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Lageregelkreis mit einem reversiblen Antriebsmotor und einem unterlagerten
Drehzahlregelkreis Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lagerregelkreis mit
einem reversiblen Antriebsmotor und einem unterlagerten Drehzahlregelkreis, bei
dem Amplitude und Polarität des Lageabweichungssignals von dem Abstand des angetriebenen
Teiles zu einer vorbestimmten Endstellung abhängt und das Lageabweichungssignal
über eine Begrenzerschaltung geleitet ist, die seine Amplitude auf einen in beiden
Polaritäten zu einer Null-Bezugsspannung symmetrischen Höchstwert begrenzt.
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Bei einer automatischen Werkzeugmaschine mit einem Steuermechanismus
für die Punkt-zu-Punkt-Stellung ist es oft zweckmäßig, wenn man Geraden zwischen
Punkten auf einem Werkstück maschinell bearbeiten sowie örtliche Arbeiten, wie das
Bohren von Löchern und das Zapfenfräsen, ausführen kann. Um gerade Oberflächen in
gleichförmiger und annehmbarer Weise maschinell zu bearbeiten, muß die Bewegungsgeschwindigkeit
zwischen programmierten Punkten genau gesteuert werden, um annehmbare Endoberflächen
zu erzeugen und eine überlastung des Schneidwerkzeuges zu verhindern. Die Größe
des Abweichungssignals, das in einem Regelkreis erzeugt wird, um die Bewegung eines
geregelten Elements von der einen Stellung in eine andere zu bewirken, bleibt nicht
gleichförmig, wenn das Element von dem einen Ort zu einem anderen bewegt wird, sondern
befindet sich auf seiner größten Höhe, wenn sich das Element im größten Abstand
von dem gewünschten Ort oder der Endstellung befindet, und nimmt ab, wenn sich das
Element der Endstellung nähert. Es ist deshalb schwierig, dieses Signal zur Erzeugung
einer glatten und gleichförmigen Bewegung eines geregelten Elements zwischen zwei
Punkten zu verwenden.
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Aus der deutschen Auslegeschrift 1069 260 ist gleichfalls ein
Lageregelkreis mit einem unterlagerten Drehzahlregelkreis bekannt. Die Schaltung
ist derart ausgebildet, daß der Regelkreis erst dann anspricht, wenn das Lageabweichungssignal
einen gegebenen Mindestpegel erreicht. Ziel dieser Maßnahme ist es, kleine Signalpegel
auszuschließen, die das sogenannte »Pendeln« in einem Servosystem hervorrufen würden.
Das Ausschließen der Signale unterhalb eines gegebenen Pegels macht das bekannte
System unempfindlicher und verbreitert das sogenannte »Totband« des bekannten Servomechanismus,
so daß das Totband breiter als das Spiel in dem System ist. Darüber hinaus wird
bei dem bekannten System das Abweichungssignal auf eine Begrenzerschaltung gegeben,
die den Servomechanismus vollständig anhält, wenn ein übermäßiges Abweichungssignal
vorliegt. Die Begrenzerschaltung hat somit lediglich die Wirkung einer Schutzeinrichtung
gegen Überdrehzahlen. Es ist jedoch nicht möglich, mit Hilfe dieser Begrenzerschaltung
während der Lageverstellung einen kontinuierlichen Einfluß auf die Geschwindigkeit
des Antriebes auszuüben.
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Demgegenüber ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Lageregelkreis
zu schaffen, der außerdem die Arbeitsgeschwindigkeit des darin enthaltenen Motors
genau gemäß einer eingestellten Geschwindigkeit regelt, damit sich das geregelte
Element mit einer praktisch gleichförmigen Geschwindigkeit von Punkt zu Punkt bewegt.
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Ein Vorteil dieser Erfindung liegt darin, daß in einem geschlossenen
Regelkreis die Höhe des in dem Kreis erzeugten Abweichungssignals während der Verstellung
praktisch absolut auf eine eingestellte Höhe begrenzt werden kann, wodurch eine
gleichförmige Bewegungsgeschwindigkeit des geregelten Elements über einen langen
Bewegungsbereich zwischen zwei festgelegten Punkten erzeugt wird.
