DE3243549C2

DE3243549C2 - Regelvorrichtung für die volldigitalisierte Drehzahlreglung einer Nähmaschine bzw. eines Nähautomaten

Info

Publication number: DE3243549C2
Application number: DE3243549A
Authority: DE
Inventors: Horst 4900 Herford Plassmeier
Original assignee: Duerkoppwerke 4800 Bielefeld GmbH; Duerkoppwerke GmbH
Current assignee: Duerkopp Adler AG
Priority date: 1982-11-25
Filing date: 1982-11-25
Publication date: 1986-05-07
Also published as: US4586123A; IT1194469B; JPS6233836B2; IT8323809A1; IT8323809A0; DE3243549A1; JPS59106890A

Abstract

Es wird eine Regelvorrichtung beschrieben, die aus einem Mikrocomputer (1) und zwei Bausteinen (2, 6) besteht, die zwecks Datentransfer über einen Steuerbus (3) und einen Datenbus (4) mit dem Mikrocomputer (1) verbunden sind. Der aus den Zählern (Z1, Z2) bestehende Baustein (2) arbeitet nur bei der Istwertmessung, der aus dem Bit-Raten-Generator (Z3) und dem programmier- und retriggerbaren, monostabilen Multivibrator (Z4) bestehende Baustein (6) arbeitet nur bei der Bildung der Stellgröße mit dem Mikrocomputer (1) zusammen. Beim Soll-Ist-Vergleich wird die Regelabweichung aus binären, den Kehrwerten der Soll- und Istdrehzahl entsprechenden Größen gebildet. Erfindungsgemäß wird für jeden Sollwert ein Datenblock mit individuellen Parametern für die Berechnung des Tastverhältnisses der Rechteck-Spannung Uk im Programmspeicher abgelegt. Die vom Multivibrator (Z4) gebildete Rechteck-Spannung Uk ist die Stellgröße. Sie wird direkt auf den Treiber (7) der Kupplung (8) des Elektromotors gegeben. In einem weiteren Anwendungsfall der besagten Regelvorrichtung kann Uk direkt an einen Gleichstrommotor gelegt werden.

Description

a) die Regelvorrichtung besteht im wesentlichen aus πβγ einem Mikrocomputer (1) und dem mit ihm über einen Steuerbus (3) und einen Datenbus (4) verbundenen Eingabe- und Ausgabebaustein (2,6),

b) eine vom Mikrocomputer (1) gebildete Rechteck-Spannung (Uc) mit der quarzstabilsierten Zählfrequenz (f_c) liegt &κ den Zähleingängen (CLK 1, CLK 2) der im Eingabebaustein (2) enthaltenen zwei Zähler (Z t,Z2),

c) die vom an sich bekannten optoelektronischen Drehzahlfühler gebildete Rechteck-Spannung (U₁) mit oer Frequenz (f) liegt an einem Toreingang (G 1) des ersten Zäw'.ers (Z 1) und an dem Eingang eines inverters (5),

d) der Ausgang des Inverters (") ist mit einem Toreingang (G 2) des zweiten Zählers (Z 2) und mit einem Port ('fydes Mikrocomputers (i) verbunden,

e) für die Berechnung der Stellgröße sind im Programmspeicher die Kehrwerte der Solldrehzahlen abgelegt,

f) im Programmspeicher ist für jeden Sollwert ein Datenblock für die Berechnung der Reglerausgangsgröße (T₁) abgelegt,

g) der Ausgabebaustein (6) enthält einen Bit-Raten-Generator (Z3), der nach einer fest einprogrammierten Anzahl von Impulsen am Zähleingang (CLK 3) einen Taktimpuls am Ausgang (Q 3) abgibt und einen digital arbeitenden, programmier- und retriggerbaren, monostabilen Multivibrator (Z4) mit dem Zähleingang (CLK 4), dem Ausgang (Q 4) und dem Toreingang (C 4),

h) an den Zähleingängen (CLK 3, CLK 4) des Bit-Raten-Generators (ZVj und des monostabilen Multivibrators (Z4) liegt die vom Mikrocomputer (1) gebildete Rechteck-Spannung (U_c) als Zeitbasis,

i) an dem Toreingang (G 4) des Multivibrators (Z4) werden die vom Bit-Raten-Generator (Z 3) erzeugten Taktimpulse angelegt,

k) als Verzögerungszeit des Multivibrators (Z4) wird die Reglerausgangsgröße (T) durch den Mikrocomputer (1) in den Multivibrator (Z4) einprogrammiert,

m) die vom Multivibrator (Z4) gebildete Rechteck-Spannung (Uk) dient als Stellgröße für die volldigitalisierte Drehzahlregelung.

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählfrequenz (f_c) der vom Mikrocomputer (1) gebildeten Rechteck-Spannung (Uc) sehr groß gegenüber der Frequenz (fi) der Drehzahlimpulse ist und daß die vom Multivibrator (Z 4) gebildete Rechteck-Spannung (Ui) mit der Frequenz (fk) direkt auf einen Treiber (7) der Kupplung (8) des Elektromotors gegeben wird.

3. Regelvorrichtung nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Nachbildung eines Integralreglers die Integrationszeit (T_n) durch die Ausführungszeit des Mikrocomputer-Programms gebildet wird.

4. Regelvorrichtung nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Multivibrator (Z4) gebildete Rechteck-Spannung (Ui) mit der Frequenz (Ti) an einen die Armwelle antreibenden Gleichstrommotor gelegt wird.

