CH616284A5

CH616284A5 -

Info

Publication number: CH616284A5
Application number: CH610276A
Authority: CH
Inventors: Josef Eder
Original assignee: Euratom
Priority date: 1975-05-16
Filing date: 1976-05-14
Publication date: 1980-03-14
Also published as: SE432501B; US4099107A; FR2311445B1; JPS51141312A; NO147695C; ES447823A1; JPS5820232B2; NL188824C; DE2619714C2; DK151431B; NL188824B; DK151431C; LU74937A1; NO147695B; SE7605476L; IE42577B1; DK215076A; IE42577L; NO761593L; IT1062028B

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung der Frequenz und Phase der Wechselspannung am Ausgang eines Umformers zur Speisung eines Wechselstrom-Motors, um die Drehzahl der Welle des Motors zu regeln, mit einem Mikroprozessor, der einen Teil der Gegenkopplungsschleife bildet, in welcher ein Gegenkopplungssignal durch die Drehung der Motorwelle erzeugt wird.

Die hochpräzise Steuerung oder Synchronisierung der Drehbewegung von einer oder mehreren Motorwellen stellt ein wichtiges Problem auf den verschiedenen technischen Gebieten, beispielsweise bei der Herstellung von Papier sowie bei den Blenden von Kino-Kameras und Motoren zur Bewegung von Filmen und synchronisierten Schliessvorrichtungen in Messausrüstungen dar.

Ein Vorteil der Asynchronmotoren ist, dass sie einfach, robust und relativ preisgünstig sind, wobei aber ein Nachteil darin besteht, dass sie für derartige Verwendungen nicht sehr geeignet sind, weil ihre Drehzahl stark von Änderungen in der Belastung der Welle abhängt.

Die Synchronisierung von mehreren Synchron-Motoren ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift Nr. 2 006 362 bekannt, bei welcher ein Bezugsimpulssignal verwendet wird, dessen Phase mit den Phasen der Impulssignale, die von der Drehbewegung der Motorwellen abgeleitet werden und die gleiche Frequenz haben wie das Bezugssignal, verglichen wird. Das Resultat dieses Vergleiches wird zur Beeinflussung der Phase der Ausgangs-Wechselspannung der Motorspeisung, einem Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter, derart verwendet, dass die Drehung der Motorwelle synchron mit der Phase des Bezugssignals gehalten wird. Da nur die Phase der Wechselspannung beeinflusst wird, ist diese Technik nicht zur Steuerung eines Synchronmotors verwendbar.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es eine wirtschaftliche Art zur kontinuierlichen Regelung sowohl der Winkelgeschwindigkeit als auch der Phase der Drehbewegung von einer oder mehreren Motorwellen zu schaffen, damit sowohl Synchron- als Asynchronmotoren in denjenigen Fällen verwendet werden können, in welchen eine hochpräzise Regelung der Synchronisierung erforderlich ist.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäss mit dem Kennzeichen des Anspruches 1 erreicht.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungs-gemässen Einrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein detailliertes Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Hauptimpulsgenerators in der Steuereinrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Block-Schaltbild einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 4 die Verwendung der Erfindung zur Synchronisierung der Drehzahl von mehreren Wechselstrommotoren.

In der Fig. 1 ist ein Hauptimpulsgenerator 11 mit einer hochgradigen Frequenzstabilität dargestellt, welcher ein Bezugssignal freg abgibt. Ferner sind ein Motor 12 und eine Speisequelle 13 für den Motor, welche vorzugsweise aus einem Wechselstrom-Gleichstromumformer mit steuerbarer Ausgangsspannung und ein am Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer mit steuerbarer Ausgangsfrequenz und Phase besteht, vorgesehen sind. Das Bezugssignal fregund ein Motorsignal, dessen Frequenz fmot proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Welle des Motors 12 ist, werden beide einem Mikroprozessor 14 zugeleitet, so dass ein Impuls aus einer von zwei Signalleitungen eine Unterbrechung im Programm des Mikroprozessors bewirkt.

Der Mikroprozessor kann derart programmiert sein, dass er die folgenden Funktionen ausübt:

Jedesmal, wenn eine Programmunterbrechung auftritt, wird der Mikroprozessor diejenige Zeit ablesen, welche von einer Digitaluhr 15 angegeben ist. Der Mikroprozessor wird in seinem Speicher die ersten beiden Unterbrechungssignale einer Serie speichern, welche mindestens zwei aufeinanderfolgende Zeitangaben einschliesst. Aufgrund der beiden Serien von Zeitangaben wird der Mikroprozessor die Unterschiede in Frequenz und Phase zwischen fref und fmot berechnen. Ferner wird der Mikroprozessor Steuersignale, vorzugsweise Reihen von sechs Impulsen, für die Motor-Speiseleitung 13 erzeugen und wird gleichzeitig die berechneten Unterschiede in der Frequenz und in der Phase zwischen fref und fmot zur Steuerung der Steuersignale derart verwenden, dass die Unterschiede in der Frequenz und der Phase konstant gehalten werden.