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Gemäß der Erfindung wird ein verbesserter Lageregelkreis vorgeschlagen,
der gekennzeichnet ist durch ein wechselspannungsgespeistes Potentiometer, dessen
abgegriffene Spannung über Halbleiter gleichgerichtet
und als Vorspannung
der als Diodenbrückenschaltung ausgebildeten Begrenzerschaltung derart zugeführt
ist, daß die höchste Betriebsgeschwindigkeit des Antriebsmotors in beiden Drehrichtungen
durch die Stellung des Potentiometerabgriffs bestimmbar ist.
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Durch diese Anordnung ist es möglich, auf bequeme und schnelle Weise
die höchste Betriebsgeschwindigkeit des Antriebsmotors den jeweiligen Erfordernissen
anzupassen.
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Die Begrenzerschaltung erzeugt eine absolute-Begrenzung des Eingangssignals
auf eine eingestellte größte Amplitudenhöhe auf seiner Ausgangsseite. Die Höhe der
Begrenzung wird durch die Einstellung eines - Informationsspeichers für die Vorschubgeschwindigkeit
festgelegt, der mit der. Begrenzerschaltung verbunden ist. Indem das- Ab'weichungssignal
auf einer eingestellten größten Amplitudenhöhe an der Eingangsseite eines Leistungsverstärkers
gehalten wird, wird auf diese Weise der von dem Leistungsverstärker gelieferte Antrieb
dementsprechend begrenzt und eine Bewegungsgeschwindigkeit des geregelten Elements
festgelegt. .
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Aus der französischen Patentschrift 1327 631 ist es bekannt,
Steuer- und Regelgrößen mittels vorgespannter Diodenbrücken zu begrenzen. Die Verwendung
bei einem Lageregelkreis der vorgenannten Art ist dort jedoch nicht angeregt. .
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Die Erfindung wird nun an Hand eines ausführlichen Ausführungsbeispieles
unter Heranziehung der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g.1 ein Blockdiagramm
eines Lageregelkreises, F i g. 2, 3 und 4 graphische Darstellungen von Variablen
innerhalb des Regelkreises, und F i g. 5 eine schematische Darstellung einer Brückenbegrenzerschaltung
und einer darüber verbundenen Gleichspannungs-Vorspannungsschaltung als Vorschubgeschwindigkeitsspeicher.
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Das Blockdiagramm von F i g. 1 zeigt einen Regelkreis, dessen Funktion
es ist, eine Punkt-zu-Punkt-Bewegung längs der einen Achse eines Werkzeugmaschinenschlittens
10 zu erzeugen, der z. B. der Tisch einer automatisch gesteuerten Bohrmaschine sein
kann. Der Schlitten wird durch einen hydraulischen Motor 12 über ein Getriebe 14
in Stellung gebracht. Die Stellungen, in die der Schlitten 10 bewegt wird, werden
durch Wechselstrompotentiale festgelegt, die in einem Stellungsspeicher 16 eingestellt
sind, der z. B. ein Spannungsteilernetzwerk sein kann, von dem Sinus- und Kosinuswechselspannungen
wahlweise abgenommen werden können. Die Sinus- und Kosinusspannungen werden über
ein Kabel 18 mit einer Vergleichseinrichtung 20 für viele Geschwindigkeiten verbunden.