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist eine, lediglich einen Proportionalregler realisierende Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines Elektromotors gemäß, dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt (DE-OS 28 33 981), bei der die Istwertmessung der Motordrehzahl auf digitalem Wege mittels eines optoelektronischen Drehzahlfühlers ermöglicht wird, bei der ferner der der Solldrehzahl entsprechende Motorstrom (Erregerstrom) errechnet und in einen Analogwert umgesetzt wird, der — anschließend verstärkt — dem Elektromotor als Stellgröße zugeführt wird. Die bekannte Anordnung ermöglicht jedoch nicht — da als Stellgröße ein Analogwert verwendet wird --, daß eine voiidigitaiisierte, nahezu veriustiose Drehzahlregelung an einem Elektromotor mit relativ großer Leistung durchführbar ist, und daß ferner auch höherwertige Reglerfunktionen (PI- bzw. PfD-Regfer oder Mischformen von stetigen/unstetigen Reglern) bei relativ hohen Ein-/Ausgabefrequenzen und bei großen Sollwertschwankungen erreichbar sind.
Außerdem ist ein Positionierantrieb für eine Nähmaschine, der von mindestens einem 8-bit-Mikroprozessorsystem gesteuert wird, bekannt (DE-OS 29 38 040), bei dem die Istwertdrehzahl auf digitalem Wege mittels eines fest mit der Armwelle der Nähmaschine verbundenen, optoelektronischen Inkrementalgebers durchge-

5C- führt, die Sollwertvorgabe in analoger Form durch eine Widerstand/Kondensator-Beschaltung des spannungsgesteuerten Oszillators ermöglicht und nach erfolgtem Soil-Ist-Vergleich die Stellgröße in digitaler Form als Spannung mit variablem Tastverhältnis auf die Bremse/ Kupplungskombination gegeben wird. Auch dieser bekannte Positionierantrieb ermöglicht keine volldigitalisierte Drehzahlregelung und weist außerdem den Nachteil auf, daß Potentiometer-Abgleicharbeiten unumgänglich sind.

In der Fachzeitschrift »Regelungstechnische Praxis«, Jahrgang 1978, Heft 12, S. 355 bis 359 wird eine Motor= regelung mit Mikrorechner beschrieben, bei der es mittels eines N-MOS-Rechners möglich ist, besagten Elektromotor im Kilohertzbereich zu steuern und zu regeln.

Hierbei wird eine digitale Drehzahlerfassung durch optische oder induktive Geber ermöglicht, und zur Speisung des Elektromotors werden digitale, pulsbreitenmodulierte Signale verwendet. In dem zitierten Aufsatz

werden verschiedene Möglichkeiten der digitalen Nachbildung des aus der Analogtechnik bekannten Sägezahnverfahrens für die Pulsbreitenmodulation beschrieben. Als Nachteil ist dabei anzumerken, daß bereits der mit den vorgeschlagenen Programmiertechniken realisierte PI-Regler im Hinblick auf einen Nähantrieb entsprechend der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung zu langsam arbeitet Bei der beschriebenen Motorregelung mit Mikrorechner werden außerdem keine Schaltungsmaßnahmen aufgezeigt, um den Mikrorechner zeitlich zu entlasten, damit genügend Rechenzeit für komplexere Reglertypen und für zusätzliche Steuerungsaufgaben zur Verfugung steht

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelvorrichtung für volldigi- is talisierte Drehzahlregelung zu schaffen, bei der mit einem wenig aufwendigen Rechner (8-bit-Rechner) auch höherwertige Reglerfunktionen bei relativ hohen Ein-/ Ausgabefreqenzen und bei großen Sollwertschwankungen erreichbar sind.

Mit der Regelvorrichtung nach der Erfindung ist ss nun möglich:

1. eine volldigitalisierte Drehzahlregelung bei geringem Bauteileaufwand und bei Verwendung nur eines 8-bit-Mikrocomputers zu erreichen,

2. daß durch geeignete Schaltungsmaßnahmen für die digitale Istwertmessung und die Bildung der Stellgröße der Mikrocomputer zeitlich entlastet wird,

3. daß Abgleich- und Einstellarbeiten entfallen, weil alle Frequenzen für den Istwertzähler und die Stellgrößengeneratoren aus dem quarzstabilisierten Arbeitstakt des Mikrocomputers abgeleitet werden,

4. eine verzögerungsfreie Messung der Armwellendrehzahl durch das Zählen von Impulsen der Zählfrequenz zu erreichen, wobei die vom Jnkrementaigeber für den Drehzahl-Istwert abgeleitete Frequenz sehr klein gegenüber besagter Zählfrequenz ist.

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Zweckmäßige Weiterbildungen des Gegenstandes nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen beschrieben. Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 wird erreicht, daß der Gegenstand nach Anspruch 1 als Integralregler ausgebildet ist. Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird die volldigitalisierte Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors erreicht

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der F i g. 1 bis F i g. 12 erlä'j'ert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild, aus dem der prinzipielle Aufbau der erfindupgsgemäßen Regelvorrichtung zu ersehen ist,

Fig. 2 Spannung-Zeit-Diagramme für die Istwertmessung,

F i g. 3 ein Flußdiagramm für die Istwertmessung,

F i g. 4 Spannung-Zeit-Diagramme für die Bildung der Stellgröße,

F i g. 5 ein Blockschaltbild, aus dem die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung zu ersehen ist,

F i g. 6 ein Flußdiagramm, aus dem die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung zu ersehen ist.

