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Schaltungsanordnung zur elektronischen Regelung der Drehzahl einer Antriebsvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur elektronischen Regelung der Drehzahl einer Antriebs- vorrichtung auf einen vorbestimmten Sollwert. Unter Antriebsvorrichtung sind dabei ein Motor oder zwischen Motor und angetriebenen Teil liegende Verbindungsteile zu verstehen.
Besonders bei Magnetspeichergeräten werden sehr hohe Anforderungen an die Drehzahlkonstanz gestellt. Die für diese Zwecke vielfach verwendeten Fliehkraftkontaktregler genügen den Genauigkeitsanforderungen nicht und sind ausserdem unkonstant und wegen der Kontakte störanfällig. Auch die zusätzliche Verwendung verstärkender Bauelemente und die Hochfrequenzrege- lung beseitigen die grundsätzlichen Nachteile nicht.
Zur Vermeidung dieser Nachteile sind auch vollelektronische Schaltungen zur Drehzahlregelung bekannt, bei denen von dem zu regelnden Motor eine der Drehzahl proportionale Frequenz abgenommen wird, aus der mittels Diskriminator- oder Filteranordnungen eine Grösse abgeleitet wird, welche wiederum die Betriebsgrössen beeinflusst. Die bei diesen Schaltungen erforderliche Abweichung vom Sollwert zur Erreichung einer ausreichenden Regelgrösse und damit die Regelgenauigkeit ist vom Aufwand in der verwendeten Schaltung abhängig. Ausserdem ist es trotz guter zeitlicher Konstanz schwer, den Absolutwert der geforderten Drehzahl einzuhalten, weil die drehzahlbestimmenden Schaltelemente immer Toleranzen aufweisen.
Die in der Praxis häufige Forderung, zwei oder mehr verschiedene Geräte zu genau gleichen Drehzahlen zu zwingen, ist nach diesem Verfahren deshalb nicht erfüllbar.
Um eine vorgegebene Drehzahl genau einhalten zu können, ist auch eine Frequenz- oder Phasenvergleichsschaltung zwischen einer vorgegebenen Frequenz (Synchronfrequenz) fs, welche die Drehzahl bestimmt und einer von der Motordrehzahl abgeleiteten Frequenz (Motorfrequenz) fm bekannt. Dabei bestimmen beide Frequenzen die Drehzahl je eines Synchronmotors. Die Winkelstellung zwischen den beiden Achsen ist dann proportional dem Phasenwinkel zwischen fs und fm. Mit Hilfe eines Potentiometers, eines Drehkondensators oder anderer Geber lässt sich aus dieser Winkelstellung eine Grösse ableiten, die einer Veränderung des Phasenwinkels entgegenwirkt und damit den Synchronismus zwischen fs und fm bewirkt.
Es ist schon am Prinzip zu erkennen, dass eine solche Anordnung einen hohen Aufwand erfordert.
Es liegt nahe, die z. B. aus der Fernsehtechnik bekannten Schaltungen zum Phasen- oder Frequenzver- gleich zu verwenden, um diesen Phasenwinkel rein elektronisch auszuwerten. Dafür geeignete Schaltungen liefern jedoch nur relativ kleine Ausgangsgrössen, was eine erhebliche Nachverstärkung bedingt. Ausserdem wird die Regelgrösse neben dem Phassenwinkel zwischen fs und fm noch durch andere Einflüsse, z. B. die Amplitude der aus fs und fm abgeleiteten Impulse, beeinflusst. Auch die notwendige Nachverstärkung beeinflusst die Stabilität nachteilig.
Es sind auch Schaltungsanordnungen bekannt, in denen die Phasen von Impulsen oder anderen Wellenformen zur Drehzahlregelung verglichen werden. Die Pha- senvergleichsschaltung beginnt jedoch erst zu wirken, wenn beide zu vergleichenden Frequenzen nur wenig voneinander abweichen. Ist der Frequenzunterschied der beiden zu vergleichenden Frequenzen gross, dann ändert sich ihre relative Phasenlage zueinander laufend. Am Ausgang der Phasenvergleichsschaltung liegt dann eine Spannung, die aus zwei Komponenten besteht: 1. eine Gleichkomponente. Sie ist unabhängig vom Frequenzverhältnis oder der Phasenlage der zu vergleichenden Spannungen und nur abhängig vom Aufbau der Schaltung.
2. eine Wechselkomponente, deren Frequenz gleich der Differenz der Frequenzen der beiden zu vergleichen-
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den Spannungen ist. Die Amplitude ist ebenfalls nur vom Aufbau der Schaltung abhängig.
Da der an die Phasenvergleichsschaltung angeschlossene Motor Tiefpasscharakter hat, spricht er nur auf die zuerst genannte Gleichkomponente (die auch Null sein kann) an. Er erhält somit kein Signal, welches in Richtung auf Verkleinerung der Differenz der zu vergleichenden Synchron- und Motorfrequenzen wirkt.
