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Einrichtung zur Drehzahl- und Drehwinkelsteuerung eines Mehrphasensynchronmotors
Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Drehzahl- und Drehwinkelsteuerung
eines aus einer Gleichstromquelle gespeisten Mehrphasensynchronmotors in beiden
Drehrichtungen mit Hilfe eines einen elektronischen Zähler steuernden Impulsgenerators,
dessen Impulsfrequenz einstellbar ist.
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Elektromotoren mit zwei- oder dreiphasiger Ständerwihlung und mit
einem gepolten Läufer mit Gleichfeld werden, wenn sie an ein Wechsel- oder Drehstromnetz
angeschlossen werden, als Synchronmotoren bezeichnet, weil die Läufer bei normaler
Belastung synchron dem kontinuierlich umlaufenden Magnetfeld des Ständers folgen.
Soll die Drehzahl eines solchen Synchronmotors verändert werden, dann muß die Frequenz
des Wechsel- oder Drehstroms gesteuert oder geregelt werden.
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Hierzu sind bisher eine Reihe von Verfahren bekanntgeworden, so z.
B. das, den Synchronmotor von einem Drehstromgenerator zu speisen, der durch einen
Elektromotor mit veränderbarer Drehzahl angetrieben wird, oder den Synchronmotor
mit drei mit entsprechender Phasenverschiebung betriebenen elektronischen Schwingungsgeneratoren
zu verbinden, die ihrerseits als RC- oder LC-Generatoren mit zugehörigen Leistungsverstärkern
aufgebaut sind.
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Die Genauigkeit der Frequenzsteuerung ist bei diesen Verfahren begrenzt.
Eine über einen großen Bereich stufenlose Frequenz- bzw. Drehzahlsteuerung ist nicht
oder nur mit großem Aufwand möglich. Bei Verwendung von Motorgeneratoren ist die
Höhe der induzierten Spannung von der Drehzahl abhängig. Vor allem aber lassen sich
beide Generatoren nicht auf beliebig niedrige Frequenzen oder Drehzahlen herabsteuern.
Im Stillstand, bei dei Frequenz Null, geben sie keine Spannung ab, so daß der von
ihnen gespeiste Synchronino'tor eine instabile Lage erhält. Sein Läufer läßt sich
dann mechanisch verstellen. Beispielsweise kann er wegen seiner kinetischen Energie
beliebig auslaufen.
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Eine andere bekannte Einrichtung benutzt einen mechanisch angetriebenen
photoelektrischen Impulsgeber in Verbindung mit einer Zählringschaltung, um von
einer mit konstanter Winkelgeschwindigkeit umlaufenden Lochscheibe über die photoclektrische
Abfrageeinrichtung mittels eines Ringzählers einen Mehrphasenmotor aus dem Stillstand
in einen Lauf synchron zur Winkelgeschwindigkeit der Lochscheibe und gegebenenfalls
wieder zum Stillstand zu bringen. Dieser mechanisch angetriebene Geber vermag aber
nur eine verhältnismäßig niedrige Impulsfolge zu liefern und begrenzt außerdem durch
die ihm notwendigerweise anhaftende Trägheit die Steuerungsgeschwindigkeit. Außerdem
sind das Anlauf- und Bremsverhalten des Motors durch eine Lochscheibe mit gegebener
Lochanordnung und Lochzahl vorbestimmt und nur durch Austausch gegen eine andere
Lochscheibe anpassungsfähig. Die bei der Einrichtung vorhandenen Relais sind dem
Verschleiß unterliegende mechanische Teile. Der verwendete Zähler läßt eine Anpassung
an beliebig fein unterteilte Winkelschritte des Motors nicht zu, da er seiner Art
nach ein Ringzähler und kein Binärzähler ist und dementsprechend auch einen
erheblichen Schaltaufwand erfordert. Zudem ist die Anordnung erst dann funktionsfähig,
wenn der Zähler eine Mindestimpulszahl durchlaufen hat, ehe der Motor eingeschaltet
wird. Er besitzt also den weiteren Mangel, daß nicht schon der erste Impuls den
Motor in Bewegung setzt.
