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Um einen Gegenstand, beispielsweise einen Beleg
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innerhalb einer Geschäftsmaschine, rasch und mit hoher Genauigkeit
auf eine gewünschte Zielposition einzustellen, wurden in der Vergangenheit häufig
Schrittschaltmotoren verwendet. Solche Motoren und die für den Betrieb derselben
erforderlichen Steuerschaltungen sind jedoch nicht nur relativ teuer, sondern weisen
auch den Nachteil auf, daß ein rasches Anlaufen und Anhalten nicht ohne weiteres
möglich ist, da sie sehr stark zum Oberschwingen neigen.
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Aus diesem Grunde werden für den Antrieb von genau zu positionierenden
Gegenständen häufig auch Gleichstrommotoren verwendet. So ist beispielsweise aus
der DE-OS 22 46 543 eine Vorrichtung zum Abbremsen eines längs einer Bahn schnell
in eine definierte Endstellung zu bewegenden Bandes bekannt, bei der ein in seiner
Geschwindigkeit steuerbarer Gleichstrommotor verwendet wird. In dieser Vorrichtung
ist ein Geber für ein der jeweiligen Geschwindigkeit des Bandes entsprechendes Signal
und ein Geber für ein der bis zum Erreichen der Endstellung zurückzulegenden Weglänge
entsprechendes Signal vorgesehen. Diesem Weglängengeber ist ein Speicher für den
Zusammenhang zwischen den zulässigen Geschwindigkeitswerten und den bis zum Erreichen
der Endstellung zurückzulegenden Weglängen zugeordnet und mittels einer Vergleichsvorrichtung
wird das Signal für die jeweilige Geschwindigkeit des Bandes mit einem Signal für
die zulässige Geschwindigkeit verglichen. Die Bestromung des Motors erfolgt dann
entsprechend dem Ergebnis dieses Vergleichs.
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Bei einem solchen Antriebssystem, bei welchem eine zeitoptimale Abbremsung
nach einer vorgegebenen Funktion des Geschwindigkeitsverlaufs in Abhängigkeit von
der Entfernung zum Ziel bei gleichzeitiger Einhaltung enger Toleranzgrenzen
der
Zielgenauigkeit erfolgen soll, werden relativ teure-Servomotoren-in-der Art von
Glocken- und Scheibenläufermotoren benötigt.'.
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-Der-:Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Positionierregelungssystem
für einen gleichstrommotorisch angetriebenen Transportmechanismus der eingangs genannten
Art derart. 'auszugestalten') daß auch relativ einfache Gleich strommotoren. mit
Permanentmagneterregung und Eisenläufer, wie sie beispielsweise in' der Spielzeugbranche
verwendet werden,r. angewandt' werden können, ohne die Positioniergenauigkeit auch
bei wechse-lnder Last und sich ändernden Umgebungsbedingungen-zu beeinträchtigen.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 definierte Erfindung
gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben-sich aus den Unteransprüchen
und aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen.
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Positioniersystems besteht nicht nur darin, daß sich ein zusätzlicher-Tachogenerator
zur Ermittlung der jeweiligen Drehgeschwindigkeit des Motors erübrigt, sondern daß.
durch die Ausregelung der. Impulsperiodenzeit anstelle der Geschwindigkeit der Regelkreis
ein nicht lineares Verhalten erhält, welches sich dahingehend auswirkt, daß die
Verstärkung des Regelkreises mit Annäherung an die Zielposition ansteigt, wodurch
eine größere Zielgenauigkeit erreicht wird.
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Ein weiterer--Vorteil besteht darin, daß infolge der speziellen Funktion
der Vorgabewerte für die Impulsperiodenzeit die Abschaltung des Motors kurz vor
der eigentlichen Zielposition praktisch im spannungs- bzw. stromlosen Zustand erfolgen
kann, so daß das Auslaufen des Motors von einer minimalen Endgeschwindigkeit bis
auf die Geschwindigkeit Null-lediglich dürc'hdie Systenreibung und nicht durch
elektrodvnamische
Abschaltvorgänge im Motor beeinträchtigt wird.
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Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnungen beschrieben.
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-Fortsetzung auf Seite 11 -
In diesen zeigt: Fig.
1 eine prinzipielle, stark vereinfachte Darstellung einer Belegtransportvorrichtung
eines Zeilendruckers als Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Positionierregelungssystem;
Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung eines Regelkreises, wie er bei dem erfindungsgemäßen
Positionierregelsystem verwendet werden kann; Fig. 3 eine Abwandlung des in Fig.
2 dargestellten Regelkreises, welcher vorzugsweise bei dem erfindungsgemaßen Positionierregelungssystem
verwendet wird; Fig. 4 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Positionierregelungssystem in kombinierter analoger und digitaler
Schaltungstechnik; Fig. 5 Signalformen, wie sie in dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
auftreten; Fig. 6 bis 9 verschiedene Diagramme, die die Impulszeit, die Geschwindigkeit
und die Motorspannung in Abhängigkeit von der Entfernung zur Zielposition bzw. in
Abhängigkeit von der Zeit darstellen; Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel einer Treiberschaltung
für den zu regelnden Gleichstrommotor; Fig. 11 ein Blockschaltbild eines zweiten-Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Positionierregelungssystem in digitaler Schaltungstechnik;
Fig. 12 Zählwerte bzw. Signalformen, wie sie in dem in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel
auftreten; Fig. 13 ein Diagramm, welches den Soll- und Ist-Wert der Impulsperiodenzeit
in Abhängigkeit von der Entfernung zur Zielposition für das zweite Ausführungsbeispiel
veranschaulicht;
und Fig. 14 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Positionierregelungssystems unter Verwendung eines Mikrocomputersystems.
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Anhand der Fig. 1 sei zunächst ein Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemaße
Positionierregelungssystem beschrieben. Die Fig. 1 veranschaulicht in stark vereinfachter
Form eine Transportvorrichtung für einen blattförmigen Aufzeichnungsträger 1, z.
B. eine Kontokarte oder ein Rechnungsformular, welche Bestandteil einer Buchungsmaschine
sein kann. Der Aufzeichnungsträgerl ist in bezug zu einer Druckstation, welche durch
eine Druckwalze 2 und einen Druckkopf 3 veranschaulicht wird, zu positionieren.
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Der Druckkopf 3, der beispielsweise ein Drahtmatrix-Druckkopf sein
kann, kann durch nicht dargestellte Antriebsmittel in Richtung der Druckwalzenachse,
d.h. in Richtung der Pfeile 4 bewegt werden, um auf dem Formular eine Zeile zu drucken.
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Um das Formular 1 in bezug zur Druckstation auf eine bestimmte Zeile
einzustellen bzw. um nach Beendigung des Drucks einer Zeile eine Zeilenschaltung
vornehmen zu können, ist es erforderlich, das Formular 1 in Richtung des Doppelpfeils
5 zu bewegen und an einer genau definierten Stelle anhalten zu können. Hierzu ist
das Formular 1 mit seiner unteren (in Fig. 1 linken) Kante in eine Klemmvorrichtung
6 eingeklemmt, deren beiden Enden mit jeweils einem endlosen Zahnriemen 7 fest verbunden
sind. Jeder der beiden Zahnriemen 7 läuft über jeweils eine Leerlaufrolle 8 und
über jeweils eine Antriebsrolle 9. Die beiden Antriebsrollen 9 sind fest mit einer
Antriebswelle 10 verbunden, auf welcher außerdem noch eine Antriebszahnscheibe 11
sitzt, die über einen weiteren Zahnriemen 12 von einer mit der Welle 14 des Motors
15 fest verbundenen Zahnscheibe 13 angetrieben wird.
Die beiden
Zahnscheiben 11 und 13 sind vorzugsweise so dimensioniert, daß sie ein Untersetzungsgetriebe
bilden.
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Auf dem anderen Ende der Motorwelle 14 sitzt eine Taktscheibe 16,
welche an ihrem Umfang mit gleichmäßig voneinander beabstandeten Taktmarkierungen
versehen ist. Mit der Taktscheibe 16 wirkt ein als Gabellichtschranke ausgebildeter
Sensor 17 zusammen, welcher an seinen Ausgangsleitungen 18 beim Drehen des Motors
der Folge der Taktmarkierungen entsprechende Impulse abgibt. Diese Impulse werden
sowohl zur Wegmessung als auch zur Messung der zur Drehgeschwindigkeit umgekehrt
proportionalen Impulsperiodendauer verwendet, wie dies später noch im einzelnen
beschrieben wird. Um feststellen zu können, ob der Motor 15 vor- oder rüclcwärts
läuft, kann auf der Taktscheibe 16 noch eine weitere Taktspur vorgesehen sein, die
mit einem weiteren Sensor zusammenarbeitet. Die Strichmarkierungen dieser weiteren
Taktspur sollen gegenüber den Markierungen der ersten Taktspur geringfügig versetzt
sein, beispielsweise um eine viertel Teilung. Die gleiche Wirkung wird erreicht,
wenn mit einer einzigen Taktspur zwei etwas gegeneinander versetzte Sensoren zusammenarbeiten.
