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Digitalregler Die Erfindung befaßt sich mit der Ausbildung digital
wirksamer Regelungseinrichtungen, d. h. also mit solchen Reglern, denen ein Meßwert
der Regelgröße oder seiner entsprechenden Ersatzgröße in digitaler Zahlenform absatzweise
zugeführt ist. Im besonderen befaßt sich die Erfindung mit der Ausbildung desjenigen
Teils solcher Regler, der zur Bildung der dem Regler entnehmbaren und der Stellvorrichtung
des Reglers zuzuführenden Reglerausgangs- oder Reglerstellgröße dient.
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Digitalregler lassen sich bekanntlich ebenso wie die analog wirksamen
Regelungseinrichtungen durch passende Ausbildung ihres Zeitverhaltens an die jeweiligen
Gegebenheiten der zu regelnden Strecke anpassen. Es sind deshalb auch digitale P-,
I-, PID-Regler und alle übrigen Regler des bei Analogreglern benutzbaren und üblichen
Zeitverhaltens bekannt. Ihr technischer Aufbau unterscheidet sich jedoch wesentlich
von dem der Analogregler.
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In einer bekannten Bauform eines PID-Reglers digitaler Natur, der
zur Drehzahlregelung an Papiermaschinen Anwendung findet, ist eine Speichervorrichtung
vorgesehen, der ein digitaler Meßwert der Regelgröße oder der . Regelabweichung
zyklisch und absatzweise zuführbar ist, wobei die Speichervorrichtung (Stellgrößenspeicher)
zur Bildung der Stellgröße des Reglers dient. Bei dem bekannten Regler umfaßt der
Stellgrößenspeicher drei Speichervorrichtungen (Anteilspeicher), in denen jeweils
Anteile der dem Regler entnehmbaren Stellgröße gebildet sind. In einem ersten Anteilspeicher
wird ein der Regelabweichung proportionaler Anteil (P-Anteil) der Stellgröße gebildet,
während im zweiten Anteilspeicher ein einem Integral der Regelabweichung proportionaler
Anteil (I-Anteil) dieser Größe und im dritten Anteilspeicher ein einem Differential
der Regelabweichung proportionaler Anteil (D-Anteil) der Reglerstellgröße gebildet
wird. Sämtliche Anteile dieser Art sind der Stellgrößenspeichervorrichtung zyklisch
und absatzweise in Zahlenform entnehmbar. Dieses geschieht dadurch, daß diese Zahlen
am Ausgang der Speichervorrichtung absatzweise in Register übertragen werden, denen
ausgangsseitig Digital-Analog-Wandler bekannter Ausbildung nachgeschaltet sind,
die die jeweiligen Zahlenwerte in analoge elektrische Gleichspannungen oder Gleichströme
umwandeln. Diese werden gleichstromseitig addiert, wobei der Additionsvorgang z.
B. über Potentiometer, die einstellbar sind, erfolgt, so daß der Proportionalanteil,
der Differentialanteil und der Integralanteil der Reglerstellgröße mit einstellbaren
Proportionalitätsfaktoren gleichstromseitig zu einer Summenspannung oder zu einem
Summenstrom vereinigbar sind. Die aus dem Additionsvorgang resultierende Größe wird
zur Steuerung einer Leistungsverstärkerstufe, die dann die Stellvorrichtung des
Reglers verstellt, benutzt.
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Regler dieser Ausbildung sind unbrauchbar, wenn es sich um Regelungseinrichtungen
handelt, deren Stellglied vorteilhaft mit digitalen Hilfsmitteln verstellt wird.
Dieses ist z. B. bei der Frequenzregelung von Impulsfolgen der Fall, die einer aus
bistabilen Kippstufen bestehenden Frequenzteilerstufe mit einstellbarem Teilverhältnis
entnehmbar sind. Auch bei der Drehzahl- und Phasenwinkelregelung motorischer Antriebe,
die ihren Speisestrom aus einem Normalfrequenzoszillator zugeführt erhalten, ist
die Anwendung von digitalen Stellgrößen vorteilhaft, da in solchen Fällen der Weg
über mechanische Stellglieder zu einem unnötigen Aufwand führt.
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Zur. Phasenwinkel- bzw. Frequenzregelung dreiphasiger Synchron- oder
Asynchronmotoren, deren Speisestrom aus einem HF-Oszillator abgeleitet ist und die
zum Antrieb fotografischer Drehblendenverschlüsse Anwendung finden, ist deshalb
bereits ein digitaler elektronischer PI-Regler bekanntgeworden, dessen Stellgröße
durch digitale Addition der den Ausgaberegistern des Stellgrößenspeichers entnehmbaren
Zahlenwerte unter Verwendung einer digitalen Rechenvorrichtung gebildet ist, so
daß die Stehgröße z. B. im binären Zahlenkode einem der Rechenvorrichtung nachgeschalteten
Ausgaberegister absatzweise und zyklisch entnehmbar ist. Der binäre Zahlenwert steuert
dabei über logische Netzwerke die digital zu betätigende Stellvorrichtung der Regelungseinrichtung.
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Die Anwendung digitaler Rechenvorrichtungen in Reglern dieser Art
ist jedoch häufig unvorteilhaft, da der mitunter relativ einfache Aufbau der Regelungsvorrichtung
dadurch
in umständlicher Weise kompliziert wird.
