DE1563769C2 - Einrichtung zur Zugregelung elektrischer Haspelantriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Zugregelung elektrischer Haspelantriebe mit einem das Drehmoment des Haspelmotors steuernden Zugregler, der mit einem den Bandzug unmittelbar erfassenden Istwertgeber verbunden ist.

Gemäß der Zeitschrift »Stahl und Eisen«, Juli 1960, S. 928, ist ein derartiger Bandzugregelkreis bekannt, bei dem der Bandzug durch eine Kraftmeßdose erfaßt und einem das Drehmoment des Haspelmotors beeinflussenden Zugregler als Istwert zugeführt wird. Ferner ist aus der ASEA-Zeitschrift 1964, Heft 5, S. 111 bis 116, ein Bandzugregelkreis mit einem das Drehmoment des Haspelmotors steuernden Zugregler bekannt, der mit einem den Bandzug unmittelbar erfassenden Istwertgeber verbunden ist und dem ein Bandgeschwindigkeitsregler unterlagert ist. Die laufende Änderung des Wickelradius beim Betrieb der bekannten Haspelantriebe bedingt regeltechnisch gesehen eine Änderung der Gesamtverstärkung des Regelkreises. Ein nach bekannten Vorschriften unter Abstimmung auf die Regelkreisverstärkung optimierter, fest eingestellter Regler würde durch die Änderung des Wickelradius verstimmt werden und demzufolge prinzipiell nicht mehr den günstigsten Regelvorgang herbeiführen können.

Es ist bereits eine Legemaschine mit Mehrmotorenantrieb bekannt, bei der zur Drehzahlregelung ein als PI-Regler beschalteter Verstärker von der Differenz zwischen einer Tachometerspannung und einer Sollspannung beaufschlagt ist und mit seinem Ausgangssignal die Drehzahl eines Haspelmotors beeinflußt. In der Rückführung dieses Drehzahlreglers liegt ein Kondensator in Reihe mit einem Potentiometerwiderstand, dessen Abgriff in Abhängigkeit vom Wickelradius verstellt wird. Dadurch wird die Stabilisierung des Drehzahlregelkreises der sich mit dem Wickeiao durchmesser ändernden mechanischen Zeitkonstante angepaßt. Durch diese Maßnahme wird bezweckt, daß einerseits ausreichende dynamische Stabilität herrscht und daß andererseits die Einschwingvorgänge möglichst schnell und mit möglichst kleinem Wegfehler

beendet werden. Als Wegfehler wird die in Längeneinheiten der Papierbahn ausgedrückte Differenz zwischen der Solldrehzahl und der tatsächlichen Drehzahl des Haspelmotors bezeichnet. Die Verstellung der Stabilisierung des Drehzahlregelkreises hat bei kleinsten Wickelradien keinen Einfluß, bei größten Wickelradien verringert sich der Wegfehler beträchtlich. Bei diesem bekannten Haspelantrieb ist somit keine Zugregelung vorgesehen, sondern lediglich eine Verstellung der Stabilisierung der Drehzahlregelung.

Eine Drehzahlregelung wirkt jedoch nicht auf das für den Bandzug ursächliche Drehmoment des Haspelmotors ein. Eine Kompensation des Einflusses der Bandgeschwindigkeit auf den Bandzug findet nicht statt, da die maßgeblichen Einflußgrößen weder erfaßt noch geregelt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Zugregelung mit einem das Drehmoment des Haspelmotors steuernden Zugregler den durch die Veränderung des Wickelradius bedingten schädlichen Einfluß auf das dynamische Verhalten der Zugregelung zu kompensieren.

Bei einer Einrichtung zur Zugregelung elektrischer Haspelantriebe der eingangs genannten Art, welche zur Aufwicklung unelastischer Materialbahnen bestimmt sind, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Zugregler eine Multipliziereinrichtung aufweist die das Produkt aus der Regelabweichung und einer zugeführten wickelradiusproportionalen Größe als Stellgröße für den Haspelmotor bildet.

