Motor-Generator-Satz (MGS)

Abb.2 zeigt die Symbole und die Anschlussbezeichnungen der Module. Diese können auch getrennt voneinander verwendet werden, so dass z.B. der Signalverstärker auch in einem anderem Zusammenhang messtechnisch zum Einsatz kommen kann.

Daher sind die einzelnen Module sind weiter unten in ihren möglichen Einsatzbereichen allgemein beschrieben, wenngleich die beiden praktischen Anwendungsfälle, die Drehzahlregelung und die Drehmomentregelung durch die Modulkombination im Mittelpunkt der Betrachtungen stehen.

Beim eingesetzten Motor handelt es sich um einen Gleichstrommotor (DC-Motor). Dieser Motor ist lediglich für kurzzeitige Belastungen ausgelegt und nicht für einen Dauereinsatz konzipiert. Sollten die Motoren im praktischen Einsatz doch überlastet werden, so stehen passende Ersatzmotoren bzw. passende Schläuche als Kopplungselemente zur Verfügung:

• Set Ersatzschläuche MGS (Best.-Nr. 401-00007)
• Ersatzmotor MGS (Best.-Nr. 401-00008)

Der vorliegende Motor-Generator-Satz ist im Speziellen für die praktische Anwendung der Regelungstechnik konzipiert worden. Das Trainingssystem eignet sich insbesondere für die beiden Them

• Drehzahlregelung
• Drehmomentregelung
   

Abb.3 zeigt den Einsatz des Kombimoduls im Regelkreis:

Mit dem Motor-Generator-Satz werden nach Abb.3 sowohl die eigentliche Strecke, d.h. der Prozess, als auch die messtechnische Signalaufbereitung (Messwandler) realisiert. Daher sind beide Module separat verwendbar. Die Einzelheiten zu den Regelungen sind im Folgenden dargestellt.

Die Drehzahlregelung wird an einem Gleichstrommotor demonstriert. Bei diesen Gleichstrommotoren ist die am Motor angelegte Spannung U_Motor proportional zur Drehzahl n:

U_Motor~ n

Das heißt, dass eine ansteigende Spannung auch eine ansteigende Motordrehzahl mit sich bringt, und umgekehrt. Diese Annahme gilt natürlich nur vereinfacht, wie die praktischen Versuche zeigen. Die Drehzahl kann somit grundsätzlich über die Motorspannung geregelt werden. Abb.4 zeigt die Drehzahlregelung mit Gleichstrommotor  mit den entsprechenden Anschlussbezeichnungen:

Die Messung der Drehzahl n erfolgt entsprechend Abb.3 durch den Generator. Er fungiert sozusagen als Tachogenerator. Der Generator ist hier ebenfalls als Gleichstrommotor (der gleichen Bauart) realisiert, der, entgegen seiner ursprünglichen Aufgabe, durch die Kopplung der Wellen angetrieben wird (das elektro-
dynamische Prinzip lässt sich in beide Richtungen nutzen!). Dadurch entsteht an seinen Klemmen eine Spannung, die als Drehzahl-Istwert für die Regelung genutzt werden kann. Man kann diesen Drehzahl-Istwert als Regelgröße x auffassen.

Weiterhin ist bei Gleichstrommotoren der Motorstrom I_Motor näherungsweise proportional zum Drehmoment M:

I_Motor~ M

Die wichtigste Aufgabe des Signalverstärkers ist, wie der Name schon sagt, Signale zu verstärken. Unter Signale versteht das hier vorliegende Trainingssystem (Lehrmittel) immer Spannungen. Das in der Messtechnik (MSR-Technik) allgemein verwendete Verstärkersymbol zeigt Abb.6:

Der Signalverstärker stellt die obere Hälfte des Motor-Generator-Satzes dar:

Bei einem Verstärkungswert G > 1 wirkt der Messverstärker entsprechende Abb.8:

Der Messverstärker verstärkt dann unabhängig vom Vorzeichen und der Signalform. Sowohl die Ein- als auch die Ausgangssignale des Verstärkers liegen typischerweise im Bereich von ±10V. Wird die Verstärkung G zu groß gewählt, so kann das Ausgangssignal auch schnell in die Begrenzung laufen. Hierzu sollte man die Amplitude des Eingangssignals abschätzen. Sind hingegen Pegeldämpfungen gefragt, wird eine Verstärkung G kleiner eins eingestellt. Abb.9 zeigt die Auswirkung an:

Der Impedanzwandler ist eine Sonderform des Verstärkers. Seine Aufgabe besteht in erster Linie darin, eine Signalquelle, z.B. eine „empfindliche“ Oszillatorfrequenz, so mit einer Messapparatur zu verbinden, dass die Signalquelle dann „belastbar“ wird. Ansonsten würde die Quelle durch die Messung selbst verfälscht, eventuell sogar kurzgeschlossen. Hier hilft die extrem hohe Eingangsimpedanz Z_IN des Verstärkers von ca. 1GΩ. Der Ausgang mit einer Impedanz Z_OUT von wenigen Ω kann dann durch Standardmessgeräte abgegriffen werden. Zur Unterscheidung sei hier der Wert +1 in das Symbol mitaufgenommen.