Zur Vereinfachung der Beschreibung wird angenommen, dass die Frequenzen der Signale fref und fmot gleich sind. Selbstverständlich ist es aber durch einfache Umprogrammierung möglich, durch den Mikroprozessor Steuerfunktionen zu verändern, sofern das Verhältnis zwischen den beiden Frequenzen

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als eine rationale Zahl ausgedrückt werden kann.

Eine variable Drehgeschwindigkeit ist dadurch leicht zu erhalten, dass freg variiert wird. Dies muss aber in einer solchen Weise erfolgen, dass die Stabilität der Frequenz und der Phase des Bezugssignals nicht gefährdet werden. In Fig. 2 wird ein phasenstarrer Oszillator 22 durch ein Signal fc von einem Quarz-Oszillator 21 und durch ein Signal gesteuert, das durch Aufteilung der Frequenz des Ausgangssignals des phasenstarren Oszillators durch eine ganze Zahl n in einem geeigneten elektronischen Stromkreis 23 erzeugt wird. Der Wert dieser Zahl kann ausserhalb des Hauptimpulsgenerators durch geeignete, bekannte Mittel gesteuert werden. Die Steuerung des phasenstarren Oszillators wird derart ausgeführt, dass die Frequenz seines Ausgangssignals auf einen konstanten Wert von fc n gehalten wird. Die Frequenz des Ausgangssignals des phasenstarren Oszillators kann ferner durch eine bestimmte, ganze Zahl m in einem geeigneten Stromkreis 24 geteilt werden, sofern dies aus technischen Gründen erwünschenswert ist, um beispielsweise den Wert fc zweckmässig festzulegen.

Die Ausführung der Erfindung nach den Fig. 1 und 2 ist insbesondere dann zweckmässig, wenn sie zur Regelung eines Motors verwendet wird, der vom Ort, an welchem die Einstellung der gewünschten Drehgeschwindigkeit vorgenommen wird, weit entfernt liegt.

Wenn in einem solchen Falle sich der Hauptimpulsgenerator 11 dort, wo die Einstellung der Drehgeschwindigkeit stattfindet, und die anderen Stromkreise sich unmittelbar am Motor befinden, muss nur das Bezugssignal zwischen den beiden Teilen der Steuereinrichtung übertragen werden. Der Mikroprozessor kann leicht programmiert werden, um das Bezugssignal zu kontrollieren und wird nicht vom Rauschen beeinträchtigt. Infolgedessen kann es durch technisch einfache Mittel übertragen werden.

In anderen Fällen, welche von denjenigen abweichen, über die gerade geschrieben wurde, kann die Ausführung nach Fig. 3 preisgünstige Vorteile aufweisen.

Der Unterschied zwischen den beiden Ausführungen der Erfindung in den Fig. 1 und 3 besteht darin, dass bei der in dieser Fig. 3 gezeigten Ausführung wird der Hauptimpulsgenerator durch Mittel 38 zur Zufuhr der Soll-Drehzahl in Form einer numerischen Konstante zum Mikroprozessor ersetzt, die beispielsweise die Anzahl Umdrehungen pro Zeiteinheit ausdrückt, wobei diese Vorrichtung vorzugsweise eine geeignete Anzahl von Schaltern aufweist, die jeweils zehn Stellungen haben, die einstellbar sind, um die genannte, numerische Konstante anzuzeigen, wobei ein Druckknopf zur Unterbrechung des Programms des Mikroprozessors dient und dann betätigt werden kann, wenn ein neuer Wert der Drehzahl gewählt wurde.

In diesem Falle muss der Mikroprozessor derart programmiert sein, dass jedesmal, wenn eine neue Drehzahl gewählt wurde und dann vom Mikroprozessor abgelesen wurde, in das entsprechende numerische Äquivalent von l/fref umgewandelt wird. Jedesmal, wenn das Motorsignal eine Unterbrechung des Programms des Mikroprozessors bewirkt, wird es nicht nur eine Zahl von den Ausgangskontakten der Digitaluhr ablesen, sondern ein neues Element in der Folge von Zahlen berechnen, welche diejenige fref durch Hinzufügen des numerischen Äquivalentes von l/fref zum letzten Element der Serie, darstellen.

