DE1638036A1

DE1638036A1 - Verfahren zur Erregung eines elektrischen Antriebmotors

Info

Publication number: DE1638036A1
Application number: DE19681638036
Authority: DE
Inventors: Rich Leonard Geary; Gerber Heinz Joseph
Original assignee: Gerber Scientific Instrument Co
Current assignee: Gerber Systems Corp
Priority date: 1967-03-08
Filing date: 1968-03-04
Publication date: 1972-01-13
Also published as: DE1638036B2; US3512066A; GB1188328A

Description

PATENTANWÄLTE · -

S2ipfrs!%ig. JZicAanJ Raffer-JdöTna* 1638036 PATENTANWALT DIPL.-ING. R. MOLLER-BORNER PATENTANWALT DIPL-INO. HANS-H. WEY BERLIN-DAHLEM 33 · PO D BI ELS KIALLEE «8 I MÖNCHEN 23 · Wl D E NMAYE »STRASS E 4t TEL. 0311. 762907 ■ TELEGR. PROPINDUS · TELEX 0184057 TEL. Olli · 225585 · TELEGR. PROPINDUS · TELEX 0524344

TEE GERBER SCIENTIi¹IG IHSTRUMEWT COMPANY,

South Windsor, Connecticut (USA)

Verfahren zur Erregung eines elektrischen Antriebsmotοrs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erregung eines elektrischen Antriebsmotors·

Die Erfindung bezieht sich dabei auf ein Antriebssystem für elektrische Antriebsmotoren, die vorzugsweise in kurzen Intervallen wiederholt beschleunigt und verzögert werden, um eine mit ihnen verbundene Belastung in gleicher Weise zu bewegene

Das Abtriebsverfahren für Motoren nach der Erfindung findet insbesondere Anwendung bei Antriebsmotoren für Werkzeugmaschinen, Koordinatenschreiber oder dergl_oy bei denen der Motor wiederholt beschleunigt und verzögert wird> um ein. angetriebenes Werkzeug, einen Druckstock, einen Schreiber oder derglo relativ zu einem Werkstück, einem Blatt Papie? oder ähnlichem Artikel zu bewegen· Beispielsweise sind in-^-'jiem X-Y-Koordinatensohreiber zwei Motoren, oder eine Kombination von Motoren angeordnet, die einen Druckstock oder Schreiber in X und Y Richtung relativ zum Koordinatentisch bewegen» In konventioneller Weise steuert ein numerisches Steuergerät hierbei die Antriebsmotoren, wobei die Wirkungsweise derart ist, dass der Schreiber am Ende einer jeden Linie verzögert wird· Dagegen ist am Anfang einer Linie der Druckstock oder

Neue Unterlagen (Art. 7 § l Abs. 2 Nr. l Satz 3 das ÄndemnsjsQes. v. 4. 9.19671 ^

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der Schreiber entweder stationär angeordnet oder er bewegt sich mit relativ geringer Geschwindigkeit· Die Antriebsmotoren werden durch den zugeordneten Regler den Druckstock oder Schreiber längs einer geraden linie zu einem neuen. Punkt beschleunigt bewegen, wobei bei Annäherung an diesen Punkt der Druckstock oder Schreiber wieder verzögert wird,· bei diesem Verfahren wird Linie für Linie wiederholt, bis die gewünschte Form aufgezeichnet ist oder die gewünschten Punkte im Koordinatensystem festliegen* Im Fall der Aufzeichnung einer gekrümmten Linie wird diese durch eine Vielzahl gerader Linienabschnitte oder Differentiale erzeugt, wobei der Schreiber am Ende eines jeden Abschnittes anhält oder langsam ausläuft· Die Geschwindigkeit, bei welcher jede Linie oder jeder Linienabschnitt aufgezeichnet wird, hängt nicht allein von der Maximal-Drehzahl, bei der der Motor arbeitet, ab? sondern ebenso von der benötigten Zeit für die Beschleunigung des Motors auf seine maximale Drehzahl am Anfang der aufzuzeichnenden Linie und von der benötigten Zeit für die Verzögerung am Ende der Linie· Die Antriebsmotoren müssen bei konstanter Drehzahl grössere Drehmomente während der Perioden der Beschleunigung und der Verzögerung abgeben, wobei die Gesamtleistung im wesentlichen von dem Wert des zur Verfügung au stellenden Drehmomentes während der Beschleunigung abhängt und entsprechend von der Verzögerung» Die üblicherweise angewendeten Motoren, insbesondere Schrittmotoren, weisen einen solchen Verlauf des Drehmomentes gegenüber der Drehzahl auf, dass das zur Verfügung stehende'Drehmoment mit ansteigender Drehzahl abnimmt· Bei einer während des Betriebes des Motors diesem auferlegten Belastung verhindert das Drehmoment ein Aussetzen oder Springen der Impulse im Falle eines Schrittmotors, aber das zur Verfügung stehende Drehmoment kann bei der dem. Betrieb des Motors entsprechenden Drehzahl nicht vergrössert werden. In der Vergangenheit wurden die Motoren in der V/eise angetrieben, dass nicht bei allen Drehzahlen ein optimales Drehmoment zur Ver-