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Weiterhin ist es bekannt, Gleichstrom- oder Wechselstrom in Drehstrom
einstellbarer Frequenz dadurch umzuformen, daß durch Auf- und Zuregeln von schnellschaltenden
Halbleiterelementen in einer Brückenschaltung ein rechteckförmigei Wechselstrom
entsteht wobei der rechteckförnüge Wechselstrom ein Tastverhältnis von etwa
1: 1 über 360' einer Periode des Wechselstroms bildet. Durch zeitliche
Versetzung um je 1201 in der Impulsfolge in den drei Zweigen einer Drehstrombrücke
entsteht dabei einDrehstrom von einstellbarerFrequenz. Mit einer solchen Anordnung
läßt sich ebenfalls ein Synchronmotor betreiben, jedoch nicht so steuern, daß er
auf einem bestimmten Winkelschritt anhält, sofern man kleinere Schritte als etwa
601
wünscht. Ferner gestattet die Anordnung nicht daß man sie auf eine gewünschte
Anzahl von auszuführenden Winkelschritten voreinstellt.
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Es ist ferner bekannt, die Rechteckhalbwellen einer derartigen Anordnung
mittels eines »Amplivibrators
« in ihrem Strommittelwert so zu verändern,
daß statt eines Stromrechteckes ein angenäherter Sinusverlauf des Stromes erzeugt
wird. Aber auch mit diesem Mittel kann man den Motor nicht auf einen Winkelschritt
von weniger als 601
elektrisch steuern.
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Eine andere bekannte Einrichtung bezieht sich darauf, mit einem Dreipliasenimpulsgenerator
mit einstellbarer Frequenz ein Mehrphasensystem über eine Ringkippschaltung derartig
zu steuern, daß je
eine Sinuswelle über einen Schalttransistor der
je-
weiligen Phase im richtigen Phasenwinkel zugeführt wird. Auch eine Anordnung
dieser Art läßt sich nicht auf Winkelschritte steuern, die Bruchteile von
180' betragen.
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Mit der Einrichtung nach der Erfindung ist es möglich, ohne Benutzung
eines der bisher üblichen Z,
Drehstrorngeneratoren einen Wechsel- oder Drehstrom
mit veränderbarer Frequenz, die digital von OHz bis zur Maximalfrequenz genau gesteuert
werden kann, zu erzeugen und außerdem das Drehfeld an beliebiger Stelle anzuhalten,
ohne daß die Strom-oder Spannungswerte des Wechsel- oder Drehstromes zusammenbrechen.
DieDrebzahldesMotorläufers läßt sich dadurch in weiten Grenzen verändern, ohne daß
bei der Frequenz Null der Läufer hinsichtlich seiner eingenommenen Winkelstellung
etwa instabil würde. Das vorher umlaufende Magnetfeld des Ständers bleibt vielmehr
stehen und fesselt den Läufer an die eingenommene Winkellage.
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Erfindungsgemäß wird das mit einer Einrichtung zur Drehzahl- und Drehwinkelsteuerung
eines aus einer Gleichstromquelle gespeisten Mehrphasensynchronmotors in beiden
Drehrichtungen mit Hilfe eines einen elektronischen Zählers steuernden Impulsgenerators
mit einstellbarer Impulsfrequenz dadurch erreicht, daß der Zähler, als Binärzähler
vor-oder rückwärts zählend, drei mit mehreren verschieden großen Widerständen und
mit Diodengattern versehene Entschlüsselungseinheiten so zyklisch steuert, daß über
Gleichstromverstärker und Impedanzwandierstufen mehrere, entsprechend der Phasenzahl
des Motors zeitlich verschobene, treppenförmig zu- und abnehmende Spannungen, deren
Umhüllende Sinusfunktionen sind, erzeugt werden, die den Mehrphasenwicklungen des
Motors zugeführt werden.
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Infolgedessen entsteht ein Drehfeld, das den gepolten Läufer bei jedem
Spannungssehritt der Treppenspannung um einen definierten Drehwinkel dreht. Wird
der Rhythmus der Schalteinrichtung angehalten, dann bleiben die jeweiligen Treppenspannungswerte
erhalten, so daß der Läufer in der gerade erreichten Lage festgehalten wird.
