DE2241750C2

DE2241750C2 - Schaltungsanordnung zum Starten und Anhalten eines trägheitsarmen Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2241750C2
Application number: DE2241750A
Authority: DE
Inventors: Pietro Dr.-Ing. Milano Buttafava
Original assignee: Honeywell Information Systems Italia SpA
Current assignee: Bull HN Information Systems Italia SpA
Priority date: 1971-08-26
Filing date: 1972-08-24
Publication date: 1983-05-05
Also published as: DE2241750A1; US3745436A; GB1400521A; FR2151397A5

Description

a) die Komparatorschaltung (21) liefert zwei Fehlersignale (+V₇, - V;) von entgegengesetzter Polarität und von gleichem Spannungswert;

b) eine Drehzahistcuereinrichiung (67—72) ist vorgesehen zum wahlweisen Anlegen eines ersten Fehlersignals von diesen beiden Fehlersignalen (+V7, -V;) an den Eingangsknotenpunkt (19) des Verstärkers, der als für beide Drehrichtungen des Motors wirksamen Differentialverstärkers (17) ausgebildet ist, über einen ersten Widerstand (24), die so dimensioniert ist, daß der sich ergebende Drehzahlregelkreis eine Gesamtspannungsverstärkung von ungefäl·· eins besitzt;

c) eine Einrichtung (87-8"ί zum Anlegen eines Strombegrenzungssignals proportional dem Motorspeisestrom über einen zweiten Widerstand (83 oder 84) von geeignetem Wert an den Eingangsknotenpunkt (19), wobei der sich ergebende Stromregelkreis eine Gesamtspannungsverstärkung besitzt, die wesentlich größer als eins ist;

d) ein Schwellwertglied (30) zum Anlegen dieses Strombegrenzungssignals an den Eingangsknotenpunkt (19), immer wenn das Strombegrenzungssignal einen absoluten Wert größer als ein vorausbestimmter Schwellwert besitzt, um die Strombegrenzungsvorrichtung unwirksam zu machen, immer wenn die Drehzahl des Motors (16) genügend nahe den durch den Drehzahlregelkreis (67-72) geregelten konstanten Drehzahlwert erreicht hat;

e) eine Einrichtung (26) zum Anlegen eines zweiten Fehlersignals von diesen beiden Fehlersignalen (+Vi, - Vi) anstelle des ersten an den Eingangsknotenpunkt (19) als Antwort auf ein Stoppsignal, um ein Strombegrenzungssignal während der Verzögerung des Motors hervorzurufen, und

f) eine Einrichtung (108) zum Abschalten dieses zweiten Fehlersignals nach einer vorausbestimmten Zeit nach dem Stoppsignal.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungseinrichtung (30) einen ersten (82, 83) und einen zweiten (84, 85) in Reihe zwischen zwei stabilisierten Spannungsquellen (+ E], - Ei) von entgegengesetzter Polarität geschalteten Spannungsteiler und eine Diodenbrükke mit vier in Reihe geschalteten Dioden (86, 87, 88,

89) aufweist, wobei dei Verbindungspunkt zwischen einer ersten (86) und einer zweiten Diode (88) geerdet ist, der Verbindungspunkt zwischen einer dritten (89) und einer vierten Diode (87) mit dem Eingangsknotenpunkt (19) verbunden ist, die Verbindungspunkte zwischen der vierten und ersten Diode und zwischen der zweiten und dritten Diode jeweils mit den zwischenliegenden Punkten (91, 92) des ersten und zweiten Spannungsteilers verbunden sind, wobei der den Spannungsteilern gemeinsame Punkt (90) mit einer Quelle eine Spannung, die proportional dem den Motor (16) speisenden Strom ist, verbunden ist.

Die Anmeldung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für Motoren, die in Magnetbandeinheiten für Datenverarbeitungsanlagen verwendet werden.

Es ist bekannt, daß Magnetbandeinheiten eine Anzahl von mechanischen Operationen für die Bewegung des Magnetbandes vorsehen müssen, d. h.

a) das Band mit einer konstanten, sehr genau geregelten Geschwindigkeit zum Lesen und Aufnehmen anzutreiben, wobei der Antrieb entweder in der Vorwärts- oder in der Rückwärtsrichtung erfolgen kann;

b) das Band zu starten und es auf die geforderte Geschwindigkeit in einer sehr kurzen Zeit zu bringen:

c) die Bewegung des Bandes zu stoppen und

Ji d) das Band mit einer Höchstgeschwindigkeit zurückzuspulen.

Da das Band bei unsachgemäßer Handhabung beschädigt werden kann, darf es nicht unnötigen

Beanspruchungen unterworfen werden. Deshalb müssen die mit dem Starten. Anhalten und mit der Hochgeschwindigkeitsrückspulung verbundenen Beschleunigungen genau gesteuert und innerhalb vorausbestimmter Grenzen gehalten werden.

Bei den modernen Bandeinheiten wird das Band durch eine einzelne Antriebsrolle angetrieben, um dessen Umfang das Band teilweise gewunden ist. Zwei Luftunterdruckkammern auf beiden Seiten der Antriebsrolle sorgen für eine ausreichende Spannung des Bandes, um ein Rtfischen zu vermeiden, und stellen zur gleichen Zeit Puffereinrichtungen dar, die zwischen der abwickelnden und der aufwickelnden Spule und der Antriebsrolle eingebaut sind.