F i g. 7 ein Flußdiaizramm für die Bildung des Proportionalanteiles der Stellgröße, Fig. 8 ein Flußdiagramm für die Pl-Regelung,

Fig. 9 ein Drehzahl-Zcit-Diagramm für einen Beschleunigungsvorgang,

Fig. 10 ein Drehzahl-Ist-Diagramm für einen Bremsvorgang,

F i g. 11 ein Drehzahl-Zeit-Diagramm für einen Beschleunigungsvorgang auf Maximal-Drehzahl,

F i g. 12 ein Diagramm, das Auskunft über den Zusammenhang der Istdrehzahl zur Regelabweichung gibt

Mit der Bezugszahl 1 wird ein 8-bit Mikrocomputer bezeichnet, der entweder mit einem Baustein 2 oder mit einem Baustein 6 in bekannter Weise zusammenarbeitet Zwecks Datentransfer sind die Bausteine 2, 6 über einen Steuerbus 3 und einen Datenbus 4 mit dem Mikrocomputer 1 verbunden. Nach entsprechender Programmierung enthält der Baustein 2 zwei Zähler Zl und Z2, während der Baustein 6 einen Bit-Raten-Generator Z3 und einen programmier- und retriggerbaren, monostabilen Multivibrator Z4 aufweist Gemäß Fig. 1 ist der Ausgang CL des Mikrocomputers 1 mit den Zählereingängen CLK1 und CLK 2 der im Baustein 2 enthaltenen Zähler Zl und Z2 sowie mit de:.? Eingang CLK 3 des Bit-Raten-Generators Z3 und mit Jem Eingang CLK 4 des Multivibrators Z4 verbunden. Zwischen dem Toreingang G1 des Zählers Z1 und dem Toreingang G 2 des Zählers Z2 ist ein Inverter 5 vorgesehen. Der Torcmgang G 2 ist mit dem Port Pdes Mikrocomputers 1 verbunden. Der Ausgang Q 3 des Bit-Ratengenerators Z3 ist mit dem Toreingang G 4 des Multivibrators Z 4 verbunden. An dessen Ausgang Q 4 ist ein Treiber 7 und die Kupplung des Elektromotors angeschlossen.

Die Wirkungsweise der Regelvorichtung, die aus F i g. 5 und F i g. 6 deutlich zu ersehen ist, wird nachfolgend näher beschrieben.

Wesentlich ist, daß der Mikrocomputer 1 bei der Istwertmessung nur mit dem Baustein 2, bei der Bildung der Steilgröße nur mit dem Baustein 6 zusammenarbeitet.

Der Mikrocomputer 1 liefert die an den Eingängen CLK 1 und CLK 2 der Zähler Zl und Z2 anliegende Recbteckspannung U_c mit der quarzstabilisierten Zählfrequenz fc. Ein an sich bekannter, fest mit der Armwelle der Nähmaschine verbundener Inkrementalgeber liefert die Rechteck-Spannung Ui mit der Frequenz f,. Der Inkrementalgeber ist so beschaffen, daß die Impulsdauer der Rechteck-Spannung £/, gleich der Pause zwischen zwei Impulsen ist. Die Zählfrequenz f_c ist sehr groß gegenüber der Frequenz /)·. Der Toreingang G 1 wird mit der Rechteck-Spannung U, beaufschlagt. Der Inverter 5 bewirkt, daß am Toreingang G2 des Zählers Z2 das Komplement von U, anliegt. Über das Port P kann der Mikrocomputer 1 zu einem beliebigen Zeitpunkt fest stellen, ob ein Impuls oder die Pause zwischen zwei Impulsen von U/ vorliegt.

F i g. 2 zeigt die durch Programm vorgegebene Funktion der beiden Zähler Zl und Z2, dargestellt am Beispiel Zl. Die Zählfrequenz f_c liegt am Eingang CLK 1. Durch eine steigende Flanke der am Toreingang G 1 anliegenden Rechteck-Spannung £/, wird der Zähler Z1 auf den Wert »Null« gestellt und beginnt mit der Zählung der Impulse von U₁- Bei einer fallenden Flanke an G 1 wird die Zählung angehalten. Solange der Toreingang G 1 auf L-Pegel (niedrig) liegt, kann der Zählerstand abgerufen werden.

Aus Fig. 3 ist die funktion der Istwertmessung ersichtlich. In diesem Flußdiagramm bedeuten: P— Port des Mikrocomputers 1 und H=//-Pegel (hoch). Die Zähler ZI und Z2 zählen die Impulse von U_c. wenn der entsprechende Toreingang Cl oder G 2 auf

liegt. Durch die Schaltung der Regelvorrichtung ist vorgegeben, daß der Zähler Z1 während der Impulse von U, zählt und der Zähler Zl während der Pause, die zwischen zwei Impulsen von i/, auftritt, zählt. Außerdem bewirkt der Inverter 5, daß während der Zählphase eines Zählers (G auf //-Pegel) der andere Zähler gesperrt ist (G auf /.-Pegel). Über das Port P kann der Mikrocomputer zu jedem beliebigen Zeitpunkt feststellen, welcher Zähler gerade gesperrt ist und daher ausgelesen werden kann. Liegt Pauf //-Pegel, kann Zähler Zl, liegt Pauf L-Pegel, kann Zähler Z2 gelesen werden.

Erhält der Mikrocomputer 1 zum Zeitpunkt TA (Fig.2) den Befehl »Istwert lesen« (Fig.3), wertet er den Zählerstand von Z 1 aus, der sich in der Periode ZA (F i g. 2) ergeben hat. Dieser Zählerstand stellt die Zeitdauer des letzten Impulses des Istwertgebers in binärer Form dar. Wenn zum Zeitpunkt TA der Zähler Z1 ausgelesen wird, zählt der Zähler Z2 die während der gerade vorliegenden Pause, die zwischen zwei Impulsen von U₁ liegt, auf tretenden Impulse von Uc-

Erhält der Mikrocomputer I zum Zeitpunkt TB (Fig. 2) den Befehl »Istwert lesen« (Fig.3), wertet er den Zählerstand von Z2 aus, der sich in der Periode ZB (F i g. 2) ergeben hat. Der Zählerstand von ZZ stellt die Zeitdauer der letzten Pause zwischen zwei Impulsen von £/,in binärer Form dar.

