DE3243549A1

DE3243549A1 - Regelvorrichtung fuer die volldigitalisierte drehzahlreglung einer naehmaschine bzw. eines naehautomaten

Info

Publication number: DE3243549A1
Application number: DE19823243549
Authority: DE
Inventors: Horst 4900 Herford Plassmeier
Original assignee: Duerkoppwerke 4800 Bielefeld GmbH; Duerkoppwerke GmbH
Current assignee: Duerkopp Adler AG
Priority date: 1982-11-25
Filing date: 1982-11-25
Publication date: 1984-05-30
Also published as: IT8323809A0; JPS6233836B2; IT8323809A1; JPS59106890A; IT1194469B; DE3243549C2; US4586123A

Description

J243549

P/N/006/DE 2/1

Regelvorrichtung für die volldigitalisierte Drehzahlregelung einer Nähmaschine bzw. eines Nähautomaten

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist eine Vorrichtung zum Stillsetzen der Armwelle einer Nähmaschine in vorbestimmter Winkellage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt (DE-OS 24 15 359), mit der die Istwertmessung der Armwellendrehzahl auf analogem Wege durch einen fest mit der Armwelle verbundenen Tachogenerator durchgeführt, die analoge Sollwertvorgabe durch kurzschließbare Einzelwiderstände ermöglicht und nach erfolgtem Soll-Ist-Vergleich die Stellgröße in digitaler Form als Spannung mit variablem Tastverhältnis auf die Bremse/Kupplungskombination gegeben wird. Da die bekannte Vorrichtung eine volldigitalisierte Drehzahlregelung nicht ermöglicht, ist ein zeitaufwendiger Abgleich mehrerer, im Steuergerät befindlicher, Potentiometer nicht zu vermeiden.

Außerdem ist ein Positionierantrieb, der von mindestens einem 8-bit-Mikroprozessorsystem gesteuert wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt (DE-OS 29 38 040), bei dem die Istwertmessung der Armwellendrehzahl auf digitalem Wege mittels eines fest mit der Armwelle verbundenen, optoelektronischen Inkrementalgebers durchgeführt, die Sollwertvorgabe in analoger Form durch

eine Widerstand/Kondensator-Beschaltung des spannungsgesteuerten Oszillators ermöglicht und nach erfolgtem Soll-Ist-Vergleich die Stellgröße in digitaler Form als Spannung mit variablem Tastverhältnis auf die Bremse/Kupplungskombination gegeben wird. Auch dieser bekannte Positionierantrieb ermöglicht keine volldigitalisierte Drehzahlregelung und weist ebenfalls den Nachteil auf, daß Potentiometer-Abgleicharbeiten unumgänglich sind.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelvorrichtung für die volldigitalisierte Drehzahlregelung einer Nähmaschine bzw. eines Nähautomaten zu schaffen, mit der die bisher üblichen Potentiometer-Abgleicharbeiten zur Anpassung besagter Regelvorrichtung an die jeweils vorliegenden Regelaufgaben des Nähantriebes vermieden werden, mit der ferner die Regelabweichung aus binären, den Kehrwerten der Soll- und der Istdrehzahl entsprechenden Größen gebildet wird und die so ausgelegt ist, daß für jeden Sollwert ein Datenblock mit individuellen Parametern für die Berechnung des die Stellgröße ausdrückenden Tastverhältnisses der Rechteck-Spannung im Programmspeicher abgelegt ist.

Mit der Regelvorrichtung nach der Erfindung ist es nun möglich:

1. eine volldigitalisierte Drehzahlregelung bei geringem Bauteileaufwand und bei Verwendung nur eines 8-bit Mikrocomputers zu erreichen.

2 c, daß durch geeignete Schaltungsmaßnahmen für die digit?.] e Istwertmessung und die Bildung der Stellgröße der Mikrocomputer zeitlich entlastet wird

3., daß Abgleich- und Einstellarbeiten entfallen, weil alle Frequenzen für den Istwertzähler und die Stellgrößengeneratoren aus dem quarzstabilisierten Arbeitstakt des Mikrocomputers abgeleitet werden

4. eine verzögerungsfreie Messung der Armwellendrehzahl durch das Zählen von Impulsen der Zählfrequeriz zu erreichen, wobei die vom Inkrementalgeber für den Drehzahl-Istwert abgeleitete Frequenz sehr klein gegenüber besagter Zählfrequenz ist.

Zweckmäßige Weiterbildungen des Gegenstandes nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen beschrieben. Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 wird erreicht, daß der Gegenstand nach Anspruch 1 als Integralregler ausgebildet ist. Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird die volldigitalisierte Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis Fig. 12 erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild, aus dem der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung zu ersehen ist;

Fig. 2 Spannung-Zeit-Diagramme für die Istwertmessung;

Fig. 3 ein Flußdiagramm für die Istwertmessung;

Fig. 4 Spannung-Zeit-Diagramme für die Bildung der Stellgröße;

BAD ORIGINAL'

Fig. 5 ein Blockschaltbild, aus dem die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung zu ersehen ist;

Fig. 6 ein Flußdiagramm, aus dem die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung zu ersehen ist;

Fig. 7 ein Flußdiagramm für die Bildung des Proportionalanteiles der Stellgröße

Fig. 8 ein Flußdiagramm für die PI-Regelung

Fig. 9 ein Drehzahl-Zeit-Diagramm für einen Beschleunigungsvorgang

Fig. 10 ein Drehzahl-Zeit-Diagramm für einen Bremsvorgang

Fig. 11 ein Drehzahl-Zeit-Diagramm für einen Beschleunigungsvorgang auf Maximal-Drehzahl

Fig. 12 ein Diagramm, das Auskunft über den Zusammenhang der Istdrehzahl zur Regelabweichung gibt.

Mit der Bezugszahl 1 wird ein 8-bit Mikrocomputer bezeichnet, der entweder mit einem Baustein 2 oder mit einem Baustein 6 in bekannter Weise zusammenarbeitet. Zwecks Datentransfer sind die Bausteine 2,6 über einen Steuerbus 3 und einen Datenbus 4 mit dem Mikrocomputer 1 verbunden. Nach entsprechender Programmierung enthält der Baustein 2 zwei Zähler Zl und Z2, während der Baustein 6 einen Bit-Raten -Generator Z3 und einen programmier- und retriggerbaren, monostabilen Multivibrator Z4 aufweist. Gemäß Fig. 1 ist der Ausgang

CL des Mikrocomputers 1 mit den Zählereingängen CLKl und CLK2 der im Baustein 2 enthaltenen Zähler Zl und Z2 sowie mit dem Eingang CLK3 des Bit-Raten-Generator Z3 und mit dem Eingang CLK4 des Multivibrators Z4 verbunden. Zwischen dem Toreingang Gl des Zählers Zl und dem Toreingang G2 des Zählers Z2 ist ein Inverter 5 vorgesehen. Der Toreingang G2 ist mit dem Port P des Mikrocomputers 1 verbunden. Der Ausgang Q3 des Bit-Ratengenerators Z3 ist mit dem Toreingang G4 des Multivibrators Z4 verbunden. An dessen Ausgang Q4 ist ein Treiber 7 und die Kupplung des Elektromotors angeschlossen.

Die Wirkungsweise der Regelvorrichtung, die aus Fig. 5 und Fig. 6 deutlich zu ersehen ist, wird nachfolgend näher beschrieben.

Wesentlich ist, daß der Mikrocomputer 1 bei der Istwertmessung nur mit dem Baustein 2, bei der Bildung der Stellgröße nur mit dem Baustein 6 zusammenarbeitet.

Der Mikrocomputer 1 liefert die an den Eingängen CLKl und CLK2 der Zähler Zl und Z2 anliegende Rechteckspannung U_c mit der quarzstabilisierten Zählfrequenz f_c. Ein an sich bekannter, fest mit der Armwelle der Nähmaschine verbundener Inkrementalgeber liefert die Rechteck-Spannung U^ mit der Frequenz fj_. Der Inkrementalgeber ist so beschaffen, daß die Impulsdauer der Rechteck-Spannung U^ gleich der Pause zwischen zwei Impulsen ist. Die Zählfrequenz f_c ist sehr groß gegenüber der Frequenz fj_. Der Toreingang Gl wird mit der Rechteck-Spannung U^ beaufschlagt. Der Inverter 5 bewirkt, daß am Toreingang G2 des Zählers Z2 das Komplement von U^ anliegt, über das Port P kann der Mikrocomputer 1 zu einem beliebigen

©AD QRIG(NAL

Zeitpunkt feststellen, ob ein Impuls oder die Pause zwischen zwei Impulsen von U^ vorliegt.

Fig. 2 zeigt die durch Programm vorgegebene Funktion der beiden Zähler Zl und Z2, dargestellt am Beispiel Zl. Die Zählfrequenz f_c liegt am Eingang CLKl. Durch eine steigende Flanke der am Toreingang Gl anliegenden Rechteck-Spannung Uj_ wird der Zähler Zl auf den Wert "Null" gestellt und beginnt mit der Zählung der Impulse von Ü_c, Bei einer fallenden Flanke an. Gl wird die Zählung angehalten. Solange der Toreingang Gl auf L-Pegel (niedrig) liegt, kann der Zählerstand abgerufen werden.

Aus Fig. 3 ist die Funktion der Istwertmessung ersichtlich. In diesem Flußdiagramm bedeuten: P = Port des Mikrocomputers 1 und H = Η-Pegel (hoch). Die Zähler Zl und Z2 zählen die Impulse von U_c, wenn der entsprechende Toreingang Gl oder G2 auf Η-Pegel liegt. Durch die Schaltung der Regelvorrichtung ist vorgegeben, daß der Zähler Zl während der Impulse von U ^ zählt und der Zähler Z2 während der Pause, die zwischen zwei Impulsen von U^ auftritt, zählt. Außerdem bewirkt der Inverter 5_Γ daß während der Zählphase eines Zählers (G auf Η-Pegel) der andere Zähler gesperrt ist (G auf L-Pegel). über das Port P kann der Mikrocomputer zu jedem beliebigen Zeitpunkt feststellen, welcher Zähler gerade gesperrt ist und daher ausgelesen werden kann. Liegt P auf Η-Pegel, kann Zähler Zl, liegt P auf L-Pegel, kann Zähler Z2 gelesen werden.

Erhält der Mikrocomputer 1 zum Zeitpunkt TA (Fig. 2) den Befehl "Istwert lesen" (Fig. 3), wertet er den Zählerstand von Zl aus, der sich in der Periode ZA (Fig. 2) ergeben hat. Dieser Zählerstand stellt die Zeitdauer des letzten Impulses des Istwertgebers

in binärer Form dar. Wenn zum Zeitpunkt TA der Zähler Zl ausgelesen wird, zählt der Zähler Z2 die während der gerade vorliegenden Pause, die zwischen zwei Impulsen von Uj[ liegt, auftretenden Impulse von ü_c.

Erhält der Mikrocomputer 1 zum Zeitpunkt TB (Fig. 2) den Befehl "Istwert lesen" (Fig. 3), wertet er den Zählerstand von Z2 aus, der sich in der Periode ZB (Fig. 2) ergeben hat. Der Zählerstand von Z2 stellt die Zeitdauer der letzten Pause zwischen zwei Impulsen von U^ in binärer Form dar.

Aus Kostengründen werden für die Istwertmessung Inkrementalgeber eingesetzt, die je Umdrehung der Armwelle eine möglichst kleine Anzahl von Impulsen liefern. Daher sind Verdopplerschaltungen für die Istwertfrequenz üblich, die wegen unvermeidbarer Abgleicharbeiten nachteilig sind. Im Gegensatz hierzu wird bei der hier beschriebenen Regelvorrichtung ein Impuls bzw. die Pause zwischen zwei Impulsen der zu messenden Frequenz ausgewertet, wodurch abzugleichende Verdopplerschaltungen nicht erforderlich sind.

Bei der zu jedem beliebigen Zeitpunkt möglichen Abfrage des Istwertes der Armwellendrehzahl durch den Mikrocomputer 1 liegt immer der Meßwert in binärer Form vor, der dem letzten abgelaufenen Impuls oder der letzten abgelaufenen Pause zwischen zwei Impulsen der Frequenz des Inkrementalgebers entspricht. Die Zeit, die zwischen dem Vorliegen eines Meßwertes und dem Vorliegen des nächstfolgenden Meßwertes liegt, ist nur von der Teilung des Inkrementalgebers abhängig. Dadurch wird gegenüber der bisher üblichen Mittelwertbildung des Istwertes durch die Summation der Impulse Zeit eingespart, die für den Summationsvorgang benötigt wurde.

Aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß der Mikrocomputer 1 - falls er den Befehl "Istwert lesen" erhielt - den Zustand des Portes P überprüft. Liegt P auf Η-Pegel, wird der Zähler Zl gelesen. Die Zeit für diesen Lesevorgang ist endlich. Eine während der Zeitdauer des Lesevorganges an Gl gelangende ansteigende Flanke der Rechteck-Spannung U^ würde das Meßergebnis verfälschen, weil wegen der besagten ansteigenden Flanke der Zähler Zl auf "Null" gestellt und erneut gestartet wird. Um diese mögliche Meßwert-Verfälschung auszuschließen, wird nach dem Lesen des Zählers Zl noch einmal der Zustand von P überprüft. Ergibt sich hierbei, daß P immer noch auf Η-Pegel liegt, ist der ermittelte Meßwert gültig und kann verwendet werden. Im anderen Falle wird gemäß Fig. 3 der Zähler Z2 ausgelesen.

Liegt Port P - nachdem der Mikrocomputer 1 den Befehl "Istwert lesen" erhielt - auf L-Pegel, wird der Zähler Z2 gelesen. Nach dem Lesen von Z2 wird ebenfalls der Zustand von Port P überprüft. Liegt P auf L-Pegel, ist der ermittelte Meßwert nicht verfälscht und kann verwendet werden. Liegt dagegen P auf H-Pegel, wird Zl gelesen. Durch diese erfindungswesentliche Maßnahme wird gewährleistet, daß hinsichtlich des Istwertes selbst bei hohen Drehzahlen der Armwelle immer ein unverfälschter Meßwert geliefert wird.

Die vom Mikrocomputer 1 gelieferte Rechteck-Spannung U_c liegt bei der Bildung der Stellgröße am Eingang CLK3 des im Baustein 6 enthaltenen Bit-Raten-Generators Z3 sowie am Eingang CLK4 des ebenfalls im Baustein 6 enthaltenen programmier- und retrigger-

Al

- ff -

baren, monostabilen Multivibrators Z4 an. Der Aufbau der Generator -Schaltung für die Bildung der Stellgröße ist aus Fig. 1 zu ersehen.

Das Zusammenwirken des Mikrocomputers 1 mit dem Bit-Raten-Generator Z3 und dem Multivibrator Z4 ist auch aus Fig. 4 ersichtlich. Die darin gezeigte Größe T_c ist die Zeitdauer eines Impulses der Zählfrequenz f_c. Die Zeitdauer eines Impulses der vom Bit-Raten-Generator Z3 gebildeten Rechteck-Spannung U₀ wird mit T₀ bezeichnet. Letztere ergibt sich aus dem ganzzahligen Vielfachen von T_c, z.B. T₀ — 1000 χ T_c . T₀ wird in binärer Form einmal vom Mikrocomputer 1 in den Bit-Raten-Generator Z3 geladen. Die Summe T₀ + T_c stellt die Schwingungsdauer der Stellgröße dar. Da sie um 3 Zehnerpotenzen größer ist als T_c kann letztere bei den folgenden Überlegungen vernachlässigt werden.

Da der Multivibrator Z4 retriggerbar ist, löst er bei jeder steigenden Flanke der an seinem Toreingang G4 anliegenden Rechteck-Spannung U₀ einen Impuls von der Zeitdauer T^ aus. Letztere wird als ganzzahliges Vielfaches von T_c gebildet und vom Mikrocomputer 1 einmal als binärer Zahlenwert in den Multivibrator Z4 geladen. Unter der zuvor erwähnten Voraussetzung - T₀ = 1000 χ T_c - kann T^ Werte von 1 χ T_c bis 999 χ T_c annehmen.

Die vom Multivibrator Z4 gebildete Rechteck-Spannung U^ ist die Stellgröße. Sie wird direkt auf den Treiber 7 der Kupplung 8 des Elektromotors gegeben. Da T_c - wie zuvor erwähnt - vernachlässigbar ist, hat die Frequenz f^ der Rechteck-Spannung U^ die Schwingungsdauer T₀. Letztere wird - wie bereits erwähnt einmal vom Mikrocomputer 1 vorgegeben. Andererseits kann T₀

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jederzeit variiert werden, wenn dies vom Regelalgorithmus verlangt wird. Unter Voraussetzung der Vernachlässigung von T_c ergibt sich die in Fig. 4 gezeigte Zeitdauer T_p als Differenz aus T₀ und T^.

Somit ergibt sich das Tastverhältnis V der Stellgröße

rn .

aus ν - ¹ oder aus V =

Besagtes Tastverhältnis der Rechteck-Spannung U^ bewirkt einen Strommittelwert in der Kupplung 8 und bestimmt somit deren Übertragungsmoment und damit die Drehzahl der Armwelle. Durch einmalige Eingabe von T^ und/oder T₀ in den Bit-Raten-Generator Z3 bzw. den Multivibrator Z4 erzeugt der Mikrocomputer 1 ein beliebiges Tastverhältnis V der Stellgröße. Da die beschriebene, in Fig. 1 gezeigte Generatorschaltung des Bausteines 6 das vorgegebene Tastverhältnis V bis zu einer erneuten Eingabe eines anderen Wertes für T^ beliebig lange aufrechterhält, ist der Mikrocomputer 1 nunmehr frei für andere Aufgaben, z.B. "Istwert lesen", "Soll-Ist-Vergleich" usw..

Die Feinheit der Verstellung ist durch das Verhältnis T_c/T_o gegeben. Entsprechend der oben erwähnten Voraussetzung liegt dieses Verhältnis bei 1/1000. Somit kann die Verstellung der Stellgröße praktisch als stufenlos angesehen werden.

JA-

Bei der Istwertmessung in der hier beschriebenen Form fällt der Meßwert als binärer Wert an, der jedoch der Armwellendrehzahl umgekehrt proportional ist. Bei Drehzahlregelungen wird üblicherweise durch Soll-Ist-Vergleich die der Drehzahlabweichung proportionale Regelabweichung D gebildet und aus dieser die Stellgröße ermittelt. Dieses Verfahren ist bei der hier vorliegenden Aufgabenstellung deshalb nicht geeignet, weil der vorgesehene 8-bit-Mikrocomputer 1 den Kehrwert der anfallenden Meßwerte in der verfügbaren Zeit nicht bilden kann. Die Verwendung eines Mikrocomputers mit größerer Wortbreite verbietet sich aus wirtschaftlichen Gründen ebenso wie die Verwendung eines zusätzlichen Arithmetikprozessors. Daher wird bei der hier vorgeschlagenen Lösung der Sollwert so vorgegeben, wie der Meßwert der Istdrehzahl anfällt, nämlich als binärer, dem Kehrwert der Solldrehzahl entsprechender Wert. Auf diese Weise können beliebig viele Sollwerte als Konstanten im Programmspeicher des Mikrocomputers 1 abgelegt werden. Das Mikrocomputer-Programm entscheidet, welcher Sollwert für die Regelung benutzt wird. Selbstverständlich kann die Vorwahl eines Sollwertes auch mittels eines Vorwahlschalters oder eines bekannten Sollwertgebers für Nähantriebe ermöglicht werden. Die erfindungsgemäße Ablage beliebig vieler Sollwerte im Programmspeicher ist erheblich vorteilhafter als die Vorgabe der Sollwerte gemäß den eingangs beschriebenen beiden Lösungen, bei denen jeder einzelne Sollwert aus einer Widerstandskombination oder aus einer Widerstand/Kondensator-Kombination gebildet wiru.

Bei den bekannten Lösungen müssen Abgleicharbeiten bei der Inbetriebnahme ebenso wie Einschränkungen hinsichtlich der Flexibilität beim Einsatz solcher Nähantriebe für unterschiedliche Nähmaschinen bzw. Nähautomaten in Kauf genommen werden. Beim Soll-Ist-Vergleich wird die Differenz aus dem Kehrwert des vorgegebenen Sollwertes SW und dem Kehrwert des gemessenen Istwertes IW gebildet. Diese Differenz ist der Drehzahlabweichung proportional. Bei nur geringen Unterschieden von der Soll- zur Istdrehzahl - diese Voraussetzung wird durch den Regelvorgang erfüllt - besteht praktisch ein linearer Zusammenhang (vgl. Fig. 12) zwischen der Istdrehzahl und der Regelabweichung D. Das nachfolgende Beispiel beweist die Richtigkeit der zuvor aufgestellten Behauptung. Für das Beispiel gelten folgende Annahmen:

Zählfrequenz f_c = 2 MHz

Vom Istwertgeber gelieferte Impulsanzahl = 50 Impulse/Umdrehung

der Armwelle

Istdrehzahl = 600 U/min .

Zeit für eine Umdrehung der Armwelle

¹I 600
= 0,1s

Impuls- bzw. Pausendauer von U^ (der im Nenner des Bruches auftretende Wert 100 ergibt sich aus den vorgegebenen 50 Impulsen und den dazwischen liegenden 50 Pausen)

Ti
^T2 " TÖÖ~

₌ OA ₌ 1 ms
100

Istwert

IW

	■ •	fc 2	-	*/IC -* ι» -
T2 1	1000		000	000
	000
2

Bei einer Istdrehzahl der Armwelle von 600 U/min werden während eines Impulses von O^ 2000 Impulse von U_c gezählt. Ebenso können für die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Werte unterschiedlicher Istdrehzahlen die entsprechenden Istwerte IW errechnet werden. Unter Zugrundelegung einer Solldrehzahl von 600 U/min, die einem Sollwert SW=2000 entspricht, ergibt sich die Regelabweichung D zu:

Istdrehzahl (U/min)	IW	D = SW - IW
594	2020	- 20
595	2017	- 17
596	2013	- 13
597	2010	- 10
598	2007	- 7
599	2003
600	2000	0
601	1997	3
602	1993	7
603	1990	10
604	1987	13
605	1983	17
606	1980	20

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Die vorstehende Tabelle wie auch das Diagramm in Fig. 12 zeigen sehr deutlich die praktisch lineare Abhängigkeit der Regelabweichung D, die aus den der Soll- bzw. der Istdrehzahl umgekehrt proportionalen Werten SW bzw. IW gebildet wurde, von den Drehzahlunterschieden (Solldrehzahl - Istdrehzahl).

Durch die zuvor beschriebene zeitliche Entlastung des Mikrocomputers 1 beim Lesen des Sollwertes, Messen des Istwertes, Bilden der Stellgröße steht für ihn genügend Zeit für die Berechnung der Stellgröße zur Verfügung. Dabei können stetige und unstetige Regler sowie Mischformen beider Typen nachgebildet werden. Der Regelalgorithmus ist durch das Programm des Mikrocomputers 1 festgelegt.

Nachfolgend wird die Nachbildung eines stetigen Reglers mit PI-Charakteristik für die Drehzahlregelung durch die Kupplung 8 beschrieben. Der PI-Charakteristik sind unstetige Regeleigenschaften überlagert. Dies wird durch drehzahlabhängiges Einschalten der maximal möglichen Erregung der Kupplung 8 oder der Bremse oder durch drehzahlabhängiges Abschalten der Kupplung 8 oder der Bremse ermöglicht. Dadurch werden Brems- und Beschleunigungsvorgänge optimiert und der Verschleiß der Kupplungs- und Bremsbeläge vermindert.

Die Wirkungsweise der Regelvorrichtung, deren zusammenwirkende /i Schaltungskomponenten bereits beschrieben wurden, ist aus Fig.5 und Fig. 6 zu ersehen. Der Mikrocomputer 1 ordnet der jeweiligen

λ*

Stellung des Sollwertgebers einen Drehzahl-Sollwert zu. Dieser wird mit dem momentanen Istwert der Armwellendrehzahl verglichen und aus der Regelabweichung vom Soll- zum Istwert wird die Einschaltdauer für die Kupplung 8 und/oder die Bremse berechnet. Wegen des bei Nähantrieben an sich bekannten Schlupfbetriebes sind die von der Kupplung 8 und der Bremse gelieferten Übertragungsmomente drehzahlabhängig. Um eine binäre Anwahl von beliebigen Sollwerten im ganzen Drehzahlbereich ohne Abgleich zu ermöglichen, ist für jeden Sollwert im Programmspeicher des Mikrocomputers 1 ein Datenblock mit Konstanten abgelegt. Dieser Datenblock enthält neben dem binären Wert für die Größe des Sollwertes auch einen Parametersatz für den Regelalgorithmus. Somit ist eine individuelle Berechnung der Stellgröße für jeden Sollwert möglich. Besagter Datenblock enthält für einen definierten Sollwert SWA folgende Parameter:

A 1 entspricht Sollwert SWA (vgl. Fig. 9,10)

A 2 entspricht Konstantanteil der Stellgröße für SWA

A 3 entspricht Istwertmultiplikator für SWA

A 4 entspricht Drehzahlschwelle A_x )

A 5 entspricht Drehzahlschwelle Ay ) siehe Fig.9,10

A 6 entspricht Drehzahlschwelle A₂ )

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-VG-

Parameter Al ist ein binärer Wert, der dem Kehrwert der Solldrehzahl entspricht. Die Parameter A4, A5 und A6 stellen binäre Werte für Drehzahlschwellen dar. über- bzw. unterschreitet die Istdrehzahl die erwähnten Drehzahlschwellen, werden - wie' nachfolgend beschrieben - bestimmte Schaltfunktionen der Kupplung 8 oder der Bremse ausgeführt. Parameter A3 beeinflußt die Messung der Istdrehzahl. Bei niederen Sollwertdrehzahlen werden die Impulse der Rechteck-Spannung U_c, die während eines Impulses bzw. während einer Pause zwischen zwei Impulsen der Rechteck-Spannung Ui gezählt werden, als Istwert ausgewertet. Bei hohen Sollwertdrehzahlen werden die Impulse von ü_c während mehrerer Impulse bzw. Pausen von U^ ausgezählt. Durch Parameter A3 wird die Zahl der auszuwertenden Impulse bzw. Pausen von Ui vorgegeben.

Aus Fig.7 ist die Bildung der Stellgröße, die durch das Tastverhältnis V ausgedrückt wird, für die Kupplung 8 ersichtlich. Wie bereits zuvor erwähnt, ergibt sich das Tastverhältnis aus V ₌ Ti/Tp oder aus V - T/

Die Drehzahlregelung wird anhand zweier, nachfolgender Zahlenbei spiele näher erläutert. Hierfür sind folgende Werte vorgegeben:

Solldrehzahl η = 600 U/min

Zählfrequenz f_c = 2 MHz

Vom Istwertgeber gelieferte Impulsanzahl = 50 Impulse/Umdrehung

oik

to

ι* -

Der Datenblock enthält dafür folgende Werte:

2000 (entspr. dem Sollwert SWA = 600 U/min) 490 0

2400 (entspr. Drehzahlschwelle A_x = 500 U/min)

1900 (entspr. Drehzahlschwelle Ay = 630 U/min)

1000 (entspr. Drehzahlschwelle A_z = 1200 U/min)

Ergibt die Istwertmessung z.B. einen Wert IW = 2300, der einer momentanen Drehzahl von 522 U/min der Armwelle entspricht, so errechnet der Mikrocomputer 1 die Regelabweichung D aus den Werten von Al und IW wie folgt:

D = Al - IW

= 2000 - 2300 = -

Damit ergibt sich der das Tastverhältnis V und die Rechteck -Spannung U^ beeinflussende Wert Tj^ (vgl. Fig. 4) aus:

Ti = A2 - D

= 490 - (-300) =

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■- IA-

Ergibt die Istwertmessung in einem weiteren Beispiel einen Wert IW = 1700, der einer momentanen Drehzahl von 706 ü/min entspricht, so ergibt sich D aus:

D = 2000 - 1700 300

Damit ergibt sich

T₁ = 490 =

Aus beiden Zahlenbeispielen ist erkennbar: Je weiter die Istdrehzahl unter der Solldrehzahl liegt, desto größer wird der Wert für Ti· Je weiter die Istdrehzahl über der Solldrehzahl liegt, desto kleiner wird der Wert für T^. Der Wert für Ti wird in den Multivibrator Z4 geladen, der die Rechteck-Spannung U^ für die Kupplung 8 erzeugt. Geht man davon aus, daß - wie zuvor erwähnt - T₀ = 1000 ist, so ergibt sich gemäß dem ersten Zahlenbeispiel (Solldrehzahl = 600 U/min, Istdrehzahl = 522 U/min) das Tastverhältnis zu:

V = Ti/T_o - Ti 790/1000 - 790; d.h. Ti= 790 und T_p=

Im zweiten Beispiel ergibt sich (Solldrehzahl = 600 U/min, Istdrehzahl = 706 U/min):

V = 190/1000 - 190 ; d.h. Ti = 190 und T_p = 810

Tj[ ist die Ein-, Tp die Ausschaltzeit der Kupplung 8. Beide Zahlenbeispiele zeigen deutlich, daß sich das Tastverhältnis V proportional mit der Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl ändert. Die Veränderung verläuft außerdem so, daß ein Drehzahlabfall längere, ein Drehzahlanstieg kürzere Einschaltzeiten Tj[ der Kupplung 8 bewirkt. Damit ist die Wirkungsweise eines Proportionalreglers nachgebildet.

Eine reine Proportionalregelung führt bekanntlich zu bleibenden Regelabweichungen D, die z.B. bei Laständerungen oder bei Änderungen der Kupplungseigenschaften (Reibwerte, Luftspalt) auftreten. Um dieser Erscheinung entgegenzuwirken, wird bei der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung der proportional zur Regelabweichung D gebildeten Impulszeit T^ ein integral wirkender Anteil I überlagert. T^ wird dadurch um einen von der Zeitdauer der Regelabweichung D abhängigen Wert korrigiert. Dieses Prinzip wird in der Regelungstechnik als PI-Regelung bezeichnet und führt zu einer Drehzahlregelung ohne bleibende Regelabweichungen.

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SL3>

Aus dem Flußdiagramm nach Fig. 8 ist ersichtlich, wie bei der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung die Charakteristik eines PI-Reglers realisiert wird. Der Wert für T^ wird - wie zuvor beschrieben - gebildet. Zu T^ wird der Integr-alanteil I addiert, der durch Summation der Konstanten E gebildet wird. Nach jeder Berechnung von Tj[ wird nach folgender Vorschrift addiert bzw. subtrahiert:

I = I_-1 ± E-

Hierin ist I , der Wert für I, der sich bei der vorangegangenen Berechnung ergeben hat. Bei jeder Berechnung der Stellgröße wird daher der ermittelte Wert I für die nächste Berechnung gespeichert. Die Konstante E wird zu I_, addiert, wenn die Istdrehzahl kleiner als die Solldrehzahl ist bzw. subtrahiert, wenn die Istdrehzahl größer als die Solldrehzahl ist.

Das folgende Beispiel geht von der Annahme E=I aus. Bei der letzten bereits abgeschlossenen Berechnung habe sich für I der Wert 10 ergeben. Für die jetzt laufende Berechnung ist daher I , =10. Falls die Istdrehzahl momentan kleiner als die Solldrehzahl ist, ergibt sich also für die laufende Berechnung I = 10 +1. In den Multivibrator Z4 wird der Wert " T^ + 11" geladen und der Wert "11" für die nächste Berechnung gespeichert. Falls bei dieser die Istdrehzahl immer noch kleiner als die Solldrehzahl ist, ergibt sich jetzt I = 11 + 1 und damit wird "T"i +12" in Z4 geladen und der Wert "12" für die nächste Berechnung gespeichert. Solange die Istdrehzahl kleiner als die Solldrehzahl ist, wird

LH

T^ also um einen stetig anwachsenden Betrag vergrößert. Dadurch wird das Tastverhältnis V für die Kupplung 8 größer. Da als Folge davon der Kupplungsstrom und damit das Übertragungsmoment der Kupplung 8 steigen, erhöht sich auch die Drehzahl der Armwelle.

Falls bei der nun folgenden Berechnung die Istdrehzahl momentan größer als die Solldrehzahl ist, ergibt sich für die laufende Berechnung I = 12 - 1. In den Multivibrator Z4 wird jetzt der Wert "Tj_- + 11" geladen und der Wert "11" für die nächste Berechnung gespeichert. Ist während der nun folgenden elf Berechnungen die Istdrehzahl größer als die Solldrehzahl, so wird schließlich der Integralanteil der Stellgröße beseitigt (I = Null). Falls die Istdrehzahl weiterhin größer als die Solldrehzahl ist, ergeben sich für den Integralanteil I negative Werte. Auch jetzt wächst I bei jeder Berechnung um den Betrag E=I. Nach weiteren fünf Berechnungen beträgt der Wert für I=-5 und der Multivibrator Z4 wird mit dem Wert "Ti-5" geladen.

Die Zeitdauer zwischen zwei Berechnungen des Integralanteiles I wird in der Regelungstechnik als Integrationszeit T_n bezeichnet. Diese entspricht bei der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung der Zeit, die der Mikrocomputer 1 für die Durchführung der aus Fig. ersichtlichen Programmteile benötigt. So ist es bei Verwendung nur eines Mikrocomputers 1 möglich, die Teilaufgaben "Sollwertgeber einlesen", "Istwert einlesen", "Soll-Ist-Vergleich" und das Nachbilden eines PI-Reglers zu erledigen. Durch die beschriebenen Schaltungsmaßnahmen für die zeitliche Entlastung des Mikrocomputers 1 können ausreichend kleine Werte für die

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Integrationszeit T_n selbst dann erreicht werden, wenn der Mikrocomputer 1 neben besagter Drehzahlregelung noch weitere Aufgaben übernimmt.

Aus Fig. 9 ist ersichtlich, wie ohne Benutzung der Bremse des Nähantriebes beim Beschleunigen auf einen neuen Sollwert ein überschwingen der Drehzahl der Armwelle praktisch vermieden wird. Während der Zeit T^ hält die Regelvorrichtung die Drehzahl bei n^ konstant. Anschließend wird auf eine, dem Sollwert SWA entsprechende Drehzahl beschleunigt. Bis zum Erreichen der Drehzahlschwelle A_x, wofür die Zeit T2 benötigt wird, wird die Kupplung 8 voll erregt. Während der Zeit T3 ist sie ausgeschaltet. Nach dem Erreichen der Drehzahlschwelle Ay wird durch die zuvor beschriebene Rechteck-Spannung U^ die dem neuen Sollwert SWA entsprechende Drehzahl der Armwelle geregelt.

Aus Fig. 10 ist das Bremsen auf einen neuen Sollwert zu ersehen. Während der Zeit Τχ hält die Regelvorrichtung die Drehzahl bei n\ konstant. Innerhalb der Zeitdauer T2 ist die Kupplung 8 aus- und die Bremse eingeschaltet. Nach dem Erreichen der Drehzahlschwelle A_z wird die Bremse ausgeschaltet und durch die vom Multivibrator Z4 gebildete und der Kupplung 8 zugeführte Rechteck-Spannung U^ die dem neuen Sollwert SWA entsprechende Drehzahl geregelt.

Schließlich ist aus Fig. 11 der Betrieb einer Nähmaschine mit Maximaldrehzahl ersichtlich. Diese Betriebsweise liegt während der überwiegenden Zeit eines Nähvorganges vor. Während der Zeit T]_ wird die Kupplung voll erregt. Durch Drehzahlüberwachung wird nach

dem Erreichen der Maximaldrehzahl die Kupplung 8 nur noch mit einem konstantea Tastverhältnis V angesteuert. Dies ist ohne Drehzahlabfall möglich, weil die Kupplung 8 des Nähantriebes auf kurze Hochlaufzeiten ausgelegt ist. Das volle Ubertragungsmoment wird nur während der Zeit T^ des Hochlaufes benötigt.

Eine weitere Möglichkeit für die Anwendung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist die volldigitalisierte Drehzahlregelung eines die Armwelle der Nähmaschine antreibenden Gleichstrommotors. Dessen Drehzahl ist bekanntlich von der Höhe der Betriebsspannung abhängig. In diesem Fall wird die vom Multivibrator Z4 gebildete Rechteck-Spannung U^ direkt an den Gleichstrommotor gelegt. Wie bereits beschrieben, ändert sich das Tastverhältnis V der Rechteck-Spannung U^ je nach Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl. Jedes sich ergebende Tastverhältnis V führt zu einem Mittelwert der Rechteck-Spannung U^. Dieser Mittelwert ist als Betriebsspannung les Gleichstrommotors anzusehen. Wird er stärker belastet, sinkt seine Drehzahl. Die Regelvorrichtung bewirkt durch ein neues Tastverhältnis V einen höheren Mittelwert von U^.

Dadurch steigt die Drehzahl des Gleichstrommotors wieder auf den

f Ursprungswert, ohne daß es bei dieser Drehzahlregelung einer

Bremse/Kupplungskombination bedarf.

BAD ORIGINAL

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Claims

Patentansprüche: *'.iMFFELn P/N/006/DE 2/1

( 1.)Regelvorrichtung für die Drehzahlregelung einer Nähmaschine, deren Armwelle von einem Elektromotor angetrieben wird, der vorzugsweise mit einer Bremse/Kupplungskombination zusammenarbeitet, wobei die Istwertmessung der Armwellendrehzahl entweder auf analogem Wege mittels eines fest mit der Armwelle verbundenen Tachogenerators oder auf digitalem Wege mittels eines fest mit der Armwelle verbundenen, optoelektronischen Inkrementalgebers durchgeführt wird und die analoge Sollwertvorgabe durch einen knie- oder fußbetätigten Sollwertgeber oder durch externe Sollwertvorwahl ermöglicht wird und nach erfolgtem Soll-Ist-Vergleich die Stellgröße in digitaler Form auf die Bremse/Kupplungskombination des Elektromotors gegeben wird, dadurch ■■ gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung aus einem Mikrocomputer (1) und den beiden Bausteinen (2,6) besteht, wobei die Bausteine (2,6) über einen Steuerbus (3) und einen Datenbus (4) zwecks Datentransfer mit dem Mikrocomputer (1) verbunden sind, daß für die Istwertmessung der Armwellendrehzahl eine vom Mikrocomputer (1) gebildete Rechteck-Spannung (U_c) mit der quarzstabilisierten Zählfrequenz (f_c) an den Eingängen (CLKl, CLK2) der im Baustein (2) enthaltenen Zähler (Zl,Z2) und eine vom Inkrementalgeber gebildete Rechteck-Spannung (Uj_-) mit der Frequenz (fj.) an einem Toreingang (Gl) des Zählers (Zl) und am Eingang eines Inverters (5) anliegen, daß der Ausgang des Inverters (5) mit einem Toreingang (G2) des Zählers (Z2)

und der Toreingang (G2) mit einem Port (P) des Mikrocomputers (1) verbunden sind, daß beim Soll-Ist-Vergleich die Regelabweichung aus binären, den Kehrwerten der Soll- und Istdrehzahl ent-

■j

sprechenden Größen gebildet wird, daß/für jeden Sollwert ein Datenblock mit individuellen Parametern für die Berechnung des die Stellgröße ausdrückenden Tastverhältnisses (V) im Programmspeicher abgelegt ist,¹ daß'für die Bildung der Stellgröße die Rechteck-Spannung (U_c) an einem Eingang (CLK 3) eines im Baustein (6) enthaltenen Bit-Raten-Generators (Z3) sowie an einem Eingang (CLK 4) eines im Baustein (6) enthaltenen programmier- und retriggerbaren, monostabilen Multivibrators (Z4) anliegt, daß eine vom Bit-Raten-Generator (Z3) erzeugte Rechteck-Spannung (U₀) an dessen Ausgang (Q3) und an einem Toreingang (G4) des Multivibrators (Z4) anliegt und daß eine vom Multivibrator (Z4) gebildete, an dessen Ausgang (Q4) anliegende Rechteck-Spannung (U^) als Stellgröße für die Drehzahlregelung dient.
2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zählfrequenz (f_c) sehr groß gegenüber der Frequenz (fi) ist und daß die Rechteck -Spannung (U^) mit der Frequenz (f^) direkt auf einen Treiber (7) der Kupplung (8) des Elektromotors gegeben wird.
3. Regelvorrichtung nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Nachbildung eines Integralreglers die Integrationszeit (T_n) durch die Ausführungszeit des Mikrocomputer-Programms- gebildet wird.
4. Regelvorrichtung nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechteck-Spannung (U^) mit der Frequenz (fk) ^an einen die Armwelle antreibenden Gleichstrommotor gelegt wird.