DE3308671C2 - Regelkreis für die Geschwindigkeit eines mit einem Geschwindigkeitssollwert hochgenau abzustimmenden Förderer- oder Werkzeugantriebs - Google Patents

Abstract

Für einen Antriebsregelkreis mit zumindest einem Geber, der ein Lagesignal und ein Lageänderungs-Frequenzsignal liefert, wie z. B. ein inkrementaler Weggeber mit nachgeschaltetem Zähler, ist die Anpassung an nichtlineare Soll- oder Istwertveränderungen geschaffen worden, in dem das Lagesignal durch Werte eines Funktionsgebers verändert wird. Digitale Werte können dabei vorteilhafterweise zum Abrufen von Festwerten aus einem digitalen Festwertspeicher verwandt werden. Daraus ergibt sich insbesondere die Möglichkeit einer Frequenzbeeinflussung für Impulsfrequenzsignale. Solche Signale können zu einem umgeformten Lagesignal (oder einer zugehörigen Lageabweichung) aufsummiert werden, sie können auch ersatzweise oder ergänzend zu einer entsprechenden Drehzahl- oder Geschwindigkeitsregelung verhelfen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Regelkreis für die Geschwindigkeit eines mit einem Geschwindigkeitssollwert hochgenau abzustimmenden Förderer- oder Werkzeugantriebs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Regelkreis ist aus der Zeitschrift ETZ-A Band 82, Heft 18 vom 28. August 1961, Zeilen 574 bis 579 (Dr. G. Kessler: »Digitale Regelung der Relation zweier Drehzahlen«) besannt, wobei sich der Verfasser mit dem hochgenauen Gleichlauf von Antrieben bei Förderwalzen — insbesondere bei der Herstellung von Papier oder Kunststoffolien — befaß' und insbesondere in der Fig. 5 und der zugehörigen Beschreibung ein gattungsgemäß in Betracht zu ziehendes Beispiel ausführt

ίο Derartige herkömmliche Regelungen sind darau* eingerichtet, stationär in fest aufeinander abgestimmten Drehzahlen (ggf. auch unterschiedlichen Drehzahlen) zu laufen. Die übergeordnete Lageregelung beschränkt sich dementsprechend auch darauf, Lagedifferenzen zwischen der Sollage und der Istlage aufzuintegrieren, cm somit auch ein Integralverhalten in der Regelung mit den entsprechenden Genauigkeitsvorteilen im stationären Zustand einzurichten. Ein Lageistwert wird dabei aber nicht erstellt, er wäre auch für die stationäre Synchronisierung unsinnig.

Anders als bei der Gleichlaufregelung von Papier- und Folienwalzen ist die gewünschte Abstimmung zwischen Arbeitsmaschinen und Förderern oft nicht durch eine hochentwickelte Synchronisierung zu erzielen, vielmehr sind hier sowohl hinsichtlich der Geschwindigkeitsregelung wie auch hinsichtlich der Lageregelung nichtlineare Zusammenhänge zu berücksichtigen. Führt etwa ein mittels Kurbelgetriebe hin- und herbewegter Baumstamm bei der Herstellung von gemessenen Furnieren gegenüber einem feststehenden Messer periodisch hin- und hergehende Bewegungen aus, dann ist diese Bewegung auch während des Schnitts (bei gleichförmig umlaufendem Antrieb) ungleichförmig und nach Lage und Geschwindigkeit nichtlinear von der Drehbewegung des Antriebs abhängig. Gleichwohl muß der Bandantrieb des zugehörigen Förderers genau abgestimmt sein, um das gemessene Furnier weder zu zerreißen noch zu stauchen. Weiterhin darf der Antrieb keine Rückwärtsbewegung ausführen, wenn der Baumstamm nach einer Arbeitsbewegung wieder zurückfährt, sonst wurden die Furnierabschtmtc nicht abgefördert Somit gibt es zwischen der Bewegung des gemessenen Baumstamms und dem Bandförderer keinen durchgehenden Gleichlauf, sondern eine bereichsweise genau abgestimmte Geschwindigkeitsregelung.

Aufgabe der Erfindung ist es dementsprechend, einen Regelkreis für die Geschwindigkeit eines Antriebs in hochgenauer Abstimmung mit einem Geschwindigkeitssollwert zu schaffen, der es ermöglicht, lageabhängig nichtlineare Abstimmungen der Geschwindigkeit bei periodischen Bewegungen zu realisieren.

