DE2649556C2

DE2649556C2 - Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Wechselstrom-Servomotors eines Aufzeichnungsgerätes oder eines Anzeigegerätes

Info

Publication number: DE2649556C2
Application number: DE2649556A
Authority: DE
Inventors: Nobuo Musashimurayama Tokyo Kaieda; Kenji Higashiyamato Kawakami; Hiroshi Funahashi Chiba Ohtsu; Yoshihiro Koganei Tokyo Okano
Original assignee: Yokogawa Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1975-11-13
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1982-08-05
Also published as: US4161678A; DE2649556A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Wechselstrom-Servomotors eines Aufzeichnungsgerätes oder eines Anzeigegerätes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist in der US-PS 36 02 792 beschrieben. Bei ihr besteht die Verstärkeranordnung, welche das Fehlersignal, welshes durch Subtraktion des der Ist-Stellung der Abtriebswelle des Servomotors zugeordneten Rückmeldesignales von dem zur Anzeige zu bringenden Eingangssignal erhalten wird, soweit verstärkt, daß es zur Erregung des Wechselstrom-Servomotors verwendet werden kann, in einem Wechselstromverstärker. Derartige Wechselstromverstärker haben den Nachteil, daß sie eingestreute Störsignale mitverstärken, insbesondere Störsignale mit Netzfrequenz. Dieses Problem ist an sich in der US-PS 36 02 792 schon erkannt, und zu seiner Lösung wird dort die Differenzbildung zwischen Eingangssignal und Rückmeldesignal mit hohen Spannungspegeln durchgeführt, gegenüber denen die eingestreuten Störspannungen klein sind. Auf diese Weise kann ein Teil der intern auftretenden Störsignale ausgeräumt werden; sitzt aber eine Wechselstrom-Störspannung, insbesondere Netzbrumm, schon auf dem Eingangssignal, so wird sie bei der bekannten Schaltungsanordnung zusammen mit dem Eingangssignal verstärkt, so daß erhebliche Störamplituden erhalten werden, die zu einer falschen, unerwünschten Bewegung des Servomotors führen.

Durch die Erfindung soll daher eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches geschaffen werden, mit der auch schon im Eingangssignal enthaltene Störsignale unschädlich gemacht werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung gemäß dem Patentanspruch.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist als erste Stufe der die eine Wicklung des Servomotors speisenden Verstärkerschaltung ein Differenzverstärker vorgesehen, dessen beide Eingangsklemmen mit dem Fehlersignal beaufschlagt sind. Das Zerhacken des Fehlersignales erfolgt aber nur bei einer der Eingangsklemmen des Differenzverstärkers, mit welcher der steuerbare Schalter verbunden ist Die andere Eingangsklemme des Differenzverstärkers ist mit dem Ausgang der Leistungsendstufe verbunden.

Bei dieser speziellen Anordnung des steuerbaren Schalters erfolgt eine phasenrichtige Doppelweggleichrichtung der Störsignale mit Netzfrequenz, und das doppelweggleichgerichtete Störsignal hat dann die doppelte Netzfrequenz (plus' noch höherer gerader Harmonischer). Damit kann das Störsignal zu keiner Nettobewegung der Abtriebswelle des Servomotors führen, da sich die zusammen mit der Netzspannung selbst erzeugten Drehmomente über eine Periode der Netzfrequenz gemittelt wegheben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert In dieser zeigt

Fig.! ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur

Steuerung eines Wechselstrom-Servomotors eines Aufzeichnungsgerätes oder eines Anzeigegerätes, und F i g. 2 den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale, wie sie bei entsprechend gekennzeichneten Meßpunkten der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 erhalten werden.

In F i g. 1 ist eine Schaltungsanordnung für einen Wechselstrom-Servomotor 6 dargestellt, die Klemmen 11 und 12, über welche eine Eingangssignal-Gleichspannung Ei anlegbar ist, ein aus Widerständen R_u R₂ und Kondensatoren Ci, C₂ gebildeten Filter 2 sowie einen Vergleichs- bzw. Bezugswertgenerator 3 aufweist, der durch eine einstellbare Wechselspannungsquelle 31, einen Pufferverstärker 32 und einen Bereichseinstell-Spannungsteiler 33 gebildet wird.