Die Antriebsrolle wird durch einen trägheitsarmen Motor angetrieben, der durch geeignete Regelschaltungen gesteuert wird.

Die Drehzahl wird gewöhnlich in einem geschlossenen Regelkreis, der einen Tachogenerator (bekannt z. B. aus US-PS 32 93 522) und einen Verstärker enthält, geregelt.

Bei einer solchen Anordnung treten Unstabilität und Hochfrequenzschwingungen auf, die auf dem Rauschen und auf der Resonanzfrequenz des Systems beruhen, das den Tachogenerator, den Motor und die Antriebsrolle umfaßt.

Solche Nachteile können im wesentlichen durch ein Absenken des größten Frequenzganges des in den Regelkreis eingeschlossenen Verstärkers umgangen

werden, aber diese Maßnahme vermascht ein Anwachsen der Einschwingzeit des Steuerungssystems,

Pie Regelung der Start- und Stoppoperationen, die für die Speisung des Motors im wesentlichen einen Gleichstrom von konstantem Wert erfordern, wird gewöhnlich erhalten entweder durch Verwendung von Sättigungsverstärkern, d. h. von Verstärkern, die keinen größeren Strom als einen festgesetzten Wert liefern können, in der Steuerungsschaltung oder durch Verwendung eines zweiten Regelkreises, um den Speisestrom des Motors zu regeln (US-PS 31 65 364).

Auf jeden Fall müssen Auswahleinrichtungen vorgesehen sein, um die Steuerung des Systems entweder durch eine Spannungssteuerungsvorrichtung oder durch eine Stromsteuerungsvon ichtung gemäß den Erfordernissen zu erreichen. Genauer gesagt, müssen Schaltungseinrichtungen vorgesehen sein, um das Stromsteuerungssystem während der Beschleunigungsphase, d.h., bis eine Geschwindigkeit genügend nahe der konstanten Lese- und Aufnahmegeschwindigkeit erreicht ist, und während der Bremsphase zu betätigen, d. h., bis der Motor gestoppt ist Während der Lese- und Aufnahmephase müssen diese Schaltungseinriihtungen die Steuerungsschaltung für konstante Geschwindigkeit betätigen.

Solche Einrichtungen machen ein solches System aufwendig und teuer.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine in ihrem Aufbau einfache Schaltungsanordnung zum Starten und Anhalten eines trägheitsarmen Gleichstrommotors zu schaffen, mit einer selbsttätig wirksam und unwirksam werdenden Stromregelschaltung zur Begrenzung des Stromes in der Start- und Bremsphase, anstelle der Drehzahlregelung.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht bei einer Schaltungsanordnung nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs I durch die Vereinigung der im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Mittel und Maßnahmen.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung besitzt den Vorteil, daß es die Verwendung von anderen, die Drehzahl anzeigenden Vorrichtungen als Tachogeneratoren erlaubt, so z. B. eines Frequenz-Spannungs-Wandlers, wie er in der DE-OS 22 10 026 beschrieben ist.

Ein solcher Frequenz-Spannungs-Wandler besitzt den Vorteil, daß die in die Drehzahlregelschaltung eingeführten Rauschstörungen wesentlich abgeschwächt werden und deshalb ein einzelner Verstärker sowohl für die Drehzahl als auch für die Stromregelung verwendet werden kann. Dieser Verstärker besitzt einen großen Frequenzgang, um so eine sofortige Regelwirkung ohne jede Gefahr von selbsterregten Schwingungen zu erlauben.

Entsprechend den Merkmalen nach dem Anspruch 2 enthält die Strombegrenzungsschaltung eine passive Dioden-Widerstands-Schaltung, die einen genau einstellbaren Bereich besitzt, der keinen Frequenzgang aufweist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen vereinfachten Blockschaltplan der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild des nach der Erfindung verwendeten Verstärkers,

F i g. 3 einen vereinfachten Blockschaltplan des Drehzahlregelkreises nach der Erfindung,

Fig. 4 ein Schaltbild der strombegrenzenden Schallung, d. h. des Beschleunipungsregelkreises nach der Erfindung,

F i g, 5 Detail zu Fig. 1.

Die Zeichnung auf der linken Seite von Fi g, 1 zeigt schematisch eine übliche Magnetbandeinheit, in der die Schaltungsanordnung nach der Erfindung geeignet angewendet werden kann.

Die mechanischen Teile der Antriebsvorrichtung sind auf einer Frontschalttafel 1 angebracht und umfassen zwei Spulen 2 und 3, die alternaitiv als Aufwickel- und Umwickelspule gemäß der Richtung der Bewegung des Magnetbandes arbeiten. Das Magnetband läuft unter einem Lese- und Aufnahmekopf 4 entlang, und seine Bewegung wird durch eine Antriebsrolle 5 bewirkt, um die das Band teilweise gewunden ist. Zwei Luftunterdruckkammern 6 und 7 sorgen für eine geeignete Spannung des Bandes, um ein Rutschen zu vermeiden und um den wirkungsvollen Antrieb des Bandes auch unter passender Beschleunigung sichei zustellen. Zusätzlich sorgen die Luftunterdruckkammern für die Unterbringung von Bandschleifen genügender Länge, um so die Spulen von der Notwendigkeit zu befreien,

den Änderungen in asr Bandbewegung sofort zu folgen.