In einer anderen bekannten Schaltungsanordnung wird durch Differentiation der am Anfang der Phasen- vergleichsschaltung liegenden Spannung eine weitere Spannung erzeugt, die zu der Ausgangsspannung der Phasenvergleichsschaltung addiert und dann dem Motor zugeführt wird. Damit lässt es sich erreichen, dass auch bei grossen Frequenzdifferenzen eine einwandfreie Syn- chronisierung des Motors mit der Synchronquelle erfolgt.
Die Nachteile dieser Anordnung sind folgende: Die Ausgangsspannung jeder Phasenvergleichsschalt- einrichtung besteht primär aus Impulsen. Es soll jedoch der Mittelwert der Ausgangsspannung differenziert werden. Die Ausgangsspannung muss also erst gesiebt und dann differenziert werden. Ist nun die Synchronfrequenz nicht sehr hoch, so hat man am Ausgang des Differentia- tionsgliedes einen grossen störenden Wechselanteil. Dieses Signal muss dann ausserdem noch getrennt verstärkt werden.
Eine andere bekannte Schaltung verwendet eine spezielle Generatorschaltung für die Synchronfrequenz in Verbindung mit einer bistabilen Kippschaltung zum Phasenvergleich. Diese Schaltung funktioniert nur solange, wie der verwendete Motor bei Erreichen der Synchrondrehzahl nicht überschwingt. Schwingt der Motor über, so ist eine weitere Entfernung vom Sollwert nicht ausgeschlossen. Ein weiterer Nachteil ist, dass sich der spezielle Generator durch eine äussere Frequenz nicht beliebig synchronisieren lässt.
Es sind auch bereits Zählschaltungen mit zwei Eingängen verwendet worden, die nur bis zu ihrem Maximalwert vorwärts und bis zu ihrem Minimalwert rückwärts die Differenz zwischen Soll- und Istimpulsen zählen, wobei die Sollimpulse direkt oder über Vervielfacher- oder Teilerstufen von einem Synchrongenerator oder einem anderen Antrieb stammen und die Istimpulse auf die gleiche Weise vom zu regelnden Antrieb. Zur Auswertung des Zählergebnisses wird ein Digital-Analogwandler verwendet.
Die über diesen dem Antrieb zugeführte Leistung wird mit steigendem Zählerstand, also grösserer Differenz zwischen Soll- und Istwert immer grösser.
Diese Anordnung ist mit folgenden Nachteilen verbunden: 1. Es können an den beiden Eingängen des Zählers innerhalb des Regelbereiches gleichzeitig Impulse auftreten. Dazu besteht innerhalb des Regelbereiches k-mal die Möglichkeit, wenn k die Zählkapazität ist. Das gleichzeitige Auftreten von Impulsen an den beiden Eingangsleitungen kann zu falschen Ergebnissen führen.
Um das zu vermeiden, werden entweder genau gleich grosse Impulse angestrebt, (das erfordert weiteren Aufwand und hebt ausserdem den Vorteil weitgehender Unabhängigkeit in der einwandfreien Funktion der digitalen Regelung von Amplitude der Steuerimpulse auf) oder es wird eine Antikoinzidenzschaltung verwendet.
Dadurch steigt einerseits wieder der Aufwand und andererseits besteht in dem Bereich, in dem die Antikoinzidenzschaltung arbeitet, kein eindeutiger Zusammenhang der Ausgangsspannung des Digital-Analog- wandlers zur Phasendifferenz der Eingangsimpulse. Diese Wirkung kann nur durch eine Vergrösserung der Zählkapazität in ihren Auswirkungen gemildert werden. Dadurch steigt der Aufwand sowohl für den Zähler als auch für den Digital-Analogwandler.
2. Je grösser die Zählkapazität ist, desto grösser kann die vorübergehende Regelabweichung (Phasendifferenz) werden, obwohl sich der Regler noch in seinem Regelbereich befindet. Die möglich stationäre Abweichung der Phasen der beiden Impulsreihen, z. B. die Belastung des Motors, steigt ebenfalls mit grösserer Zählkapazität. Sie beträgt 2z. k, wenn k wieder die Zählkapazität bedeutet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile zu vermeiden und eine Schaltungsanordnung mit geringem Aufwand und hoher Regelgenauigkeit zu schaffen, die alle Vorteile der digitalen Technik ohne Einschränkung durch analoge Elemente oder Fehlerkompensationen ausnutzt.