Die Ausgangsleltungen 18 des Sensogs 17 sowie die Anschlußlei tungen 19 des Motors"15
führen zu der noch im einzelnen zu beschreibenden Regelschaltung.
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Der für den Antrieb verwendete Gleichstrommotor 15 kann ein relativ
einfacher Standardmotor mit Permanentmagneterregung, Kollektor und Eisenläufer sein.
Solche Motoren weisen relativ hohe Werte für das Rotorträgheitsmoment und die Induktivität
und somit auch für die mechanischen und elektrischen Zeitkonstanten auf und zeigen
wegen ihrer Reibungsverluste am Kollektor und in den Sinterkalottenlagern sowie
wegen ihrer ausgeprägten magnetischen Reluktanzmomente insgesamt ungünstige Eigenschaften
aus regelungstechnischer Sicht.
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Trotzdem ist es mittels des erfindungsgemäßen Positionierregelsystems
möglich, das Formular 1 mit dem Motor. 15 der genannten Art und der beschriebenen
Transportvorrichtung relativ schnell und mit hoher Geschwindigkeit auf die gewünschte
Position einzustellen. Selbstverständlich können jedoch auch höherwertige Gleichstrommotoren,
wie Glocken- und Scheibenläufermotoren, verwendet werden.
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In Fig. 2 ist ein prinzipielles Blockschaltbild für die einfachste
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionierreglers dargestellt. Der Motor
15 stellt ein nichtlineares Übertragungsglied dar, da er die an ihn angelegte Spannung
UM in eine zu dieser Spannung und auch zur Drehzahl des Motors umgekehrt proportionale
Impuls zeit bzw. Impulsperiodendauer TE umwandelt. Diese Impulszeit TE ist die Periodendauer
der mittels des Sensors 17 von der Taktscheibe 16 abgetasteten Impulse. Einer sich
ggf. durch Verminderung der Motorspannung vermindernden Drehzahl entspricht eine
sich umgekehrt proportional erhöhende Impulsperiodenzeit TE. Diese Ist-Impulsperiodenzeit
TE wird mit der jeweiligen Soll-Periodendauer TF verglichen, das heißt letztere
wird von ersterer unter Bildung der Differenz T subtrahiert. Diese Differenz ist
positiv, wenn die Ist-Periodendauer TE größer"hls die Soll-Periodendauer TF ist,
was bedeutet, daß der Motor zu langsam läuft und beschleunigt werden muß. Die Differenz
ßT wird somit in einem linearen Ubertragungsglied 20 innerhalb eines Bereiches #
Tmax in eine proportionale Spannung UM umgesetzt.
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Ist die Differenz #T negativ, was bedeutet, daß der Motor zu schnell
läuft und somit abgebremst werden muß, dann wandelt das lineare Übertragungslied
20 diese negative Differenz in eine entsprechend negative und bremsend wirkende
Motorspannung UM um. Ist die Differenz T gleich oder größer als eine bestimmte festzulegende
maximale Differenz jUmaX,
dann wird je nach Vorzeichen dieser Differenz
dem Motor entweder die maximal mögliche positive oder die maximal mögliche negative
Spannung zugeführt.
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Es gelten somit folgende Gleichungen = TE - TF' wobei im Falle
tT proportional in eine Motorspannung UM umgewandelt wird. Es gilt
Außerhalb des Proportionalbereiches
gilt UM = + Umax für #T > 0 UM = - Umax für #T < 0 Die Winkelgeschwindigkeit
(#) des Motors stellt sich entsprechend der Differenz aus der angelegten Spannung
UM und einer momentenproportionalen Spannung UV entsprechend der folgenden Gleichung
ein, worin KE die Spannungskonstante des Motors bedeutet: # . KE = UM - UV Zwischen
der Winkelgeschwindigkeit LJ und der Impulsperiodenzeit TE besteht folgende Beziehung:
wobei N die Anzahl der Schlitze bzw. Striche der Taktscheibe bedeutet. Aus den Gleichungen
(1) und (2) folgt:
Aus dieser Gleichung ist der nichtlineare Zusammenhang zwischen der Ist-Periodendauer
TE und der Soll-Periodendauer TF ersichtlich. Die Verstärkung GR des erfindungsgemäßen
Regelkreises ist somit keine Konstante wie bei linearen Systemen, sondern man erhält
für die Verstärkung
Die Verstärkung GR des Regelkreises wächst somit mit zur nehmenden Werten für TE,
d.h. mit abnehmender Geschwindigkeit und damit mit Annäherung an die Zielposition,
was sich günstig auf das Regelverhalten auswirkt. Zwar verschlechtert sich mit zunehmender
Verstärkung die Stabilität des Regelkreises, andererseits verringert sich aber der
Regelfehler.
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Da die Verstärkung mit wachsender Drehzahl abnimmt, wird dadurch die
Uberschwingneigung des Systems beim Anlaufen des Motors verringert. Bei abnehmender
Drehzahl, d.h. also auch beim Positioniervorgang, steigt die Verstärkung des Systems
an. Dadurch wird der Einfluß von Störgrößen, die sich auf die Drehzahl auswirken
können, stark verringert, was sich günstig auf die Positioniergenauigkeit auswirkt.
Die gleichzeitige Verschlechterung der Stabilität kann sich praktisch nicht auswirken,
wenn der Abbremsvorgang ausreichend schnell abläuft, da der Regelkreis zum Aufschaukeln
von Schwingungen Zeit benötigt. Wie aus dem in Fig. 6 dargestellten Diagramm ersichtlich
ist, können bei dem erfindungsgemäßen Positionierregelungssystem
je
nach der Entfernung zum Positionierziel SIII drei verschiedene Weg- und Funktionsbereiche
unterschieden werden, welche die Abszisse des Diagramms darstellen. Der Bereich
I ist derjenige Bereich, der mehr als um den Abstand I von der Zielposition SIII
entfernt ist.
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Der Bereich II erstreckt sich zwischen den Punkten SI und dem Punkt
SII, bei welchem der Motor abgeschaltet oder kurzgeschlossen wird und stellt den
eigentlichen Positionierbereich dar. Der Bereich III ist der Zielbereich, innerhalb
welchem die eigentliche Zielposition SIII liegt, welche mit der Endgeschwindigkeit
VE vom Punkt SII aus im spannungslosen Zustand des Motors mit einer Positioniergenauigkeit
von + d s angelaufen wird.
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Auf der Ordinate des in Fig. 6 dargestellten Diagramme ist die Impuls
zeit aufgetragen. Die voll ausgezogene Kurve stellt den Sollwert der Impulsdauer
TF dar, welcher im Bereich I konstant ist (TFI) und im Bereich II den dargestellten
überproportionalen Verlauf aufweist (TFII). Würde die Ist-Impulsperiodendauer genau
diesem Verlauf folgen, dann würde dies einer Motorspannung UM = O V entsprechen.
Die beiden strichpunktierten Linien um den genannten Kurvenverlauf der Soll-Impulsperiodenzeit
TF, welche mit + Umax und - Umax bezeichnet sind, definieren den proportionalen
Regelbereich.
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Im Bereich I liegen die Grenzen des proportionalen Regelbereichs näher
an der Sollwertkurve als im Bereich II. Dies bedeutet, daß bei dem dargestellten
Beispiel im Bereich I die Verstärkung GRI größer ist als die Verstärkung GRII im
Bereich II. Dies ist dann zweckmäßig bzw. erforderlich, wenn der Motor schnell,
beispielsweise aperiodisch, auf seine Normalgeschwindigkeit beschleunigt und dann
für eine bestimmte Dauer oder Strecke konstant mit dieser Geschwindigkeit betrieben
werden soll.
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Dies ist beispielsweise dann erforderlich, wenn der durch den Motor
angetriebene Transportmechanismus auch zum Transport von Magnetkontokarten dient,
da hierbei für die Aufzeichnungs-und Ablesoperationen eine möglichst konstante Geschwindigkeit
benötigt wird. Für die Positioniergenauigkeit ist der Funktionsbereich I relativ
unkritisch. Wenn deshalb keine genau definierte bzw. konstante Normalgeschwindigkeit
gefordert wird, kann auf eine Regelung der Impulsperiodenzeit innerhalb dieses Bereichs
verzichtet werden.