Die Luftunterdruckkammern 6 und 7 sind mit

geeigneten Abtasteinrichtungen 8 und 9 versehen, die die Länge der Bandschleife abtasten und den spulenantreibenden Motoren 10 und 11 <:in geeignetes Signal liefern, um die Länge der Bandschleife bei einem Mittelwert unabhängig von der Geschwindigkeit des Bandes zu halten.

*> Das Band wird von den Rollen 112, 13,34,15 gehalten und geführt, die im wesentlichen Reibung und Abtrieb vermeiden.

Das Band wird, wie bereits erwähnt, von der Antriebsrolle 5 angetrieben, die fest auf der Welle eines trägheitsarmen Gleichstrommotors 16 angeordnet ist, der eine getrennte konstante Erregung besitzt.

Es ist bekannt, daß das Drehmoment eines konstant erregten Gleichstrommotors proportional des Speisestromes ist und daß bei gleichbleibendem Zustand die Drehzahl von der Speisespannung abhängt.

Wenn das Lastdrehmoment vernachlässigbar klein und chs Trägheitsmoment des Umlaufsystems konstant ist, dann ist die Beschleunigung oder Verzögerung des Motors proportional dem Speisestrom.

Die Geschwindigkeit des Bandes kann deshalb durch Regelung der Speisespannung gesteuert und bei einem vorgeschriebenen Wert gehalten werden, und die Beschleunigung oder Verzögerung, der das Band während der Start- und Bremsphase unterworfen ist, kann durch Regelung des Speisestromes gesteuert werden.

Darüber hinaus seizt ein Starten und Bremsen des Motors bsi einem konstanten Beschleunigungszustand die Start- und Bremszeiten bei einer gegebenen Baiidspannung auf ein Minimum herab, um so die Arbeitsleistung der Magnetbandeinheit zu verbessern.

Die Spannungs- und Stromregelung wird erfindungs-

gemäß durch die auf der rechten Seite der Fig. 1 schematisch dargestellte Schaltung erhalten.

Der Motor 16 "-ird durch einen Verstärker 17 gespeist, der z. B. einen Vorverstärker und eine Leistungsstufe enthält

Der Vorverstärker kann aus einem Operationsverstärker bestehen der mit einer Rückkopplung über einen Widerstand 18 ausgerüstet ist. Der Verstärker 17 versorgt den Motor t6 m't einer positiven oder negativen Speisespannung, was ganz von dem an dem Eingangsknotenpunkt 19 angelegten Steuersignal ab-

hängt.

Ein Impulsgenerator 20, der Impulse mit einer Folgefrequenz proportional der Drehzahl des Motors liefert, ist dem Motor 16 zugeordnet. Die Impulsfolgeperiode wird mit einer Bezugsperiode durch die ein Fehlersignal erzeugende Schaltung 21 verglichen, wobei die Bezugsperiode der geforderten Motornenndrehzahl entspricht.

Die ein Fehlersignal erzeugende Schaltung 21 kann irgendein Signal von zwei symmetrischen, positiven oder negativen Spannungssignalen liefern, die die Differenzen zwischen der gemessenen Periode und der Bezugsperiode repräsentieren. Dieses Fehlersignal wird über eine Zuleitung 22 oder 23 und den Widerständen 24 oder 25 an den Eingangsknotenpunkt 19 und damit an den Regelverstärker 17 angelegt, um so die Regelung der von dem Verstärker gelieferten Spannung zu besorgen. Entweder wird das positive oder das negative Signal an den Eingang gernSS der geforderten Umlaufrichtung des Motors angelegt.

Die Auswahl des an den Motor 16 anzulegenden Signals wird durch eine logische Steuerungsschaltung 26 gesteuert, die z. B. mit zwei Eingängen 27 und 28 ausgerüstet ist, um jeweils ein erstes binäres Signal zur Steuerung des Bewegungs- oder des Ruhezustandes und ein zweites binäres Signal zur Kennzeichnung der geforderten Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung der Bewegung anzulegen.

Der Verstärker 17, der Motor 16. der Impulsgenerator 20, der Fehlersignalgenerator 21 und die Widerstände 24 oder 25 bilden einen geschlossenenen Regelkreis für die Drehzahl des Motors.

Der Motorspeisestrom geht durch den Widerstand 29 hindurch, der in Reihe mit der Rotorwicklung geschaltet ist, so daß die Spannung am Widerstand 29, die hiernach durch ei gekennzeichnet wird, folglich proportional dem Strom und deshalb dem Drehmoment und der Beschleunigung des Motors ist. Diese Spannung wird über eine passive Schwellwertspannung 30 an den Eingangsknotenpunkt 19 angelegt und bildet für das System einen zweiten geschlossenen Regelkreis zur Steuerung des Stromes und folglich der Beschleunigung. Dieser Stromregelkreis wird, wie erst später erläutert wird, automatisch zu- und abgeschaltet, wie es gerade während der Start- und Bremsphase gefordert wird und stört nicht den Spannungsregelkreis während der Arbeitsweise bei konstant geregelter Drehzahl.

Auf der anderen Seite stört während der Start- und Bremsphase die Regelungsschaltung für die Drehzahl nicht merklich die Stromregelungsschaltung.

