-
Anordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors mittels eines
im Ankerstromkreis angeordneten Schalttransistors Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors mittels eines im Ankerstromkreis angeordneten
Schalttransistors, den eine bistabile Kippschaltung in Abhängigkeit vom zeitlichen
Abstand zwischen den von einem instabilen Kippgenerator mit einer der Solldrehzahl
proportionalen Frequenz abgegebenen Sollwertimpulsen und den von einem Istwertimpulsgeber
mit einer der Istdrehzahl proportionalen Frequenz abgegebenen Istwertimpulsen steuert.
-
Es sind bereits Drehzahlregeleinrichtungen für Gleichstrommotoren
bekannt, die unter Verwendung von Rechteckimpulsen arbeiten, welche abhängig von
einer von einem Tachometerdynamo proportional der Istdrehzahl erzeugten Gleichspannung
bezüglich ihrer Impulsdauer moduliert werden (deutsche Auslegeschrift 1021025).
In dieser Einrichtung werden die in einer Transistorschaltanordnung erzeugten Rechteckimpulse
über einen Leistungsverstärker dem Anker des Gleichstrommotors zugeführt. Dabei
wird ferner die von dem Tachometerdynamo erzeugte Istwertgleichspannung mit einer
konstanten Sollwertgleichspannung verglichen, um eine der Drehzahlregelabweichung
proportionale Steuergröße zu erhalten.
-
In einer anderen Anordnung (britische Patentschrift 802184), liegt
im Erregerstromkreis eines Gleichstrommotors ein Transistor, dessen Leitungszustand
während jeder Periode eines Dreieckspannungssignals abhängig von der Drehzahlregelabweichung,
die durch Vergleich der von einem Tachometerdynamo gelieferten Istwertgleichspannung
mit einer Sollwertgleichspannung erhalten wird, geändert wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehzahlregelanordnung
zu schaffen, die besonders einfach ist und ohne Verwendung eines Tachometerdynamos
und einer zusätzlichen Gleichstromquelle - außer der für den Motor erforderlichen
Stromquelle - auskommt. Die Regelgenauigkeit für die Drehzahl beträgt dabei etwa
0,1 Q/o.
-
Die eingangs genannte Anordnung zur Drehzahlregelung ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß dem mit einem RC-Glied ausgestatteten instabilen Kippgenerator
ein durch die Istwertimpulse gesteuertes Sperrglied zugeordnet ist, das bei sich
drehendem Motor die einen Sollwertimpuls hervorrufende Entladung des Kondensators
des RC-Gliedes bis zum Auftreten eines Istwertimpulses verhindert.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Darin zeigt F i g. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Drehzahlregelung
und F i g. 2 eine Darstellung einiger der in der Regelanordnung vorkommenden Impulse.
-
Bei der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Stromversorgung
der Drehzahlregelanordnung aus einer Gleichstromquelle, deren Polarität vom verwendeten
Transistortyp abhängt. Wenn die Eingangsklemmen 30 und 32 an Spannung liegen und
der Leistungstransistor 16, welcher den Ankerstrom des Motors steuert, nichtleitend
ist, dann ist der Motor 1
abgeschaltet. Der Transistor 16 wirkt als Ein- und
Ausschalter. Wenn der Transistor 16 nichtleitend ist, dann ist der Transistor 18
ebenfalls nichtleitend, so daß der Transistor 20 leitend sein muß. Wenn die Transistoren
16 und 18 gesperrt sind, arbeitet der Transistor 20 vom Emitter zum Kollektor im
wesentlichen als geschlossener Schalter, so daß das Potential am Kollektor nahezu
gleich dem Potential der Klemme 32 ist. In diesem Fall ist auch die Spannung an
den in Reihenschaltung befindlichen Widerständen 27 und 34 im wesentlichen Null.
Der Punkt 25 hat daher nahezu das gleiche Potential wie die Klemme 32. Hierdurch
werden die Transistoren 16 und 18 nichtleitend gehalten.
