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DE2619714A1 - Vorrichtung zum steuern von wechselstrommotoren - Google Patents

Vorrichtung zum steuern von wechselstrommotoren

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DE2619714A1
DE2619714A1 DE19762619714 DE2619714A DE2619714A1 DE 2619714 A1 DE2619714 A1 DE 2619714A1 DE 19762619714 DE19762619714 DE 19762619714 DE 2619714 A DE2619714 A DE 2619714A DE 2619714 A1 DE2619714 A1 DE 2619714A1
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European Atomic Energy Community Euratom
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Description

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28 013
Europäische Atomgemeinschaft "Euratom" } Europazentum, Kirchberg / Luxemburg
Vorrichtung zum Steuern von Wechselstrommotoren
Die Erfindung bezieht sich auf Steuervorrichtungen zum Steuern oder Synchronisieren der Umdrehung von Wechselstrommotoren.
Die hohe Präzision beim Steuern oder Synchronisieren der Umdrehung einer oder mehrerer Motorwellen ist ein wichtiges Problem auf den meisten verschiedenen, technischen Gebieten, z.B. der Papierherstellung, der Film-Kameraverschlüsse und der Filmtransportmotoren sowie synchronisierter Verschlüsse in Meßeinrichtungen. Asynchronmotor, welche den Vorteil haben, einfach, robust und relativ billig zu sein, sind leider nicht sehr geeignet für solche Anwendungen, weil deren Umdrehungsgeschwindigkeit durch Belastungsänderungen der Welle stark beeinflußbar sind.
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Aus der DT-OS 2 00β 36*2 ist es bekannt geworden, Synchron-Wechselstrommotore mit einem Bezugsimpulssignal zu synchronisieren, nämlich durch Vergleich der Phase dieses Signals mit den Phasen der von den Umdrehungen der Motorwellen hergeleiteten Impulssignale gleicher Frequenz wie das Bezugssignal. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird dazu benützt, mit einem Gleichstrom-Wechselstromumwandler die Phase der Ausgangswechse!spannung der Motorstromversorgung zu beeinflussen in einer Weise, daß die Umdrehung jeder Motorwelle synchrin mit der Phase des Bezugssignals gehalten wird. Da nur die Phase der Wechselspannung beeinflußbar ist, ist diese Technik zum Steuern von Synchron-Wechselstrommotoren nicht verwendbar.
Es gehört zu der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe, in einer wirtschaftlichen Weise eine kontinuierliche Regulierung für beides, nämlich für die Winkelgeschwindigkeit und für die Phase der Umdrehung einer oder mehrerer Motorwellen zu schaffen, um sie zum Gebrauch für beide Typen, nämlich sowohl für Synchron- als auch für Asynchron-Wechselstrommotoren bei ihren Anwendungen, bei denen eine hochpräzise Steuerung oder Synchronisation notwendig ist, durchführbar zu machen.
Erreicht wird dies durch Schaffung einer Vorrichtung zum Steuern von Wechselstrommotoren mit einer Rückkopplungsanordnung, bei welcher das Rückkopplungssignal das Ausgangssignal eines mit der Welle des Motors gekoppelten, teilweise mechanischen Impulsgenerators ist, erfindungsgemäß dadurch, daß das Rückkopplungssignal und ein Bezugssignal einem Mikro-Prozessor zugeführt werden, welchem auch das Ausgangssignal eines digitalen Taktgebers zugeführt wird, und daß der Mikro-Prozessor ermöglicht, Signale für die Steuerung der Frequenz und der Phase der den Motor zugeführten Wechselstromenergie durch Vergleich des Bezugssignals mit den Eintreff-Zeiten der Rückkopplungsimpulse ent-
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sprechend einer Digital-Taktgeber-Anzeige, zu bilden.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen:
Fig. 1 zeigt ein Block-Diagramm eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 2 zeigt ein detailliertes Block-Diagramm eines be- ' vorzugten Ausführungsbeispiels des Hauptimpulsgenerators, der in Fig. 1 gezeigten Steuervor-. .richtung,
Fig. 3 zeigt ein Block-Diagramm einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 4 stellt die Anwendung der Erfindung zum Synchronisieren der Umdrehung mehrerer Wechselstrommotoren dar.
