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Die Erfindung bezieht sich auf einen Dreipunktregler für einen über zwei steuerbare bidirektionale Leistungs-Halbleitergleichrichter mit Impulsen oder Wechselstromhalbwellen einer Speisequelle gespeisten Motor.
Im besonderen jedoch nicht ausschliesslich ist die Erfindung bei trägheitsarmen Elektromotoren anwendbar, beispielsweise bei dem Motorentyp, bei dem der Anker im wesentlichen plattenförmig ist und z. B. aus einer oder mehreren dünnen Folien aus Isoliermaterial besteht, auf die nach der sogenannten gedruckten Schaltkreistechnik ein Leitermuster aufgetragen ist.
Es ist ein Dreipunktregler bekannt, der hauptsächlich durch die Verwendung zweier symmetrischer Kreise ausgezeichnet ist, die gegenseitig verriegelbar sind, damit eine gleichzeitige Durchschaltung beider Kreise vermieden ist. Dieses Grundprinzip wird zur Phasensteuerung verwendet, wodurch aber keine Impulse konstanter
Amplitude und Dauer erzeugt werden. Diese Methode wird im englischen Sprachraum als "Burst-Fire-Control" bezeichnet und bei der eine Mehrzahl von Impulsen konstanter Folgefrequenz in einer ersten Aussendung einem
Motor zugeführt wird, worauf eine weitere Aussendung von Impulsen folgt. Es ist dabei notwendig eine
Aussendung von Impulsen mit mindestens etwa 5 oder 6 Impulsen anzuwenden, um den eine hohe Induktanz aufweisenden Motor in Umdrehung zu halten.
Zur vollen Ausnutzung von Motoren mit gedrucktem Rotor musste eine neue Antriebstechnik entwickelt werden, weil gefunden wurde, dass sie bereits auf einen einzigen Impuls aus einer Impulsquelle oder aus einer
Wechselstromquelle reagieren.
Die Erfindung betrifft ein System, bei dem einzelne Impulse von konstanter Dauer und Amplitude dem
Motor mit einer veränderlichen Rate zwischen 0 Hz und der maximalen Frequenz der Impulsquelle, z. B. also
50 Hz bei einer Wechselstromquelle dem Motor zugeführt werden, worauf sich, falls notwendig, gemäss der genannten "Burst-Fire"-Methode Aussendungen von 50 Hz-Impulsen anschliessen können.
Mit dieser erfindungsgemässen Technik können Impulsfolgefrequenzen bis zu 4 kHz angewendet werden.
Gemäss der Erfindung ist somit ein Dreipunktregler für einen über zwei steuerbare bidirektionale
Leistungs-Halbleitergleichrichter mit Impulsen oder Wechselstromhalbwellen einer Speisequelle gespeisten Motor, mit einem Operationsverstärker mit einer einen Integrierkreis enthaltenden Rückkopplungsschleife, und mit einem von der Speisequelle synchronisierten Steuergenerator für die beiden Halbleitergleichrichter in
Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Operationsverstärkers, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuergenerator ein
Kipposzillator mit einer ersten Serienschaltung eines ersten Steuer-Triacs und einer ersten Gleichrichterdiode und mit einer zweiten Serienschaltung eines zweiten Steuer-Triacs und einer zweiten Gleichrichterdiode vorgesehen ist, bei welchen Serienschaltungen die beiden Gleichrichterdioden gegensinnig gepolt sind,
und dass die
Zündelektroden der beiden Steuer-Triacs über je eine weitere Steuerdiode an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen sind.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieses Dreipunktreglers ist vorgesehen, dass die Parallelschaltung der beiden, aus dem Steuer-Triac und der Gleichrichterdiode bestehenden Serienschaltung mit einem gemeinsamen Arbeitswiderstand verbunden ist, und dass der Verbindungspunkt dieses Arbeitswiderstandes mit der Parallelschaltung an eine Umschaltstufe zur Steuerung der Halbleitergleichrichter angeschlossen ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass jeweils zwischen dem Steuer-Triac und der diesem zugeordneten Gleichrichterdiode ein Arbeitswiderstand geschaltet ist und jeweils diese Arbeitswiderstände durch die Emitter-Basis-Strecke von zwei Schalttransistoren kurzschliessbar sind, welche von entgegengesetztem Leitungstyp sind und deren Emitter an die Umschaltstufe zur Steuerung der Halbleitergleichrichter angeschlossen sind.
Ferner ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Steuerstrecken der beiden Steuer-Triacs über weitere Transistorschalter kurzschliessbar sind, deren Steuerelektroden über je eine Hilfsdiode mit zueinander entgegengesetzter Leitrichtung an einem gemeinsamen der beiden Pole der Speisequelle angeschlossen sind.