Aus Kostengründen werden für die Istwertmessung Inkrementalgeber eingesetzt, die je Umdrehung der Armwelle eine möglichst kleine Anzahl von impulsen liefern. Daher sind Verdopplerschaltungen für die Istwertfrequenz üblich, die wegen unvermeidbarer Abgleicharbeiten nachteilig sind. Im Gegensatz hierzu wird bei der hier beschriebenen Regelvorrichtung ein Impuls bzw. die Pause zwischen zwei Impulsen der zu messenden Frequenz ausgewertet, wodurch abzugleichende Verdopplerschaltungen nicht erforderlich sind.

Bei der zu jedem beliebigen Zeitpunkt möglichen Abfrage des Istwertes der Armwellendrehzahl durch den Mikrocomputer 1 liegt immer der Meßwert in binärer Form vor. der dem letzten abgelaufenen Impuls oder der letzten abgelaufenen Pause zwischen zwei Impulsen der Frequenz des Inkrementalgebers entspricht. Die Zeit, die zwischen dem Vorliegen eines Meßwertes und dem Vorliegen des nächstfolgenden Meßwertes liegt, ist nur von der Teilung des Inkrementalgebers abhängig. Dadurch wird gegenüber der bisher üblichen Mittelwertbildung des Istwertes durch die Summation der Impulse Zeit eingespart, die für den Summationsvorgang benötigt wurde.

Aus F i g. 3 ist zu ersehen, daß der Mikrocomputer 1 — falls er den Befehl »Istwert lesen« erhielt — den Zustand des Portes P überprüft. Liegt P auf //-Pegel, wird der Zähler Z\ gelesen. Die Zeit für diesen Lesevorgang ist endlich. Eine während der Zeitdauer des Lesevorganges an G1 gelangende ansteigende Flanke der Rechteck-Spannung Ui würde das Meßergebnis verfälschen, weil wegen der besagten ansteigenden Flanke der Zähler Zl auf »Null« gestellt und erneut gestartet wird. Um diese mögliche Meßwert-Verfälschung auszuschließen, wird nach dem Lesen des Zählers Zl noch einmal der Zustand von P überprüfe Ergibt sich hierbei, daß P immer noch auf //-Pegel liegt ist der ermittelte Meßwert gültig und kann verwendet werden. Im anderen Falle wird gemäß F i g. 3 der Zähler Z2 ausgelesen.

Liegt Port P — nachdem der Mikrocomputer 1 den Befehl »Istwert lesen« erhielt — auf /.-Pegel, wird der Zähler Z 2 gelesen. Nach dem Lesen von Z 2 wird ebenfalls der Zustand von Port /^überprüft. Liegt Pauf /.-Pegel, ist der ermittelte Meßwert nicht verfälscht und kann verwendet werden. Liegt dagegen P auf //-Pegel, wird Zl gelesen. Durch diese erfindungswesentliche Maßnahme wird gewährleistet, daß hinsichtlich des Istwertes selbsi bei hohen Drehzahlen der Armwelle immer ein unverfälschter Meßwert geliefert wird.

Die vom Mikrocomputer I gelieferte Rechteck-Spannung U_c liegt bei der Bildung der Stellgröße am Eingang CLK 3 des im Baustein 6 enthaltenen Bit-Raten-Generators Z3 sowie am Eingang CLK 4 des ebenfalls im Elaustein 6 enthaltenen programmier- und retriggerbaren, monostabilen Multivibrators Z4 an. Der Aufbau der Generator-Schaltung für die Bildung der Stellgröße ist aus F i g. I zu ersehen.

Das Zusammenwirken des Mikrocomputers 1 mit dem Bit-Raten-Generator Z3 und dem Multivibrator Z4 ist auch aus Fig. 4 ersichtlich. Die darin gezeigte Größe T₁- ist die Zeitdauer eines Impulses der Zählfrequenz Λ. Die Zeitdauer eines Impulses der vom Bit-P.aten-Generator Z3 gebildeten Rechteck-Spannung Uo wird mit To bezeichnet. Letztere ergibt sich aus dem ganzzahligen Vielfachen von 7^,z. B.

T₀ - 1000 χ Tc χ T₀

wird in binärer Form einmal von Mikrocomputer 1 in den Sit-Raten-Generator Z3 geladen. Die Summe T₀+ Tf stellt die Schwingungsdauer der Stellgröße dar. Da sie um 3 Zehnerpotenzen größer ist als T_c kann letz-

tere bei den folgenden Überlegungen vernachlässigt werden.

Da der Multivibrator Z4 retriggerbar ist, löst er bei jeder steigenden Flanke der an seinem Toreingang G 4 anliegenden Rechteck-Spannung U₀ einen Impuls von der Zeitdauer 7/ aus. Letztere wird als ganzzahliges Vielfaches von T_c gebildet und vom Mikrocomputer 1 einmal als binärer Zahlenwert in den Multivibrator Z4 geladen. Unter der zuvor erwähnten Voraussetzung

- T₀= 1000 X Tc-

kann 7; Werte von 1 χ T_c bis 999 χ T_c annehmen.