Diese Aufgabe wird mit einer Schaltungsanordnung gelöst, die ebenfalls eine Zählschaltung mit zwei Eingängen enthält, die nur bis zu ihrem Maximalwert vorwärts und bis zu ihrem Minimalwert rückwärts zählt, an deren zwei Eingangsleitungen vom Sollwert und von der momentanen Drehzahl abgeleitete Impulse liegen und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die zu regelnde Antriebsvorrichtung mit dem Ausgang einer Zählstufe verbunden ist, die einer im Zählbereich gewählten Zahl entspricht und durch die die Stromzuführung eingeschaltet ist, solange diese Zahl unterschritten ist und die Stromzuführung sperrt, sobald diese Zahl überschritten ist.
Soweit nicht besondere Anforderungen an die Auf- holung des Verlustes an Umdrehungen durch kurzzeitige Überlastungen gestellt werden, ist es nicht nur wegen des Aufwandes, sondern auch für die Funktion vorteilhaft, wenn die Zählschaltung nur eine geringe Zählkapazität aufweist.
Die Zählschaltung besteht vorteilhaft aus bistabilen Kippstufen und Torschaltungen in geeigneten an sich bekannten Zusammenschaltungen. Solche Zählschaltungen mit zwei bistabilen Kippstufen sind z. B. für Rechenschaltungen allgemein geläufig. Ein Beispiel mit drei bistabilen Kippstufen wird als Ausführungsbeispiel noch näher beschrieben. Bei hohen Ansprüchen an die Gleichförmigkeit des Antriebes und geringen umlaufenden Massen ist es vorteilhaft, zwischen dem Ausgang der Zählstufe und die zu regelnde Antriebsvorrichtung Siebschaltungen anzuordnen. Bei hohen Leistungen können sinngemäss Verstärkerelemente zwischengeschaltet werden.
Die Schaltung ist in der Lage, beliebige Differenzen zwischen Motorfrequenz fm und Synchronfrequenz fs zu verarbeiten. Die Nullpunktkonstanz wirkt sich nicht aus, weil es sich um einen integralen Regler handelt. Der Aufwand ist gering, vor allem dann, wenn übliche transistorisierte logische Bausteine verwendet werden, die auch für andere Zwecke, z. B. für Rechenmaschinen, in grossen Mengen hergestellt werden.
Bei Verwendung eines Quarzgenerators mit Fre- quenzteiler für die Erzeugung der Synchronfrequenz fs ist eine dessen Genauigkeit entsprechende hohe Regelkonstanz zu erreichen. Der Regler ist dabei prinzipiell unabhängig von Temperatur- und Speisespannungs- schwankungen.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige
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Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer Motorregelschaltung, die beliebige Frequenzdifferenzen ausre- gelt.
Die der Synchronfrequenz fs entsprechenden Impulse fs' und die der Motorfrequenz fm entsprechenden Impulse frn' liegen an je drei Toren, die z. B. aus vorgespannten Dioden bestehen können. Je zwei dieser Tore, eines vom Synchronzweig und eines vom Motorzweig liegen an je einem bistabilen Schalter, der z. B. eine Transistor-Flip-Flop-Schaltung sein kann.
Die Schaltungsanordnung arbeitet wie ein Zähler mit zwei Zählrichtungen. Bei zu langsam laufendem Motor kommen vom Eingangs fs' mehr Impulse als vom Eingang frri auf die Schaltung. Durch das Tor T21 kommen Impulse, während das Tor T sperrt. Der Motor bekommt durch die stabile Lage des bistabilen Schalters SZ die volle Spannung. überwiegen die Impulse frri dann sperrt das Tor T21 und durch T22 kommen Impulse. Der bistabile Schalter S2 nimmt die andere stabile Lage ein und der Motor erhält keine Spannung.
Die bistabilen Schalter S1 und S3 dienen mit ihren Toren T11, T12, T31 und T32 als Zähler, der je nach der Richtung der Zähldifferenz die Tore T21 oder T22 öffnet bzw. sperrt.
Stimmen die Frequenzen f, und f. an den Eingängen fs' und fni überein, was bei der Einschaltung der Solldrehzahl der Fall ist, dann befinden sich die bistabilen Schalter S1 und S3 in einer bistabilen Lage, so dass die Tore T21 und T22 geöffnet sind. Dadurch erhält der Motor vom Ausgang des bistabilen Schalters SZ eine Spannung, deren Mittelwert der Phasendifferenz zwischen Sollwert- und Istwertimpulsen entspricht.
Die Mittelwertbildung mittels eines Tiefpasses ist nur bei hohen Ansprüchen an die Gleichmässigkeit und bei niedrigen Drehfrequenzen und leichten Rotoren erforderlich. Bei Anwendung eines schweren Rotors, einer hohen Drehfrequenz und bei geringeren Ansprüchen an die Gleichmässigkeit kann der Tiefpass auch entfallen.
Die Erfindung ist nicht nur für elektrische Synchron- und Gleichstrommotoren, sondern auch für Asynchronmotoren, bei Magnetkupplungen und sogar über Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen anwendbar.