Die Einrichtung 20 verwendet Resolver, von denen jeder ein Paar Ständerwicklungen
aufweist, die in der Phase um 90° verschoben sind. Indem die Sinus- und Kosinusspannungen
von dem Speicher 16 auf die Ständerwicklungen der Resolver in der Einrichtung 20
gegeben werden, wird eine Null-Winkelstellung für die Läuferwicklung jedes Resolvers
festgelegt, d. h., für jede besondere Kombination einer mit den Ständern eines Resolvers
in der Einrichtung 20 gekoppelten Sinus- und einer Kosinusspannung gibt es eine
Winkelstellung des Läufers in der Einrichtung 20, bei der die in dem Läufer induzierte
Spannung Null ist. Die Läufer der Vergleichseinrichtung 20 sind über Getriebe, die
durch die gestrichelte Linie 22 angedeutet sind, für die Rotation durch den Motor
12, wenn er für die Bewegung des Schlittens 10 betätigt wird, verbunden. Die Antriebsrichtung
durch den Motor 12 über das Getriebe 22 ist so, daß der Läufer darin in Richtung
auf seine Nullstellung getrieben wird, da das Potential an dem Läufer über einen
Leiter 24 abgenommen wird, um ein AbwQichungssignal zu erzeugen, dessen Vorhandensein
den Betrieb des Motors 12 verursacht. Der Leiter 24 ist mit einem Vorverstärker
26 verbunden, in dem das Wechselstrom-Abweichungssignal verstärkt wird. Das verstärkte
Abweichungssignal wird dann von dem Vorverstärker 26 über einen Leiter 28 in eine
Detektorschaltung 30 gegeben, mit der auch eine Bezugswechselspannungsquelle 32
verbunden ist. Die Detektorschaltung erzeugt ein Gleichstrom-Abweichungssignal auf
dem Leiter 34, =das proportional zum Wechselstromeingangssignal auf dem Leiter;28
ist und dessen Polarität durch die Phase des Ein'm gangssignals auf dem Leiter 28
bestimmt wird. Der Leiter 34 steht mit einer Begrenzerschaltung 36 in Verbindung,
die das Abweichungssignal mit einer Ausgangsleitung 38 koppelt. Die Amplitude des
Abweichungssignals auf der Leitung 38 hängt von den Gleichstrompotentialen auf den
Leitern 40 und 42 ab, die über der Begrenzerschaltung 36 verbunden sind,- um sie
mit einer Vorsparinung zu versehen und die Obergrenze des Abweichungssignals auf
der Leitung 38 festzulegen. Die Potentiale auf den Leitern 40 und 42 hängen von
der Einstellung eines Vorschubgeschwindigkeitsspeichers 44 ab, der die- darauf aufgebrachten
Potentiale erzeugt. Die Leitung 38 liefert das begrenzte Gleichstromabweichungssignal
auf eine Summierschaltung 46, mit der ein Gleichstromstabilisierungspotential durch
eine Leitung 48 von einem Tachometer 50 verbunden ist. Der Tachometer 50 wird von
einem Getriebe angetrieben, das durch die gestrichelte Linie 52 angedeutet und mit
dem Motor 12 verbunden ist, um ein Gleichstrompotential auf der Leitung 48 in Übereinstimmung
mit der Betriebsgeschwindigkeit des Motors 12 zu erzeugen. Das Potential wird algebraisch
mit dem begrenzten Abweichungssignal auf der Leitung 38 addiert. Das begrenzte Abweichungssignal
wird so, wie es in der Summierschaltung verändert wurde, über den Leiter 54 auf
ein Kompensationsnetzwerk 56, z. B. ein Widerstands-Kapazitäts-Netzwerk oder eine
Integratorschaltung geliefert, die einen Gleichstromverstärker enthalten kann, wobei
beide Schaltungen auf dem Gebiet der Regelkreise bekannt sind. Der Zweck des Kompensationsnetzwerkes
56 ist der, die Niederfrequenzansprechcharakteristik der Rückführung, die den Tachometer
50 enthält, zu erhöhen, auf die zum großen Teil durch die Motorlastfrequenz eingewirkt
wird. Das begrenzte und veränderte Abweichungssignals wird dann von dem Kompensationsnetzwerk
56 über einen Leiter 58 auf einen Leistungsverstärker 60 gegeben, der ein Ausgangssignal
auf dem Kabel 62 erzeugt, welches dem Signal auf dem Leiter 58 proportional ist.
Das Kabel 62 überträgt das genannte Ausgangssignal auf ein Servoventil 64, das als
Wandler arbeitet, um das elektrische Ausgangssignal in eine mechanische Bewegung
umzuwandeln, die das Volumen und die Richtung des Flüssigkeitsflusses durch die
Rohranlage, die mit 65 bezeichnet ist, zu dem Motor 12 steuert, der sowohl den Schlitten
10 bewegt, als auch den Tachometer 50 und den Läufer der Vergleichseinrichtung 20
antreibt.
Die Geschwindigkeit, mit der der Motor 12 betrieben wird,
hängt von der Stärke des auf das Servoventil 64 gegebenen Signals ab, die wiederum
von der Amplitude des Signals aus der Begrenzerschaltung 36 gesteuert wird. Die
Arbeitsrichtung des Motors 12 hängt von der Polarität des an das Servoventil 64
gelieferten Signals ab, und die größte Amplitude ist in beiden Polaritäten symmetrisch
zur Null-Bezugsspannung.
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Die Begrenzerschaltung 36 wird in F i g. 5 in Einzelheiten gezeigt.
Der Leiter 34 bildet den Eingang der Begrenzerschaltung 36 von der Detektorst;haltung
30, und der Leiter 34 stellt die Ausgangsverbindung des Begrenzers
36 dar. Die Begrenzerschaltung 36 besteht aus einer Brückenschaltung, die die Dioden
66, 67, 68 und 69 enthält, wobei der Höchstwert ihres Ausgangssignals durch die
von dem Vorschubgeschwindigkeitsspeicher 44 über die Leiter 40 und 42 gelieferte
Gleichstrom-Vorspannung und die Werte der Widerstände 74 und 76 bestimmt wird. Der
Leiter 40 trägt ein positives Potential, während der Leiter 42 negative Spannung
führt. Bei fehlendem Eingangssignal auf dem Leiter 34 sind alle Dioden 66
bis 69 durch die Potentiale auf den Leitungen 40 und 42 und den sich daraus ergebenden
Stromfluß durch die Widerstände 74 und 76 leitend. Wenn die Dioden 66 bis 69 leitend
sind, ist ihr Widerstand praktisch Null, und das Potential auf dem Eingangsleiter
34 muß das gleiche sein wie das Potential auf der Ausgangsleitung 38. Da die Dioden
66 bis 69 leitend sind, sind sie auch bilateral, und ein jetzt an die Eingangsleitung
34 gelegtes Potential verursacht eine Stromflußkomponente durch jede der Dioden
66 bis 69, bis die sich auf diese Weise in bestimmten Dioden -rgebende Stromkomponente
eine Höhe erreicht, bei der sie den Strom von den Vorspannungspotentialen ausgleicht.
Wenn das Potential am Leiter 34 positiv wird, wird die daraus sich ergebende Stromkomponente
dem Strom in den Dioden 66 und 69 entgegenstehen. Bei einer bestimmbaren Potentialhöhe
am Leiter 34 wird der sich daraus ergebende Signalstrom den Vorspannungsstrom ausgleichen,
und da er ihm entgegengerichtet ist, wird der Signalstrom die Diode 66 sperren.
Bei einem höheren Wert des Signals auf dem Leiter 34 wird die Signalstromkomponente
den Vorspannungsstrom in der Diode 69 ausgleichen und, da er in entgegengesetzter
Richtung fließt, diese Diode sperren. Nun verbleiben beide Dioden 66 und 69 gesperrt
für alle höheren Werte des Signals auf der Eingangsleitung 34, und die Ausgangsleitung
38
ist dann isoliert. Das Potential auf der Ausgangsleitung 38 hängt nun allein
von dem Strom von der Leitung 40 durch den Widerstand 74, die Leitung 38 und dann
über einen Widerstand 78 zur Erde ab. Dieser Strom wird praktisch konstant sein,
und deshalb wird das Potential auf der Ausgangsleitung 38 auf einem entsprechenden
Wert festgehalten. So ist zu ersehen, daß das Potential auf der Ausgangsleitung
38 dem auf der Eingangsleitung 34 entspricht, bis das Eingangspotential einen vorbestimmten
Wert erreicht, und zu dieser Zeit wird die Ausgangsleitung 38 auf einen vorbestimmten
positiven Wert begrenzt sein und daran gehindert, im Potential weiter anzusteigen.
Wenn das Potential der Eingangsleitung 34 in negativer Richtung läuft, werden die
Dioden 68 und 67 in der Folge auf die gleiche Weise gesperrt, um die Ausgangsleitung
38 von der Eingangsleitung 34 zu isolieren, und das Potential der Ausgangsleitung
38 hängt allein von dem Strom von Erde über den Widerstand 78, die Diode 69 und
den Widerstand 76 zur Vorspannungsleitung 42 ab. In diesem Zustand ist die Wirkung
die gleiche, indem das Potential auf der Ausgangsleitung 38 auf einen vorherbestimmten
größten negativen Wert begrenzt wird.
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Die Einstellung des Potentials auf den Leitungen 40 und
42, verändert die größten positiven und negativen Werte, die durch die Ausgangsleitung
38 gekoppelt sein können. Ein Potentiometer 80 liegt über der Wechgelspannungsquelle
82, und ein gewähltes Potential wird durch den Abgriff 84 abgenommen. Das Potential
an dem Abgriff 84 liegt über einer Transformator-Primärwicklung 86 und induziert
ein Wechselpotential in der Sekundärwicklung 88, deren Mittelabgriff durch die Leitung
90 geerdet ist. Die Dioden 91, 92, 93 und 94 in der Ausgangsschaltung
der Sekundärwicklung 88 führen eine Vollwellengleichrichtung des induzierten Wechselpotentials
durch, und die Kapazitäten 95 und 96 glätten die Wellen, um eine konstante Höhe
des Gleichstrompotentials auf den Vorspannungsleitungen 40 und
42
zu liefern. Es handelt sich hier um die Schaltung des Vorschubgeschwindigkeitsspeichers
44, und die Einstellung seines Ausgangssignals, die durch das Potential auf den
Leitungen 40 und 42 dargestellt wird, wird durch Wahl der Stellung
des Abgriffes 84 durchgeführt.
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Die Wirkung der Begrenzerschaltung 36 wird graphisch in F i g. 2,
3 und 4 gezeigt. In F i g. 2 stellt die Kurve 98 die Abweichungsspannung der Vergleichseinrichtung
20 über der augenblicklichen Stellung des Schlittens in einem System dar,
in dem die Vergleichseinrichtung 20 für Grob-, Mittel- und Feinregelung geeignet
ist. Zu Beginn des Einstellvorganges ist das Abweichungssignal groß, und wenn der
Vorgang fortschreitet, fällt das Abweichungssignal ab, bis es zu einem Zeitpunkt
Null wird, zu dem sich der Schlitten in seiner gewählten neuen Stellung befindet.
Die Abweichungsspannung erzeugt ein Ausgangssignal der Begrenzerschaltung 36. Diese
Begrenzer-Ausgangsspannung wird über der augenblicklichen Stellung des Schlittens
10 in F i g. 3 aufgetragen und durch die Kurve 100 dargestellt. Es zeigt
sich, daß ein Abweichungssignal, wie in F i g. 2, ein begrenztes Ausgangssignal
100 erzeugt, das in einem weiten Bereich der Schlittenstellung konstant ist
und nur abfällt, wenn der Schlitten 10 bis dicht an die neue Stellung herangeführt
ist.
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F i g. 4 ist eine Darstellung der Geschwindigkeit des Motors 12 in
Umdrehungen pro Minute über der augenblicklichen Stellung des Schlittens 10. Wie
ersichtlich, ist die Kurve 102, die die Umdrehungen des Motors bei dem Einstellarbeitsgang
zeigt, ähnlich der Kurve 100 in F i g. 3 und deutet an, daß der Motor 12
mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit in einem großen Abschnitt des Einstellarbeitsganges
betrieben wird, bis der Schlitten 10 bis dicht an die gewählte neue Stellung herangeführt
ist.