DE2165865A1

DE2165865A1 - Servomechanismus

Info

Publication number: DE2165865A1
Application number: DE19712165865
Authority: DE
Inventors: Joseph Colin Blaby Leicestershire Whitehouse (Großbritannien)
Original assignee: Rank Organization Ltd
Current assignee: Rank Organization Ltd
Priority date: 1971-02-18
Filing date: 1971-12-31
Publication date: 1972-08-24
Also published as: FR2125982A5; GB1350084A; US3795853A; NL7201719A

Description

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The Rank Organisation Limited, Millbank Tower, Miirbank, Iiondon S.W. I/England

Servomechanismus

Die Erfindung "betrifft einen Servomechanismus mit einer Eingangsschaltung, die einen Verstärker enthält, der dem Eingang eines eine Last über eine durch Grenzanschläge oder Endpunkte "begrenzte Strecke bewegenden Servomotorsystems eine Spannung zuführt, und mit einer Einrichtung zum Reduzieren der Servoausgangsgeschwindigkeit an einer kritischen Stelle vor einem Endpunkt.

In einem Servomechanismus der vorliegenden Art, bei dem die Ausgangsgrösse des Servomotors eine Geschwindigkeit oder Beschleunigung ist, tritt das Problem auf, die Last so zu verzögern oder zu verlangsamen, dass eine Beschädigung des Systems an den Endpunkten vermieden wird« Dies ist beispielsweise in einem Kamerasystem wichtig, bei dem Zoom-Glieder mit hoher Geschwindigkeit unter genauer Steuerung angetrieben werden müssen. Ein solches System ist in der britischen Patentschrift Fo. 1080 591 beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Servomechanismus, dessen Ausgangsgrösse eine Geschwindigkeit ist, anzugeben, bei dem die Steuerung im Bereich der Endpunkte besser ist als bei bekannten Systemen. Dieses Ziel soll durch Verwendung unkritischer Bestandteile erreicht werden. Palis erforderlich, soll die Last hierbei mit voller Geschwindigkeit umkehrbar und von den Endpunkten fortbewegbar sein.

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Erfindungsgemäss enthält bei einem Servomechanismus der eingangs angegebenen Art die Geschwindigkeitsreduziereinrichtung einen Laststellungsfühler, auf dessen Signale eine in die Eingangsschaltung geschaltete Spannungsbegrenzungseinrichtung anspricht, welche die dem Servomotorsystem zugeführte Spannung an der kritischen Stelle auf einen vorgegebenen oder voreingestellten Maximalwert herabsetzt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden· Es zeigen:

Fig. 1 ein sohematisches Blockschaltbild mit den wesentlichen Bestandteilen des Servomechanismus;

Fig. 2 ein Vector-Diagramm zur Erläuterung der gewünschten Verhältnisse in einem Geschwindigkeits-Servosystem mit Endbegrenzungspunkten;

Fig. 3 die sohematische Schaltungsanordnung eines Servomechanismus gemäss Fig. 1; und

Fig. 4 Diagramme zum Vergleich zwischen den Schaltvor- * gangen, die sich in der Spannungsbegrenzungseinrichtung gemäss Fig. 3 für unterschiedliche Werte eines Schaltungsbestandteils ergeben.

Gemäss Fig. 1 wird die Last von einem Gesehwindigkeitsservosystem 1 angetrieben, das einen Verstärker, einen Servomotor (worunter jede Art von Betätigungsglied zu verstehen ist) sowie ein Rückführungsglied (gewöhnlich ein Taoho-Generator) enthält·

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Der Servomechanismus enthält eine Eingangsschaltung 3 (vergl. Figo 3) die in Reihe mit dem Eingang 2 des Servo-Motorsystems geschaltet ist und dessen Eingangssignal modifiziert, wenn die Endpunkte erreicht werden. Das an eine Klemme 8 angelegte Anforderungs- oder Befehlssignal durchläuft die Schaltung 3» die den Verstärker 4 und eine Referenzspannungsquelle 5 in Reihe mit einem Schalter 6 enthält. Die Spannungsquelle 5 und der Schalter 6 liegen innerhalb der Rückkopplungsschleife des Verstärkers 4.