Diese Aufgabe wird von einem Regelkreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgehend mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Frequenzgeber wird in die Lage versetzt, zusammen mit einer Nullstellung ein Lagesignal zu erstellen, womit ein Referenzsignal für den Momentanpunkt innerhalb der periodischen Bewegung gewonnen ist. Dies ist allerdings nur ein Anfangsschritt zu der gewünschten Regelung. Aufgrund des Referenzsignals wird durch den Funktionsgeber ein Umformsignal auf einen Frequenzumformer gegeben, der dann das Frequenzsignal zu einem neuen Frequenzsignal umformt, welches sowohl der Geschwindigkeitsregelung wie auch der Lageregelung zugrunde gelegt werden kann. Damit läßt sich eine schwierige nichtlineare Regelung beherrschen, ohne daß hierzu großer gerätetechnischer Aufwand vonnöten wäre und ohne daß die Anwendbarkeit auf einen

einzelnen Spezialfall eingeschränkt wäre. Eine solche Regelung läßt sich anwendungsspezifisch ändern und umrüsten, indem der Funktionsgeber geändert oder ausgetauscht wird. Es bereitet dann keine Schwierigkeiten, andere periodisch-nichtlineare Zusammenhänge für eine hochgenaue Geschwindigkeitsregelung zu erfassen.

Zwar sind nichtlineare .Zuordnungen von Lagesignalen aus der DE-AS 19 06 599 bekannt Es geht hier um die Ausrichtung zweier parallel zueinander zu führender Kräne aufeinander, wobei die trigonometrischen Größen auf einfache Weise mit Hilfe induktiver Geber erlangt werden, die ohne weiteres die benötigten Sinus- und Kosinusfunktionen für den jeweiligen Drehwinkel liefern. Für eine lageabhängige Geschwindigkeitsregelung während der vorliegenden Erfindung ergeben sich daraus aber keine verwertbaren Anregungen.

Besondere Geschwindigkeitssteuerungen sind noch aus der DE-OS 27 50 384 und der DE-AS 14 63 590 bekannt, bei denen rotierende Scheren in bezug auf das zu schneidende, durchlaufende Material auf ein fliegendes Schneiden gesteuert werden. Dies führt zu »Zieirechnern«, mit denen der gewünschte Schnittpunkt ortsgerecht und geschwindigkeitsgerecht getroffen «'ird. Auch hieraus ergibt i'ch aber nichts im Sinne einer lageabhängig-nichtlinear£ii Geschwindigkeitsregelung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung eirt'ehmbar, in der ein Ausführungsbeispiel des Gegenstand der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert ht In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein ftfegelkreisschema für einen Antrieb in Kaskadenreg£li^Jng mit Lage-, Drehzahl- und Stromregelkreis und

Fig.2 detaillierteres Schema des Lageregelkreises aus F ig. 1.

Der nachstehend noch näher zu beschreibende Regelkreis wurde für eine Furniermaschine entwickelt, bei der gemessene Furniere von einem Holzstamm abgenommen werden, d. h. ebene, sekantenförmig zum Kreisquerschnitt eines Baumstamms verlaufende Furnierblätter entstehen, die im Gegensatz za einem geschälten Furnier eine gute Maserung erkennen lassen.

Dazu wird ein Baumstamm parallel zu einem feststehenden Messer eingespannt und dann quer zu sich selbst zu einer Schneidbewegung gegen das Messer bewegt. Der Baumstamm führt periodische Schnittbewegungen gegenüber dem feststehenden Messer aus, die beispielsweise von einem umlaufenden Antrieb über eine Kurbelschwinge ausgehen, üie hin- und hergehende Bewegung ist ungleichförmig, insbesondere zu den Umkehrpunkten in der Geschwindigkeit abnehmend.

Dieser ungleichförmigen Schnittgeschwindigkeit angepaßt müssen Bandförderer im Anschluß an das Messer laufen, damit die aus Gründen hoher Ausbeute so dünn wie möglich gemessenen Furnierabschnitte zerstörungsfrei abtransportiert werden können.

Erschwerend kommt hinzu, daß die Geschwindigkeit der Bandförderer in der Synchronisierung mit der Bewegung des Stamms noch bereichsweise Korrekturen bzw. besondere Geschwindigkeitsbereiche aufnehmen soil und daß es aus praktischen Gesichtspunkten unzweckmäßig ist, die Bewegung des Baumstamms selbst erfassen zu wollen — einfacher und geschützter — ist ein Sollwertgeber επί Kurbelantrieb vorzusehen, dessen Bewegung allerdings mit der des Baumstamms in einem nichtlinearen Zusammenhang steht.

Ein Istwert für die Bewegung des zugehörigen Bandförderers ist in diesem Falle von einem regelmäßig vorhandenen eigenen Motor als Bandantrieb abzunehmen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sowohl für den Sollwertgeber wie für den Istwertgeber inkrementale Weggeber vorgesehen, die zunächst ein Pulsfrequenzsignal liefern, das sich dann zu einem Wegsignal bzw. Lagesigna! aufaddieren läßt Es versteht sich, daß in ähnlicher Weise ein digitaler Geber eingesetzt werden kann, der ein parallel-digitales Signal erzeugt, wobei sich mit bekannten Mitteln aus fortlaufenden oder häufig getasteten digitalen Signalen Impulsfolgen als Änderungssignal ableiten lassen.
Der in F i g. 1 insgesamt veranschaulichte Regelkreis weist einen Sollwertgeber 1 und einen Istwertgeber 2 auf, deren Signale einem Lageregler 3 zugeführt werden. Das Regelsignal wird einem Drehzahlregler 4 zugeführt, wobei der Drehzahl-Istwert von einem Tachogenerator 5 gewonnen ist. Das Drehzahl-Regelsignal wird einem Stromregler 6 aufgegeben, der von einemStromwandler 7 ein Stromistwert-Signal '^s einem Stellglied 8 für einen Antriebsniuiöf S erhält, wobei der Antriebsmotor 9 zusammen mit seinem Stellglied 8 (z. B. einer Thyristor-Steuerung) die eigentliche Strecke des Regelkreises bildet. Insoweit entspricht der beschriebene Regelkreis im wesentlichen vorbekannten Regelkreisen mit digitaler bzw. inkrementaler Lageregelung.

Die Übersichtsdarstellung in F i g. 1 läßt darüber hinaus erkennen, daß das Ausgangssignal des Sollwertgebers abgezweigt wird. Es wird dabei zum einen einem Funktionsgeber 10 zugeleitet, der Einfluß auf die Lageregelung im Lageregler 3 und auf die Drehzahlregelung nimmt, indem das Gebersignal in einem Regelkreisglied 11 verändert und dann direkt in die Drehzahlregelung zum Drehzahlregler 4 hin eingegeben wird. Dieses hat sich als überaus nützlich zur Beeinflussung der dynamischen Eigenschaften der Synchronisierung erwiesen.

Die detailliertere Teildarstellung des vorbeschriebenen Regelkreises läßt in F i g. 2 auf der einen (linken) Seite den Sollwertgeber 1 und den Istwertgeber 2 und auf der anderen Seite den Drehzahlregler 4 erkennen.

Sollwert- und Istwertgeber 1 bzw. 2 sind als inkrementale Drehgeber ausgebildet, die beim Umlauf je vorgegebenes Bogenmaß regelmäßig wechselnde Signale ausgeben. Jeder Inkrementalgeber hefen dabei lageabhängig zwei gegeneinander versetzte Signale aus, die es erlauben. Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen zu unterscheiden. Diese Unterscheidung erfolgt für den Sollwertgeber 1 in einer Richtungserkennung 12 und für

so den Istwertgeber 2 in einer Richtungserkennung 13. Zur sonstigen Verarbeitung können die beiden Ausgangssignale eines jeden Impulsgeber zu einem gemeinsamen Signal in einer Impulsformerstufe 14 bzw. 15 zusammengefaßt werden, in der auch bedarfsweise eine Vervielfachung der Impulse vorzusehen ist, die nachfolgend im Frequenzbereich eine feinstufigere Bearbeitung ermöglichen kann. Zusätzliche Rücksetzimpulse, auch Nullimpulse genannt, können über den Rücksetz-Schalter 16 entweder vom Soll- oder Istwert abgenommen werden, je nachaem, ob sich die anzupassende Verzerrung des Bewegungsablaufes auf der Sollwert-Erfassungsseite (wie in diesem Beispiel) oder auf der Istwert-Erfassungsseite (zum Beispiel bei einein Abschneider mit einem durch Kurbel angetriebenen Schneidwerkzeug) befindet. Hiermit steht für das nachfolgende Aufaddieren der Impuls*: zu einem Ladesignal eine Bezugsmarke zur Verfügung, die ein Rücksetzen sich im laufenden Betrieb gegebenenfalls einschleichender Summier-

fehler ermöglicht. Die vom Sollwertgeber 1 ausgehenden Impulse werden einem Zähler 17 zugeführt, der neben dem Rücksetzsignal auch von der Richtungserkennung 12 eine Vorzeicheninformation erhält und damit vorzeichenrichtig zählen kann. Dieser Zähler er- ■; stellt ein Zahlensignal, das für die Winkellage des Sollwertgebers 1 repräsentativ ist.