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fügung stände Beschleunigungen über den gesamten Drehzahlbereich blieben konstant und waren schliesslich begrenzt durch das bei höheren Drehzahlen zur Verfügung· stehende niedrigere Drehmoment· Das führte, beispielsweise im lall des Koordinatenschreiber s, dazu, dass, eine grössere Zeit für die Aufzeichnung eines jeden Linienabschnittes benötigt wurde gegenüber einem erwünschten besseren Verhalten des zur Verfugung stehenden Drehmomentes bei niedrigeren Drehzahlen. In der nun folgenden Beschreibung des Antriebsverfahrens für Motoren nach der Erfindung wird dieses an Hand eines Schrittmotorantriebs erläutert, was als eine vorzugsweise Anwendung des Verfahrens herausgestellt wirdo Es ist klar, dass die Erfindung wegen ihrer ausgedehnten Anlage an sich nicht allein auf die "Anwendung bei Schrittmotoren begrenzt ist, vielmehr kann sie auch bei anderen Motoren eingesetzt werden, bei denen das Drehmomentverhalten gegenüber der Drehzahl ähnlich wie bei den Schrittmotoren ist·

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein Antriebsverfahren für Motoren aufzuzeigen, das den Motor bei Belastung in einer geringeren Zeit beschleunigt oder verzögert, als sie früher benötigt wurde. Im Hinblick auf diese Aufgabe ist weiter Gegenstand der Erfindung, ein Antriebsverfahren zu erstellen, das speziell in Verbindung mit Antriebsmotoren für X-Y Koordinatenschreiber oder dergl» geeignet ist, eine Mehrzahl von Linien aufzuzeichnen, und zwar mit einer höheren durchschnittlichen Geschwindigkeit, als es früher möglich war·

Weiterhin soll das Verfahren nach der Erfindung ein Antriebssystem zeigen, bei dem das Motordrehmoment gegenüber dem Drehzahlbereich so ausgebildet ist, dass das an sich bei steigender Drehzahl abfallende Drehmoment während der gesamten Periode der Beschleunigung in ausreichender Höhe zur Verfügung steht, und zwar bei Belastung von einem feststehenden Wert

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bis zu.einer angenommenen oder vorgegebenen Drehzahlhöhe, und schliesslich während der gesamten Periode der Verzögerung ebenso zur Verfügung steht, wenn .die Belastung entsprechend der vorgegebenen Drehzahlhöhe auf den feststehenden Wert zu- · rüokgeht*

Schliesslich soll durch die Erfindung entsprechend den vorher beschriebenen Gegebenheiten das Programm für die Beschleunigung und die Verzögerung unabhängig von jeglicher Reibung in der Belastung ablaufen können, wobei die Reibung an sich im Gegensatz zur Beschleunigung steht, aber bei der Verzögerung mithilftβ

Die Aufgabe wird erfindungsgeimiss dadurch gelöst, dass mit Hilfe einer geeigneten Einrichtung ein vom Zustand des Antriebsmotors unabhängiges Signal erzeugt wird, dass dieses Signal einen anfänglichen Anstiegsbereich besitzt, in dem der Betrag des Signals in zeitlich fortschreitend abnehmendem Masse von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert ansteigt, ohne dass die Anstiegsrate in irgend einem Punkt zunimmt, dass das Signal einen Zwischenbereich aufweist, in dem sein Betrag im wesentlichen auf dem zweiten Wert verbleibt, dass das Signal in einem Endbereich in zeitlich fortschreitend zunehmendem Masse von dem zweiten Wert auf den ersten Wert abnimmt, ohne dass das Mass der Abnahme in irgend einem Punkt abnimmt, und dass geeignete Einrichtungen auf das Signal ansprechen, um den Antriebsmotor mit einer Geschwindigkeit anzutreiben, die in direktem Bezug au dem Betrag des Signals stehen·

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung und in den Figuren der Zeichnung herausgestellt·

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In. den Zeichnungen zeigt die figο 1 ein Sehemabild eines Antriebssystems für Motoren nach der Erfindung»

Pig« 2 gibt die Schaltung des Systems nach Fig» 1.wieder»

Die Kurvendarstellung in Fig» 3 zeigt das zur Verfügung stehende Drehmoment gegenüber dem Brehzahlbereich eines typischen Antriebsmotors von der Art_s wie er im System nach Fig« 1 verwendet wird·

Fig«. 4 zeigt sowohl einen konventionellen Verlauf des Motorantriebs als auch den nach der üärfindung erreichbaren,.

In Fig» 5 wird das benötigte und das zur Verfügung stehende Drehmoment im Hinblick auf die Antriebskurve entsprechend der konventionellen Darstellung in Fig» 4 aufgezeigt«

In Fig· 6 wird das benötigte und das verfügbare Drehmoment im Hinblick auf die Antriebskurve entsprechend derjenigen, die nach der Erfindung vorliegt, aufgezeigt*

Fig· 7 gibt den tatsächlichen Verlauf der Antriebskurve wieder, wie sie durch die schaltung nach Fig· 2 erreicht wird*

In Fig· 8 ist ein schematisches Schaubild für ein Motorantriebssystem dargestellt» das eine andere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet*

Fig· 9 zeigt in einer Kurve das benötigte Drehmoment bei dem Antrieb eines Motors gemäss der Erfindung, wobei einmal angenommen ist, dass keine Reibung bei Belastung vorhanden ist, und zum zweiten Mal angenommen ist, dass sowohl als auch mechanische Reibung in der Anordnung vorliegt»

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Fig» 10 gibt den Kurvenverlauf eines Motorantriebs entsprechend der Ausführung nach !ig» 8 wieder, bei der der Reibungseffekt in Rechnung gestellt ist·

fig» 11 zeigt ein weiteres achematisches Schaubild für ein:; Motorantriebssystem in einer anderen Verkörperung der Erfindung«

Bei der nun folgenden Betrachtung der Zeichnung, zunächst der Pigo 1, wird ein Motorantriebasyatem aufgezeigt, das einen linearen Punktionsgenerator 10 enthält, der über die Leitung 12 für die Steuerung der Motordrehzahl eine Ausgangsspannung erzeugt, deren Kurvenform bei 14 dargestellt wird» Die Kurve zeigt anfänglich einen linearen Anstieg 16, wobei die Spannung von einem Grundwert bis zu einem Maximalwert linear ansteigt, sie zeigt weiterhin einen Zwisohenabachnitt 18, in dem die Spannung im wesentlichen auf einem konstanten Wert gehalten wird, und schliesslich einen abfallenden Abschnitt 20, in dem die Spannung vom Maximalwert zum Grundwert linear abnimmt. Der anateigende Abschnitt wird allgemein als "Anstieg" bezeichnet und der abfallende Abschnitt als "Abfall"· Die benötigten Zeiten für den Anatieg und den Abfall aind im allgemeinen gleich, aber sie können auch bei Inrechnungstellung der Reibungseffekte unterschiedlich sein, wie später noch beschrieben wird· Die Dauer des Zwischenabschnittea 18 ist natürlich veränderlich und hängt von dem Betrag der zu bewegenden Belastung ab. In den Fällen sehr kurzer Bewegungen hat die Spannung keine ausi-eichende Zeit» um ihren. Maximalwert zu erreichen, so daas die Spannungskurve nur einen Anstieg und einen Abfall geringer Dauer enthält· Der lineare Funktionsgenerator 10 wird durch ein über den Eingang 22 aufgeschaltetes Signal gesteuert» das über einen mit dem System verbundenen numerisch gesteuerten Computer oder über eine ähnliche Steuerungaeinriohtung erzeugt wird# Der an sich lineare Spannungaverlauf H in Fig· 1 wird direkt aur JJrre-

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gung des angeschlossenen Antriebsmotors ausgenutzt» wobei derartige Punktionsgeneratoren in ihrem Aufbau gut bekannt sind und deshalb nicht in ihren Einzelheiten beschrieben werdeno

Anstatt der Ausnutzung einer linearen Spannungsfunktion, wie sie bei 14 in Pig· 1 gezeigt ist, für die direkte Steuerung eines angeschlossenen Motors enthält dfcs System nach fig* 1 eine Umformer-Schaltung 24* die die lineare Punktion in eine solche Punktion, wie sie bei 26 gezeigt ist, umsetzt, deren Kuryenzug nichtlineare Zweige während des Beschleunigungs- und des Verzögerungsabschnittes aufweist« Die nichtlineare Spannung wird nunmehr zum Antrieb des angeschlossenen Motors •in der Art ausgenutzt, dass die Drehzahl des Motors direkt auf die Höhe der Spannung bezogen ist» In dem in Pig» 1 aufgezeigten System wird die Spannungskurve 26 über die leitung 30 auf einen spannungsregelnden Oszillator 28 übertragen, der einen weiteren Antriebsimpuls erzeugt, welcher über die Leitung 34 auf einen Schrittmotorantrieb 32 gegeben wird* Die dem spannungsregelnden Oszillator auferlegte Spannungshöhe bestimmt die Frequenz oder den Wiederholungsbetrag dea Impulses, wodurch schliesslich die Drehzahl des Motors bestimmt wird· Der Schrittmotorantrieb 32 kann einen einzelnen Schrittmotor oder auch eine Mehrzahl untereinander verbundener Schrittmotoren mit einem einzigen Ausgang umfassen, wie sie in den Us-Patenten 3 146 386 oder 3 268 785 beschrieben werden· Der hier angewendete spannungsregelnde Oszillator 28 und der Schrittmotorantrieb 32 sind von allgemeiner konventioneller Konstruktion und brauchen daher nicht in Einzelheiten beschrieben zu werden·

Die durch das System nach Pig· 1 zu erhaltenden Ergebnisse werden durch die pig· 3 bis 6 besser verständlich· Pig· 3 zeigt in einer Kurvendarstellung das über dem Drehzahlbereich V eines typisohen Schrittmotors aufgetragene verfügbare Drehmoment T. Die Kurve zeigt ein bei niedrigen Drehzahlen

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verfügbares maximales Drehmoment, das auf relativ niedrige Werte abfällt, sobald die Drehzahl ansteigt· In fig. 4 ist die Spannung E über der Zeit t aufgetragen· Die durch den linearen funktionsgenerator 10 erzeugte Spannungakurve-14a . könnte in konventioneller Weise direkt auf den spannungsregelnden Oszillator 28 aufgegeben werden. Die Kurve 26 stellt den durch die Umformer «Schaltung 24 erzeugten Spannungsverlauf dar, der gemäss der Erfindung auf den spannungsregelnden Oszillator aufgegeben wird» um denselben Belastungsverlauf zu erzeugen, als wenn der Spannungsverlauf entsprechend der Kurve 14a auf den Oszillator gegeben würde* fig« 5 .zeigt das entsprechend konventionell erlangte Drehmoment linearer Funktion, wenn die Kurve 14a in fig· 4 direkt auf den spannungsregelnden Oszillator 28 geschaltet wird· In fig· 5 ist das Drehmoment T über der Zeit t aufgetragen. Vorzugsweise zeigt der mit 36 bezeichnete gesamte Kurvenzug den für den Antriebsmotor benötigten Drehmomentenverlauf unter der Annahme, dass keine Reibungseffekte auftreten, wobei die mechanische Reibung als eine konstant verzögernde Kraft im Belastungsverlauf und die Iiuftreibung als eine äussere direkt zur Drehzahl proportionale Kraft vorausgesetzt werden· Durch die Tatsache, dass der Anstieg 16a und der Abfall 20a der Kurve 14a liriear ist, ergibt sich ein konstantes Drehmoment 28 während der Beschleunigung und ein ebenso konstantes Drehmoment 40 während der Verzögerung· Nachdem die Belastung auf eine maximale Drehzahl beschleunigt ist, wird kein Drehmoment zur Aufrechterhaltung der Drehzahl im Zwischenabschnitt 18b im Kurvenzug 36 in fig· 5 benötigt*

Die Kurve 42 in fig. 5 zeigt das zur Verfügung stehende Drehmoment, und für den sauberen Arbeitsablauf des Motors ist es wesentlich, dass das verfügbare Drehmoment jederzeit höher oder grosser als das benötigte Drehmoment ist, wobei die Kurvenzüge 36 und 42 absolute Werte der Drehmomente repräsentieren. Im Vergleich der Kurvenzüge 36 und 42 in fig· 5 wird es,

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klar» dass im Yerlauf grosser Abschnitte bei der Beschleunigung und der Verzögerung der Motor "bei einem !Drehmoment istj dessen absolute Höhe beträchtlich geringer ist als die absolute Höhe des zur Verfügung stehenden Drehmoments».Durch die Erfindung wird ein angepasster Ausgleich des benötigten mit dem zur Verfügung stehenden Drehmoment erreicht, und zwar durch einen Spannungsverlauf, wie er bei 26 in Fig« 1 gezeigt ist mit nichtlinearem Anstieg oder Abfall in Verbindung mit der Wirkungsweise eines spannungsregelnden Oszillators oder einer ähnlichen Motor-Steuerungseinrichtung» Der in Pig» 4 gezeigte Kurvenverlauf 26 wird durch die Umformer-Schaltung 24 in Figo 1 erzeugt, wobei als Ergebnis dieselben Belastungsänderungen erzielt werden, als wenn der entsprechende Kurvenverlauf nach 14a direkt auf den spannungsregelnden Oszillator 28 gegeben würde* Der Kurvenverlauf nach 26 weist einen nichtlinearen Anstieg 42 auf» einen Zwischenabschnitt 44 und einen nichtlinearen Abfall 46» Während beim nichtlinearen Anstieg 42 die Spannungsgrösse bei zurückgehendem Vorhalt ansteigt _f steigt der Vorhalt anfänglich relativ schnell und läuft im wesentlichen auf Hull aus» wenn der Zwischenabschnitt 44 erreicht ist; der nichtlineare Abfall 46 des Kurvenzugs stellt im wesentlichen das Spiegelbild zum Anstieg dar mit einem Abfall der Spannungsgrösse bei ansteigendem Vorhalt·

Die Pig· 6, bei der ebenfalls das Drehmoment T über der Zeit t aufgetragen ist» zeigt die Beziehung zwischen dem verfügbaren zum benötigten Drehmoment» das entsprechend dem Kurvenverlauf 26 nach Fig. 4 auf den spannungsregelnden Oszillator 28 gegeben wird» Die Kurve 48 repräsentiert das verfügbare Drehmoment, während die Kurve 50 das benötigte Drehmoment zeigt· Aus dieser Jigur geht hervor, dass das benötigte Drehmoment jederzeit unter dem verfügbaren Drehmoment liegt* wie ea auch notwendig ist, und dasa der Unterschied zwischen benötigtem und verfügbarem Drehmoment auf einem relativ niedri-

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gen Wert während der gesamten Periode des Arbeitsablaufs für den Antrieb des Motors gehalten wird· Daraus folgt* dass der Motor mit einem relativ hohen Drehmoment anläuft, das sich bei Erreichen der maximalen Arbeitsdrehzahl herabsetzt und das sich während der Motorverzögerung anfänglich weniger und dann zu einem relativ hohen Verzögerungsweit auswirkt· Das Drehmoment ist dabei direkt auf die Beschleunigung bezogen» Die Auswirkungen dieser Massnahmen auf die Belastung sind derart, dass bei Anlauf die Anfangsbeachleunigung bei einem hohen Vorhalt erfolgt, der ständig abnimmt» bis die maximale Arbeitsdrehzahl erreicht ist» Danach, während der Verzögerung, weist diese anfänglieh einen geringen Vorhalt auf, der schliesslich auf einen endlichen hohen Wert ansteigt» Es ergeben sich hieraus zwei Merkmale: 1· Die Beschleunigung und die Verzögerung kann in einer geringeren als der sonst benötigten Zeit erfolgen, wenn eine lineare funktion ausgenutzt wird, und 2« Ein höheres Maximum kann für die Arbeits— drehzahl erlangt werden» Das über alles angestrebte Ergebnis dieser Anordnung'ist darin zu sehen, dass die benötigte Zeit für die Laständerung von einem zum anderen Punkt beträchtlich reduzierbar ist, wie auch aus pig» 4 augenscheinlich wirdö

Die Umformer-Sohaltung 24 ermöglicht verschiedene Formen, ohne von der Erfindung abzuweichen» Eine geeignete Schaltung hierfür wird im Beispiel nach der pig· 2 wiedergegeben. Diese Schaltung enthält einen Eingangswiderstand 52 und eine Mehrzahl von Parallel-Schaltkreisen, die hintereinander geschaltet sind und jeweils einen widerstand 54 und einen Gleichrichter 56 enthalten» In der Schaltung nach Fig» 2 sind vier solcher Parallel-Schaltkreise aufgezeigt, wobei mehr oder weniger Kreise je nach Wunsch verwendet werden können» Die Ausgangsleitung 30 wird von der Verbindung des Widerstandes 52 mit den Parallel-Schaltkreisen abgeleitet· Die entgegengesetzten Enden der Parallel-Schaltkreise halten verschiedene

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Spannungshöhen aufrecht, was durch die diesen Schaltkreisen zugeordneten fünf Vfiderständen 53 erreicht wird, wobei das rechte Ende des rechts angeordneten Yfiderstandes 58 geerdet ist und das linke Ende des am weitesten links in der fig» 2 angeordneten Widerstandes 58 mit einer Quelle für eine Bezugsspannung E verbunden ist· Die vier Widerstände 54 haben verschiedene von links nach rechts in der I¹Xg* 2 ansteigende V/erte» Es ist bei der Schaltung nach fig» 2 zu beachten* dass die über die Leitung 12 eingegebene Eingangsspannung linear variabel ist» so dass während des Anstiegs 16a oder während des Abfalls 20a des Kurvenverlaufs 14a in fig« 4 der in der leitung 30 erscheinende Ausgangswert mit so verschiedenen Vorhalten versehen ist» wie die verschiedenen einzelnen. Gleichrichter 56 unterschiedlich leitend sind* Beispielsweise wenn die Eingangsspannung von einem niedrigen Wert anwächst» dann wird die Ausgangsspannung bei einem gegebenen Vorhalt anwachsen, bis-der am weitesten rechts liegende Gleichrichter 56 leitend wirdο Daraus folgt, dass die Ausgangsspannung als Ergebnis des weiteren Anwachsens der Eingangsspannung bei geringerem Vorhalt ansteigt₉ was von dem Wirksamwerden des zweiten. G-leiGhrichters, von rechts gesehen, abhängt· Die Ausgangsspannung wird dann weiter mit noch mehr herabgesetztem Vorhalt anwachsen, bis der nächste Gleichrichter wirksam wird, usw* Es ergibt sich somit ein Kurvenverlauf, wie er mit 20 in fig» 1 bzw· mit 18a in fig· 4 bezeichnet dargestellt wird« Die tatsächlich in. der leitung anstehende Ausgangsspannung während des Anstiegs wird in fig· 7 gezeigt, bei der die Spannung E über der Zeit t aufgetragen ist· Eine noch bessere Annäherung an die gewünschte Kurve nach figo 4 kann durch eine grössere Anzahl von Parallel-Schaltkreisen in der Umformer-Schaltung erreicht werden, wobei festgestellt sein mag, dass die vier Abschnitte der Kurve in fig· 7 bereits zu befriedigenden Resultaten führten·

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Bei dem eben beschriebenen System wird, das Vorhandensein jeglicher Reibung in der Belastung ignoriert» Da aber die Reibung ein wichtiger Faktor ist, wird bei dem Motorantriebssystem nach der Erfindung der Betrag der Reibungskräfte berücksichtigt und ein speziell auf die Belastung abgestelltes Antriebaprogramm entwickelt· Der allgemeine Reibungseffekt sowohl der mechanischen als auch der Luftreibung steht im Gegensatz zur Beschleunigung der Last während des Anstiegs und unterstützt die Verzögerung der Last während der Herabsetzung oder während des Abfalls« Eine weitere Auswirkung ist dadurch gegeben, dass im Zwisehenabschnitt oder bei konstanter .Drehzahl doch ein wesentliches Drehmoment geliefert werden muss» feil für die Beschleunigung ein grösseres Drehmoment als für die Verzögerung benötigt wird, kann durch den Motorantrieb wirkungsvoll Zeit gespart werden, die unterschiedlich bei Beschleunigung und Verzögerung ist·

Figo 9 zeigt die Beziehungen zwischen den. gelieferten Drehmomenten für ein gegebenes Antriebsprogramm, wobei einmal die Reibung nicht berücksichtigt und zum anderen Mal öie Reibung berücksichtigt wird« Wiederum wird das Drehmoment Ϊ über der Zeit t aufgetragen., Die Kurve 72 zeigt den benötigten Drehmomentenverlauf ohne Berücksichtigung der Reibung, während die Kurve 74 das benötigte Drehmoment wiedergibt, wenn sowohl die mechanische als auch die Ijuftreibung in Rechnung gestellt werden» Ein Vergleich der beiden Kurven 72 und 74 macht deutlich, dass bei Vorhandensein der Reibung während der Beschleunigung oder während des Anstiegs ein grösseres Drehmoment erforderlich ist, dagegen ein geringeres Drehmoment während der Verzögerung oder beim Abfall· Fig· 10, bei der die Spannung E über der Zeit t aufgetragen ist, gibt den Spannungsverlauf wieder, der in den spannimgsregelnden Oszillator 28 eingegeben wird und bei dem der Anstieg 76 verschieden vom Abfall 78 ist, was durch das Vorhandensein der Reibung bedingt ist» Insbesondere wird auf das Anwachsen der

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Spannungskurve mit einem geringeren durchschnittlichen Wert während des Anstiegs 76 gegenüber dem Abfall 78 aufmerksam gemacht» Das insgesamt angestrebte Ergebnis dieser Anordnung ist, dass das benötigte Drehmoment dem verfügbaren Drehmoment in sich geschlossener angepasst ist, und zwar bis zum beendeten weiteren Anwachsen der Drehzahl, bis zu welcher der Motor angefahren oder aus welcher er angehalten werden soll*

Die Form des Spannungsverlaufes unter Berücksichtigung der Reibung kann entweder durch die Form der Grundspannung, die durch den linearen Funktionsgenerator 10 erzeugt wird, oder durch eine Umformer-Schaltung beeinflusst werden, die unterschiedliche Formen für den Anstieg und den Abfall ausgeben kann» In Fig» 1 wird durch den unterbrochenen Linienzug 60 eine Grundspannung repräsentiert _f in der die Reibungseffekte berücksichtigt sind«. Bei diesem Spannungsverlauf weist der Anstieg 62 eine geringere Steigung gegenüber derjenigen des Abfalls 64 auf» Als Folge hiervon wird die Umformer-Schaltung 24 einen resultierenden Spannungsverlauf 66 erzeugen* bei dem der Anstieg 68 eine durchschnittlich geringere Steigung gegenüber derjenigen des Abfalls 70 hat, wodurch mehr Zeit gegenüber dem Abfall 70 benötigt wird»

Pig· 8 zeigt ein weiteres Verfahren für eine unterschiedliche Gestaltung des Anstiegs gegenüber dem Abfall« In dem System nach Figo 8 erzeugt der lineare Generator 10 in der Leitung 80 eine lineare Punktion ähnlich der Punktion 14 aus der Pig· 1 mit einem zum Anstieg spiegelbildlichen Abfall* Verbunden mit dem linearen Punktionsgenerator 10 sind zwei getrennte Umformer-Schaltungen 82 und 84, wobei die Umformer-Schaltung 82 für den Anstieg mit der Leitung 80 während des Anstiegs und Zwiachenabscimitts verbunden ist und ebenso die Umformer-Schaltung 84 für den Abfall mit der Leitung 80 während dss Abfalls verbunden ist» Sie Ausgänge der feeidea Um-

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richtung 86 kombiniert und auf den apannungsregelnden Oszillator 28 geschaltet, der weiterhin mit dem Schrittmotorantrieb 32 verbunden ist» Die in der Leitung 80 erscheinende Spannung wird zwischen der Umformer-Schaltung 82 für den instieg und der Umformer-Schaltung 84 für den Abfall auf zwei UND-Tore 88 und 90 geschaltet, die durch ein geeignetes Torsignal vom linearen Punktionsgenerator gesteuert werden, wobei das Tor 88 während des Anstiegs und des Zwischenabschnitts überträgt und das Tor 90 während des Abfalls überträgt* Bei genauer Ausbildung der beiden Umformer-Schaltungen kann ein resultierender Spannungsverlauf auf den spannungsregelnden Oszillator 28 gegeben werden, der jede Form des benötigten Drehmoments passend zur gelieferten und zur Verfügung stehenden Form ermöglicht»

In den vorhergehenden Systemen, wie sie in den Fig· 1 und 8 gezeigt werden, werden Impulse für den Betrieb des Schrittmotorantriebs von einem Impulsgenerator in der Art eines spannungsregelnden Oszillators 28 abgeleitet, wobei die Frequenz oder die Wiederholungsrate des Ausgangsimpulses durch die Höhe der Spannung des auferlegten Spannungsverlaufes bestimmt ist» Damit ist die Frequenz, bei welcher der Schrittmotorantrieb wirksam ist, analog bezogen auf den Spannungsverlauf 9 Es ist selbstverständlich» dass die Erfindung nicht notwendigerweise auf Analogeysteme begrenzt ist und dass nach Y/unsch ein Digitalsystem ebenso verwendet werden kann,' wenn die Ausgangsfrequenz des Impulsgenerators durch digitale Signale gesteuert wird» In einem Analogsystem wird die Ausgangsfrequenz seines Impulsgenerators auf ein solches Argument bezogen, das durch die örösse als eine der Eigenschaften der Eingangsspannung dargestellt wird« In einem Digital-System wird die Ausgangsfrequena des Impulsgenerators ebenso auf ein solches Argument bezogen, das durch die Eingangsspannung repräsentiert ?;ird, aber in diesem Fall ist das Ar-

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gument.die G-rösse einer Mehrzahl in digitaler Form repräsentierter Eingangsspannungenο

Beispielsweise zeigt die Jig* 11 die Grundform eines Systems, das die digitale Annäherung verwendete In diesem System ist der Impulsgenerator 92 enthalten, der Ausgangsimpulse in der Leitung 94 erzeugt, die den Schrittmotorantrieb 32 steuern« Der Impulsgenerator 92 ist seinerseits über den Regler 96 gesteuert, der Signale über die Leitung 98 in den Impulsgenerator einspeist« Die tatsächliche Stellung des Schrittmotors oder seiner Antriebsteile wird über den Regler 96 aufgegeben, wobei mittels eines geeigneten Encoders im Schrittmotorantrieb ein Stellungssignal erzeugt wird, das über die Leitung 100 auf den Regler übertragen wird«

Der Impulsgenerator 92 in dem System nach fig· 11 kann Jedes an sich bekannte digital gesteuerte Gerät sein, das fähig ist, über den Ausgang 94 Impulse abzugeben zu einem auf eine Grosse oder eine Anzahl bezogenen Torhalt, der durch die über den Eingang 98 eingespeisten digitalen Signale repräsentiert -wir dp Zum Beispiel kann als Impulsgenerator 92 ein Binär-Vorhaltmultiplikator oder ein Digital-Differentialauswähler verwendet werdene Im Pail des Multiplikators mit einem Taktgeber v/erden Taktimpulse mit einem Vorhalt erzeugt, die bei weitem grosser als der maximal benötigte Impulsvorhalt in der Ausgangsleitung 94 sind» In der Schaltung derartiger Multiplikatoren mit digitalen Eingangssignalen sind solche Vorkehrungen getroffen, dass letztere, einem Bruchteil der 'Uaktimpulse folgend, in die Leitung 94 eingegeben werden. Der Wert dieser Bruchteile hängt vom Eingangsargument ab, das durch die Zahl der digitalen Signale repräsentiert wird· Der Regler 96 enthält einen geeigneten Eingang (nicht gezeigt), wie ein Lochstreifeneingabegerät mit Infor-

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mationen für verschiedene Stellungen des Schrittmotorantriebs· Dem Regler 96 wird gleichzeitig das von der Drehzahl des Schrittmotorantriebs entsprechend abgenommene Stellungssignal über die leitung 100 zugeleitet, wodurch die optimale· Beschleunigung für diese Drehzahl bestimmbar isto Das entsprechende Signal zum Impulsgenerator 92 wird über die Leitung 98 eingespeist und dabei mit einem solchen Vorhalt variiert, dass die Änderung der Frequenz des Ausgangsimpulses im Zusammenhang mit der berechneten Beschleunigungsmöglichkeit steht»

Als eine Alternative zur Berechnung der optimalen Beschleunigung in Abhängigkeit von der augenblicklichen Drehzahl des Schrittmotorantriebs kann eine im Regler 96 angeordnete Umformer-Schaltung für den Anstieg oder Abfall die Erzeugung eines analogen Anstiegs oder Abfalls erlauben, aber dennoch einen digitalen Ausgang des Impulsgenerators 92 zur Folge haben_e Bei jedem Ereignis der Beschleunigung und der Verzögerung ändert das durch den Regler 96 in die Leitung 98 fortlaufend eingespeiste Signal ebenso fortlaufend den Anstieg oder den Abfall der Drehzahl des Öchrittmotorantriebs, wobei der Vorhalt der Signaländerung durch den Regler so variiert wird, dass die Beschleunigungs- oder Verzögerungswerte anstatt konstant zu bleiben in nichtlinearer Form ihre Steigungswerte ändern, um stets das maximale Drehmoment für den Motor zur Verfügung zu stellen»

MP/Hf - 20 122 -17-

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Claims

Pat entansprüohe :

1«> Verfahren zur Erregung eines elektrischen Antriebsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer geeigneten Einrichtung ein vom Zustand des Antriebsmotors unabhängiges Signal erzeugt wird, dass dieses Signal einen anfänglichen Anstiegsbereich besitzt, in dem der Betrag des Signals in zeitlich fortschreitend abnehmendem Masse von einem ersten V/ert auf einen zweiten ffert ansteigt, ohne dass die Anstiegsrate in irgend einem Punkt zunimmt, dass das Signal einen 2»wischenbereich aufweist, in dem sein Betrag im wesentlichen auf dem zweiten Wert verbleibt, dass das Signal in einem Endbereich in zeitlich fortschreitend zunehmendem Masse von dem zweiten Wert auf den ersten Wert abnimmt, ohne dass das Mass der Abnahme in irgend einem Punkt abnimmt, und dass geeignete Einrichtungen auf das Signal ansprechen, um den Antriebsmotor mit einer Geschwindigkeit anzutreiben, die in direktem Bezug zu dem Betrag des Signals steht·

2· Verfahren nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, dass die daa Signal erzeugende Einrichtung ein Spannungssignal liefert, dessen Spannungshöhe den Betrag des Signals darstellt·.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Signal erzeugende Einrichtung ein digitales Signal liefert, dessen zahlenmässiger Betrag den Betrag des Signals darstellt»

4· Verfahren nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, dass als Antriebsmotor ein Schrittmotor verwendet wird und dass die auf das Signal ansprechenden Einrichtungen zum

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Antrieb des Schrittmotors eine Einrichtung zur Erzeugung von Antriebsimpulsen enthält, welche an den Antriebsmotor übermittelt werden, v/o bei die Abfolge der Impulse in direktem Bezug zu dem Betrag des Signals steht·

5ο Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die das Signal erzeugende Einrichtung ein digitales Signal liefert, dessen zahlenmäsaiger Betrag den Betrag des Signals darstellte

6» Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die das Signal erzeugende Einrichtung ein Spannungssignal liefert, dessen Spannungshöhe den Betrag des Signals darstellt·

Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung der Antriebsimpulse einen. spannungsgesteuerten Oszillator enthält, dessen.Ausgangs frequenz von dem Spannungssignal gesteuert wird·

8e Verfahren zur Erregung eines elektrischen Antriebsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Einrichtung ein Signal erzeugt wird, welches einen anfänglichen Anstiegsbereich besitzt, in dem der Betrag des Signals in zeitlich abnehmendem Masse von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert ansteigt, dass das Signal einen·Zwischenbereich aufweist, in dem sein Betrag im wesentlichen auf dem zweiten Wert verbleibt, dass das Signal einen Endbereich besitzt, in dem der Betrag des Signals in zunehmendem Masse von dem zweiten Wert auf den ersten v/ert abnimmt, dass geeignete Einrichtungen auf das Signal ansprechen, um den Antriebsmotor mit einer Geschwindigkeit anzutreiben, die in direktem Bezug zu dem Betrag des Signals steht» dass die Einrichtung zur Erzeugung eines

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Signals eine Einrichtung zur Erzeugung eines G-rundspannungssignals besitzt, welches einen anfänglichen Anstiegsbereioh aufweist, in dem die Spannungshöhe des Signals in im wesentlichen gleichmässigem Masse ansteigt, dass das Signal einen Zwischenbereich aufweist, in dem die Spannungshöhe des Signals im wesentlichen konstant bleibt, wohingegen die Spannungshöhe zum Ende in einem Abfallbereich in im wesentlichen konstantem Masse abnimmt, dass dieses Grundspannungssignal an den Eingang eines Entzerrers gelegt wird, dass der Entzerrer eine Einrichtung zur Erzeugung einer Ausgangsspannung besitzt,■welche sich nicht linear mit der Eingangsspannung ändert, sondern in der Weise, dass die Ausgangsspannung in abnehmendem Masse mit annehmender Eingangsspannung zunimmt und in zunehmendem Masse mit abnehmender Eingangsspannung abnimmt»

9· Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines Grundspannungssignals eine Einrichtung enthält, die bewirkt, dass die trosse des G-rundspannungs— signals in dem Abfallbereich stärker abnimmt, als sie im Anstiegsbereich zunimmt»

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebsmotor ein Schrittmotor dient und dass die auf das Signal zum Antrieb des Schrittmotors ansprechende Einrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen von Antriebaimpulsen enthält, die dem Schrittmotor zugeführt werden, wobei die Abfolge dieser Impulse in direktem Bezug zu der Grosse der Spannung des Signals steht»

11* Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Grundsρannungssignals

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eine Einrichtung enthält, die bewirkt, dass die Grosse des G-rundsignals während des Abfallbereiches im wesentlichen in gleichem Masse abnimmt, wie sie während des Anstiegsbereiches zunimmt, dass die Umformer-Schaltung eine Umformer-Schaltung für den Anstieg und eine Umformer-Schaltung für den Abfall enthält und dass eine Einrichtung vorgesehen ist» um das G-rundsignal während des Anstiegsbereiches auf die Umformer-Schaltung für den Anstieg zu schalten und es während des Abfallbereiches auf die Umformer-Schaltung für den Abfall zu schalten, wobei das Verhältnis von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung bei der Umformer-Schaltung für den Anstieg anders tst als bei der Umformer-Schaltung für den Abfall.

12« Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebsmotor ein Schrittmotor dient und dass die auf das Signal zum Antrieb des Schrittmotors anspre-.. chende Einrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen von Antriebsimpulsen enthält, die dem Schrittmotor zugeführt werden, wobei die Abfolge dieser Impulse in direktem Bezug zu der G-rösse der Spannung des Signals steht·

13β Verfahren zur Erregung eines elektrischen Antriebsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Einrichtung ein Signal erzeugt wird, welches einen anfänglichen Anstiegsbereich besitzt, in dem der Betrag des Signals in zeitlich abnehmendem M_asse von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert ansteigt, dass das Signal einen Zwiachenbereich aufweist, in dem sein Betrag im wesentlichen auf dem zweiten Wert verbleibt, dass das Signal einen Endbereich besitzt, in dem der Betrag des signals in zunehmendem Masse von dem zweiten Wert auf den ersten Wert abnimmt, dass geeignete Einrichtungen auf das Signal ansprechen, um den Antriebsmotor mit einer Geschwindigkeit

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anzutreiben, die in direktem Bezug zu dem Betrag des Signals steht, dass die Einrichtung zur Signalerzeugung eine Einrichtung enthält, die bewirkt, dass der Betrag des Signals im Abfallbereich in einem im Mittel grosserem Masse abnimmt, als er im Anstiegsbereich zunimmt, was dazu führtj, dass sich der Abfallsbereich über einen kürzeren Zeitabschnitt erstreckt als der Anstiegsbereioh»

14* Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebsmotor ein Schrittmotor dient und dass die auf das Signal zum Antrieb des Schrittmotors ansprechende Einrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen von Antrieb simpuls en enthält, die dem Schrittmotor zugeführt werden, wobei die Abfolge dieser Impulse in direktem Bezug zu der G-rösse der Spannung des Signals steht»

15· Verfahren zur Erregung eines elektrischen Antriebsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, um die Erregung dea Motors derart zu steuern, dass dieser während einer Beschleunigungsperiode von niedrigen auf hohe Umdrehungszahlen "beschleunigt wird, die hohen Umdrehungszahlen über einen gegebenen Zeitraum beibehält und anschlieasend in einer Verzögerungsperiode von hohen Umdrehungszahlen auf niedrige Umdrehungszahlen verzögert wird, dass die Steuervorrichtung eine Einrichtung enthält, die ein vom Zustand des Motors unabhängiges Eingangssignal verwendet» um zu bewirken, dass sich die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors während der Beschleunigungsperiode in einem Masse steigert, welches sich zeitlich fortschreitend verringert, ohne zu irgendeinem Zeitpunkt zuzunehmen, und dass eine Einrichtung enthalten ist, die ein vom Zustand des Motors unabhängiges Eingangssignal verwendet, um zu bewir-

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ken, dass sich die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors während der Verzögerungsperiode in einem Masse vermindert, welches zeitlich fortschreitend anwächst, ohne sich zu irgend einem Zeitpunkt zu verringern.

16» Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung derart beschaffen ist, dass die Beschleunigungsperiode länger ist als die Verzogerungsperxode*

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