Das Steuerung- und Regelungssystem wird durch eine Schaltung 31 für Hochgeschwindigkeitsumspulung vervollständigt Indem diese Schaltung auf ein an Anschluß 131 angelegtes Rückspulsteuersignal anspricht, legt die Schaltung an einen mit dem Eingang des Verstärkers 17 verbundenen Widerstand 132, d. h. an den Eingangsknotenpunkt 19, eine Spannung an, die anfänglich mit im wesentlichen linearer Steigung anwächst und danach konstant bleibt, um so den Motor 16 anfänglich mit konstanter Beschleunigung und danach mit eirrer vorher festgesetzten Rückspuldrehzahl anzutreiben.

Der Verstärker 17 ist mit einer Schwellwertschaltung ausgerüstet, die für einen Spannungsbereich um die. Nullspannung sorgt, der keinen Frequenzgang aufweist, um die Antriebsrolle 5 von langsamen Umdrehungen in Erwiderung auf Verstärkerdrift oder Rauschen während des Ruhezustandes zu hindern, d.h., wenn der Eingangsknotenpunkt 19 nicht gespeist wird. Diese Schaltung ist bekannt.

F i g. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verstärkers 17. Es enthält einen Differential-Vorverstärker 50 mit hoher Verstärkung, dessen nichtinvertierender Eingang mit Erde verbunden ist und dessen invertierender Eingang 51 als Eingangsanschluß verwendet wird. Deshalb arbeitet der Verstärker als Umkehrverstärker, d. h. bei positiver Eingangsspannung

ίο am Eingang wird eine negativ verstärkte Ausgangsspannung und umgekehrt geliefert.

Die von dem Vorverstärker an der Ausgangsklemme 52 gelieferte Spannung wird über einen Widerstand 55 an einen Leistungsverstärker 53 angelegt, der Transistoren und Widerstände enthält, wie in der in Fig. 2 zu erkennen. Seine Aufgabe besteht nicht darin, die Eingangsspannung zu ändern, sondern nur einen Strom von einer Stärke zu liefern, der für den Antrieb des Motors geeignet ist. Deshalb sind die verwendeten Transistoren für diese Aufgabe geeigneterweise als Emitterfolger zusammengeschaltet, und die den Motor an den Ausgangsklemme 54 des Verstärkers gelieferte Spannung ist im wesentlichen gleich der Eingangsspannung an Klemme 52. Die Spannungsverstärkung wird deshalb nur von dem Differentialvorverstärker 50 vorgenommen, und der Leistungsverstärker 53 kann so lange unbrücksichtigt bleiben, wie die Spannungsverstärkup·.] diskutiert wird.

Ein Rückkopplungswiderstand 18 verbindet die Ausgangsklemme 54 mit der Eingangsklemme 51.

Es ist bekannt, daß die resultierende Verstärkung, wenn ein Differentialverstärker eine Spannungsverstärkung und eine genügend hohe Eingangsimpedanz besitzt und wenn ein Eingangssignal an den invertierenden Eingang über einen Eingangswiderstand angelegt wird, mit genügender Annäherung durch /V=- RiZR₁ gegeben ist, wobei Ri der Rückkopplungswiderstand und R, der Eingangswiderstand ist.

Dieses Ergebnis wird durch Anwendung des 1.

Kirchhoffschen Gesetzes auf den Eingangsknotenpunkt 19 leicht erhalten, wenn die Eingangsimpedanz des Verstärkers mit unendlich und die Spannungsabweichung der Eingangsklemme 51 von Erde vernachlässipbar klein angenommen wird. Die Summe der zusammenlaufenden Ströme an dem Eingangsknotenpunkt muß dann Null sein, d. h.; wenn e die Ausgangsspannung und e, die an den Eingang über R₁ angelegte Spannung ist, muß gelten

»oder

e=e< -Rf)IR₁.

Diese Gleichung, die z. B. bessser in dem Buch von Milan & Taub, »Pulse Digital and Switching Waveform«, herausgegeben von McGraw-Hill, 1965, Kapitel 1 bis 8 erklärt wird, ist wichtig, weil man mit ihrer Hilfe die Antwort des Verstärkers in dem Fall erkennt, daß eine Vielzahl von Eingangssignalen über verschiedene Eingangswiderstände angelegt werden.
In diesem Fall ergibt sich

+ e, i/R„ ₃+...+e_ln/R_ln+ el Rf= 0

oder

R_f.

Das ist der Fall des beschriebenen Systems, bei dem verschiedene Signale (Fig. I), die durch die Strombegrenzei schaltung 30, die Rückpulssteuerschaltung 31 und die ein Fehlersignal erzeugende Schaltung 21 geliefert werden, an den Eingangsknotenpunkt 19 des Verstärkers 17 angelegt werden.

Anstelle des Tachogenerators kann ein Frequenz-Spanp"ngswaridler als Drehzahlistwertgeber verwendet werden, ein solcher ist in F i g. 3 dargestellt.

Eine lichtundurchlässige Scheibe 60, die auf ihrem äußeren Umfang mit durchsichtigen Schlitzen versehen ist, ist fest auf der Welle des Motors 16 angebracht und läuft mit dieser um.

Die Scheibe 60 ist zwischen einer Lichtquelle 61 und einem lichtempfindlichen Element 62 auf eine solche Weise angeordnet, daß das lichtempfindliche Element während des Umlaufs der Scheibe periodisch beleuchtet wird, um so «in pulsierendes elektrisches Signal mit einer l'olgefrequenz proportional der Motordrehzahl zu liefern.