Im konkreten Fall der Herstellung von Messerfuinieren wäre aber etwa die Winkelstellung des Sollwertgebers keine geeignete Vorgabe für die Bewegung eines sich an das Messer anschließenden Förderers für das gemessene Furnier. Während des Messerns müßte eine Gleichlauf mit der Bewegung des Stamms bzw. mit dem Anfall des Furniers geschaffen werden, wobei die Kurbel zumindest eine Nichtlinearität erzeugt, und während des Rücklaufs des Stamms zum Anfang einer neuen Schnittbewegung hin dürfte der Bandförderer keineswegs zurücklaufen, allenfalls stillstehen. Vorzugsweise wird jedoch in diesen Bereichen ein langsamer Vortransport des Förderers vorgesehen. Hierzu sind die sich bei gleichmäßig drehendem Kurbelantrieb und Sollwertgeber 1 gleichmäßig ändernden Lagewerte im Zähler 17 umzuformen. Zu diesem Zweck ist der Funktionsgeber 10 vorgesehen, der gemäß der detaillierteren Darstellung in F i g. 2 nicht direkt (wie nach F i g. 1), sondem nur mittelbar über den Zähler 17 mit dem Sollwertgeber 1 verbunden ist. Es handelt sich hierbei um einen Festwertspeicher in Form eines ROM (read only memory), der als Halbleiterbaustein preiswert verfügbar und auch leicht programmierbar erhältlich ist. Dieser Festwertspeicher ermöglicht es, je nach Speicherkapazität entweder jedem einzelnen Lagewert des Zählers 17 oder aber mehr oder weniger feingestuften Wertegruppen des Zählers Ausgangswerte willkürlich vorzugeben. Im vorliegenden Fall werden Wertegruppen gebildet, denen bestimmte Ausgangswerte des Funktionsgebers 10 zugeordnet sind. Die Ausgangswerte bilden Faktoren für die Impulsfrequenz, die vom Impulsformer 14 ausgeht. Das Impulsfrequenzsignal vom Ausgang des Impulsformers 14 wird nicht nur dem Zähler 17, sondern auch einem Frequenzumformer 18 zugeleitet, der eine Multiplikation mit dem ihm vom Funktionsgeber 10 zugeführten Wert vornimmt. Es versteht sich, daß auch sonstige Frequenzumformungen, etwa additiver Art, möglich sind. Das umgeformte Frequenzsignal durchläuft noch ein Korrekturglied 19, in dem es zur Maßstabsanpassung bedarfsweise mit einem gleichbleibenden Frequenzfaktor verändert wird, der über eine Eingabeschaltung 20 einzugeben ist, und gelangt dann in eine Zählersteuerung 21 und danach in einen Vergleichszähler 22.

Die Zählersteuerung 21 und der Vergleichszähler 22 werden auch mit dem Impulsfrequenzsignal beaufschlagt, welches vom Impulsformer 15 auf Seiten des Istwertgebers ausgeht Dieses Signal erfährt keine Beeinflussung durch einen Funktionsgeber, es wird aber auch durch ein Korrekturglied 23 beeinflußt, welches entsprechend einer Maßstabseingabe über eine Eingabeschaltung 24 zur Frequenzmultiplikation angeregt wird. Somit gelangt sowohl die Impulsfrequenz des Sollwertgebers wie auch die des Istwertgebers auf die Zählersteuerung, wobei die vorzeichenrichtige Auswertung dadurch ermöglicht wird, daß von der Richtungserkennung 12 bzw. 13 Vorzeichensignale in die Zählersteuerung 21 eingegeben werden, so daß eine Vierquadranten-Zählung im Vergleichszähler 22 erfolgt. Das dort gebildete Differenzsignal repräsentiert die Lageabweichung zwischen dem Bandfördererantrieb, gemessen über den Istwertgeber 2, und einem künstlichen, vorn Sollwertgeber 1 abgeleiteten und mit Hilfe des Funktionsgebers 10 umgeformten Sollwerts. Diese Lageabweichung wird in einen Analogwert mit Hilfe eines Digital-Analogwandlers 25 umgeformt und dann dem Geschwindigkeitsregler bzw. Drehzahlregler 4 zugeführt.

Der Drehzahlregler 4 erhält über eine Rückführung 26 ein Drehzahl-Istsignal von einem Tachometer (vgl. Fig.l).