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Es liegt somit der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Stellgröße
an Reglern der bezeichneten Art auf relativ einfachem Wege ohne Anwendung besonderer
digitaler Rechenvorrichtungen digital zu bilden, derart, daß die Stellvorrichtung
direkt digital verstellt werden kann.
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Es ist zwar eine Vorrichtung zur Regelung der Registerhaltigkeit von
Farbmarken auf Druckbahnen an Mehrfarbenrotationsdruckmaschinen bekannt, bei der
die Registermarken elektrisch abgetastet werden und die beim Abtastvorgang entstehenden
Impulse eine Torschaltung steuern. Über die Torschaltung gelangt während der Öffnungszeit
des Tors eine der Regelabweichung proportionale Anzahl von Impulsen in einen Impulsspeicher,
dem eine Schrittschaltvorrichtung, die als Stellvorrichtung des Reglers dient, nachgeschaltet
ist. Die Schrittschaltvorrichtung wird durch die Speichervorrichtung schrittweise
um eine Schrittzahl weitergeschaltet, die der gespeicherten Impulsanzahl entspricht.
Bei dieser Anordnung handelt es sich jedoch um einen lediglich P-wirkenden Registerregler
mit einem Anteilspeicher, bei dem die Notwendigkeit zur Addition mehrerer Stellgrößenanteile
nicht gegeben ist.
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Der Erfindung entsprechend wird ein Digitalregler, bestehend aus einer
wenigstens zwei Einzelspeicher aufweisenden Stellgrößenspeichervorrichtung, der
eingangsseitig absatzweise digitale Meßwerte einer Regelgröße oder der Regelabweichung
zuführbar sind und der ausgangsseitig über den Einzelspeichern zugeordnete Ausgaberegister
digitale Zahlenwerte entnehmbar sind, die proportionalen, integralen oder differentialen
Anteilen der Regelabweichung proportional sind, mit einer Vorrichtung zur Addition
der Stellgrößenanteile und einer von der Stellgr öße verstellten Stellvorrichtung
vorgeschlagen, der sich kennzeichnet durch eine digitale Additionsvorrichtung, in
der den Ausgaberegistern der Stellgrößenspeichervorrichtung wenigstens eine Impulszählvorrichtung
zugeordnet ist, der über ein Tor Impulse einer Hilfsimpulsquelle für die Dauer eines
der Auszählung einer dem Registerinhalt angepaßten Impulsanzahl entsprechenden Zeitintervalls
zuführbar sind, und durch eine Schaltvorrichtung zur zeitlich unmittelbar aufeinander
erfolgenden Auszähleng des Inhalts aller Ausgaberegister und zur anschließenden
Sperrung des Tors und ferner durch einen weiteren durch Impulse einer Hilfsimpulsquelle
speisbaren Impulszähler, dem Zählimpulse für die Dauer der Öffnungszeit des Tors
zugeführt sind, zur Betätigung der Stellvorrichtung des Reglers.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, daß zweckmäßig als Stellgröße
ein Zeitintervall Ts dienen kann, das aus der Regelabweichung x" durch eine Transformation
im Falle eines PID-Reglers hervorgeht, wobei a x", den P-Anteil,
den I-Anteil und
den D-Anteil der Reglerausgangsgröße bezeichnen. Mit den Mitteln nach der Erfindung
ist es möglich, ein Zeitintervall TS der bezeichneten Art zu erzeugen, das durch
zwei Impulse begrenzt ist und das dementsprechend auszählbar ist oder aber direkt
zur Verstellung des Reglerstellglieds benutzbar ist.
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In den Figuren sind drei Ausführungsbeispiele von Regelungseinrichtungen
nach der Erfindung schematisch dargestellt.
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F i g. 1 gibt das Blockschaltbild eines digitalen PID-Reglers wieder,
der zur Regelung des Phasenwinkels einer motorisch angetriebenen Welle Anwendung
findet. Derartige Regelungseinrichtungen werden beispielsweise an Motoren erforderlich,
die zum Antrieb fotografischer Drehblendenverschlüsse an Reihenbildkameras optischer
Zielverfolgungsinstiumente nach Art der bekannten Kinotheodolite vorgesehen sind.
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Bekanntlich werden mehrere solcher Theodolite, entfernt voneinander
aufgestellt, zu einer Meßstation zusammengefaßt, und die einzelnen Theodolitkameras
registrieren fotografisch zu gleichen Zeitpunkten ein Objekt, -z. B. also einen
schnell bewegten Flugkörper, wobei dafür gesorgt sein muß, daß die Kameras zu exakt
gleichen Zeitpunkten registrieren. Ihre Drehblendenverschlüsse müssen deshalb nicht
nur mit gleichen Drehzahlen umlaufen, sondern auch hinsichtlich ihrer Phasenwinkel,
die den Belichtungszeitpunkt bestimmen, synchronisiert sein.
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In F i g. 1 bezeichnet 1 den zu regelnden Motor. Es handelt sich um-
einen dreiphasigen Synchronmotor, dessen Rotorwelle den (nicht dargestellten) Drehblendenverschluß
eines Kinotheodolits antreibt. Der Phasenwinkel der Motorwelle 2 wird durch Verstellung
des Phasenwinkels des Motorspeisestroms geregelt.