Die vorliegende Erfindung ist zur Synchronisierung von mehreren Wechselstrommotoren ideal, und zwar unabhängig von ihren Lagen im Verhältnis zueinander. In diesem Falle kann die Ausführung nach Fig. 4 mit Vorteil verwendet werden.

In Fig. 4 ist eine Digitaluhr 41 für alle Steuereinrichtungen und eine gemeinsame Einrichtung 40 zur Zufuhr von Informationen über die Soll-Drehzahl, entweder als fref oder als Anzahl von Umdrehungen pro Zeiteinheit, vorgesehen, die auf die beiden bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Fig. 1

und 3 anwendbar sind. Die Steuereinrichtungen 43 oder 43' sind im wesentlichen gleich wie die nach Fig. 1 oder 3, weisen jedoch keine Digitaluhren oder Einrichtungen zur Lieferung von Informationen über die Soll-Drehzahl auf. Mit 42 und 42' sind die zu synchronisierenden Motoren gekennzeichnet. Durch Anwendung einer gemeinsamen Digitaluhr, einer gemeinsamen Informationsquelle über die Soll-Drehzahl sowie einer identischen Vorrichtung zur Erzeugung von fmot und identische Programme in dem Mikroprozessor wird gewährleistet, dass die Motoren immer in einer solchen Weise mit elektrischer Energie versorgt werden, dass alle Motorsignale synchron gehalten werden. Infolgedessen bleibt die Synchronisation konstant, wenn sie einmal festgelegt wurde, solange alle Elemente der Anordnung funktionsfähig gehalten werden. Die Synchronisierung der Motoren kann, sofern sie von verschiedenen mechanischen oder elektrischen Vorrichtungen benötigt wird, zum Beispiel durch eine Drehung der Statoren der Motoren oder der statischen Teile der Vorrichtungen zur Erzeugung der Motorsignale oder durch Signalisierung zur Steuereinrichtung zur Missachtung einer Zahl von Impulsen entweder vom Motorsignal oder vom Bezugssignal führen, sofern dieses vorhanden ist. Andere Wege zur Erzielung einer Ausgangssynchronisation kann von jedem Fachmann leicht ausgearbeitet werden.

Wenn ein grosser Variationsgrad der Drehzahl des Motors erwünscht ist, wird es notwendig sein, die Ausgangsspannung der Speisequelle für den Motor einzustellen, um der in den Statorpolen des Motors, bei der Soll-Drehzahl induzierte, elektromotorischen Kraft zu entsprechen. Auch wenn der Motor angelassen ist, ist es zweckmässig, die zugeführte Spannung graduell zu heben, um einen weichen Anlauf des Motors zu erreichen. Dieses Problem wird in der folgenden Weise gelöst.

Jedesmal, wenn der Mikroprozessor die Frequenz des Motorsignals errechnet, berechnet er auch ein numerisches Äquivalent der Speisespannung, welche für die ideale Drehzahl des Motors den idealsten Wert ist. Die Umformung des berechneten, numerischen Äquivalentes in die gewünschte Speisespannung wird vorteilhaft dadurch erreicht, dass ein Digital-Analog-Umformer 16 oder 36 das numerische Äquivalent der Speisespannung in eine Spannung oder einen elektrischen Strom umwandelt, der als Einstellsignal für den Spannungssteuerkreis geeignet ist, und vorzugsweise in den Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer, der vorzugsweise einen Teil der Steuereinrichtung für den Motor darstellt, eingespeist wird.

Die Steuerung der Speisespannung für den Motor kann ferner dadurch verbessert werden, dass ein gewünschtes Verhältnis zwischen der Drehzahl des Motors und dem maximalen Drehmoment des Motors erreicht wird. Vorzugsweise wird dies dadurch erreicht, dass entweder der Wechselstrom in einer der Statorspulen des Motors oder der Gleichstrom zwischen dem Wechselstrom-Gleichstrom- und dem Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer der Leistung zum Motor gemessen wird, indem der gemessene Strom mittels eines digitalen Umformers 17 oder 37 in eine Anzahl von numerischen Äquivalenten dadurch gemessen wird, dass das numerische Äquivalent in einer solchen Weise einem Mikroprozessor zugeführt wird, dass jedesmal, wenn sie das numerische Äquivalent der Speisespannung berechnet hat, welche der tatsächlichen Drehzahl entspricht, wird das numerische Äquivalent des Stromes zur Änderung des numerischen Äquivalentes der Speisespannung verwendet, bevor sie dem Digital-Analog-Umformer derart zugeführt wird, dass der Wechselstrom in den Statorspulen des Motors dem gewünschten Drehmoment bei der bestimmten Drehzahl entspricht.