Dieses Signal wird an einen Begrenzerverstärker 63 angelegt, der deshalb ein Rechteckwellensignal mit derselben Periode wie das von dem lichtempfindlichen Element gelieferte Signal erzeugt. Dieses Signal steuert eine Impulsgeneratorschaltung 64, die als Antwort sehr kurze Impulse mit derselben Folgefrequenz liefert.

Diese Impulse werden an eine äußerst genau arbeitende monostabile Schaltung 65 mit kurzer Erholzeit angelegt, die Impulse von vorausbestimmter Dauer To liefert. Das Ausgangssignal wird daher nach Umkehrung durch den Inverter 66 von einer Impulsreihe mit einer Periode gleich der Folgefrequenz der von dem lichtempfindlichen Element gelieferten Impulse gebildet undbesitzt eine Dauer gleich der Differenz zwischen der Periode dieser impulse und der Bezugsperiode To. So ist die Dauer dieser Impulse proportional dem Fehler der tatsächlichen Impulsperiode im Hinblick auf die Bezugsperiode, die im wesentlichen entsprechend der Nenndrehzahl des Motors eingestellt werden kann.

Das von dem Inverter 66 gelieferte Fehlersignal steuert zwei integrierende Schaltungen.

Eine dieser beiden Schaltungen enthält z. B. einen Konstantstromgenerator 67, einen Kondensator 68, eine erste (vorzugsweise Festkörper-) Schaltvorrichtung 69, die durch den Inverter 66 zur Verbindung des Stromgenerators 67 mit dem Kondensator 68 für die Dauer der Fehlerimpulse gesteuert wird, ein zweites Schaltelement 70 zum Kurzschließen des Kondensators 68 bei vorausbestimmten Augenblicken für sehr kurze Intervalle, die jedoch ausreichen, um den Kondensator zu entladen.

Das Schaltelement 70 wird durch den Inverter 66 über eine differenzierende Schaltung 71 gesteuert, die in Übereinstimmung mit den Anstiegsflanken der von dem Inverter 66 gelieferten Impulse sehr kurze Impulse liefert, die das Schließen des Schaltelementes 70 steuern.

Ein ODER-Gatter 72 am Eingang von Schaltelement 70 ist vorgesehen, um die Arbeitsweise des Schalters unter der Steuerung eines an Klemme 73 angelegten binären externen Signals zu erlauben.

Die zweite integrierende Schaltung ist im wesentlichen identisch mit der ersten, sie sorgt jedoch für eine Ladung des zweiten Kondensators 74 durch eine Spannung von entgegengesetzter Polarität Diese !ntegrierschaltung ist mit einem ODER-Gatter 78 ausgerüstet, das über die externe Klemme 75 gesteuert wird, um die Arbeitsweise des den Kondensator 74 kurzschließenden Schalters 76 zu erlauben.

Die Aufgabe dieser integrierenden Schaltung besteht darin, die Fehlerimpulse in eine Spannung proportional ihrer Dauer umzuwandeln. Um das zu erreichen, werden die Kondensatoren 68, 74 am Anfang des Fehlerimpulses entladen und dann für die ganze Dauer des Impulses durch einen konstanten Strom geladen. Die gespeicherte Ladung wird bis zum Anfang des folgenden Impulses aufrechterhalten, dann entladen und der Vorgang wird

ίο wiederholt.

Die Spannung an den Kondensatorklemmen, die proportional der Dauer des Impulses und deshalb der Differenz zwischen tatsächlichem und nominellem Wert der Motordrehzahl ist, wird über einen der beiden Widerstände 24 und 25 an den Eingang von Verstärker 17 angelegt, der den Motor speist.

Die Arbeitsweise des beschriebenen Regelkreises sei im folgenden kurz erläutert.
Im Ruhezustand sind beide Integratoren gesperrt,

d. h., binäre EINS-Signalpegel liegen an den Steuereingangsklemmen 73 und 75 an, so daß die Schalter 70 und 76 geschlossen und die Kondensatoren 68 und 74 entladen sind. In diesem Zustand liegt eine Nullspannung an dem Eingang von Verstärker 17 über die

« Widerstände 24 und 25 an, und der Motor 16 befindet sich in Ruhe. Um den Motor in eine geforderte Richtung zu starten, wird das an einem der beiden Steuerklemmen, z. B. Klemme 73, angelegte Signal auf die binäre NULL gebracht. Auf diese Weise wird das Schaitelement 70 geöffnet und der Kondensator 68 geladen. Da sich der Motor 16 in Ruhe befindet, der Impulsgenerator 64 liefert keinen Impuls, liegt der Ausgang von Inverter 66 bei der binären EINS, um so das Schaltelement 69 zu schließen. Der Kondensator 68 wird daher bis auf die von dem Konstantstromgenerator 67 gelieferte Höchstspannung aufgeladen. Wenn V/_5J, diese Sättigungsspannung und Rider Widerstand von Widerstand 24 ist, wird der Motor von einer Spannung

gespeist, die den Motor unter einer sehr hohen Beschleunigung startet und ihn bis an die gleichbleibende Geschwindigkeit bringt.
Mit dem Anwachsen der Motordrehzahl verringert sich jedoch die Dauer der Fehlerimpulse, und bei einer Drehzahl genügend nahe der Solldrehzahl verringert sich auch die Fehlerspannung K/ und damit auch die Motorspeisespannung, und die Drehzahl wird bei zinem Wert niedriger als die Drehzahl des Motors 16

so stabilisiert jedoch liegt der Wert ganz dicht bei der Nenndrehzahl.