Die Gleichspannungsquelle 31 besteht aus einer stabilisierten Gleichspannungsversorgung £Ί, einem Schiebewiderstand R₃ und einem Nulleinstellwiderstand A4. Der Pufferverstärker 32 ist ein Spannungsfolger unter Verwendung eines linearen integrierten Schaltkreises OPu wobei sein Eingang mit einer Spannung E₂ vom Widerstand A3 gespeist wird und er ein Ausgangssignal unter Impedanzumwandlung liefert.

Der aus Widerständen A₅ und A₆ bestehende Spannungsteiler 33 teilt das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 32 so, daß der Bereich der Eingangssignalspannung Ε, einer 0—100%-Skalenlänge des Wegs des Schleifers am Schiebewiderstand R₃ entspricht. Beim Spannungsteiler 33 ist der Widerstandswert des Widerstands R₆ variabel und derjenige des Widerstands Rs festgelegt, um die Bereichseinstellung zu ermöglichen. Der Spannungsteilpunkt P ist an die Eingangsklemme 12 angeschlossen.

Die Schaltungsanordnung weist weiterhin einen direkt oder galvanisch gekoppelten Gleichstromverstärker 4 mit hohem Verstärkungsgrad auf, der durch einen linearen integrierten Schaltkreis OP₂ gebildet ist, dessen invertierende Eingangsklemme 41 über die Widerstände Rt und R₂ des Filters 2 mit der Signaleingangsklemme 11 verbunden und dessen nicht-invertierende Eingangsklemme 42 an eine gemeinsame bzw. Sammelleitung 1 angeschlossen ist. Die

Ausgangsklemme 43 des Gleichstromverstärkers 4 ist über einen Widerstand Ri mit dem Spannungsteilpunkt P des Spannungsteilers 33 verbunden, während der Verstärkerausgang ε über den Spannungsteiler 33 rückgekoppelt ist

Die Schaltungsanordnung enthält weiterhin einen Servoverstärker 5, der aus einem linearen integrierten Schaltkreis OP₃, mit diesem direkt gekoppelten komplementären Transistoren Q\ und Qi sowie einem Schalt-Feldeffekttransistor (FET) Q₃ besteht Eine Eingangsklemme 51 des Servoverstärkers 5 ist über einen Wideraxand Rs an die Ausgangsklemme 43 des Gleichstromverstärkers 4 und zudem über Widerstände Rg und Ä10 an die invertierte Eingangsklemme (—) bzw. die nicht-invertierte Ehigangsklemme (+) des linearen integrierten Schaltkreises OP3 angeschlossen.

Die Ausgangsklemme des linearen Schaltkreises OP₃ ist über einen Widerstand Ru mit der Basisschaltung der Transistoren Qi und Qz verbunden, deren Emitter gemeinsam an die Ausgangsklemme 52 des Servoverstärkers 5 angeschlossen sind, die über einen Regelwiderstand Ä12 mit der Sammelleitung 1 verbunden ist

Die Bürste bzw, der Schleifer des Regelwiderstandes Rn ist über einen Widerstand Rn an die invertierende Eingangsklemme (-) angeschaltet, wodurch eine negative Rückkopplung bzw. Gegenkopplung erreicht wird, die zu einer ausreichenden Herabsetzung der Ausgangsimpedanz des Servoverstärkers 5 beiträgt. Die Kollektoren der Transistoren Qi und Q₂ werden mit Gleichspannungen + Vi bzw. — Vi gespeist.

Die Drain-Elektrode des FETs Q₃ ist mit der nicht-invertierenden Eingangsklemme (+) des linearen integrierten Schaltkreises OP₃ verbunden, während seine Source-Elektrode an die Sammelleitung 1 angeschlossen ist. Der FET Q₃ wirkt als Schalter, der durch ein über eine Diode D\ an seine Gate-Elektrode angelegtes Treibersignal ed wiederholt ein- und ausschaltbar ist, wobei die Frequenz des Signals e_d derjenigen der Wechselspannungsversorgung e entspricht

Die Schaltungsanordnung speist den Zweiphasen-Wechselstromservomotor 6, dessen Steuerwicklung 61 zwischen die Ausgangsklemme 52 des Servoverstärkers 5 und die Sammelleitung 1 geschaltet ist. Ein Phasenschieberkondensator C₃ ist mit der Wechselspannungsquelle e und einer Löschspule 62 in Reihe geschaltet. Die Abtriebswelle des Wechselstrom-Servomotors 6 ist dabei antriebsmäßig mit der Bürste des Schiebewiderstands A3 und außerdem mit einem nicht dargestellten Anzeige- und/oder Aufzeichnungsmechanismus gekoppelt

Bei der oben beschriebenen Schaltungsanordnung läßt sich das Ausgangssignal ε des Gleichstromverstärkers 4 durch die nachstehende Gleichung (1) ausdrükken, solange die Widerstandswerte der Widerstände R₅, R₆ und R₇ als A₅, Re<R7 festgelegt sind, so daß der Verstärkungsgrad des Gleichstromverstärkers 4 groß genug ist:

._ Rs

- E_f)

worin

+ R_h

E₃ =

dem Vergleichs- bzw. Bezugswert Er proportional. Der Verstärkungsgrad des Gleichstromverstärkers 4 hängt vom Wert

Rs+Rbp

ab bzw. variiert entsprechend dem Wert des Bereichseinstellwiderstands r\. Der Schleifen-Verstärkungsgrad μβ der Servoschleife bestimmt sich durch folgende Gleichung, worin G einen Verstärkungsgrad oder Gewinn für die mittels des Servoverstärkers 5 und des Wechselstrom-Servomotors 6 erzeugte Vergleichsspannung £>angibt:

r = ^G

Gemäß Gleichung (2) ändern die Widerstände A₅ und Rj ihre Werte bei der Bereichseinstellung nicht, so daß der Schleifen-Verstärkungsgrad μβ der Servoschleife konstant bleibt, ohne daß bei der Bereichseinstelfung der Verstärkungsgrad des Servoverstärkers 5 eingestellt zu werden braucht. Mit anderen Worten: der Servoverstärker 5 kann ein Verstärker mit konstantem Verstärkungsgrad sein.

Wenn der FET Q₃ gemäß F i g. 1 durchschaltet, ist die nicht-invertierende Eingangsklemme ( + ) des linearen integrierten Schaltkreises OP₃ mit der Sammelleitung 1 verbunden. Infolgedessen läßt sich das Ausgangssignal e_o des Servoverstärkers 5, an den das Ausgangssignal ε des Gleichstromverstärkers 4 angelegt wird, durch die Gleichung

bestimmen, worin m=Spannungsteilungsverhäknis des Regelwiderstands An bedeutet.

In diesem Fall arbeitet der Servoverstärker 5 als Inverter. Wenn der FET Q₃ sperrt, wird das Gleichspannung-Abweichsignal e an die nicht-invertierende Eingangsklemme ( + ) des linearen integrierten Schaltkreises OP₃ angelegt. Aus diesem Grund bestimmt sich das Ausgangssignal e_odes Verstärkers 5 als

e_o=m

Das Ausgangssignal ε ist daher dem Unterschied zwischen der Eingangssignal-Gleichspannung E₁ und Hierbei arbeitet der Servoverstärker 5 als nicht-invertierender Verstärker.

F i g. 2 veranschaulicht die Wellenform des Ausgangssignals e_o des Servoverstärkers 5. Wie dargestellt, besitzt das Signal e_o eine Rechteckwellenform, die in bezug auf eine Bezugslinie symmetrisch ist und in Abhängigkeit vom Ein- und Abschalten des Transistorschalters Q₃ schwingt Dieses Rechteckwellensignal ist bezüglich der Frequenz der Speisewechselspannung e identisch, während seine Amplitude und Phase dem Wert bzw. der Polarität des Gleichspannungs-Abweichsignals ε entsprechen. Das Signal e_o wird der Steuerwicklung 61 des Wechselstrom-Servomotors 6 aufgeprägt, der sich daraufhin in einer von Amplitude

.₀5 und Phase des Signals e₀ abhängenden Richtung drehi und eine Verschiebung der Bürste des Schiebewiderstands R3 bewirkt, wodurch das Gleichspannung-Abweichsignal ε auf Null abeglichen wird.

Die Verschiebung α der Bürste am Schiebewiderstand Ri ist der Eingangssignal-Gleichspannung £, proportional bzw. läßt sich ausdrücken als

A3 "Γ A4 Λ5 "■" **(, Lj₁

Λ J Λ,, C ι

Ra

Die Verschiebung χ wird dem zugeordneten Anzeige- und/oder Aufzeichnungsmechanismus eingegeben, durch den die Eingangssignalspannung £, angezeigt und/oder aufgezeichnet wird. Wie aus Gleichung (5) hervorgeht, kann eine Nulleinstellung bzw. ein Nullabgleich mit Hilfe des Widerstands R< unabhängig von der Bereichseinstellung erfolgen. Die für die Nulleinstellung erforderliche Verschiebung hängt lediglich vom Verhältnis R4/R3 ab; dies bedeutet, daß die einzelnen Widerstände R3 und R* nicht notwendigerweise unbedingt stabil sind, ihr Verhältnis RaIR₃ jedoch wesentlich ist.

Bei der oben beschriebenen Schaltungsanordnung wird der Einfluß eines Wechselstrom-Störsignals e/v auf den Wechselstrom-Servomotor ausgeschaltet: Es sei angenommen, daß ein solches Störsignal es der Wechselstromquellenfrequenz das Filter 2 durchläuft und über den Gleichstromverstärker 4 an die Eingangsklemme 51 des Servoverstärkers 5 gelangt. In letzterem wird das Störsignal en durch die Ein- und Abschaltwirkung des Schalters Qs in ein Störsignal e/v₀ umgewandelt, dessen Frequenz gemäß F i g. 2 das Doppelte der Stromquellenfrequenz beträgt und das an der Ausgangsklemme 52 des Servoverstärkers 5 abgegeben wird. Mit dem Doppelten der Stromquellenfrequenz kann das Störsignal e^_o den Wechselstrom-Servomotor 6 nicht antreiben.

Obgleich der Servoverstärker 5 einfach einen linearen integrierten Schaltkreis bzw. IC und einen Transistorschalter verwendet und nicht über einen Koppelkondensator beaufschlagt wird, vermag er das Ausgangssignal e des Gleichstromverstärkers 4 zu einer Wechselspannung umzuwandeln, die bezüglich des Spitzen- oder Scheitelabstands das Doppelte des Signals ε beträgt. Infolgedessen kann die Zahl der Schaltkreiselemente verringert werden, und das Problem einer Phasenverschiebung durch einen Koppelkondensator wird vermieden. Weiterhin reicht bei der oben beschriebenen Schaltungsanordnung ein einziger Schalter aus, dessen Treibersignal e,j daher einfach vom Wechselstromquellensignal e durch Begrenzung von dessen Amplitude gewonnen werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Wechselstrom-Servomotors eines Aufzeichnungsgerätes oder eines Anzeigegerätes mit einem mechanisch mit der Abtriebswelle des Servomotors verbundenen Potentiometer, mit einem Summierkreis, der mit einem aufzuzeichnenden oder zur Anzeige zu bringenden Eingangssignal und mit dem Ausgangssignal des Potentiometers beaufschlagt ist, mit einer dem Summierkreis nachgeschalteten Verstärkeranordnung, die ausgangsseitig mit einer Wicklung des Servomotors verbunden ist, und mit einem der Verstärkeranordnung vorgeschalteten steuerbaren Schalter, der mit der Frequenz geschaltet wird, mit der eine zweite Wicklung des Servomotors vom Netz her gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkeranordnung einen Differenzverstärker (OPi) und eine nachgeschaltete Leistungsstufe (Qu Qi) aufweist; daß die Eingänge des Differenzverstärkers (OP3) über vorgeschaltete Widerstände (R% Rio) beide mit dem Ausgang des Summierkreises (4) verbunden sind; und daß der steuerbare Schalter (Q₃) mit der einen Eingangsklemme des Differenzverstärkers (OP3) verbunden ist, während die zweite Eingangsklemme des letzteren über einen Rückkoppelwiderstand (Ru, Ä12) mit dem Ausgang der Leistungsstufe (Qu Q₂) verbunden ist.