DE3200457C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung wenigstens eines elektromagnetischen Stellglieds - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung wenigstens eines elektromagnetischen Stellglieds (17, 18) mit einem intermittierenden Steuerstrom vorgeschlagen, dessen Tastverhältnis durch ein Steuersignal einstellbar ist. Während eines solchen Steuersignals wird der Stromanstieg durch einen Rampengenerator (14) bestimmt, um sehr exakte, reproduzierbare Einschaltzeiten zu erhalten und Störeinflüsse durch Schwankungen von Betriebsparametern, insbesondere Betriebsspannung, Temperatur, zu eliminieren.

Description

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beispiel werden an einem Summationspunkt 10 der Ist- netn bestimmten Strpniwert Is spricht das zugeordnete wert /und der Sollwert Seines Regelkreises zusammen- elektromagnetische Stellglied 17 bzw. 18 an. Dies führt geführt. Die Regelabweichung wird einer Pl-Verstär- zu einer s?hr exakten, reproduzierbaren Einschaltzeit, keranordming 11 mit einer Freizone zugeführt. Das wobei Störeinflüsse durch Schwankungen der Betriebs-Ausgangssignal steuert über eine Gleichrichteranord- 5 parametern Temperatur, Spannung eliminiert werden, nung 12 einen Pulslängenmodulator 13, durch dessen Die zeitliche Änderung des Steuersignais wird vorzugs-Ausgangssignale wiederum ein Spannungsrampengene- weise so dimensioniert, daß die Stromrampe unterhalb rator 14 einschaltbar ist. Das Rampensignal wird zwei der Nettofunktion des Stellglieds bei Nennauslegung zu Spannungs-Strom-Wandlern 15,16 zugeführt, durch die liegen kommt Die Auslegung des Magnetkreises der eine entsprechende Stromrampe erzeugt wird, die zwei io elektromagnetischen Stellglieder erfolgt vorzugsweise elektromagnetische Stellglieder 17,18 beaufschlagt In für die minimale Betriebsspannung bei maximal mögli-Abhängigkeit der Polarität der Regelabweichung, bzw. eher Temperatur. Die Auswahl der Stellglieder 15, 16 des Ausgangssignals der Pl-Verstärkeranordnung 11 erfolgt über das Vorzeichen der Spannung I/11. So werden die beiden Spannungs-Strom-Wandler 15, 16 wird beispielsweise bei positivem Vorzeichen der Spanalternativ eingeschaltet, sofern nicht der Zustand der 15 nungs-Strom-Wandler 16 eingeschaltet In der Totzone Freizone vorliegt bleiben beide Spannungs-Strom-Wandler 15,16 ausge-

Die beiden elektromagnetischen Stellglieder 17, 18 schaltet

können gemäß dem eingangs angegebenen Stand der Bei dem in F i g. 2 dargestellten zweiten Ausführungs-Technik z. B. Elektromagnetventile sein, durch die ein beispiel wird die Spannung t/11 durch den Spannungspneumatischer oder hydraulischer Druck-Auf- bzw. Ab- 20 teiler 27 einmal in die positive und einmal in die negative bau in einem Stellglied gesteuert bzw. geregelt wird. Die Richtung verschoben. Es entsteht d<? mit einer durch-Stellung eines solchen Stellglieds kann dann wiederum brochenen Linie dargestellte Spannunfsveriauf £724, als Istwert dem Summationspunkt 10 zugeführt werden. der dem Komparator 21 zugeführt wird und der strich-