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Hierzu ist die Motorwelle 2 mit einem Impulsgeber 3 gekuppelt, der
in bestimmten Winkelstellungen der Welle 2 auf lichtelektrischem, kapazitivem oder
magnetischem Wege Nadelimpulse erzeugt. Die Nadelimpulse des Impulsgebers 3 sind
als Impulsfolge der Leitung 4 zugeführt. Die Impulsfolgefrequenz auf der Leitung
4 ist deshalb durch die Drehzahl des Motors 1 bestimmt. Sie beträgt z. B. 20, 40
oder 80 Hz je nach eingestellter Drehzahl des Motors. Die Impulse dieser Impulsfolge
treten periodisch zu Zeitpunkten Tl, T2 ... Tn ... auf.
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Mit 5 ist ein Impulsgeber bezeichnet, der eine zur Impulsfolge der
Leitung 4 gleichfrequente Impulsfolge auf die Leitung 6 liefert. Impulse treten
auf dieser Leitung zu Zeitpunkten Tor, Tot ... Ton auf. Der Generator
5 dient als Sollwertgeber für den Phasenwinkel der Welle 2. Der Sollwert des Phasenwinkels
ist immer dann erreicht, wenn der zeitliche Abstand T =Toi - T1 = Tot
-T2= ... konstant und z. B. einen bestimmten Zahlenwert
To > 0 aufweist.
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Zur Ermittlung der Regelabweichung T, die größer oder kleiner als
To sein kann, sind die Impulse der Leitungen 4 und 6 einer elektronischen Torschaltung
7 zugeführt. Das Tor 7 wird durch einen Impuls der Leitung 6 geöffnet und durch
einen darauffolgenden Impuls der Leitung 4 geschlossen. Das Tor 7 ist demzufolge
für eine Zeit T' geöffnet.
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Die während dieser Öffnungszeit auf die Leitung die über das Tor 7
mit einer Leitung 9 in Verbindung steht, die einen HF-Oszillator 10 mit dem Eingang
des Tors 7 verbindet, gelangende Impulsanzahl NT ist deshalb der Öffnungszeit des
Tors 7 proportional und hängt außerdem von der Oszillatorfrequenz des
Oszillators
10, die als konstant angenommen ist, ab.
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Für das Ausführungsbeispiel sei beispielsweise angenommen, daß im
eingeregelten Zustand des Motors die Impulsanzahl NTO = 1000 beträgt, so
daß die Zahl NT, größer oder kleiner als »1000« im nicht eingeregelten Zustand
des Motors sein kann. Ist sie größer als 1000, eilt der Phasenwinkel der Motorwelle
2 dem Sollwert nach, ist sie kleiner, so eilt er voraus.
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Die während der Öffnungszeit des Tors 7 auf die Leitung 8 gelangenden
Impulse werden den drei Frequenzteilerstufen 11, 12 und 13 zugeführt. Die Teilverhältnisse
dieser Stufen sind zu einem weiter unten näher erläuterten Zweck einstellbar ausgebildet.
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Die Impulse der Leitung 8 gelangen nach Frequenzteilung auf die Leitungen
14, 15 und 16 und werden von dort aus dem Stellgrößenspeicher 17 des PID-Reglers
zugeführt.
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Der Stellgrößenspeicher umfaßt beim Regler des vorliegenden Ausführungsbeispiels
drei Einzelspeichervorrichtungen: den Anteilspeicher 18, den Anteilspeicher 19 und
den Anteilspeicher 20. Sie dienen zur Bildung der Reglerstellgröße.
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Hierzu weisen die drei Anteilspeicher an ihren Eingängen drei aus
bistabilen Multivibratoren aufgebaute, z. B. nach einem binären Kode zählende Impulszählvorrichtungen
21, 23 und 25 auf, denen die Impulse der Leitungen 14, 15 und 16 zugeführt sind.
Jeder Zähler zählt die ihm zugeführte Impulsanzahl, so daß nach beendigtem Zählvorgang,
d. h. bei Schließung des Tors 7, das Zählergebnis als Kombination der einzelnen
Schaltzustände der in den Zählern vereinigten Multivibratoren zur Verfügung steht.
Zur Bildung des P-Anteils der Reglerstellgröße wird im Anteilspeicher 18 beispielsweise
in an sich bekannter Weise derart vorgegangen, daß das Zählergebnis des Zählers
21 als Regelabweichung in das Ausgaberegister 22 der Speichervorrichtung 18 übergeführt
wird. Der Zähler 21 wird dann - zwecks Bereitstellung zu einer erneuten Zählung
- gelöscht.
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Im Anteilspeicher 19 wird ein einem Integral der Regelabweichung proportionaler
Zahlenwert gebildet, wozu das Zählergebnis des Impulszählers 23, der analog dem
Zähler 21 aufgebaut ist, wiederum zur Bildung der Regelabweichung ausgenutzt ist.
Diese wird in das Ausgeberegister 24 des Anteilspeichers 19 übertragen, in dem bereits
die Meßwerte der Regelabweichung aus vorhergehenden Meßvorgängen gespeichert sind.
Die vorzeichenrichtig gebildete Summe der gespeicherten Meßwerte der Regelabweichungen
steht im Register 24 zur Weiterverarbeitung als Zahlenwert zur Verfügung.