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Die Einrichtung nach der Erfindung besteht aus folgenden Bauteilen:
Einem abstimmbaren Impulsgenerator, dessen Impulsfolgefrequenzen von 0 bis
etwa 5000 Hz; verändert werden kann. Von den zahlreichen an sich bekannten
Frequenzgeneratoren eignen sich für diesenZweck besondersSchwebungssummer, bei denen
durch die Mischung zweier relativ hoher Frequenzen das gewünschte Frequenzband leicht
stufenlos überstrichen werden kann, sowie Sperrschwinger, bei denen der Entladungsstrom
beispielsweise durch einen Stellwiderstand mit logarithmischer Kennlinie in einem
weiten Bereich geändert werden kann.
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Eine Drehzahlsteuerung mit hoher Genauigkeit läßt sich ferner dadurch
erreichen, daß die Frequenz eines Quar-zoszillators digital geteilt wird, wobei
zur Drelizahländerum, das Teilerverhältnis ebenfalls digital geändert wird.
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Einem binären Zähler, der vor- und rückwärts zählen kann und der beispielsweise
vierundzwanzig Stellen besitzt, Dafür eignet sich gut ein uriter Verwendung von
Transistoren aufgebauter Binärzähler, der aus bistabilen Multivibratorstufen in
an sich bekannter Schaltung aufgebaut ist. Der bistabile Multivibrator schaltet
bei jeder positiven Flanke der an seinem Eingang angeIegten, vom Frequenzgenerator
gelieferten Spannung einmal um. Dadurch entsteht an seinen Ausgängen eine Impulsspannung
mit der halben Frequenz der Eingangsspannung.
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Durch die Hintereinanderschaltung von fünf bistabilen Multivibratoren
entsteht ein Binärzähler mit zweiundAmißig Stellungen. Durch eine Rückführung von
der fünften zur vierten Stufe werden acht der zweiunddreißig Stellungen übersprungen,
so daß vierundzwanzig Stellungen verbleiben.
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An die Ausgänge dieses Zählers sind drei Entschlüsselungseinheiten
angeschlossen, von denen jede vierundzwanzig unterschiedlich hohe, über
je
ein Diodengattter schaltbare Widerstände sowie einen nachgeschalteten GleiAstromverstärker
enthält.
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Die Diodengatter bewirken, daß jeweils nur ein einziger der insgesamt
vierundzwanzig Widerstände, und zwar derjenige, welcher der jeweiligen Zählstellung
des binären Zählers entspricht, für den nachgeschalteten Gleichstromverstärker wirksam
ist.
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Die Diodengatter weisen sämtlich die gleiche Schaltanordnung auf,
aber jedes der vierundzwanzig Diodengatter ist einem anderen Widerstandswert zugeordnet.
Diese unterschiedlichen Widerstandswerte erzeugen aus der angelegten Gesamtgleichspannung
die verschiedenen Teilspannungen der Treppenkurve. Die Schaltung der Diodengatter
erfolgt entsprechend dem Zählkode des binären Zählers, der mithin die rhythmische
Auf- und Abwärtsschaltung der Treppenspannungen besorgt.
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An jede Entschlüsselungseinheit schließt sich noch eine Impedanzwandlerstufe
an, die entsprechend den Steuerimpulsen den Ständerwicklungen des Mehrphasensynchronmotors
die erforderliche elektrische Leistung mit zu- und abnehmender Spannungsamplitude
zuführt.
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Ist z die Stellenzahl des binären Zählers (also beispielsweise vierundzwanzig)
und f die Impulsfolgefrequenz, die mit dem Frequenzgenerator erzeugt werden kann,
dann beträgt die Motordrehzahl
Umdrehungen in der Minute, d. h. bei z = 24 ist die Drehzahl das 2,5fache
der Frequenz. Hierbei wird aber der Motorläufer bei jedem Eingangsimpuls um einen
Drehwinkel von
= 15, gedreht, und zwar ebenso bei langsamen wie auch bei schnellen
Frequenzen. Man kann infolgedessen eine Drehzahlsteuerung von 0 bis zu mehreren
1000 Umdrehungen in der Minute erreichen. Hierbei nimmt aber das Drehmoment
beiden niedrigen Drehzahlen nicht ab. Dies ist mit anderen Drehzahlsteuereinrichtungen
nicht zu erreichen. Hinzukommt, daß der binäre Zähler auf Vorwärts- und auf Rückwärtszählen
eingestellt werden kann, was eine Drehrichtungsumkehr des Motorläufers zur Folge
hat. Man kann also die Drehzahl des Synehronmotors
aus der einen
Richtung durch Null hindurch bis in die entgegengesetzte Richtung verändern, was
mit anderen Drehzahlsteuereinrichtungen in so weiten Grenzen bisher nicht möglich
war.
