DD138129B1

DD138129B1 - Schaltungsanordnung zum regeln der drehzahl eines gleichstrommotors in beiden richtungen

Info

Publication number: DD138129B1
Application number: DD20699178A
Authority: DD
Inventors: Frank Emmerling; Heinz Graef
Original assignee: Frank Emmerling; Heinz Graef
Priority date: 1978-07-28
Filing date: 1978-07-28
Publication date: 1981-03-25
Also published as: BG32997A1; CS248255B1; DD138129A1; DE2928659A1; SU1112519A1; DE2928659C2

Description

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a) Titel der Erfindung

Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleich-, strommotorea in beiden Richtungen

b) Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf daa Gebiet der Elektrotechnik und ihre Anwendung iat in Einrichtungen mit Gleichstromumkehrantrieben, insbesondere bei numerisch geateuerten Werkzeugmaschinen, möglich und zweckmäßig«

c) Charakteristik der bekannten technischen Löaungen

In Schaltungaanordnungen zum Regeln der Drehzahl еіпез Gleich-8trommotorea in beiden Richtungen erfolgt das direkte Ansteuern des Motors bzw, das Zuschalten der Betriebsspannung über steuerbare Halbleiterelemente. Bei der Verwendung von Thyriatorumkehrstromrichtern in Brückenschaltung können die Thyristoren in Antiparallel- oder Kreuzschaltung angeordnet sein, und es iat ständig erforderlich, den Motor über die Stromrichtergruppen zu betreiben. Dabei bestimmt der Mittelwert der Strorarichterauagangsapanriung die Drehzahl und Dreh— richtung de3 М

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Zu diesem Zweck werden sowohl kreiaotromfrei arbeitende als auch kreiaatrombehaftete Umkehrstromrichteranordnungen in den Regelkreisen verwendet.

Aus der DT-AS 20 17 791, H 02 ρ 7/24 ist die Lösung einer Regeleinrichtung für einen Stromrichtarantrieb in krei astromfreier Gegenparallelachaltung bekannt, die einen Stromregler mit mindestens einem I-Glied für die Stromrichtergruppen beider Drehmomentenrichtungen enthalte Zur Verkürzung der Anregelseit nach der Umschaltung von einer Stromrichtergruppe auf die andere wird der Stromregler so ausgebildet, daß er beim Absinken des Stromistwertes unterhalb eines als Stromansprechgrenze einstellbaren Wertes eine wesentlich kürzere Integrationszeit als bei einem Stromi3twert oberhalb dieses Wertes aufweist. Dem Stromregler ist weiterhin eine Umschalteinrichtung zugeordnet, die die Integrationakonatante des I-Gliedes beim Über- oder Unterschreiten der Stromansprechgrenze durch den Stromistwert ändert. Die Urn3chalteinrichtung selbst besteht aus einem Koparator oder einem als Komparator geschalteten Verstärker sowie einem elektronischen Schalter, der vom Komparator bzw. vom Verstärker aus gesteuert wird. Der Komparator arbeitet so, daß eine der einstellbaren Stromansprechgrenze entsprechende Spannung und eine dem Istwert entsprechende Spannung zugeführt wird und beim Überoder Unterachreiten der Stromansprechgrenze durch den Stromistwert in jedem Falle eine Änderung des Ausgangs3ignales des Komparators erfolgt.

Ein besonderes Merkmal dieser Anordnung ist die Anregeloder Totzeit beim Umschalten von einer Stromrichtergruppe auf die andere, da in dieser Zeit die Anordnung führungslos arbeitet. Die daraus entstehenden Fehler bei der Regelung können zu unzulässig großen Stromspitzen führen.

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In der bekannten Anordnung kann dieser Mangel nur durch einen größeren Aufwand beim Aufbau de3 Stromreglers in Verbindung mit dem Komparator verringert werden. Bei der Erfassung des Istwertes des Kotorankerstromes wird nur ein Signal bei Erreichen der Lückgrenze oder eines Stromwertes unterhalb der Lückgrenze ausgegeben. Dadurch wird die Anregelzeit nach jeder Umschaltung zwar verkürzt, jedoch erfordert die Umschaltung selbst immer noch eine bestimmte Totzeit, weshalb eine Verwendung für hochdynamische Antriebe in Lagerregelkreisen für Werkzeugmaschinen nicht möglich ist.