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Der Anteilspeicher 20 dient schließlich zur Bildung eines Differentials
der Regelabweichung, wozu das Zählergebnis des Zählers 25 ausgenutzt wird. Aus seinem
Zählergebnis wird erneut die Regelabweichung gebildet und dieser Zahlenwert zur
Bildung von Differenzenquotienten aus mehreren gemessenen Regelabweichungen, die
dem Differentialquotienten der Regelabweichung näherungsweise proportional sind,
der Differentialanteil der Reglerstellgröße gebildet. Es sei in diesem Zusammenhang
bemerkt, daß die beschriebenen Rechenoperationen selbstverständlich nach einem bestimmten
Zeitprogramm ausgeführt werden. Auf die zur Durchführung dieses Programms erforderlichen
Schaltmittel wird nicht näher eingegangen. Jedenfalls stehen nach Ablauf des Programms
in den Speichern 22, 24 und 26 Zahlenwerte z. B. im Binärzahlkode zur Verfügung,
die einem Proportionalanteil, einem Integralanteil und einem Differentialanteil
der Reglerstellgröße proportional sind.
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Die Anordnung ist so getroffen, daß in den Ausgaberegistern 22, 24
und 26 lediglich positive Zahlenwerte vorliegen. Dieses kann in an sich bekannter
Weise z. B. dadurch erfolgen, daß dem Wert der Regelabweichung »Null« eine positive
passend gewählte Zahl, z. B. also »1000«, zugeordnet wird, so daß Zahlen, die größer
oder kleiner als »1000« sind, positiven und negativen Werten der den -Stellgrößenspeichern
entnehmbaren Zahlen entsprechen.
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Die Proportionalitätsfaktoren, mit denen der Proportionalanteil, der
Integralanteil und der Differentialanteil der Reglerstellgröße behaftet sind, sind
durch Einstellung der Teilverhältnisse der Frequenzteilerstufen 11, 12 und 13 einstellbar.
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Zur Addition der in den Registern 22, 24 und 26 enthaltenen Zahlenwerte,
die wiederum als Schaltzustände einer in einer Speicherdekade zusammengefaßten Anzahl
bistabiler Multivibratoren gegeben sind, sind in der der Erfindung entsprechenden
Vergleichsvorrichtung, die programmgesteuert ist und dem Stellgrößenspeicher 17
nachgeschaltet ist, drei elektronische, aus bistabilen Kippstufen aufgebaute Impulszählvorrichtungen
33, 34 und 35 vorgesehen. Die Impulszählvorrichtungen sind einzeln über die Leitungen
30, 31 und 32 mit den Ausgaberegistern 22, 24 und 26 durch Übertragungseinrichtungen
36, 37 und 38 verbunden. Die Übertragungsvorrichtungen erlauben durch Impulsbetätigung
über die Leitung 39 die Übertragung der Schaltzustände der Register 22, 24 und 26
in die Zähler 33, 34 und 35 derart, daß die in den Registern gespeicherten Zahlenwerte
in die Impulszählvorrichtungen als Komplementärzahlen übertragen werden. Ist also
beispielsweise im Register 24 die Zahl »OLLOLLOL« gespeichert, so wird in die Impulszählvorrichtung
34 die Zahl »LOOLOOLO« übertragen.
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Nach erfolgter Übertragung stehen die Ausgaberegister der Stellgrößenspeichervorrichtung
17 erneut zur Aufnahme von neuen Zahlenwerten zur Verfügung.
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Wird dem Tor 40 über die Leitung 47 ein Impuls zugeführt, der das
Tor öffnet, so gelangen die Impulse des Oszillators 10 auf die Leitung 42 und von
dort über den Schalter 43 zunächst auf die Leitung 44, weshalb sie von dem Zähler
33 gezählt werden. Der Zähler 33 zählt eine der Komplementärzahl seines Zählerinhalts,
der aus dem Register 22 übertragen worden war, entsprechende Anzahl von Impulsen
und erzeugt beim Erreichen dieser Anzahl auf der Leitung 48 einen Impuls, der über
49 dem Ringzähler 43 zugeführt ist. Dieser Impuls schaltet den Ringzähler um einen
Zählschritt weiter, wodurch die Leitung 42 nunmehr mit der Leitung 45 verbunden
ist, wodurch der Zähler 34 zu zählen beginnt und wiederum eine seinem ursprünglichen
Zählerstand entsprechende Komplementäranzahl von Impulsen zählt. Beim Erreichen
dieser Anzahl wird der Ringzähler 43 durch einen Impuls der Leitung 50 abermals
um einen Zählschritt weitergeschaltet; und es wird die Leitung 42 mit der Leitung
46 verbunden. Der bei den Zählern 33 und 34 beschriebene Vorgang wiederholt sich
auch an diesem Zähler, dessen Zählendimpuls, der über die Leitung 51 das Ende des
Zählvorgangs anzeigt, als Stopimpuls
der Torschaltung 40 zugeführt
ist. Die Torschaltung wird geschlossen, und es wird gleichzeitig der Umschalter
43 in seine ursprüngliche in der Figur dargestellte Lage gebracht.
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Es ist ersichtlich, daß die von der Schaltvorrichtung 43 den einzelnen
Zählern 33, 34 und 35 nacheinander über die erläuterte Programmsteuerung zugeführte
Impulsanzahl in Summe der Summe der in den Registern 22, 24 und 26 ursprünglich
enthaltenen Zahlen proportional ist. Die Zeit, die zwischen der Öffnung des Tors
40 und seiner Schließung vergangen ist, ist deshalb ebenfalls dieser Summe proportional,
weshalb dieses Zeitintervall der Erfindung entsprechend als Stellgröße für den Regler
benutzbar ist.
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Die während der Öffnungszeit des Tors 40 auf die Leitung 42 gelangende
Impulsanzahl wird durch den elektronischen Binärzähler 61, der periodisch löschbar
ist, gezählt, so daß sein Zählerstand der Reglerstellgröße entspricht. Die Anordnung
ist wieder so getroffen, daß eine bestimmte positive Impulsanzahl der Regelabweichung
bzw. Reglerstellgröße »Null« entspricht, so daß Zählerstände am Zähler 61, die größer
oder kleiner als diese Anzahl sind, positiven oder negativen Regelabweichungen entsprechen.
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Der Zähler 61 dient als Stellvorrichtung für den Phasenwinkel des
Motorspeisestroms.
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Zur Erzeugung des Motorspeisestroms dient die Ausgangsspannung des
Oszillators 10, die über die (zwecks Änderung der Frequenz des Motorspeisestroms
und damit der Motordrehzahl) einstellbare Frequenzteilerstufe 70 der Leitung 71
und von dort aus dem Eingang des elektronischen Binärzählers 72 zugeführt ist. Der
Binärzähler 72 dient als Steuereinrichtung für den Motorspeisestrom. Er weist eine
beschränkte Zählkapazität auf, die z. B. k = 120 beträgt, so daß der Zähler im Normalfall
periodisch aus einer Nullstellung bis zum Zählschritt »120« zählt und diese Zählschritte
anschließend erneut durchläuft usw. Die bistabilen Schaltelemente des Zählers werden
deshalb periodisch durch ihre Schaltzustände gesteuert. Sie stehen ihrerseits mit
einer dem Zähler nachgeschalteten Diodenmatrix 73A in Verbindung. Der Matrix 73A
sind über die Leitungen 73, 74, 75, 76, 77 und 78 sechs gleichfrequente Impulsfolgen
mit im wesentlichen rechteckiger Impulsform entnehmbar.
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Die Impulsfolgen der Leitungen 73 und 74, 75 und 76, 77 und 78 sind
jeweils um 180° gegeneinander phasenverschoben. Sie sind den Eingängen der aus einem
Treiber und einer Gegentaktleistungsstufe bestehenden Leistungsverstärker 79, 80
und 81 zugeführt. Die Impulsfolgen, die dem Verstärker 80 zugeführt sind, sind gegen
die entsprechenden Steuerimpulsfolgen, die dem Verstärker 79 zugeführt sind, um
120° phasenverschoben, während die Impulsfolgen, die der Verstärkerstufe 81 zugeführt
sind, gegen die entsprechenden des Verstärkers 79 um 240° phasenverschoben sind.
Den drei Leistungsverstärkern sind demzufolge drei Wechselströme, die gegeneinander
um 120' phasenverschoben sind, entnehmbar. Sie dienen zur Speisung des Motors 1.
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Zur näheren Erläuterung sei hier bemerkt, daß die Anordnung beispielsweise
so getroffen ist, daß eine volle Zählperiode am Zähler 72, d. h. also diejenige
Zeit, die vom Zähler 72 zur Zählung von 120 Impulsen benötigt wird, der vollen Periode
der sechs Impulsfolgen, die der Diodenmatrix 73 entnommen sind, entspricht. Ein
Impuls der Leitung 73 weist deshalb beispielsweise eine Breite auf, die der Zählzeit
vom »0«-ten bis zum »60«-sten Impuls am Zähler 72 entspricht, während ein Impuls
auf die Leitung 74 während der Zählzeit »60« ... »120« entsteht. Die Breite der
Impulse auf der Impulsleitung 75 entspricht der Zählzeit des Zählers 72 vom »40«-sten
bis zum »100«-sten Zählimpuls, während vom »100«-sten bis zum »40«-sten Zählimpuls
auf die Leitung 76 über die Diodenmatrix 73 eine Spannung geschaltet ist. Schließlich
wird vom »80«-sten Zählimpuls an bis zum »20«-sten Zählimpuls auf die Leitung 77
eine Spannung geschaltet, und während der Zeitdauer, während der Zähler 72 den Zählimpuls
vom Impuls »20« zum Impuls »80« zählt, führt die Leitung 78 Spannung (vgl. hierzu
das Diagramm der F i g. 4).
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Die Beschränkung der Zählkapazität des Zählers 72 wird durch Mittel
zur selbsttätigen Rückstellung seines Zählerstandes bewirkt. Hierzu wird über die
Diodenmatrix 73 auf die Leitung 82 eine Spannung geschaltet, die lediglich dann
vorhanden ist; wenn der Zähler 72 den Impuls »119« zählt.
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Dem Binärzähler 61 ist ebenfalls eine Diodenmatrix 83 nachgeschaltet.
Die Anordnung ist dort derart getroffen, daß im eingeregelten Zustand des Motors
1, d. h. bei einem Zählergebnis des Zählers 61, das der Stellgröße »Null« entspricht,
auf die Leitung 84 eine Spannung geschaltet ist. Die Leitungen 82 und 84 sind mit
den Eingängen eines logischen »Und«-Gatters 85 verbunden, das über seine Ausgangsleitung
mit einer »Oder«-Schaltung 87 in Verbindung steht. Liegen an den beiden Eingängen
der »Und«-Schaltung 85 Spannungen, so schaltet die »Und«-Schaltung über das »Oder«-Gatter
auf die Leitung 88 einen Impuls; der eine Rückstellung des Zählerstandes am Zähler
72 auf den Beginn seines Zählzyklus bewirkt.
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Weicht die Stellgröße des beschriebenen Digitalreglers vom Wert »Null«
ab, so wird je nach dem Vorzeichen und nach dem Betrag der Stellgröße entweder auf
die Leitungen 89, 90 oder auf die Leitungen 91 und 92 bei entsprechendem Zählerstand
am Zähler 61 über die Matrix 83 eine Spannung geschaltet. Die genannten Leitungen
sind jeweils mit den »Und«-Schaltungen 93, 94, 95 und 96 verbunden, denen an ihren
zweiten Eingängen über die Leitungen 97, 98, 99 und 100 Spannungen zugeführt sind,
die in bestimmten Zählstellungen des Binärzählers 72 der Diodenmatrix 73 entnehmbar
sind.
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Die Anordnung kann beispielsweise derart getroffen sein, daß die Leitung
97 immer dann Spannung führt, wenn der Impuls »108« vom Zähler 73 gezählt wird.
Wird der Impuls »114« oder der Impuls »126« bzw. »134« gezählt, so führt entweder
die Leitung 98; 99 oder 100 eine Spannung. Die Ausgänge sämtlicher »Und«-Schaltungen
sind über die »Oder«-Schaltung 87 mit der Leitung $8 verbunden. Es ist deshalb möglich,
den Zähler 72 in Abhängigkeit von der Reglerstellgröße bereits beim Auftreten des
»108«-sten, des »114«-sten oder aber beim Auftreten des »126«-sten bzw. »136«-sten
Zählimpulses in seine Nullstellung zurückzustellen. Der Zählzyklus der Zählvorrichtung
wird deshalb entweder verkürzt oder verlängert, wobei eine Verkürzung bzw. Verlängerung
um z. B. sechs Zählimpulse am Phasenwinkel der dem Motor 1 zugeführten Speiseströme
einer Verschiebung von
äquivalent ist. Die Anordnung kann hinsichtlich dieser Wirkungsweise selbstverständlich
verändert werden.
In F i g. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel
einer Einrichtung nach der Erfindung schematisch dargestellt, wobei lediglich auf
den Teil der Einrichtung, der dem Stellgrößenspeicher des Digitalreglers nachgeschaltet
ist, Bezug genommen ist.
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Der Stellgrößenspeicher ist wieder mit 17 bezeichnet, seine Anteilspeicher
mit 18, 19 und 20. Die Vergleichsvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels umfaßt
lediglich eine einzige Impulszählvorrichtung 116, der über die Leitung 41 vom HF-Oszillator
10 über die Torschaltung 40 Hilfsimpulse zuführbar sind. Mit 113, 114
und
115 sind drei aus logischen Schaltelementen aufgebaute, an sich bekannte Vergleichsvorrichtungen
bezeichnet, die zum Vergleich der Zahlenwerte, die in den Ausgaberegistern 22, 24
und 26 der Anteilspeicher gespeichert sind, mit dem Zählerstand des Impulszählers
116 dienen. Hierzu sind die Ausgaberegister über Leitungen 110, 111 und 112 mit
der jeweils zugehörigen Vergleichsvorrichtung verbunden. Bei Öffnung des Tors 40
durch Impulsgabe über die Startimpulsleitung 47 laufen in den Zähler
116 Impulse ein, so daß sich sein Zählerstand vom Zählerstand Null mit konstanter
Zählgeschwindigkeit zu wachsenden Zählerständen auffüllt. Die bistabilen Schaltelemente
der Impulszählvorrichtung 116 stehen über die Leitung 117 mit den zweiten Eingängen
der Vergleichsvorrichtungen 113, 114 und 115 in Verbindung.
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Zunächst wird der Stand des Speichers 22 mit dem anwachsenden Zählerstand
des Zählers 116 verglichen. Sind beide Zahlenwerte gleich, so wird von der Vergleichsvorrichtung
113 auf die Impulsleitung 118 ein Impuls geschaltet, der über die Schaltvorrichtung
43, die wieder als Ringzähler der erwähnten Art ausgebildet sein kann, auf die Leitung
119 gelangt. Beim Auftreten dieses Impulses wird der Stand des Zählers 116 gelöscht,
und es wird der Ringzähler 43 weitergeschaltet, wodurch nunmehr die Leitung
119 mit dem Ausgang der Vergleichsvorrichtung 114 über die Leitung 120 verbunden
ist. Der Zähler 116 wird erneut aufgefüllt, und es erzeugt die Vergleichsvorrichtung
114 bei Gleichheit des Zahlenwertes am Zähler 116 mit dem Zahlenwert des Ausgaberegisters
24 einen Impuls, der über die Leitung 120, 119 den Zähler 116
löscht
und den Ringzähler 43 um einen Schritt fortschaltet. Durch erneutes Auffüllen des
Zählers 116 wird bei Gleichheit seines Zählerstandes mit dem Inhalt des Registers
26 auf die Leitung 121 von der Vergleichsvorrichtung 115 eine Spannung geschaltet.
Die Spannung stellt über die Leitung 119 den Zähler 116 zurück. Gleichzeitig wird
vom Schalter 43 der Schalter 122, z. B. ein monostabiler Multivibrator, betätigt;
der auf die Leitung 123 einen Stopimpuls, der dem Tor 40 zugeführt ist, schaltet.
Der Zählvorgang wird deshalb am Zähler 116 beendet, und es ist die Zeit, die zwischen
der Öffnung des Tors 40 und seiner Schließung vergangen ist, wieder der Reglerstellgröße
proportional. Die über das Tor 40 dem Zähler 116 zugeführten Impulse sind deshalb
gleichzeitig bei der Anordnung nach diesem Ausführungsbeispiel dem Stellgrößenzähler
61 zugeführt, der - wie an Hand der F i g. 1 beschrieben - als Stellvorrichtung
für den Regler dient.
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In F i g. 3 ist ein PD-Regler nach der Erfindung dargestellt, bei
dem das durch die programmgesteuerte Vergleichsvorrichtung erzeugte Zeitintervall
ohne Auszählung seiner Länge direkt als Stehgröße benutzt wird. In F i g. 3 bezeichnet
1 wieder einen dreiphasigen Synchronmotor, dessen Rotorwelle 2 mit dem Impulsgeber
3 gekuppelt ist, der in bestimmten Stellungen der Rotorwelle Nadelimpulse erzeugt.
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Mit 10' ist ein HF-Oszillator bezeichnet, der über die Leitung 213,
die Frequenzteilerstufen 214 und 215 und die beiden Tore 209 und 210 mit dem Stellgrößenspeicher
17 des Reglers in Verbindung steht.- Den Toren 209 und 210 sind über die Leitung
208 die Impulse des Generators 3 als Startimpulse zugeführt, während der Sollimpulsgenerator
5 über die Leitungen 211 und 212 mit den beiden Toren in Verbindung steht und für
diese Tore Stopimpulse liefert.
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Die während der Öffnungszeit der beiden Tore in den Stellgrößenspeicher
17 gelangenden Impulse werden - wie bereits beschrieben - in den beiden Zählvorrichtungen
216 bzw. 217 des Stellgrößenspeichers 17 in den P-Anteil bzw. D-Anteil der Reglerstellgröße
umgewandelt, und diese werden in die Ausgaberegister 218 bzw. 219 des Stellgrößenspeichers
als Komplementärzahlen absatzweise übertragen.
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Die Zahlenwerte der Ausgaberegister werden wiederum ausgezählt. Hierzu
dient der Oszillator 10, der über die Leitung 41 bzw. 42 mit dem Eingang des Umschalters
43 in Verbindung steht. In die Leitung 41, 42 ist - wie bereits an Hand der F i
g.1 erläutert - ein elektronisches Tor 40, das durch Impulsgabe über die
Leitung 47 geöffnet werden kann, eingeschaltet, so daß bei geöffnetem Tor die Impulse
des Oszillators über die Leitung 42 und den Umschalter 43 auf die Leitung 44 gelangen,
von wo aus sie dem Ausgabezähler 218 zugeführt sind.
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Der Zähler 218 zählt wiederum eine Impulszahl, die der Komplementärzahl
des im Ausgabezähler 218 gespeicherten Zahlenwerts entspricht, so daß nach Auszählung
dieser Anzahl über die Leitung 48 ein Umschaltimpuls dem Umschalter 43 zuführbar
ist. Der Umschalter 43 wird durch diesen Impuls auf die Leitung, 45 umgeschaltet,
weshalb die Schwingungen des Oszillators 10 nunmehr dem -Eingang des elektronischen
Zählers 219 zugeführt sind. Auch diesem Zähler -wird eine Impulsanzahl zugeführt,
die dem Komplement des Inhalts des Zählers 219 entspricht, worauf anschließend nach
Erreichen dieses Zählergebnisses über die Leitung 51, 51A das Tor 40 geschlossen
und gleichzeitig. der Umschalter 43 in seine ursprüngliche Lage zurückgeführt wird.
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Die Zeitdauer zwischen der Öffnung des Tors 40 und seiner Schließung
ist deshalb wieder der Stellgröße des Reglers proportional, wobei die Proportionalitätsfaktoren,
mit denen der P-Anteil und der D-Anteil der Stellgröße behaftet ist, abermals durch
Einstellung der Teilverhältnisse an den Frequenzteilerstufen 214
und 215 wählbar
sind.