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Bei niedrigen Drehzahlen dreht sich der Läufer um definierte Winkelschritte,
ohne daß aber der Motor etwa einem Schrittschaltmotor entsprechen würde. Die Winkelschritte
eines Schrittschaltmotors sind nämlich durch die Zahl seiner Pole und Teilwicklungen
fest bestimmt, während der Motor nach der Erfindung eine größere Anzahl stabiler
Winkelstellungen aufweist, als sich aus den Polen und Teilwicklungen ergeben würde.
Dies beruht darauf, daß nicht, wie bei einem Schrittschaltmotor, die Teilwicklungen
ein- und ausgeschaltet werden, sondern daß durch die in die Wicklungen eingespeisten
treppenförmigen Ströme in Verbindung mit der Kopplung der drei Teilwicklungen ein
resultierendes Magnetfeld entsteht, das auch Zwischenrichtungen zwischen den Polrichtungen
annehmen kann. Die Anzahl der definierten Winkelstellungen wird mithin durch die
Stellenzahl des binären Zählers bestimmt.
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Gegenüber den an sich bekannten Schrittschaltmotoren, die durch Einzelimpulse
schrittweise weitergeschaltet werden, hat die Einrichtung nach der Erfindung den
Vorteil, daß erheblich höhere Impulsfolgefrequenzen und damit höhere Drehzahlen
möglich sind. Außerdem entsteht ein weicherer Lauf sowie eine große Unempfindlichkeit
gegen möglicherweise einmal auftretende Unregelmäßigkeiten in der Impulsfolge. Wenn
beispielsweise in einem sonst geschlossenen Impulsablauf einmal ein einzelner Impuls
fehlen sollte, dann bleibt der Motor nicht stehen, sondern gleicht dies bei den
nächsten Impulsen aus.
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Auf der anderen Seite würde der Motorläufer, wenn er durch eine kurzzeitige
mechanische Hemmung gegenüber der ihn steuernden Treppenspannung zurückgeblieben
wäre, nach überwindung des mechanischen Widerstandes beschleunigt nacheilen und
nicht »außer Tritt« kommen.
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Ein weiterer großer Vorteil ist die große Anpassungsfähigkeit, die
sich daraus ergibt, daß die Schrittzahl des Motors, bezogen auf eine einzige Umdrehung,
in einfacher Weise durch die Stellenzahl des binären Zählers geändert werden kann.
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Da der binäre Zähler als Zählwerk ausgebildet werden kann, das nach
Erreichen einer vorgewählten Zahl den Zähler abschaltet oder den Frequenzgenerator
auf die Frequenz Null schaltet, ist es weiterhin möglich, nicht nur die Drehzahl,
sondern auch die Anzahl der Umdrehungen zu steuern, und zwar auf die Stellenzahl
des binären Zählers genau, d. h. im vorliegenden Falle auf 1 einer
Motor-24 läuferumdrehung genau. Damit erhält die Drehzahlsteuerung den Charakter
einer messenden Drehzahlsteuerung oder einer Drehzahl- und Drehwinkelsteuerun-.
Treibt der Motorläufer über eine Spindel und Mutter oder über ein Zahnradritzel
und eine Zahnstange ein längsverschiebbares Element einer Maschine, beispielsweise
einen Maschinenschlitten, an, dann lassen sich mit der Einrichtung nach der Erfindung
genau definierte Wegstrecken vorschreiben und zurücklegen. Für eine Vorwahl mehrerer
Umdrehungen müssen selbstverständlich weitere bistabile Multivibratoren angeschlossen
werden. Statt eines normalen Synchronmotors läßt sich auch ein Drehfeldgeber anschließen,
d. h. ein Motor, der eine dreiphasige Ständerwicklung und eine einphasige
Läuferwicklung besitzt. In diesem Fall muß natürlich die Läuferwicklung mit Gleichstrom
gespeist werden. Der Vorteil dieses Motors besteht darin, daß eine größere Genauigkeit
der Einzelschritte erreicht werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in A b b. 1 bis
6 dargestellt. A b b. 1 stellt einen überblick über die gesamte Schaltanordnung
dar. Eine Gleichstromquelle 1 gibt ihre Spannung über einen positiven Leiter
2 und einen negativen Leiter 3 ab. Der Gleichstrom kann auch aus einem Wechselstromnetz
durch Gleichrichtung gewonnen werden.