-
Wenn der Basis des Transistors 22 ein negativer Impuls von einem instabilen
Kippgenerator 58 zugeführt wird, dessen Frequenz konstant und der Solldrehzahl
proportional ist, so wird der Transistor 22 leitend, so daß er als geschlossener
Schalter wirkt. Wenn sich dieser »Schalter« schließt, wird die Basis des Transistors
20 mit der positiven Klemme 32 verbunden, so daß Basis und Emitter des Transistors
20 gleiches Potential haben. Damit wird der Transistor 20 abgeschaltet und Strom
kann von der positiven
Klemme 32 durch die in Reihe geschalteten
Widerstände 34, 27 und 28 zur negativen Klemme 30 fließen. Wegen dieser Spannungsteilung
wird die Basis des Transistors 18, welche mit Punkt 25 zwischen den Widerständen
34 und 27 verbunden ist, gegenüber der positiven Klemme 32 negativ. Da die Basis
des Transistors 18 in bezug auf dessen Emitter negativ wird, wird der Transistor
18 leitend. Damit wird die Basis des Transistors 16 gegenüber dessen Emitter auch
negativ, wodurch der Transistor 16 ebenfalls leitend wird. Die Schaltung bleibt
in diesem Zustand stabil, da, wenn die Transistoren 16 und 18 beide leitend sind,
das Potential am Kollektor des Transistors 18 im wesentlichen gleich dem Potential
der Klemme 32 ist. Daher liegt an der Basis des Transistors 20, welche mit der Verbindungsstelle
zwischen den Widerständen 26 und 36 verbunden ist, ebenfalls nahezu das Potential
der positiven Klemme 32, so daß der Transistor 20 nicht leitet. Das System
bleibt dann in diesem Zustand bei eingeschaltetem Motor und leitenden Transistoren
16 und 18 stabil.
-
Die bistabile Kippschaltung umfaßt die ohmschen Widerstände 24, 28,
26, 27, 34 und 36 sowie die Transistoren 16, 18 und 20.
-
Wenn dem Motor 1 Strom zugeführt wird, wird er beschleunigt, so daß
in der Spule 2 eines Istwertimpulsgebers eine Spannung induziert wird. Der Istwertimpulsgeber
besteht aus einer Spule 2, die um einen Kern 3 aus magnetischem Material gewickelt
ist, welcher in einer Öffnung in einem Polschuh des Motors eingebettet ist. Wenn
sich eine Ankernut unter dem Kern 3 der Spule 2 vorbeibewegt, wird der magnetische
Widerstand des magnetischen Kraftlinienwegs stark erhöht. Dies hat zur Folge, daß
der Kraftlinien$uß durch den Kern 3 abnimmt. Durch diese Veränderung im Kraftlinien$uß
durch den Kern wird in der Spule 2 eine Spannung erzeugt, deren Frequenz durch die
Motoristdrehzahl bestimmt wird. Die in der Spule 2 induzierte Spannung wird der
Basis eines Transistors 14 zugeführt. Wenn die Basis des Transistors 14 in bezug
auf den an die positive Klemme 32 angeschlossenen Emitter negativ ist, leitet der
Transistor 14. Der Transistor 14 wirkt dann als geschlossener Schalter von niedrigem
Widerstand zwischen der positiven Klemme 32 und der Basis des Transistors 18. Diese
bedeutet, daß die Basis und der Emitter des Transistors 18 mit der gleichen Klemme
32 verbunden werden und kein Strom fließen kann, so daß der Transistor 18 nichtleitend
wird und abschaltet. Wenn der Transistor 18 nichtleitend wird, wird der Transistor
16 ebenfalls nichtleitend, so daß dem Motor 1 kein Strom mehr zugeführt wird. Der
Transistor 20 beginnt, sobald der Transistor 18 nichtleitend wird, leitend zu werden,
da der Strom durch die Widerstände 24, 26 und 36 zur Folge hat, daß die Basis des
Transistors 20 in bezug auf seinen Emitter negativ wird, so daß die bistabile
Kippschaltung dann im entgegengesetzten Zustand bei vom Motor 1 abgeschalteter Stromversorgung
stabil wird. Die bistabile Kippschaltung bleibt so lange in diesem Zustand, bis
der Basis des Transistors 22 ein weiterer negativer Impuls zugeführt wird und sich
der vorangehend beschriebene Vorgang wiederholt. Diese Umschaltung der Kippschaltung
aus dem einen stabilen Zustand in den anderen geschieht mit einer verhältnismäßig
hohen Geschwindigkeit. Soll beispielsweise der Motor auf eine Drehzahl von 1200
U/min geregelt werden und ein Anker mit fünf Nuten verwendet werden, so werden 60
000 Impulse je Minute oder 1000 Impulse je Sekunde erzeugt.
-
Die Sollwertimpulsquelle wird daher so gewählt, daß sie ebenfalls
1000 Impulse je Sekunde erzeugt und die Gesamtzeit vom Einschaltzustand zum Abschaltzustand
und wieder zurück zum Einschaltzustand eine Millisekunde beträgt. Der Transistor
16 trennt den Motor 1 von der bistabilen Kippschaltung, der Transistor 14 trennt
die _ Spule 2 von der Kippschaltung und der Transistor 22 trennt den instabilen
Kippgenerator 58 von der bistabilen Kippschaltung. Ein Sperrglied stellt sicher,
daß keine Synchronisierung mit einer unerwünschten Harmonischen der Sollwertimpulsfrequenzen
erfolgt. Dieses Sperrglied umfaßt einen Transistor 50, einen Widerstand 66 und einen
Widerstand 52. Der Transistor 50 bewirkt eine Dehnung der Abstände zwischen den
Sollwertimpulsen beim Anlauf des Motors.
