digitalen Schaltung berücksichtigt.
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Dem Digital/Analog-Wandler 42,. der das Steuersignal für den Motor
30 liefert, ist weiterhin noch eine Endstufe 44
zur Verstärkung
des Steuersignals nachgeschaltet, so daß ein Treibersignal geeigneter Stärke vorhanden
ist.
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Der weitgehend digitale Aufbau der in den Figuren 3 und 4 beschriebenen
Regelschaltungen hat im Vergleich herkömmlicher Regelschaltungen den wesentlichen
Vorteil, daß aufwendige Einstellarbeiten fortfallen.
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Während die Ausführungsform nach Figur 3 mit konstanter Schrittweite
arbeitet, ist letztere bei der Ausführungsform nach Figur 4 veränderlich. Insbesondere
hier zeigt sich auch der Vorteil der Digitaltechnik, da eine bei analoger Technik
zu Instabilität neigende und meist schwierig abzugleichende Differenzierschaltung
zur Erzeugung eines D-Anteils in der Regelcharakteristik vermieden ist.
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4 Figuren 9 Patentansprüche