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Das der Stellgröße proportionale Zeitintervall wird wie folgt zur
Verstellung des Phasenwinkels des dem Motor 1 zugeführten Speisestroms ausgenutzt:
Die Schwingungen des Oszillators 10 gelangen über die Leitung-200, über das Tor
201 und über die Leitung 202 zum Eingang des Binärzählers 203. Die Schaltelemente
des Binärzählers werden deshalb, wie bereits an Hand der F i g. 1 erläutert, periodisch
durch ihre Schaltzustände gesteuert, wobei nach Erreichen eines bestimmten Zählergebnisses
auf die Leitung 203A ein Impuls gegeben wird, der das Tor 201 schließt.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei zunächst angenommen, daß die
Zählkapazität des Zählers 203 z. B. k' = 120 beträgt. Dem Zähler 203 ist die Diodenmatrix
204
nachgeschaltet, deren sechs Ausgängen a, a', b, b', c und c' sechs Impulsfolgen
rechteckiger Impulsform entnehmbar sind, die als Steuerimpulsfolgen den Gegentaktverstärkern
205, 206 und 207 zugeführt sind, die ihrerseits den Motor 1 speisen. Die Anordnung
ist so getroffen, daß beispielsweise auf die Leitung a eine rechteckförmige positive
Spannung zwischen dem »0«-ten und dem »60«-sten Zählimpuls am Zähler 203 geschaltet
wird. Auf die Leitung a' wird hingegen während der Zählzeit zwischen dem »60«-sten
und dem »120«-sten Zählimpuls eine Spannung geschaltet. Beide Spannungen sind deshalb
gleichfrequent und um 180° phasenverschoben. Sie sind im Diagramm der F i g. 4 dargestellt
und mit U" bzw. U"# bezeichnet. Tizo bezeichnet in diesem Diagramm die Periodendauer
der Impulsfolgen, die mit der Zeit identisch ist, die zur Zählung von 120 Impulsen
des Oszillators 10 am Zähler 203 benötigt wird.. Die entsprechenden Spannungen,
die den Verstärkern 206 bzw. 207 zugeführt sind, sind ebenfalls im Diagramm der
Fig. 4 dargestellt undjeweilsmit Ub, Ub, bzw. U" U" bezeichnet. Dem Diagramm ist
entnehmbar, daß auf die Leitung b während der Zählzeit des Zählers zwischen dem
»40«-sten und dem »100«-sten Zählimpuls am Eingang des Binärzählers 203 eine positive
Spannung geschaltet wird, während auf die Leitung b' eine um 180° phasenverschobene
Spannung geschaltet wird. Die Spannung Ub ist deshalb gegen die Spannung U" um 120°
phasenverschoben, während die Spannung Ub# gegen die Spannung U"# ebenfalls um 120°
phasenverschoben ist. Entsprechend liegen die Verhältnisse bei den Spannungen U,
bzw. U".
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Es ist ohne weiteres einleuchtend, daß durch Verkürzung bzw. Verlängerung
der Zählperiode des Zählers 203 um das Zeitintervall IL T' an den Steuerspannung
U" bis U" eine Phasenverschiebung in positivem oder negativem Sinne herbeiführbar
ist, die sich in einer äquivalenten Phasenverschiebung des Motorspeisestroms äußert.
Die Anordnung ist deshalb so in diesem Ausführungsbeispiel getroffen, daß der Zähler
203 im Normalfalle nicht bis zum Zählergebnis »120«, das seiner normalen Zählkapazität
entspricht, zählt, sondern daß- die Zahlzeit am Zähler 203, die diesem Zählergebnis
entspricht, um eine Zählzeit T' verkürzt ist. Dieser Zählzeit können beispielsweise
zwanzig Zählimpulse entsprechen, so daß der Zähler 203 bei sonst ungeänderten Verhältnissen
lediglich bis »100« zählt und beim Erreichen dieses Zählergebnisses über die Leitung
203A das Tor 201 sperrt.
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Gleichzeitig mit der Sperrung des Tors 201 wird über die Leitung A47
das Tor 40 geöffnet, so daß der oben beschriebene Vorgang der Stellgrößenbildung
eingeleitet und durchgeführt wird. Der über die Leitung 51 a zum Tor 40 gelangende
Stopimpuls wird dabei gleichzeitig als -Startimpuls dem Tor 201 zugeführt, so daß
der Zählvorgang am Zähler 203 fortgesetzt wird.
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Die Zählperiode am Zähler 203 und damit die Periode des Speisewechselstroms
des Motors 1 wird deshalb je nach Größe der Öffnungszeit des Tors 40 mehr oder weniger
gedehnt, wobei einer Öffnungszeit beispielsweise der Länge T' dem eingeregelten
Zustand des Motors 1 entspricht. Ist der Motor nicht eingeregelt, so wird T die
Öffnungszeit des Tors 40 größer oder kleiner als T' sein, was eine entsprechende
PhasenverschiebungamMotorspeisestromzurFolgehat.
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Neben den erläuterten Ausführungsformen von Einrichtungen nach der
Erfindung sind zahlreiche Variationen möglich. Im besonderen ist es beispielsweise
bei der Anordnung nach F i g. 1 denkbar, den Eingang der Zählvorrichtung 61 mit
den Leitungen 44, 45 und 46 in Verbindung zu bringen. Weiterhin ist man nicht an
die Verwendung des Tors 40 bei Anordnungen nach der Erfindung gebunden. Vielmehr
können die Zeiten, die zur Auszählung der Anteilspeichern entnehmbaren Zahlenwerte
benötigt werden, auch anderweitig durch gesonderte Meßvorrichtungen ermittelt werden.
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Die Anordnung nach der Erfindung ist überall dort mit Vorteil anwendbar,
wo es sich -in Digitalreglern darum handelt, wenigstens zwei Zahlenwerte, die einem
Anteilspeicher an sich beliebiger Ausbildung entnehmbar sind, zu einer Reglerstellgröße
zu addieren.