Das in F i g. 2 dargestellte zweite Ausführumjsbeispiel punktiert dargestellte Spannungsverlauf t/26, der dem entspricht schaltungsmäßig weitgehend dem ersten 25 Komparator 22 zugeführt wird. Dadurch wird aus-AusführungsbeispieL Gleiche Bauteile sind mit densel- gangsssjtig am Komparator 21 ein Signal erzeugt, wenn ben Bezugszeichen versehen. Zum Unterschied zum er- die Dreieckspannung des Dreieck-Spannungsgenerasten Ausführungsbeispiel tritt an die Stelle des über die tors die Spannung t/24 überschreitet und am Ausgang Gleichrichteranordnung 12 gesteuerten Pulslängenmo- des Komparators 22 ein Signal, wenn die Dreieckspandulators 13 nunmehr ein speziell ausgebildeter Pulslän- 30 nung die Spannung t/26 unterschreitet Die Komparagenmodulator, der aus einem Dreieck-Spannungsgene- torausgangsspannungen t/21 und t/22 sind in F i g. 5 rator 20 besteht, dessen Ausgangsspannung dem nicht dargestellt Innerhalb der Freizone entsteht kein Ausinvertierenden Eingang eines ersten Komparator 21 gangssignal. Durch diese Signale t/21 und t/22 erfolgt und dem invertierenden Eingang eines zweiten Kompa- die Ansteuerung des Spannungsrampengenerators 14 rators 22 zugeführt ist Das Ausgangssignal der PI-Ver- 35 und die Einschaltung der Spannungs-Strom-Wandler 15 Stärkeranordnung 11 wird dabei dem Mittelabgriff eines bzw. 16. Zur Qimensionierung sei noch darauf hingewieaus vier Widerständen 23 bis 26 bestehenden Span- sen, daß eine vorteilhafte Steigerung des Auflösungsnungsteilers 27 zugeführt Der Verknüpfungspunkt zwi- Vermögens möglich ist, wenn die Verschiebungen der sehen den Widerständen 23,24 ist mit dem invertieren- Spannungen t/24 und t/26 relativ zur Spannung U11 den Eingap; des Komparators 21 und der Verknüp- 40 geringer sind, so daß sich auch im Bereich der Freizone fungspunkt zwischen den Widerständen 25 und 26 mit eine Überschneidung mit dem Signal des Dreieck-Spandem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 22 nutigsgenerators ergibt Durch das innerhalb der Freiverbunden. Die Ausgänge der beiden, vorzugsweise als zone konstante Ansteuersignal der Pulsbreite b, bei der Operationsverstärker ausgebildeten Komparatoren unter Berücksichtigung aller Betriebsparameter die steuern sowohl den Rampengenerator 14, wie auch die 45 elektromagnetischen Stellglieder soeben noch unbetäalternatiw Einschaltung der Spanrungs-Strom-Wand- tigt bleiben, wird die Auswirkung der Einschaltverzögeier 15,16. rung, insbesondere die von Magnetventilen, verringert

Die Wirkungsweise der in den F i g. 1 und 2 darge- In dem in F i g. 3 dargestellten Schaltungsbeispiel für stellten Ausführungsbeispiele soll im folgenden anhand die Baugruppen 10,11 der beiden Ausführungsbeispiele des in Fig. 5 dargestellten Signaldiagramms erläutert 50 ist der Sollwert 5und der Istwert /über je einen Widerwerden. Die in Abhängigkeit des Sollwerts 5 und des stand 30,31 zusammengeführt und mit den invertieren-Istwerts / im Summationspunkt 10 gebildete Regelab- den Eingängen zweier Operationsverstärker 32,33 verweichung wird im Pl-Verstärker 11 verstärkt. Dabei bunden. Ein aus drei Widerständen 34 bis 36 bestehenwird im Bereich geringer Regelabweichung eine Freizo- der Spannungsteiler ist zwischen dem positiven Pol 37 ne gebildet Die punktierte Linie zeigt eine Verände- 55 einer Versorgungsspannungsquelle und Masse geschalrung des Istwerts zwischen zu kleinen und zu großen tet. Der Verknüpit.ngspunkt zwischen der« Widerstän-Werten. Dieser Spannungsverlauf t/11 wird in nicht den 34,35 ist mit dem nicht invertierenden Eingang de» näher dargestellter Weise in der als 2-Weg-Gleichrich- Operationsverstärkers 32 und der Verknüpfungspunkt ter ausgebildeten Gleichrichteranordnung 12 gleichge- zwischen den Widerständen 35.36 mit dem nicht inverrichtet, so daß der Bereich negativen Spannungsverlaufs 60 tierenden Eingang des Operationsverstärkers 33 verebenfalls positiv wird. In Abhängigkeit des jeweiligen bunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 33 ist Werts dieser gleichgerichteten Spannung t/11 wird im über die Reihenschaltung einer ersten Diode: 37, mit Pulslängenmodulator 13 pine Signalfolge erzeugt, deren einem Widerstand 38 und einer weiterei; Diode 39 mit Tastverhältnis eine Funktion dieser Spannung ist. Je- dem Ausgang des Operationsverstärkers 32 verbunden, weils während eines solchen Signals U13 wird im Ram- 65 Die Kathode der Diode 37 bildet den Ausgang der pengenerator 14 eine Spannungsrampe t/14 gebildet, Schaltung und ist über einen aus der Reihenschaltung die in einem der Spannungs-Strom-Wandler 15 bzw 16 eines Kondensators 40 mit einem Widerstand 41 besteeine entsprechende Stromrampe zur Folge hat. Bei ei- henden PI-Rückkopplungszweig zu den invertierenden