Darüber hinaus erhält der Drehzahlregler über einen Aufschaltungszweig 27 ein zusätzliches Geschwindigkeitssignal von der Sollwertseite. Hier wird das umgeformte Impulsfrequenzsignal vom Ausgang des Frequenzumformers 18 abgezweigt und einem Frequenz-Spannungswandler 28 zugeführt. Dieser liefert eine zur Impulsfrequenz proportionale Spannung, wobei diese auch vorzeichenrichtig zu negativen Werten ausgesteu-

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\.ι ν π'\. ι uv>i ι nuiiii, uu uviii · ■ v\f uviit.-Lfpuiiiiliiigjn tillviiS Γ 28 auch das Ausgangssignal der Richtungserkennung 12 zugeleitet wird. Zweckmäßig wird der Aufschaltfaktor einstellbar vorgesehen und insbesondere auch gleichlaufend mit der Multiplikation im Korrekturglied 19 gesteuert, wozu eine Signalverbindung von der Eingabeschaltung 20 zum F'requenz-Spannungswandler 28 dient.

Es hat sich gezeigt, daß diese Aufschaltung auf den Drehzahlregler 4 eine wesentlich schnellere Ausregelung ermöglicht, ohne daß damit die Stabilität des Regelkreises verringert wird. Es hat sich vielmehr damit ein sehr stabiler Regelkreis mit geringen Regelabweichungen erstellen lassen.

Insbesondere aber ist es möglich geworden, nicht-linear voneinander abhängige Lage- und Bewegungssignale wie die Drehposition eines Kurbelantriebs und den daraus abzuleitenden Sollwert für einen Förderer hinter der kurbelgetriebenen Werkzeugmaschine einfach beherrschbar zu machen und hierzu eine überschaubare und wirkungsvolle Antriebsregelung zu erstellen. Anschaulich lassen sich entsprechende nichtlineare Verformungen ersatzweise wie auch zusätzlich zur Sollwertumformung bei der Istwertumformung einsetzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Regelkreis für die Geschwindigkeit eines mit einem Geschwindigkeitssollwert hochgenau abzustimmenden Förderer- oder Werlceugantriebs, wobei aus dem Ausgangssignal eines Frequenzgebers der Geschwindigkeitssollwert für einen Geschwindigkeitsregelkreis gewonnen wird, dem ein Lageregelkreis überlagert ist, dessen Regelabweichung einerseits ebenfalls von dem Frequenzgeber für den Geschwindigkeitssollwert und andererseits von einem weiteren, antriebsseitigen Frequenzgeber für den Geschwindigkeitsistwert abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß von den Frequenzgebern für den Istwert und Sollwert zumindest einer (1) auf einen Zähler (17) zur Bildung eines Lagesignals aufgeschaltet ist, weiches einem Funktionsgeber (10) zugeführt wird, welcher in nichtlinearer Abhängigkeit von dem Lagesignal Umformsignale auf eir.p.n Frequenzumformer (18) für das Frequenzsignal des zugehörigen Frequenzgebers (1) aufschaltet, und daß das umgeformte Frequenzsignal der Geschwindigkeits- und Lageregelung zugrunde gelegt wird, wobei der Zähler (17) mit Hilfe eines Rücksetzschalters (Geber 1) eine lagerichtige Nullstellung erfährt

2. Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgeber einen digitalen Festwertspeicher (10) für Umformsignale umfaßt

3. Regelkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das umgeformte Frequenzsignal für eine Lageregelung summiert wird und daß die Frequenzsignale einer Vor-RtJcwärts-Zähleinrichtung (21,22) zur Bildung jiner Lageabweichung zugeführt werden.

4. Regelkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung (21,22) einen Vierquadranten-Zähler umfaßt.

5. Regelkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber (1, 2) als Zweispur-Inkrementalgeber ausgebildet sind, deren Impuls-Frequenzsignale jeweils einer Richtungserkennung (12, 13) zugeführt werden, welche jeweils ein Vorzeichensignal für den Vierquadranten-Zähler (21, 22) liefert.

6. Regelkreis nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lageregelung ein Geschwindigkeitsregelkreis (4,5) unterlagert ist und daß diesem Geschwindigkeitsregelkreis als Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlsollwert ein zum Lagesollwert gehöriges Frequenzsignal neben der Regelabweichung der Lageregelung zugeführt wird.

7. Regelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumformer (18) als Frequenz-Multiplizierer ausgebildet ist.

8. Regelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Eingabeschaltung (20, 24) für Korrekturfaktoren zum Frequenzsignal.