DE1134142B

DE1134142B - Method and device for regulating the speed of a direct current commutator motor

Info

Publication number: DE1134142B
Application number: DEE19850A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Thieme
Original assignee: ELAC Electroacustic GmbH
Current assignee: ELAC Electroacustic GmbH
Priority date: 1960-08-29
Filing date: 1960-08-29
Publication date: 1962-08-02

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Drehzahl eines Gleichstromkommutatormotors Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Drehzahl eines Gleichstromkommutatormotors.Method and device for regulating the speed of a direct current commutator motor The invention relates to a method and a device for regulating the speed a DC commutator motor.

Für viele Zwecke, wie beispielsweise zum Antrieb von Meßschreibern und Phonogeräten, sind Gleichstrommotoren mit möglichst großer Drehzahlkonstanz erforderlich. Die Motordrehzahl darf sich dabei weder bei veränderlicher Belastung noch bei veränderlicher Höhe der Betriebsspannung oder anderer Einflüsse ändern. Um dies zu erreichen, müssen Regelvorrichtungen vorgesehen werden, die mechanisch oder elektrisch den Motor derart beeinflussen, daß er mit der gewünschten Drehzahl läuft. Eine bekannte Vorrichtung dieser Art ist der Fliehkraftregler, der in Abhängigkeit von der Drehzahl den Schleifer eines Vorwiderstandes derart betätigt, daß die Ankerspannung bei überschreiten der Solldrehzahl sinkt und umgekehrt. Wegen seines mechanischen Aufbaus ist der Fliehkraftregler wartungsbedürftig, störanfällig und reagiert auf Grund seiner Trägheit nicht sehr empfindlich auf Drehzahländerungen des Motors.For many purposes, such as for driving recorders and phono devices are DC motors with the greatest possible speed constancy necessary. The engine speed must not change in the event of a variable load change even if the level of the operating voltage or other influences change. To achieve this, control devices must be provided that are mechanical or electrically influence the motor in such a way that it runs at the desired speed runs. A known device of this type is the governor, which is a function operated by the speed of the wiper of a series resistor in such a way that the armature voltage if the target speed is exceeded, it decreases and vice versa. Because of its mechanical The structure of the governor requires maintenance, is prone to failure and reacts to Not very sensitive to changes in engine speed due to its inertia.

Für die Regelung der Drehzahl von Hochfrequenzmaschinen, die durch Gleichstrommotoren angetrieben werden, ist ein sehr genaues und empfindliches Verfahren bekannt. Es besteht darin, daß auf der gleichen Welle wie der Gleichstrommotor und der Hochfrequenzgenerator ein Niederfrequenzgenerator angeordnet ist, dessen Wechselspannung einem elektrischen Schwingkreiszugeführtwird, dessen Resonanzfrequenz etwas höher liegt als die Frequenz der erzeugten Wechselspannung bei der Solldrehzahl. Der in dem Schwingkreis induzierte Strom betätigt einen Regler, der den Stromkreis des Gleichstrommotors derart beeinflußt, daß er stets die gewünschte Drehzahl einhält. Eine derart aufwendige Anordnung ist für die Regelung der Drehzahl kleiner Gleichstrommotoren, wie sie zum Antrieb von Phonogeräten und Meßschreibern verwendet werden, äußerst unwirtschaftlich und deshalb praktisch nicht verwendbar.For regulating the speed of high-frequency machines that run through DC motors are driven is a very accurate and sensitive process known. It consists in being on the same shaft as the DC motor and the high-frequency generator is arranged a low-frequency generator whose alternating voltage is fed to an electrical oscillating circuit, the resonance frequency of which is somewhat higher is the frequency of the generated alternating voltage at the target speed. The in the resonant circuit induced current operates a controller that controls the circuit of the DC motor influenced in such a way that it always maintains the desired speed. Such a complex arrangement is for regulating the speed of small DC motors, how they are used to drive phono devices and recorders, extremely uneconomical and therefore practically unusable.