Bei einer Einrichtung zur Zugregelung elektrischer Haspelantriebe der eingangs genannten Art mit einem dem Zugregler unterlagerten Bandgeschwindigkeitsregler zur Aufwicklung von elastischen Materialbahnen wird die erfindungsgemäße Kompensation dadurch erreicht, daß der Bandgeschwindigkeitsregler eine Dividiereinrichtung aufweist, die den Quotienten aus der Regelabweichung am Eingang des Bandgeschwindigkeitsreglers und einer dem Divisoreingang zugeführten, wickelradiusproportionalen Größe als Stellgröße für den Haspelantrieb bildet.

Grundgedanke der Erfindung ist es also in beiden Fällen, im Bandzugsregelkreis eine Recheneinrichtung — Multiplizierer bzw. Dividierer — vorzusehen,

ίο

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welche das Regelsignal mit einer Größe, die vom Wickelradius abhängt, multipliziert bzw. durch diese dividiert. Grundsätzlich spielt es dabei keine Rolle, an welcher Stelle des jeweiligen Reglers diese angeordnet ist. Zweckmäßigerweise wird man die Recheneinrichtung jedoch im jeweiligen Reglereingangskreis vorsehen, weil dann deren Signalverarbeitung auf geringem Leistungsniveau erfolgen kann.

Durch die erfindungsgemäße Adaption ergibt sich der Vorteil, daß jede Änderung der Regelkreisverstärkung infolge eines sich ändernden Wickelradius selbsttätig kompensiert wird und der einmal in bezug auf sein dynamisches Verhalten optimierte Bandzugregelkreis trotz veränderlichem Wickelradius optimiert bleibt.

Als vorteilhaft erweist sich eine Dividiereinrichtung, welche einen Proportionalverstärker hohen Verstärkungsgrades enthält, dem der Dividend als Eingangsspannung zugeführt ist und der mit der Ausgangsspannung eines Multiplikators, beispielsweise eines Hallmultiplikators gegengekoppelt ist, dessen Eingangsgrößen aus einer dem Divisor proportionalen Spannung sowie der Verstärkerausgangsspannung besteht. Eine derartige Dividiereinrichtung ist weitgehend nullpunktsicher und driftfrei.

Meist wird die Haspel vom Motor nicht direkt, sondern über ein Untersetzungsgetriebe angetrieben. Wenn diese Untersetzung nicht groß genug gewählt werden kann, so ist bei Haspelregelungen der zuletzt genannten Art eine zusätzliche Einflußnahme der Wickelradiusänderung auf die Regelkreisverstärkung dadurch gegeben, daß sich die auf die Antriebswelle bezogene Schwungmasse der Haspelanordnung nennenswert ändert. Für diesen Fall empfiehlt sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung, die wickelradiusproportionale Spannung der Dividiereinrichtung nicht direkt, sondern modifiziert durch einen Funktionsgenerator zuzuführen, wodurch dann auf einfache Weise auch die Kompensation dieses zusätzlichen Einflusses erreicht werden kann. Der Funktionsgenerator kann einen Addierverstärker enthalten, dem die Eingangsgröße sowohl unmittelbar als auch über einen Umkehrverstärker und mehreren von diesem beaufschlagten, vorgespannten Dioden zugeführt ist.

Die Erfindung soll samt ihren weiteren Ausgestaltungen an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.

In F i g. 1 ist zunächst die prinzipielle Haspelregelung dargestellt, von welcher die Erfindung ausgeht. Sie besteht aus einem elektrischen Antriebsmotor 1, welcher über ein Getriebe 2 mit der Haspel 3 gekuppelt ist und sie in der angegebenen Richtung mit der Umfangsgeschwindigkeit v_H in Drehung versetzt, so daß auf ihr eine Materialbahn 4 aufgewickelt wird. Der Wickelradius der Haspel sei mit r bezeichnet. Ein mit der Haspelwelle gekuppelter Gleichstromtachodynamo 5 dient zur Gewinnung einer der Haspeldrehzahl n_H proportionalen Gleichspannung. Ein weiterer Gleichstromtachodynamo-6 zur Lieferung einer der Umfangsgeschwindigkeit v_H der Haspel proportionalen Gleichspannung ist mit einer von der Materialbahn 4 angetriebenen Rolle verbunden. Die Materialbahn 4 ist über eine Umlenkrolle 7 α sowie eine weitere Führungsrolle 7 b geführt und verläßt mit der Geschwindigkeit v_B eine mit 9 bezeichnete Einrichtung, welche z.B. in einer Abwinkelhaspel oder einem Walzgerüst bestehen kann. Mittels der Umlenkrolle 7 α wird der Bandzug erfaßt, indem deren Lager sich über eine Druckmeßdose 8a abstützt und ein an die Ausgangsklemmen der Druckmeßdose 8 α geschalteter Verstärker 8 b deren Ausgangssignal in eine dem Bandzug proportionale Gleichspannung Z umformt. Diese wird in einer Vergleichseinrichtung 10 mit einer dem gewünschten Sollwert des Zuges z* proportionalen Gleichspannung verglichen und dem Zugregler 11 zugeführt. Das Ausgangssignal des Zugreglers 11 ist

ίο bei der gezeichneten in einer Kontaktbrücke bestehenden Verbindung der Klemmen 12 und 13 dem Steuereingang eines Stromstellgliedes 14, beispielsweise in Form einer gesteuerten Stromrichteranordnung zugeführt und beeinflußt die Ankerspannung U_a, bzw. den Ankerstrom des Antriebsmotors 1, dessen Feldwicklung mit 15 bezeichnet ist.

Bei elastischen Materialbahnen entspricht die Bandgeschwindigkeit Vn an der Haspel nicht der Austrittsgeschwindigkeit v_B. In Verbindung mit den im Zu- sammenhang mit F i g. 3 noch zu erläuternden Maßnahmen kann in bekannter Weise dem Zugregler 11 ein Bandgeschwindigkeitsregler 16 in der Art unterlagert werden, daß die Ausgangsgröße des Zugreglers 11 den Sollwert v*_H des Reglers 16 bildet. Die Kon-

25. taktbrücke zwischen den Klemmen 12 und 13 wird demzufolge entfernt und die gestrichelt eingezeichneten Verbindungen mit dem Bandgeschwindigkeitsregler 16 hergestellt. Als Istwert für den Bandgeschwindigkeitsregler dient das Ausgangssignal des Tachodynamos 6.

F i g. 2 zeigt ein Anwendungsbeispiei der Erfindung bei einer Zugregeleinrichtung für eine unelastische Materialbahn, wobei die für diesen Betriebsfall regelungstechnisch interessanten Elemente der Anordnung nach F i g. 1 unter Beibehaltung der entsprechenden Bezugszeichen in Signalflußdarstellung veranschaulicht sind. Die Ausgangsgröße des Zugreglers 11 beeinflußt unmittelbar den Eingang des Stromrichterstellgliedes 14, das seinerseits auf die mit 18 bezeichnete Regelstrecke einwirkt, in welcher die in F i g. 1 mit 1 bis 7 bezeichneten Elemente zusammengefaßt zu denken wären. Die Eingangsgröße der Regelstrecke ist demnach die vom Stromrichterstellglied 14 gelieferte Ankerspannung U_a, die zu einem entsprechenden elektrischen Moment m_e! umgeformt wird, welches innerhalb der Regelstrecke in Vergleich gesetzt ist zu dem Beschleunigungsmoment m_b. Das Ergebnis dieses Vergleiches ist das Lastmoment m_u woraus

sich nach der Beziehung Z= — der Bandzug ergibt, was

durch ein fiktives Dividierglied 19 symbolisiert ist. Der Bandzug ζ kann dann am Ausgang der Regelstrecke 18 in der in F i g. 1 dargestellten Art erfaßt werden.

Die als das Verhältnis von z/U_a definierbare Regelstreckenverstärkung ändert sich mit dem Wickel radius r, wodurch sich eine Verstimmung des unter Zugrundelegung einer bestimmten Streckenverstärkung optimal abgestimmten Regelkreises und damit ein Abweichen vom angestrebten optimalen Verhalten ergeben würde. Deshalb ist im Eingangskreis des Zugreglers 11 ein Multiplikationsglied 20 vorgesehen, wodurch die Regelabweichung mit einer dem Wickelradius proportionalen Größe r multipliziert wird. In dem Regelkreis nach F i g. 2 heben sich die Wirkungen des in der Regelstrecke enthaltenden fiktiven Divisionsgliedes 19 und des erfindungsgemäß in den Eingangskreis eingefügten Multiplikators 20 in dem

Sinne auf, daß das Produkt ihrer Verstärkungsfaktoren stets einen konstanten Wert aufweist, infolgedessen der Einfluß des Wickelradius r auf den Verstärküngsgrad des Regelkreises vollständig eliminiert ist.

Die dem Wickelradius proportionale Spannung kann mit einer Dividiereinrichtung erhalten werden, der als Eingangsgrößen eine der Bandgeschwindigkeit Vf₁ vor der Haspel proportionale Spannung als Dividend und eine der Haspeldrehzahl n_H proportionalen Spannung als Divisor zugeführt sind, so daß an ihrem Ausgang die Größe r = ν_η1ηη erscheint. Die beiden Eingangsspannungen der Dividiereinrichtung 21 können dabei den in F i g. 1 dargestellten Gleichstromtachodynamos 5 und 6 entnommen werden.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Fall, daß eine Materialbahn mit nicht mehr vernachlässigbarer Elastizität aufgewickelt werden soll. Es unterscheiden sich daher die Bandgeschwindigkeit ν ff vor der Haspel 3 und die Bandgeschwindigkeit v_B hinter der Umlenkrolle 7 a, so daß deren Auslenkung dem Integral der Differenz zwischen den Bandgeschwindigkeiten Vf₁ und v_B entspricht. Für diesen Fall gilt das in F i g. 3 abgewandelte Signalflußdiagramm für die Regelstrecke 18, in der wiederum die Glieder 1 bis 7 der F i g. 1 enthalten sind. Die Eingangsgröße der Regelstrecke ist wiederum die vom Stromrichterstellglied 14 gelieferte Ankerspannung U_a; das Beschleunigungsmoment m_b ergibt sich als Differenz des in der Maschine erzeugten elektrischen Momentes m_el und des Lastmomentes m,. Zwischen dem Beschleunigungsmoment m_b und der Drehzahl η der Motorwelle besteht ein integraler Zusammenhang, welcher durch ein Integrierglied mit der Zeitkonstante T_m beschrieben werden kann. Die Zeitkonstante T_m ist von der auf die Motorwelle bezogenen Schwungmasse abhängig, welche ihrerseits von der 4. Potenz des Wickelradius abhängt, so daß geschrieben werden kann:

T_n, = T₀ (1 + K' ü² · r⁴) , (1)

wobei T₀ die Zeitkonstante bei einem bestimmten, minimalen Radius, ü das Übersetzungsverhältnis des Getriebes und K eine Konstante ist. Das Getriebe 2 ist durch ein Multiplikationsglied symbolisiert, dem die Eingangsgrößen η und ü multiplikativ zugeführt sind. In entsprechender Weise ist durch Multiplikation mit dem Wickelradius r die Bandgeschwindigkeit Vfi vor der Haspel entstanden zu denken, welche in Vergleich gesetzt wird mit der hinter der Umlenkrolle 7 α auftretenden Bandgeschwindigkeit v_B. Das Integral der Differenz zwischen v_H und v_B führt über ein symbolisch angedeutetes Integrierglied 22 zu einer Dehnung des Bandes, welche gemäß dem Hookeschen Gesetz dem Bandzug ζ proportional ist.