Wenn es zur Überwachung zweckmässig ist, einen oder mehrere der folgenden Parameter, d. h. die Drehzahl, die Speisespannung für den Motor und den Motorstrom in einer numerischen Form darzustellen, kann dies preisgünstig durch Ver-

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Wendung einer entsprechenden Anzahl von Ausgangskontakten am Mikroprozessor durchgeführt werden, an welcher eine oder mehrere, numerische Anzeigevorrichtungen anschliess-bar sind, durch welche der Mikroprozessor einen oder mehrere, numerische Äquivalente anzeigen kann, die bereits im Speicher sind. Es ist aber wichtig, darauf hinzuweisen, dass, ohne spezielle Massnahme, das numerische Äquivalent der Speisespannung für den Motor nicht das numerische Äquivalent der tatsächlich vorhandenen Spannung, sondern nur das numerische Äquivalent des eingestellten Punktes am Spannungsregulator ist und es infolgedessen nicht bestätigbar ist, dass die gewünschte Spannung tatsächlich vorhanden ist. Durch eine geeignete Programmierung des Mikroprozessors können die dargestellten, numerischen Werte in einer beliebigen Masseinheit ausgedrückt werden. Wenn es aus wirtschaftlichen Gründen erwünschenswert ist, kann eine gemeinsame Anzeige verwendet werden, um mehr als einen Parameter darzustellen, die mittels eines Schalters ausgewählt sind.

In allen Ausführungsformen muss der Mikroprozessor diejenige Bedingung erfüllen, dass die Laufzeit des Steuerprogramms kleiner ist, als das reziproke Produkt der Frequenz und s des Wechselstromes, der dem Motor zugeführt wird, wobei die Anzahl von Impulsen in einer Folge, welche den Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer der Speisequelle des Motors steuert, z. B. 100 Umdrehungen pro Sekunde betragen kann, wobei sechs Impulse die längste Laufzeit von: Ve 100s = 16,7 ms angibt, io Wenn es unmöglich ist, die Laufzeit des gesamten Steuer-programmes ausreichend kurz zu gestalten, kann es notwendig sein, einige Steuerfunktionen über unterschiedliche Läufe des Steuerprogramms zu verteilen, wobei beispielsweise eine Ergänzung des numerischen Äquivalentes der Speisespannung 15 stattfinden kann, die im nächsten Lauf entsprechend dem Resultat der Strommessung, korrigiert werden kann, um den Digital-Analog-Umformer zu speisen.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

616284 PATENTANSPRÜCHE

1. Einrichtung zur Steuerung der Frequenz und Phase der Wechselspannung am Ausgang eines Umformers zur Speisung eines Wechselstrommotors, um die Drehzahl der Welle des Motors zu regeln, mit einem Mikroprozessor, der einen Teil der Gegenkopplungsschleife bildet, in welcher ein Gegenkopplungssignal (fmot) durch die Drehung der Motorwelle erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenkopplungssignal (fmot) und ein Bezugssignal (fref) den Eingängen des Mikroprozessors (14; 34) zugeführt werden, welcher ausserdem die Ausgangssignale einer Digitaluhr (15,35; 41) empfängt, und dass der Mikroprozessor (14; 34) aus dem Vergleich des Bezugssignales (fref) mit den Ankunftszeiten der Gegenkopplungssignalimpulse (fmot) Steuersignale für die Frequenz und die durch den Taktgeber (15,35; 41) angezeigte Phase der den Motor (12; 32) speisenden Wechselspannung des Umformers erzeugt, welche Steuersignale an einem ersten Satz von Ausgängen des Mikroprozessors (14; 34) anliegen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Impulsgenerator (11), der das Bezugssignal (fref) erzeugt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugssignal (fref) eine numerische Konstante ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (14) dazu bestimmt ist, ein numerisches Äquivalent der Speisespannung für den Motor (12) abzugeben und das numerische Äquivalent derart zu berechnen, dass es der gewählten Drehzahl des Motors (12) entspricht.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (17; 37) zur Erzeugung eines numerischen Äquivalentes zu dem Betriebsstrom des Motors vorhanden ist und dass der Mikroprozessor (14; 34) dazu bestimmt ist, das numerische Äquivalent der Speisespannung in Abhängigkeit vom numerischen Äquivalent des elektrischen Stromes abzuändern.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere numerische Anzeigevorrichtungen an den Mikroprozessor angeschlossen sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 zur Regelung der Drehzahl von mehreren Wechselstrommotoren, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Motor (42,42') ein Mikroprozessor (43,43') vorgesehen ist, und dass alle Mikroprozessoren (43,43') mit einer gemeinsamen Digitaluhr (41) als Taktgeber und mit einer gemeinsamen Bezugsquelle (40) von Informationen über die Soll-Drehzahl verbunden sind.