CH627594A5

CH627594A5 - Schaltungsanordnung zur drehzahlregelung eines gleichstromkommutatormotors in abhaengigkeit von der motorleistung, insbesondere fuer einen permanentmagnetmotor.

Info

Publication number: CH627594A5
Application number: CH1388077A
Authority: CH
Inventors: Shigeki Kawada; Shigeaki Oyama; Yoshiki Fujioka; Mitsuhiko Hirota; Toyohiko Nishimori
Original assignee: Fujitsu Fanuc Ltd
Priority date: 1976-11-15
Filing date: 1977-11-14
Publication date: 1982-01-15
Also published as: JPS5362117A; US4268781A; DE2750782C3; FR2371086B1; DE2750782A1; DE2750782B2; GB1581704A; SU1109077A3; FR2371086A1

Description

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PATENTANSPRUCH Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstromkommutatormotors in Abhängigkeit von der Motorleistung, insbesondere für einen Permanentmagnetmotor, mit einem Tachogenerator, mit einem den Motor speisenden Thyristorkreis, mit einer ersten Addiereinrichtung (Ai) zum Addieren einer Drehzahlsollwertspannung (ev) und einer Rückkopplungsspannung (ef) von dem Tachogenerator, mit einem Zünd-winkelsteuerkreis zum Steuern des Zündwinkels der Thyristoren in Abhängigkeit von der Ausgangspannung der ersten Addiereinrichtung (Aj), mit einer Rückkopplung eines vom Ankerstrom abgeleiteten Stromes (i) auf eine zweite Addierein-richtung (A2), die zwischen der ersten Addiereinrichtung und dem Zündwinkelsteuerkreis (IAC) angeordnet ist, und mit einem den Ankerstrom des Motors messenden Strommessglied, sowie mit einer Einrichtung, die abhängig von Ankerstrom und Rückkopplungsspannung die Eingangsspannung des Zündwinkelsteuerkreises (IAC) herabsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass diese Einrichtung aus einem Leistungsbegren-zungskreis (PLC) besteht, dem eine Stromistwertspannung von dem Strommessglied (CDC) und die Rückkopplungsspannung zugeführt sind, dessen Ausgangsspannung an einen negierten Eingang einer dritten zwischen der Addiereinrichtung (A2) für die Ankerstromrückkopplung und Zündwinkelsteuerkreis angeordneten Addiereinrichtung (A3) angelegt wird, wobei der Leistungsbegrenzungskreis einen Komparator (COM) aufweist, um die tatsächliche Leistung (P0) des Motors, die aus dem Produkt der Rückkopplungsspannung (ef) und der Stromistwertspannung erhalten wird, mit einem von der Kommuta-tionsgrenze der Motorbürste vorbestimmten Wert (PL) zu vergleichen, und wobei der Leistungsbegrenzungskreis (PLC), wenn die tatsächliche Leistung (P0) den vorbestimmten Wert (PL) übersteigt, die dem Zündwinkelsteuerkreis (IAC) zugeführte Eingangsspannung im gleichen Sinne wie eine Herabsetzung der Drehzahlsollwertspannung steuert.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs.

Wenn bei durch bekannten Schaltungsanordnungen betriebenen Gleichstrom-Motoren am Motorausgang die Stromstärke infolge Lastzunahme einen bestimmten Wert überschreitet, erfolgen an den Stromabnehmern bzw. Bürsten Funken-Überschläge. Diese bekannte Erscheinung führt zu einem vorzeitigen Verschleiss der Bürsten und zu einem unnötig frühen Betriebsausfall des Motors.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Kommutatormotors in Abhängigkeit von der Motorleistung so zu regeln, dass solche Überschläge in jedem Falle verhindert werden und die oben erwähnten Nachteile nicht mehr auftreten.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des die Erfindung definierenden Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung der Ausgangscharakteristik eines Gleichstrommotors;

Fig. 2 eine erfindungsgemässe Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Gleichstrommotors;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Leistungsbegrenzerkreises der Anordnung nach Fig. 2;

Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung der Ausgangscha-rakterristik des Kreises PLC in Fig. 3;

Fig. 5 ein Funktionsdiagramm der Ausgangscharakteristik eines Gleichstrommotors mit der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 2 und

Fig. 6 im Detail den Schaltkreis gemäss Fig. 3.

Bei einem Gleichstrommotor mit einer Ausgangsleistung Po, einer Drehzahl n, einem Ankerstrom Ia, einem Feldfiuss (D und einem Last-Drehmoment T können folgende Beziehungen aufgestellt werden.

P0 = 27in-T und

T = k- Ola wobei k eine Konstante ist.

Aus diesen Beziehungen lässt sich folgende Beziehung herleiten;

Po = 27tk- O-n-Ia

Bei einem Gleichstrommotor, bei welchem der Feldfiuss durch einen Permanentmagneten erzeugt wird, ist der Fluss = konstant und es ergibt sich:

P0 = K-n-Ia,

wobei K = 2 7t k O ist.

Solange nur die Last konstant ist, also der Gleichstrommotor-Ausgang P0 konstant ist, sind Drehzahl und Ankerstrom invers proportional, was eine Charakteristik gemäss der Kurve Po in Fig. 1 ergibt.

Ferner zeigt die Fig. 1 eine Kurve Ps, welche die Kommuta-tionsgrenze der Stromabnehmer (Bürsten) veranschaulicht. Wird der Gleichstrommotor in einem Bereich über diese Kom-mutationsgrenze Ps hinaus belastet, z. B. mit der Kurve P3, so entstehen Lichtbögen oder Überschläge an den Bürsten, was diese rasch zerstört.

Im Falle einer Drehbank beispielsweise sind die Schnittiefe und die anzugehende Spindeldrehzahl mit Rücksicht auf das zulässige Moment am Schneidwerkzeug, das zu bearbeitende Material, die Schnittwirkung und dergleichen zu bestimmen, wobei die Motorgeschwindigkeit an die angegebene Spindeldrehzahl anzupassen ist. Es sei angenommen, dass ein Gleichstrommotor für eine solche Drehbankspindel an einem Arbeitspunkt Qi der Leistungskurve Pi in Fig. 1 einsetzt, wobei die angegebene Drehzahl m und der Ankerstrom Ii ist. Gelangt nun das Schneidwerkzeug auf eine härtere Stelle des Werkstük-kes, bewirkt die Zunahme des Momentes am Schneidwerkzeug eine Verminderung der Motordrehzahl. Dann steigt die Differenzspannung zwischen der vorgegebenen Motordrehzahl und der tatsächlichen Drehzahl an und steuert die Motordrehzahl konstant. Dabei nimmt der Ankerstrom Ia zu und der Motorausgang steigt von P0 auf P3 über die Kommutationsgrenze Ps hinaus. Mit anderen Worten, der Arbeitspunkt verlagert sich über die Kommutationsgrenze Ps hinaus zum Punkt Q3 der Kurve P3 in Fig. 1. Wie vorbeschrieben, treten nun Lichtbögen an den Bürsten auf und verschleissen diese rasch.

Die Lichtbogenbildung kann nun verhindert werden durch eine Regelung derart, dass immer dann, wenn der Arbeitspunkt die Kommutationsgrenze überschreitet, die Drehzahl des Motors vermindert wird, um die Zeit, in welcher der Arbeitspunkt über die Kommutationsgrenze hinaus verschoben ist, zu vermindern.

Die vorgenannte Kommutationsgrenzkurve Ps kann qualitativ so gesehen werden, dass je mehr der Ankerstrom ansteigt, desto mehr macht sich der Demagnetisierungseffekt bemerkbar und die neutrale Achse der DC-Motorcharakteristik verschiebt sich. Daraus ergibt sich dann, dass die durch die Bürsten kurzgeschlossenen und den Feldfiuss kreuzenden Windungen eine gegenelektromotorische Kraft erzeugen und dadurch in den Windungen hohe Ströme auftreten, die Überschläge an

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den Bürsten hervorrufen. motorischer Kraft E und Ankerstrom Ia gegeben ist, übersteigt

Wenn andererseits die Motor-Drehzahl zunimmt, wird die die Ausgangsleistung die Leistungsgrenze PL früher oder spä-Stromumrichtungs-Zeit in den Windungen kürzer, wodurch ter.

eine zunehmende gegenelektromotorische Kraft (e = L di/dt) Wenn nun der Motorausgang die Leistungsgrenze PL

in der Wicklung erzeugt wird, was die Überschläge an den Bür- 5 erreicht bzw. passiert, erzeugt der Leistungsbegrenzungskreis sten erleichtert. PLC eine Spanung ep. Dazu liegt, wie nachfolgend noch näher

Um also die Überschläge bzw. Lichtbögen an den Bürsten erläutert wird, am Eingang dieses Kreises PLC der Ankerstrom zu verhindern, ist es notwendig, eine Leistungsgrenze gemäss Ia und der Tacho-Ausgang ef an, aus welchen Signalen der der Kurve Pl in Fig. 1 zu setzen und den Gleichstrommotor Motorausgang ermittelt und die Spannung ep erzeugt wird, wie innerhalb dieser Grenze zu betreiben. In diesem Fall ist es 10 die Fig. 4 erkennen lässt. Diese Ausgangsspannung ep wird dabei unerwünscht, die Leistungsgrenze PL mit der Kommuta- dann an den Addierer A3 angelegt, der daraus ein Ausgangssig-tionsgrenze Ps zusammenzulegen, um Schwierigkeiten zu nal [(ev-ep)] erzeugt zur Herbeiführung eines Zustandes, wel-

umgehen, wenn der Arbeitspunkt die Kommutationsgrenze Ps eher demjenigen entspricht, bei welchem die vorgegebene übersteigt. Geschwindigkeit reduziert wurde und die Zündung der Thyri-

Somit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung 15 stören zu verzögern beginnt, um eine Abnahme der Spannung darin, eine Schaltungsanordnung für den Gleichstrommotor so V am Motor zu verursachen. Andrerseits nimmt wegen der auszubilden, dass der Motor innerhalb der Kommutations- Verminderung der Motordrehzahl der Ankerstrom Ia zu. Somit grenze Ps arbeitet. wird der Arbeitspunkt gemäss Fig. 5 von Qi nach Q2 verscho-

Eine solche Schaltungsanordnung zeigt im Einzelnen Fig. 2 ben. Beim Arbeitspunkt Q2 entsteht dann ein Drehmoment mit einem Gleichstrommotor DC; einem Tacho-Generator TG 20 k ®I2, welches vom Ankerstrom I2 hervorgerufen wird und wel-zur Erzeugung einer Spannung proportional der Motor-Dreh- ches mit dem für das Schneidewerkzeug erforderlichen zahl für die Drehzahl im Uhrzeigersinn geschaltete Thyristoren Moment übereinstimmt. Wenn also die Motorausgangsleistung Si bis S4; für die Drehzahl im Gegenuhrzeigersinn geschaltete die Leistungsgrenze PL übersteigt, wird durch die Schaltungs-Thyristoren S' 1 bis S' 4; einem Ankerstrom-Detektor ID, wel- anordnung die Motordrehzahl zwangsweise reduziert, so dass eher ein Widerstand sein kann; einem Steuerkreis IAC für den 2s die Zeit der Überschreitung der Leistungsgrenze PL sehr kurz Zündphasenwinkel der Thyristoren; einem weiteren Stromde- ist und damit keine Überschläge an den Bürsten auftreten, tektor CDC am Ausgang des Ankerstromdetektors ID; mit Da hier, wie vorbeschrieben, die Leistungsgrenze Pl etwas

Addieren Ai, A2 und A3; Verstärkern AMPI und AMP2; einem tiefer gesetzt ist als die Kommutationsgrenze Ps, wird diese bekannten Stromsteuerkreis CC zur Rückkopplung des Anker- nun nicht mehr überschritten und dadurch eine hervorragende stromes; mit einem bekannten Strombegrenzungskreis CL für 30 Motorcharakteristik erreicht.

den Ankerstrom zur Erzeugung eines Schwellwertsignals und Aus Fig. 3 ist nun mehr im Einzelnen der in Fig. 2 als Block mit einem Leistungsbegrenzungskreis PLC zur Erzeugung dargestellte Leistungsbegrenzungskreis PLC entnehmbar. Die-einer Spannung ep, wenn der Motorausgang eine vorbe- ser Kreis umfasst einen Multiplier MPL, einen Komparator stimmte Leistungsgrenze PL überschreitet. COM und den Verstärker AMP. Die weiteren Glieder dieses

Eine die Drehzahl für den Motor bestimmende Spannung 35 Kreises stimmen mit jenen der Schaltung in Fig. 2 überein. ev von einem nicht näher gezeigten Eingang gelangt an den Der Multiplikator MPL dient der Multiplikation der Tacho-

Steuerkreis IAC für den Zündphasenwinkel über die Verstär- Generator-Ausgangsspannung ef mit dem Ausgang i am Strom-ker AMPI und AMP2. Darauf werden die Thyristoren Si bis S4 detektor CDC, um die Motorausgangsleistung zu ermitteln, und die Thyristoren S' 1 bis S'4 gezündet ihrer entsprechenden Hierbei ergeben sich für einen Gleichstrommotor folgende Einstellung in bezug auf die gewünschte Drehrichtung zur 40 Gleichungen:

Erzeugung eines Stromes IA im Motor. Die Drehzahl des

Motors DC wird hierbei gemessen vom genannten Tacho TG V = E + Ra • Ia und von diesem eine proportionale Spannung ef zum Addierer Ai rückgekoppelt und mit der Eingangsspannung ev vergli- P0 = E • la chen, worauf die Differenzspannung (ev-ef) an den Verstärker 45

AMPI gelangt. Die IAC-Regelung für die Zündphasenwinkel wobei E die gegenelektromotorische Kraft ist und k O n entsteuert die Thyristoren so, dass die Differenzspannung (ev-ef) spricht und wobei P0 die Motorausgangsleistung ist. Somit auf Null reduziert wird. Mit anderen Worten, die IAC-Regelung ergibt sich:

für die Zündphasenwinkel dient der Vorverlegung oder Verzögerung des Zündzeitpunktes der Thyristoren in Abhängigkeit 50 Po = K O n Ia der tatsächlichen Drehzahl des Motors von der vorgegebenen

Drehzahl, wobei die dem Motor aufgeprägte Spannung kon- Die Motorleistung P0 ist proportional dem Produkt von stant gehalten wird. Ist hierbei die vorgegebene Drehzahl m Drehzahl n und Ankerstrom Ia und erscheint am Ausgang des und das Lastdrehmoment T1, so ergibt sich eine Motoraus- Multiplikators MPL. Der Motorausgang P0 wird dann im Kom-gangsleistung von Pi = 2 n-m • Ti [KW]. 55 parator COM mit der Leistungsgrenze Pl verglichen. Ist dabei

In Anwendung dieser Motorschaltung an bspw. einer Dreh- P0 è Pl, erscheint am Komparator COM konstante Spannung bank ergibt sich folgendes: Es sei angenommen, dass ein Werk- ep gemäss Fig. 4, welche dem Addierer A3 über den Verstärker stück bei einer Motordrehzahl von m zu bearbeiten ist, um eine AMP zugeführt wird, worauf der anhand von Fig. 2 vorbe-Leistung Pi zu erhalten. Gelangt nun das Werkzeug an eine schriebene Steuervorgang einsetzt.

Stelle härteren Materials, erhöht sich das Moment auf das 60 Fig. 6 zeigt im Detail die Leistungsbegrenzungsschaltung Schneidewerkzeug, was die Motordrehzahl verringert, gemäss Fig. 3. Hierbei sind Eingänge T1 und T2 vorgesehen, an wodurch am Tacho-Ausgang eine geringere Spannung welchen der Ausgang N des Tachogenerators und der Anker erscheint. Dadurch nimmt aber die Differenzspannung (ev-ef) ström Ia anliegen. Am Ausgang T3 hingegen ist der Ausgang zu und die IAC-Regelung veranlasst ein beschleunigtes Zünden des Verstärkers AMP2 (Fig. 2) angeschlossen. Wenn nun die der Thyristoren, um die Spannung am Motor zu erhöhen, was 65 ermittelte Leistung N • Ia eine Spannung, die vom Leistungsbeden Motor wieder auf die vorgegebene Drehzahl bringen soll. grenzer über einen Regelwiderstand RPL festgelegt ist, über-

Andrerseits steigt dabei der Ankerstrom Ia. Da nun die steigt, wird die Spannung am Ausgang T3 begrenzt. Weiter Motor-Ausgangsleistung durch das Produkt aus gegenelektro- umfasst die Schaltung gemäss Fig. 6 Widerstände Ri bis R20 und

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Verstärker OAi bis OA3, ferner Absolut- oder Referenz-Kreise ABi und AB2, einen Multiplikator MPL, Dioden Di - D4 und einen T ransistor TR.

Am Ausgangspunkt Pi des Kreises ABi erscheint nun eine Spannung (N) und am Ausgangspunkt P2 des Kreises AB2 eine Spannung Ia. Diese Spannungen werden im Multiplikator MPL multipliziert und eine Ausgangsspannung entsprechend dem

Produkt (N • Ia) am Ausgangspunkt P3 bereitgestellt.

Es sei erwähnt, dass die vorliegende Ausführungsform weitere Modifikationen gestattet. So wurde oben beispielsweise die tatsächliche Leistung P0 am Motorausgang mit der Lei-5 stungsgrenze Pl verglichen; ebenso kann aber zu diesem Vergleich auch die Leistung P0 am Motoreingang herangezogen werden.

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4 Blatt Zeichnungen