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Eingängen der beiden Operationsverstärker 32,33 rück- Liegt ein Signal i/13 bzw. ein Signal L/21, i/22 vor,

geführt. Auf diese Weise wird für beide Operationsver- so sind die Dioden 40,47 gesperrt und der Kondensator stärker 32,33 nur ein einziger Rückkopplungszweig be- 42 wird über die Widerstände 44, 43 aufgeladen. Entnötigt. Die Klemme 37 ist über einen Widerstand 42 mit sprechend dieser Aufladung steigt das Spannungssignal dem Ausgang des Operationsverstärkers 33 verbunden. 5 am Ausgang des Operationsverstärkers 41 an. Es ent-Die Wirkungsweise der in F i g. 3 dargestellten Schal- steht eine Spannungsrampe. Ist ein Steuersignal beentungsanordnung besteht darin, daß über die Diode 37 det, so wird der Kondensator 42 über die Dioden 40,47 nur positive Ausgangssignale des Operationsverstär- entladen, so daß das Ausgangssignal des Operationsverkers 33 zum Ausgang gelangen können. Diese liegen nur stärkers 41 negativer wird und über die Dioden 53, vor, wenn die Regelabweichung (Istwert minus Soll- 10 die Transistoren 55, 63 sperrt. Da die Dioden 53, wärt) kleiner ist als die am Widerstand 36 abgegriffene einerseits bzw. 61, 66 andererseits die Funktion von Spannung. Durch die Diode 39 können nur negative UND-Gattern haben, können die Transistoren 55, Ausgangsspannungen des Operationsverstärkers 32 auch über O-Signale an den Klemmen 59, 67 gesperrt zum Ausgang gelangen. Diese liegen nur vor, wenn die werden. Dies sind die Auswahlsignale für die beiden Regelabweichung größer als die am Widerstand 35 ab- 15 Spannungs-Strom-Wandler 14, 16 gemäß dem zuvor gegriffene Spannung ist. Durch die Dimensionierung Beschriebenen. Erfolgt keine Sperrung über eine oder der Widerstände 34,36 kann somit die Totzone festge- beide Dioden 58,53 bzw. 66,61, so wird der zugeordnete legt werden. Die dargestellte Schaltung kann auch als Transistor 55 oder 63 infolge des Spannungsteilers 60, Präzisions-Einweg-Gleichrichter mit inversem Be- 54,57 bzw. 68,62,65 stromleitend. Die Z-Dioden 56.64 triebsverhalten bezeichnet werden. Das Ausgangssignal 20 dienen zum Schutz der Transistoren 55 bzw. der dargestellten Schaltung kann je nach Bedarf ver- Die Erfindung ist natürlich nicht auf die Steuerung

schoben werden, z. B. durch den in F i g. 2 dargestellten zweier elektromagnetischer Stellglieder beschränkt. Spannungsteiler 27. Die Zahl der Stellglieder kann sowohl höher sein mit

In F i g. 4 ist ein Schaltungsbeispiel eines Spannungs- einer entsprechend höheren Zahl von Spannungsrampengenerators 14 mit zwei nachgeschalteten Span- 25 Strom-Wandlern und Mitteln zur Erzeugung von Ausnungs-Strom-Wandlern 15, 16 dargestellt. Die Signale gangssignalen, wie auch im einfachsten Fall auf ein ein- U13 bzw. i/21, i/22 (z. B. über ein ODER-Gatter ver- ziges Steüglied beschränkt sein. In diesem Fall wird nur knüpft) sind über eine invers geschaltete Diode 40 dem ein einziger Spannungs-Strom-Wandler benötigt. Die nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstär- Auswahlsigiiale können entfallen.

kers 41 zugeführt. Dieser Eingang ist einmal über die 30

Reihenschaltung eines Kondensators 42 mit einem Wi- Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

derstand 43 mit Masse und zum anderen über einen

Widerstand 44 mit der Klemme 37 verbunden. Parallel zur Reihenschaltung 42,44 ist ein weiterer Widerstand 45 geschaltet. Die Kathode der Diode 40 ist über einen Widerstand 46 mit der Klemme 37 verbunden. Der Verknüpfungspunkt zwischen dem Kondensator 42 und dem Widerstand 43 ist über eine weitere Diode 47 mit der Kathode der Diode 40 verbunden. Die beschriebene Schaltung 40,42 bis 47 stellt einen Integrierer dar.

Ein aus drei Widerständen 48 bis 50 bestehender Spannungsteiler ist zwischen die Klemme 37 und Masse geschaltet. Parallel zu den Widerständen 49, 50 ist die Reihenschaltung zweier Widerstände 51,52 geschaltet Der Verknüpfungspunkt der Widerstände 48,49,51 ist an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 41 angeschlossen. Dessen Ausgang ist über eine invers geschaltete Diode 53 und einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand 54 mit der Basis eines Transistors 55 verbunden, dessen Kollektor über das elektro- so magnetische Stellglied 18 mit der Klemme 37 und dessen Emitter mit dem Widerstand 50 verbunden ist Parallel zur Basis-Kollektor-Strecke ist eine Z-Diode 56 geschaltet Die Basis des Transistors 55 liegt über einen Widerstand 57 an Masse. Der Verknüpfungspunkt zwisehen dem Widerstand 54 und der Diode 53 ist über eine Diode 58 mit einer Klemme 59 verbunden, an die das Einschaltsignal für den Spannungs-Strom-Wandler 16 anlegbar ist Die Klemme 37 ist über einen Widerstand 60 an den Verknüpfungspunkt zwischen den Dioden 53, 58 angeschlossen. Eine der Schaltungsanordnung 53 bis 60 entsprechende Schaltungsanordnung 61 bis 68 ist ebenfalls an den Ausgang des Operationsverstärkers 41 angeschlossen. Dabei sind die entsprechenden Bezugszahlen jeweils um die Zahl acht erhöht Anstelle des Widerstands 50 tritt der Widerstand 53. An die Klemme

67 werden die Einschaltsignale für den Spannungs- _:?5

Strom-Wandler 15 angelegt

Claims (1)

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   21 20 458 zur genauen Einstellung von als Magnetventi-

   Patentansprüche: Ie ausgebildeten elektromagnetischen Stellgliedern als

   Funktion einer Gleichspannung bekannt. Dabei besteht

   1. Verfahren zur Steuerung wenigstens eines elek- das Problem, daß das Einschaltverhalten dieser Ventile tromagnetischen Stellglieds mit einem Pulslängen- 5 von Temperatur- und Betriebsspannungsschwankungen modulator, dessen Tastverhältnis durch ein Steuerst- stark abhängig ist Die Lageauflösung ist daher sehr gnal einstellbar ist, dadurch gekennzeich- begrenzt.

   net, daß der Pulslängenmodulator(13 bzw. 20 bis Der Aufbau eines Pulslängenmodulators aus "iinem 22) einen als Spannungsrampengenerator ausgebil- Dreieck-Spannungsgenerator und einem Komparator deten Rampengenerator (14) steuert, dessen Aus- io ist für sich aus der DE-OS 25 49 827 bekannt Die Progangssignal das elektromagnetische Stellglied {17 bleme der Temperatur- und Betriebsspannungsschwanbzw. 18) beaufschlagt kungen können damit ebenfalls nicht gelöst werden.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Rampengene- Aufgabe und Vorteile der Erfindung rators (14) über einen Spannungs-Strom-Wandler 15

   (15 bzw. 16) das elektromagnetische Stellglied (17 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den

   bzw. 18) beaufschlagt bekannten Pulslängenmodulator so zu beschälten, daß

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekerai- das Einschaltverhalten des elektromagnetischen Stellzeichnet daß der Pulslängenmodulator aus einem glieds nicht von Temperatur- und Betriebsspannungs-Dreieck-Spasiaungsgenerator (20) und einem Korn- 20 Schwankungen beeinflußt wird.

   parator (21 bzw. 22) gebildet ist Diese Aufgabe wird durch die" kennzeichnenden

   4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, wobei eine reAnsprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Ram- produzierbare Einschaltzeit erreicht wird. Weiterhin pengenerator (14) als über einen Integrierer (40,42 können anhand der Kollektorspannung des Endstufenbis 47) gesteuerter Operationsverstärker (41) ausge- 25 transistors, konstante Betriebsspannung vorausgesetzt bildet ist Veränderungen des Msgnetkreises (Ankerknick) erfaßt

   5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, und für Regelzwecke verwendet werden.

   dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des als Tran- Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten sistor (55 bzw. 63) ausgebildeten Spannungs-Strom- Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Wandlers (16 bzw. 15) über einen Spannungsteiler 30 Verbesserungen der Vorrichtung möglich. Besonders (60,54,57 bzw. 68,62,65) mit einer festen Spannung vorteilhaft ist es, das Steuersignal über einen PI-Verbeaufschlagt und über drn Aus£ .ng des Rampenge- stärker mit einer Freizone zu führen, dem eine Gleichnerators (14) veränderbrr ist insbesondere auf richteranordnung nachgeschaltet ist Dadurch ergibt O-Potential legbar ist sich ein günstiges Steuer- bzw. Regelverhalten, bei dem

   6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden 35 das Stellglied innerhalb der Freizone unbetätigt bleibt Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steu- Eine gemeinsame PI-Beschaltung von zwei vorzugsweiersignal über einen PI-Verstärker (11) mit einer Frei- se als Operationsverstärker ausgebildeten Verstärkern zone geführt ist führt zu einer Reduzierung von Bauteilen. Zudem kann

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- hier bei Regelkreisen gleichzeitig die Summierung für zeichnet, daß der Pl-Verstärker (11) aus zwei Opera- 40 den Soll-Ist-Vergleich durchgeführt werden, tionsverstärkern (32, 33) mit gemeinsamer PI-Be- Werden zur Steuerung eines pneumatischen oder hyschaltung (40,41) gebildet ist, wobei erste Eingänge draulischen Stellglieds zwei elektromagnetische Stellmit dem Steuersignal und zweite Eingänge zur Ein- glieder benötigt so genügt vorzugsweise ein einziger stellung der Freizone mit unterschiedlichen Poten- Rampengenerator zur Ansteuerung zweier Spannungstialen beaufschlagt sind. 45 Strom-Wandler, denen Auswahlsignale in Abhängigkeit

   8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden des Vorzeichens der Regelabweichung zugeführt wer-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steu- den.

   ersignal die Regelabweichung eines Regelkreises ist

   9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Zeichnung Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei als 50

   Elektromagnetventile ausgebildete Stellglieder (17, Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der

   18) zum Steuern eines pneumatischen oder hydrauli- Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Besehen Stellglieds vorgesehen sind, wobei zwei durch Schreibung näher erläutert. Es zeigt den Rampengenerator (14) gesteuerte Spannungs- Fig. 1 ein Blockschaltbild des ersten Ausführungsbei-

   Strom-Wandler (15,16) vorgeschaltet sind und wo- 55 spiels,

   bei die Auswahl der Stellglieder (17, 18) über das Fig.2 ein Blockschaltbild des zweiten Ausführungs-

   Vorzeichen des Steuersignals erfolgt. beispiels,

   Fig.3 ein Schaltungsbeispiel einer Eingangsschal-

   tung mit Pl-Verstärkern,

   60 Fig.4 ein Schaltungsbeispiel eines Rampengenerators mit nachgeschalteten Spannungs-Strom-Wandlern Stand der Technik und

   F i g. 5 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wir-Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine kungsweise. Vorrichtung zur Steuerung wenigstens eines elektroma- 65

   gnetischen Stellglieds mit einem Pulslängenmodulator, Beschreibung der Ausführungsbeispiele

   dessen Tastverhältnis durch ein Steuersignal einstellbar ist. Eine solche Vorrichtung ist bereits aus der DE-OS Bei dem in F i g. 1 dargestellten ersten Ausführungs-