Ein Dreipunktregler mit einem oder mehreren der vorstehenden Schaltungsglieder kann ferner ausgestattet sein durch die Reihenschaltung zweier entgegengesetzt gepolter Zenerdioden und eines Stellwiderstandes, die an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen ist, wobei der Abgreifer des Stellwiderstandes an den Eingang der Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers und an den Ausgang des Kipposzillators angeschlossen ist und schliesslich auch dadurch, dass der im Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers geschaltete Integrator mit einem einstellbaren Entladewiderstand überbrückt ist.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen erläutert ; es zeigen Fig. l ein Schaltbild eines Integrators mit einer Totband-Einrichtung, Fig. 2 ein Schaltbild eines Modulators, Fig. 3 ein Schaltbild eines weiteren Integrators mit einer Steuerung für variable Streuung und mit einer Totband-Einrichtung und Fig. 4 ein Schaltbild einer vollständigen Steuerung, ferner veranschaulichen Fig. 5 ein detailliertes Schaltbild der Steuerung nach Fig. 4, Fig. 6 ein Schaltbild einer Thyristor-Zündschaltung, Fig. 7 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Modulators und schliesslich Fig. 8 ein Schaltbild einer Hochfrequenz-Leistungsausgangsstufe.
In den im folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung werden dem zu steuernden Motor Stromimpulse zugeführt. Die den Motor speisende Leistungsstufe arbeitet mit einer Zweiweg-Schalteinrichtung. vorzugsweise einem Zweiweg-Wechselstromthyristor (Triac) zur Schaltung der Halbwellen einer Versorgung. Es
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gibt zwei Schaltungstypen, die hinsichtlich der Betriebsfreuqenz und der Dauer der dem Motor zugeführten
Impulse voneinander verschieden sind. Beispielsweise können bei dem einen Schaltungstyp Stromimpulse von
10 msec entsprechend einer Frequenz von 50 Hz verwendet werden, während bei dem andern Impuls von 200 p. sec bei einer Frequenz von 3, 3 kHz verwendet werden können.
Dieser Hochfrequenz-Impulsbetrieb ist möglich, wenn der gesteuerte Motor eine ausreichend kleine Trägheit besitzt ; ein typischer Motor hat etwa einen niederohmigen Ankerwiderstand von beispielsweise l Q und eine Induktivität von 50 p. H, was eine Zeitkonstante von 50 p. sec ergibt.
In einer Ausführungsform bildet die Erfindung eine Schrittsteuerung, bei der die Ausgangssignale aus einer
Folge von Schaltschritten bestehen, von denen jeder maximale Ausgangsleistung hat. Die Schrittgeschwindigkeit ist einstellbar und eine Funktion eines Verstärkereingangssignals. Jeder Schritt besteht aus einer Halbperiode einer Bezugsfrequenz, die entweder intern erzeugt wird oder aus einer externen Versorgung stammt. Die Polarität des Eingangssignals bestimmt, ob positive oder negative Halbperioden der Bezugsfrequenz erzeugt werden.
Bei dieser Schrittsteuerung sind die Kennlinien für offenen Regelkreis ähnlich wie bei einer konventionellen
Schrittsteuerung. Vor Beschreibung der Übertragungs-Kennlinien dürfte es zweckmässig sein, gewisse im folgenden verwendete Ausdrücke zu erläutern.
Das Proportionalband ist der Eingangs- oder Fehlersignalbereich, in dem eine Proportionalwirkung stattfindet, d. h. in dem das Signal bewirkt, dass die Ausgangseinrichtung um einen dem Fehlersignal proportionalen Weg mit Höchstgeschwindigkeit bewegt wird. Die Breite des Proportionalbandes steht in umgekehrter Beziehung zur Verstärkung der Steuerung, d. h., dass eine Steuerung mit breitem Proportionalband geringe Verstärkung hat.
Integralwirkung ist diejenige Wirkung einer Steuerung, bei der sich der motorische Verbraucher mit einer zu dem Fehlersignal proportionalen Geschwindigkeit bewegt.
Integralzeit ist diejenige Zeit, die der motorische Verbraucher benötigt, um sich um einen Weg unter der
Integralwirkung zu bewegen, der dem unter der Proportionalwirkung zurückgelegten Weg äquivalent ist.
Differentialwirkung ist diejenige Wirkung, gemäss der sich der motorische Verbraucher um einen zur Änderungsgeschwindigkeit des Fehlersignals proportionalen Weg bewegt oder das Verhältnis (Proportionalband zu
Steuerungsverstärkung) ändert sich mit der Anderungsgeschwindigkeit des Fehlersignals.
Eine diskontinuierlich arbeitende Schritt-Steuerung ist eine Steuerung, bei der ein motorischer Verbraucher beliebiger Nennleistung in einer Reihe von Schaltschritten, u. zw. jeweils mit maximaler Ausgangsleistung angetrieben wird. Die (oben definierte) Integralwirkung wird durch Änderung der Geschwindigkeit erzielt, mit der diese Schritte auftreten. Die Position, die die Einrichtung einnimmt, ist dabei stets eine Funktion der Zeit, während der das Ausgangssignal angelegt worden ist und nicht sein Analogwert. Die Ausgangseinrichtung integriert also das Ausgangssignal über der Zeit.