-
Im instabilen Kippgenerator 58 hat der Transistor 54 zwei Basiselektroden
56 und 57 und eine Emitterelektrode 55. Ein solcher Transistor kann als Doppelbasisdiode
bezeichnet werden. Der Transistor 54 arbeitet ähnlich wie ein Thyratron. An die
Basis 57 wird ein positives Potential gelegt und an die Basis 56 über den Widerstand
52 ein negatives Potential. Transistoren dieser Art haben die Eigenschaft, daß,
solange die Spannung zwischen Emitter 55 und Basis 56 etwa 6/1o oder 7/io der zwischen
den beiden Basiselektroden liegenden Spannung nicht überschreitet, kein Strom durch
den Emitter 55 fließt. Sobald die Spannung zwischen Emitter 55 und Basis 56 diese
Grenze überschreitet, fließt ein Strom und der Transistor 54 wirkt vom Emitter
55 zur Basis 56 als Strecke von niedriger Impedanz. Solange der Strom
aufrechterhalten wird, bleibt der Transistor 54 leitend. Dieser Betriebszustand
dauert so lange an, bis der Strom unterbrochen wird. Nach der Unterbrechung des
Stromes durch den Transistor 54 bleibt dieser wiederum vom Emitter 55 zur
Basis 56 nichtleitend, bis die Spannung am Emitter 55 das vorher erzielte
Verhältnis überschreitet.
-
Der Kondensator 64 wird über den Widerstand 60 aufgeladen. Wenn die
Spannung zwischen Emitter 55 und Basis 56 die Ansprechspannung des Transistors 54
überschreitet, wird der Kondensator 64 über den Emitter 55 und die Basis 56 entladen.
Wenn der Entladestrom aufhört, d. h. der Kondensator entladen ist, reicht der Strom
durch den Widerstand 60 nicht aus, den Leitungszustand des Transistors 54 aufrechtzuerhalten.
Nach Entladung des Kondensators 64 beginnt sich deshalb die Spannung zwischen Emitter
55 und Basis 56 des Transistors 54 wieder aufzubauen, bis sie
wiederum den Durchgangspunkt erreicht. Das periodische Zusammenwirken des Kondensators
64 mit dem Transistor 54 dauert an, so daß eine Impulsfolge erzielt wird, die je
nach dem Wert der gewählten Bauelemente einen gewünschten zeitlichen Verlauf annehmen
kann. Der Kondensator 62 ist ein Kopplungskondensator zur Weiterleitung der Impulse
vom Transistor 54 zur vorangehend beschriebenen Kippschaltung. Wenn sich der Kondensator
64 entlädt, fließt ein Strom durch den Kondensator 62, der den Transistor 22 einschaltet,
der seinerseits den Transistor 20 abschaltet. Der Widerstand 60 bestimmt die Geschwindigkeit,
mit welcher der Kondensator 64 aufgeladen wird. Durch Veränderung des Wertes des
Widerstandes 60 kann die Frequenz der Impulsfolge am Transistor 54 verändert werden.
Die
gleiche Wirkung kann .durch Veränderung des Wertes des Kondensators
64 erzielt werden. Der instabile Kippgenerator 58 für die Sollwertimpulse besteht
daher im wesentlichen aus den Bauelementen 64, 54, 60 und 62.
-
Der Transistor 50 im Sperrglied verhindert bei anlaufendem
Motor die einen Sollwertimpuls hervorrufende Entladung des Kondensators 64 des RC-Gliedes
60, 64 bis zum Auftreten eines Istwertimpulses.
-
Das Sperrglied bewirkt die Stabilisierung der Arbeitsweise der Anordnung
und verhindert eine Synchronisierung bei ungeraden Vielfachen oder Untervielfachen
der Sollwertfrequenz. Der Transistor 50 ist so geschaltet, daß der Emitter 63 mit
der positiven Klemme 32 und der Kollektor 65 mit der Basis 56 des Transistors 54
verbunden ist. Die Basis 67 des Transistors 50 ist über einen Widerstand 66 mit
dem Kollektor des Transistors 20 verbunden.