Von einem Stellungsfühler.7 abgegebene Signale werden einer Schaltung 9 zugeführt, die ein Dämpfungsglied und/oder einen Verstärker enthält (und,wenn nötig, Einrichtungen zur Potentialverschiebung), und von dieser der Schaltung 3ο Die Schaltung 9r.ienthält ferner eine Justiereinrichtung, welche gewährleistet, dass der Schalter 6 in der erforderlichen Weise auf den Stellungswandler oder Fühler 7 anspricht_β Der Stellungswandler oder Fühler ist beispielsweise ein Potentiometer, welches mit der vom Servosystem 1 angetriebenen Last zusammengekuppelt ist.

Darstellungsgemäss ist der Schalter 6 sowohl vom Auegang der Schaltung 9 als auch vom Ausgang des Verstärkers 4 abhängig, während die Spannungsquelle 5 in einer noch zu erläuternden Weise ebenfalls in Beziehung zum Ausgang des Verstärkers 4 steht ο

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, sind die Spannungsquelle 5 und der Schalter 6 in den Rückkopplungspfad des Verstärkers 4 geschaltet. Speziell sind sie mittels eines Widerstandes parallel zum Ausgang des Verstärkers 4 geschaltet, und an Masse oder ein anderes Bezugspotential gelegto Gemäss

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der dargestellten Schaltungsanordnung wird die Spannungsquelle 5 erst wirksam, wenn der Schalter 6 geschlossen wird. Dies geschieht dann, wenn sich die last den Endpunkten nähert, was durch den Stellungsfühler 7 überwacht wird, falls das Befehlseingangssignal an der Klemme 8 die richtige Polarität hat»

Die Spannungsquelle 5 kann so ausgelegt sein, dass sie einen vorgegebenen oder voreingestellten Wert Y hat, wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers 4- grosser als dieser Wert V ist, und die Spannung wird auf einen Wert praktisch gleich der Ausgangsspannung des Verstärkers 4 reduziert, wenn diese kleiner als V wird. Wenn die Spannung am Verstärker 4 unter einen "bestimmten Wert Y'fc V absinkt, wird der Schalter 6 geöffnet«

Wenn der Schalter 6 geschlossen ist, wird die Ausgangespannung der Schaltung 3 praktisch auf dem vorhandenen Maximalreferenzwert V gehalten, bis die Ausgangsspannung des Verstärkers 4 unter V absinkt· Die Ausgangsspannung der Schaltung 3 sinkt dann glatt und übergangsfrei auf Null, da auch das Ausgangssignal des Verstärkers praktisch auf Null abfällt. Die Ausgangsgeschwindigkeit des Servosystems 1 wird daher auf einen Wert reduziert werden, welcher V entspricht, bis die Ausgangespannung des Verstärkers 4 unter V absinkt, wonach die Servo-Ausgangsgeschwindigkeit eine diese niedrigeren Ausgangsspannung entsprechende Srösse haben wird.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des Servomechanismus in einem System beschrieben werden, das an den Endpunkten seines Bereiches durch Anschläge begrenzt wird. Wenn, das Geschwindigkeitsservosystem 1 sich in der Mitte seines Bereiches befindet, erzeugt der Stellungsfühler 7 ein Signal, dessen Grösee in der Mitte zwischen seinen Extremwerten liegt. Dieses Signal wird in die Schaltung 9 eingegeben, die eine Puffer- und Dämpfungsanordnung enthalten kann, deren Ausgangssignal einen Eingang dies Schaltery υ speist. In der Mittel-

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stellung und praktisch über den gesamten Bewegungsbereich der Servoauslenkung mit Ausnahme des kritischen Teils des Weges, der in der Nähe der Endpunkte oder Anschläge "beginnt, wird dieses Signal den Schalter 6 offen halten. Wenn der Schalter 6 offen ist, entspricht die dem Servosystem zugeführte Eingangsspannung an der Klemme 2 dier an die Klemme 8 angelegten Befehlsspannung· Dies ist deshalb der Fall, weil der Verstärker 4 einen hohen Eigenverstärkungsgrad (bei offener Schleife) hat und die Rückkopplungswiderstände R und Rl der Schaltung 3 in der Schleife zum Eingang des Verstärkers 4 so angeordnet und ausgebildet sind, dass sie eine Gesamtgegenkopplung mit einer Vorwärtsverstärkung mit der Grosse 1 oder einem anderen niedrigen Wert wie "beispielsweise 1/2 oder 2 bewirken. Bei offenem Schalter 6 wird also die Geschwindigkeit des Servosystems dem an der Klemme 8 erscheinenden BefehTsiignal entsprechen, und zwar selbstverständlich in dem von der Gesamtverstärkung der Schaltung 5 abhängigen Maße, die ihrerseits durch die Rückkopplungswiderstände eingestellt ist«

Nun sei der Pail betrachtet, dass sich das Servosystem an irgendeiner kritischen Stelle und somit bei einem entsprechenden bekannten Wert des rom Stellungsfühler 7 abgegebenen Signals einem Endanschlag nähert, wobei der Schalter 6 geöffnet wird, falls die Ausgangsspannung des Verstärkers 4, also das Befehlseingangssignal an der Klemme 8 die richtige Polarität haben. Diese Stelle wird teilweise durch die Einstellung der Schaltung 9 bestimmt. Das Servosystem wird auf eine niedrigere Geschwindigkeit zurückgehen, welche dem Spannungswert V der Spannungsquelle 5 entspricht. Der Spannungswert V hat eine solche Gross·, dass die Servo-Geschwindigkeit so herabgesetzt wird, dass eint Beschädigung und störende Geräusche vermieden werden, wenn sich das Servosystem den Endanschlägen nähert und möglicherweise dagegen stößt. Durch Umkehren der Polarität der Befehleepannung an der Klemme 8 wird der Schalter 6 geöffnet,

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so dass das Servosystem sich erforderlichenfalls mit voller Geschwindigkeit von den Endanschlägen entfernen kann. Der Schalter 6 bleibt dann offen, während das Servosystem den sicheren Bewegungsbereich durchläuft, und in der der beschriebenen Weise wird es vor Erreichen des anderen Endanschlags abgebremst. Offensichtlich ist die Schaltung 9 so justierbar, dass die Stelle, bei welcher der Schalter 6 schließt, entsprechend den jeweiligen speziellen Erfordernissen geändert werden kann.

Wie schon erwähnt wurde, wird die Ausgangsspannung der Schaltung 3 bei geschlossenem Schalter 6 auf üem Wert V gehalten, falls die Ausgangsspannung des Verstärkers 4 grosser als V ist, weshalb die Rückkopplungs-Schaltungsbestandteile die Gesamtverstärkung der Schaltung 3 nicht festlegen· Wenn hingegen die Spannung des Verstärkers unter V¹ < V abfällt, ist die Spannungssteuerung vorherrschend über diejenige der Schaltung 9» und der Schalter 6 wird unabhängig davon abfallen, welchen Signalwert die Schaltung 9 liefert.

Ein Schaltungsschema einer bevorzugten Ausführungsform des Servomechanismus ist in Mg. 3 dargestellt. Hierbei ergibt sich im wesentlichen die (reschwindigkeits/ötellungs-Kurve, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.

Bei dieser Ausführungsform werden der Schalter 6 und die Spannungsquelle 5 durch ein einziges Paar von Irane_istoren 10 und 11 realisiert, die parallel zwischen den Auegang! des Verstärkers 4 und Masse geschaltet sind. In dieser Parallelschaltung sind die Kollektoren über zwei entgegengesetzt gepolte Dioden 12 und 13 zueammengesehaltet und mit dem Verstärkerauifeng gekoppelt, während die Emitter einen gemeinsamen Wideretand 14- teilen, wie der Zeichnung zu entnehmen ist. Der Wider stand 14 hat gewöhnlich einen kleinen Wert (in der

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Grössanordnung τοη einigen Zehn Ohm). Die Basen der Transistoren sind an eine Dämpfungs- oder Spannungsteilerkette mit den Widerständen R5> R6, R7 und R8 innerhalb der Schaltung 9 angeschlossen.

Bei dieser Anordnung wird der Transistor 10 ausgesteuert (leitend), wenn er durch entsprechende Spannungen vorgespannt wird, die seinem Kollektor vom Ausgang des "Verstärkers 4 und der Basis von der Schaltung 9 zugeführt werden· Diese Spannungen werden so zugeführt, dass der Transistor nicht gleichzeitig mit dem Transistor 11 aufgesteuert werden kann und umgekehrt. Durch entsprechende Wahl der Widerstände im Spannungsteiler der Schaltung 9 läßt sich erreichen, dass die Transistoren "bei einem "beliebig wählbaren kritischen Punkt nahe am Ende der Servoauslenkung aufgesteuert werden können« Die Spannungsquelle 5 wird durch die Transistoren simuliert, wenn sie "hart" aufgesteuert und in Sättigung sind, wobei die zusätzlichen Spannungsabfälle an den Dioden und am Emitterwiderstand 14 zu berücksichtigen sind.

Die Schaltung 9 wirkt im wesentlichen als Kombination aus einer Pufferschaltung und einer Spannungsverschiebungsschaltung, wobei eine weitere Dämpfung durch die beiden Widerstände R5 und R6 für den Transistor 10 und durch die Widerstände R7 und R8 für den Transistor 11 bewirkt wird.

Fig. 3 zeigt nur eine der möglichen Ausführungeformen der Erfindung. Eine weitere Vereinfachung der Schaltungsanordnung für den richtigen AnhalteVorgang ist dadurch möglich, dass man die Pufferschaltung 9 weglassen und ein gedämpftes Signal vom Wandler oder Fühler 7 direkt den Transistoren 10 und 11 zuführen kann«

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Hit dem Emitterwideretand 14 läset eich, die Schärfe ändern, mit der die Transistoren aufgesteuert und gesperrt werden« Fig. 4 zeigt den Entsprechenden Einfluss auf die Geschwindigkeit des sich dem Transistor-Einschaltpunkt nähernden Serrosysteme für den Fall unterschiedlicher Werte des Widerstandes 14.

Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen Servosystems besteht darin, dass durch die Anordnung des Schalters 6 und der Spannungsquelle 5 innerhalb der Rückkopplungssohleife des Verstärkers 4 der Einfluss einer Drift durch Sperr- und Verlagerungsström· im offenen Schalter 6, die sich normalerweise als Änderung in der Abhängigkeit zwischen den Spannungen an den Klemmen 8 und 2 bemerkbar machen würden, um ein beträchtliches Haß herabgesetzt wird, das ungefähr gleich der Offenschleifen- oder Eigenverstärkung der Schaltung 3 ist. Praktisch bedeutet dies, dass der Schalter 6 und die Spannungsquelle 5 keinen besonders niedrigen Driftstrompegel haben müssen und dennoch eine befriedigende Betriebsweise gewährleistet ist.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel hat der Stellungsfühler die Form eines Wandlers. Dies wird normalerweise ein Potentiometer sein, doch könnte es sich auch um einen Funktionsdrehmelder handeln.

Das Greschwindigkeits-Serromotorsyetem, das beim beschriebenen Aueführungsbeispiel aus einem Verstärker, einem Betätigungeglied (gewöhnlioh ein Hotor) und einem Rückführungsglied (gewöhnlich ein Tacho-Generator) besteht, kann selbstverständlich vom Wechselstrom- oder rom Gleichstromtyp sein. Das Grundprinaip der Erfindung könnte auch auf ein Wechselstrom-Trägersystem angewandt werden·

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Claims

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Patentansprüche

Servomechanismus mit einer Eingangsschaltung, die einen Verstärker enthält, der dem Eingang eines eine Last über eine durch Endpunkte begrenzte Strecke bewegenden Servomotorsystems eine Spannung zuführt, und mit einer Einrichtung zum Reduzieren der Servo-Ausgangsgeschwindigkeit an einer kritischen Stelle vor einem Endpunkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsreduziereinrichtung einen Laststellungsfühler (7) enthält, auf dessen Signale eine in die Eingangsschaltung (2,4,6) geschaltete Spannungsbegrenzungseinrichtung (5,6) anspricht, welche die dem Servomotorsystem (1) zugeführte Spannung an der kritischen Stelle auf einen vorgegebenen Maximalwert herabsetzt.
2. Servomechanismus nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungs einrichtung (5>6) nach Überschreiten der kritischen Stelle die dem Eingang (2) des Servomotorsystems (1) zugeführte Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Verstärkers (4) unter den vorgegebenen Maximalwert herabsetzt»
3· Servomechanismus nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungseinrichtung eine Bezugsspannungsquelle in Verbindung mit einer elektronischen Schaltvorrichtung (10, 11,12,13) innerhalb der Rückkopplungsschleife (10 bis 14_t R₂, Ra) des Verstärkers (4) enthält und vom Laststellungsfühler (7) sowie vom Ausgang des Verstärkers (4) gesteuert wird.
4.Servomechanismus nach. Anspruch!»» dadurch gekennzeichnet, dass vor Erreichen der kritischen Stelle die Schaltvorrichtung (10 bis 13) eich in einer ersten Lage befindet und die Bezugsepannungsquelle eine vorgegebene Maximal spannung hat, die kleiner als die Ausgangsspannung des Verstärkers ist, und dass nach Erreichen der kritischen Stelle die Schaltvorrichtung eine zweite Lage einnimmt, in der die dem Servomotorsystem (1) zugeführte Spannung auf einer Grosse gehalten wird, die nicht grosser ist als diese vorgegebene Maximalspannung.
5. Servomechanismus nach Anspruch 4» dadurch g ekennze ichn e t, dass sowohl die Ausgangsspannung des Verstärkers (4) wie auch die Spannung der Bezugsspannungsquelle während der Reduzierung auf den vorbestimmten niedrigeren Pegel, bei welchem die Schaltvorrichtung (10 bis 15) anspricht, im wesentlichen gleich bleiben.
6» Servomechanismus nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die SpamungBbegrenzungaeinrichtung ein Paar von Transistoren (10,11) enthält, die jeweils an der einen Seite durch einen gemeinsamen Widerstand (14) und an der anderen Seite durch ) eine zu derjenigen des jeweils anderen Transistors entgegengesetzt gepolten Diode (12 bzw. 13) parallel zum Verstärker (4) geschaltet sind, und dass die Transistoren (10,11) durch von der Verstärkerausgangsspannung und von durch den Stellungefühler (7) gesteuerten Spannungen abgeleiteten Spannungen so vorgespannt werden, dass sie zu den erforderlichen unterschiedlichen Zeitpunkten des Lastdurchlaufes ein- und ausgeschaltet werden.

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7.Servomechanismus nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (10, 11) derart in der Rückkopplungsschleife des Verstärkerβ (4) angeordnet sind, dass sie den Einfluss von Sperr- und Driftströmen in den gesperrten Transistoren auf ein Minimum herabsetzen.
8. Servomechanismus nach Anspruch 6 oder 7> dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Widerstand ein Emitterwiderstand (14-) ist, und dass die Basisvorspannungen unter Steuerung durch den laetstellungsfühler (7) geliefert werden, KoIlektorvorspannungen dagegen über die entsprechenden Dioden (12 bzw. 13) vom Verstärkerausgang«
9.Servomechanismus nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung der Bezugsspannungsquelle durch die Summe der Serienspannungen am entsprechenden aufgesteuerten und gesättigten Transistor (10 oder 11), der entsprechenden Diode (12 oder 13) und dem gemeinsamen Widerstand (14) gebildet wird·
10. Servomechanismus nach einem der Ansprüche 6 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des gemeinsamen Widerstandes (14) so gewählt wird, dass durch entsprechend hartes Einschalten des Transistors die Ausgangsgeschwindigkeit des Servosystems (1) beeinflusst wird(Pig. 4).
11. Servomechanismus nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalweg vom Stellungefühler (7) zur elektronischen Schaltvorrichtung (10 bis 14) ein oder mehrere Puffer-· oder Dämpfungs- oder Potentialverschiebungsglieder (9) enthält, mit denen das Signal einstellbar ist, bei dem die elektronische Schaltvorrichtung anspricht. '

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12. Servomechanismus nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das» der Lastetellungsfühler (7) ein Rückführungspotentioaeter ist₀

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