Die Wirkung des Impedanzwandlers wird in Abb.11 dargestellt:

In der Regelungstechnik findet der Signalverstärker Einsatz als Messwandler. Dann ist er Bestandteil des Regelkreises gem. Abb.12:

Für die Rückführung der Regelgröße r in einen Regelkreis muss an der Regelstrecke (hier als Messort eingetragen) ein Signal gemessen werden, aus dem der Istwert r gebildet wird.

Unmittelbar am Messort könnte man daher gem. Abb.12 vom Sensorsignal x sprechen. Häufig kann das so gemessene Signal x nicht direkt mit dem entsprechenden Eingang des Differenzbilders (bzw. einer Reglereingangsstufe) verbunden werden, da die Signalbereiche nicht übereinstimmen oder eine gänzlich andere Physik vorliegt.

Man benötigt daher eine Signalanpassung bzw. einen Signalverstärker, der sowohl verstärken als auch dämpfen können sollte. Weiterhin treten oftmals Offsetprobleme auf, die ebenfalls ausgeglichen werden müssen.

Die Modifikation des Sensorsignals vor Ort ist von zahlreichen Sensorherstellern bereits in die Produktpalette integriert und daher unbedingt im Regelkonzept zu berücksichtigen. Zum besseren Verständnis ist sie hier als separate Einheit ausgeführt und letztlich als eine eigene Regelkreiskomponente zu betrachten.

Welcher Verstärkungsfaktor G einzustellen ist, hängt von der regelungstechnischen Aufgabenstellung ab. So kann z.B. die Regelstrecke zunächst so betrieben werden, dass das größtmögliche Ausgangssignal am Sensor gemessen wird. Dieses Sensorsignal wird danach mit dem Eingang IN des Signalverstärkers verbunden. Der Verstärkungsfaktor wird nun so eingestellt, dass das Ausgangssignal des Verstärkers dem maximalen Sollwert entspricht (im Normalfall 10V). Im beschriebenen Fall wäre auf den gesamten Regelbereich optimiert worden.

Jedoch lässt sich auch eine Optimierung für einen Arbeitspunkt AP vornehmen, bei dem der Sensor ein zuvor definiertes Ausgangssignal ausgeben soll. Eine neutrale Herangehensweise in diesem Zusammenhang ist die Rückkoppelgröße r und den Sollwert w aufeinander abzugleichen. So ergibt sich ein Verstärkungsfaktor des offenen Regelkreises, die sogenannte Leerlaufverstärkung V₀ zu 1.

Darüber hinaus können mit dem Verstärkungsfaktor G nichtlineare Parameterveränderungen simuliert werden, indem man den Übertragungsfaktor G der Signalanpassung nachträglich im laufenden Prozess verändert und die Auswirkung auf den Regelkreis studiert.

Die eigentliche Regelstrecke (Prozess) ist die Motor-Generator-Kombination entsprechend Abb.13:

Die Drehzahl n verhält sich in etwa proportional zur Motorspannung U_M+ = U_Motor:

U_Motor~ n

Das Drehmoment M verhält sich in etwa proportional zum Motorsstrom I_Motor:

I_Motor~ M

Der Motor (links) ist auf der Leiterplatte mit einem doppelseitigem Klebeband fixiert. Der Motor (rechts), der als Tachogenerator fungiert, ist nur über die Schlauchkopplung elastisch fixiert. Hierdurch wirkt sich das elastische Spiel auf die Regelung aus. Man kann den Generator jedoch auch nachträglich ebenfalls mit einem doppelseitigem Klebeband fest auf die Leiterplatte fixieren. Die Regelergebnisse können dann vom ersten Fall abweichen.

Abb.14 zeigt die Koppelstelle zwischen Motor und Generator. Ebenfalls erkennbar ist der zur Drehmomentregelung benötigte Messwiderstand R15, der in Reihe mit der Motorwicklung geschaltet ist. Abb.15 zeigt den Ausschnitt auf der Karte noch einmal etwas genauer.