Eine kontinuierlich arbeitende Steuerung unterscheidet sich von der diskontinuierlich arbeitenden Steuerung dadurch, dass sie ein kontinuierliches analoges Ausgangssignal (Spannung oder Strom) erzeugt, das zur Steuerung verschiedener Einrichtungen benutzt werden kann. Die Position, die die Einrichtung einnimmt, steht dabei stets in direkter Beziehung zu diesem Ausgangssignal. Die Integration in einer diskontinuierlichen Schritt-Steuerung unterscheidet sich dabei von derjenigen einer kontinuierlichen Steuerung, dass sie in der Ausgangseinrichtung stattfindet. Demgegenüber erfolgt die Integration bei der kontinuierlichen Steuerung innerhalb der Steuerung.
Das Ansprechverhalten der Steuerung bei offenem Regelkreis auf ein Schritt-Eingangssignal besteht in der Lageänderung des motorischen Verbrauchers bei einer an der Eingangsklemme des Verstärkers liegenden Schrittspannung. Beispielsweise spricht die zu beschreibende Steuerung auf ein Schritt-Eingangssignal in zwei verschiedenen aufeinanderfolgenden Modi an : In dem ersten Modus ist das Ansprechverhalten proportional, und der Motor läuft während einer der Grösse des Schrittsignals proportionalen Periode mit maximaler Drehzahl. In dem zweiten Modus ist das Ansprechverhalten integral, und der Motor läuft mit einer der Grösse der Schrittspannung proportionalen Geschwindigkeit.
Bei einer kontinuierlich arbeitenden Steuerung tritt die Proportionalwirkung innerhalb praktischer Grenzen augenblicklich ein. Die Differentialwirkung hat zur Folge, dass sich der motorische Verbraucher in Abhängigkeit von einem Stufen-Eingangssignal während der proportionalen Periode um einen maximalen Weg bewegt. Dieser Weg ist für eine sich langsam ändernde Eingangsspannung reduziert.
Negation ist der Vorgang der Verkleinerung des Signals am Eingang eines Verstärkers oder einer sonstigen elektronischen Einrichtung durch die Wirkung einer negativen Rückkopplungsspannung oder eines negativen Rückkopplungsstromes.
Im folgenden sollen noch vor Beschreibung des Systems als Ganzem zweckmässigerweise einzelne Bauelemente eines kompletten Systems beschrieben werden.
Fig. l zeigt ein Blockschaltbild eines Integrierers, der einen Operationsverstärker --10-- mit negativer Rückkopplung umfasst. Die negative Rückkopplung wird von einem zweiten Operationsverstärker--11-- gebildet, der zusammen mit einem Rückkopplungskondensator--12--als Integrator arbeitet. Der Verstärker --10-- ist mit einem Eingangswiderstand--13--sowie mit Rückkopplungswiderständen-14 und 15--
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versehen. Der Verstärker --10-- gibt bei Anlegen eines Schritt-Eingangssignals ein Ausgangssignal ab, das so lange besteht, bis der Integrator sich aufgeladen hat und das Eingangssignal negiert.
Die Zeitspanne, während der das Ausgangssignal besteht, ist also eine Funktion der Integrier-Zeitkonstante und der Amplitude des Schritt-Eingangssignals ; angenommen, der Integrator erzeugt ein sich linear änderndes
Integrations-Ausgangssignal, so ist die Zeitdauer des Ausgangssignals bei fester Integrator-Zeitkonstante proportional zur Grösse des Schritt-Eingangssignals.
Bei einem in der Praxis ausgeführten System besteht ein totes Band, wobei ein Eingangssignal innerhalb des toten Bandes keine Änderung des Ausgangssignals erzeugt. In einem derartigen Fall tritt eine Integration nur dann auf, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers festgelegte, das tote Band definierende positive oder negative
Spannungspegel überschreitet, und die Integration hört auf, wenn das Schritt-Eingangssignal so stark negiert wird, dass es in diesen Bereich fällt. Die festgelegten Spannungspegel sind in Fig. 1 als positiv bzw. negativ ansprechende Schalter--16 und 17--in der Rückkopplungsschleife dargestellt.