Zur Kompensation des durch die Wickelradiusänderung bedingten Einflusses auf die Regelstreckenverstärkung besteht bei diesem Anwendungsbeispiel das Rechenglied in einer im Eingangskreis des dem Zugregler 11 unterlagerten Reglers 16 angeordneten Dividiereinrichtung 25, der als Divisor über die Kontaktbrücke 26 eine dem Wickelradius r proportionale Größe zugeführt ist, welche ihrerseits wie bei der Anordnung nach F i g. 2 durch Division der Bandgeschwindigkeit Vfi vor der Haspel mit der Haspeldrehzahl tin gewonnen werden kann. Damit ist die Veränderung des Übertragungsverhältnisses des (fiktiven) Gliedes 23 kompensiert. Ist das Übersetzungsverhältnis ü nicht vernachlässigbar klein, so wird die Änderung des Wickelradius r auch einen nennenswerten Einfluß auf die mechanische Zeitkonstante T_m entsprechend der zuvor erwähnten Gleichung (1) haben. Um auch diesen Einfluß zu kompensieren, kann die Kontaktbrücke 26 entfernt und die dem Wickelradius proportionale Spannung r der Dividiereinrichtung 25 über einen mit 27 bezeichneten Funktionsgenerator zugeführt werden. In dessen Blocksymbol ist schemalö tisch die zur vollständigen Kompensation erforderliche Kennlinie, d. h. die Abhängigkeit des Ausgangssignals A von der Eingangsgröße r gezeigt, für die die Beziehung gilt

A =

In analoger Weise wie bei der Anordnung nach F i g. 2 ist wiederum das Frequenzausgangsprodukt der Glieder, deren Übertragungsverhalten durch den sich ändernden Wickelradius beeinflußt wird, stets

ao konstant.

Der in F i g. 3 mit 27 nur schematisch dargestellte Funktionsgenerator läßt sich in einfacher Weise aus mehreren parallel angeordneten und jeweils in Reihe mit Widerständen liegenden, vorgespannten Dioden aufbauen, insbesondere dann, wenn nicht der ganze theoretisch mögliche Funktionsbereich, sondern nur der sich bis zu einem gewissen begrenzten Radius erstreckende Funktionsbereich realisiert werden muß, was ja in den meisten praktischen Fällen ausreichend sein wird, da schon aus technologischen Gründen der Wickelradius beschränkt ist.

Kommt ein größerer Funktionsbereich in Betracht,

■ so kann der Funktionsgenerator 27 nach Art der Fig. 4 ausgestaltet werden. Eine dem Wickelradius proportionale Spannung r der eingezeichneten Polarität wird dem Eingang eines Addierverstärkers 28 und eines weiteren Verstärkers 29 zugeführt, der in erster Linie zur Umkehrung seiner Eingangsspannung dient. Mittels einer positiven Spannungsquelle +U und Einstellpotentiometer sind Dioden 30 bis 32 vorgespannt, so daß bei steigender negativer Ausgangsspannung des Verstärkers 29 diese nacheinander durchlässig werden und einen entsprechenden zusätzlichen Strom im Eingangskreis des Verstärkers 28 hervorrufen.

F i g. 5 zeigt die prinzipielle Gestalt der sich bei der Anordnung nach F i g. 4 ergebenden Polygonkennlinie. Die Lage der bei den Abszissenwerten r_v r₂ und r_s eingezeichneten Knickpunkte, d.h. der Einsatzpunkt der Stromführung der einzelnen Dioden ist durch die Schleifereinstellung der Potentiometer, die Steigung der einzelnen Polygonabschnitte durch das Verhältnis von Gegenkopplungswiderstand 33 des Verstärkers 28 und jeweils wirksamen Verstärkereingangswiderstand gegeben. Durch entsprechende Dimensionierung dieser Beschaltungswiderstände und insbesondere durch Verwendung einer genügenden Zahl von vorgespannten Dioden kann die Funktion nach der zuvor erwähnten Gleichung (2) über einen weiten Bereich in beliebiger Genauigkeit angenähert werden.

In F i g. 6 ist eine Möglichkeit zur gerätetechnischen Realisierung einer Dividiereinrichtung dargestellt, wie sie auch zur Gewinnung eines dem Radius r proportionalen Signals verwendet werden kann. Dem Eingangskreis eines Proportionalverstärkers 34 mit sehr hohem Verstärkungsgrad ist eine der Bandgeschwindigkeit V// vor der Haspel proportionale Spannung als

15 Ö3 7ö9

Dividend zugeführt. Der Divisor besteht in einer der Haspeldrehzahl n_H proportionalen Spannung, welche einen entsprechenden Steuerstrom durch ein Hallplättchen 35 eines Hallgenerators 36 zur Folge hat. Die Erregerwicklung des Hallgenerators 36 wird von der mit χ bezeichneten Ausgangsspannung des Proportionalverstärkers 34 beaufschlagt. Die sich ergebende Hallspannung stellt sich bekanntlich ein als das Produkt von Steuerstrom und Erregerstrom des Hallmultiplikators, so daß dem Eingangskreis des Proportionalverstärkers eine Größe von x-n_n in gegenkoppelndem Sinne zugeführt ist. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 34 verändert sich demzufolge so lange, bis die Differenz der ihm zugeführten

Eingangsgrößen zu Null wird, d. h., bis die Beziehung gilt: v_n — χ ■ n_n = O. Damit ist die Ausgangsgröße χ gleich dem Quotienten V_nIn_n. An Stelle des Hallmultiplikators könnte prinzipiell auch eine andere Multipliziereinrichtung verwendet werden.

In analoger Weise kann auch die in F i g. 3 mit 25 bezeichnete Dividiereinrichtung ausgeführt sein. Weiterhin kann sich an dieser Stelle der Einsatz von aus der Analogrechentechnik bekannter, Ausdrücke der

Form -— bildender Multiplizierer als vorteilhaft erweisen, wodurch dann z. B. bei der Anordnung nach F i g. 2 eine Zusammenfassung der Glieder 20 und 21 möglich ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

609 613/366

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Zugregelung elektrischer Haspelantriebe mit einem das Drehmoment des Haspelmotors steuernden Zugregler, der mit einem den Bandzug unmittelbar erfassenden Istwertgeber verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zugregler (11) eine Multipliziereinrichtung (20) aufweist, die das Produkt aus der Regelabweichung und einer zugeführten wickelradiusproportionalen Größe (r) als Stellgröße für den Haspelantrieb bildet.

2. Einrichtung zur Zugregelung elektrischer Haspelantriebe mit einem das Drehmoment des Haspelmotors steuernden Zugregler, der mit einem den Bandzug unmittelbar erfassenden Istwertgeber verbunden ist und dem ein Bandgeschwindigkeitsregler unterlagert ist, dadurch . gekennzeichnet, daß der Bandgeschwindigkeitsregler (16) eine Dividiereinrichtung (25) aufweist, die den Quotienten aus der Regelabweichung am Eingang des Bandgeschwindigkeitsreglers (16) und einer dem Divisoreingang zugeführten, wickelradiusproportionalen Größe (r) als Stellgröße für den Haspelantrieb bildet.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dividiereinrichtung einen Proportionalverstärker (34) hohen Verstärkungsgrades enthält, dem der Dividend als Eingangsspannung zugeführt ist und der mit der Ausgangsspannung eines Multiplikators, beispielsweise eines Hallmultiplikators (36), gegengekoppelt ist, dessen Eingangsgrößen aus einer dem Divisor (n_H) proportionalen Spannung sowie der Verstärkerausgangsspannung (x) besteht (F i g. 6).

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wickelradiusproportionale Größe der Dividiereinrichtung über einen Funktionsgenerator (27) zugeführt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator einen Addierverstärker (28) enthält, dem die Eingangsgröße sowohl unmittelbar als auch über einen Umkehrverstärker (29) und mehreren von diesem beaufschlagten, vorgespannten Dioden (30,31,32) zugeführt ist (F i g. 4).