DE2742079B2

DE2742079B2 - Antriebsanordnung zur Positionierung einer Antriebswelle

Info

Publication number: DE2742079B2
Application number: DE19772742079
Authority: DE
Inventors: Georg 8540 Schwabach Kögler; Karl 8500 Nürnberg Schalk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-09-19
Filing date: 1977-09-19
Publication date: 1981-07-09
Also published as: DE2742079A1; JPS5450775A; DE2742079C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung zur Positionierung einer Antriebswelle, bei der der Motor mit einer Drehmomentregelung versehen ist und bei der der Sollwert des Drehmomentreglers durch einen Regler für die Winkelstellung beeinflußbar ist, wobei der Istwert der Winkelstellung von einem Winkelstellungsgeber geliefert wird, dessen Ausgangssignal für jede Raststellung der Antriebswelle einen Nulldurchgang aufweist. Derartige Antriebsanordnupgen sind auf dem Markt verfügbar und daher vorbekannt.
Bei solchen Antriebsanordnungen sind der Regel-

jo schleife für die Winkelstellung zur Verbesserung der Regeldynamik außer der Drehmomentregelung meist noch eine Drehzahlregelung unterlagen.

Dies ist in F i g. 1 beispielhaft dargestellt, wobei mit 1 ein vorzugsweise kollektorloser Motor bezeichnet ist.

Γι Der Motorstrom Im wird über einen Meßwiderstand 2 geführt, an dem eine dem Drehmoment Ma, proportionale Spannung abfällt. Diese wird dem Eingang eines Drehmomentreglers 3 zugeführt, der seinen Sollwert Msoii von einem Drehzahlregler 4 erhält. Ein richtungsabhängiger Drehzahl-Istwert n,_s, wird von einem mit dem Motor 1 gekuppelten Tachogenerator 5 geliefert, der in der Regel ein Gleichstromgenerator ist. Der Drehzahl-Sollwert n_s„u wird von einem Regler 8 für die Winkelstellung geliefert, der von einem mit der

4) Antriebswelle 6 gekuppelten Winkelstellungsgeber 7 seinen Istwert Pn, erhält. Der Sollwert P_J0//des Reglers 8 für die Winkelstellung wird von außen vorgegeben und dem Eingang 9 des Reglers 8 zugeführt. Durch eine entsprechende Sollwertvorgabe wird der Antrieb bis

in einen halben Winkelschritt vor der vorgegebenen Rastposition geführt. Durch Nullsetzen des Sollwertes P₅₀Ii wird dann die Antriebswelle 6 mit Hilfe des Reglers 8 für die Winkelstellung in die vorgegebene Rastposition überführt, in der die Regelkuve für die Winkelstel-

^r>^r> lung durch den Nullpunkt geht.

F i g. 2 zeigt eine entsprechende Regelkurve, wobei die mit il, i2 ... tn bezeichneten Nulldurchgänge jeweils eine Rastposition darstellen und der zeitliche bzw. räumliche Abstand zwischen den einzelnen

w) Nulldurchgängen 11 bis tn jeweils einen Winkelschritt darstellt.

Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß die einzelnen Rastpositionen M bis tn nur nach einem mehr oder weniger langen Einschwingvorgang erreicht werden

h^r) können. Die Art des Einschwingvorgangs hängt im wesentlichen von der Geschwindigkeit und dem Drehmoment des Antriebes sowie der Güte der Regelkreise ab.

Aus der DE-AS 1109 249 ist ein Wegregler mit Drehzahl- und Ankerstrom des Stellmotors als Hilfsregelgrößen in unterlagerten Regelkreisen bekannt. Zur Verbesserung des Einschwingverhaltens wird hierbei eine nicht lineare Gegenkopplung eingesetzt, die den Verstärkungsgrad des Regelverstärkers in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung unstetig ändert, wobei der Regelverstärker so beschaltet ist, daß die parabelförmige Kennlinie der Wegregelung durch zwei geradlinige Äste nachgebildet wird. Dieser Wegregler ι ο erfordert einen erheblichen schaltungstechnischen Aufwand.

Ferner ist es aus der Druckschrift »Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge« von W. Oppelt, 4. Auflage (1967), Verlag Chemie GmbH, Weinheim/Bergstr. r> Seiten 451 und 452 bei veraschten Regelkreisen bekannt, zur Vermeidung von Instabilität in einläufigen Regelkreisen innerhalb des Regelkreises weitere Schleifer· anzuordnen. In diesen Fällen wird nicht nur die Regelgröße selbst benutzt, sondern auch "ine Hilfsregelgröße, die von einem Punkt mit geringerer Verzögerung in der Regelstrecke abgegriffen wird. Ebenso kann auch mit einer zweiten Stellgröße gearbeitet werden, deren Verstellung sich rascher im Regelkreis auswirkt als die Verstellung der Hauptstell- i^r> größe selbst. Ferner ist in dieser Literaturstelle ausgeführt, daß der Einfluß der Störgröße durch ein besonderes Meßgerät gemessen und unmittelb;: r in den Regler eingegeben werden kann, ohne erst die Auswirkungen einer Störgrößenänderung auf die κι Regelstrecke abzuwarten.

Zusätzlich ist aus der DE-PS 22 17 383 eine Antriebsanordnung für den Anforderungsbetrieb von Lochstreifenlesegeräten bekannt, bei der als Antrieb ein in der Drehzahl regelbarer Gleichstrommotor vorgese- η hen ist, dem ein Regelkreis für die Winkelstellung und ein Regelkreis für die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswalze zugeordnet ist. Zur Stellungserfassung dient hierbei ein Winkelstellungsgeber, dessen Ausgangssignal für jede Raststellung einen Nulldurchgang -tu aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß das Einschwingverhalten an den einzelnen Rastpositionen ohne Vergrößerung des -r> Aufwandes für die einzelnen Regelkreise mit Sicherheit beherrscht werden kann.

Die Aufgabe wird t.Tindungsgemäß dadurch gelöst, daß einen halben Winkelschritt vor der vorgegebenen Rastposition kurzzeitig ein den Sollwert des Drehmo- ίο mentreglers verkleinerndes Signal aufgeschaltet wird. Hierbei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das den Sollwert des Drehmomentreglers verkleinernde Signal nach Art einer e-Funktion abklingt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind >ί Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den F i g. 3 bis 9 näher erläutert. Hierbei sind wirkungsmäßig gleiche Teile jeweils mit den gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 1 t>o versehen.

Bei dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel treibt der Motor 1 über seine Antriebswelle 6 einen Winkelstellungsgeber 7 an, der für den Regler 8 für die Winkelstellung den in F i g. 2 dargestellten Positionsist- hi wert F₁₅, liefert. Dieser Winkelstellungsgeber 7 kann in an sich bekannter Weise so ausgebildet sein, daß er dem Drehwinkel proportionale Signale abgibt, die dann in entsprechender und an sich bekannter Weise in eine Funktionskurve umgewandelt werden, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist Eine solche kann beispielsweise so gebildet werden, wie es in der bereits eingangs erwähnten DE-PS 22 17 383 näher beschrieben ist Um den in F i g. 1 mit 5 bezeichneten Tachogenerator einzusparen, kann von dem Winkelstellungsgeber 7 über einen Impulsformer und Integrator 10 eine dem Drehzahl-Istwert n« proportionale Größe gebildet werden. Eine solche Stufe 10 ist beispielsweise in der älteren Patentanmeldung P 27 40 771.2 näher dargestellt und beschrieben. Der Drehzahl-Istwert m_a wird nach Vergleich mit dem Drehzahl-Sollwert n«,« dem Eingang des Drehzahlreglers 4 zur Verfugung gestellt. Der Drehzahl-Istwert n,₅, wird aber auch einem Kondensator 15 zugeführt, dem ein Widerstand 16 parallel geschaltet ist Über einen Kontakt 11 eines Umschalters kann der in dem Kondensator 15 gespeicherte Drehzahl-Istwert nut oder der Ausgang des Drehzahlreglers 4 wahlweise mit einem Eingang 12 eines Summierverstärkers 13 in Verbindung gebracht werden. Der Ausgang des Summierverstärkers 13 liefert den Sollwert M„ii für den Momentregler 3. Der Istwert Mi_st für diesen wird an einem Widerstand 2 abgenommen, der vom Strom des Motors 1 durchflossen ist. F i g. 3 zeigt also eine Positionsregelanordnung mit nebengeordneter Drehzahlregelung.

Der Regler 8 für die Winkelstellung ist über einen normal geschlossenen Schaltkontakt 14 mit dem Eingang 12 des Summierverstärkers 13 verbunden, während der Kontakt 11 des Umschalters in der dargestellten Stellung ist. Da der Regler 8 für die Winkelstellung eingeschaltet ist und der Sollwert P_soii gleich Null ist, befindet sich die Antriebswelle 6 in einer der Rastpositionen f 1 bis tn. Da der Drehzahl-Istwert nut Null ist, ist auch der Kondensator 15 entladen. Wird nun durch ein Steuersignal der Schaltkontakt 14 geöffnet und gleichzeitig der Kontakt 11 des Umschalters so umgelegt, daß der Ausgang des Drehzahlreglers 4 mit dem Eingang 12 des Summierverstärkers 13 verbunden ist, so wird der Motor 1 in Bewegung gesetzt und schließlich mit einer Drehzahl umlaufen, wie sie durch den Drehzahl-Sollwert n*,// vorgegeben ist. Gleichzeitig wird der am Ausgang des Impulsformers und Integrators 10 angeschlossene Kondensator 15 auf eine Spannung aufgeladen, die proportional der Drehzahl ist. Einen halben Winkelschritt lz - —J vor der vorgegebenen Rastposition, z. B. /4, wird durch ein Steuersignal der Schaltkontakt 11 umgeschaltet und der Schaltkontakt 14 geschlossen. In Fig.4 ist dieser Zeitpunkt mit f bezeichnet Es wird also von Drehzahlregelung auf Positionsregelung umgeschaltet. In F i g. 4 ist die Ausgangsspannung des Impulsformers und Integrators 10 dargestellt die proportional der momentanen Drehzahl η ist Da zum Zeitpunkt t der Schalter 11 umgeschaltet wird, erscheint am Eingang 12 des Summierverstärkers 13 die Spannung des Kondensators 15, der sich nunmehr über den Widerstand 16 nach einer e-Funktion entlädt, wie Fig.4 zeigt. Diese Spannung wirkt dem Ausgangssignal des Regiers 8 für die Winkelstellung entgegen, so daß ein resultierendes Positionssignal zustandekommt, wie es in F i g. 5 dargestellt ist. Die Spannung am Kondensator 15 en⁽«pricht dem zuletzt vorhandenen Drehzahl-Istwert. Diese Spannung klingt mit der Zeitkonstante Rx Cab und verringert damit kurzzeitig das beschleunigend wirkende Positionssignal.

Die Schaltkontakte 11 und 14 in F i g. 3 sind normalerweise durch an sich bekannte Halbleiterschalter kontaktlos ausgebildet. Durch eine Umkehrstufe 20 ist hierbei angedeutet, daß die Schaltkontakte 11 und 14 wechselweise geöffnet bzw. geschlossen werden.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Positionsregelung ohne Drehzahlregelschleife, aber dafür mit einer Drehzahl-Ersatzgröße. Wirkungsmäßig gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern wie zuvor versehen. Dem Eingang 9 des Reglers 8 für die Winkelstellung wird außer dem Positons-lstwert P₁.., und Positions-Sollwert Psoii noch eine weitere Größe zugeführt, die von einer konstanten Spannung U1 abgeleitet ist, die eine Drehzahl-Ersatzgröße darstellt. Ein Kondensator 15 wird über einen Schaltkontakt 17 aufgeladen. Dem Kondensator 15 ist ein Widerstand 16 parallel geschaltet Mit Hilfe eines Schaltkontaktes 18 kann die Spannung am Kondensator 15 sowohl einem Widerstand 19 als auch dem Eingang 9 des Reglers 8 für die Winkelstellung zugeführt werden. '

Der Winkelstellungsgeber 7 liefert wiederum Signale, wie sie in F i g. 2 und 7 dargestellt sind. Befindet sich der Antrieb in Ruhe, so nimmt der Antriebsmotor 1 bzw. seine Antriebswelle 6 eine der Rastpositionen, z. B. 11, ein, wobei der Positions-Sollwert P₅„n auf Null gelegt ist. Der Schaltkontakt 17 ist geöffnet und der Schaltkontakt

18 geschlossen, wobei sich der Kondensator 15 vollständig über die beiden Widerstände 16 und 19 entladen hat. Soll eine neue Position angefahren werden, so wird der Positions-Sollwert P,,,// an eine konstante Spannung gelegt, die in der Regel größer als die Spannung U\ ist. Gleichzeitig werden der Schalter 18 geöffnet und der Schalter 17 geschlossen. Beim Schließen des Schalters 17 lädt sich der Kondensator 15 auf die die Drehzahl-Ersatzgröße bildende Spj.nnung UX auf. Der Antrieb läuft dann solange, bis ein entsprechendes Haltesignal gegeben wird. Soll beispielsweise die Rastposition f 4 eingenommen werden, so wird zum Zeitpunkt f3 der Schalter 17 geöffnet, wodurch sich der Kondensator 15 nach einer e-Funktion über den Widerstand 16 teilweise entlädt, wie F i g. 8 zeigt. Zum Zeitpunkt t wird dann der Positions-Sollwert Psoii auf Null gesetzt und der Schalter 18 geschlossen. Dadurch kann sich nun die restliche Spannung am Kondensator 15 über beide Widerstände 16 und 19 vollständig entladen. Auf diese Weise erhält der Eingang 9 ein den Istwert P^, herabsetzendes Signal, so daß als resultierendes Positionssignal ein Signal zustandekommt, wie es in F i g. 9 dargestellt ist. Durch geeignete Wahl der Spannung UX, des Kondensators 15 und der Widerstände 16 und 19 kann das beste Einschwingverhalten des Antriebs eingestellt werden.

Hierzu 2 Bliitt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Antriebsanordnung zur Positionierung einer Antriebswelle, bei der der Motor mit einer Drehmomentregelung versehen ist und bei der der Sollwert des Drehmomentreglers durch einen Regler für die Winkelstellung beeinflußbar ist, wobei der Istwert der Winkelstellung von einem Winkelstellungsgeber geliefert wird, dessen Ausgangssignal für jede Raststellung der Antriebswelle einen Nulldurchgang aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß einen halben Winkelschritt vor der vorgegebenen Rastposition kurzzeitig ein den Sollwert (M_5On) des Drehmomentreglers (3) verkleinerndes Signal aufgeschaltet wird.

2. Antriebsanordnung nach Patentanspruch 1 mit einer zusätzlichen Drehzahlregelung zur Beeinflussung des Sollwertes des Drehmomentreglers, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Reglers (8) für die Winkelstellung über einen Schalter (14) dem einen Eingang eines an den Sollwerteingang des Drehmomentreglers (3) angeschlossenen Summierverstärkers (13) zugeführt ist, daß ein Umschalter (11) mit einer ersten und einer zweiten Schaltstellung an den anderen Eingang des Summierverstärkers (13) angeschlossen ist, wobei in der ersten Schaltstellung eine Verbindung mit dem Ausgang des Drehzahlreglers (4) hergestellt ist, in der zweiten Schaltstellung die Ausgangsspannung eines Funktionsgliedes (15, 16) mit im wesentlichen exponentiell abnehmender Spannung zur Verminderung der Ausgangsspannung des Reglers (8) für die Winkelstellung eingekoppelt ist, daß der Schalter (14) und der Umschalter (11) derart miteinander gekoppelt sind, daß mit dem Schließen des Schalters (14) der Umschalter (11) in die zweite Schaltstellung übergeht und daß das Schließen des Schalters (14) einen halben Winkelschritt vor der vorgegebenen Rastposition erfolgt,

3. Antriebsanordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionsglied aus der Parallelschaltung eines Kondensators (15) und eines Widerstandes (16) besteht, die an eine Spannungsquelle (10) gelegt sind.

4. Antriebsanordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (10) den Kondensator (15) auf eine dem Drehzahl-Istwert proportionale Spannung auflädt.

5. Antriebsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Reglers (8) für die Winkelstellung dem Sollwerteingang des Drehmomentreglers (3) zugeführt ist, daß dem Vergleichseingang des Reglers (8) für die Winkelstellung außer dem Istwert (P,_s,) und dem gegenüber dem Istwert (Pi₅₁) größeren Sollwert (Psoii) über einen Schalter (18) die Ausgangsspannung eines Funktionsgliedes (15, 16) mit im wesentlichen exponentiell abnehmender Spannung zur Verringerung des Istwertes (Pi₅₁) einkoppelbar ist, daß das Schließen des Schalters (18) einen halben Winkelschritt vor der vorgegebenen Rastposition erfolgt, wobei gleichzeitig der Sollwert (P_wii) auf Null gesetzt wird.

6. Antriebsanordnung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionsglied aus der Parallelschaltung eines Kondensators (15) und eines Widerstandes (16) besteht, die über einen

weiteren Schalter (17) an eine konstante Spannung (Ui) angeschlossen sind, und daß der weitere Schalter (17) geöffnet wird, wenn der Schalter (18) geschlossen wird.

7. Antriebsanordnung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionsglied aus der Parallelschaltung eines Kondensators (15) sowie eines ersten (16) und eines durch den Schalter (18) zuschaltbaren zweiten (19) Widerstandes besteht, wobei der Kondensator (!5) über einen weiteren Schalter (17) an eine konstante Spannung (Ui) angeschlossen ist, und daß der weitere Schalter (17) bereits einen Winkelschritt vor der Rastposition geöffnet wird.