Die vom Multivibrator Z4 gebildete Rechteck-Spannung Uk ist die Stellgröße. Sie wird direkt auf den Treiber 7 der Kupplung 8 des Elekromotors gegeben. Da T₁- — wie zuvor erwähnt — vernachlässigbar ist, hat die Frequenz 4 der Rechteck-Spannung Uk die Schwingungsdauer 7o- Letztere wird — wie bereits erwähnt — einmal vom Mikrocomputer 1 vorgegeben. Andererseits kann 7ö jederzeit variiert werden, wenn dies vom Regelalgorithmus verlangt wird. Unter Vorausstizung der Vernachlässigung von T_c ergibt sich die in F i g. 4 gezeigte Zeitdauer T_pa\s Differenz aus 7öund TJ.

Somit ergibt sich das Tastverhältnis V der Stellgröße aus

T_n

oder aus

T_n-T₁

Besagtes Tastverhälnis der Rechteck-Spannung Uk bewirkt einen Strommitteiwert in der Kupplung 8 und bestimmt somit deren Übertragungsmoment und damit die Drehzahl der Armwelle. Duch einmalige Eingabe von Τ und/oder To in den Bit-Raten-Generator Z3 bzw.

den Multivibrator Z 4 erzeugt der Mikrocomputer 1 ein beliebiges Tastverhältnis V der Stellgröße. Da die beschriebene, in Fig. 1 gezeigte Generatorschaltung des Bausteines 6 das vorgegebene Tastverhältnis V bis zu einer erneuten Eingabe eines anderen Wertes für T₁ beliebig lange aufrechterhält, ist der Mikrocomputer 1 nunmehr frei für andere Aufgaben, z. B. »Istwert lesen«, »Soll-ί',ι-Vergleich« usw.

Die Feinheit der Verstellung ist durch das Verhältnis T₁JTo gegeben. Entsprechend der oben erwähnten Voraussetzung liegt dieses Verhältnis bei 1/1000. Somit kann die Verstellung der Stellgröße praktisch als stufenlos angesehen werden.

Bei der Istwertmessung in der hier beschriebenen Form fällt der Meßwert als binärer Wert an, der jedoch der Armwellendrehzahl umgekehrt proportional ist. Bei Drchzahlregelungen wird üblicherweise durch Soll-Ist-Vergleich die der Drehzahlabweichung proportionale Regelabweichung D gebildet und aus dieser die Stellgröße ermittelt. Dieses Verfahren ist bei der hier vorliegenden Aufgabenstellung deshalb nicht geeignet, weil der vorgesehene 8-bit-Mikrocomputer 1 den Kehrwert der anfallenden Meßwerte in der verfügbaren Zeit nicht bilden kann. Die Verwendung eines Mikrocomputers mit größerer Wortbreite verbietet sich aus wirschaftlichcn Gründen ebenso wie die Verwendung eines zusätzlichen Arithmetikprozessors. Daher wird bei der hier vorgeschlagenen Lösung der Sollwert so vorgegeben, wie der Meßwert der Istdrehzahl anfällt, nämlich als binärer, dem Kehrwert der Solldrehzahi entsprechender Wert. Auf diese Weise können beliebig viele Sollwerte als Konstanten im Programmspeicher des Mikrocomputers 1 abgelegt werden. Das Mikrocomputer-Programm entscheidet, welcher Sollwert für die Regelung benutzt wird. Selbstverständlich kann die Vorwahl eines Sollwertes auch mittels eines Vorwahlschalters oder eines bekannten Sollwertgebers für NJähantriebe ermöglicht werden. Die erfindungsgemäße Ablage beliebig vieler Sollwerte im Programmspeicher ist erheblich vorteilhafter als die Vorgabe der Sollwerte gemäß den eingangs beschriebenen beiden Lösungen, bei denen jeder einzelne Sollwert aus einer Widerstandskombination oder aus einer Widerstand/Kondensator-Kombination gebildet wird.

Bei den bekannten Lösungen müssen Abgleicharbeiten bei der Inbetriebnahme ebenso wie Einschränkungen hinsichtlich der Flexibilität beim Einsatz solcher Nähantriebe für unterschiedliche Nähmaschinen bzw. Nähautomaten in Kauf genommen werden.

Beim Soll-Ist-Vergleich wird die Differenz aus dem Kehrwert des vorgegebenen Sollwertes SW und dem Kehrwert des gemessenen Istwertes /Wgebildet. Diese Differenz ist der Drehzahlabweichung proportional. Bei nur geringen Unterschieden von der Soll- zur Istdrehzahl — diese Voraussetzung wird durch den Regelvorgang erfüllt — besteht praktisch ein linearer Zusammenhang (vgl. Fig. 12) zwischen der Istdrehzahl und der Regelabweichung D. Das nachfolgende Beispiel beweist die Richtigkeit der zuvor aufgestellten Behauptung. Für das Beispiel gelten folgende Annahmen:

Zählfrequenz f_c = 2 MHz.

Vom Istwertgeber gelieferte Impulsanzah!

= 50 Impulse/Umdrehung der Armwelle
Istdrehzah! = 600 U/min

Zeit für eine Umdrehung der Armwelle

T_x =

I ■ 60

600
= 0.1 s

Impuls- bzw. Pausendauer von U, (der im Nenner des Bruches auftretende Wert 100 ergibt sich aus den vorgegebenen 50 Impulsen und den dazwischen liegenden 50 Pausen)

T₂	T_x ~ 100	■ = 1 ms
	0,1 ~ 100
IW	= T₂ ■	2 000 000
	1 ·

1000

2000

Bei einer Istdrehzahl der Armwelle von 600 U/min werden während eines Impulses von Ui 2000 Impulse von Ucgezählt.