Es ist bereits eine Regelschaltung mit einem Flächentransistor bekannt, bei der ein Widerstand parallel zur Strecke Emitter-Basis den Regelbereich einstellt. Für die Anwendung dieser Schaltung ist als Beispiel die Regelung der Umdrehungszahl eines Motors angegeben, wobei die Steuerung durch Impulse erfolgt, die dem parallel zur Strecke Emitter-Basis des Transisttors liegenden Widerstand zugeführt werden und je nach Größe und Vorzeichen den Widerstand des im Ankerkreis des Motors befindlichen Transistors ändern. Die Impulse können einem Eichnormal oder einer Schaltung entnommen werden, die wiederum vom Motor gesteuert wird. Im einzelnen sind jedoch hierzu keine technischen Mittel angegeben.A control circuit with a flat transistor is already known, in which a resistor parallel to the emitter-base section sets the control range. For the application of this circuit is the regulation of the number of revolutions as an example of a motor, the control being carried out by pulses parallel to the to the distance emitter-base of the transistor gate lying resistor are fed and, depending on the size and sign, the resistance in the armature circuit of the motor Change transistor. The pulses can be taken from a calibration standard or a circuit which in turn is controlled by the motor. However, there are no details of this technical means specified.

Die Erfindung gibt nun ein besonders einfaches Verfahren zur Drehzahlregelung eines Gleichstromkommutatormotors mit Hilfe eines in seinem Ankerstromkreis liegenden elektronischen Stellgliedes, insbesondere eines Transistors, an. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine aus der Frequenz der im Ankerstromkreis durch die Kommutation auftretenden Pulsationsspannung abgeleitete Spannung das elektronische Stellglied steuert. Diese Steuerspannung wird unter Verwendung eines elektrischen Schwingkreises gewonnen, dessen Resonanzfrequenz etwas höher liegt als die der Solldrehzahl des Motors entsprechende Pulsationsfrequenz, indem die in einem an diesen Schwingkreis gekoppelten Kreis induzierte Spannung gleichgerichtet und der Steuerelektrode des elektronischen Stellgliedes mit solcher Polarität zugeführt wird, daß der Widerstand des Hauptstromkreises des Stellgliedes mit wachsender Drehzahl des Motors zunimmt.The invention now provides a particularly simple method for speed control of a direct current commutator motor with the help of one in its armature circuit electronic actuator, in particular a transistor. The procedure is characterized in that one of the frequency in the armature circuit by the Commutation occurring pulsation voltage derived voltage the electronic Actuator controls. This control voltage is generated using an electrical Resonant circuit gained, the resonance frequency of which is slightly higher than that of the target speed of the motor corresponding pulsation frequency by adding the in one to this resonant circuit coupled circuit induced voltage rectified and the control electrode of the electronic actuator is supplied with such polarity that the resistance of the main circuit of the actuator increases with increasing engine speed.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind durch Änderung der Resonanzfrequenz, vorzugsweise durch Variation der Kapazität, des Schwingkreises stetig oder stufenweise verschiedene Drehzahlen des Motors einstellbar.According to a further development of the invention, by changing the resonance frequency, preferably by varying the capacitance, the oscillating circuit continuously or in steps different engine speeds can be set.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß in den Ankerstromkreis eine Triode, beispielsweise ein Transistor, und die Primärwicklung eines Übertragers in Reihe geschaltet sind, dessen eine Sekundärwicklung die Induktivität eines Schwingkreises ist und dessen zweite Sekundärwicklung über einen Gleichrichter mit der Steuerelektrode der Triode verbunden ist. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß keine zusätzlichen mechanischen Teile erforderlich sind und die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Schwierigkeiten in den Stromkreis eines jeden Gleichstromkollektormotors zwischen Stromquelle und Motor geschaltet werden kann. Außerdem ist der erforderliche technische Aufwand sehr gering.A device for carrying out the method according to the invention consists in the fact that in the armature circuit a triode, for example a transistor, and the primary winding of a transformer are connected in series, one secondary winding of which is the inductance of a resonant circuit and its second secondary winding over a rectifier is connected to the control electrode of the triode. Of the essential advantage of the method according to the invention and the device for implementation of the process is that no additional mechanical parts are required are and the device according to the invention without difficulty in the circuit of each DC collector motor connected between the power source and the motor can be. In addition, the technical effort required is very low.

Damit die Regelung auch bei wechselnder mechanischer Belastung des Motors sehr empfindlich wirkt, besitzt gemäß einer Weiterbildung -des Erfindungsgegenstandes der Kern des übertragers einen Luftspalt, in dem ein Stück ferromagnetischen Materials mit großer Anfangspermeabilität und geringer Sättigung angeordnet ist.So that the control even with changing mechanical loads of the Motor is very sensitive, has according to a development -the subject of the invention The core of the transmitter is an air gap in which a piece of ferromagnetic material is arranged with high initial permeability and low saturation.

An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert.With reference to the drawing, an embodiment of the present Invention explained in more detail.

Fig. 1 zeigt ein Schaltungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 2 zeigt den Verlauf der Speisegleichspannung UB mit der überlagerten Pulsationsfrequenz f"; in Fig. 3 ist der Verlauf der Permeabilität p des ferromagnetischen Stückes im Luftspalt des übertragerkerns als Funktion der magnetischen Feldstärke 5 dargestellt und in Fig. 4 der Verlauf der Steuerspannung Ur an der Steuerelektrode der Triode in Abhängigkeit von der Frequenz, der dem Verlauf des Stromes i, in dem Schwingkreis als Funktion der Frequenz entspricht.1 shows an example circuit for carrying out the method according to the invention; Fig. 2 shows the course of the DC supply voltage UB with the superimposed pulsation frequency f "; in Fig. 3 the course of the permeability p of the ferromagnetic piece in the air gap of the transformer core is shown as a function of the magnetic field strength 5 and in Fig. 4 the course of the control voltage Ur at the control electrode of the triode as a function of the frequency, which corresponds to the course of the current i in the resonant circuit as a function of the frequency.

In Fig.1 ist 1 ein Gleichstromkollektormotor, dessen Drehzahl geregelt werden soll. 2 ist ein pnp-Flächentransistor, der als elektronisches Stellglied mit dem Motor 1 und der Primärwicklung a eines Übertragers 3 in Serie geschaltet ist. Eine Sekundärwicklung b des Übertragers 3 bildet mit einem der Kondensatoren 4, 5, 6, die wahlweise durch den Schalter 7 eingeschaltet werden können, einen Schwingkreis, durch den die Drehzahl des Motors bestimmt ist. Dieser Schwingkreis ist so abgestimmt, daß Resonanz eintritt bei einer Frequenz, die wenig oberhalb der Frequenz f"o liegt, die bei der Solldrehzahl des Motors 1 als Pulsationsfrequenz f" des Ankerstromes auftritt. Diese Pulsation des Gleichstromes ist durch die periodische Kommutierung der einzelnen Ankerspulen bedingt, und die Pulsationsfrequenz ist somit der Motordrehzahl direkt proportional. Der Motorstrom ist über die Primärwicklung a des Übertragers 3 mit dem Schwingkreis, bestehend aus der Sekundärwicklung b und der Kapazität 4, 5 oder 6, lose gekoppelt. Wird eine Gleichspannung an die Punkte B, B gelegt, so kann der Motorstrom vom Pluspol über den Transistor 2 durch den Motor 1. und die Wicklung a zum Minuspol fließen. Die Basis des Transistors 2 ist über einen Widerstand 10 derart negativ vorgespannt, daß der Transistor bei stillstehendem Motor aufgesteuert ist. Der Motor kann also anlaufen. Sobald der Motor eine gewisse Drehzahl erreicht hat, d. h. wenn die Pulsationsfrequenz des Ankerstromes sich der Resonanzfrequenz des Schwingkreises nähert, steigt die Spannung U, in diesem Kreis steil an (Fig. 4). Dann tritt auch in der zweiten Sekundärwicklung c des übertragers eine große induzierte Spannung auf, die nach Gleichrichtung in dem Gleichrichter 8 und Siebung durch die Kapazität 9 als positive Gleichspannung die negativ vorgespannte Steuerelektrode des Transistors derart beeinflußt, daß der Widerstand des Transistors mit wachsender Drehzahl zunimmt. Die negative Vor-Spannung an der Basis des Transistors 2 wird zweckmäßig so gewählt, daß die Pulsationsfrequenz f"o, die der Solldrehzahl des Motors entspricht, in den Bereich des steilsten Anstieges derResonanzkurve des Schwingkreises fällt (Fig..4), damit bereits kleine Frequenz-bzw. Drehzahländerungen eine große Änderung der Steuerspannung U, bewirken und somit eine große Empfindlichkeit der Regelung gewährleistet ist. Weicht die Drehzahl des Motors nach oben ab, so steigt die Pulsationsfrequenz beispielsweise auf den Wert f" und die Steuerspannung auf den Wert U, 2, die den Transistor 2 mehr sperrt als die Spannung U,o, wodurch die Klemmenspannung am Motor und damit dessen Drehzahl abnimmt und umgekehrt. Die Drehzahl wird also konstant gehalten. Durch Betätigung des Schalters 7 können wahlweise verschieden große Kapazitäten 4, 5 oder 6 mit der Wicklung b des Gbertragers 3 verbunden und somit durch Änderung der Abstimmung des Schwingkreises verschiedene Drehzahlen des Motors eingestellt werden.In Fig.1, 1 is a DC collector motor, the speed of which is to be controlled. 2 is a pnp junction transistor which, as an electronic actuator, is connected in series with the motor 1 and the primary winding a of a transformer 3. A secondary winding b of the transformer 3 forms with one of the capacitors 4, 5, 6, which can optionally be switched on by the switch 7, an oscillating circuit, by which the speed of the motor is determined. This resonant circuit is tuned in such a way that resonance occurs at a frequency which is slightly above the frequency f "o which occurs at the setpoint speed of the motor 1 as the pulsation frequency f" of the armature current. This pulsation of the direct current is caused by the periodic commutation of the individual armature coils, and the pulsation frequency is therefore directly proportional to the motor speed. The motor current is loosely coupled to the resonant circuit, consisting of the secondary winding b and the capacitance 4, 5 or 6, via the primary winding a of the transformer 3. If a direct voltage is applied to points B, B , the motor current can flow from the positive pole via transistor 2 through motor 1 and winding a to the negative pole. The base of the transistor 2 is negatively biased via a resistor 10 in such a way that the transistor is turned on when the engine is at a standstill. So the motor can start. As soon as the motor has reached a certain speed, ie when the pulsation frequency of the armature current approaches the resonance frequency of the resonant circuit, the voltage U, rises steeply in this circuit (FIG. 4). Then a large induced voltage also occurs in the second secondary winding c of the transformer, which after rectification in the rectifier 8 and filtering by the capacitance 9 as a positive direct voltage affects the negatively biased control electrode of the transistor in such a way that the resistance of the transistor increases with increasing speed . The negative bias voltage at the base of the transistor 2 is expediently chosen so that the pulsation frequency f "o, which corresponds to the nominal speed of the motor, falls in the region of the steepest rise in the resonance curve of the resonant circuit (Fig..4), which is already small Changes in frequency or speed cause a large change in the control voltage U, and thus a high level of sensitivity of the regulation is ensured. 2, which blocks the transistor 2 more than the voltage U, o, as a result of which the terminal voltage on the motor and thus its speed decreases and vice versa. The speed is therefore kept constant. By operating the switch 7, different capacities 4, 5 or 6 can optionally be connected to the winding b of the carrier 3 and thus different speeds of the motor can be set by changing the tuning of the resonant circuit.

Zur Steigerung der Regelempfindlichkeit bei Drehzahlschwankungen, die durch wechselnde Belastung des Motors bedingt sind, besitzt der Kern des übertragers 3 einen Luftspalt, in dem ein Stück ferromagnetischen Materials mit großer Anfangspermeabilität und geringer Sättigung angeordnet ist. Der Querschnitt dieses Stückes ist so bemessen, daß bei geringster Motorlast der Umkehrpunkt der Permeabilitätskurve (Fig. 3) durch die Gleichstromkomponente des Motorstromes gerade erreicht ist. Steigt infolge höherer mechanischer Motorbelastung der Motorstrom, so steigt die magnetische Feldstärke im Luftspalt von Sao auf S5' und damit nimmt die Permeabilität des Abgleichstückes steil ab. Als Folge davon sinkt die Induktivität der Wicklung b, und der Schwingkreis wird derart verstimmt, daß die Resonanzkurve R mit der Resonanz bei fäo nach R' mit der Resonanz bei föw verschoben wird. Sinkt also die Drehzahl des Motors wegen der höheren mechanischen Belastung so, daß die Pulsationsfrequenz f" 1 beträgt, so sinkt die Steuerspannung auf Ur', , während sie ohne Abgleichstück nur auf U,1 sinken würde. Entsprechend geht bei abnehmender mechanischer Belastung des Motors die Resonanzkurve R in R" mit der Resonanz bei f'ö über. Bei einem Anstieg der Pulsationsfrequenz auf f12 steigt die Steuerspannung auf den Wert Ui,' gegenüber U, 2 ohne Abgleichstück. Für Drehzahlschwankungen, die durch wechselnde mechanische Belastung bedingt sind, ist also mit einem geeigneten ferromagnetischen Stück im Luftspalt des Übertragerkerns die Steilheit der Resonanzkurve bedeutend größer als die Steilheit der Resonanzkurve mit konstanter Induktivität der Wicklung b des Schwingkreises.To increase the control sensitivity in the case of speed fluctuations caused by changing loads on the motor, the core of the transformer 3 has an air gap in which a piece of ferromagnetic material with high initial permeability and low saturation is arranged. The cross-section of this piece is dimensioned so that the reversal point of the permeability curve (Fig. 3) is just reached by the direct current component of the motor current at the lowest motor load. If the motor current increases due to a higher mechanical motor load, the magnetic field strength in the air gap increases from Sao to S5 'and the permeability of the adjustment piece decreases steeply. As a result, the inductance of winding b decreases and the resonant circuit is detuned in such a way that the resonance curve R with the resonance at fäo is shifted to R 'with the resonance at föw. So if the speed of the motor decreases because of the higher mechanical load so that the pulsation frequency f "is 1, the control voltage drops to Ur ' , whereas without a matching piece it would only drop to U.1 the resonance curve R in R "with the resonance at f'ö above. When the pulsation frequency rises to f12, the control voltage rises to the value Ui, 'compared to U, 2 without an adjustment piece. For speed fluctuations caused by changing mechanical loads, with a suitable ferromagnetic piece in the air gap of the transformer core, the steepness of the resonance curve is significantly greater than the steepness of the resonance curve with constant inductance of winding b of the resonant circuit.

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann selbstverständlich an Stelle des pnp-Transistors ein npn-Transistor oder eine Elektronenröhre verwendet werden, wobei die Polarität der Steuerspannung entsprechend gewählt werden muß. Ferner kann die Drehzahl auch stetig durch einen Drehkondensator im Schwingkreis eingestellt werden.The invention is not restricted to the exemplary embodiment. So can of course instead of the pnp transistor an npn transistor or a Electron tubes are used, the polarity of the control voltage accordingly must be chosen. Furthermore, the speed can also be steady by means of a variable capacitor can be set in the oscillating circuit.

Claims

CLAIMS: 1. A method for speed control of a Gleichstromkommutatormotors with the help of an in its armature circuit electronic actuator, in particular a transistor, data carried in that a derived from the frequency of the ripple voltage occurring in the armature circuit through the commutation voltage controls the electronic actuator.

2. The method according to claim 1, characterized in that the control voltage for the electronic actuator is obtained with the help of an electrical oscillating circuit, its resonance frequency is slightly higher than the pulsation frequency corresponding to the nominal speed of the motor, by the voltage induced in a circuit coupled to this resonant circuit rectified and the control electrode of the electronic actuator with such Polarity is supplied that the resistance of the main circuit of the actuator increases with increasing engine speed.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that different speeds of the engine by changing the The resonance frequency of the oscillating circuit can be set continuously or in steps.

4th Device for carrying out the method according to Claims 1 to 3, characterized in that that in the armature circuit a triode and the primary winding of a transformer are connected in series, one secondary winding of which has the inductance of a resonant circuit and its second secondary winding via a rectifier to the control electrode connected to the triode.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that that the core of the transformer has an air gap in which a piece of ferromagnetic Material with high initial permeability and low saturation is arranged. Documents considered: German Patent No. 368 227; German Auslegeschrift V 6875 VIII b / 21 c (published on July 12, 1956).