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Ein Frequenzgenerator 4 liefert eine Impulsfolge 5, deren Frequenz
durch Verstellung eines Stellgliedes 6 in weiten Grenzen verändert werden
kann. An den Frequenzgenerator 4 ist ein Binärzähler 7 angeschlossen, dessen
inneren Aufbau die A b b. 2 näher erläutert. Je nach Stellung eines Schalters
8 kann dieser Zähler vor- oder rückwärts zählen. Mit Hilfe von Einstellgliedem
9 für eine vorgewählte Zahl schaltet der binäre Zähler 7 nach Erreichen
dieser Zahl ab.
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An diesen binären Zähler 7 schließen sich drei Entschlüsselungseinheiten
10, 11 und 12 an, deren Schaltanordnung die A b b. 3 wiedergibt. Jede
dieser Entschlüsselungseinheiten steuert eine Impedanzwandlerstufe 13, 14,
15, die jede mit einer Wicklung 16, 17, 18 eines Synchronmotors 20
verbunden ist. Die Läuferwicklung 19 dieses Motors wird durch die Spannung
der Gleichstromquelle 1 erregt.
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Ab b . 2 zeigt den Aufbau des binären Zählers 7
aus fünf
bistabilen Multivibratoren 21 bis 25, die mit ihren Anschlüssen
26 bis 28 an den Frequenzgenerator 4 angeschlossen sind. Dieser 32stellige
Binärzähler wird durch eine Rückführung 29 zwischen dem fünften und dem vierten
Multivibrator auf vierundzwanzig Stellen reduziert. Die Ausgänge a bis e dieser
Multivibratoren, deren verschiedene Zustände durch 0 und L gekennzeichnet
sind, sind mit den Eingängen der mit Diodengattern versehenen Entschlüsselungseinheiten
10 bis 12 verbunden.
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Ab b. 3 zeigt ein solches Diodengatter, das aus vierundzwanzig
Widerständen RO bis R,3 besteht, wobei aber nur die Widerstände
R., Ri und R.', gezeichnet sind. Die jeweilige Einschaltung ieser Widerstände
erfolgt von den Maltivibratorausgängen a bis e aus über Dioden 30, 31. Die
Widerstände RO bis R23 sind ihrerseits an die Gleichstromquelle 1 bzw. an
die Leiter 2 und 3 angeschlossen, wobei sich im Ausgang des Diodengatters
noch ein Transistor-Gleichstromverstärker 32, 33, 34 befindet. Die Ausgangsleitung
35 führt zu einer der Impedanzwandlerstufen 13 bis 15.
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In Abb.4 ist die Impulsfolge 5 dargestellt und die sich am
Ausgang der drei Entschlüsselungseinheiten 10, 11 und 12 ergebende, um 120'
verschobene Treppenspannung 36, 37, 38. Die Umhüllende dieser Treppenkurve
stellt eine Sinusfunktion dar.
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A b b. 5 läßt erkennen, wie sich die Ausgänge a bis
e der bistabilen Muttivibratoren 21 bis 25 des binären Zählers
7, bezogen auf die vierundzwanzig Stellen dieses Zählers, im Schaltzustand
L oder 0
befinden. Entsprechend diesen Schaltzuständen
schalten
die Diodengatter der Entschlüsselungseinheiten 10 bis 12 die Widerstände
RO bis R2, zu
oder ab.
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Welche Treppenspannung diesen vierundzwanzig Widerstandsstufen zugeordnet
ist, zeigt die Verfolgung einer solchen Treppenspannungskurve in Ab b. 4.
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Der Ausgang 35 der Entschlüsselungseinheit in Abb.3 ist mit
dem Eingang 40 einer Impedanzwandlerstufe (z. B. 13) verbunden, die durch
A b b. 6
verdeutlicht wird. Sie besteht aus vier symmetrisch geschalteten
Transistoren 13 a bis 13 d, an die eine Ständerwicklung
16 des Motors geschlossen ist.