Da der Frequenz-Spannungswandler so gebaut werden kann, um einen beträchtlichen Spannungsausschlag für kleine Drehzahlabweichungen zu erzeugen, braucht der Operationsverstärker 50 keine hohe Verstärkung zu besitzen:

K/und R„ d. h. Widerstand 18 und z. B. Widerstand 24 können kaum voneinander abweichende Werte, z. B. jeweils 1 MOhm und 800 KOhm besitzen, so daß die Verstärkung in der Nähe von Eins liegt Deshalb werden die Rauschstörungen nicht verstärkt

Wenn man das Entstehen von selbsterregten Schwingungen betrachtet die auf der Torsionselastizität des Systems Motor-Fotoscheibe beruhen, besitzen diese Schwingungen eine ganz bestimmte Frequenz.

Daher läßt sich mit Hilfe geeigneter Dämpfungsnetzwerke erhalten, daß für solche Frequenz der Phasenspielraum der regelnden Schaltung genügend hoch liegt,

um solche selbsterregten Schwingungen zu verhindern.

Die Schaltungsanordnung kann daher mit einem sehr großen Frequenzgang aufgebaut werden, um so eine sehr schnelle Regelungswirkung hervorzurufen, während es gleichzeitig die Gefahr von selbsterregten Schwingungen beseitigt, die auf die Eigenschaften des Systems oder aut Störungen beruhen.

Fig.4 zeift das Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbei-spiels der Strombegrenzerschaltung 30. Sie enthält einen mit der Ankerwindung des Motors 16 in Reihe geschalteten Widerstand 80, einen Spannungsteiler 81, der auch weggelassen werden kann, einen Satz von vier in Reihe geschalteten Widerständen 82, 83,84, 85 und einen Satz von Dioden 86,87,88,89.

Die Endklemmen der in Reihe geschalteten Widerstände 82 bis 85 werden von zwei gleichen, aber entgegengesetzten Spannungsquellen + Ei und - £2 gespeist, z. B. + 15 und - 15 V.

Der Mittelpunkt der Widerstandsreihe, d. h. der Knotenpunkt 9Ö, der den Widerständen S3 und 84 gemeinsam ist, ist mit der Abgriffsklemme des Spannungsteilers 81 verbunden, der dem Widerstand 80 parallel geschaltet ist.

Die Werte von Widerstand 80 und Spannungsteiler 81 können im Hinblick auf die Werte der Widerstände 82 bis 85 geeigneterweise niedrig gewählt werden, so daß die Spannung ei an Knotenpunkt 90 im wesentlich proportional dem durch den Motorspeisestrom an Widerstand 80 verursachten Spannungsabfall ist.

Es wurde z. B. ermittelt, daß geeignete Werte für den Widerstand 80 ca. 0,25 Ohm und für den Spannungsteiler 81 ca. 500 Ohm sind, wohingegen für die Widerstände 82 und 85 die Widerstandswerte R\ und R₂ größer als 150 KOhm und für die Widerstände 83 und 84 die Widerstandswerte Rj und Ra größer als 10 KOhm sein können.

Der Knotenpunkt 91, der dem Mittelpunkt zwischen den Widerständen 82 und 83 darstellt, ist mit der Anode von Diode 86, die eine geerdete Kathode besitzt, und mit der Kathode von Diode 87 verbunden, deren Anode mit dem Eingangsknotenpunkt 19 von Verstärkern 17 verbunden ist.

Auf die gleiche Weise ist der den Widerständen 84 und 85 gemeinsame Knotenpunkt 92 mit der Kathode von Diode 88, die eine geerdete Anode besitzt, und mit der Anode von Diode 89 verbunden, deren Kathode mit dem Eingangsknotenpunkt 19 von Verstärker 17 verbunden ist. Die die Widerstände 82 bis 85 und die Dioden 86 bis 89 enthaltende Schaltung legt eine Regelspannung an den Eingangsknotenpunkten 19 nur dann an, wenn die Spannung ei am Knotenpunkt 90 größer als ein vorausbestimmter positiver Wert oder niedriger als ein entsprechender negativer Wert ist. Für innerhalb dieser Grenzen enthaltene Spannungswerte ist die Verbindung mit dem Knotenpunkt 19 geöffnet, und die Strombegrenzerschaltung 30 arbeitet nicht.

Die Grenzen dieses Bereichs, der keinen Frequenzgang aufweist, können durch die Betrachtung bestimmt werden, daß der Eingangsknotenpunkt 19 virtuell an Erdspannung liegt.

Wenn man die durch die Widerstände 82 und 83 und die Dioden 86 und 87 gebildete Schaltung betrachtet, dann ist der Eingangsknotenpunkt 19 mit dem Knotenpunkt 91 nur dann verbunden, wenn Diode 87 leitend ist In diesem Zustand ist der Strom über Widerstand 82 kleiner als der Strom über Widerstand 83. Darüber hinaus liegt auch der Knotenpunkt 91, wenn Diode 87 leitend und ihr Spannungsabfall vernachlässigbar ist, virtuell an Erde. Deshalb muß die Beziehung gelten:

E\/R\ < - e\IRi
> und deshalb gilt

ei < —(E\ ■ Ry R\).