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Je nach der Entfernung zum Ziel, d.h. je nach der Lage des Startpunktes
im Bereich I, erreicht der Motor mit einer bestimmten Impulsperiodenzeit den Bereich
II, wie dies durch die gestrichelte Linien in Fig. 6 dargestellt ist. Innerhalb
des Bereichs II, dem sogenannten Positionierbereich, wird nun der Motor nach Maßgabe
einer wegabhängigen Regelcharakteristik auf eine minimale Endgeschwindigkeit VE
verzögert, wobei die Motorspannung der Differenz zwischen Ist->E und Soll-Impulsperiodenzeit
TF entspricht, und infolgedessen auch negative Werte annehmen kann. Die Regelcharakteristik
zeigt einen etwa logarithmischen Verlauf und wird für einen optimalen Bremsvorgang
durch mathematische Analyse der R,egelungsdynamik für den jeweiligen Anwendungsfall
ermittelt, und zwar in der Weise, daß eine annähernd weglineare Abnahme der Motorspannung
bis zum Wert Null im Punkt SII eintritt. Wie bereits erwähnt, ist dieser Punkt der
Beginn des Zielbereichs und an dieser Stelle wird die Motorspannung abgeschaltet.
Die Regelcharakteristik und die Verstärkung GRII werden ferner so festgelegt, daß
der Motor aus der maximalen Geschwindigkeit
Vmax heraus auf die
geregelte Endgeschwindigkeit VE abgebremst wird, daß diese Endgeschwindigkeit VE
trotz Streuungen der Maschinenparameter und Bauelemente und trotz vorhandener Störungen
wenig variiert, daß der Motor vor dem Ziel nicht stehen bleibt, daß der Einlauf
ins Ziel möglichst schwingungsarm erfolgt und daß schließlich die Positionierzeiten
minimal sind.
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Auf eine Regelung der Motorgeschwindigkeit bis zur Drehzahl Null,
was auf den ersten Blick die besten Positionierergebnisse erwarten läßt, wird aus
folgenden Gründen verzichtet: Erstens lassen die für den Einsatz des erfindungsgemäßen
Positionierregelungssystems vorzugsweise verwendeten permanentmagnetischen Gleichstrommotoren
wegen ihrer ausgeprägten Reluktanzmomente und Kommutierungsprobleme, wie periodische
Widerstands- und Induktivitätsänderungen, keine Regelung bis zur Drehzahl Null zu,
da diese Motoren unterhalb eines Grenzwertes der Drehzahl einen unruhigen Lauf zeigen,
den das Regelungssystem wegen der Zeitkonstanten des Motors nicht ausgleichen kann.
Eine Verschlechterung der Positioniergenauigkeit wäre deshalb die Folge.
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Zweitens'ist eine Impulszeitregelung bis zur Drehzahl Null nicht
möglich, da die Impulszeit dort einen unendlich großen Wert annimmt. Deshalb wird
die Soll- oder Führungsimpuls zeit nur bis zum Grenzwert TFmaX definiert und die
Ist-Impulszeitmessung bleibt auf Werte kleiner max beschränkt.
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Um dieser zuletzt genannten Tatsache Rechnung zu tragen, wird der
in Fig. 2 dargestellte Regelkreis so ungeformt, daß sich der in Fig. 3 dargestellte
Regelkreis ergibt.
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Dieser in Fig. 3 dargestellte Regelkreis unterscheidet sich von dem
in Fig. 2 dargestellten dadurch, daß durch Einfügen von Umformergliedern 21 und
22 die Soll-Impulsperiodenzeit TF und auch die Ist-Impulsperiodenzeit TE in entsprechende
Werte TF* bzw. TE * umgeforntwerden, und zwar in der folgenden Weise: T*=T -T F
max F und entsprechend TE*=Tmax TE Die Differenz a T ergibt sich nunmehr durch Subtraktion
des Ist-Wertes TE * von dem Soll-Wert TF* t wie dies ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich
ist. Es gilt nämlich folgende Beziehung = = TE - TF = TF* T TE* Der in Fig. 6 dargestellte
ungeregelte Zielbereich III ist, wie bereits erwähnt, dadurch definiert, daß-'der
Motor ihn mit einer durch die Impulszeitregelung festgelegten Endgeschwindigkeit
VE erreicht und nach Abschalten der Motorspannung innerhalb dieses Bereichs aufgrund
der Systemreibung bis zum Stillstand abgebremst wird. Der Bereich III ist in seiner
Größe so bemessen, daß der Motor auch im ungünstigsten Falle aufgrund seiner gespeicherten
kinetischen und gegebenenfalls noch vorhandenen elektrischen Energie in Abhängigkeit
von
der Systemreibung in das geforderte Toleranzband für die Zielposition SIII + d 5
aperiodisch einläuft und dort durch die Haftreibung festgehalten wird.
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Bevor nun die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele im einzelnen
beschrieben wird, sei noch auf zwei wesentliche Merkmale hingewiesen, durch die
sichergestellt wird, daß das erfindungsgemäße Positionierregelungssystem auch dann
sicher und zufriedenstellend arbeitet, wenn aus einer geringen Entfernung zum Ziel
gestartet wird und wenn extrem ungünstige Bedingungen vorliegen.
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Bei Annäherung an das Ziel wird die am Motor wirksame maximale Spannung
vermindert. Dadurch ist ein Start auch unmittelbar vor dem Zielbereich III möglich,
ohne daß der Motor über das Ziel hinausschießt. Die Beschränkung der Spannung erfolgt
auf solche Werte, daß im ungünstigsten Fall, d.h. beim Auftreten maximaler Systemreibung,
ein Anlaufen des Motors noch möglich ist. Auf welche Weise diese Spannungsbeschränkung
erfolgt, wird später im einzelnen beschrieben.
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Um zu verhindern, daß der Motor aufgrund von Störungen bereits vor
dem Zielbereich zum Stillstand kommt, wird durch noch zu beschreibende Mittel die
Motorspannung zeitlinear erhöht, wenn die Ist-Impulszeit TE des motors einen bestimmten
Grenzwert TG überschreitet. Dadurch wird der Motor wieder beschleunigt.
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Anhand der Fig. 4 und 5 wird nunmehr ein erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Positionierregelungssystems im einzelnen beschrieben. Bei
dem in Fig. 4 als Blockschaltbild dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die
Wegmessung digital und die Erfassung der Impuisperiodenzeit analog. Es werden darin
die folgenden Funktionsblöcke verwendet:
In einen Zeilenzähler
und Dekodierer 25 wird über eine Leitung 23 zur Ausführung eines Zeilensprungs eines
Formulars ein Zählwert 5 eingegeben, welcher der Entfernung c zur Zielposition entspricht.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird jeder Zeilensprung von 1/6 Zoll (ca.
4 mm) in 40 Zählimpulse aufgelöst. Um sicherzustellen, daß der Zählerstand immer
positiv bleibt, wird die Zielposition SIII auf den Zählerstand 5 gelegt, wobei die
zulässige Positioniertoleranz + 3 Zählimpulse betragen soll.
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Für einen durchzuführenden Sprung von einer Zeile ist somit in den
Zähler 25 ein Zählwert 5c von 45, für 2 Zeilen entsprechend ein Zählwert von 85
und für 3 Zeilen entsprechend ein Zählwert von 125 einzugeben. Die Größe bzw.
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Kapazität des Zählers richtet sich nach dem maximal zu positionierenden
Weg. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein 12-Stufen-Zähler verwendet, welcher
somit eine Positionierung von maximal 400 mm Weglänge zuläßt. In einer später noch
näher beschriebenen Weise wird der Zähler entsprechend dem vom Motor zurückgelegten
Weg abwärts gezählt.
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Ein in dem Zählerblock 25 enthaltener Dekodierer stellt fest, wenn
der Zähler einen Zählwert SD d 128 und einen Zählwert SD z 8 erreicht. Beim Erreichen
des Zähiwertes 128 wird ein anschließend näher beschriebener Digital-Analog-Wandler
26 in Tätigkeit gesetzt. Bei Erreichen eines Zählwertes 5D = 8 wird über eine Leitung
25a mittels einer später noch näher beschriebene Motorsteuerschaltung 31 die Motorspannung
UM abgeschaltet.
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Der bereits erwähnte Digital-Analog-Wandler 26 wandelt die von dem
Zählerblock 25 gelieferten Zählwerte 128 bis O in entsprechende Spannungswerte U1
um. Diese dem
Zählwert des Zählers proportionalen Spannungswerte
U1 werden an einen Funktionsgenerator 27 angelegt, der entsprechend der gewünschten
wegabhängigen Abbremsfunktion eine Spannung U2 erzeugt, welche die Führungsgröße
für den anschließend beschriebenen Regelkreis darstellt. Diese Spannung U2 stellt
den Sollwert TF* dar, wie er im Zusammenhang mit Fig. 3 bereits beschrieben wurde.
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Die genannte Spannung U2 wird gemeinsam mit einer noch zu beschreibenden
Spannung U9, welche dem ebenfalls im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Ist-Wert
T * ent-E spricht, an einen Subtraktionsverstärker 28 angelegt, um die Differenz
dieser beiden Spannungen zu bilden. Diese die Regelabweichung darstellende Differenzspannung
U3 wird in einer Spannungsverstärkerstufe 29 verstärkt. Durch Einstellen des Verstärkungsfaktors
dieses Spannungsverstärkers läßt sich die Verstärkung GR des Regelkreises beeinflussen.
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Beispielsweise wäre es auch möglich, beim Übergang aus dem Funktionsbereich
III (siehe Fig. 6) in den Funktionsbereich II, d.h. mit Erreichen des Zählwertes
128,die Verstärkung von einem höheren auf einen geringeren Wert umzuschalten, wie
dies bereits im Zusammenhang mit der Fig. 6 erwähnt wurde. Die vorzeichen- und betragsmäßig
der Regelabweichung entsprechende analoge Spannung U4 wird nunmehr einem Impulsbreiten-Modulator
30 zugeführt. Dieser Impulsbreiten-Modulator arbeitet mit einer internen dreieckförmigen
Spannung U5 mit einer Frequenz von 4kHz und die durch die Modulation erhaltenen
breitenjnodulierten Rechteckimpulse der genannten Frequenz werden nun an eine Motorsteuerschaltung
31 angelegt.
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Diese Motorsteuerschaltung 31 enthält drei Funktionsblöcke, nämlich
einen Abschaltblock 32, einen Vorwärts-Rückwärtsschalter 33 und einen Treiberstufen-Steuerblock
34. Der Abschaltblock 32 bewirkt die Abschaltung der Motorspannung, wenn über die
von dem Zähler-und Dekodiererblock 25 kommende Leitung 25a ein Zählwert SD A 8 signalisiert
wird. An den Vorwärts-Rückwärtsschalter 33 wird über die Leitung 24 der Befehl "Startbefehl
vorwärts - rückwärts angelegt, um festzulegen, ob der Motor in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung
laufen soll. Eine Drehrichtungsumkehr kann auf einfache Weise durch logische Invers
ion des impulsbreitenmodulierten Signals U6 erfolgen.
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Das von der Motorsteuerschaltung 31 abgegebene und gegebenenfalls
invertierte impulsbreitenmodulierte signale U6 wird nun über den Treiberstufen-Steuerblock
34 der Motortreiberstufe 35 zugeführt, welche eine entsprechende Spannung U7 an
den den Gleichstrommotor 15 (Fig. 1) und dia Last symbolisierenden Funktionsblock
36 anlegt.
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Die Treiberstufe 35 ist zusammen mit der Motorsteuerschaltung 31
und dem Gleichstrommotor 15 in Fig. 10 nochmals im einzelnen dargestellt. Über die
beiden durch die positiven bzw. negativen Halbwellen des impulibreienmodulierten
Signals U6 beaufschlagten Leitungen 31a und 31b werden abwechselnd der eine oder
der andere der beiden Transistoren T1 und T2 leitend gemacht, so daß abwechselnd
jeweils für eine durch das Impulsbreitenverhältnis aus positiver und negativer Halbwelle
bestimmte Zeitdauer die Spannung +Umax und die Spannung -Umax an dle Wicklung des
GleichStrommotors gelangt. Die Induktivität der Motorwicklung
wirkt
integrierend bzw. glättend auf den Motorstrom.
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Ist die Breite der positiven Halbwelle gleich der Breite der negativen
Halbwelle bzw. ist das Impulsbreitenverhältnis gleich 1, was einer Regelabweichung
von Null (U3 und U4 = OV) entsprechen würde, dann würde sich~die Wirkung, der beiden
Spannungen +Umax und Umax im Motor aufheben, was einer effektiven Motorspannung
von Null Volt entsprechen würde.
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Der Funktionsblock 37 enthält eine mit zwei Spuren versehene Schlitzlochscheibe
und zwei mit diesen Spuren zusammenarbeitende optische Abtastvorrichtungen bzw.
Sensoren.
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Die Schlitzlochscheibe dreht sich mit einer der Motordrehzahl entsprechenden
Winkelgeschwindigkeit >) . Das von der ersten Taktspur ab, geleitete Signal mit
der Impulsperiodendauer TE wird einem Impulsdauer-Spannungswandler 38 zugeführt.
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Dieser besteht aus einem Integrator und einer Ronstantstromquelle
und wird in der zeitlichen Sequenz der Taktimpulse jeweils auf eine konstante Spannung
U8max aufgeladen und anschließend zeitlinear entladen. Am Ende einer Impulsperiode
TE wird die zu diesem Zeitpunkt noch vorhandene Spannung U8 an eine Halteschaltung
39 abgegeben, die diese Spannung'als Ug für die folgende Impulsperiode speichert
und - wie bereits erwähnt - zum Vergleich mit der Führungsspannung U2 an den Subtraktionsverstärker
anlegt. Wird im Funktionsblock 38, d.h. im Impulsdauer-Spannungswandler, festgestellt,
daß die Periodendauer TE eine bestimmte Grenzperiodendauer TG erreicht oder überschreitet,
dann wird ein in der genannten Halteschaltung 39 enthaltener FET-Transistor leitend
gemacht, wodurch die weiter absinkende Spannung U8 während der noch laufenden.Taktimpulsperiode
unmittelbar an
den Subtraktionsverstärker 28 gekoppelt wird, so
daß die Motorspannung zeit linear ansteigt und der Motor beschleunigt wird.
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Das von der Taktspur I der Schlitzlochscheibe abgetastete Signal
(Funktionsblock 37) und das von der Taktspur II abgetastete Taktsignal, das gegenüber
dem ersten eine Phasenverschiebung von einer viertel Impulsperiode aufweist, werden
an einen Funktionsblock 40 angelegt, welcher aus den beiden gegeneinander phasenverschobenen
Taktsignalen I und II die Ist-Drehrichtung des Motors bestimmt und über die Leitung
40a ein dementsprechendes Zählrichtungssignal an den Zählerblock 25 liefert. In
dem Funktionsblock 40 erfolgt ferner eine Verdoppelung der Taktimpulsfrequenz, d.h.
für jede Taktimpulsperiode TE werden über eine Leitung 40b zwei Zählimpulse an den
Zählerblock 25 geliefert.
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Ist durch Einstellung des Vorwärts-Rückwärtsschalters 33 die Soll-Drehrichtung
auf "vorwärts" eingestellt, und wird im Funktionsblock 40 als Ist-Drehrichtung ebenfalls
"vorwärts" festgestellt, dann bewirkt das über die Leitung 40a an den Zählerblock
25 angelegte Zählrichtungssignal, daß die über die Leitung 40b an den Zählerblock
25 gelangenden Zählimpulse den in diesem Block enthaltenen Zähler nach unten fortschalten.
Würde dagegen im Funktionsblock 40 als Ist-Drehrichtung "rückwärts" festgestellt,
dann würde eine entsprechende Aufwärts zählung des Zählers erfolgen. Damit ist sichergestellt,
daß auch bei Auftreten eines Fehlers, beim Uberschwingen oder bei Manipulation von
außen der in dem Funktionsblock 25 enthaltene Zeilenzähler immer den richtigen Abstand
zur Zielposition anzeigt.
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Anhand der in Fig. 5 dargestellten Signalformen und Spannungen sei
nunmehr nochmals die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung kurz
erläutert. Die Signalform a in Fig. 5 stellt die von der Spur I der Taktsignalscheibe
abgetastete Taktimpulsperiodenfolge dar. Wie-aus dieser Figur ersichtlich, wächst
die Impulsperiodendauer der einzelnen Impulsperioden TEl bis TE6 mit der Zeit an,
was besagt, daß sich die Motorgeschwindigkeit mit der Zeit verringert. Zu Beginn
jeder der an den Impulszeit-Spannungswandler 38 angelegten Taktimpulsperiode wird
dieser - wie bereits erwähnt - auf die konstante maximale Spannung U8max aufgeladen,
wie dies aus der Signalform b ersichtlich ist.
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Durch Entladung wird die Spannung U8 während der Dauer einer Impulsperiode
zeitlinear vermindert. Eine geringe Entladung und damit eine hohe verbleibende Spannung
U8 am Ende einer Periode bedeutet somit eine kurze Impulsperiodendauer und somit
eine relativ hohe Motorgeschwindigkeit. Die jeweils am Ende einer Impulsperiode
noch vorhandene Spannung U8 wird -wie bereits erwähnt - in der Halteschaltung 39
für die nächste I»puLsperlode aufrechterhalten und als Ist-Wert-Spannung Ug in dem
8ub trak ti onsverstllrker 28 mit der Soll-Wert-Bpannung U2 verglichen. Dieser Sachverhalt
ist in der Signal form c dargestellt. Der Wert der treppenförmig abfallenden Spannung
Ug, beispielsweise innerhalb der Impulaperiode TE3, entspricht der Endspannung Uß
(Signalform b) am Ende der vorangehenden Impuisperiode, nämlich der Impulsperiode
TE2.
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über der Spannung Ug iit in der Signalform c mit gestrichelten Linien
die Boll-Wert-8pannung U2 eingezeichnet. Wie aus der Signalform c ersichtlich, tritt
eine Verminderung der Boll-Wert-8pannung U2 jeweils nach Ablauf etwa einer halben
Impulßperiode TE ein, da - wie ebenfalls bereits erwähnt -der den Abruf des Soll-Wertes
aus den Funktionsblöcken 26
und 27 bewirkende Zähler 25 mit gegenüber
der Taktimpuls-Frequenz doppelten Frequenz nach unten fortgeschaltet wird.
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Die durch den Subtraktionsverstärker 28 erhaltene Differenzspannung
U3 ist in der Signalform c durch den Doppelpfeil innerhalb der Impulsperiode TE3
angedeutet. Die, durch Verstärkung der Differenzspannung U3 in dem Spannungsverstärker
29 erhaltene Spannung U4 ist in der Signalform d durch die strichpunktierte Linie
dargestellt. Diese verstärkte Differenzspannung U4 wird mit Hilfe der in dem Impulsbreiten-Modulator
erzeugten Dreieckspannung U5 in ein entsprechendes impulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal
U6 umgewandelt, das in etwa der in der Signalform e dargestellten von der Treiberstufe
35 gelieferten Motorspannung U7 entspricht. Diese impulsbreitenmodulierte Motorspannung
U7 springt zwischen den Spannungen + Umax und - U hin und her.
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max Der durch diese Spannung hervorgerufene Motorstrom wird über
die Motorinduktivität ausreichend geglättet, so daß am Motor je nach Tastverhältnis
eine mittlere Spannung - Umax < UM < < + Umax wirksam wird.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, daß die volle Spannung +
Umax oder - Umax am Motor wirksam wird. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Regelabweichung
einen bestimmten Wert überschreitet, d.h. wenn die Spannung U4 betragsmäßig größer
wird als die Amplitude der Dreieck-Spannung U5. Dies wird in der Regel beim Anlaufen
des Motors (positive Differenz) oder beim Abbremsen bzw. Positionieren des Motors
aus der maximalen Motorgeschwindigkeit bei extrem geringer Systemreibung (negative
Differenz) der Fall sein. Im zuerst genannten Fall hat dies das Anlegen der vollen,
stark beschleunigend wirkenden Spannung + Umax und im zweiten Falle das Anlegen
der vollen stark bremsend wirkenden Spannung - Umax zur Folge.
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Die weiter oben bereits erwähnte Tatsache, daß dann, wenn die Impulsperiodendauer
TE eine bestimmte Grenzdauer TG überschreitet, die Wirkung der Halteschaltung 39
außer Betrieb gesetzt wird und dadurch die sich weiter vermindernde Spannung U8
unmittelbar an den Subtraktionsverstärker 28 gelangen kann, was ein Ansteigen der
Differenzspannung und damit eine Verbreiterung der Impulse der an den Motor angelegten
Spannung U7 zur Folge hat, ist ebenfalls aus der Fig. 5, insbesondere aus den Signalformen
b, c und d innerhalb der Impulsperiode TE5 veranschaulicht. Durch diese Maßnahme
wird sichergestellt, daß der Motor nicht vor Erreichen der Zielposition zum Stillstand
kommt.
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In Fig. 7 ist die in dem beschriebenen Beispiel verwendete Regelcharakteristik
zusammen mit einem Positioniervorgang aus maximaler Geschwindigkeit Vmax heraus
angegeben.
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Auf der Abszisse des in Fig. 7 dargestellten Diagramms sind innerhalb
des Positionierbereichs II die der Entfernung zum Ziel entsprechenden Zählwert 128
bis 8 des Zählers 25 aufgetragen. Auf der Ordinate sind die transformierten Impulszeiten
* und TE * in Millisekunden aufgetragen. Die ausgezogene Linie stellt die Regelcharakteristik,
d.h. die Führungs-Impulsperiodendauer TFII* innerhalb des Bereichs II dar. Die gestrichelte
Linie stellt die Ist-Impulsperiodendauer TE * für den mit maximaler Geschwindigkeit
aus dem Bereich I kommenden Motor dar. Bei einer maximalen Motorspannung Umax von
28 Volt und einer maximal ausgewerteten Differenz #Tmax = 5ms ergibt sich ein Verstärkungsfaktor
von
Die Messgrenze für den Maximalwert der Impuls zeit beträgt = =
5,5 ms. Die Motorspannung UM ist - wie bereits mehrmax fach erwähnt - der Differenz
zwischen der Führungs-Impulsperiodendauer TF * und der Ist-Impulsperiodendauer TE*
proportional und nimmt, wie aus Fig. 7 ersichtlich, im dargestellten Positionierbereich
II von 18,5 Volt gegen 0 Volt ab.
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Dadurch wächst die Impuls zeit des Motors von TE = 1 ms (TE* = 4,5
ms) auf (TE)END = 4,5 ms ((je END - 1 ms) an.
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Die strichpunktierte Kurve stellt die Grenzkurve der maximal ausgewerteten
Differenz ATmaX von 5 Millisekunden max in bezug auf die Kurve der Führungs-Impulsperiodendauer
TFII* dar. Längs dieser strichpunktierten Kurve und innerhalb des links unterhalb
dieser Kurve liegenden Bereichs würde eine Motorspannung von + Umax vorliegen. Wie
aus Fig. 7ersichtlich, schneidet die strichpunktierte Kurve am Punkt 5R die Abszisse.
Dies bedeutet, daß aufgrund der stark abfallenden Kurve von TFII * und aufgrund
des begrenzten Meßbereichs für die Impulsperiodenmessung, die maximal mögliche Differenz
immer geringer wird, wodurch sich rechts vom Schnittpunkt SR der Grenzkurve für
UM = + Umax mit der Abszisse die am Motor maximal mögliche wirksame Spannung von
Umax sukzessive auf Umax/5 vermindert. Durch diese allmähliche Spnnungsverringerung
sind Positionierungen auch über geringe Wege möglich, ohne daß der Motor über das
Ziel hinausschießt.
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In den Fig. 8 und 9 sind für verschiedene Zeilensprünge die Positioniervorgänge
dargestellt, wobei die Versorgungsspannung und die Systemreibung konstante Werte
haben.
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In diesen Figuren bedeutet d der Transport um eine Zeile, c der Transport
um zwei Zeilen, b der Transport um drei Zeilen und a ein Transport von mehr als
fünf Zeilen. Eine Zeile entspricht jeweils einem Transport von 40 Zählimpulsen des
Weg-bzw. Zeilenzählers 25. Im oberen Teil der Fig. 8 ist jeweils
die
bei diesen Zeilenschaltvorgängen auftretende Motorspannung UM über dem zurückgelegten
Weg (Zählimpulse 128 bis 0) aufgetragen. Im unteren Teil der Fig. 8 ist jeweils
die entsprechende Transportgeschwindigkeit ebenfalls über dem zurückgelegten Weg
aufgetragen. In Fig. 9 ist dagegen die Transportgeschwindigkeit in Abhängigkeit
von der Zeit aufgetragen.
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Anhand der Fig. 11 bis 13 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel
des findungsgemäßen Positionierregelungssystems beschrieben, welches rein digital
arbeitet. Bei dem in Fig. 11 dargestellten Blockschaltbild sind diejenigen Funktionsblöcke,
welche mit dem teils digital, teils analog arbeitenden, in Fig. 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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An den den Zeilenzähler und den Vorwärts-Rückwärts-Dekodierer enthaltenden
Funktionsblock 25 wird über die Leitung 23 der für einen gewünschten Zeilensprung
erforderliche Zählwert Sc eingegeben. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel werden
für einen Sprung von jeweils einer Zeile 40 Zählimpulse eingegeben, wobei auch hier
die Zielposition auf den Zählerstand 5 gelegt ist. Die Motorsteuerschaltung 31,
die in Fig. 11 nur als ein einziger Funktionsblock dargeßtellt ist, die Motortreiberstufe
35, der den Motor und die Last darstellende Funktionsblock 36-, die aus Schlitzlochscheibe
und Sensor bestehende optische Abtasteinrichtung 37 und der die Richtungsidentifikationsschaltung
und die Impulsverdoppelungsschaltung enthaltende Funktionsblock 40 können mit den
entsprechenden Funktionsblöcken der Fig. 4 identisch sein und werden deshalb nicht
näher beschrieben.
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Über die Leitung 24 wird die Motorsteuerschaltung 31 in Abhängigkeit
davon, in welcher Richtung das Formular zum Erreichen der neu eingegebenen Zielposition
bewegt werden muß, für einen Betrieb des Motors in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung
eingestellt.
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Als Sollwertgeber für die gewünschte Abbremsfunktion wird bei diesem
Ausführungsbeispiel ein Festwertspeicher 50 verwendet, welcher beispielsweise 256,
adressierbare Speicherstellen zu jeweils 8 Bits aufweist. In den Speicheradressen
255 bis 128 ist jeweils ein konstanter Wert D (siehe auch Fig. 13) gespeichert,
welcher die Normalgeschwindigkeit des Transportsystems bestimmt. In den Speicherstellen
127 bis 0 sind die entsprechenden Werte für die jeweilige Soll-Impulsperiodenzeit
für die durch die Adresse definierte Entfernung zur Zielposition gespeichert; d.h.
die in den Speicherstellen 127 bis 0 enthaltenen Werte definieren die gewünschte
Abbremsfunktion. Falls es erwünscht ist, diese Abbremsfunktion oder Abbremskurve
zur Anpassung an bestimmte andere Systembedingungen zu ändern, kann statt eines
Festwertspeichers (ROM) ein programmierbarer Festwertspeicher (PROM) verwendet werden.
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Der jeweils aus dem Festwertspeicher 50 ausgelesene Sollwert A für
die Impulsperiodenzeit wird zusammen mit dem Istwert B an eine binäre Subtrahierstufe
51 angelegt. Diesen Istwert B -der Impulsperiodendauer TE der von der Taktscheibe
16 (Fig. 1) abgetasteten Taktimpulse erhält man dadurch, daß diese von dem Funktionsblock
37 gelieferten Impulse einer Impulsperioden-Meßschaltung 52 zugeführt werden, welche
einen Zähler enthält , in den jeweils während der Dauer einer Impulsperiode TE von
einem Oszillator 53 gelieferte Zeitgabeimpulse T0 eingezählt werden. Aus später
noch näher beschriebenen Gründen, wird jeweils zu Beginn einer Zählperiode, d.h.
zu Beginn einer neuen Taktimpuls-Periode TES der in der Zeitmeßschaltung 52 enthaltene
Zähler auf einen konstanten Wert K voreingestellt, beispielsweise auf einen Wert
von K = 82. Der Oszillator 53 liefert beispielsweise ein Zeitgabesignal mit einer
Frequenz von 25,6 kHz. Die Zeitmessung erfolgt somit mit einer Auflösung in 39 Mikrosekunden-Schritten.
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Am Ende einer Taktimpulsperiode TE wird der Inhalt des Zählers in
ein Pufferregister 54 übertragen. Während der nächsten Impulsperiodendauer wird
der Inhalt dieses Pufferregisters 54 der genannten Subtrahierstufe 51 als Istwert
B zugeführt. Überschreitet die Impulsperiodendauer TE einen bestimmten Grenzwert,
beispielsweise den Wert von 4,4 msec, dann wird der Inhalt des Pufferregisters 54
während der noch laufenden Impulsperiode alle 39 Mikrosekunden um eine Einheit erhöht,
wodurch sich infolge der dadurch entstehenden größeren Differenz aus Ist- und Sollwert
während der noch laufenden Impulsperiodendauer auch der Motorstrom erhöht, so daß
der Motor wieder beschleunigt und ein vorzeitiger Stillstand desselben beispielsweise
infolge einer unerwünschten plötzlichen Lasterhöhung vermieden wird, wie dies bereits
im Zusammenhang mit dem-ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
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In der Subtrahierstufe 51 wird die Differenz d aus dem Istwert B
und dem Sollwert A gebildet ( d = B - A).
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Die in binärer Form vorliegende Differenz » ist nun unter Berücksichtigung
des Vorzeichens in eine proportionale Motorspannung umzuwandeln. Dies geschieht
vorzugsweise wieder durch eine Impulsbreitenmodulation der erhaltene dwie Regelabweichung
darstellenden Differenz. Bei diesem Ausführungsbei spiel besteht der Impulsbreitenmodulator
55 aus einem zyklisch umlaufenden Zähler 56 und einer digitalen Vergleichsstufe
57, in welcher der jeweilige Inhalt des Zählers 56 mit der Regelabweichung verglichen
wird. Der Zähler hat beispielsweise eine Kapazität von 256 Zählschritten und zählt
zyklisch mit gleichbleibender Zählfrequenz von-diesem Wert 256 auf den;Wert 0, wie
dies in Fig. 12a durch das sägezahnförmige Signal dargestellt ist. Es sei allerdings
darauf hingewiesen, daß in der Ordinate der Fig. 12a nicht ein Amplitudenwert, sondern
digitale Zählwerte aufgetragen sind,
so daß die von links oben
nach rechts unten abfallenden Flanken des sägezahnförmigen Signals in Wirklichkeit
durch digitalisierte Zählschritte vom Wert 256 über den Wert 128 bis zum Wert 0
gebildet werden. Da der Zähler nicht auf negative Werte zählt, sondern der Wert
128 die Symmetrieachse darstellt, an welcher das "Tastenverhältnis" den Wert 1 :
1 aufweist, ist es für den in der digitalen Vergleichsschaltung 57 durchzuführenden
Vergleich erforderlich,'die ebenfalls an diese angelegte Regelabweichung entsprechend
zu korrigieren, d.h. um den Wert 128 zu erhöhen.
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Die Subtrahierstufe 51 liefert deshalb nicht die tatsächliche Differenz
A = B - A, sondern eine entsprechend korrigierte Differenz ß * = B - A + 128. Dieser
Sachverhalt ist ebenfalls in Fig. 12a dargestellt. Mögliche Werte für die korrigierte
Differenz d * sind darin durch das treppenförmig verlaufende Signal dargestellt.
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Die Vergleichsschaltung 57 innerhalb des Impulsbreiten-Modulators
55 arbeitet in der Weise, daß sie ein Signal mit hohem Pegel immer dann abgibt,
wenn die korrigierte Differenz d * größer ist als der Zählwert des Zählers 56.
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Dieser Sachverhalt ist in Fig. 12b dargestellt. Weist die korrigierte
Differenz d* * Werte auf, die über dem maximalen Zählwert des Zählers 56 liegen,
d.h. Werte zwischen beispielsweise 384 und 256 (dies entspricht einer tatsächlichen
Differenz 4 von 256 bis 128), dann erzeugt die Vergleichsschaltung 57 ein kontinuierliches
Signal mit hohem Pegel, wie dies im linken Drittel der Fig. 12b dargestellt ist.
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Solche Differenzwerte treten beispielsweise beim Anlaufen des Motors
auf, wenn aufgrund einer noch relativ hohen Entfernung vom Ziel eine hohe Drehgeschwindigkeit
gefordert wird und deshalb eine niedrige Impulsperiodendauer als Sollwert A vorgegeben
ist und der Istwert B diesen Wert
noch nicht annähernd erreicht
hat. In diesem Falle soll der Motor mit der maximalen Spannung Umax = + 28 V betrieben
werden. Dieser Bereich der Signalform in Fig. 12b mit kontinuierlichem hohen Pegel
bewirkt somit bei Vorwärtslauf des Motors über die bereits im Zusammenhang mit dem
ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Motorsteuerschaltung 31 und die Motortreiberstufe
35 das Anlegen der maximalen Motorspannung von + 28 Volt an den Motor, wie dies
aus Fig. 12c ersichtlich ist. In dieser ist die tatsächlich am Motor wirksame Spannung
UM (eff) aufgetragen, wie sie sich durch die Glättung der impulsbreitenmodulierten
Motorspannung ergibt. In Fig. 12c ist die effektive Motorspannung für den Vorwärts
lauf dargestellt; die effektive Motorspannung bei Rückwärtslauf des Motors würde
einen zur Signalform in Fig. 12c spiegelbildlichen Verlauf aufweisen.
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Erreicht die korrigierte Differenz * Werte, die unterhalb des maximalen
Zählwertes des Zählers 56, d.h. unterhalb von 256 liegen, dann gelangt der Regler
in seinen proportionalen Regelbereich und die Vergleichsschaltung 57 gibt den Wert
der jeweiligen Differenz a* entsprechende impulsbreitenmodulierte Signale, wie dies
im mittleren Bereich der Fig. 12b dargestellt ist. Erreicht die korrigierte Differenz
t * einen Wert von 128 (in Fig. 12a ist dieser Fall nicht dargestellt) was einer
tatsächlichen Differenz von Null entspricht, dann erhält man ein impulsbreitenmoduliertes.
Signal mit einem Tastverhältnis von 1 : 1, was zu einer effektiven Motorspannung
von 0 Volt führt. Bei korrigierten Differenzen a* ( t28 wird das Tastverhältnis
kleiner als 1, was zu einer zunehmend negativen effektiven Motorspannung UM (eff)
führt. Diese negative Motorspannung wirkt bremsend auf den Motor, wie dies zum Korrigieren
der ermittelten negativen Regelabweichung ( w = B - A < 0) erforderlich ist.
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Erreicht die korrigierte Differenz t* Werte kleiner als Null (dies
entspricht einer tatsächlichen Differenz d( - 128), dann verläßt der Regler den
proportionalen Regelbereich und das von der Vergleichsschaltung 57 abgegebene, in
Fig. 12b dargestellte Signal bleibt auf seinem niedrigen Pegel, was dazu führt,
daß der Motor die volle negative Spannung Umax = - 28 Volt erhält. Dieser Fall kann
insbesondere dann eintreten, wenn der Motor aus voller Geschwindigkeit bei geringer
Systemreibung und relativ großer bewegter Masse abzubremsen ist. In diesem Falle
kann also die negative Regelabweichung so groß werden, daß zur Korrektur an den
Motor die volle Bremsspannung angelegt werden muß.
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Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, werden die von der optischen
Abtasteinheit 37 gelieferten, von den Spuren I und II der Taktscheibe abgetasteten
Taktimpulse mit der Impulsperiode TE der Richtungsidentifikations- und Impulsverdoppelungseinheit
40 zugeführt, welche über eine Leitung 40a ein Zählrichtungssteuersignal an den
in der Zähler-Dekodierereinheit 25 enthaltenen Zähler liefert. Über die Leitung
40b wird dieser Zähler mittels einer Impulsfolgefrequenz fortgeschaltet, die die
doppelte Frequenz wie das von der Spur I der Taktscheibe abgelesene Taktsignal aufweist.
Läuft der Motor in der über die Leitung 24 an die Motorsteuerschaltung 31 vorgegebenen
Richtung, dann zählt der in der Einheit 25 enthaltene Zeilenzähler rückwärts, da
sich der zu transportierende Beleg der Zielposition nähert. Bei Erreichen eines
Zählwertes von gleich oder kleiner 8 wird über die Leitung 25a ein Signal an die
Motorsteuerschaltung 31 abgegeben, welche die Abschaltung' der Motorspannung in
der Treiberstufe 35 bewirkt. Die Abbremsung des Motors aus der zu diesem Zeitpunkt
vorhandenen Endgeschwindigkeit VE bis zur Geschwindigkeit 0 erfolgt lediglich durch
die Systemreibung. Die im Zähler der Zähler-Dekodierereinheit 25 durch den Zählwert
5 definierte Zielposition
wird auch bei extremen Belastungsschwankungen
mit einer Genauigkeit von + 2 Zähleinheiten erreicht.
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Anhand des in Fig. 13 dargestellten Diagramm wird nochmals die Wirkungsweise
dieses Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Positionsierregelungssystems erläutert.
In diesem Diagramm sind auf der Abszisse von links nach rechts die durch den Zeilenzähler
des Funktionsblocks 25 definierte Adressen des die Abbremsfunktion speichernden
Festwertspeichers 50 (ROM) aufgetragen. Diese Adressen entsprechen dem jeweiligen
Abstand des zu transportierenden und zu positionierenden Aufzeichnungsträgers von
seiner Zielposition. Die Zielposition ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel auf
den Zählwert 5 festgelegt. Auf der linken Ordinate ist die durch die Anzahl N der
Impulse T0 des Oszillators 53 definierte Impulsperiodendauer TE sowohl für den Soll-
als auch für den Istwert von oben (0) nach unten (255) ansteigend aufgetragen. Die
mit A bezeichnete Kurve stellt die in dem Festwertspeicher 50 gespeicherte Sollwert-Kurve
dar. Da die entsprechenden Werte in dem Festwertspeicher 50 - wie bereits erwähnt
- in den einzelnen Speicheradressen in Form 8-stelliger Binärziffern gespeichert.
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sind, stellt die Soll-Wert-Kurve A in Wirklichkeit keine kontinuierliche
Kurve dar, sondern wird durch eine stufenweise Annäherung entsprechender Digitalwerte
gebildet. Links der Ordinate, d.h. in den Speicheradressen 123 bis 256, ist in den
entsprechenden Speicherstellen ein konstanter Wert D (beispielsweise mit dem Wert
16) gespeichert, welcher den Sollwert für die Normalgeschwindigkeit des Motors definiert.
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An der Speicher-Adresse 127 springt der Sollwert für die Impulsperiodendauer
auf einen niedrigeren Wert, welcher dann über die weiteren Speicheradressen bis
zur Speicheradresse 8 der angegebenen Kurve A folgt.,
Wegen der
bei Normalgeschwindigkeit geringen Verstärkung des Regelkreises muß die Differenz
a = B - A relativ groß werden, um dem Motor die für die Aufrechterhaltung dieser
Geschwindigkeit notwendige Spannung zu liefern. Deshalb wird zu der bei der Periodendauer
TE gezählten Impulszahl N der Impulse T0 des Oszillators 53 eine konstante K addiert,
derart, daß die Differenz zwischen Führungsgröße und Istgröße gerade diejenige Motorspannung
UM erzeugt, bei der sich im eingeschwungenen Zustand abhängig von der Last gerade
wieder die Periodendauer TE einstellt. Wie aus Fig. 13 ersichtlich, wurde bei diesem
Ausführungsbeispiel für diese Konstante der Wert K = 82 Impulse ermittelt. Ausgehend
von der diese Konstante K repräsentierenden Hilfsabszisse ist rechts im Diagramm
eine Hilfsordinate eingezeichnet, auf der die tatsächlich auftretenden Werte für
die Periodendauer TE in Millisekunden aufgetragen sind. In dem Bereich der Normalgeschwindigkeit
wird in dem dargestellten Beispiel durch das Zählen von 14 Impulsen T0 eine Impulsperiodendauer
von TE = 560 Mikrosekunden festgestellt, was einer Transportgeschwindigkeit von
38 cm pro Sekunde entspricht. Zu dieser Impulszahl wird die genannten Konstante
K = 82 Impulse addiert, so daß sich ein Istwert von 96 Impulsen ergibt. Beginnend
mit der Position 127, d.h. innerhalb des Positionierbereichs, hat der Istwert den
in Fig. 13 durch die Kurve B dargestellten Verlauf, wobei sich diese Kurve bei Annäherung
ans Ziel immer mehr der Sollwertkurve A nähert, was bedeutet, daß die Differenz
d zwischen Ist- und Sollwert immer geringer wird, so daß entsprechend auch die Motorspannung
UM abnimmt. Kurz vor dem Ziel, d.h. in der Abschaltposition wird die Motorspannung
UM zu Null und nach Abschaltung der Motorspannung läuft der Motor nunmehr lediglich
durch die Systemreibung gebremst bis zur Zielposition, die bei einem Zählwert von
etwa 5 liegt.
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Der Meßbereich der Impulsperiodendauer TE beträgt bei dem gewählten
Ausführungsbeispiel 6,75 Millisekunden, was 173 Oszillatorimpulsen T0 entspricht.
Zusammen mit dem Wert der Konstante K = 82 Impulsen ergibt dies den in den 8 Bits
einer Speicheradresse des Festwertspeichers 50 maximal speicherbaren Wert von 255
Impulsen.
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Anhand der Fig. 14, welche ein stark schematisiertes Blockschaltbild
darstellt, wird noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Positionierregelungssystems
beschrieben. Einige Funktionsblöcke dieses Ausführungsbeispiels sind wieder mit
solchen der in den Fig. 4 und 11 dargestellten Ausführungsbeispiele identisch. Es
sind dies die Treiberstufe 35, der den Gleichstrommotor und die Last symbolisierende
Funktionsblock 36, der die Schlitzlochscheibe mit den beiden Sensoren für die Spuren
I und II enthaltende Funktionsblock 37 sowie der Drehrichtungsfeststell- und Impulsverdoppelungsblock
40. Alle anderen Funktionsblöcke werden bei diesem Ausführungsbeispiel durch ein
zwischen den beiden gestrichelten Linien dargestelltes und mit dem Bezugszeichen
79 bezeichnetes Mikrocomputersystem und durch einen integrierten Zählerbaustein
83 realisiert.
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Das genannte Mikrocomputersystem 79 ist bei vielen Anwendungsfällen
des erfindungsgemäßen Positionierregelungssystems an sich vorhanden, beispielsweise
wird es bei dem beschriebenen Anwendungsfall der Aufzeichnungsträgerpositionierung
in einem Zeilendrucker auch für die Nadelauswahlsteuerung für einen Druck im Vor-
und Rücklauf des Nadeldruckkopfes sowie für verschiedene andere Zwecke benötigt.
Durch Verwendung dieses in dem Gerät sowieso vorhandenen Mikrocomputersystems 79
kann eine bessere Ausnützung desselben erreicht werden, so daß sich eine äußerst
wirtschaftliche Lösung für das erfindungsgemäße System ergibt.
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Das Mikrocomputersystem 79 besteht aus einem Mikroprozessor-Baustein
80, einem Lese-Schreibspeicher-Baustein 81 (RAM) sowie einem Festwertspeicher-Baustein
82 (ROM). Diese Bausteine sind in an sich bekannter Bauweise über Daten-, Adress-
und Steuerleitungsbündel miteinander verbunden. Auf eine nähere Beschreibung kann
deshalb verzichtet werden. Ein zusätzlicher integrierter Zählerbaustein 83 ist ebenfalls
über entsprechende Leiterbündel mit dem Mikrocomputer-System verbunden, hat jedoch
im Gegensatz zu dem letzteren ausschließlich Funktionen zu erfüllen, die für das
erfindungsgemäße Regelungssystem spezifisch sind.
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Dieser Zählerbaustein 83 enthält drei in ihrer Betriebsweise programmierbare
Zähler, deren Aufgabe im folgenden noch beschrieben wird.
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Für die Inbetriebsetzung bzw. Eingabe der neuen Zielposition dient
auch hier die mit Sc bezeichnete Leitung 23.
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Die Funktion des den Abstand zur Zielposition speichernden Zählers
25 wird hier durch ein t x 8 Bit bestehende Speicherstelle des Lese-Schreibspeichers
81 gebildet. Eine solche Speicherstelle kann selb-stverständlich keine selbständige
Z8hlung ausfUhren. Die Zählung wird deshalb durch eine Programmroutine des Mikroprozessor-
Bausteines 80 durchgefuhrt. Immer dann, wenn von der Funktionseinheit 40 in der
bereits im Zusammenhang mit den beiden anderen Ausführungsbeispielen beschriebenen
Weise ein Zählimpuls abgegeben wird (Leitung 406), wird das ggf. gerade in dem Mikroprozessor-Baustein
80 laufende Programm unterbrochen und dieser leitet mittels aus dem Festwertspeicher
82 abgerufener Programmdaten eine Programmroutine ein, die dann, wenn der Motor
in'der gewünschten Drehrichtung läuft, eine Verminderung der genannten Speicherstelle
in dem Lese-Schreibspeicher 81 bewirkt, während dann, wenn der Motor sich entgegen
der gewünschten Drehrichtung bewegt, der
Inhalt dieser Speicherstelle
um eine Einheit erhöht wird.
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Die die Drehrichtung anzeigende Ausgangsleitung 40a des Funktionsblockes
40 ist mit einem in dem Lese-Schreibspeicherbaustein enthaltenen Eingabe/Ausgabe-Kanal
verbunden, um diese Information dem Mikrocomputersystem 79 zuzuführen.
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Der Vergleich zwischen Ist- und Sollwert erfolgt ebenfalls im Mikroprozessor
80. Die Werte der Führungsgröße können in dem Festwertspeicher 82 in Form einer
Tabelle gespeichert sein. Zur Einsparung von Speicherplatz ist es jedoch auch möglich,
nur einige Werte zu speichern und Zwischenwerte durch eine entsprechende Programmroutine,
z.B. durch die oben bereits erwähnte, mit Hilfe des Mikroprozessors 80 zu errechnen.
Soll die Führungsgröße beispielsweise der in Fig. 13 dargestellten Kurve A folgen,
dann ist es möglich, den weniger gekrümmten Teil dieser Kurve durch eine oder auch
mehrere Geraden anzunähern, für jede Gerade einen einzigen Wert zu speichern und
die restlichen Werte durch eine relative einfache Rechen funktion zu ermitteln.
Die Werte der Führungsgröße in dem stärker gekrümmten Teil am Ende des Kurvenverlaufs
können der besseren Regelgenauigkeit wegen einzeln abgespeichert werden.
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Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, den gesamten Kurvenverlauf
der Führungsgröße für die einzelnen Abstände zur Zielposition mittels des Mikroprozessors
zu errechnen.
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Dies ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn ein mathematisch relativ
einfacher Kurvenverlauf vorliegt, da ansonsten die für die Durchführung der erforderlichen
Rechenoperationen benötigten Programmschritte einen übermäßig großen Speicherraum
in dem Festwertspeicher 82 belegen würden bzw. der für die Berechnung benötigte
Zeitaufwand zu groß wäre.
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Von den drei in dem Zählerbaustein 83 enthaltenen Zählern dienen
zwei zur Umwandlung der von dem Mikroprozessor 80 ermittelten Regelabweichung in
ein entsprechendes impulsbreitenmodeliertes
Signal, das in der
Treiberschaltung 35 in eine entsprechende Motorspannung umgewandelt wird. Der erste
dieser beiden Zähler wird so betrieben, daß während der ersten Hälfte seiner Zählschritte
ein Ausgangssignal mit niedrigem Potential und während der zweiten Hälfte seiner
Zählschritte ein Ausgangssignal mit hohem Potential erzeugt wird, d.h. dieser Zähler
arbeitet praktisch als Rechteck-Generator. Das erzeugte Rechtecksignal hat eine
solche Frequenz bzw. Periodendauer, wie dies für die Frequenz des impulsbreitenmodelierten
Signals gewünscht wird.
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Mit der abfallenden Flanke dieses von dem ersten Zähler erzeugten
Rechtecksignals wird in den zweiten Zähler ein der Regelabweichung entsprechender
Wert eingespeichert, von dem aus dieser Zähler durch ein von dem Mikroprozessor
geliefertes Taktsignal bis zum Wert Null nach unten gezählt wird. Solange sich dieser
zweite Zähler auf einem von Null verschiedenen Wert befindet, gibt er ein Signal
mit einem ersten logischen Pegel und mit Erreichen des Zählwertes Null für die restliche
Dauer der durch den ersten Zähler definierten Impulsperiodendauer ein Signal mit
einem zweiten logischen Pegel ab, wobei durch das VerhäLtnis dieser beiden Signale
das Tastverhältnis des impulsbreitenmodulierten Signals bestimmt wird. Da aber bei
einer Regelabweichung von Null die effektive Motor spannung ebenfalls Null betragen
soll, muß das Tastverhältnis in diesem Falle 1:1 betragen.
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Aus diesem Grunde wird zu dem eigentlichen die Regelabweichung darstellenden
Wert die Hälfte des die Zahlkapazität des zweiten Zählers darstellenden Wertes addiert
und diese modifizierte Regelabweichung wird jeweils zu Beginn der durch den ersten
Zähler definierten Zählperiodendauer in den zweiten Zähler geladen.
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Für den Fall, daß die tatsächliche Regelabweichung Null beträgt, wird
somit in den zweiten Zähler ein Wert geladen, der genau die Hälfte seiner Zählkapazität
beträgt. Positive Werte der Regelabweichung führen entsprechend zu einem Tastverhältnis
größer als 1, negative Werte der Regelabweichung zu einem Tastverhältnis von kleiner
als 1.
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Der dritte Zähler dieses Zählerbausteins 83 dient zur Impulszeitmessung,
d.h. zur Feststellung des Istwertes der Impulsperiodendauer. Durch jeden zweiten
von dem Funktionsblock 40 über die Leitung 40b an den Mikroprozessor-Baustein 80
gelieferten Taktimpuls wird der genannte dritte Zähler auf seine volle Zählkapazität
aufgeladen und durch das von dem Mikroprozessor abgegebene Taktsignal bis zum Auftreten
des übernächsten vom Funktionsblock 40 abgegebenen Taktimpulses nach unten gezählt.Der
am Ende einer solchen Impulsperiodendauer in dem dritten Zähler enthaltene Zählwert
entspricht dem modifizierten Istwert der Impulsperiodendauer TE*, wie er im Zusammenhang
mit Fig. 3 bereits beschrieben wurde. Dieser modifizierte Istwert wird, wie bereits
erwähnt, in dem Mikroprozessor-Baustein 80 mit dem aus dem Festwertspeicher 82 entnommenen
bzw. dem errechneten Sollwert der Impulsperiodendauer verglichen und die erhaltene
gegelabweichung wird in der bereits beschriebenen Weise zur Bildung des impulsbreitenmodulierten
Motorsignals verwendet.
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L e e r s e i t e