In Fig. 1 kennzeichnet 11 einen Hauptimpulsgenerator mit einer hochgradigen Frequenzstabilität zum Erzeugen eines Bezugssignals -f -- als dessen Ausgangssignal, 12 bezeichnet den Motor und 13. die Motorstromversorgung, welche vorzugsweise aus einem Wechselstrom-Gleichstromumformer mit steuerbarer Ausgangsspannung sowie einem Gleichstrom-Wechselstromumwandler mit steuerbarer Ausgangsfrequenz und -phase besteht. Das Eezugssignal fref und ein Motorsignal, dessen Frequenz fmot proportional der Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle des Motors 12 ist, beide zusammen werden einem Mikro-Prozessor I^ derart zugeführt, daß ein Impuls auf jeder der zwei Signalleitungen eine Unterbrechung in dem Programm des Mikro-Prozessors verursachen.
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Der Mikro-Prozessor muß derart programmiert sein, daß er nachfolgende Funktionen ausführen kann:
Zu jeder Zeit, wenn eine Programmunterbrechung stattfindet, wird der Mikro-Prozessor die von einem Digital-Taktgeber 15 angezeigte Zeit ablesen. In seinem Gedächtnis (Informationsspeicher) wird er für jede der zwei Unterbrechungssignale eine zumindest aus zwei aufeinanderfolgenden Zeitangaben bestehende Folge speichern. Ausgehend von den zwei Zeitangaben-FoIgen wird er die Differenz bezüglich Frequenz und Phase zwischen fref und f . berechnen. Weiter wird der Mikro-Prozessor Steuersignale - vorzugsweise Folgen von sechs Impulsen - für die Stromversorgung des Motors 13 bilden, und er wird laufend die veranschlagten Differenzen bezüglich Frequenz und Phase zwischen frei> und f ^. zum Regulieren der Steuersignale derart benutzen, daß die Frequenz- und Phasendifferenzen konstant gehalten werden. Der Einfachheit der Beschreibung halber wird angenommen, daß die Frequenz der Signale f f.und fmot gleich sind. Es ist bekannt,daß bei einfachem Wiederprogrammieren der Mikro-Prozessor es ermöglichen kann, die Steuerfunktion zu verändern, nämlich dann, wenn das Verhältnis zwischen den zwei Frequenzen durch eine rationale Zahl ausgedrückt werden kann.
Eine veränderliche Umlaufgeschwindigkeit wird leicht durch Änderung der Frequenz fref erreicht. Dies muß jedoch derart erfolgen, daß die Stabilität der Frequenz und der Phase des Bezugssignals nicht gefährdet wird. Um dies zu erreichen,ist ein Anordnen des Hauptgenerators in der in Fig. 2 gezeigten Weise besonders vorteilhaft. In Fig. 2 wird ein phasenstarrer Oszillator 22 durch ein Signal f Q eines kristallgesteuerten Oszillators 21 und durch ein Signal gesteuert, welches durch Teilung der Frequenz des Ausgangssignals des phasenstarren
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Oszillators durch eine ganze Zahl m eines geeigneten elektronischen Kreises 2j5 gebildet ist. Der Wert der ganzen Zahl kann von außerhalb des Hauptgenerators durch Anwendung gut bekannter Mittel kontrolliert (gesteuert) werden. Die Steuerung des phasenstarren Oszillators wird derart erreicht, daß die Frequenz seines Ausgangssignals aus dem konstanten Wert f „,_ aufrechterhalten wird. Die Frequenz des Ausgangssingals des phasenstarren Oszillators kann durch eine feste ganze Zahl m in einem geeigneten Kreis 24 geteilt werden, wenn dies aus technischen Gründen wünschenswert erscheint, z.B. um den Wert von f passend zu machen.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungsform ist besonders vorteilhaft dann, wenn die Erfindung zum Steuern eines in einer beträchtlichen Entfernung vom Platz, wo die Justierung der gewünschten Umdrehungsgeschwindigkeit stattfindet, angeordneten Motors benutzt wird. Wenn in einem solchen Fall der Hauptgenerator dort angeordnet ist, wo die Justierung der Umlaufgeschwindigkeit erfolgt, und daßerdem die anderen Kreise nahe dem Motor angeordnet sind, ist das Bezugssignal das alleinige, zwischen den zwei Teilen der Steuervorrichtung zu übertragende Signal. Der Mikro-Prozessor kann leicht dazu programmiert v/erden zu prüfen, ob nicht das Bezugssignal durch Geräusch zerstört worden ist. Dazu kann es durch technisch einfache Mittel übertragen werden.
In anderen Fällen als den Vorhergehenden kann das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung wirtschaftlich vorteilhaft sein.
Der Unterschied zwischen den zwei in Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, daß bei der in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsform der Hauptgenerator durch
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Mittel 38 ersetzt ist, nämlich zum Versorgen des Mikroprozessors mit der gewünschten Umlaufgeschwindigkeit in Form einer numerischen Konstanten, die z.B. die Zahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit ausdrückt; diese Mittel bestehen bevorzugt aus einer geeigneten Anzahl von Schaltern, mit Je 10 Einstellungen, welche so eingestellt werden können, daß sie diese numerische Konstante anzeigen, sowie eine aus einer Taste, durch welche eine Unterbrechung des Programms des Mikro-Prozessors dann erreicht v/erden kann, wenn ein neuer Wert der Umdrehungsgeschwindigkeit gewählt worden ist.
In diesem Fall ist der Mikro-Prozessor in der Weise zu programmieren, daß zu jeder Zeit eine neue Umdrehungsgeschwindigkeit gewählt und vom Mikro-Prozessor abgelesen werden kann, um in ein entsprechendes numerisches Äquivalent zu l/?ref umgewandelt zu werden. Zu jeder Zeit, wenn das Motorsignal eine Unterbrechung im Programm des Mikro-Prozessors verursacht wird nicht nur eine Zahl von den Kontakten des Digital-Taktgebers abgelesen ^sondern auch ein neues Element in einer Folge von Zahlen berechnet, welche durch Hinzuaddieren des numerischen Äquivalents von l/fref zu dem letzten Element dieser Serie fref darstellen.
Die Erfindung ist ideal geeignet zum Synchronisieren mehrerer Wechselstrommotoren und zwar unabhängig von ihrer Ortslage zueinander. In diesem Falle wird die in Fig. 4 gezeigte Anordnung vorteilhafterweise angewendet.
In Fig» 4 stellt 41 einen für alle Steuervorrichtungen gemeinsamen Taktgeber dar. 40 stellen gemeinsame Mittel zum Versorgen von Informationen über die gewünschte Umlaufgeschwindigkeit entweder als fref. oder als Zahl der Umdrehungen pro Zeit-
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einheit, Je nach dem, welche der in den Fig. 1 und 3 ge- ' zeigten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung benutzt wird. 43 und 43' stellen die hauptsächlich in den Pig. 1 und 3 gezeigten Vorrichtungen aber ohne Digital-Taktgeber und ohne Mittel zum Versorgen mit Informationen über die gewünschte Umlaufgeschwindigkeit dar, während 42 und 42' zwei der zu synchronisierenden Motore darstellen. Durch Benutzung eines gemeinsamen Digital-Taktgebers einer gemeinsamen Quelle der Information über die gewünschte Umlaufgeschwindigkeit zur Erzeugung der Motorfrequenz fmot und gleiche Programme für den Mikro-Prozessor ist sichergestellt, daß die Motore immer mit Energie in einer Weise versorgt werden, daß alle Motorsignale synchron gehalten werden. Deshalb wird, wenn die einmal gewünschte Synchronisierung festgesetzt worden ist, diese solange aufrechterhalten, wie das Funktionieren aller Elemente der Einrichtung aufrechterhalten bleibt. Die Anfangssynchronisation der Motore kann im Bedarfsfalle durch verschiedene mechanische oder elektrische Mittel erreicht werden - z.B. durch Drehung der Statore oder der statischen Teile derjenigen Mittel, die für die Erzeugung der Motorsignale benutzt werden oder durch Signale an die Steuervorrichtung, eine Anzahl von Impulsen entweder vom Motorsignal oder vom Bezugssignal, soweit vorhanden, zu ignorieren. Andere Wege zur Erreichung einer Anfangssynchronisation können leicht von einem zuständigen Fachmann erreicht werden. .
Wenn ein großes Ausmaß an Änderung der Umlaufgeschwindigkeit des Motors gewünscht wird, ist es notwendig, die Ausgangsspannung der Motorstromversorgung zum Anpassen an die, in den Stator-Spulen des Motors induzierte elektromotorische Kraft, auf die gewünschte Umlaufgeschwindigkeit zu justieren. Auch wenn der Motor gestartet wird, ist es wünschenswert, die Versorgungs-
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spannung allmählich zu steigern,um ein weiches Anlaufen des Motors zu erreichen. Dieses Problem wird ohne weiteres mit Mitteln nach der Erfindung in der nachfolgenden Weise gelöst.
Zu jeder Zeit berechnet der Mikro-Prozessor die Frequenz des Motorsignals, d.h. er berechnet also ein numerisches Äquivalent zu der Versorgungsspannung, am idealsten betrachtet, zu der tatsächlichen Umdrehungsgeschwindigkeit. Die Umwandlung des veranschlagten numerischen Äquivalents in die gewünschte 'Versorgungsspannung erfolgt, bevorzugt durch Einsetzen eines Digital-Analog-Umwandlers 16 oder 36, nämlich für die Umwandlung des numerischen Äquivalents der Versorgungsspannung in eine Spannung oder einen elektrischen Strom, welche geeignet sind, um als Einstellpunkt - Signal für den Spannungs-Steuerkreis benutzt zu werden,vorzugsweise um in den Wechselstrom-Gleichstromumwandler eingefügt zu werden, welcher vorzugsweise einen Teil der Motorstromversorgung darstellt.
Die Steuerung der Motorversorgungsspannung kann weiter verbessert werden,um eine gewünschte Beziehung zwischen der Umdrehungsgeschwindigkeit- des Motors und dem Maximum des Drehmoments des Motors zu erreichen. Vorzugsweise wird dies einmal durch Messen des entweder Wechselstroms in einem der Stator-Spulen des Motors oder des Gleichstroms getan, der zwischen dem Wechselstrom-Gleichstrom- und dem Gleichstrom-Wechselstromumwandler der Motorversorgung fließt, weiter durch Umwandeln des gemessenen Stroms mit Hilfe eines Analog-Digital-Umwandlers 17 oder J57 in ein numerisches Äquivalent und zum anderen durch Eingeben dieses numerischen Äquivalents in des Mikro-Prozessor in der Weise, daß jedes Mal, wenn dieser das numerische Äquivalent der Versorgungsspannung zum Anpassen an die tatsächliche Umdrehungsgeschwindigkeit berechnet hat, er das numerische Äquivalent des
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Stromes zum Verändern des numerischen Äquivalents der Ver-" sorgungsspannung benutzt und zwar bevor er es dem Digital-Analog- Umwandler in einer Weise zuführt, daß der Wechselstrom in den Stator-Spulen des Motors entsprechend dem gewünschten Drehmoment bei dieser besonderen Umlaufgeschwindigkeit gemacht ist. Falls für Überwachungszwecke gewünscht wird, ein oder mehrere der Parameter in numerischen Formen darzustellen, wie z.B. die Umdrehungsgeschwindigkeit, die Motorversorgungsspannung und der Motorstrom, dann kann dies leicht in einer preiswerten Form dadurch erreicht werden, daß eine angemessene Zahl von Ausgangskontakten am Mikro-Prozessor vorgesehen wird, an die ein oder mehrere numerische Darstellungen angelegt werden können und über die der Mikroprozessor ein oder mehrere numerische Äquivalente von schon in seinem Gedächtnis vorhandenen Parametern abgeben kann.
Es muß jedoch erwähnt werden, daß ohne eine Spezialmessung zu machen, das numerische Äquivalent der Motorversorgungsspannung nicht das numerische Äquivalent der tatsächlich vorhandenen Spannung ist, sondern vielmehr das numerische Äquivalent des Einstellpunktes des Spannungsregulators und deshalb in keiner Weise bestätigt, daß die gewünschte Spannung die tatsächlich vorhandene Spannung ist. Durch geeignete Programmierung des Mikro-Prozessors kann der dargestellte numerische Wert durch irgendeine Messeinheit ausgedrückt werden. Wenn es aus wirtschaftlichen Gründen wünschenswert ist, kann eine gemeinsame Darstellung zum Darstellen mehrerer als nur eines Parameters mittels ausgewählter Schaltmittel benutzt werden.
In allen Ausführungsformen der Erfindung muß der Mikro-Prozessor die Bedingung erfüllen, daß die Laufzeit des Steuerprogramms kleiner sein wird, als der Reziprok-Wert des Produkts aus der Frequenz des Wechselstroms zum Speisen des Motors und
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der Anzahl der Impulsfolgei zum Steuern des Gleichstrom-Wechselstromumwandlers der Motorstromversorgung - z.B. 100 cps und 6 Impulse geben eine maximale Laufzeit: 1/6 χ 100 s = 16,7 ms.
Im Fall, daß es unmöglich ist, die Laufzeit des vollkommenen Steuerprogramms genügend kurz zu machen, wird es notwendig sein, einige der Steuerfunktionen über verschiedene Durchläufe des Steuerprogramms zu verteilen - z.B. kann in einem Lauf "Das auf den neuesten Stand Bringen" der numerischen Äquivalente der Versorgungsspannung erfolgen und im nächsten Lauf das Resultat der Strommessung korrigiert und dem Digital-Analog-Umwandler zugeführt werden.
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Claims (7)

  1. 26197U - li -
    Patentansprüche
    I.) Steuervorrichtung für einen Wechselstrom-Motor mit ner Rückkopplungs-Anordnung, bei welcher das Ausgangssignal eines mit der Welle des Motors gekoppelten, teilweise mechanischen Impulsgenerators das Rückkopplungssignal bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungssignal (17) und ein Bezugssignal einem Mikro-Prozessor (14) zugeführt werden, welchem auch das Ausgangssignal eines Digital-Taktgebers (15) zugeführt wird, und daß der Mikro-Prozessor (14) ermöglicht, Signale für die Steuerung der Frequenz und der Phase der den Motor (12) speisenden Wechselstrom-Energie durch Vergleich des Bezugssignals mit den Eintreff-Zeiten der Rückkopplungsimpulse entsprechend der Digital--Taktgeber-Anzeige zu bilden.
  2. 2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugsnormal das Ausgangssignal eines Impuls-Generators (-11) ist.
  3. 3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugsnormal eine numerische Konstante ist.
  4. 4. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein numerisches Äquivalent zu der Motorversorgungsspannung einem zweiten Satz Ausgangskontakten des Mikro-Prozessors (14) entnommen wird, und daß der Mikro-Prozessor ermöglicht, das numerische Äquivalent derart zu berechnen, daß es der gewählten Geschwindigkeit des Motors (12) entspricht.
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    26197U
  5. 5. Steuervorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Erzeugen eines numerischen Äquivalents zu dem Motor-Betriebsstrom vorgesehen sind,und daß der Mikro-Prozessor ermöglicht, in Abhängigkeit vom numerischen Äquivalent des elektrischen Stroms das numerische Äquivalent der Versorgungsspannung abzuändern.
  6. 6. Steuervorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennze lehnet, daß ein oder mehrere numerische Anzeigen an einem dritten Satz Ausgangskontakte des Mikro-Prozessors gelegt sind.
  7. 7. Verfahren zum Synchronisieren mehrerer Wechselstrom-Motoren naqh einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Motor (42, 42') ein Mikro-Prozessor (43* 43') vorgesehen ist, und daß alle Mikro-Prozessoren mit einem gemeinsamen Taktgeber (41) und einer gemeinsamen Bezugsquelle (40) verbunden sind.
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