DE2625937C2

DE2625937C2 - Anordnung zur Steuerung der Umfangsgeschwindigkeit von rotierenden Objekten

Info

Publication number: DE2625937C2
Application number: DE2625937A
Authority: DE
Inventors: Lars-Göran Dipl.-Ing. Västerås Larsson; Frede Dipl.-Ing. Västeraas Sörensen
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1975-06-17
Filing date: 1976-06-10
Publication date: 1985-11-14
Also published as: SE395844B; US4097787A; IT1062336B; SE7506926L; DE2625937A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung der Umfangsgeschwindigkeit von rotierenden Objekten, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Drehzahlsteuerung eines Antriebs für derartige Objekte, wie beispielsweise einer Schleifscheibe, besteht ein Problem darin, daß-man die Größe des Durchmessers des angetriebenen Objektes nieiit genau kennt Um diesen Durchmesser zu messen, ist es bekannt, Kontaktmessungen an Schleifscheiben vorzunehmen. Eine solche Meßeinrichtung ist jedoch aufwendig, und das Meßergebnis ist häufig unsicher. Es ist ferner bekannt, den Scheibendurchmesser fotoelektrisch zu messen und diese Meßsignale zur Drehzahlsteuerung zu verwenden.

Eine solche Anordnung funktioniert jedoch nur unter idealen äußeren Verhältnissen störungsfrei. Bei anderen rotierenden Objekten oder Werkzeugen, bei denen man die Umfangsgeschwindigkeit steuern möchte, also beispielsweise eine konstante Umfangsgeschwindigkeit haben möchte, sind die Verhältnisse ähnlich. Bei Schleifscheiben beispielsweise kennt man den genauen Durchmesser nicht, da die Schleifscheibe sukzessiv abgenutzt wird.

Aus der DE-AS 14 63 590 ist eine Schneidvorrichtung für ein Walzwerk bekannt, durch weiche das in Bewegung befindliche Walzgut in bestimmte Längen zerschnitten wird. Zu diesem Zweck müssen die Seherenmesser vor jedem Schneidvorgang auf eine Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt werden, die der Geschwindigkeit des Walzgutes entspricht Zwischen zwei Schneidvorgängen werden die Schereninesser stillgesetzt Bei der bekannten Vorrichtung wird der Antriebsstrom für die Scherenmesser gemessen und für ciiie untergelagerte Stromregelung verwendet, wobei die Regelabweichung des die Regelgröße darstellenden Stromes über einen proportional-integralen Regler verarbeitet wird. Das Problem der Regelung einer Umfangsgeschwindigkeit in Abhängigkeit eines sich ändernden Durchmessers tritt bei dieser bekannten Vorrichtung nicht auf, und es ist auch gleichgültig, welches Zeitintervall benötigt wird, um die rotierenden Scherenmesser aus dem Stillstand auf die notwendige Umfangsgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Gemäß der DE-OS 19 38 824 ist es in der Kraftfahrzeugtechnik bekannt, durch kurzzeitiges Abbremsen rotierender Massen Kenndaten eines Drehantriebes zu ermitteln.

Aus der DE-OS 20 60 227 ist es bekannt, den variierenden Durchmesser eines rotierenden Körpers abzutasten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung der der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit der die Umfangsgeschwindigkeit bei einem sich in seinem Durchmesser verändernden Objekt in einfacher und zuverlässiger Weise auf einen gewünschten Wert gesteuert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung nach Jem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Aufgrund der genannten Integration über eine bestimmte Zeit kann man durch Zusammensetzung der teils bei der Verzögerung und teils bei der Beschleunigung auftretenden Verluste die verlustbedingten Momente bzw. Ströme ganz oder teilweise eliminieren, wodurch man ein verlustkompensiertes Meßsystem erhält. Man nimmt hierbei eine Initialeinstellung vor und erhält ein zusammengesetztes Signal, das während einer gewissen Zeit, beispielsweise 1 Minute oder 15 Minuten, je nachdem welcher Art das Objekt ist und welche Betriebsverhältnisse herrschen, als Steuersignal für die Drehzahl über den Funktionsgenerator wirken kann, Nach diesem Zeitabschnitt kann man ein neues Steuersignal erzeugen und erhält eine betriebssichere Steuerung des Objektes auf — oder im wesentlichen auf — die gewünschte Umfangsgeschwindigkeit. Am einfachsten wird die Kompensation, wenn man gleiche Zeitintervalle für die Verzögerung und Beschleunigung wählt, wobei eine vollkommene Beseitigung der Verluste eintreten kann.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 Diagramme zur Erläuterung der Gewinnung eines Steuersignals für die Drehzahl,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Anordnung gemäß der Erfindung.

Zur Gewinnung von Steuersignalen wird bei konstanter Verzögerung und Beschleunigung das zugeführte

Drehmoment oder der zugeführte Strom (M_n, bzw. M₃ und /_r bzw. I_a) zeitintegriert. Bei einem Gleichstromantriebsmotor gilt der Zusammenhang: M=Jt - Φ ■ I= k ■ I_n, ■ I, wobei k eine Maschinenkonstante, Φ oder Fluß, I_m der Magnetisierungsstrom und /der Ankerstrom ist Wird I_n, durch Feldstromregelung konstant gehalten, was man in diesem Fall anstrebt, so wird M proportional /. Man kann somit ein Momentsignal erhalten, indem man den Ankerstrom /mißt Im Prinzip sind die Verluste bei der Verzögerung wie bei der Beschleunigung gleich.

Indem man sowohl für die Verzögerung als auch für die Beschleunigung ein kurzes Zeitintervall wählt, kann man mit einer konstanten Verzögerung und Beschleunigung, also mit geraden Kurvenabschnitten konstanter Neigung rechnen,

In F i g. 1 ist die Winkelgeschwindigkeit ω über der Zeit t aufgetragen. Es gilt *y=—, wobei ν die Umfangsge-

schwindikeit und r der Padius ist Die Verzögerung findet zwischen den Zeitpunkten fi und t₂ statt und die Beschleunigung zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃. Die Höchstgeschwindigkeit ist a)\ und die Mindestgeschwindigkeit Ott- Man erhält

_ _o ω 1 — o>2

mittel /3 /1

M_miuel (mittleres Moment für Vö)

'2

Γ _f „ _M . 1

J W*« + «/) α' + -ΓΖΓΓ

Beschleunigung und Verzögerung) ~ ~ —"T" J υβ« - */J «' τ TTT J ^- ^T »/-f«' ·

Ist(^rf2—ii)=<'i3—i2),so erhält man eine Kompensation von JAi/·· di.
Für das Grundträgheitsmoment J₀ gilt:

25 , _ Λ/miltel

de»

d/

mittel

Das Grundträgheitsmoment /0 ist das axiale Trägheitsmoment der gesamten rotierenden Einrichtung mit Ausnahme des in seinem Durchmesser sich ändernden Objektes, z. B. eine sich abnutzende Schleifscheibe. Diese Einrichtung besteht also aus dem Antriebssystem, dessen Transmission und Befestigungsvorrichtungen sowie solchen Verstärkungen (z. B. Flansche oder Verstärkungsplatten) am angetriebenen Objekt, die nicht der homogenen Struktur des angetriebenen Objektes entsprechen. In der angegebenen Gleichung für /0 ist also die Messung zur Gewinnung des Wertes Mohne aufgesetzte Schleifscheibe durchzuführen. Alternativ kann /0 auch definiert werden als das Trägheitsmoment der gesamten Einrichtung mit aufgesetzter Schleifscheibe, wenn diese ihren kleinsten Durchmesser hat

Aus dem unteren Diagramm in F i g. 1 erkennt man, daß im Verzögerungsfall M_rc, die Kurve M_n, um Mi verringert wird, während die Kurve M₁ im Beschleunigungsfall um Mr vergrößert wird. Die gestrichelten Flächen in den M„_r und Λί,-Intervallen sind gleich groß, haben jedoch entgegengesetztes Vorzeichen. Man erhält also durch Integration von M_rei und M₁ über die Zeit, wenn die Zeitintervalle gleich groß sind, eine Eliminierung der Verluste.

Es gelten die folgenden Funktionszusammenhänge:

ν = ω · r (2)

dabei ist J(r} das Trägheitsmoment der rotierbaren Einrichtung mit aufgesetzter Schleifscheibe, deren Radius r beträgt

Der Momenten- oder Strombedarf des Systems zur Verzögei ung und Beschleunigung ohne den durchmesservariablen Teil des angetriebenen Objektes (Schleifscheibe) wird also durch Integration über die Zpit mit entgegengesetztem Vorzeichen so eingeführt, daß das gemessene Momenten- und Stromintegral für konstante Verzögerung und Beschleunigung des kompletten Systems einschließlich des durchmesservariablen Teils des angetriebenen Objektes einen Wert ergibt, der nur dem durchmesservariablen Teil des Systems gemäß Gleichung (1) entspricht

Man scheidet also durch Einführung eines entsprechenden Gegensignals die Teile der rotierenden Massen aus, deren Durchmesser sich nicht ändert. Dadurch daß diese Teile bei der Gewinnung eines Sollwertes für die so Drehzahlsteuerung eliminiert werden, wird das System empfindlicher gegenüber Durchmesservariationet« des durchmesservariablen Objektes. Der gewonnene Sollwert bzw. das Steuersignal hat einen solchen Genauigkeitsgrad, daß eine genaue Regelung bzw. Steuerung auf konstante Umfangsgeschwindigkeit möglich ist. Dadurch daß man dieses Steuer- bzw. Sollwertsignal bei Schleifscheiben beispielsweise nach je 15 Minuten durch eine erneute Messung neu festlegt, kann die Durchmes?erverminderung von Schleifscheiben während des Verschleißes gut beobach'e.t werden.

Der Ankerstrom ist leichter und mit einer einfacheren Einrichtung meßbar als das Drehmoment. Allerdings stellt die Messung des Ankerstromes nur eine akzeptable Methode mit angenäherter Genauigkeit dar. Fig. 2

zeigt einen Gleichstrommotor It mit einer getrennt erregten Magnetisierungswicklung, die vom Magnetisierungsstrom I_m durchflossen wird. Der Motor treibt eine Schleifscheibe 12 an, deren Umfangsgeschwindigkeit man während der gesamten Verschleißdauer konstant halten will.

Während gewisser, von der Bedienungsperson oder automatisch festgelegter Zeitabstände wird das System durch eine entsprechende Steuereinrichtung in der beschriebenen Weise verzögert und beschleunigt. Während dieses Vorgangs wird der Ankerstrom /gemessen, und der Meßwert (siehe Fig. 1) wird in einem Integrator (13) integriert. Das Ausgangssignal t/des Integrators 13 wird auf einen Funktionsgenerator 14 gegeben, der ein der Große Uentsprechendes Geschwindigkeitssignal ν für die Geschwindigkeitssteuerung (Drehzahlsteuerung) des Motors erzeugt. Dieses Signal wird in bekannter Weise einer Steuer- oder Regelvorrichtung für den Motor 11 zugeführt.

Das Signal ν (oder U) wird in einem nicht dargestellten Speicher festgehalten, wo es so lange gespeichert

bleibt, bis ein neues Signal durch einen neuen Meßvorgang gewonnen wird. Dieses neue Signal ersetzt das frühere Signal im Speicher, falls es nicht außerhalb gewisser vorgegebener Grenzen liegt. Sollte letzteres der Fall sein, so wird von oder über den Funktionsgenerator ein Signal geliefert, das einer neuen Schleifscheibe mit maximalem Durchmesser entspricht.

Der Funktionsgenerator 14 ist normalerweise nicht an einen bestimmten Durchmesser gebunden. Er muß

daher für verschiedene Durchmesser kalibrierbar sein. Dies kann in der Weise geschehen, daß eine neue Scheibe mit bekanntem Durchmesser verzögert und beschleunigt wird. Wenn dabei das Ausgangssignal ν von dem entsprechenden Ausgangssignal O abweicht, was in dem Vergleichsgüed 15 festgestellt wird, dann wird mittels eines Motors 16 ein Potentiometer 17 zwischen dem Integrator 13 und dem Funktionsgenerator 14 verstellt.

Die Intervalle für die Signalgewinnung, wie oben angegeben, sind lediglich Beispiele, die je nach Art des Objektes und der herrschenden Betriebsverhältnisse variiert werden können.

Ein zum Aufrechterhalten einer konstanten Umfangsgeschwindigkeit des sich im Durchmesser verminderten angetriebenen Objektes(12 in Fig. 2)erforderlicher Drehzahlzuschuß wird aufgrund folgender Zusammenhänge gebildet:

(Jo+J)- -£j-=M₃ + M/= /noi + IVx-(Wk, + mn)

M₁ ist das Gesamtmoment bei der Beschleunigung und ΛΖ/das betreffende Verlustmoment, moi ist das Teilmoment ausschließlich des angetriebenen Objektes, und /n/o ist das entsprechende Verlustmoment. /Πι und mn sind die entsprechenden Teilmomente für das angetriebene Objekt. / ist das Trägheitsmoment des angetriebenen Objektes.

Bei der Verzögerung (M_rcl) gilt entsprechend:

(Ji +J} ^f= Mrc, + Mr- nks +!Hi-(HiXi+.ma)

Das Grundträgheitsmoment Jo wird durch eine separate Messung, wie oben beschrieben, bei einem Verzögerungs- und Beschleunigungsvorgang des Systems ohne das angetriebene Objekt eliminiert, so daß man den folgenden Zusammenhang erhält:

^/o-dT⁼—2— ⁽¹⁾

Das obige Teilmoment wird als eine konstante und entgegenwirkende Größe in die Meßeinheit eingeführt, so daß die folgenden Messungen bei Verzögerungs- und Beschleunigungsvorgängen mit dem angetriebenen Objekt den folgenden Zusammenhang bilden:

, du) /T7i+ffl2 /_Ox

J ■ _df - 2 ^W

Die vorstehenden Gleichungen (1), (2) gelten, wenn die belastenden Momente (Friktion, Luftwiderstand usw. im System) während der Messungen bei der Verzögerung und Beschleunigung eliminiert sind. Dies ist eine mit großer Genauigkeit geltende Vorraussetzung, da die Momente während des Messens in einem kurzen Zeitintervall integriert werden. Der Meßvorgang geschieht somit durch Integration der Momente im Drehzahlintervall ω\—ύ)2 während der Zeit ii —fj, was durch eine geregelte und konstante Verzögerung bzw. Beschleunigung erreicht wird.

Ferner gilt, daß die »Maschinenkonstante« k (siehe oben) für das Antriebssystem während des Meßverlaufes durch Regelung konstant gehalten werden soll (z. B. geregelter und konstanter Feldstrom I_n, für eine Gleichstrommaschine).
Unter dieser Voraussetzung gilt somit, daß

(Jo+J)-(Ix + h)=(i\o+ho)+(i\ +/2).

wobei /10 und /20 die Teilströme sind, die auf den nicht durchmesservariablen Teil des angetriebenen Systems bei der Beschleunigung (1) bzw. der Verzögerung (2) entfallen. /Ί und h sind die entsprechenden Teilströme, die auf die durchmesservariablen Teile entfallen.

Jo-(Ho + '2o)
/ ~ (i\ +h)=li + h- 0\ o + im)~U

t/ist das Ausgangssignal des Integrators 13.

Das Trägheitsmoment / ändert sich mit dem Radius r des angetriebenen Objektes unter der Voraussetzung, daß das angetriebene Objekt ein homogener Zylinder mit planparallelen Seiten ist, wie folgt:

J~r*~U (3)

Ferner gilt für ein konstantes Einhalten der Umfangsgeschwindigkeit des angetriebenen Objektes, daß dessen Winkelgeschwindigkeit ω sich im Intervall r,„_lx> r> r_mm umgekehrt proportional mit dem Radius des angetriebenen Objektes ändert (— J.

Die erforderliche Drehzahlerhöhung für die Verkleinerung des Radius, bezogen auf r_mjv, ergibt sich aus dem Zusammenhang:

ω - <·>„,„ ₌ f r_maK _ Λ

Vmin \ r /

Da gemäß Gleichung (3) gilt:

ergibt sich:

!/Χ- 1 (4)

o>_mi„

für 1 > U> L/_m,„undiy_m,„ <ω <a?_mlx

Die erforderliche Drehzahlerhöhung kann somit gemäß Gleichung (4) durch einen Funktionsgenerator aus dem Signal U als steuernder Größe gewonnen werden.

Dem Signal Uentspricht das gespeicherte Signal von der zeitintegrierten Momenten- oder Stromzufuhr zum Antriebssystem, das erforderlich ist, um nur das Trägheitsmoment des angetriebenen Objektes zu verzögern und zu beschleunigen.

Der hierdurch erhaltene Drehzahlzuschuß wird unter gewissen Bedingungen in einem Speicher mit Grenzwertvorrichtungen gespeichert und mit dem ermittelten Drehzahlzuschuß der folgenden Messung verglichen, der unter gewissen Bedingungen nur dann in dem Speicher gespeichert wird, wenn der neue Zuschuß innerhalb im voraus eingestellter Grenzwerte liegt. Dies sind also die einstellbaren Bedingungen, und liegt ein Signal U oder ν außerhalb dieser Bedingungen, so wird — im Beispiel der Schleifscheibe — stattdessen ein Signal für eine neue Scheibe mit maximalem Durchmesser eingestellt.

Der akzeptierte Drehzahlzuschuß in dem Speicher (nicht gezeigt) wird anschließend dem Antriebssystem als ein Zuschußsollwert zugeführt. Durch Kalibrierung, wie sie oben beschrieben wurde, kann eine veränderte Dichte und Breite der Schleifscheibe berücksichtigt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung der Umfangsgeschwindigkeit von rotierenden Objekten, deren Durchmesser sich verändern kann, zum Beispiel eine Schleifscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebssystem mit dem rotierenden Objekt während eines bestimmten Zeitintervalles zunächst verzögert und dann beschleunigt wird oder umgekehrt, daß während dieses Vorganges der dem Antriebssystem zugeführte StTGm oder das zugeführte Drehmoment über der Zeit in einem Integrator (13) integriert wird und daß das Ausgangssignal £/des Integrators (13) einem Funktionsgenerator (14) zugeführt wird, welcher das Signal U zu einer Steuergröße für die Drehzahl des rotierenden Objektes (12) umrechnet

ίο

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eliminierung der Verlustmomente in

dem Ausgangssignal t/des Integrators die Integrationszeiten während der Verzögerung und der Beschleunigung gleich groß sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Integrationsvorgang bei nicht angekoppeltem anzutreibendem Objekt durchgeführt wird und das so gewonnene Grundsignal von dem bei der Integration mit angekoppelten anzutreibenden Objekt gewonnenen Meßwert subtrahiert wird.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 —3 beim Antrieb von Schleifscheiben, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korrekturfaktor zur Änderung des Ausgangssignals des Funktionsgenerators (14) in Abhängigkeit der Dichte und Breite der Schleifscheibe (12) eingestellt werden kann.