DE2024459A1 - Digital arbeitende Drehzahlregeleinrichtung - Google Patents

Description

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WESTINGHOUSE IQ Mai 1970

Electric Corporation Erlangen,· den ' ^v ^{|V|QI iUI}"

Pittsburgh, Pa., USA · Werner-von-Siemens-Str.50

Unser Zeichen: VPA 70/8310 Hk/Kz

Digital arbeitende Drehzahlregeleinrichtung

Die Priorität d. US-Aiuneldung 828·624 ν.28.5.1969 wird beansprucht.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung der Drehzahl elektrischer Antriebe mittels digital arbeitender, elektronischer Bauelemente.

r Drehzahlregeleinrichtungen werden heute in weitem Umfang angewendet. Beispielsweise ist es in der Stahlindustrie erforderlich, ' die Geschwindigkeit von Rollgängen, Walzensätzen und Lagereglern ständig zu überwachen und innerhalb vorgegebener Grenzwerte zu regeln. In automatischen, elektrischen Bahnanlagen muß die Geschwindigkeit der Fahrzeuge ständig genau geregelt werden, damit die Betriebssicherheit und die Sicherheit der Fahrgäste nicht gefährdet wird. Für diese Zwecke dind analog arbeitende Regler bekannt, die jedoch sehr sorgfältig bemessen werden müssen, um eine Drift aufgrund von Änderungen in der Einrichtung oder aufgrund von TemperatürSchwankungen zu vermeiden. Außerdem müssen analog arbeitende Regeleinrichtungen jeweils an die Motorleistung angepaßt werden.

Die bekannten digital arbeitenden Regeleinrichtungen erfordern einen großen Aufwand und haben einige entscheidende Nachteile. Beispielsweise v/erden in einer Einrichtung die der Winkelgeschwin-. digkeit einer Motorwelle proportionalen Impulse während einer vorgegebenen Zeitspanne einem umfangreichen Binärzähler zugeführt. Die Anzahl der Impulse, die der Solldrehzahl entsprechen, werden von einem Rechner festgelegt und in einem zweiten Zähler gespeichert. Die Anzahl der gespeicherten Impulse im ersten und zweiten Zähler werden dann verglichen. Wenn die Anzahl der Impulse im ersten Zähler sich von der im zweiten Zähler unterscheidet» wird ein Fehlersignal zur Änderung der Drehzahl des Motors erzeugt.

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Eine solche Regeleinrichtung erfordert mindestens zwei Zähler, die eine große Anzahl von Impulsen aufnehmen können, und zusätzlich eine Vergleichseinrichtung. Sie sind daher sehr aufwendig und haben einen großen Raumbedarf. Außerdem kann die Drehzahl des Motors während der Zeit, in der die Impulse gezählt werden, nicht geregelt werden. Das bedeutet lange Totzeiten.

Gemäß der Erfindung wird zur Vermeidung dieser Nachteile "vorgeschlagen, einem mit dem Antrieb gekuppelten Impulsgeber eine erste bistabile Kippstufe nachzuschalten und an .den einen Ausgang dieser Kippstufe ein Zeitglied, dessen Laufzeit in Abhängigkeit von der gewünschten Drehzahl einstellbar ist, und an

den anderen Ausgang der Kippstufe eine zweite bistabile Kippstufe anzuschließen, die in.Abhängigkeit von dem jeweils von der ersten Kippstufe oder dem Zeitglied zuerst eintreffenden Impuls an ihrem einen Ausgang ein Signal "Drehzahl höher" bzw. an ihrem anderen Ausgang ein Signal "Drehzahl niedriger" führt. Das Zeitglied ist beispielsweise an einen die Laufzeit entsprechend der gewünschten Drehzahl vorgebenden Rechner angeschlossen. Für einen Antriebsmotor, der beispielsweise von einem Generator gespeist wird, sind an die Ausgange der zweiten Kippstufe zwei die Ausgangsspannung des Generators in entgegengesetztem Sinne beeinflussende Feldwicklungen angeschlossen. Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Er-

* findung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 ein Blockschaltbild der Regeleinrichtung, Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung. ■

In Fig. 1 ist ein nur in einer Drehrichtung betriebener Motor dargestellt, der von einem Generator 13 gespeist wird. Der Generator ist mit zwei seine Ausgangsspannung in entgegengesetztem Sinne beeinflussenden Feldwicklungen 19, 21 ausgestattet, die bei 23 gemeinsam geerdet sind. Parallel zu den Feldwicklungen liegt je eine Diode 25, 27. An die Welle des Motors 11 ist ein Impulsgeber 29 mit gegebenenfalls nachgeschalteten Impulsformer gekuppelt. ,

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Die vom·Impulsgeber 29 gelieferten Impulse werden einem digitalen Schaltkreis 33, beispielsweise einer bistabilen Kippstufe, und von dieser abwechselnd über den einen Ausgang einem Zeitglied 35 mit einstellbarer Laufzeit und über den anderen Ausgang einem weiteren digitalen Schaltkreis 41, beispielsweise einer zweiten bistabilen Kippstufe, zugeführt. Der dem Zeitglied 35 zugeführte Impuls wird nach Ablauf der eingestellten Laufzeit ebenfalls an die zweite bistabile Kippstufe 41 weitergeleitet. Die Laufzeit des Zeitgliedes 35 kann in Abhängigkeit von der jeweils erforderlichen, zu regelnden Drehzahl von einem entsprechend programmierten Rechner 45 vorgegeben werden.