-
Wie erwähnt, ist, wenn der Motor 1 Strom führt, der Transistor 20
abgeschaltet. Dies bedeutet, daß kein Strom durch den Emitter zum Kollektor des,
Transistors 20 fließt, so daß das Kollektorpotential des Transistors 20 gegenüber
der positiven Klemme 32 stark negativ wird. Wenn dies geschieht, fließt ein Strom
von der positiven Klemme 32 über den Emitter 63 und die Basis 67 des Transistors
50 und über den Widerstand 66 infolge des Potentialunterschiedes zwischen dem Emitter
63 und der Basis 67. Wenn Strom vom Emitter 63 zur Basis 67 fließt, besteht ein
geringer Widerstand zwischen Emitter 63 und Kollektor 65 des Transistors
50. Infolge dieses geringen Widerstandes ist die Basis 56 des Transistors
54 wirksam mit der positiven Klemme 32 verbunden, so daß an den beiden Basiselektroden
56 und 57 des Transistors 54 kein Potentialunterschied besteht. Deshalb kann sich
der Kondensator 64 nicht über den Transistor 54 entladen, so daß er über den Widerstand
60 die volle Spannung annehmen kann, wenn diese Bedingung für einen ausreichenden
Zeitraum aufrechterhalten bleibt. Der Kondensator 64 bleibt geladen, bis ein Impuls
von der Spule 2 über die Transistoren 18 und 16 den Motor abschaltet. Wenn der Motor
abgeschaltet wird, wird der Transistor 20 leitend, und der Kollektor des Transistors
20 hat dann das Potential der Klemme 32. Es ist dann kein Spannungsunterschied mehr
vorhanden, welcher einen Strom vom Emitter 63 zur Basis 67 des Transistors 50 ermöglicht.
Da vom Emitter zur Basis des Transistors 50 kein Strom fließt, ist die Impedanz
vom Emitter zum Kollektor des Transistors 50 sehr hoch, so daß die Basis
56 wiederum wirksam mit der negativen Klemme 30 über den Widerstand 52 verbunden
wird. Wenn dies geschieht, besteht wiederum ein Spannungsunterschied zwischen den
Basiselektroden 56 und 57 des Transistors 54, so daß sich der Kondensator 64 wieder
entladen und einen Impuls erzeugen kann, welcher den Motor einschaltet.
-
Wenn ein Sollwertimpuls aus der Entladung des Kondensators 64 den
Motor einschaltet, ist ein endlicher Zeitraum erforderlich, bevor der Kondensator
64 wiederum bis zu dem Punkt aufgeladen wird, an welchem er wieder entladen werden
und einen weiteren Sollwertimpuls erzeugen kann. Wenn in der Zwischenzeit ein Istwertimpuls
aus der Spule 2 die Abschaltung des Motorstroms bewirkt, entlädt sich der Kondensator
64 nach Ablauf der zur Aufladung benötigten, von der Zeitkonstante des RC-Gliedes
60, 64 abhängigen Zeit und schaltet den Motor wieder ein. Wenn aber der Motor zu
langsam läuft und der Kondensator 64 bereits bis zu seiner zur normalen Entladung
erforderlichen Spannung aufgeladen ist, bevor der Motor wieder abgeschaltet wird,
dann wird durch die Wirkung des Sperrglieds die Entladung des Kondensators 64 verzögert
bis zu dem Augenblick, in welchem der Motor abgeschaltet wird, und erst unmittelbar
danach freigegeben, so daß der Motor sofort wieder eingeschaltet wird.
-
Beim Anlassen wird also der Motor zunächst für eine relativ lange
Zeit eingeschaltet, dann für einige Mikrosekunden abgeschaltet und danach wiederum
für eine relativ lange Zeit eingeschaltet. Der Motor wird auf diese Weise schnell
beschleunigt, bis die Motoristdrehzahl die Motorsolldrehzahl erreicht.
-
Einige der in der Anordnung auftretenden Impulse sind in F i g. 2
dargestellt. Im Anlaufbereich verzögert das Sperrglied die vom Kippgenerator
58
erzeugten, der Solldrehzahl zugeordneten Einschaltimpulse 80 bis der nächste
in der Spule 2 erzeugte, der Istdrehzahl zugeordnete Abschaltimpuls 82 auftritt.
Auf diese Weise wird die Impulsfrequenz des Kippgenerators 58 zunächst geändert.
Wenn der Motor seine Solldrehzahl erreicht hat, arbeitet der Kippgenerator 58 mit
konstanter Frequenz entsprechend den Generatorimpulsen 83, und die Stromimpulse
81 werden dem Motor entsprechend der Phasendifferenz zwischen den Einschaltimpulsen
80
und den Abschaltimpulsen 82 zugeführt.