DE3712637A1 - Erweiterung der drehzahlregelverfahren fuer elektromotoren - Google Patents

Description

In Verbindung mit elektronischen Drehzahlregelgeräten werden in der Übergangsphase zwischen den verschiedenen Drehzahlen bzw. zum Anfahren und Stillsetzen der Elektromotoren Sollwertintegratoren innerhalb der Regelelektronik verwendet.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Sollwertintegrators, der in Verbindung mit einer Drehzahlregelung für Elektromotore nach Befehlsgabe für die Verzögerung (n→0) aus jeder Betriebsdrehzahl den Antrieb so steuert, daß jeweils konstante Umdrehungen bzw. konstante Wege zurückgelegt werden.

Es ist bekannt, die Umdrehungen bzw. Bruchteile davon digital zu erfassen und auszuwerten. Diese Methode setzt Geber und Zähler voraus, also Zusätze sowohl zum Motor als auch zur Regelelektronik.

Ein besonderes Problem ist die Konstanthaltung der Nachlaufwege bei den verschiedensten Anlagen und Maschinen, wenn nicht bei jeder Geschwindigkeitsänderung entweder die Zeitglieder verstellt, die Anschläge und Endschalter verschoben oder die digitale Zählung neu programmiert werden soll.

Wegen dieser Probleme wird vielfach auf die Einstellung einer optimalen Geschwindigkeit verzichtet.

Praktische Einsatzgebiete für dieses Drehzahlregelverfahren sind: Transferstraßen z. B. das Umsetzen der Karrosserien in der Autoindustrie; Verpackungsautomaten z. B. wenn ein über unterschiedliche Längen gezogener Folienüberzug mit einem konstanten Überstand geschweißt werden soll; Verpackungsautomaten für Lebensmittel z. B. Verschließen unterschiedlicher Längen; Webmaschinen, bei denen die Webkante unabhängig von der Geschwindigkeit sein soll; Schleif-, Säge- und Hobelmaschinen für einen von der Vorschubgeschwindigkeit unabhängigen Überlauf der Werkzeuge, Kran- und Einschienenbahnen, bei denen bei fester Endbegrenzung mit allen Geschwindigkeiten über die ganze Länge gefahren werden soll usw.

Durch die Deutsche Patentschrift DE P 26 54 327 ist eine Schaltungsanordnung bei der Drehzahlregelung von Aufzügen bekannt, bei der die Beschleunigungszeit verlängert wird, um einen langen Schleichweg zu vermeiden. Der Sollwertintegrator steht in Verbindung mit einer Umschaltung von Kontakten. Mit einer solchen Anordnung ist die erfindungsgemäße Aufgabe nicht zu realisieren, da keine gleich langen Auslaufwege bei verschiedenen Geschwindigkeiten erzielt werden können. Außerdem ist der verzögerte Bremsvorgang zunächst mit einer weiteren Beschleunigung verbunden. Es handelt sich hier nur um eine spezielle Aufgabe bei der Aufzugssteuerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit minimalem Bauelementeaufwand die Sollwertvorgabe so zu beeinflussen, daß nach einer Befehlsgabe "Anhalten" unabhängig von der Drehzahl des geregelten Motors sich die gleichen Nachlaufumdrehungen einstellen. Da alle bekannten Sollwertintegratoren (analog) bei verringerter Betriebsdrehzahl während der Verzögerung auch einen geringeren Weg zurücklegen, müssen diese erweitert werden. Es ist daher ein Verfahren zu entwickeln, daß der innerhalb einer Drehzahlregelelektronik vorhandene Sollwertintegrator so betrieben werden kann, daß der fehlende Weg durch zusätzliche Umdrehungen nachgeholt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die Maßnahmen entsprechend den Patentansprüchen genutzt.

Die Vorteile der Erfindung liegen zunächst in der großen Effektivität bei geringem Aufwand.