Dies ist die untere Schwellwertgrenze für den Eingangsknotenpunkt 19, um mit der Begrenzerschaltung verbunden zu werden. Für Werte von ei, die kleiner als dieser Schwellwert sind, sind die Dioden 86 und 89 in Sperrichtung vorgespannt und leiten daher nicht.

Die obere Schwellwertgrenze ist auf die gleiche Weise durch Werte der Widerstände 84 und 85 definiert:

¹^ Der Knotenpunkt 92 ist mit dem Eingangsknotenpunkt 19 nur dann wirkungsvoll verbunden, wenn der Strom durch den Widerstand 84 größer als der Strom durch den Widerstand 85 ist; daher muß gelten

,„ ei//?₄>£|//?2,d. h., e,>£i ■ RaIR₂.

Die Verbindung mit dem Eingangsknotenpunkt 19 ist daher für Werte von ei geöffnet, die innerhalb der Grenzen von

-£, · /?3//?,<e,<£i · RaIR₂

liegen.

Berücksichtigt man den Spannungsabfall Δ an den Dioden, dann ergeben sich die genauen Grenzen zu:

· RJR₂ + A .

Diese Schwellwerte, die im wesentlichen von Widerstandsparametern abhängen und von der Spannung Fi, die geeigneterweise stabilisiert werden kann,

^ werden einer sehr genauen Eichung unterworfen und besitzen eine hohe Eigenstabilität.

Nun soll die Arbeitsweise des Regelkreises betrachtet werden, der die Strombegrenzerschaltung 30 enthält. Es wird angenommen, daß der Motor 16 gestartet werden soll: Das Drehzahl regelnde System 21 wird dann eine relativ hohe Fehlerspannung (z. B. — K;) liefern, die über Widerstand 24 an den Verstärker 17 angelest und einen an den Motor 16 gelieferten großen Strom hervorrufen wird. Folgerichtig wird der Spannungsabfall an Widerstand 80 eine Spannung ei hervorrufen, die die Grenzen des Bereichs überschreitet, der keinen Frequenzgang aufweist, und die daher eine Verbindung der Strombegrenzerschaltung mit dem Verstärker 17 verursacht.
Wendet man das 1. Kirchhoff sehe Gesetz auf den Eingangsknmenpunkt 19 an, der virtuell bei Nullspannung liegt, dann ergibt sich:

s/R,= V₁/R₁-et/R_A+ E,/R₂

oder, wenn man den Spannungsabfall an den Dioden berücksichtigt,

eIRf= V/«,-(e, -A)IRa+(£,+(£, +A)ZR₂ ,
d.h.

+((£, +A)ZR₂+AlRa)Ri-et ■ R₁ZRa.

Die Verstärkerausgangsspannung ist daher sowohl eine Funktion von ei als auch von Va

Da Ea einen im wesentlichen kleineren Wert als Rf,

z. B. in einem Verhältnis 1/100 besitzen kann, und da wie erwähnt R„ d.h. der Widerstand 24 oder 25, nur geringfügig niedriger als Rr ist, herrscht die auf ei beruhende Regelungswirkung allgemein über die

V'iik ;ng von möglichen Spannungsschwankungen von Vfsoiange vor, wie e_t größer als der Schwellwert ist. Auf diese Weise wird eine wirkungsvolle Stromregelung erreicht. Solange auf der anderen Seite die Drehzahl des Motors im wesentlichen von dem gewünschten gleichbleibenden Wert abweicht, liefert die Spinnungsregelschaltung eine praktisch konstante Sättigungsspannung Vi,,,,, die ein ausreichendes Antriebsdrehmoment zur Beschleunigung des Motors bis dicht an die Solldrehzahl hervorruft.

In dem Fall, daß der Motor in die entgegengesetzte Richtung gestartet wird, lautet die Regelungsgleichung:

- elRr= - V₁IR,+ C₁IRi-E₁IR₁
oder genauer:

-c= V₁ ■ RJ R,

-((£", +A)IR,+Δ/R, +AIR,)
Rr+c, ■ R₁IR₁.

So lange wie e\ die Schwellwerte überschreitet, wirkt die regelnde Stromschaltung in beiden Fällen als Strombegreizer.

Wenn die Drehzahl des Motors einen Wert genügend dicht am Sollwert erreicht hat, nimmt die Speisespannung Vi und der Antriebsstrom ab, und die dem Antriebsstrom proportionale Spannung ei fällt unter den Schwellwert, und damit wird der Strombegrenzerkreis automatisch abgeschaltet. Die einzige nun arbeitende Regelung ist die Drehzahlregelung.

Die Bremsphase für ein Anhalten des Motors wird auch von dem Strombegren.ierkreis gesteuert und vollzieht sich unter konstanter Verzögerung.

Da jedoch ein Tachogenerator rLitt in der Lage ist, eine brauchbare Anzeige für eine Null — oder beinahe Nulldrehzahl zu liefern, wird das Zu- und Abschalten der Schaltung unterschiedlich gesteuert. Der Beginn der Bremsphase wird durch Unterbindung des Teil des Frequenz-Spannungs-Wandlers (Fig. 3) erhalten, der gerade ein Drehzahl regelndes Signal liefert, und durch Betätigen des gerade nicht arbeitenden Teil.

Auf diese Weise wird die an den Verstärker 17 angelegte Regelungsspannung umgekehrt. Daher wird auf den Motor 16 ein Bremsdrehmoment ausgeübt, das das von dem Frequenz-Spannungs-Wandler gelieferte Fehlersignal anwachsen läßt, um so weiterhin das Bremsdrehmoment zu steigern.