In der DT-OS 15 88 493, 21 с 59/Ю, ist eine Anordnung zur kreiS3trombehafteten Regelung eines in beiden Drehrichtungen betriebenen Gleichsstrommotors beschrieben. Dabei wird eine Zweistromrichter-Umkehrschaltung über einen gemeinsamen Stromregler, zwei Veratärkeranordnungen und Irapulssteuergeräte angesteuert. Bei einer зоіспеп Schaltung зіпа zu jedem Zeitpunkt beide Stromrichter auf die Spannung der Last eingestellt, indem der entstehende Kreisstron über zwei Drosseln begrenzt wird. Auf diese Weise können beide Stromrichter ohne Verzögerung oder Totzeit den Laststrom übernehmen. Außderra verhindert der vorhandene Kreisatrom als Grundbela3tung einen Betrieb der Stromrichter im Lückbereich. Nachteilig sind bei dieser kreisstrombehofteten Anordnung der erhebliche steuerungstechnische Aufwand zum Regeln und Begrenzen des Kreisstromes in der benötigten Größe mit der erforderlichen Genauigkeit. Dazu muß eine größere Anzahl zusätzlicher Drosseln eingesetzt werden.

Diese beiden bekannten Schaltungaarten unterscheiden si; h dadurch, daß krei3strombehaftete Schaltungen bessere dynamische Parameter, besonders in dor Umschaltpha3G bei Polaritätaänderungen de3 Strom3ollwcrtes aufweisen, und der Stromregelkreis standig im Singriff ist, um die StromsollVv'eriElndorung in Eatrag und Richtung sofort zu übernehmen. Dagegen besitzen Kreisstromxrcie Schaltungen immer Totzeiten in eier Ur3ch;-iltphü3e, und es ir.üanen oft mit auf·

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wendigen technischen Mitteln der Stromregler gesperrt oder zur Vermeidung von Stromstößen in den Uechaelrichterbetrieb geschaltet werden. Das bewirkt im Betrieb eine Verschlechterung der Dynamik bei Drehrichtungsänderungen. Diese Schaltungen entsprechen damit nicht den Anforderungen an reaktionsschnelle Antriebe, besonders für Vorschubantriebe mit überlagertem Lageregelkreis für V/erkzeugmaschinen.

d) Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, für die Schaltungsanordnung den Aufwand an Baugruppen zu senken und eine schnell wirksame Regelung der Drehzahl eines Gleichsstrommotors in beiden Richtungen mit maximaler Sicherheit und Genauigkeit zu gewährleisten.

e) Darlegung des V/es ens der Erfindung

Ea ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum kontinuierlichen Regeln der Drehzahl eines über einen Thyristorumkehrstromrichter aus einem 7/echselspannungsnetz gespeisten Gleichastroramotor in beiden Richtungen ohne das Auftreten von Totzeiten mit einem Drehzahlregelkreis sowie einem diesen unterlagerten und einen ständig geführten Stromrichter enthaltenden Stromregelkreis durch einen minimalen Einsatz von Baugruppen zu schaffen. Da3 V/esen der Erfindung besteht darin, daß eine Kommandoachaltung für das Einschalten der beiden bei kleinen Stromsollwerten im Wechselpulsbetrieb und bei großen Stromsollwerten im Gleichpulsbetrieb arbeitenden Stromrichtergruppen durch ihren ersten und zweiten Eingang über eine Erkennungseinheit zum Erzeugen eines der Polarität des Strorasollwertes entsprechenden Signales mit dem Drehzahlregler und durch ihren dritten Eingang mit einer Strommeßeinheit verbunden sind. Die Kommandoschaltung wird dabei zweckmäßig mit Logikbausteinen realisiert. An den Eingang der Strommeßeinheit ist weiterhin der eine Ausgang einer Strotnerfassungseinheit angeschlossen. Die Strooierf assungseinheit

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liegt zwischen dem Wec"hselspannungsnetz und den beiden Strorarichtergruppen. An den anderen Ausgang der Strommeßeinheit ist eine Vorzeicheneinheit zur Festlegung der Polarität des Stromistwertes für den Soll-Zlstwertvergleicher des Stromregelkreises angeschlossen, mit dessen Eingang der Ausgang der Vorzeicheneinheit zur Festlegung der Polarität des Stromistwertes verbunden ist. Der andere Eingang der Vorzeicheneinheit ist an den ersten Ausgang der Kommandoschaltung angeschlossen, die durch ihren zweiten Ausgang mit einer Steuerspannungseinheit zur Festlegung des Vorzeichens der Steuerspannung und durch ihren dritten Ausgang mit einem Steuersatz verbunden ist, wobei wiederum ein Ausgang des Steuersatzes (STS) an den vierten Eingang der Kommandoschaltung (KS)angeschlossen ist.

f) Auaführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungabei-эріеі näher erläutert werden. In dar zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: das Blockschaltbild einer Anordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors mit Thyristorumkehrstromrichtergruppen,

Fig. 2: eine Zusammenstellung von einzelnen für die Arbeit der Anordnung charakteristischen zeitlich parallel entstehenden Signalverläufe,

In Fig. 1 ist eine Kommandoschaltung KS über ihren ersten und zweiten Eingang an eine Erkennungseinheit PEE zum Feststellen der Polarität und Betrag des Stromsollwertes ¹SOlI' ^{der аф Au3}S^an£ des Drehzahlreglers DR in Form einer Spannung abgegeben wird. Am zweiten Eingang dieser Kommandoschaltung KS liegt eine Strommeßeinheit SME,- die mit einem Au3gang einer Stromerkennungseinheit SEE verbunden ist. Die Ausgänge der Kommandoschaltung KS sind an eine

zur Festlegung der Polarität des

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Stromiatwertea ¹^₃-^-^an eine Steuerapannungaeinheit STU und an einen Steueraatz STS geführt, der auagangaaeitig wiederum mit einem Eingang der Kommandoachaltung KS verbunden iat. 'Die Erkennungaeinheit PSE iat e.ingangaaeitig an den Auagang dea Drehzahlreglera DR angeachloaaen, der über einen Soll-Vlatwertvergleicher SIV zum Eingang einea Stromreglera SR geführt iat. Weiterhin iat die Vorzeicheneinheit VE, deren Eingang mit dem zweiten Auagang der Stromerfaaaungaeinheit SEE verbunden iat, an den Soll-/ Iatwertvergleicher SIV angeachloaaen. Vom Auagang dea Stromreglera SR führt eine Leitung über die Steuerapannungaeinheit STU zum zweiten Eingang dea Steueraatzea STS. Die beiden Ausgänge dea Steueraatzea STS aind über Koppeleinheiten KE 1; KE 2 zu jeweils einer von den beiden Stromrichtergruppen SG 1; SG 2 geführt, die einer-8eita über die Stromerfaaaungaeinheit SEE mit dem Wechselgpannunganetz WN und andereraeita mit einem Gleichstrommotor GM verbunden aind. An den Gleichaatrommotor GM iat ein Drehzahlmeaaer DM angekoppelt, deaaen Auagang zu dem Eingang dea Drehzahlreglera DR geführt iat.

Pig. 2 enthält eine Überaicht über einzelne in der Anordnung gleichzeitig exiatierender Signalverläufe.

Pur einen ausgewählten Zeitabachnitt t bia t~ aind die Verläufe für den Stromaollwert I_goll» für die Auagangsaignale AS 1; AS 2 der Polaritätaerkennungaeinheit PEE an den Auagängen A 1; A 2 und. für den Ankeratrom I. dea Gleichaatrommotora GM dargeatellt.. Aua den Signalverläufen aind drei charakteriatiache Betriebazuatände der Schaltungaanordnung kennzeichnende Phaaen P 1; P 2; P 3 zu erkennen. In der ersten Phaae P 1 vom Zeitpunkt t bia t₁ liegt der Stromaollwert I_goll ^{im Bereic}b ^+I _aoll >/SW/ und am eraten Auagang A 1 der Polaritätaerkennungaeinheit PEE tritt ein erstes Auagangaaignal AS 1 aus.

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Die егэѣе Stromrichtergruppe SG 1 wird ständig gezündet, und als Ankeratrom І_д fließt ein Gleichstrom mit positiver Amplitude. Während der zweiten Phase P 2 vom Zeitpunkt t.j bis t₂ wechselt der Stromsollwert I .,., in den Bereich /Ig_oll/</SV// und am Ausgang A 2 der Polaritätserkennungaeinheit PEE erscheint ein zweites Ausgangssignal AS 2_t Das bewirkt ein abwechselndes Einschalten der beiden Stromrichtergruppen SG 1; SG 2 und der Ankerstrom wird zu einem pulsierenden Gleichstrom mit wechselnder Polarität. In der dritten Phase P 3 vom Zeitpunkt t~ bis t_ verbleibt der Stromsollwert I .,., im Bereich "*^_8Οηι /SW/ und am zweiten Ausgang A 2 der Polaritätserkennungseinheit P2E erscheint ein zweites Ausgangssignal AS 2. Der Ankerstrom I. fließt als Gleichstrom mit negativer Amplitude und die zweite Stromrichtergruppe SG 2 bleibt ständig gezündet. An die dritte Phase P 3 schließt sich erneut die erste Phase P 1 an.

Die Anordnung arbeitet auf folgende Weise:

Vom Drehzahlregler DR wird an seinem Ausgang ein Stromsollwert I η-, abgegeben, der einerseits in der Polaritatserkennungseinheit PES ausgewertet und andererseits dem Soll-/ Istwertvergleicher SIV des Stromregelkreisea zugeführt wird. In der Polaritätaerkennungaeinheit PEE wird durch Vergleichen festgestellt, wenn der Stromsollwert I ,, einen negativen oder positiven fest eingestellten Schwellwert -SW; +SV/ erreicht. Durch die Stroraaollwertänderungen ergeben sich drei Phasen P1, P2, P3, wobei in der ersten und dritten Phase P 1; P 3 die Anordnung im Gleichpulsbetrieb mit einem Links- bzw. Rechtslauf des Motors arbeitet und im Wechselpulsbetrieb in der zweiten Phase P 2 die beiden Stromrichtergruppen SG 1; SG 2 abwechselnd betrieben werden. Beim Erkennen einer dieser drei Betriebazustände in der Polaritätserkennung3einheit PEE infolge von Strora3ollwertänderungen werden an den Ausgängen Λ 1, A 2 logische Signale AS 1; AS

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abgegeben. Diese Signale AS 1; AS 2 und ein dem Istwert dea im Anker des Gleichstrommotores GM fließenden Stromes Ід proportionales Signal aus der Strommeßeinheit SME gelangen in die Kommandoschaltung KS, in der Signale für die Vorzeicheneinheit VE zur Festlegung des Vorzeichens für den Stromistwert I. ., die Steuerspannungseinheit

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STU zur Festlegung des Vorzeichens der Steuerapannung und den Steuersatz STS erzeugt werden. Im Steuersatz STS werden aus der Steuerspannung und einem Signal aus der Kommandoschaltung KS Zündimpulse für die Thyristoren in den beiden Stromrichtergruppen SG 1; SG 2 abgeleitet. Die Zündimpulse werden über die Kopplungseinheiten KE 1; KE 2 zu den Steuerelektroden der Thyristoren in den beiden Stromrichtergruppen SG 1; SG 2 geleitet und dienen zu deren Einschalten. Außerdem werden vom Steuersatz STS aus über eine Leitung Zündimpulse direkt der Kommandoschaltung KS zugeführt. Die Thyristoren sind in einer Antiparallelbrückenschaltung angeordnet, bei der auf der einen Seite über eine Stromerfassungseinheit SEE ihre Versorgung mit der Betriebsspannung aus einem Wechselspannungsnetz V/N erfolgt, und auf der anderen Seite der Gleichstrommotor GI.I angeschlossen ist. Als Eingangsgrößen für den Drehzahlregler DR, den Soll-/Istwertverglei· eher SIV und die Xommandoschaltung KS müssen die Istwerte für die Drehzahl und den Ankerstrom І_д erfaßt und an die zugehörigen Eingänge der Einheiten übertragen werden.

Dazu ist zunächst als Drehzahlmesser DLl, z. B. ein Tachogenerator, fest mit der Welle des Gleichstrommotors GM gekoppelt, und das gewonnene Signal wird dem Drehzahlregler DR zugeführt. Weiterhin wird in der Stromerfassungseinheit SEE, die beispielsweise aus einem Stromwandler und einer Gleichrichteranordnung besteht, der Istwert des Ankerstromes І_д erfaßt und das erzeugte Gleichspannungsaignal einerseits zur Strommeßeinheit SME sowie anderer-

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seita über die Vorzeäcneneinheit VE als Stroraiatwert I. ,

ist

zum Soll-Vlatwertvergleicher SIV geleitet. Durch den Vergleich von Stromaollwert I ,, und Stromistwert I. , wird daa durch daa unterbrochene Fließen einea Ankeratromea im Motor atändig vorhandene Eingangaaignal für den Stromregler SR gewonnen, der auf diese Weise zu jeder Zeit geführt iat. Zur Verdeutlichung der Arbeitsweise dient auch Pig. 2 mit der Darstellung einzelner Signalverläufe. Dabei sind deutlich drei charakteriatische Betriebazustände zu erkennen, denen die drei Phasen P 1; P 2; P 3 entsprechen. Die Übergänge aus den einzelnen Betriebszuständen erfolgen strom- oder richtungsabhängig ohne Totzeit. Damit wird eine kreis3tromfreie Schaltung realisiert, die ohne Verwendung von Kreisstromdrosaeln mit nur einem Лпзѣиегкапаі für zwei antiparallel angeordnete Stromrichtergruppen SG 1; SG 2 arbeitet, aber wie eine kreisatrombehaftete Schaltung eine dauernde Führung des Stromreglers SR gewährleistet.

Claims

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Erfindungaanapruch

1. Schaltungaanordnung zum Regeln der Drehzahl einea Gleich3trommotorea in beiden RIc htungen, die aua einem Drehzahl- und einem dieaem unterlagerten Stromregelkreia, einem Drehzahl-, einem Stromregler, einm Soll-/ Iatwert-Vergleicher, einer Steuerapannungaeinheit, einem Steueraatz mit zwei Kopplungaeinheiten einer Stromerfaaaungaeinheit und einem Drehzahlmeaaer be-* ateht und bei der der Gleichstrommotor aua einem Wechaelapannunganetz über einen Thyriatorumkehratromrichter mit zwei Stromrichtergruppen in einer kreiastromfreien Brückenachaltung geapeiat wird, gekennzeichnet dadurch, daß eine Kommandoachaltung (KS) für daa Einachalten der beiden bei kleinen Stromaollwerten (I ,,) im V/echaelpulabetrieb und bei großen Stromaollwerten (I ,,) im Gleichpulabetrieb arbeitenden Strom-

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richtergruppen (SG 1, SG 2) durch ihren era ten und zweiten Eingang über eine Polaritätaerkennungaeinheit (PEE) zum Erzeugen einea in Betrag und Richtung dem Stomaollwert entaprechenden Signalea mit dem Drehzahlregler (DR) und ihren dritten Eingang mit der Strommeßeinheit (SIiE) verbunden aind, an deren Eingang der eine Auagang der zwiachen dem Wechaelapannunganetz (V/N) und den beiden Stromrichtergruppen (SG 1; SG 2) eingeachalteten Stromerfaaaungaeinheit (SEE) und an deren anderen Auagang der eine Eingang einer auagangaaeitig am Soll-/Iatwertvergleicher (SIV) dea Stromregelkreiaea liegenden Vorzeicheneinheit (VE) zur Peatlegung der Polarität dea Stromiatwertea (I. .) angeachloaaen aind, deren anderer Auagang zur Kommandoachaltung (KS) geführt iat, die durch ihren zweiten Auagang mit der Steuerapannungaeinheit (STU) zur Peatlegung der Polarität der Steuerapannung und durch ihren dritten Au3gang mit einem Steueraatz (STS) verbunden iat.

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2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch daß die Kommando3chaltung (KS) für das Einachalten der beiden Stromrichtergruppen (SG 1; SG 2) aus Logikbaugruppen besteht.

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