CH647901A5

CH647901A5 - Elektrische antriebsvorrichtung mit einem aus dem netz ueber einen gleichrichter gespeisten gleichstrommotor.

Info

Publication number: CH647901A5
Application number: CH9407/79A
Authority: CH
Inventors: Otmar Stillhard
Original assignee: Gegauf Fritz Ag
Priority date: 1979-10-19
Filing date: 1979-10-19
Publication date: 1985-02-15
Also published as: US4384241A; DE3037877C2; GB2065332A; DE3037877A1; GB2065332B; AU533212B2; AU6325880A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsvorrichtung für in weiten Grenzen ändernde Drehzahl und änderndes Drehmoment, insbesondere für Nähmaschinen, gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche elektrische Antriebsvorrichtung ist bekannt aus «Elektronik» 1977, Heft 5, Seiten 73 bis 78. Die hierbei verwendete Strombegrenzungsschaltung schaltet die Regelspannung für den die Länge der durch den Zerhacker dem Motor zugeführten Stromimpuls bestimmenden Regler beim Erreichen eines fest eingestellten Grenzstromes zurück oder aber der Strom wird überhaupt unterbrochen. Das führt dazu, dass der Strom gerade dann sprunghaft herabgesetzt oder überhaupt unterbrochen wird, wenn bei niedriger Drehzahl das Drehmoment des Motors zur Überwindung besonderer Widerstände, z.B. zum Durchstechen der Nadel einer Nähmaschine, besonders hoch sein sollte. Im weiteren schliesst die Begrenzung des Stromes auf einen vorgegebenen festen Wert sehr hohe Leistungen bei hohen Drehzahlen des Motors nicht aus, was eine entsprechend starke Bemessung des Stromversorgungsgerätes, insbesondere des Netzgleichrichters erfordert. Es ist zwar bekannt, bei einem thyristorgesteuerten Antrieb eine Begrenzungsschaltung vorzusehen, welche beim Überschreiten einer bestimmten Leistung den Motorstrom durch entsprechende Änderung des Zündwinkels sprunghaft herabsetzt oder unterbricht (DE-OS 27 50 782). Auch in diesem Falle ist das höchstmögliche Drehmoment durch eine festgelegte Strombegrenzung bestimmt und anderseits sind die Thyristoren für den vollen Motorstrom zu bemessen. Die Schaltung zur fortgesetzten Berechnung der Motorleistung ist umständlich und aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer einfachen Massnahme und Schaltung eine Leistungsbegrenzung zu erzielen, ohne den Strom im Motor und damit das Drehmoment auf einen bestimmten Wert zu begrenzen und trotzdem den Netzteil der begrenzten Motorleistung entsprechend für einen begrenzten Strom bemessen zu können. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruches 1 umschrieben. Sie beruht auf der Erkenntnis, dass eine Dreh-zahlbegrenzung in umgekehrtem Verhältnis zum Motorstrom sich etwa als Leistungsbegrenzung auswirkt. Da nicht eigentlich der Strom, sondern die Drehzahl begrenzt wird, kann der Strom im Motor ohne Begrenzung ansteigen und bei niedrigsten Drehzahlen bzw. bei Stillstand des Motors höchste Werte erreichen und höchste Drehmomente erzeugen. Es wurde festgestellt, dass man ohne eigentliche Begrenzung auf einen festgelegten Höchststrom auskommt, weil der Motorstrom bei kurzen Stromimpulsen im Zerhacker zu einem wesentlichen Teil aus dem induktiven, in den Impulspausen die Freilaufdiode durchfliessenden Strom besteht. Es fliesst daher bei zunehmendem Drehmoment und abnehmender Drehzahl etwa der Motorleistung entsprechend im Netzteil und im Zerhacker ein Strom, der nach Erreichen eines Maximalwertes wieder absinkt, obschon der Motorstrom weiter ansteigt.

Es wird somit eine optimale Motorcharakteristik bei begrenzter Bemessung der Leistungselektronik zur Speisung des Motors mit einfacher Regelschaltung erreicht. Regelsprünge oder gar Abschaltungen beim Überschreiten eines Grenzstromes und/oder einer Grenzleistung erfolgen nicht, sondern es wird eine stetige Regelung mit stetig ansteigendem Motormoment bei sinkender Drehzahl erreicht.

Die abhängigen Ansprüche umschreiben vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, welche ein Ausführungsbeispiel der erfindungsge-mässen Antriebsvorrichtung zeigt.

Figur 1 zeigt ein vollständiges Blockschaltbild einer Antriebsvorrichtung,

Figur 2 zeigt Einzelheiten bestimmter Schaltungsteile der Antriebsvorrichtung und die

Figuren 3-5 sind Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Antriebsvorrichtung.

Gemäss Figur 1 weist die Antriebsvorrichtung einen Gleichrichter 1 zum Anschluss an das Wechselstromnetz auf. Die geglättete Gleichspannung des Gleichrichters wird einem Zerhacker 2 zugeführt, dessen Schalttransistor schematisch dargestellt ist. Die zerhackte Gleichspannung wird vom Ausgang des Zerhackers 2 dem Antriebsmotor 3 zugeführt, dem eine Diode 4 parallelgeschaltet ist. Der Motorstrom fliesst über zwei in Serie geschaltete Widerstände 5 und 6, und der Serieschaltung des Motors mit diesen Widerständen sind brückenartig Widerstände 7 und 8 parallelgeschaltet, wobei dem Widerstand 8 noch ein Kondensator 9 zur Glättung der Spannung parallelgeschaltet ist. Die dem Motor 3 zugeordnete Schaltung, bestehend aus den Widerständen 6 bis 8, ist an sich bekannt, zum Beispiel aus der DE-PS 20 64 401, und liefert eine der Motordrehzahl praktisch proportionale, von der Belastung des Motors bzw. dem Motorstrom unabhängige Spannung. Vorausgesetzt ist hierbei die Verwendung eines Gleichstrommotors mit permanentem Feld.

Die der Motordrehzahl entsprechende Spannung Un wird einem Regelverstärker 10 zugeführt, dem anderseits eine Sollwertspannung Us zugeführt wird. Diese Sollwertspannung wird in einer Sollwertschaltung 11 in Abhängigkeit von der Stellung eines Fussreglers 12 mit Regelpotentiometer erzeugt. Es ist ferner ein Umschalter 13 vorgesehen, mit welchem zwei

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Regelbereiche bzw. zwei Drehzahlbereiche vorgewählt werden können. Die Ausgangsspannung des Regelverstärkers 10 gelangt an den einen Eingang einer Strombegrenzungsschal-tung 14, welcher an einem weiteren Eingang der Spannungsabfall über den Widerständen 5 und 6, d.h. eine dem Motorstrom proportionale Spannung Ui zugeführt wird. Am Ausgang der Strombegrenzungsschaltung 14 erscheint eine Regelspannung Ur, die einem Impulsmodulator 15 zugeführt wird. Dieser Impulsmodulator 15 erzeugt rechteckige Ausgangsimpulse aus einer ihm aus dem Oszillator 16 zugeführten Sägezahnspannung von beispielsweise 15 kHz. Bei gleichbleibender Frequenz wird die Impulsdauer entsprechend der Regelspannung Ur moduliert, und der Motorstrom ist schliesslich praktisch proportional der jeweiligen Impulsdauer. In dieser Weise erfolgt die Regelung des Motors.

In Figur 2 sind entsprechende Teile gleich bezeichnet wie in Figur 1. Der Fussregler 12 weist ein Potentiometer 12a und einen Endschalter 12b auf. Dieser Regler wird über einen Widerstand 17 von einer positiven Stromquelle gespeist, und die am Regelpotentiometer erscheinende Spannung gelangt an den einen Eingang eines Verstärkers 18, dessen anderer Eingang an einer konstanten positiven Spannung liegt. Das Regelpotentiometer ist ferner über Widerstände 19 und 20 mit dem einen Eingang eines Verstärkers 21 verbunden, in dessen Gegenkoppelungsstromkreis der Wählschalter 13 einem Widerstand 22 parallelgeschaltet ist. Die Verbindung zwischen den Widerständen 19 und 20 ist über einen weiteren Widerstand 23 und eine Diode 24 mit dem Ausgang des Verstärkers 18 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 21 ist mit dem einen Eingang des eigentlichen Regelverstärkers 10 verbunden, an dessen anderem Eingang über einen Widerstand 25 die drehzahlabhängige Spannung Un angelegt wird. Der Regelverstärker 10 ist mit einem Kodensator 26 als Integralregler geschaltet. Die dem Motorstrom proportionale Spannung Ui gelangt über einen Widerstand 27 an den einen Eingang eines Verstärkers 28 der Strombegrenzungsschaltung 14, dessen anderer Eingang an einer konstanten positiven Spannung liegt. Der Ausgang des Verstärkers 28 bzw. der Strombegrenzungsschaltung 14 ist über eine Diode 29 mit dem einen Eingang des als Verstärker ausgebildeten Impulsmodulators 15 verbunden. Dieser Eingang ist über einen Widerstand 30 mit dem Ausgang des Regelverstärkers 10 verbunden. Der Verstärker 15 ist in der dargestellten Weise mit dem Sägezahnoszillator 16 verbunden, dessen Schaltung und Arbeitsweise nicht näher beschrieben ist. Der Ausgang des Verstärkers 15 bzw. Impulsmodulators ist über einen Verstärker 31 mit dem Eingang des Zerhackers 2 verbunden.

Anhand der Figur 2 soll nun vorerst die Aufbereitung der Sollspannung Us beschrieben werden. Im Betrieb ist der Schalter 12b des Regelpedals 12 geschlossen, und das Potentiometer 12a bildet mit dem Widerstand 17 einen Spannungsteiler. Die Spannung UI über dem Potentiometer 12a schwankt dabei beispielsweise zwischen 0 und 6,5 Volt, wenn das Potentiometer von der einen in die andere Endstellung gebracht wird. Diese Spannung bewirkt über die Widerstände 19 und 20 einen Strom II. Da durch die Beschaltung des Operationsverstärkers 21 der Strom 12 konstant ist, wird bei kleinerem Strom II der Strom 13 und somit auch die Ausgangsspannung Us grösser. Die Schaltung ist nun so ausgelegt, dass bei einem maximalen Widerstand des Potentiometers 12a der Strom 13 praktisch 0 ist. Somit verändert sich die Ausgangsspannung Us kaum, wenn mit dem Schalter 13 der Widerstand 22 kurzgeschlossen und damit die Verstärkung des Operationsverstärkers 21 in diesem Arbeitspunkt reduziert wird.

Diese Reduktion entspricht bei einer Nähmaschine einer Reduktion der maximalen Stichzahl pro Minute bei einer nur sehr wenig reduzierten Anfangsstichzahl. Eine minimale Anfangsstichzahl darf nämlich nicht unterschritten werden, damit eine einwandfreie Schlingenbildung im Greifersystem der Nähmaschine garantiert bleibt.

Der Spannungsteiler, bestehend aus der Widerstände 17 und 12a, ist so ausgelegt, dass bei einer linearen Verkleinerung des Widerstandes 12a eine progressiv wachsende Ausgangsspannung Us resultiert. Bei freigegebenem Fusspedal 12 ist der Schalter 12b geöffnet, in welchem Falle die Spannung UI auf etwa 10,5 Volt ansteigt, und die Ausgangsspannung Us würde sehr klein durch den vergrösserten Strom II. Der Vergleichsverstärker 18 schaltet aber seinen Ausgang auf 0 und verkleinert den Strom II wieder um den Strom 14. So kann erreicht werden, dass die Sollspannung Us auch bei ausgeschaltetem Schalter 12b noch der Anfangsdrehzahl entspricht. Bei Nähmaschinen mit Nadelpositionierung nach dem Ausschalten des Fussanlassers muss nämlich während des Positioniervorgangs ein Sollwert bereitgestellt werden. Die Strombegrenzung durch die Schaltung 14 wird anhand des Diagramms in Figur 3 erläutert. Am Ausgang des Verstärkers 28 erscheint eine Spannung Ur, die der Eingangsspannung Ui proportional ist. Über die Diode 29 begrenzt diese Ausgangsspannung die maximal am einen Eingang des Verstärkers 15 auftretenden Regelspannung, d.h. diese Regelspannung kann im dargestellten Beispiel höchstens 0,7 Volt höher liegen als die Ausgangsspannung am Verstärker 28. Figur 3 zeigt die maximale Drehzahl Nmax für verschiedene Motorströme i, wobei diese Drehzahl eine Funktion des Stromes und der Begrenzungsspannung Ur ist. Bei Belastung des Motors, d.h. bei Anstieg des Motorstroms, wird die Regelspannung jeweils auf einen Maximalwert begrenzt und damit wird auch die Drehzahl begrenzt. In Figur 3 sind zwei Beispiele A und B eingezeichnet, welche zeigen, wie bei grossem Motorstrom die Drehzahl auf einen kleinen Wert, bei geringerem Motorstrom dagegen auf einen höheren Wert begrenzt wird.

Figur 4 zeigt die entsprechende graphische Darstellung der Motorcharakteristik. Bis zur Begrenzung des Stromes ist die Drehzahl N für verschiedene Drehmomente M praktisch konstant und fällt dann infolge der Strombegrenzung relativ-steil ab. Dieser Verlauf der Charakteristik entspricht etwa demjenigen der Leistungshyperbel P, d.h. die Motorleistung wird für alle Drehzahlen etwa konstant gehalten.

Figur 5 zeigt den Verlauf der Drehzahlen für die beiden wählbaren Drehzahlbereiche in Funktion des Trittwinkels a des Fusspedals 12. Wie dieses Diagramm zeigt, sind die Anfangsdrehzahlen annähernd gleich, und bei höheren Drehzahlen ist der Unterschied zwischen der ersten und zweiten Stufe immer ausgeprägter.

Die beschriebene Strombegrenzung hat nicht nur den Vorteil, die Leistung zu begrenzen und damit eine relativ kleine Dimensionierung des Gleichrichters und Zerhackers zu erlauben, sonders es stehen dann bei niedrigen Drehzahlen höhere Drehmomente zur Verfügung. Das ist ganz besonders wichtig beim Antrieb von Maschinen mit stark variablem Drehmomentbedarf, beispielsweise bei Nähmaschinen, wo bei niedrigen Drehzahlen die Gefahr besteht, dass die Nadel bei hohem Widerstand nicht durch das Nähgut durchgestossen wird. Diese Gefahr wird durch das hohe verfügbare Drehmoment des Motors bei niederen Drehzahlen behoben oder bedeutend herabgesetzt.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Elektrische Antriebsvorrichtung für in weiten Grenzen ändernde Drehzahl und änderndes Drehmoment, mit einem aus dem Netz über einen Gleichrichter (1) gespeisten Gleichstrommotor (3) mit permanentem Feld, der über einen Zer-hacker (2) mit einer Impulsfolgefrequenz gespeist wird und der durch eine Freilaufdiode (4) überbrückt ist, wobei ein Regelverstärker (10) eine erste Regelspannung (Un - Us) erzeugt, die der Differenz zwischen einer der Motordrehzahl proportionalen Spannung (Un) und einer Drehzahl-Sollwert-spannung (Us) proportional ist und welche die Breite der an den Zerhacker (2) durch einen Impulsmodulator (15) gelieferten Impulse moduliert, und mit einer stromabhängigen Begrenzungsschaltung (14) für den Motorstrom, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzungsschaltung (14) eine vom Motorstrom abhängige Spannung (Ui) zugeführt wird, welche die erste Regelspannung (Un-Us) auf einen Wert begrenzt, der mit steigendem Motorstrom abnimmt, wodurch eine stetige stromabhängige Drehzahlbegrenzung durch Impulsbreitenmodulation stattfindet und die Motorleistung bei allen Drehzahlen begrenzt ist.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Motordrehzahl entsprechende Regelspannung (Un) und die Spannung eines Regelpotentiometers (12a) je einem Eingang eines als Integralregler geschalteten Regelverstärkers (10) zugeführt werden.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsschaltung (14) mit dem Ausgang des Regelverstärkers (10) durch eine Diode (29) verbunden ist, welche die Regelspannung dem Motorstrom entsprechend auf die Ausgangsspannung der Begrenzungsschaltung begrenzt.

4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -3, gekennzeichnet durch einen Umschalter (13) zur Wahl mindestens zweier Drehzahlbereiche.