Besonders groß ist der Vorteil, wenn eine ganze Kette von Antrieben in der Geschwindigkeit angehoben werden soll, z. B. 40 Autokarosserien (unterschiedlich bestückt bzw. komplettiert) haben ein unterschiedliches Gewicht, daher ergeben sich individuelle Nachlaufwege. Wollte man nun die Verfahrgeschwindigkeit zentral steigern, müßten alle Nachlaufwege neu justiert oder programmiert werden. Die vorstehende technische Neuerung erlaubt es, alle Karosserien schneller zu transportieren bei automatischer Anpassung aller Nachlaufwege. Diese und ähnliche Vorteile machen die Erfindung für automatisierte Fertigungsprozesse besonders wertvoll.

Ein anderer großer Vorteil ist es, daß die Einstellung der Nachlaufwege nicht mit maximaler Geschwindigkeit erfolgen muß. Für die Einstellung des Anhaltebefehls genügen 20% bis 30% der maximalen Geschwindigkeit. Eine dabei erfolgte Einstellung ist optimal bei allen anderen Geschwindigkeiten (Drehzahlen).

Einzelheiten werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Die Schaltung eines am häufigsten eingesetzten elektronischen Sollwertintegrators zeigt Fig. 1. Mit diesem läßt sich bei sprunghaft vorgegebener Sollwerteingangsspannung eine lineare Hochlauf- (Fig. 2) bzw. Verzögerungskurve (Fig. 3) einstellen.

Fig. 3 zeigt, wie sich die Verzögerungszeit, bezogen auf die max. Drehzahl bei verringerter Betriebsdrehzahl, verändert. Ermittelt man dazu die jeweiligen Auslaufumdrehungen, erhält man die Kurve gemäß Fig. 4. Aus Fig. 4 geht hervor, daß sich bei einem Regelbereich von 1 : 10 ein Umdrehungsunterschied während der Verzögerung von 1 : 100 ergibt. Um dieses Verhältnis von 1 : 100 auf 1 : 1 auszugleichen, müssen die fehlenden Umdrehungen durch zusätzliche Umdrehungen nachgeholt werden.

Dieses Aufholen soll nach Befehlsgabe für die Verzögerung (n→0) mit der jeweils eingestellten Betriebsdrehzahl erfolgen.

Da die Verzögerung aus der max. Drehzahl die gesamten Auslaufumdrehungen bestimmt, ergibt sich

t 1:Verzögerungszeit aus max. Betriebsdrehzahl (s)t 2:Nachlaufzeit mit Betriebsdrehzahl (s)t 3:Verzögerungszeit aus Betriebsdrehzahl (s)n:Betriebsdrehzahl

Da sich die beiden variablen Zeiten t 2 und t 3 innerhalb einer Schaltung nicht auf einfache Weise in Abhängigkeit von der Betriebsdrehzahl (Sollwertspannung) nachbilden lassen, wird entsprechend Fig. 5 ein anderer Verlauf der Verzögerung nach der Befehlsgabe (n→0) gewählt.

Fig. 5 zeigt, daß die Verzögerungszeit aus allen Betriebsdrehzahlen konstant gehalten wird und dadurch bei einem Regelbereich von 1 : 10 auch die Auslaufumdrehungen, gemäß Fig. 6, im Verhältnis 1 : 10 stehen.

Die gesamten Auslaufumdrehungen, die sich wiederum während der Verzögerungszeit aus der max. Drehzahl ergeben, setzen sich dann wie folgt zusammen:

t 1:konstante Verzögerungszeit aus jeder Betriebsdrehzahl (s)t 2:Nachlaufzeit mit Betriebsdrehzahl (s)n:Betriebsdrehzahl.

Aus Gl. 2 geht hervor, daß gegenüber Gl. 1 nur noch eine variable Zeit (t 2) zu berücksichtigen ist. Löst man die Gl. 2 nach t 2 auf, so lassen sich die Zeiten für den Nachlauf mit der Betriebsdrehzahl ermitteln:

Da die beiden Zeiten t 1 und t 2 elektrisch nachgebildet werden müssen, können in Gl. 3 die Drehzahlen gegen die entsprechenden Sollwertspannungen ausgetauscht werden. Setzt man z. B. für t 1= 2 RC als Verzögerungszeit ein, erhält man für die Nachlaufzeit t 2:

Um den Übergangspunkt von der gleichförmigen Bewegung (t 2) in die Verzögerung (t 1) so genau wie möglich zu erfassen, wird davon ausgegangen, beide Zeiten durch eine Integratorstufe zu gewinnen. Für die Verzögerungszeit t 1 erhält man somit

Fig. 7 zeigt die Umsetzung der Gl. 4 und Gl. 5 in eine Schaltung. Sie ist eine vereinfachte Darstellung aus der Gesamtschaltung.

Während des Normalbetriebes ist der Schalter S 1 geschlossen und der Kondensator C wird mit der Betriebsspannung auf maximalen Sollwert aufgeladen. Wird nun durch Öffnen von S 1 der Befehl für die Verzögerung mit konstantem Weg gegeben, wird der Kondensator C der Integratorstufe OP 5 über den Widerstand R 2 durch die Ausgangsspannung von OP 4 entladen. Ist der Schalter S 2 am Eingang von OP 4 geschlossen, beträgt die Verstärkung V = 1, das heißt, die Ausgangsspannung von OP 4 entspricht der Sollwertspannung (Divisor von Gl. 4). Aus Gl. 4 geht hervor, daß der Kondensator C innerhalb der Zeit t 2 um den Differenzbetrag U soll max-U soll durch die Sollwertspannung entladen wird. Durch eine Komperatorstufe OP 9, die ständig die Ausgangsspannung der Integratorstufe OP 5 mit der Sollwertspannung vergleicht, wird in dem Augenblick, wo beide Spannungen gleich sind, der Schalter S 2 geöffnet. Dies hat zur Folge, daß sich die Verstärkung von OP 4 ändert und zwar von V = 1 auf V = 0,5. Ab diesem Zeitpunkt wird der Kondensator C mit der halben Sollwertspannung (Divisor von Gl. 5) innerhalb der Zeit t 1 bis U = 0V entladen.

Damit ergibt sich für die Ausgangsspannung des Integrators OP 5 ein Spannungsverlauf gemäß Fig. 8.

Mit dem Potentiometer R 2 lassen sich die Integrierzeit R 2 × C und damit die Verzögerungszeiten t 1 und t 2 verändern. Für die gleichbleibende Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung von OP 5 ist Voraussetzung, daß die Entladespannung während des gesamten Entladungsvorganges konstant gehalten wird.

Einen prinzipiellen Aufbau des erweiterten Sollwertintegrators zeigt Fig. 9. Die Schaltung beinhaltet einen Sollwertintegrator OP 1 und OP 2 in bekannter Ausführung, um bei Sollwertänderungen weiterhin mit einstellbarer Hochlauf- und Verzögerungsrampe arbeiten zu können. Dieser Integrator wurde so erweitert, daß sich nach Befehlsgabe für die Verzögerung ein konstanter Auslaufweg aus jeder Betriebsdrehzahl heraus ergibt.

Wird die Anlage eingeschaltet und gleichzeitig der Schalter S 1 geschlossen, aber noch keine Sollwertspannung vorgegeben, stellen sich innerhalb der Schaltung folgende Verhältnisse ein:

Mit dem Einschalten wird der Kondensator C des Integrators OP 5 mit der Betriebsspannung auf die durch die Begrenzerstufe OP 6 eingestellte Spannung aufgeladen. Diese Spannungshöhe soll, wie zuvor beschrieben, der maximalen Sollwertspannung entsprechen und wird mit R 3 eingestellt. Da noch kein Sollwert vorgegeben ist, beträgt die Ausgangsspannung des Sollwertintegrators (OP 1 und OP 2) 0 Volt. Da diesem Ausgang eine Sample/ Hold-Stufe OP 3 und eine in der Verstärkung umschaltbare Verstärkerstufe OP 4 nachgeschaltet sind, beträgt auch deren Ausgangsspannung 0 Volt.

Da dadurch am invertierenden Eingang einer zweiten Begrenzerstufe OP 8 auch 0 Volt liegen, beträgt die Ausgangsspannung der Verstärkerstufe OP 7, obwohl am Eingang die aus dem Integrator OP 5 kommende Spannung liegt, ebenfalls 0 Volt.

Der Ausgang von OP 7 ist der eigentliche Sollwertausgang und dient zur Ansteuerung eines nachfolgenden Reglers. Die Komperatorstufe OP 9 hat aufgrund des Spannungsvergleiches am Eingang den FET1 so gesteuert, daß die Verstärkerstufe OP 4 eine Verstärkung von V = 1 aufweist.

Wird nun eine Sollwertspannung vorgegeben, läuft die Ausgangsspannung des Sollwertintegrators (OP 1 und OP 2) entsprechend der eingestellten Beschleunigungszeit auf den eingestellten Sollwert. Den gleichen Spannungswert nehmen auch die Ausgänge der Sample/Hold-Stufe OP 3 und der Verstärkerstufe OP 4 an. Solange die eingestellte Sollwertspannung unterhalb der maximalen Sollwertspannung liegt, wird die Verstärkung von OP 4 durch den Komparator OP 9 auf V = 1 gehalten. Durch die Ansteuerung der Begrenzerstufe OP 8 durch OP 3 tritt nun am Ausgang des Verstärkers OP 7 eine Sollwertausgangsspannung auf, welche der Ausgangsspannung des Hochlaufgebers (OP 1 und OP 2) entspricht.

Damit wird jede Sollwertänderung am Eingang des Sollwertintegrators mit der vorgegebenen Beschleunigungs- bzw. Verzögerungszeit am Ausgang des Verstärkers OP 7 wirksam und entspricht in seinem Verhalten den bisher bekannten Sollwertintegratoren (Fig. 2 und Fig. 3).

Soll nun nach der Befehlsgabe für die Verzögerung aus jeder Betriebsdrehzahl (Sollwertspannung) heraus ein konstanter Weg (Umdrehungen) zurückgelegt werden, funktioniert die Schaltung folgendermaßen:

Die Einleitung der Verzögerung erfolgt durch den Schalter S 1, welcher die Sollwertvorgabe für den Sollwertintegrator (OP 1 und OP 2) und die Ladespannung für den Integrator OP 5 unterbricht. Gleichzeitig wird durch die Sample/Hold-Stufe OP 3 die Ausgangsspannung des Sollwertintegrators (OP 1, OP 2) gespeichert.

Liegt die gespeicherte Sollwertspannung unter der maximalen Sollwertspannung hält der Komperator OP 9 den FET1 so niederohmig, daß die Verstärkerstufe OP 4 mit einer Verstärkung von V = 1 arbeitet. Das heißt, der auf maximalen Sollwert aufgeladene Kondensator C des Integrierers OP 5 wird mit der gespeicherten Sollwertspannung entladen. Solange nun die Ausgangsspannung vom Integrierer OP 5 noch über der gespeicherten Sollwertspannung liegt, die den Begrenzer OP 8 steuert, bleibt die Sollwertspannung am Ausgang des Verstärkers OP 7 in seiner vollen Höhe erhalten.

Durch den ständigen Vergleich der Ausgangsspannung vom Integrierer OP 5 mit der gespeicherten Sollwertspannung von OP 3 durch den Komperator OP 9 wird der Zeitpunkt bestimmt, in dem die Ausgangsspannung von OP 5 die Sollwertspannung unterschreitet. In diesem Augenblick steuert der Komperator OP 9 den FET1 so, daß die Verstärkung des OP 4 von V = 1 auf V = 0,5 geändert wird.

Die Entladung des Kondensators C wird nun mit der halben Sollwertspannung bis auf 0 Volt fortgesetzt. Gleichzeitig setzt auch die Begrenzung der Ausgangsspannung von OP 7 aus, da die Eingangsspannung von OP 7 kleiner wird, als die den Begrenzer OP 8 steuernde gespeicherte Sollwertspannung. Daher geht auch die Sollwertausgangsspannung von OP 7 in eine gleichförmige verzögerte Spannung, die gegen 0 Volt läuft, über.

Man erhält dadurch ein Sollwertdiagramm für die Verzögerung mit konstantem Auslaufweg, wie es in Fig. 10 dargestellt ist. Mit dem Potentiometer R 2 läßt sich die Verzögerungszeit variieren.

Da die Sample/Hold-Stufe OP 3 nicht vom direkten Sollwerteingang gespeist wird, sondern vom Ausgang des Sollwertintegrators (OP 1, OP 2), kann der Befehl für die Verzögerung mit konstantem Auslaufweg selbst auch in eine nicht abgeschlossene Hochlaufphase und Verzögerungsphase fallen.

Da diese Schaltung analog aufgebaut ist, hängt die erreichbare Genauigkeit in Verbindung mit einem Regelantrieb weitgehendst von der Linearität des verwendeten Istwertgebers ab. Für Anwendungsfälle, bei denen keine absolute Genauigkeit gefordert wird, stellt dieser Hochlaufgeber eine kostengünstige Lösung dar.

Aus Sicht der Bedienung ist der Sollwertintegrator so konzipiert, daß bei einmaliger Festlegung der Beschleunigungszeit und der Verzögerungszeit mit gleichem Auslaufweg nur noch der Sollwert für die gewünschte Betriebsdrehzahl vorgegeben werden muß.

Claims (3)

1. Erweiterung der Drehzahlregelverfahren für Elektromotoren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konstanthaltung der Nachlaufwege bei unterschiedlicher Geschwindigkeit sich eine Kombination von konstanter Geschwindigkeit und Verzögerung so automatisch über den Drehzahlbereich einstellt, daß der Nachlaufweg des Elektromotors unabhängig von der Geschwindigkeit wird bzw. ein Verfahren, bei dem bei verringerter Geschwindigkeit die Auslaufzeit so verändert wird, daß sich konstante Nachlaufwege dadurch ergeben, daß ein Funktionsgeber (Sollwertintegrator) derart erweitert wird, daß nach Befehlsgabe für die einzusetzende Verzögerung (n→0) der Sollwertausgang (OP 7) durch einen auf max. Sollwertspannung aufgeladenen Integrator (OP 5) so gesteuert wird, daß unterhalb der Maximaldrehzahl die jeweils vorgegebene Drehzahl so lange erhalten bleibt, wie für die Entladung des Integrators (OP 5) von der max. Sollwertspannung bis auf die jeweils eingestellte Sollwertspannung durch die eingestellte invertierte Sollwertspannung benötigt wird und sich mit der anschließenden weiteren Entladung durch die halbe eingestellte invertierte Sollwertspannung die Verzögerung (n→0) ergibt.

2. Erweiterung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Betrieb des Sollwertintegrators nicht die direkt vorgegebene Sollwertspannung, sondern die Ausgangsspannung des Sollwertintegrators (OP 1, OP 2) verwendet wird, damit der Befehl für die Verzögerung mit konstantem Auslaufweg selbst in eine nicht abgeschlossene Hochlaufphase fallen kann, da zum Zeitpunkt der Befehlsgabe für die Verzögerung jeweils der für den nachgeschalteten Regler wirksame Sollwert durch die Sample-Hold-Stufe (OP 3) gespeichert wird.

3. Anordnung zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Befehlsgabe für die Verzögerung mit konstantem Nachlaufweg der Umschaltpunkt für den Übergang aus der konstanten Geschwindigkeit in die Verzögerung durch einen Komparator (OP 9) bestimmt wird, der die Ausgangsspannung des Integrators (OP 5) mit der Sollwertspannung (Ausgangsspannung von OP 3) vergleicht und daß durch eine Verstärkerstufe OP 4, deren Verstärkung durch einen elektronischen Schalter, welcher durch den Komparator OP 9 angesteuert wird, die Entladespannung für den Integrator OP 5 im Verhältnis 1 : 0,5 umgeschaltet wird.