DE3621520C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleich von Drehzahlschwankungen einer Antriebswelle durch Beaufschlagung eines mit der Antriebswelle über ein Überlagerungsgetriebe ge­ koppelten Ausgleichsmotors mit einer gesteuerten Speisespan­ nung, wobei die Vorrichtung einen Impulsgeber zur Erzeugung ei­ nes von der Drehzahl der Antriebswelle abhängigen Istwertsig­ nals, einen ein der gewünschten Antriebswellenfrequenz entspre­ chendes Sollwertsignal abgebenden, zur Änderung des Sollwert­ signals vorzugsweise regelbaren Sollwertgeber und einen mit dem Impulsgeber und dem Sollwertgeber elektrisch verbundenen, das Istwertsignal und das Sollwertsignal vergleichenden Ver­ gleicher, der ein aus dem Vergleich resultierendes Abweichungs­ signals zur Steuerung der Speisespannung abgibt, aufweist.

Insbesondere bei Fertigungsstraßen, wie z. B. zur Papierbah­ nenherstellung oder zur Herstellung von Zieh- und Walzproduk­ ten, die zu ihrem Antrieb über die Fertigungsstraße verteilt angeordnete Antriebswellen aufweisen, ist es notwendig, daß die Antriebswellen in ihrer Drehzahl konstant gehalten werden, um einen gleichmäßigen Durchzug des Fertigungsproduktes zu ge­ gewährleisten.

Ein Konstanthalten der Drehzahl einer Antriebswelle ist da­ durch möglich, daß ein Ausgleichsmotor über ein Überlagerungs­ getriebe auf die Antriebswelle einwirkt, sobald sich die Dreh­ zahl der Antriebswelle ändert. Hierzu muß die Drehzahl der An­ triebswelle überwacht werden, was beispielsweise mit einem Ta­ chogenerator oder einem anderen Impulsgeber möglich ist, der ein von der Antriebswelle abhängiges Istwertsignal abgibt.

Der Ausgleichsmotor muß immer dann mit einer Speisespan­ nung beaufschlagt werden, wenn eine Drehzahländerung der über­ wachten Antriebswelle auftritt, solange bis die überwachte An­ triebswelle wieder die gewünschte Drehzahl besitzt. Die Speise­ spannung des Ausgleichsmotors muß entsprechend gesteuert wer­ den. Ein geeignetes Steuersignal kann dadurch erhalten werden, daß ein Sollwertgeber ein Sollwertsignal abgibt, welches der gewünschten Frequenz der überwachten Antriebswelle entspricht, und daß mittels eines Vergleichers das Istwertsignal und das Sollwertsignal verglichen werden und bei Abweichung ein Ab­ weichungssignal ausgesandt wird, welches als Steuersignal dient. Eine Steuerung der Speisespannung durch das Ausgleichs­ signal kann beispielsweise mit Hilfe einer Phasenanschnitts­ steuerung erreicht werden.

Bei einer vorbeschriebenen Steuerung tritt jedoch das Pro­ blem auf, daß die nachzuregelnde Antriebswelle unter Umständen übersteuert wird, indem die Antriebswelle von dem Ausgleichs­ motor nicht auf die gewünschte Drehzahl gebracht wird, sondern in ihrer Drehzahl darüber hinaus verändert wird. Dies führt wiederum dazu, daß der Impulsgeber eine von der gewünschten Drehzahl abweichende Drehzahl der Antriebswelle registriert, worauf der Ausgleichsmotor die Drehzahl der Antriebswelle evtl. wieder zu weit zurückregelt. Die Drehzahl der Antriebs­ welle wird in diesem Fall nicht konstant gehalten, sondern die Drehzahl der Antriebswelle wird ständig um den gewünschten Drehzahlwert herum hin und her verändert. Diese ständige Ände­ rung der Drehzahl der Antriebswelle, die im ungünstigsten Fall sogar eskalieren kann, führt zu einem Verschleiß der Antriebs­ welle und macht beispielsweise bei einer Fertigungsstraße ei­ nen kontinuierlichen Durchzug des Fertigungsproduktes unmög­ lich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß die in ihrer Drehzahl auszugleichende Antriebswelle möglichst rasch auf den gewünschten Drehzahlwert eingeregelt und auf dem eingeregelten Drehzahlwert gehalten wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst worden durch ein den Ausgang des Vergleichers mit dem Sollwertgeber elektrisch verbindendes Mitkopplungsglied.

Im Grundsatz ist bekannt, am Ausgang eines Vergleichers ei­ ne Rückkopplung vorzusehen. Beispielsweise ist in der DE-AS 26 41 101 eine Regeleinrichtung offenbart, bei der der Ausgang ei­ nes Vergleichers über eine Rückkopplung mit dem Eingang des Vergleichers verbunden ist. Dabei handelt es sich um eine bei analogen Schaltungen als Rückkopplung übliche Gegenkopplung. Welche Arten der Rückkopplungen es gibt, wie Rückkopplungen aufgebaut sein können und wann sie zweckmäßig sein können ent­ nimmt der Fachmann beispielsweise dem deutschen Fachbuch: "Ein­ führung in die Technik selbsttätiger Regelungen Seite 78, 79, 103 bis 105 (Sammlung Göschen Band 714 1968)".

Die Gegebenheiten bei der bekannten Regeleinrichtung gemäß der DE-AS 26 41 101 sind unter anderem insofern anders als bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, als bei der bekannten Regel­ einrichtung der Sollwertgeber ein einfaches Potentiometer ist, mit dem ein bestimmtes, konstantes Potential als Sollwert vor­ gegeben wird, mit dem ein Istwert verglichen wird, während bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vom Sollwertgeber ein in Fre­ quenz und Phase charakteristischer Sollwert abgegeben wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Ausgang des Vergleichers über ein Mitkopplungsglied, anders als bei der be­ kannten Regeleinrichtung, direkt auf den Sollwertgeber zurück­ geführt, wodurch mit Vorteil erreicht wird, daß sich bei einer Abweichung zwischen Istwert und Sollwert der Sollwert des Soll­ wertgebers an den augenblicklichen Istwert anpaßt, d. h. daß der Sollwert dem Istwert nachgeführt wird. Gleichzeitig wird durch das Abweichungssignal die auszugleichende Antriebswelle nachgeregelt, während der Sollwert des Sollwertgebers auf sei­ nen durch den Sollwertgeber ursprünglich vorbestimmten Wert zu­ rückkehrt und dabei den Istwert quasi nachzieht. Weicht also die Drehzahl der überwachten Antriebswelle von dem gewünschten Drehzahlwert ab, so wird die Antriebswelle durch das Zusammen­ spiel des Sollwertgebers und des Vergleichers über die Mitkopp­ lung mit Vorteil kontinuierlich auf den gewünschten Drehzahl­ wert zurückgeregelt, ohne daß es zu unkontrollierten Übersteue­ rungen der Antriebswelle kommt. Das Mitkopplungsglied wirkt als eine Art Dämpfungselement, daß die Schwingungen um den ge­ wünschten Drehzahlwert, zu denen die Antriebswelle durch abrup­ tes Ansteuern des Ausgleichsmotors angeregt wird, so dämpft, daß sich die Antriebswelle, im Idealfall im aperiodischen Grenzfall, auf den gewünschten Drehzahlwert einregelt.

Der Vergleicher ist vorzugsweise so ausgebildet, daß er zum Vergleich von Frequenz und Phase des Istwertsignals und des Sollwertsignals geeignet ist, so daß auch bei Abweichung des Istwertsignals und des Sollwertsignals in der Phase ein entsprechendes Abweichungssignal von dem Vergleicher abgegeben wird, was beispielsweise durch eine auf Koinzidenz zwischen Istwertsignal und Sollwertsignal ansprechende Schaltung mög­ lich ist.

Das Mitkopplungsglied weist vorzugsweise einen mit einem ohmschen Widerstand in Reihe geschalteten Kondensator auf, wo­ bei die elektrischen Werte des Widerstandes und des Kondensa­ tors von dem verwendeten Sollwertgeber und dem Vergleicher ab­ hängen. Der prinzipielle Aufbau eines solchen Mitkopplungsglie­ des läßt sich beispielsweise aus dem bereits im Vorhergehenden zitierten deutschen Fachbuch "Einführung in die Technik selbst­ tätiger Regelungen" entnehmen.

Insbesondere zur Glättung des vom Vergleicher abgegebenen Abweichungssignals weist der Ausgang des Vergleichers nach ei­ ner Weiterbildung der Erfindung einen Tiefpaß auf, wodurch die kontinuierliche Nahregelung der überwachten Antriebswelle wei­ ter begünstigt wird. Vorzugsweise ist der Tiefpaß dem Mitkopp­ lungsglied vom Vergleicher aus gesehen nachgeschaltet, damit der Tiefpaß die Mitkopplung nicht stört.

Nach einer nächsten Weiterbildung zeichnet sich die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, daß der Vergleicher aus­ gangsseitig mit einem Potentiometer in Reihe geschaltet ist. Der gewünschte kontinuierliche Ausgleich von Drehzahlschwankun­ gen hängt von der Reaktion des zu regelnden Systems ab, bei­ spielsweise von der Ausbildung der Antriebsaggregate, wie z. B. dem Ausgleichsmotor, und von dem Trägheitsmoment der zu regeln­ den Antriebswelle. Mit Hilfe des Potentiometers kann die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung an diese Reaktionsgegebenheiten durch eine speziell auf das zu regelnde System abgestimmte Einstel­ lung des Potentiometers angepaßt werden.

Bei einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist das Mitkopplungsglied über den Läufer des Poten­ tiometers am Ausgang des Vergleichers angeschlossen, so daß bei einer Veränderung der Einstellung des Potentiometers dem Mitkopplungsglied ein mehr oder weniger großer ohmscher Wider­ stand vorgeschaltet ist.

Eine besonders kostengünstige und raumsparende Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist durch die Verwendung eines als CMOS-IC vom Typ 4046 ausgebildeten PLL (Phase-Loo­ ked-Loop-Bausteines), der den Vergleicher und einen spannungs­ kontrollierten Oszillator (VCO) als Sollwertgeber aufweist, möglich. Der an sich bekannte PLL-Baustein muß zur Umrüstung für die erfindungsgemäße Vorrichtung lediglich um einige Schal­ tungsteile, insbesondere um das Mitkopplungsglied, erweitert werden.

Ein Ausführungsbeispiel, aus dem sich weitere erfinderi­ sche Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt schematisch

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen ausgerüsteten Fertigungsstraße,

Fig. 2 ein Blockschaltbild mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung gemäß Fig. 1 und 2.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt einer Fertigungsstraße darge­ stellt, die ein Hauptantriebsaggregat 1 aufweist, welches über eine Königswelle 2 sekundäre Antriebswellen 7 mit Walzen a, b antreibt, die über Überlagerungsgetriebe 3 mit der Königswelle 2 gekoppelt sind. Zum Ausgleich der Drehzahl der Antriebswel­ len 7 steht jeweils für jede der Antriebswellen 7 ein Aus­ gleichsmotor 4 zur Verfügung, der ebenfalls über das Überla­ gerungsgetriebe 3 mit der Antriebswelle 7 verbunden ist.

An jeder der Antriebswellen 7 ist zur Erzeugung eines von der Drehzahl der Antriebswelle 7 abhängigen Istwertsignals ein Impulsgeber 8 angeordnet. Der Impulsgeber 8 ist über eine elek­ trische Leitung 5 mit einem PLL-Baustein 6 verbunden, der mit einer Phasenanschnittssteuerung 10 in Verbindung steht. Die Phasenanschnittssteuerung steuert eine den Ausgleichsmotor 4 mit Speisespannung versorgende Versorgungsleitung 11 an.

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild eines Schaltkreises zur Regelung einer Antriebswelle 7 mit einem Ausgleichsmotors 4, einem Impulsgeber 8, einem PLL-Baustein 6 und einer Phasenan­ schnittssteuerung 10 gemäß Fig. 1. Gleiche Bauelemente sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet wie in Fig. 1.

In Fig. 2 ist zu erkennen, daß zwischen dem Impulsgeber 8 und dem PLL-Baustein 6 in der elektrischen Leitung 5 ein in Fig. 1 nicht dargestellter Schmidt-Trigger 9 zwischengeschal­ tet ist.

Die strichpunktiert dargestellte Verbindung 12 deutet eine mechanische Kopplung zwischen Ausgleichsmotor 4 und Antriebs­ welle 7 über das Überlagerungsgetriebe 3 ein.

In Fig. 3 ist die innere Schaltung des PLL-Bausteines 6 in einem Schaltbild dargestellt.

Der PLL-Baustein 6 weist einen Eingang P 14 auf, an dem der Impulsgeber 8 angeschlossen ist. Der Eingang P 14 ist mit einem Vergleicher II verbunden. Über eine zweite Leitung ist der Vergleicher 2 über die Punkte P 3, P 4 mit einem Sollwert­ geber VCO verbunden. Der Sollwertgeber VCO gibt ein Sollwert­ signal ab, welches in seiner Frequenz durch die Widerstände R 2, R 7, durch das Potentiometer R 8 und den Kondensator C 3 vorbestimmbar ist. Der Ausgang des Vergleichers II liegt an dem Punkt P 13 an. Der Ausgang P 13 des Vergleichers II ist über ein Potentiometer R 4 einerseits mit dem Ausgang P 17 des PLL-Bausteines 6 verbunden, an welchem die Phasenanschnitts­ steuerung 10 angeschlossen ist, andererseits ist der Ausgang P 13 des Vergleichers II über den Läufer des Potentiometers R 4, über einen Kondensator C 1, einen Widerstand R 3 und den Punkt P 9 mit dem Sollwertgeber VCO rückgekoppelt, wobei das Poten­ tiometer R 4, der Kondensator C 1 und der Widerstand R 3 ein Mitkopplungsglied bilden.

Zwischen dem Potentiometer R 4 und dem Ausgang P 17 des PLL-Bausteines 6 befindet sich ein Tiefpaß, der aus einem Kon­ densator C 2, einem Widerstand R 9 und zum Teil aus dem Poten­ tiometer R 4 gebildet ist. Der Kondensator C 2 des Tiefpasses liegt an der dem Potentiometer R 4 abgeandten Seite an Masse an.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte erfindungsgemäße Vor­ richtung arbeitet folgendermaßen:

Mit Hilfe der Impulsgeber 8 wird die Drehzahl der von dem Hauptantriebsaggregat 1 angetriebenen Antriebswellen 7 regi­ striert, indem die Impulsgeber 8 von den Drehzahlen der An­ triebswellen 7 abhängige Istwertsignale abgeben. Die Istwert­ signale gelangen über eine elektrische Leitung 5 in einen PLL-Baustein 6, und zwar über den Punkt P 14 in den Verglei­ cher II im Innern des PLL-Bausteines 6. Der Sollwertgeber VCO gibt Sollwertsignale ab, die der gewünschten Frequenz der Dreh­ zahl der Antriebswelle 7 entsprechen, wobei diese Frequenz insbesondere mit Hilfe des Potentiometers R 8 einstellbar ist. Das Sollwertsignal und das Istwertsignal werden im Vergleicher II miteinander verglichen und stimmen bei korrekter Drehzahl der Antriebswelle 7 miteinander überein. Weicht jedoch die Drehzahl der Antriebswelle von dem gewünschten Drehzahlwert ab, so unterscheiden sich das Istwertsignal und das Sollwert­ signal voneinander und der Vergleicher II gibt ein aus diesem Unterschied resultierendes Abweichungssignal über seinen Aus­ gang P 13 ab.

Das Abweichungssignal wirkt über das Mitkopplungsglied auf den Sollwertgeber VCO ein, wodurch das Sollwertsignal des Soll­ wertgebers zunächst an das Istwertsignal angepaßt wird. Gleich­ zeitig wird durch das Abweichungssignal über den Ausgang des PLL-Bausteines 6 mit Hilfe der Phasenanschnittssteuerung 10 der Ausgleichsmotor 4 angesteuert, der die Drehzahl der An­ triebswelle 7 ändert. Das Sollwertsignal kehrt kontinuierlich auf seinen ursprünglich eingestellten Wert zurück, wobei es das Istwertsignal quasi nachzieht, d. h. die Antriebswelle 7 wird kontinuierlich auf den gewünschten Drehzahlwert eingere­ gelt. Durch das Mitkopplungsglied im PLL-Baustein 6 wird er­ reicht, daß die Drehzahl der Antriebswelle 7 nicht sprunghaft geändert wird, was zu einem unkontrollierten Hin- und Herre­ geln der Drehzahl der Antriebswelle 7 durch den PLL-Baustein 6 führen würde, sondern daß bei einer Diskrepanz zwischen Ist­ wertsignal und Sollwertsignal die Drehzahl der Antriebswelle 7 kontinuierlich und sanft auf die gewünschte Drehzahl zurückge­ führt wird.

Der in Fig. 2 dargestellte Schmidt-Trigger 9 ist lediglich dazu da, das vom Impulsgeber 8 abgegebene analoge Signal in ein digitales Signal umzuwandeln, welches der Vergleicher II benötigt. Über den Ausgang P 17 wird vom PLL-Baustein 6 dann wieder ein analoges Signal abgegeben.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Ausgleich von Drehzahlschwankungen ei­ ner Antriebswelle durch Beaufschlagung eines mit der Antriebs­ welle über ein Überlagerungsgetriebe gekoppelten Ausgleichsmo­ tors mit einer gesteuerten Speisespannung, wobei die Vorrich­ tung einen Impulsgeber zur Erzeugung eines von der Drehzahl der Antriebswelle abhängigen Istwertsignals, einen ein der ge­ wünschten Antriebswellenfrequenz entsprechendes Sollwertsignal abgebenden, zur Änderung des Sollwertsignals vorzugsweise re­ gelbaren Sollwertgeber und einen mit dem Impulsgeber und dem Sollwertgeber elektrisch verbundenen, das Istwertsignal und das Sollwertsignal vergleichenden Vergleicher, der ein aus dem Vergleich resultierendes Abweichungssignal zur Steuerung der Speisespannung abgibt, aufweist, gekennzeichnet durch ein den Ausgang (P 13) des Vergleichers (II) mit dem Sollwert­ geber (VCO) elektrisch verbindendes Mitkopplungsglied.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (II) zum Vergleich von Frequenz und Phase des Istwertsignals und des Sollwertsignals ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Mitkopplungsglied einen mit einem ohmschen Wider­ stand (R 3) in Reihe geschalteten Kondensator (C 1) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ausgang (P 13) des Vergleichers (II) mit einem Tiefpaß verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaß dem Mitkopplungsglied vom Vergleicher (II) aus gesehen nachgeschaltet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (II) ausgangsseitig mit einem Potentiometer (R 4) in Reihe geschaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mitkopplungsglied über den Läufer des Potentiometers (R 4) am Ausgang (P 13) des Vergleichers (II) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch die Verwendung eines als CMOS-IC vom Typ 4046 ausgebildeten PLL (Phase-Looked-Loop)-Bausteines (6), der den Vergleicher (II) und einen spannungskontrollierten Oszil­ lator (VCO) als Sollwertgeber aufweist.