Ist der Integrator nicht mit einem Entladeglied ausgebildet und wird die integrierte Spannung nicht durch
Streuung reduziert, so bleibt das System unendlich lange in diesem Zustand und mit diesem Wert des
Ausgangssignals. Besteht jedoch durch den Integrator ein Entladepfad, wie er in Fig. 1 durch einen
Entladewiderstand--18--dargestellt ist, so hört der Integrator nach einem von der Streuung abhängigen
Zeitintervall auf, das Eingangssignal zu negieren, das Verstärker-Ausgangssignal überschreitet den bestimmten
Pegel und die Integration beginnt erneut. Auf diese Weise wiederholt das System nach Fig. 1 seine Funktion immer wieder mit einer festen Rate, die von den verschiedenen festen Konstanten in dem Kreis einschliesslich der Integrationsgeschwindigkeit, der Streuung, der Verstärkung und der Schalthysterese bestimmt wird.
Die negative und positive Schalthysterese ist wichtig ; ohne sie brauchte der Integrator sich nur um eine sehr kleine
Spannung zu ändern, um die Integration wieder aufzunehmen, so dass ein hochfrequenter Schwingungszustand bewirkt würde.
Die in der Steuerung verwendeten elektronischen Schalteinrichtungen können vorteilhafterweise Triacs sein, die mit positiven oder negativen Impulsen gesteuert werden können. In Fig. 2 sind zwei Triacs--19 und 20-- mit einem gemeinsamen Widerstand --21- als Verbraucher gezeigt, wobei der eine von einer positiven
Spannung über eine Diode 22und der andere von einer negativen Spannung über eine Diode--23-- gesteuert, der negativ gesteuerte Triac--20--über eine Diode--24--aus der negativen Halbwelle einer
50 Hz-Versorgung und der positiv gesteuerte Triac --19-- über eine Diode--25--aus der positiven Halbwelle dieser Versorgung gespeist wird. Die Polarität des Steuersignals bestimmt also, welcher Triac leitet.
Das Ausgangssignal des Demodulators wird aus der Spannung an dem Widerstand --21-- erhalten. Es ist sehr zweckmässig, dass ein Triac zu Beginn der jeweiligen Halbwelle eingeschaltet wird. Dies lässt sich nach der in Fig. 2 gezeigten Schalteinrichtung dadurch erzielen, dass das Steuer- oder Gattersignal ausserhalb der erforderlichen Steuerperiode der Speisefrequenz, d. h. zwischen 0 und 10 bzw. zwischen 180 und 1900 zu Null kurzgeschlossen wird. Die Steuerstrecken werden durch Transistoren--26, 27-- kurzgeschlossen, deren Basiselektroden dadurch geschaltet werden, dass ihnen die Speise-Wechselspannung über Gleichrichter --28, 29--mit Kondensator-Widerstand-Siebgliedern--30, 31--zugeführt wird.
Wird die Aufladegeschwindigkeit des Kondensators --12-- des Integrators während dieser anfänglichen proportionalen Periode geändert, ohne die Integralwirkung zu beeinflussen, so ist ein dritter Parameter eingeführt worden, der praktisch eine Bestimmung ermöglicht, wie lange nach Anlegen eines Schritt-Eingangssignals die Ausgangseinrichtung mit maximaler Geschwindigkeit läuft. Diese Integrations-Beschleunigungsmöglichkeit lässt sich nach dem in Fig. 3 gezeigten Integrator dadurch erzielen, dass zwei gegeneinander geschaltete Zenerdioden --32, 33--verwendet werden, die so ausgewählt sind, dass sie die Stromleitung erst beenden, wenn das Negationssignal in der Nähe desjenigen Wertes liegt, der für eine vollständige Negation erforderlich ist.
Die entgegengesetzt und in Reihe geschalteten Zenerdioden --32, 33- liegen parallel zum Ausgang des Operationsverstärkers --10-- und in Reihe mit einem Potentiometer--34--, wobei die daran abgegriffene Spannung dem Eingang des zweiten Verstärkers --11-- zugeführt wird. Fig. 3 zeigt einen weiteren Verstärker - 35--, der als Hilfsverstärker zweckmässigerweise eingefügt sein kann.
Während der stromleitenden Periode wird die Aufladegeschwindigkeit des Integrators dadurch erhöht, dass die Spannung von dem Potentiometer --34-- dem Summenpunkt des Verstärkers--11--zugeführt wird ; dabei gestattet das Potentiometer--34--eine Einstellung dieses zusätzlichen Ladestromes auf den erforderlichen Wert.
Eine wichtige Eigenschaft des Integrators besteht darin, dass die am Ausgang auftretende Geschwindigkeit der Spannungsänderung konstant und nicht eine Funktion der Einstellung des Entladewiderstandes--18--ist. Dies bedeutet, dass stets eine Halbperiode der Versorgungsfrequenz ausreicht, um die Integrator-Negationsspannung durch die Hysterese der Triac-Gatterbedingungen zu führen ; es wird also nur eine Halbperiode erzeugt, bevor die Triac-Schaltspannung so stark negiert ist, dass sie in das tote Band fällt.
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Verstärkerausgangsspannung wird zwei getrennten Verstärkern --42, 43-- mit einstellbarer Verstärkung zugeführt, von denen der Verstärker-42-einen Umschaltverstärker bildet.
Das Ausgangssignal des Verstärkers-42-wird positiven und negativen Fehlerdetektoren-44, 45-- zugeführt. Überschreiten die Ausgangssignale einen bestimmten Wert, so wird ein Umschaltrelais-46-in Abhängigkeit von der Ausgangspolarität betätigt. Die Wirkung dieses Relais besteht darin, das Ausgangssignal zu einer Versorgung mit verminderter Spannung zu führen, wenn das Fehlerausgangssignal in dem System unter einen bestimmten Pegel fällt.
Der andere Verstärker --43-- ist ein Proportionalband-Verstärker, der ebenfalls aus dem Summenverstärker gespeist wird. Der Verstärkungsfaktor dieses Verstärkers bestimmt das Proportionalband des Systems. Das Ausgangssignal des Verstärkers --43-- wird dem invertierenden Eingang eines Integrations-Summenverstärkers--47--zugeführt.
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beschrieben.
Der Modulator-Steuerverstärker --48-- hat einen festen niedrigen Verstärkungsfaktor. Der Modulator --49-- wird mit einer Versorgungs-Wechselspannung von 50 Hz oder einer andern Netzfrequenz gespeist, und die modulierenden Triacs sind so eingestellt, dass sie bei einer festen positiven bzw. negativen Spannung am Modulatoreingang, beispielsweise bei 3 V positiv bzw. negativ, schalten. Ist der Verstärkungsfaktor des Modulator-Steuerverstärkers auf den Wert 3 eingestellt, so entspricht dies einer Spannung von 1 V am Ausgang des Integrations-Summenverstärkers --47--. Die beiden Zenerdioden-50, 51-schalten beispielsweise bei
5 V und wirken nur dann, wenn der Steuerverstärker gesättigt ist.
Wie in Fig. 2 sind die beiden Triacs in dem Modulator--49--so angeordnet, dass der eine einschaltet und die positive Halbwelle der anliegenden Wechselspannung leitet, wenn das Steuersignal positiv ist, und der andere die negative Halbwelle leitet, wenn das Steuersignal negativ ist. Ein dritter in Fig. 4 nicht dargestellter Triac dient dazu, die positiven und negativen Halbwellenimpulse von den beiden andern Triacs zu einer Spannung gegenüber der Nullspannungslinie zu kombinieren. Die beiden Transistoren, die dazu dienen, beim Auftreten des Ausgangssignals von dem Modulator-Steuerverstärker einen Kurzschluss herzustellen, verhindern, dass die Triacs ausser während der gewünschten Periode zu Beginn der jeweiligen Halbwelle zünden.
Der Integrator --54-- wird mit zwei Signalen gespeist, von denen das erste, wie oben beschrieben, von den beiden Zenerdioden--50, 51--abgeleitet wird, während das zweite Signal durch die von der
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zweckmässigerweise um zwei gegeneinander gepolte Elektrolyt-Kondensatoren handelt. Der Widerstand--58-hat zwei Funktionen : Er bestimmt den Verstärkungsfaktor des Integrators und damit die maximale Ausgangsspannung, und er bestimmt die Kondensator-Entladegeschwindigkeit. Die Grösse des Fehlersignals, gegenüber der die Integration wirksam ist sowie die Geschwindigkeit, mit der sich die Integrations-Kondensatoren bei einem gegebenen Fehler entladen, werden somit von dem Wert des Widerstandes --58-- festgelegt.
Die Halbwellen-Spannungen der Schalteinrichtung --49-- werden einer Impulsformerstufe-61zugeführt. Der Eingang dieser Impulsformerstufe umfasst pnp-und npn-Transistoren, die jeweils die positive oder negative Halbwelle schalten. Die Vorderflanke der sich ergebenden Rechteckwelle wird differenziert und über die Kontakte des Umschaltrelais-64-einem von zwei Thyristorimpuls-Zündtransformatoren --62,63-zugeführt.
Mit dem oben erwähnten Impulsleitrelais --46-- stehen die zwei Übertragerstufen-62, 63--in Verbindung. Das Ausgangssignal der Impulsformerstufe wird über die Kontakte--64--des Relais--46-der einen oder andern Übertragerstufe--62, 63--zugeführt ; die Übertragerstufen steuern ihrerseits Triacs --65 bzw. 66--, die einem Motor --68-- eine geringere oder eine grössere Spannung von der Wicklung eines Speisetransformators--67--zuführen.
Die Anordnung der Fig. 4 ist in Fig. 5 genauer bzw. detailliert dargestellt. In beiden Figuren tragen gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen.
In Fig. 5 sind die beiden Triacs--68, 69--des Modulators--49--in Verbindung mit einem weiteren Triac --70-- gezeigt. Die Impulsformerstufe-61-umfasst Eingangstransistoren-71 und 72-sowie einen Ausgangstransistor-73--.
In den Übertragerstufen werden die Eingangssignale aus der Impulsformerstufe --61-- über den Umschaltkontakt--64--und einen Impulstransformator --75-- einem Steuer-Thyristor --76-- zugeführt,
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der in seinem Kathodenkreis einen Kondensator --77-- mit einem parallelgeschalteten Widerstand-78aufweist.
Die Anode des Thyristors -76-- ist über einen Widerstand--79--mit einem Kondensator - verbunden, der über einen Widerstand --81-- aus einem Brückengleichrichter-82-gespeist
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Ausgangsimpulse der Impulsformerstufe--61--, die die entgegengesetzte Polarität aufweisen, ist eine ähnliche Schaltung vorgesehen, die einen Transformator--86--, einen weiteren Steuer-Thyristor--87--, einen Kondensator --88-, einen Widerstand -89-- und einen Widerstand--90--aufweist. Durch die Polarität des Eingangsimpulses schaltet der betreffende Steuer-Thyristor--76 bzw. 87--ein und lädt den Kondensator --77 bzw.
88--, bis der fliessende Strom unter den erforderlichen Haltestrom fällt, wobei der Thyristor dann abschaltet ; die Versorgung wird dabei durch die Zeitkonstante des Kreises--80, 81--begrenzt.
Die an dem Kondensator-77 bzw. 88-auftretende Spannung liegt über einem Diac-92 bzw. 93-am Gatter eines Triacs-94 bzw. 95--, wobei Impulse erzeugt werden, bis der Kondensator-77 bzw. 88-entladen ist. Es ist festzustellen, dass es mit einem trägheitsarmen Motor geringer Induktanz, wie er von einem solchen mit gedruckter Ankerschaltung gebildet wird, möglich wird, die von dem Anker erzeugte Gegen-EMK als Kennwert der Ankerbewegung zu verwenden, um eine weitere Speisung des Ankers zu unterbrechen, wenn beispielsweise ein angetriebenes Element einen formschlüssigen Anschlag erreicht. Bei einem konventionellen Motor ist die Wicklungsinduktanz zu gross, um einen raschen Abfall der Gegen-EMK zu erreichen.
Durch Verwendung beispielsweise eines Thyristors und eines Widerstandes für die negative Halbperiode der angelegten Spannung wird also eine Messspannung erzeugt, die zur Steuerung verwendet werden kann.
Fig. 6 zeigt eine Thyristor-Zündschaltung, die die Erzeugung einer Folge von Impulsen hoher Energie in Abhängigkeit von einem einzelnen Impuls geringer Energie gestattet und zur Triggerung von Thyristoren
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Kathoden von Dioden--104 und 105--angeschlossen ist. Die Anoden der Dioden--104 und 105--sind an Wicklungen--106 und 107--eines Transformators--108--mit Mittelabgriff angeschlossen, so dass die Spannungen an den beiden Anoden gleiche Amplitude haben und um 1800 phasenverschoben sind. Der Mittelabgriff zwischen den Wicklungen--106 und 107--ist an einem Punkt mit Null-Potential abgenommen.
Die Kathode des Thyristors--102--ist mit dem Null-Potential über einen Kondensator--109--verbunden, zu dem ein Widerstand --110-- parallelgeschaltet ist. Zwischen der Kathode des Thyristors --102-- und einem Widerstand --113--liegt ein Diac--111--in Serie mit einem Begrenzungswiderstand--112--. Das andere Ende des Widerstandes--113--ist an das Null-Potential angeschlossen.
Ein Eingangsimpuls an der Wicklung --100- schaltet den Thyristor --102-- ein, und der Kondensator --109- lädt sich mit einer von dem Widerstand--103--bestimmten Geschwindigkeit. Die Spannung am Kondensator --109- steigt auf einen Wert, bei dem der Diac--111--einschaltet, woraufhin
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Stromflusses durch den Diac nötig ist ; der Thyristor--102--bleibt jedoch durch die Wirkung des Widerstandes--110--und des Kondensators--109--im leitenden Zustand, bis der Strom unter den Haltewert fällt. Daraufhin steigt die Spannung am Kondensator--109--wieder an, bis der Diac--111-- wieder einschaltet.
Dieser Zyklus wiederholt sich über einen Teil der Halbperiode der Spannung aus dem Transformator--108--, wobei am Ende dieser Periode der Thyristor--102--ausschaltet ; dadurch wird in Abhängigkeit von dem Eingangsimpuls eine Reihe von Impulsen erzeugt.
Wie hier beschrieben, lassen sich Schaltungen entwerfen, die ein höchst zufriedenstellendes Mass an Steuerung vermitteln. Als Integralwirkung kann die Ausgangsimpulsfrequenz gegenüber dem Eingangssignal durch Verstellung eines vorher eingestellten Steuerkopfes verändert werden. Bei minimaler Einstellung hat der Ausgangsimpuls höchste Folgefrequenz, d. h. die Bezugs-Versorgungsfrequenz, wenn das Eingangssignal der Steuerung das vorgewählte elektrische tote Band gerade überschreitet. Bei der maximalen Einstellung erreicht die Ausgangsimpulsfrequenz die Maximalfrequenz so lange nicht, als das Eingangssignal den vorgewählten Maximalwert hat.
Die Beziehung zwischen dem Eingangssignalpegel und der Ausgangssignalfrequenz kann linear gemacht werden, und der Bereich der zur Verfügung stehenden Integralzeiten gestattet auf Grund der Flexibilität der Bauweise die Verwendung als schneller Positions-Servomechanismus oder als Ventileinstell- und Steuermechanismus bei Vorgängen, wo Verzögerungen von Minuten auftreten können.
Wird das Versorgungsnetz auch als Bezugsfrequenzgeber benutzt, so wird ein Bidirektional-Thyristor verwendet, um die negativen oder die positiven Halbperioden des Versorgungsnetzes auf die Ausgangslast'zu schalten. Die Anzahl der pro Einheitsperiode geschalteten Halbperioden ist eine Funktion des Eingangssignalpegels und der Einstellung der Integralwirkung. Der mit einem gedruckten Läufer ausgebildete Motor ist als Ausgangslast für die Steuerung besonders geeignet, und bei Verwendung in Verbindung mit einem
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Triac lässt sich Hochleistung billig schalten. Bei höheren Bezugsfrequenzen werden abwechselnd schaltende
Halbleiter verwendet. Die maximale Schaltfrequenz wird von den Motorverlusten, dem Nutzungsfaktor und dem zulässigen Motorwirkungsgrad bestimmt.
Bei vielen Anwendungsfällen für Servomechanismen, die keine kontinuierliche Steuerung erfordern, hat die beschriebene Steuerung mit einem mit einem gedruckten Läufer ausgebildeten Motor beispielsweise den Vorteil, dass sich schnell reagierende Stellungs-Servoeinrichtungen bauen lassen, ohne auf Tachogeneratoren zurückzugreifen, da das Inkrement-Verfahren flexible Näherungsgeschwindigkeiten zulässt. Dabei kann überschwingen beseitigt werden, und mechanisches Spiel lässt sich durch langsames Annähern an den
Abweichpunkt aus nur einer Richtung ausschalten. Es wird stets maximales Drehmoment entwickelt. Die bei
Gleichstromsystemen bekannten Probleme der Trägheit und der Verzögerung lassen sich dadurch lösen, dass die Integralwirkungs-Steuerung auf optimale Näherungsgeschwindigkeiten eingestellt wird.
Der Betrieb mit Triacs gestattet die Steuerung hoher Leistungen mit minimalem Kosten- oder Raumaufwand. Dabei können
Steuereinheiten eingekapselt und mit extern zugänglichen Einrichtungen zur Steuerung des Proportionalbandes und der Integralzeit versehen werden.
Das Auflösungsvermögen des Systems wird von der Dauer eines Ausgangssignal-Inkrements oder -Schrittes und der gesamten Bewegungszeit der Ausgangseinrichtung bestimmt. Beispielsweise hätte ein Schrittmotor mit einer vollen Bewegungszeit von 2 sec und einer Schrittimpulslänge von 10 m/sec ein maximales
Auslösungsvermögen von etwa 1 : 200. Eine erhebliche Verbesserung der Leistung lässt sich durch automatische
Reduzierung der Schrittgrösse innerhalb des Abgleichbereiches des Systems erzielen.
Dies wird dadurch erreicht, dass die beiden Ausgangs-Triacs sowie ein Speisetransformator mit Abgriff an einem von den dynamischen Eigenschaften des Systems bestimmten, vorher eingestellten Punkt betrieben werden, wobei die logische Schaltung die Gatterimpulse an den an eine niedrige Versorgungsspannung angeschlossenen zweiten Triac zurückleiten. Die Voreinstellung des genannten Arbeitspunktes kann über ein
Potentiometer erfolgen, das an der Fronttafel des Gerätes montiert ist.
Um die Einschränkungen relativ niederfrequenter Schritte des mit einer Bezugsfrequenz von 50 Hz arbeitenden Systems zu beseitigen, kann mit einer intern erzeugten Bezugsfrequenz gearbeitet werden. Diese
Frequenz kann beliebigen Wert haben ; beispielsweise hat sich ein System mit 1 kHz als praktisch erwiesen.
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Ausbildung des Modulators, der zur Erzeugung von positiven und negativen Signalen dient und bei Hochfrequenz an Stelle der gemäss Fig. 2 oder 5 vorgesehenen Triacs verwendet werden kann.
Gemäss Fig. 7 werden zwei Triacs--130, 131--von Eingangsimpulsen getriggert, die über entgegengesetzt gepolte Dioden--132, 133--zugeführt werden. Die Triacs werden über Dioden--134 und 135--sowie Widerstände --136 und 137--gespeist. Die Spannung an den Widerständen liegt an den Basiselektroden von Transistoren--138 bzw. 139--, die entgegengesetzte Leitungstypen sind und an deren Kollektor-Lastwiderständen--140 bzw. 141--Ausgangssignale bei--142 bzw. 143--erzeugt werden.
Fig. 8 zeigt ein Schaltbild für die Leistungsstufe einer zur Verwendung mit Hochfrequenz geführten Steuerschaltung ; hiebei umfasst die Schaltung Klemmen--150, 151--zum Anschluss an eine Gleichstromquelle, etwa eine gleichgerichtete Wechselstromquelle. Diese Quelle dient zur Speisung eines Gleichstrommotors--152--. Die Speisung des Motors wird durch steuerbare Silizium-Gleichrichter oder Thyristoren oder äquivalente Halbleiter-Schalteinrichtungen in Verbindung mit einem Kondensator-153- gesteuert, der durch entsprechendes Schalten der Thyristoren über die Motorwicklung geladen und entladen wird.
Die Triggerpotentiale für die Thyristoren werden von einer Trigger-Steuereinheit--154--geliefert, die, wie oben beschrieben, Triggerimpulse, jedoch mit verhältnismässig hoher Frequenz, erzeugt ; daher hat auch der dem Motor zugeführte Strom die Form von rasch auftretenden Stromimpulsen.
Nach Fig. 8 sind acht Thyristoren-161 bis 168-vorgesehen, wobei die Thyristoren-161 und 162-sowie die Thyristoren-163 und 164-jeweils in Serie zwischen den Klemmen-150 und 151-eingeschaltet sind. Der Motor --152-- liegt zwischen dem Verbindungspunkt-A-der Thyristoren-161 und 162-sowie dem Verbindungspunkt-B-der Thyristoren-163 und 164--. Die Thyristoren-165 und 166-- sind zwischen dem Verbindungspunkt-A-und einer Klemme des Kondensators --153-- mit entgegengesetzter Polung parallelgeschaltet ; die andere Klemme des Kondensators--153--ist an die Klemme --151-- der Gleichstromquelle angeschlossen.
Die Thyristoren--167 und 168--liegen ebenfalls entgegengesetzt gepolt und parallel zwischen dem Verbindungspunkt-B-und der genannten einen Klemme des Kondensators--153--. Die mit--a bis d--bezeichneten Trigger-Elektroden sämtlicher Thyristoren sind an die entsprechend bezeichneten Ausgänge--a bis d--der Steuereinheit--154--angeschlossen.
Zunächst werden die Thyristoren--161 und 168--eingeschaltet, und es fliesst ein Strom von der Klemme --150-- über den Thyristor --161-- durch den Motor--152--, über den Thyristor--168-und den Kondensator--153--, so dass sich dieser auflädt und der Ladestrom den Motor erregt. Der Ladestrom nimmt exponentiell ab, bis die Thyristoren--161 und 168--infolge des fehlenden Haltestroms abschalten. Dann werden die Thyristoren--166 und 164--eingeschaltet, so dass der Kondensator entladen wird, wobei der Entladestrom den Motor in der gleichen Richtung durchsetzt und damit die Motorerregung aufrechterhält. Dieser Zyklus wird dann wiederholt.
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Der Motor lässt sich in der entgegengesetzten Richtung antreiben, indem zunächst die Thyristoren-163 und 165-zur Aufladung des Kondensators und dann die Thyristoren-167 und 162-zur Entladung des Kondensators eingeschaltet werden.
Die Betriebsfrequenz kann hoch sein, wobei sich eine Frequenz bis zu 4 kHz als praktisch erwiesen hat.
Die Kapazität des Kondensators--153--wird mit Rücksicht auf die Betriebsfrequenz und den Widerstand der Motorwicklungen gewählt. Die Versorgungsspannung an den Klemmen-150 und 151-wird nach der Nennspannung des Motors gewählt. In der Praxis kann die Spannung beispielsweise im Bereich von 20 bis 230 V
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;PATENTANSPRÜCHE :
1. Dreipunktregler für einen über zwei steuerbare bidirektionale Leistungs-Halbleitergleichrichter mit Impulsen oder Wechselstromhalbwellen einer Speisequelle gespeisten Motor, mit einem Operationsverstärker mit einer einen Integrierkreis enthaltenden Rückkopplungsschleife, und mit einem, von der Speisequelle
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;und dass die Zündelektroden der beiden Steuer-Triacs über je eine weitere Steuerdiode (22, 23 ; 132,133) an den Ausgang des Operationsverstärkers (45) angeschlossen sind (Fig. 2, 4,5, 7).
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