Ebenso können für die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Werte unterschiedlicher Istdrehzahlen die entsprechenden Istwerte IW errechnet werden. Unter Zugrundelegung einer Solldrehzahl von 600 U/min, die einen Sollwert 51^=2000 entspricht, ergibt sich die Regelabweichung Ozu:

Uldreh7ahl(U/mjn)	IW	D=SW-IW
594	2020	-20
40 595	2017	-17
596	2013	-13
597	2010	-10
598	2007	- 7
599	2003	- 3
45 600	2000	0
601	1997	3
602	1993	7
603	1990	10
604	1987	13
50 605	1983	17
606	1980	20

Die vorstehende Tabelle wie auch das Diagramm in Fig. 12 zeigen sehr deutlich die praktisch lineare Abhängigkeit der Regelabweichung D, die aus den der Soll- bzw. der Istdrehzahl umgekehrt proportionalen Werten SlVbzw. /Wgebildet wurde, von den Drehzahlunterschieden (Solldrehzahl — Istdrehzahl).

Durch die zuvor beschriebene zeitliche Entlastung des Mikrocomputers 1 beim Lesen des Sollwertes, Messen des Istwertes, Bilden der Stellgröße steht für ihn genügend Zeit für die Berechnung der Stellgröße zur Verfügung. Dabei können stetige und unstetige Regler sowie Mischformen beider Typen nachgebildet werden.

Der Regelalgorithrnus ist durch das Programm des Mikrocomputers 1 festgelegt.

Nachfolgend wird die Nachbildung eines stetigen Reglers mit PI-Charakteristik für die Drehazahlrege-

lung durch die Kupplung 8 beschrieben. Der PI-Charakteristik sind unstetige Regeleigenschaften überlagert. Dies wird durch drehzahlabhängiges Einschalten der maximal möglichen Erregung der Kupplung 8 oder der Bremse oder durch drehzahlabhängiges Abschalten der Kupplung 8 oder der Bremse ermöglicht. Dadurch werden Brems- und Beschleunigungsvorgänge optimiert und der Verschleiß der Kupplungs und Bremsbeläge vermindert.

Die Wirkungsweise der Regelvorrichtung, deren zusammenwirkende Schaltungskomponenten bereits beschrieben wurden, ist aus F i g. 5 und F i g. 6 zu ersehen. Der Mikrocomputer 1 ordnet der jeweiligen Stellung des Sollwertgebers einen Drehzahl-Sollwert zu. Dieser wird mit dem momentanen Istwert der Armwellendrehzahl verglichen und aus der Regelabweichung vom SoII-zum Istwert wird die Einschaltdauer für die Kupplung 8 und/oder die Bremse berechnet. Wegen des bei Nähantrieben an sich bekannten Schlupfbetriebes sind die von der Kupplung 8 und der Bremse geüefer icn ubertragungsmomente drehzahlabhängig. Um eine binäre Anwahl von beliebigen Sollwerten im ganzen Drehzahlbereich ohne Abgleich zu ermöglichen, ist für jeden Sollwert im Programmspeicher des Mikrocomputers 1 ein Datenblock mit Konstanten abgelegt. Dieser Datenblock enthält neben dem binären Wert für die Größe des Sollwertes auch einen Parametersatz für den Regelalgorithmus. Somit ist eine individuelle Berechnung der Stellgröße für jeden Sollwert möglich. Besagter Datenblock enthält für einen definierten Sollwert SWA folgende Parameter:

A 1 entspricht Sollwert 5H^4 (vgl. F ig. 9,10)

A 2 entspricht Konstantanteii der Stellgröße für SWA

A 3 entspricht Istwertmultiplikator für SWA

A 4 entspricht Drehzahlschwelle A_x 1 . ,

/4,5 entspricht Drehzahlschwelle A_y

A 6 entspricht Drehzahlschweüe A₁

F ig. 9,10

Parameter A 1 ist ein binärer Wert, der dem Kehrwert der Solldrehzahl entspricht. Die Parameter A 4, A 5 und A 6 stellen binäre Werte für Drehzahlschwellen dar. Über- bzw. unterschreitet die Istdrehzahl die erwähnten Drehzahlschwellen, werden — wie nachfolgend beschrieben — bestimmte Schaltfunktionen der Kupplung 8 oder der Bremse ausgeführt. Parameter A 3 beeinflußt die Messung der Istdrehzahl. Bei niederen Sollwertdrehzahlen werden die Impulse der Rechteck-Spannung U_c, die während eines Impulses bzw. während einer Pause zwischen zwei Impulsen der Rechteck-Spannung Ui gezählt werden, als Istwert ausgewertet. Bei hohen Sollwertdrehzahlen werden die Impulse von Uc während mehrerer Impulse bzw. Pausen von U, ausgezählt Durch Parameter A 3 wird die Zahl der auszuwertenden Impulse bzw. Pausen von U-, vorgegeben.

Aus F i g. 7 ist die Bildung der Stellgröße, die durch das Tastverhältnis V ausgedrückt wird, für die Kupplung 8 ersichtlich. Wie bereits zuvor erwähnt, ergibt sich das Tastverhältnis aus

V = TiITp oder aus V = TjZT₀- T₁.

Die Drehzahlregelung wird anhand zweier, nachfolgender Zahlenbeispiele näher erläutert Hierfür sind folgende Werte vorgegeben:
Solldrehzahl π =600 U/min
Zählfrequenz f_c = 2 MHz
Vom Istwertgeber gelieferte Impulsanzahl
= 50 Impulse/Umdrehung

	Der Datenblock enthält dafür folgende Worte:	2000	600 U/min)
A	I =	(entspr. dem Sollwert SWA =
		490
A	2 =	0
5 A	3 =	2400	= 500 U/min)
A	4 =	(entspr. Drfchzahlschwelle A_x
		1900	= 630 U/min)
A	C	(entspr. Drehzahlschwelle A_y
		1000	= 1200 U/min)
ίο Α	6 =	(entspr. Drehzahlschwelle A,

Ergibt die Istwertmessung z. B. einen Wert IW= 2300,

der einer momentanen Drehzahl von 522 U/min der Armwelle entspricht, so errechnet der Mikrocomputer 1 die Regelabweichung D aus den Werten von A t und /Wwie folgt:

D =

A\-IW = 2000—2300
= -300

Damit ergibt sich der das Tastverhältnis V und die Rechteck-Spannung Uk beeinflussende Wsrt Ti (vgl. Fig.4)aus:

Ti = A 2-D

= 490-(-300)
= 790

Ergibt die Istwertmessung in einem weiteren Beispiel einen Wert IW= 1700, der einer momentanen Drehzahl von 706 U/min entspricht, so ergibt sich D aus:

D =

2000-1700
300

Damit ergibt sich

490-300
190

Aus beiden Zahlenbeispielen ist erkennbar:

Je weiter die Istdrehzahl unter der Solldrehzahl liegt, desto größer wird der Wert für Ti.

Je weiter die Istdrehzahl über der Solldrehzahl liegt, desto kleiner wird der Wert für 7/.

Der Wert für T) wird in den Multivibrator Z4 geladen, der die Rechteck-Spannung Uk für die Kupplung 8 erzeugt.

Geht man davon aus, daß — wie zuvor erwähnt — To= 1000 ist, so ergibt sich gemäß dem ersten Zahlenbeispiel (Solldrehzahl = 600 U/min, Istdrehzahl = 522 U/min) das Tastverhältnis zu:

= TiIT₀-Ti

= 790/1000 - 790;d. h.7}=790und

= 210

Im zweiten Beispiel ergibt sich (Solldrehzahl = 600 U/min, Istdrehzahl = 706 U/min):

V = 190/1000- 190; d.h. Ti= \90 und T_p=8\0

Tj ist die Ein-, T_p die Ausschaltzeit der Kupplung 8. Beide Zahlenbeispiele zeigen deutlich, daß sich das Tastverhältnis V proportional mit der Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl ändert. Die Veränderung verläuft außerdem so, daß ein Drehzahlcbfall lan-

gere, ein Drehzahlanstieg kürzere Finschaltzeiten Γ, der kupplung 8 bewirkt. Damit ist die Wirkungsweise eines Proportionalregler nachgebildet.

Eine reine Proportionalregelung führt bekanntlich zu bleibenden Regelabweichungen D, die z. B. bei Laständerungen oder bei Änderungen der Kupplungseigenschaften (Reibwerte, Luftspalt) auftreten. Um dieser Erscheinung entgegenzuwirken, wird bei der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung der proportional zur Regelabweichung Dgebildeten Impulszeit 7/ein integral wirkender Anteil / überlagert. Γ, wird dadurch um einen von der Zeitdauer der Regelabweichung D abhängigen Wert korrigiert. Dieses Prinzip wird in der Regelungstechnik als Pl-Regelung bezeichnet und führt zu einer Drehzahlregelung ohne bleibende Regelabweichungen.

Aus dem Flußdiagrarnm nach Fig.8 ist ersichtlich, wie bei der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung die Chaiakteristik eines PI-Reglers realisiert wird. Der Wert fur T₁ wird — wie zuvor beschrieben — gebildet. Zu Ti wird der Integralanteil / addiert, der durch Summation der Konstanten £ gebildet wird. Nach jeder Berechnung von T₁ wird nach folgender Vorschrift addiert bzw. subtrahiert:

Hierin ist /_ ι der Wert für /, der sich bei der vorangegangenen Berechnung ergeben hat. Bei jeder Berechnung der Stellgröße wird daher Cer ermittelte Wert /für die nächste Berechnung gespeichert. Die Konstante E wird zu /_i addiert, wenn die Istdrehzahl kleiner als die Solldrehzahl ist bzw. subtrahiert, wenn die Istdrehzahl größer als die Solldrehzahl ist.

Das folgende Beispiel geht von der Annahme E= 1 aus. Bei der letzten bereits abgeschlossenen Berechnung habe sich für /der Wert 10 ergeben. Für die jetzt laufende Berechnung ist daher /_i = 10. Falls die istdrehzahl momentan kleiner als die Solldrehzahl ist, ergibt sich also für die laufende Berechnung /= 10+ 1. In den Multivibrator Z4 wird der Wert »Γ,+ 11« geladen und der Wert »11« für die nächste Berechnung gespeichert. Falls bei dieser die Istdrehzahl immer noch kleiner als die Solldrehzahl ist, ergibt sich jetzt /=11 + 1 und damit wird »Γ,+ 12« in Z4 geladen und der Wert »12« für die nächste Berechnung gespeichert. Solange die Istdrehzahl kleiner als die Solldrehzahl ist, wird T-, also um einen stetig anwachsenden Betrag vergrößert. Dadurch wird das Tastverhältnis V für die Kupplung 8 größen Da als Folge davon der Kupplungsstrom und damit das Übertragungsmoment der Kupplung 8 steigen, erhöht sich auch die Drehzahl der Armwelle.

Falls bei der nun folgenden Berechnung die Istdrehzahl momentan größer als die Solldrehzahl ist, ergibt sich für die laufende Berechnung A= 12— 1. In den Multivibrator Z 4 wird jetzt der Wert »Γ,+11« geladen und der Wert »11« für die nächste Berechnung gespeichert Ist während der nun folgenden elf Berechnungen die Istdrehzahl größer als die Solldrehzahl, so wird schließlich der Integralanteil der Stellgröße beseitigt (7= Null). Falls die Istdrehzahl weiterhin größer als die Solldrehzahl ist, ergeben sich für den Integralanteil / negative Werte. Auch jetzt wächst / bei jeder Berechnung um den Betrag E= 1. Nach weiteren fünf Berechnungen beträgt der Wert für /=—5 und der Multivibrator Z4 wird mit dem Wert »Ti— 5« geladen.

Die Zeitdauer zwischen zwei Berechnungen des Integralanteiles / wird in der Regelungstechnik als Integrationszeit T_n bezeichnet Diese entspricht bei der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung der Zeit, die der Mikrocomputer 1 für die Durchführung der aus Fig.6 ersichtlichen Programmteile benötigt. So ist es bei Verwendung nur eines Mikrocomputers 1 möglich, die Teilaufgaben »Sollwertgeber einlesen«, »Istwe; i einlesen«, »Soll-Ist-Vergleich« und das Nachbilden eines PI-Reglers zu erledigen. Durch die beschriebenen Schaltungsmaßnahmen für die zeitliche Entlastung des Mikrocomputers 1 können ausreichend kleine Werte für die Integrationszeit T_n selbst dann erreicht werden, wenn der Mikrocomputer 1 neben besagter Drehzahlregelung noch weitere Aufgaben übernimmt.

Aus Fig.9 ist ersichtlich, wie ohne Benutzung der öremse des Nähantriebes beim Beschleunigen auf einen neuen Sollwert ein Überschwingen der Drehzahl der Armwelle praktisch vermieden wird. Während der Zeit Γι hält die Regelvorrichtung die Drehzahl bei /j| konstant. Anschließend wird auf eine, dem Sollwert SWA entsprechende Drehzahl beschleunigt. Bis zum Erreichen der Drehzahlschwelle A_x, wofür die Zeit Γ2 benötigt wird, wird die Kupplung 8 voll erregt. Während der Zeit Γ3 ist sie ausgeschaltet. Nach dem Erreichen der Drehzahlschwelle A_y wird durch die zuvor beschrieben!.·. Rechteck-Spannung Uk die dem neuen Sollwert SWA entsprechende Drehzahl der Armwelle geregelt.

Aus Fig. 10 ist das Bremsen auf einen neuen Sollwert zu ersehen. Während der Zeit Γι hält die Regelvorrichtung die Drehzahl bei ri\ konstant. Innerhalb der Zeitdauer Γ2 ist die Kupplung 8 aus- und die Bremse eingeschaltet. Nach dem Erreichen der Drehzahlschwelle A₂ wird die Bremse ausgeschaltet und durch die vom Multivibrator Z4 gebildete und der Kupplung 8 zugeführte Rechteck-Spannung Uk die dem neuen Sollwert SWA entsprechende Drehzahl geregelt.

Schließlich ist aus Fig. 11 der Betrieb einer Nähmaschine mit Maximaldrehzahl ersichtlich. Diese Betriebsweise liegt während der überwiegenden Zeii eines Nähvorganges vor. Während der Zeit Γι wird die Kupplung voll erregt. Durch Drehzahlüberwachung wird nach dem Erreichen der Maximaldrehzahl die Kupplung 8 nur noch mit einem konstanten Tastverhältnis V angesteuert. Dies ist ohne Drehzahlabfall möglich, weil die Kupplung 8 des Nähantriebes auf kurze Hochlai leiten ausgelegt ist. Das volle Übertragungsmoment wird nur während der Zeit T\ des Hochlaufens benötigt.

Eine weitere Möglichkeit für die Anwendung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist die volldigitalisierte Drehzahlregelung eines die Armwelle der Nähmaschine antreibenden Gleichstrommotors. Dessen so Drehzahl ist bekanntlich von der Höhe der Betriebsspannung abhängig. In diesem Fall wird die vom Multivibrator Z4 gebildete Rechteck-Spannung Uk direkt an den Gleichstrommotor gelegt. Wie bereits beschrieben, ändert sich das Tastverhältnis V der Rechteck-Spannung Uk je nach Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl. Jedes sich ergebende Tastverhältnis V führt zu einem Mittelwert der Rechteck-Spannung Uk. Dieser Mittelwert ist als Betriebsspannung des Gleichstrommotors anzusehen. Wird er stärker belastet, sinkt seine Drehzahl. Die Regelvorrichtung bewirkt durch ein neues Tastverhältnis V einen höheren Mittelwert von Uk- Dadurch steigt die Drehzahl des Gleichstrommotors wieder auf den Ursprungswert, ohne daß es bei dieser Drehzahlregelung einer Bremse/Kupplungskombination bedarf.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regelvorrichtung für die volldigitalisierte Drehzahlregelung eines Elektromotors, vorzugsweise eines aus einem Elektromotor und einer Bremse/ K_upp!ungskombir.ation bestehenden Nähantriebes, wobei die Länge der Impulse eines optoelektronischen Drehzahlfühlers durch einen mit einer hohen Frequenz angetriebenen Zähler gemessen wird, wobei ferner im Programmspeicher eines Mikrocomputers mindestens ein Drehzahl-Sollwert und Datenblöcke gespeichert sind und nach erfolgtem Soll-Ist-Vergleich eine die Drehzahlregelung verursachende Reglerausgangsgröße ausgegeben wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: