Verfahren zur Regelung eines eine Bandaufwickelvorrichtung treibenden
Gleichstrommotors
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Regelung eines eine Bandaufwickelvorrichtung treibenden Gleichstrommotors, dessen Magnetfeld zur Erzielung vorgeschriebener Bandspannungswerte in direkter Abhängigkeit vom Ankerstrom steht.
Gemäss der Erfindung ist dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Fernbleibensdes Bandes und des damit verbundenen Ankerstromrückganges, zur Vermeidung eines durch die Feldschwächung bedingten Drehzahlanstieges, das Magnetfeld im Sinne der Aufrechterhaltung der Motordrehzahl mit Hilfe einer bei einsetzender Beschleunigung zwischen einem Kondensator und einem mit dem Gleichstrommotor gekuppelten Tachogenerator auftretenden Spannungsdifferenz geregelt wird.
Der Ausdruck Band ist hier als ein Sammelbegriff für Bahnen von Papier, Textilien, Kunststoffen, Metallen usw. zu verstehen, die durch Produktionsmaschinen der Aufwickelstelle zugeführt werden.
Die beiliegende Zeichnung zeigt ein vereinfachtes Schema eines Compound- bzw. Doppelschlussmotors mit einer Regeleinrichtung, anhand welchem das erfindungsgemässe Verfahren beispielsweise erläutert wird.
Mit 1 ist der Anker dieses Motors bezeichnet, der in Serie mit seinem Hauptstrom-Magnetfeld 2 und einem Vorschaltwiderstand 3 von einer Stromquelle 4, z. B. einem Leonardgenerator, gespeist wird. Sein Nebenschluss-Magnetfeld 5 erfährt seine Speisung von einer zweiten Stromquelle 6, während eine dritte Stromquelle 7 zum Anschluss eines Sollwertpotentiometers 8 verwendet ist.
Aus Gründen einer weitgehenden Vereinfachung der Darstellung ist als Verstärker ein einziger Transistor 9 in Emitterschaltung gezeichnet, der sowohl Messglied als auch Stellglied zweier Regelkreise ist.
Im ersten Regelkreis wird der Spannungsabfall in der Wicklung des Hauptstromfeldes 2 und im Vorschaltwiderstand 3 als Istwert für den Ankerstrom mit dem am Abgriff des Potentiometers 8 eingestellten Sollwert verglichen, wobei sich die Uberschreitung des Sollwertes in einem Strom vom Emitter zur Basis des Transistors 9 auswirkt. In Abhängigkeit von diesem Strom verkleinert sich der Widerstand zwi schcn Emitter und Kollektor des Transistors 9 und dadurch wird auch das Nebenschlussfeld 5 stärker erregt.
Bei ganz geschlossenem Transistor 9 erhält das Feld 5 die Spannung über den Widerstand 10 und wird nur sehr schwach erregt. Die Folge davon ist eine hohe Anfangsdrehzahl des Wickelmotors.
Sobald der Wickeldurchmesser zunimmt, sinkt die Drehzahl, der Ankerstrom aber wächst und übersteigt schliesslich den Sollwert, wodurch der Transistor 9 zwischen Emitter und Kollektor stromführend wird. Damit wird der Widerstand 10 immer mehr überbrückt und das Feld 5 verstärkt. Dieser Vorgang ist ein kontinuierlicher und führt die direkte Abhängigkeit des Magnetfeldes vom Ankerstrom vor Augen.
Infolge eines hohen Verstärkungsgrades des Transistors 9, genügt eine ganz kleine Überschreitung des Sollwertes, um eine volle Aussteuerung, d. h. eine maximale Verstärkung des Feldes 5, zu erreichen. Der gleiche Effekt kann mit anderen Verstärkern, z. B. Thyratronröhren, Transduktoren oder Tunneldioden, erreicht werden. Wenn auch infolge Kleinheit der Abweichung vom Sollwert der Strom praktisch über den ganzen Wickelbereich als konstant angesehen werden kann, bleibt das Magnetfeld nichts destoweniger stets in direkter Abhängigkeit von seinem augenblicklichen Wert; sollte sich dieser vermindern, so würde der Transistor 9 für eine entsprechende Schwächung des Magnetfeldes sorgen.
Dieser Fall kann dann eintreten, wenn das Band plötzlich abreisst. Die Drehzahl des Motors würde zufolge Feldschwächung dabei ansteigen, was aber unerwünscht ist, wenn die Absicht besteht, das Band wieder an den Ballen anzulegen. Dieses Problem kann auch dann auftreten, wenn ein Band fertig aufgewickelt ist und ein neues an den Ballen angelegt werden muss.
Um eine solche unerwünschte Beschleunigung auszuschalten, ist ein Kondensator 11 vorgesehen, der an die Klemmen eines mit dem Gleichstrommotor gekuppelten Tachogenerators 12 über ein Ventil 13 angeschlossen ist. Mittels eines Schalters 14 kann dieses Ventil 13 überbrückt werden. Während des Hochlaufens des Motors bleibt dieser Schalter geschlossen, bis die höchte Drehzahl erreicht ist.
Dadurch wird der Kondensator 11 mit der Spannung des Tachogenerators 12 aufgeladen.
Vor Beginn der Wickelarbeit wird der Schalter 14 geöffnet. Sinkt nun die Drehzahl mit dem Grösserwerden des Wickeldurchmessers, so fällt die Spannung des Tachogenerators allmählich ab und das Ventil 13 hindert den Kondensator 11 nicht daran, sich entsprechend dieser sinkenden Spannung zu entladen, was einleuchtend ist, wenn man die Polaritäten und die Sperrichtung des Ventils 13 betrachtet.
Kommt es aber zu einem Bandriss, oder das Band bleibt aus anderen Gründen fort, so beginnt die Spannung des Tachogenerators infolge einer einsetzenden Beschleunigung des Motors zu steigen.
Das Ventil 13 gestattet dabei dem Kondensator nicht mehr, diese erhöhte Spannung anzunehmen, d. h. sich entsprechend aufzuladen; es entsteht somit eine Spannungsdifferenz am Ventil 13. Wie im Schema gezeigt ist, liegt diese Differenzspannung zwi- schen Emitter und Basis des Transistors 9 und kann ihn genau so aussteuern, wie es bezüglich der Differenz zwischen Istwert und Sollwert des Ankerstromes bereits beschrieben wurde. Dadurch wird also das Feld 5 wieder verstärkt und der Drehzahlanstieg verhindert.
Wohl kann sich nunmehr der Kondensator 11 mit Hilfe des über Emitter und Basis des Transistors 9 fliessenden Stromes aufladen, doch lässt sich dieser Strom durch den Widerstand 15 auf ausserordentlich geringen Werten halten. Ausserdem muss der Kondensator 11 über eine genügend grosse Kapazität verfügen, damit die Aufladezeit möglichst gross wird. Sein Spannungspegel erhöht sich demnach nur sehr langsam und sichert dem Bedienungspersonal ausreichend Zeit, um das Band an den mit fast unveränderter Geschwindigkeit weiterlaufenden Wickelballen wieder anzulegen. Der andere im Schema gezeichnete Widerstand und weitere Ventile dienen zur Strombegrenzung und zur Sperrung der
Ausgleichsströme.
Kondensator 11, Tachogenerator 12 und Transistor 9, der das Feld 5 steuert, bilden den zweiten Regelkreis der Anlage, der zum ersten Regelkreis hinzukommt.
Mit Hilfe einer Kombination der Mess- und Stellglieder lässt sich die Empfindlichkeit des Systems so weit steigern, dass die geringste Überschreitung der Sollwerte, als das sind einerseits der Spannungswert am Potentiometer 8 und anderseits die Spannung am Kondensator 11, die Endstufe, welche den Widerstand 10 überbrückt, bereits vollständig öffnet und dem Feld 5 die maximale Spannung zuführt. Dadurch aber tritt eine Überregelung auf, so dass die Sollwerte wieder unterschritten werden. Die Endstufe wird erneut geschlossen und dem Feld wird die minimale Spannung zugeführt.
Ein solcher Pendelvorgang ist das Kennzeichen einer sogenannten Zweipunkt-Regelung, welche im vorliegenden Falle nicht unwesentliche Vorteile mit sich bringt: das mit einer Selbstinduktion behaftete Magnetfeld kann damit zu einer schnelleren Reaktion gezwungen werden, während das ständige Überschreiten und Unterschreiten des Sollwertes eine höhere Genauigkeit für den sich ausbildenden Ist-Mittelwert zur Folge hat. Für den Kondensator 11 hat diese Regelart noch den Vorteil, dass er während der Zeit der Sollwertunterschreitung wieder entladen wird.
Das beschriebene Verfahren lässt sich nicht nur für Compoundmotoren und reine Nebenschlussmotoren mit einer oder mehreren Feldwicklungen, sondern auch für Reihenschlussmotoren zur Anwendung bringen. Da bei dieser letzten Motorgattung das Magnetfeld nur durch Erhöhung des Ankerstromes verstärkt werden könnte, also durch eine Erhöhung der Last, die aber beim Fernbleiben des Bandes dahinfällt, ist es geboten, durch den beschriebenen Regelkreis die Klemmenspannung des Motors so stark herabzusetzen, das Magnetfeld also so sehr zu schwächen, dass eine Beschleunigung wegen des sehr geringen Drehmomentes aussetzen muss. Die Verwirklichung einer derartigen Regelung ist deswegen unschwer, weil die als Bandaufwickler arbeitenden Reihenschlussmotoren zu ihrer Steuerung einer Speisequelle mit variabler Spannung bedürfen, beispielsweise eines Magnetverstärkers.
Es genügt daher, zur Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei Reihenschlussmotoren mit Hilfe der Spannungsdifferenz zwischen Kondensator 11 und Tachogenerator 12 eine Steuerwicklung des Magnetverstärkers so zu beaufschlagen, dass dieser nahezu ganz gesperrt wird.
Auch hier lässt sich eine Zweipunktregelung vorteilhaft anwenden.
Es wäre auch denkbar, den Widerstand 10 fortfallen zu lassen und das Feld 5 beim gesperrten Transistor ganz auszuschalten. Dann ist es allerdings ratsam, eine zweite Nebenschlusswicklung vorzusehen und diese ständig zu erregen, um ein Durchgehen des Motors zu verhindern.
Ist die Stromquelle 4 ein Generator, Transduktor oder ein steuerbarer Gleichrichter, so wäre es ferner denkbar, durch den Regelkreis die Spannung dieser Stromquelle herabzusetzen, um den Drehzahlanstieg des Doppelschluss- bzw. Nebenschlussmotors auf die gleiche Art zu verhindern, wie bei einem Reihenschlussmotor.
Method for controlling a tape winding device driving
DC motor
The present invention relates to a method for regulating a DC motor driving a tape winding device, the magnetic field of which is directly dependent on the armature current in order to achieve prescribed tape tension values.
According to the invention, this method is characterized in that in the event that the band is absent and the associated armature current decrease, in order to avoid a speed increase caused by the field weakening, the magnetic field in the sense of maintaining the motor speed with the help of an acceleration between a capacitor and a with the tachometer generator coupled to the DC motor is regulated.
The term tape is to be understood here as a collective term for webs of paper, textiles, plastics, metals, etc., which are fed to the winding point by production machines.
The accompanying drawing shows a simplified scheme of a compound or double-wound motor with a control device, on the basis of which the method according to the invention is explained, for example.
The armature of this motor is denoted by 1, which is connected in series with its main current magnetic field 2 and a series resistor 3 from a power source 4, e.g. B. a Leonard generator is fed. Its shunt magnetic field 5 is fed by a second current source 6, while a third current source 7 is used to connect a setpoint potentiometer 8.
For the sake of a substantial simplification of the illustration, a single transistor 9 is shown as an amplifier in an emitter circuit, which is both a measuring element and an actuator of two control loops.
In the first control loop, the voltage drop in the winding of the main current field 2 and in the series resistor 3 as the actual value for the armature current is compared with the setpoint set at the tap of the potentiometer 8, the exceeding of the setpoint value having a current from the emitter to the base of the transistor 9. As a function of this current, the resistance between the emitter and collector of the transistor 9 is reduced and the shunt field 5 is thereby also more strongly excited.
When the transistor 9 is completely closed, the field 5 receives the voltage across the resistor 10 and is only very weakly excited. The consequence of this is a high initial speed of the winding motor.
As soon as the winding diameter increases, the speed decreases, but the armature current increases and finally exceeds the setpoint value, as a result of which the transistor 9 between the emitter and collector becomes live. The resistor 10 is thus bridged more and more and the field 5 is strengthened. This process is continuous and shows the direct dependence of the magnetic field on the armature current.
As a result of the high gain of the transistor 9, a very small overshoot of the setpoint is sufficient to achieve full modulation, ie. H. a maximum reinforcement of the field 5 to achieve. The same effect can be achieved with other amplifiers, e.g. B. thyratron tubes, transducers or tunnel diodes can be achieved. Even though the current can be regarded as constant practically over the entire winding area due to the smallness of the deviation from the nominal value, the magnetic field nevertheless always remains directly dependent on its instantaneous value; should this decrease, the transistor 9 would ensure a corresponding weakening of the magnetic field.
This can happen if the tape suddenly breaks. The speed of the motor would increase as a result of the field weakening, but this is undesirable if the intention is to re-apply the tape to the bale. This problem can also occur when a tape is finished and a new one has to be applied to the bale.
In order to switch off such an undesired acceleration, a capacitor 11 is provided, which is connected to the terminals of a tachometer generator 12 coupled to the direct current motor via a valve 13. This valve 13 can be bridged by means of a switch 14. While the motor is running up, this switch remains closed until the highest speed is reached.
As a result, the capacitor 11 is charged with the voltage of the tachometer generator 12.
Before starting the winding work, the switch 14 is opened. If the speed decreases as the winding diameter increases, the voltage of the tachometer generator gradually drops and the valve 13 does not prevent the capacitor 11 from discharging in accordance with this decreasing voltage, which is evident when one considers the polarities and the blocking direction of the valve 13 considered.
If, however, the tape breaks, or if the tape remains away for other reasons, the voltage of the tachometer generator begins to increase as the motor accelerates.
The valve 13 no longer allows the capacitor to accept this increased voltage, i. H. charge yourself accordingly; a voltage difference arises at valve 13. As shown in the diagram, this difference voltage lies between the emitter and base of transistor 9 and can control it exactly as has already been described with regard to the difference between the actual value and the nominal value of the armature current. This means that field 5 is reinforced again and the increase in speed is prevented.
The capacitor 11 can now be charged with the aid of the current flowing via the emitter and base of the transistor 9, but this current can be kept at extremely low values by the resistor 15. In addition, the capacitor 11 must have a sufficiently large capacity so that the charging time is as long as possible. Its voltage level therefore increases only very slowly and ensures that the operating personnel have sufficient time to re-apply the tape to the winding bale, which continues to run at almost the same speed. The other resistor shown in the diagram and other valves are used to limit the current and to block the
Equalizing currents.
Capacitor 11, tacho generator 12 and transistor 9, which controls field 5, form the second control loop of the system, which is added to the first control loop.
With the help of a combination of the measuring and actuating elements, the sensitivity of the system can be increased to such an extent that the slightest overshoot of the setpoint values is, on the one hand, the voltage value on the potentiometer 8 and, on the other hand, the voltage on the capacitor 11, the output stage which the resistor 10 bridged, already fully opened and the field 5 supplies the maximum voltage. As a result, however, an over-regulation occurs, so that the target values are again fallen below. The output stage is closed again and the minimum voltage is applied to the field.
Such a pendulum process is the characteristic of a so-called two-point control, which in the present case has not insignificant advantages: the magnetic field with a self-induction can thus be forced to react more quickly, while the constant overshooting and undershooting of the setpoint a higher accuracy for the resulting actual mean value. For the capacitor 11, this type of control also has the advantage that it is discharged again while the value falls below the setpoint.
The method described can be used not only for compound motors and pure shunt motors with one or more field windings, but also for series motors. Since with this last type of motor the magnetic field could only be strengthened by increasing the armature current, i.e. by increasing the load, which is lost if the belt is not used, it is advisable to reduce the terminal voltage of the motor by the described control circuit, i.e. the magnetic field to weaken so much that an acceleration has to stop because of the very low torque. The implementation of such a regulation is not difficult because the series motors working as tape winders require a supply source with variable voltage, for example a magnetic amplifier, to control them.
It is therefore sufficient to apply the present method to series motors with the help of the voltage difference between capacitor 11 and tachometer generator 12 to apply a control winding of the magnetic amplifier so that it is almost completely blocked.
Here, too, two-point control can advantageously be used.
It would also be conceivable to omit the resistor 10 and to switch off the field 5 completely when the transistor is blocked. In this case, however, it is advisable to provide a second shunt winding and to energize it constantly to prevent the motor from running away.
If the current source 4 is a generator, transducer or a controllable rectifier, it would also be conceivable to use the control loop to reduce the voltage of this current source in order to prevent the increase in speed of the double-wound or shunt-wound motor in the same way as with a series-wound motor.