In Abhängigkeit von der eingestellten Laufzeit und von der Frequenz der Impulsfolge wird entweder der verzögerte Impuls vom Zeitglied 35 oder der jeweils nächste Ausgangsimpuls der bistabilen Kippstufe 33 zuerst bei der zweiten bistabilen Kippstufe 41 eintreffen. Trifft der verzögerte Impuls als erster ein, dann erhält die Feldwicklung 19 eine positive, die Ausgangsspannung des Generators 13 erhöhende Spannung. Trifft der unverzögerte Impuls zuerst .ein, so erhält die Feldwicklung 21 eine positive Spannung, die die Ausgangsspannung des Generators und damit die Drehzahl des Motors erniedrigt. Der jeweils zuerst an einem der Eingänge der bistabilen Kippstufe 41 eintreffende Impuls sperrt während der Dauer seines Anstehens den anderen Eingang.

Der Rechner 45 berechnet nach einem vorgegebenen Programm für die jeweils erforderliche Drehzahl den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen und die zugehörige, der Soll-Drehzahl entsprechende Laufzeit des Zeitgliedes.

Es sei angenommen, die Ist-Drehzahl des Motors 11 sei geringer als die gewünschte Drehzahl. Dann ist der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen infolge der kleineren Frequenz größer als sie bei der Soll-Drehzahl sein müßte. Die bistabile Kippstufe 33 sendet einen ersten Impuls des Impulsgebers 29 zum Zeitglied 35. Nach Ablauf der vom Rechner vorgegebenen Laufzeit wird der Impuls an die bistabile Kippstufe 41 weitergeleitet. Da die Ist-Drehzahl niedriger ist als die Soll-Drehzahl, ist die Zeit zwischen dem ersten und dem nachfolgenden Impuls ■ - 4 -

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itgliedes,

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des Impulsgebers größer als die Laufzeit des Zeitgliedes, so daß der zweite Impuls sich auf den Schaltzustand der bistabilen Kippstufe 41 nicht auswirken kann und die Feldwicklung 19 erregt wird. Der dritte Impuls des Impulsgebers regt wiederum das Zeitglied an und ein vierter Impuls vom Impulsgeber kommt ebenfalls später als der verzögerte Impuls an, wenn der Motor noch mit zu geringer Drehzahl läuft.

-Bei zu hoher Drehzahl arbeitet die Einrichtung in analoger Weise. In diesem Falle ist der Abstand zwischen den einzelnen Impulsen des Impulsgenerators kleiner als die vom Rechner vorgegebene Laufzeit. Infolgedessen kommt der vom Zeitglied verzögerte Impuls später als der unverzögerte bei der zweiten bistabilen fc Kippstufe an, so daß die Feldwicklung 21 des Generators erregt und dadurch die Ausgangsspannung des Generators herabgesetzt wird.

Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der Einrichtung wird auf die Fig. 2 Bezug genommen. Fig. 2a zeigt die vom Impulsgeber erzeugte Impulsfolge. Der zeitliche Abstand T zwischen den einzelnen Impulsen ist von der Motordrehzahl abhängig. Mit zunehmender Drehzahl nimmt der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen ab und mit sinkender Drehzahl wird der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen größer. Fig. 2b zeigt, daß jeder zweite vom Impulsgeber gelieferte Impuls von der bistabilen Kippstufe 33 an das Zeitglied 35 geleitet wird, während die anderen Impulse der } zweiten bistabilen Kippstufe 41 zugeführt werden. Die der Kippstufe 41 zugeführten Impulse sind in den Figuren 2c und 2d voll ausgezogen.

In den Figuren 2c und 2d sind die vom Zeitglied an die Kippstufe 41 geleiteten Impulse gestrichelt dargestellt. Die vom Rechner vorgegebene Laufzeit TD1 in Fig. 2 ist kleiner als der zeitliche Abstand T zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen des Iinpulsgenerators. Infolgedessen wird die Feldwicklung 19 des Generators erregt und die Drehzahl des Motors erhöht. In Fig. 2d ist die vom Rechner vorgegebene Laufzeit TD2 größer als der zeitliche Abstand T in Fig. 2a. Infolgedessen steht der von der bistabilen Kippstufe 33 unmittelbar an die bistabile Kippstufe 41

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gelieferte Impuls früher an als der vom Zeitglied Kommende Impuls. Infolgedessen wird die Feldwicklung 21 des Generators erregt und damit die Motordrehsahl herabgesetzt.