Das Anwachsen des Bremsstromes läßt die Spannung ei den Schwellwert überschreiten, um so automatisch die Stromregelungsschaltung einzuschalten. Das Bremsen vollzieht sich bei konstantem Strom und daher bei konstanter Verzögerung.

Nach einem vorausbestimmten Zeitintervall, das durch die Einrichtung einer monostabilen Schaltung erhalten wird, und entsprechend der geforderten Zeit zur Erreichung des Stoppzustandes wird auch der arbeitende Teil des Frequenz-Spannungs-Wandlers unterbunden, um so die drehzahlregelnde Spannung auf einen Nullwert zu bringen. Daher nimmt der Speisestrom für den Motor 16 ab, die Spannung ei wird kleiner als der Schwellwert, und die Strombegrenzerschaltung wird abgeschaltet.

Das einzige noch an dem Verstärkereingang anliegende Signal ist die Rückkopplungsspannung; daher liefert der Verstärker keinen Strom und hört auf zu arbeiten, womit auch der Motor zum Stillstand kommt.

Um die Beschreibung des Systems nach der Erfindung

zu vervollständigen, wird noch Hne kurze Beschreibung

'> der SUMcrungslogik gegeben, die die Arbeitsweise der Vo, ich'i.ing steuert.

In F i g. I ist die logische Schaltung schematisch durch

den Block 26 dargestellt, der zwei Eingangsklemmen 27 und 28 besitzt, wobei Klemme 27 zur Start-Stopp-Stenerung und Klemme 28 zur Steuerung des Vor- um¹ Rücklaufs dient.

F i g. 5 zeigt den logischen Schaltplan von Block 26. Er

enthalt zwei NOR-Gatter 101 und 102, die mit zwei Eingängen versehen sind, vier UND-Gatter 103, 104,

^|:> 105, 106, einen Inverter 107 und eine monostabile Schaltung 108.

Die Eingangsklemme 27 für das Start-Stopp-Signal ist mit einem ersten Eingang des UND-Gatters 103 und 106 und mit dem Eingang der monostabilen Schaltung 108 -'" verbunden.

Die Eingangsklemme 28 für das Vorlauf-Rücklauf-Signal ist direkt mit einem zweiten Eingang des UND-Gatters 103, mit einem ersten Eingang des UND-Gatters 105 und über den Inverter 107 mit einem ²^ ersten Eingang des UND-Gatters 104 und mit einem zweiten Eingang des UND-Gatters 106 verbunden.

Die zweiten Eingänge des UND-Gatters 104 und 105 sind mit dem Ausgang der monostabilen Schaltung 108 verbunden.

Die Ausgänge der UND-Gatter 103 und 104 sind mit Hilfe des NOR-Gatters 101 mit der Ausgangsklemme 73 zur Steuerung eines ersten Teils des Fehlergenerators, und die Ausgänge der UND-Gatter 105 und 106 sind über das NOR-Gatter 102 mit der Ausgangsklemme 75 zur Steuerung des zweiten Teils des Fehlergenerators verbunden.

die Arbeitsweise der Steuerlogik ist die folgende: Ein

an den Eingang 28 angelegtes binäres Signal bestimmt die Umlnufrichtung des Motors; z. B. setzt ein binärerer EINS-Pegel die UND-Gatter 103 und 105 und sperrt die UND-Gatter 106 und 104.

Ein an den Eingang 107 angelegtes Startsignal vom binären EINS-Pegel wird invertiert und über UND-Gatter 103 und NOR-Gatter 101 an die Klemme 73 übertragen, um so einen ersten Teil des Fehl: "signalgenerators 21, wie zuvor erläutert, in Betrieb zu setzen. Wenn dieses Startsignal entfernt wird. d. h. sein binärer Pegel geht nach NULL, läßt die an dem Eingang der monostabilen Schaltung 108 angelegte abfallende Flanke an ihrem Ausgang einen Impuls des binären EINS-Pegels von vorausbestimmter Dauer liefern. Dieser Impuls wird invertiert und über das UND-Gatter 105 und das NOR-Gatter 102 an die Klemme 75 übertragen. Dieses an den zweiten Teil des Fehlergenerators angelegte Signa! ruft das Bremsen und Anhalten des Motors hervor, wie zuvor erläutert wurde.

Wenn das an den Eingang 28 angelegte binäre Signal bei einem Pegel NULL liegt, dann wird auf die gleiche Weise das Start-Signal über das UND-Gatter 106 und das NOR-Gatter 102 an Klemme 76 angelegt, und das Stoppsignal wird über UND-Gatter 104 und NOR-Gatter 101 an Klemme 73 angelegt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I, Schaltungsanordnung zum Starten und Anhalten eines trägheitsarmen Gleichstrommotors unter konstanter Beschleunigung und zum Betreiben dieses Motors mit einer konstanten vorausbestimmten Drehzahl, wobei zumindest ein gegengekoppelter Verstärker, der einen Eingangsknotenpunkt sowie eine Ausgangsklemme für den Speisestrom zum Motor besitzt, ein Impulse mit einer Folgefrequenz proportional der Motordrehzahl liefernder Drehzahlgeber und eine Komparatorschaltungzum Liefern von zumindest einem Fehlersignal proportional der Differenz zwischen der Periode dieser Impulse und einer Bezugsperiode vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale: