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Zeitmultinlex-Steuerverfahren für die Drehzahl- und Dreh-
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riohtungssteuerung elektrischer Kleinmotoren Die Erfindung erstreckt
sich auf ein Steuerverfahren, das eine voneinander unabhängige Drehzahl- und Drehrichtungssteuerung
von mehreren Kleinmotoren ermöglicht,'aie in Parallelschaltung zwischen zwei Strorzuführungen
betrieben werden. Besonders geeignet ist dieses Verfahren demnach zur Steuerung
mehrerer elektrischer Spielfahrzeuge, insbesondere von Lokomotiven elektrischer
Modelleisenbahnen, die, in einem einzigen Stromkreis betrieben, unabhängig voneinander
in Geschwindigkeit und Fahrtrichtung steuerbar sind. Vom Prinzip der hier vorgeschlagenen
Steuerung her besteht keine Begrenzung in der Anzahl der so zu steuernden Einzelfahrzeuge,
praktisch jedoch sollte eine Zahl von 30 aus Gründen, die noch dargelegt werden,
nicht wesentlich überschritten werden.
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Bisher bekannte Schaltungsanordnungen, die den obigen Zweck verfolgen,
gehen meist von der prinzipiellen Möglichkeit aus, über entsprechend gepolte Dioden
oder vergleichbare Anordnungen zwei, höchstens jedoch vier Züge auf demselben Stromkreis
unabhängig voneinander steuern zu können. Dies läuft im Prinzip auf eine Halbwellensteuerung
hinaus, für Gleichstrombahnen in einer etwas modifizierten Form, wobei zwangsläufig
periodisch wiederkehrende Zeiträume auftreten, in denen keine Spannung am Fahrmotor
anliegt und die durch Energiespuicher im Fahrzeug selbst überbrückt werden müssen.
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(z.B DT 2540 706 Al ; DT 2454 135 Al ; DT 1678 328 C3 ) Weiterhin
sind Schaltungen bekannt, bei denen zur Übertragung der Steuerinformation von einem
Fahrgerät (Steuergerät) zum Verbraucher (Fahrmotor), der Fahrspannung Impulse überlagert
werden, wobei sich die Information selbst aus den
Impulshöhen zu
genau definierten Zeitpunkten ergibt. Durch die Art des Verbrauchers (Motor mit
Bürsten) ist jedoch die Entstehung von Störspannungen in Form von Impulsen und Nadeln
(Bbrstenfeuer) nicht zu vermeiden. Bei einer Amplitudenabfrage zur Übertragung von
Informationen sind diese Störspannungen dem Informationssigual überlagert, was zwangsläufig
zur Übertragung von Fehlinformationen führen muß. (DE 2641 841 A1) Ein anderes Steuersystem
belässt das erste Triebfahrzeug unverändert und führt den weiteren, auf demselben
Stromkreis vorhandenen, jeweils Betriebs spannungen verschiedener Frequenz zu. Die
hier unumgangiiche Entwicklung von Filtern für die infrage kommenden niedrigen Fahrspnnnungsfrequenzen,
über die einerseits genügend Leistung zum Betrieb des Fahrmotors fließen kann, die
andererseits aber die notwendige, sehr hohe Selektivität aufweisen, ist äußerst
aufwendig und schwierig.
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(Dr 2305 112).
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Darüber hinaus ist ein Steuersystem bekannt, bei dem die Steuerinformation
digitalisiert durch Impulsfolgen in einem periodisch wiederkehrenden, eng begrenzten
Zeitintervall übermittelt wird.
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Dieses Prinzip erfordert gegenüber dem hier vorgeschlagenen einen
erheblich höheren elektronischen Aufwand zur Umsetzung der übertragenen Information
in die eigentlichen Steuerbefehle, da hier die Steuerbefehle nicht zeitgleich mit
der auszulösenden Funktion übertragen werden können. (DT 2502 780 A1 ) Die wesentlichen
Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltung sind darin zu sehen, daß diese ein sehr
klares, einfaches und einfach zu realisierendes Konzept einer Modellbannsteuerung
darstellt.
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In bezug auf die Steuerung der Drehzahl stellt die erfindungsgemäße
Schaltung eine Analogsteuerung dar, dh. die Drehzahlen der einzelnen Motoren sind
kontinuierlich einstellbar, während sie, was Störsicherheit anbelangt, wegen der
Umsetzung der Steuergröße durch nur einen Impuls, einer Digitalsteuerung gleichkommt.
Desweiteren sind über das erfindungsgemäße Steuerverfahren
sehr
viele Modellbahnzüge auf einem Stromkreis unabhängig voneinander steurbar, wobei
kein Zeitabschnitt auftritt, in dem die Betriebsspannung an irgendeinem Verbraucher
fehlt und der durch mitgeführte Energiespeicher überbrückt werden muß.
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Bei der erfindungsgemäßen Steuerschaltung wird, beginnend mit einem
Synchronisierimpuls im Steuergerät, der über das Schienensystem zu den Fahrmotoren
übertragen wird, fortlaufend die Anzahl der Wechselspannungshalbwellen gezählt,
wobei die Information über den Zündzeitpunkt des in einem bestimmten Triebfahrzeug
befindlichen Thyristors bzw. Triacs in einer genau bezüglich des Synchronisierimpulses
festrelegten Wechselspannungshalbwelle übertragen wird und sich der übertragene
Impuls zeitlich exakt an der Stelle befindet, an der der zugehörige Triac gezündet
werden soll.
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Die seit Beginn der jeweiligen Wechselspannungshalbwelle verstrichene
Zeit wird in einem Analogspeicher abgelegt und sorgt in den folgenden Halbwellen,
in denen die Information über den Zündzeitpunkt zu anderen Fahrmotoren übertragen
wird, für eine Ansteuerung des ursprünglich betrachteten Motors jeweils an derselben
Stelle jeder Halbwelle. Die Steuerung über den Speicher wird solange beibehalten,
bis nach einem erneuten Synchronimpuls, der sämtliche Zähler auf "Null" zurücksetzt,
in der festgelegten Halbwelle eine neue Steuerinformation in das Triebfahrzeug gelangt
und nun diese in den Speicher übernommen wird.
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Bei beispielsweise 30 auf einem Stromkreis vorhandenen Zügen bedeutet
dies, daß frühestens nach 30 verstrichenen Halbwellen, dh. nach ca 0,33 Sekunden
bei 50 Hz, eine neue Steuerinformation an ein Triebfahrzai g gelangen kann. Dies
führt jedoch nicht zu einer Veränderung des Fahrverhaltens eines Modellbahnzuges,verglichen
mit dem Betrieb in einer herkömmlichen Steuerung, denn durch seine vergleichsweise
sehr gtoße Masse reagiert der Zug mit seiner Fahrgeschwindigkeit ohnehin nur träge
auf eine Änderung der Betriebsspannung.
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Bei der vorgeschlagenen Schaltung wurde die am Stromkreis anliegende
Spannung gerade so hoch gewählt, daß bei maximalem Stromflußwinkel (ca 1700) das
zur Fahrtrichtungssteuerung vorhandene Stromstoßrelais anspricht. Für die maximale
Fahrgeschwindigkeit der Triebfahrzeuge ist ein Stromflußwinkel von ca. 1000 ausreichend.
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Beschreibung der erfindungsgemäßen Schaltung anhand der Fig. 4-5:
Die in den Fig. 4 und 5 dargelegte Steuerschaltung ist im Prinzip eine Phasenanschnittsteuerung,
wobei der Stromflußwinkel für jeden Fahrmotor einzeln am Steuergerät stufenlos vorgegeben
werden kann. Die gesamte Schaltung besteht aus einem ortsfesten Steuergerät, in
dem die zur Informationsübertragung (Stromflußwinkel, Fahrtrichtung) notwendigen
Impulse einschließlich des Synchronimpulses erzeugt werden und das die Fahrspannung
liefert.
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Weiteres Bestandteil der Schaltung ist ein oder mehrere Steuerempfänger,
im folgenden kurz Empfänger genannt, mit dem jedes Triebfahrzeug ausgerüstet ist
und der sich die für ihn bestimmten Impulse aus der Gesamtheit der angebotenen "aussucht".
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Im Steuergerät (Blockschaltbild s. Fig. 4) wird die über Trafo erzeugte
Fahrspannung in einer Brückenschaltung gleichgerichtet und einem Komparator zugeführt,
der aus den Wechselspannungshalbwellen Rechtecke formt. Diese Rechtecke der Dauer
10 ms bei 50 Hz Betriebsfrequenz werden in einem Zähler fortlaufend gezählt, wobei
ein beliebig wählbarer Zählerstand zum Rücksetzen des Zählers benutzt werden kann.
Dieser so erzeugte Rücksetzimpuls ist gleichzeitig der Synchronimpuls, der, über
eine Leistungsstufe verstärkt, mit negativer Amplitude im Übertrager Ü1 der Fahrspannung
aufmoduliert wird.
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Ausgehend vom Synchronimpuls ist eine Informationsübertragung an den
Fahrmotor Nur.1 bzw. die ihm zugeordnete Empfängerelektronik möglich, solange am
Dekodiererausgang das aus der ersten, dem Synchronimpuls folgenden Halbwelle der
Fahrspannung erzeugte Rechteck ansteht. Dieser Ubertragungszeitraum soll im folgenden
Kanal 1 genannt werden. Während der darauf folgenden, zweiten Halbwelle nach dem
Synchronimpuls ist wiederum, solange am
Dekodiererausgang 2 das
aus der Fahrspannung erzeugt Rechteck ansteht, eine Informationsübertragung an den
Fahrmotor Nr.2 möglich. Dieser Übertragungszeitraum soll im folgenden Kanal 2 genannt
werden. Auf diese Weise ergeben sich ganz analog weitere Übertragungskanäle, die
zeitlich nacheinander aktiv werden, wobei in jedem Kanal ein Impuls (Z(1ndimpuls)
übertragen wird, dessen zeitlicher Abstand vom Beginn des Rechteckimpulses am Dekodiererausgang
jeweils die Zündverzögerung für den Triac des betreffenden Kanals ergibt. Da die
Rechteckimpulse an den Dekodiererausgängen zeitsynchron mit den Halbwellen der Fahrspannung
anliegen, kann der Zündimpuls an jeder beliebigen Stelle der Fahrspannungshalbwelle
übertragen werden (s.Fig. 1 bis 3 ). Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, die Übertragung
genau zum vorgesehenen Zündzeitpunkt des Triacs vorzunehmen und so den übertragenen
Impuls direkt zur Zündung des Triacs zu verwenden.
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Die Zündimpulse werden im Steuergerät über jeweils den Kanälen zugeordnete
Zweifach-Monoflops IF1 und MF1 erzeugt, wobei das zweite Monoflop den eigentlichen
Zündimpuls erzeugt, während das erste seine Verzögerungszeit gegenüber dem Beginn
der Fahrspannungshalbwelle bestimmt, die für jeden Kanal separat einstellbar ist.
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Die Zündimpulse für die einzelnen Kanäle werden jeweils über UND-Gatter
1C, 2C usw. und eine gemeinsame ODER-Verkndpfung auf die Leistungsendstufe gegeben.
Die dort verstärkten Impulse werden dann in der entsprechenden Halbwelle mit positiver
Amplitude der Betriebsspannung aufmoduliert (Fig.1).
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In jeder Halbwelle tritt also genau ein Impuls als ZUndimtuls auf,
der jeweils fortlaufend den Übertragungskanälen zugeordnet ist und von diesen selektiv
empfangen wird.
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Der Empfänger (Blockschaltbild s.Fig.5 ) muß in dem zu steuernden
Triebfahrzaug untergebracht sein; deshalb werden sämtliche, zum Betrieb des Empfängers
notwendigen Versorgungsspannungen aus der zwischen den Schienen anliegenden Fahrspannung,
die bei der
erfindungsgemäßen Schaltung immer konstant bleibt,
gebildet.
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Die Halbwellen der Fahrspannung werden über eine Brückenschaltung
gleichgerichtet, begrenzt und über einen Komparator in Rechtecke verwandelt. Diese
Rechtecke stehen am Eingang des Zähler/Dekodiererbausteins an und werden dort fortlaufend
gezählt. Die Rücksetzung des Zählers erfolgt über den Synchronimpuls.
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Die Steuerimpulse werden über Hochpässe ausgekoppelt, danach über
Diodenschaltungen nach Polarität getrennt, wobei der Synchronimpuls mit negativer
Amplitude, wie schon oben erwähnt, zum Rücksetzen des Zähler/Dekodiererbausteins
verwendet wird.
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Dadurch ist gewährleistet, daß sowohl die Zähler in allen Empfängern
als auch der Zähler im Steuergerät in ihren Ausgangszuständen immer übereinstimmen.
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Jeweils ein Dekodiererausgang (entsprechend in jedem Fahrzeug ein
anderer) ist mit den geformten Zündimpulsen UND-verknüpft, dh. am Punkt A steht
nur in der diesem Empfänger zugeordneten Halbwelle mit der am Steuergerät eingestellten
Verzögerungszeit ein Zündimpuls an. Dieser wird über ein ODER-Gatter in der Endstufe
verstärkt und dem Triac als Zündimpuls zugeführt.
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Zeitsynchron mit jedem gezählten Rechteck wird ein Sägezahngenerator
gestartet. Dieser Sägezahngenerator liegt mit seinem Ausgang am Eingang eines Analogspeichers.
Tritt nun bei A ein Impuls auf, so wird die in diesem Moment vorhandene Sägezahn
spannung abgespeichert und liegt am Ausgang des Speichers an.
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Hierdurch ist dann über den zeit proportionalen Anstieg der Sägezahnspannung
die Zündverzögerungszeit in bezug auf den Beginn der Halbwelle für den Triac dieses
Kanals festgelegt.
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Das Setzen des Speichers kann entsprechend der gewählten Schaltung
nur in der dem jeweiligen Kanal zugeordneten Halbwelle, also bei Übertragung des
Zündimpulses für diesen Kanal aus dem Steuergerät erfolgen.
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Die Zündung des Triac wird in den folgenden Halbwellen, in denen die
anderen Kanäle aktiv werden, also für den betrachteten Kanal
kein
Zündimpuls von dem Steuergerät übertragen werden kann, aus dem Analagspeicher heraus
durchgeführt.
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Hierzu wird der Sägezahngenerator in jeder Halbwelle synchron mit
dieser gestartet. Erreicht nun die Sägezahnspannung ihren vorher im Analogspeicher
festgehaltenen Wert, so springt der Komparator K2 um, stößt das Monoflop E2 an,
das jetzt, zeitlich gesehen immer wieder an derselben Stelle jeder Halbwelle, den
Zündimpuls erzeugt, der über ODER-Gatter und Endstufe dem Triac zugeführt wird.
Hierdurch wird bis zur Übertragung eines neuen "ZündzeitpunktesW aus dieser Speicherschaltung
heraus in jeder Halbwelle ein bezüglich des Halbwellenbeginns fixierter Zündimpuls
erzeugt.
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Die hier beschriebenen Vorgänge laufen, zeitlich versetzt, in allen
verwendeten Steuerempfängern ab. Hierdurch wird eine selektive Steuerung der einzelnen
Triebfahrzeuge möglich und damit eine voneinander unabhängige Vorgabe von Fahrgeschwindigkeit
und Fahrtrichtung.