Abweichend von anderen digitalen Regeleinrichtungen, bei denen während der Speicherung der Impulsfolge in einem Primärzähler keine Regelung stattfindet, wird gemäß der Erfindung jeder zweite Impuls zur Regelung des Motors ausgenutzt, während jeder Zwischenimpuls um die Laufzeit des Zeitgliedes verzögert wird. Daraus ergibt sich, daß die Regeleinrichtung wesentlich empfindlicher auf Drehzahlabweichungen anspricht als die bekannten Drehzahlregeleinrichtungen. Die Totzeit der neuen Regeleinrichtung ist somit verringert, weil die Feldwicklungen des Generators mit voller Spannung selbst bei kleinen Drehzahländerungen ι erregt werden. Darüberhinaus kann die neue Regeleinrichtung in einer einzigen gedruckten Schaltung untergebracht werden, da keine umfangreichen Binärzähler erforderlich sind.

Die einzige direkte Verbindung zwischen dem zu regelnden Motor und der neuen Regeleinrichtung ist die elektromagnetische Kupplung zwischen der Motorwelle und dem Impulsgenerator. Die Regeleinrichtung läßt sich daher ohne Schwierigkeiten für Motoren verschiedener Größe und unterschiedlicher Leistung einsetzen.

Da die neue .Regeleinrichtung digital arbeitet, wirken sich Temperaturänderungen oder andere die Bauelemente beeinflussende Faktoren betriebsmäßig praktisch nicht aus. Das bedeutet einen I erheblichen Vorteil gegenüber analog arbeitenden Drehzahlregeleinrichtungen, die stark temperaturabhängig sind und bei denen, wenn sie nicht durch umfangreiche und komplexe Schaltkreise korrigiert werden, erhebliche Drehzahlabweichungen auftreten können.

Die Feldwicklungen 19 und 21 wirken, aufgrund ihres induktiven Widerstandes als Digital-Analog-V/andler. Infolgedessen ist der Feldatrom dem Durchschnitt der impulsweise zugeführten Spannungen proportional, Da die Motordrehzahl der Generator-Ausgangsspannung und die Ausgangsspannung dem Feldstrom proportional ist, ist auch die Motordrehzahl den Durchschnittswerten der Feldströme proportional. *

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Die beschriebene und dargestellte Drehzahlregeleinrichtung ist für einen Motor vorgesehen, dessen Welle sich nur in einer Richtung dreht. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Einrichtung nicht hierauf beschränkt, sondern kann auch für einen im Reversierbetrieb eingesetzten Motor verwendet werden.

Damit die Regeleinrichtung auch für einen mit einer Mindestdrehzahl betriebenen Motor verwendet werden kann, ist für den Generator 13 eine zusätzliche Feldwicklung 53 vorzusehen, die an eine Spannungsquelle 55 anzuschließen ist. Wenn der Motor die Mindestgeschwindigkeit erreicht hat, greift die Regeleinrichtung ein. Zur Ausserbetriebsetzung des Motors und der Regeleinrichtung, wenn die Motördrehzahl unter die Mindestdrehzahl sinkt, kann ein Unterspannungsrelais vorgesehen sein. Außerdem können die bekannten Mittel zur Strombegrenzung vorgesehen werden, damit ein Durchgehen des Motors vermieden wird.

3 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims (3)

1. VPA 70/8310

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   Patentansprüche

   Einrichtung .zur Regelung der Drehzahl elektrischer Antriebe mittels digital arbeitender, elektronischer Bauelemente, dadurch gekennzeichnet, daß einem mit dem Antrieb (11) gekuppelten Impulsgeber (29) eine erste bistabile Kippstufe (33) nachgeschaltet und an den einen Ausgang dieser Kippstufe
   ein Zeitglied (35), dessen Laufzeit in Abhängigkeit von der gewünschten Drehzahl einstellbar ist, und an den anderen Ausgang der Kippstufe eine zweite bistabile Kippstufe (41) angeschlossen ist, die in Abhängigkeit von.dem jeweils von der ersten Kippstufe (33) oder dem Zeitglied (35) zuerst eintreffenden Impuls an ihrem einen Ausgang ein Signal "Drehzahl höher" bzw. an ihrem anderen Ausgang ein Signal "Drehzahl niedriger" führt,
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (35) an einen die Laufzeit entsprechend der gewünschten Drehzahl vorgebenden Rechner (45) angeschlossen ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einem von einem Generator gespeisten Antriebsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ausgänge der zweiten Kippstufe (41) zwei die Ausgangsspannung des Generators (13) im entgegengesetzten Sinne beeinflussende Feldwicklungen (19» 21) angeschlossen sind.

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