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Verfahren zur elektronischen Drehzahlkonstanthaltung von Gleichstrommotoren
Die Anmeldung betrifft eine Schaltungsanordnung zur elektronischen Drehzahlkonstanthaltung
eines Gleichstrommotors insbesondere für Tonbandgeräte mit einem Tachometer-Wechselstromgenerator
für die Bildung einer der Motordrehzahl proportionalen Frequenz mit kapazitiven
oder fotoelektrischen Abtastmitteln.
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Zur Regelung der Drehzahl von elektrischen Motoren, z. B. von Gleichstrommotoren,
wird im einfachsten Falle ein Fliehkraftschalter verwendet, der beispielsweise bei
einer die Solldrehzahl übersteigenden Motordrehzahl den Motorstromkreis so lange
unterbricht, bis die Solldrehzahl erreicht ist und der Stromkreis wieder geschlossen
wird. Durch das selbsttätige öffnen und Schließen des Stromkreises in Abhängigkeit
von der jeweiligen Motordrehzahl tritt im Mittel die gewünschte Solldrehzahl auf.
Elektrische Kontakte von Fliehkraftschaltern haben jedoch insbesondere dann, wenn
der Motorstromkreis durch einen Kontakt unmittelbar ein- und ausgeschaltet wird,
eine kurze Lebensdauer im Vergleich zu derjenigen der übrigen Teile eines Gerätes
mit Motorantrieb.
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Eine andere bekannte Drehzahlregelung arbeitet nach dem Prinzip der
Proportionalregelung mittels eines Tachometer-Generators, der mit der Welle des
zu regelnden Motors fest gekuppelt ist und der eine der jeweiligen Drehzahl proportionale
Gleichspannung liefert, die über einen Gleichstromverstärker den Motorstrom und
damit auch die Drehzahl ändert. Der Nachteil dieser Regelungsart besteht darin,
daß der Generator für den Motor eine Belastung darstellt, die zwar bei Motoren hoher
Leistung ohne Bedeutung ist, die aber bei Kleinmotoren, die z. B. für Batterie-Tonbandgeräte
benutzt werden, stark ins Gewicht fällt. Es sind deshalb Schaltungen zur Motordrehzahlregelung
entwickelt worden, die ohne Kontakte mit beweglichen Teilen und ohne Belastung der
Motorwelle auskommen. Dabei wird beispielsweise die Motordrehzahl trägheitslos auf
fotoelektrischem, kapazitivern oder induktivern Wege abgetastet.
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Es ist ferner bekannt, die der jeweiligen Drehzahl proportionale Abtastwechselspannung
in eine Spannung zum Regeln der Motordrehzahl umzuformen.
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Bei einer anderen bekannten Anordnung zur Steuerung oder Regelung
der Drehzahl eines Gleichstromnebenschlußmotors werden die von einem Tachometer-Generator
gelieferte Frequenz und eine Bezugsfrequenz einem Modulator zugeführt, an dem eine
Frequenz gleich der Summe der Frequenzen, eine zweite Frequenz gleich der Differenz
und die Bezugsfrequenz selbst vorliegt. Mittels eines Tiefpaßfilters wird nur die
Differenzfrequenz an ein Differenzierglied weitergeleitet. Die im Differenzierglied
erzeugten Impulse steuern einen Multivibrator, der bei jedem Eingangsimpuls einen
Ausgangsimpuls vorwählbarer Impulsbreite bzw. -dauer an einen in Reihe zum Motorstromkreis
liegenden Transistor abgibt und ihn impulsweise für den Motorstrom öffnet. In Abhängigkeit
von der eingestellten Impulsbreite des Multivibrators entsteht entweder eine ohne
Pausen ineinander übergehende Impulsfolge oder eine aus getrennten Impulsen bestehende
Impulsfolge. Im zuletzt genannten Fall wird in den Impulspausen der Transistor gesperrt
und damit der Motorstrom unterbrochen. Der Motor wird also nur bei seiner Solldrehzahl
mit einer konstanten Gleichspannung betrieben, während er schon bei geringen Drehzahlabweichungen
durch eine Impulsspannung gespeist wird. Außerdem sind der Gleichstrommotor und
der Tachogenerator mechanisch gekuppelt, wodurch sich die weiter oben genannten
Nachteile ergeben. Als Nachteil erweist sich bei der bekannten Anordnung auch die
Notwendigkeit einer Bezugsfrequenzquelle und eines Modulators. Schließlich ist auch
ein Prinzip zur Drehzahlregelung bekannt, nach welchem ein mit dem Motor verbundener
Generator eine drehzahlproportionale Gleich- oder Wechselspannung liefert, die von
einer vorbestimmten Amplitude ab ein Korrektursignal an einen im Motorstromkreis
liegenden Verstärker abgibt, der dann den Motorstrom korrigiert. Zur Ausführung
des Prinzips wird außer einer speziellen induktiven Drehzahlabtastvorrichtung eine
Referenzfrequenzquelle vorausgesetzt, d. h. eine Vorrichtung mit einem Transistor,
einer
Diode und Widerständen und Kondensatoren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schaltungstechnisch
einfache und exakt arbeitende Drehzahlregelungseinrichtung zu entwickeln, die weder
eine Belastung des Motors noch eine Bereitstellung einer Referenzfrequenzquelle
voraussetzt.
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Erfindungsgemäß besteht eine Schaltungsanordnung zur elektronischen
Drehzahlkonstanthaltung eines Gleichstrommotors, insbesondere für Tonbandgeräte
mit einem Tachometer-Wechselstromgenerator, für die Bildung einer der Motordrehzahl
proportionalen Frequenz mit kapazitiven oder fotoelektrischen Abtastmitteln darin,
daß mit den Ausgangsklemmen des Drehzahlabtasters ein Vierpol aus einem im Längszweig
liegenden Parallel-Resonanzkreis mit einer Resonanzfrequenz gleich der Solldrehzahl
bzw. deren Vielfachen und einer im Querzweig liegenden Induktivität verbunden ist
und die Resonanzspannung über einen Gleichrichter mit einem Schmitt-Trigger verbunden
ist, an dessen Ausgang ein Schalttransistor angeschlossen ist, in dessen Kollektorkreis
der Motor liegt.
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Für die Einstellung der gewünschten Solldrehzahl kann von folgenden
Möglichkeiten Gebrauch gemacht werden: a) Änderung des Frequenzganges des Netzwerks;
dadurch wird dasjenige Spannungsniveau, bei dem der bistabile Multivibrator anspricht,
erst bei einer anderen Frequenz bzw. Drehzahl erreicht.
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b) Änderung der Frequenz des Abtasters durch Einfügen einer
übersetzung zwischen dem abzutastenden Antriebsteil und dem Abtastorgan.
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c) Änderung des Spannungsniveaus, bei dem der bistabile Multivibrator
umgesteuert wird, durch einen einstellbaren Widerstand im Eingangskreis des Multivibrators.
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Die unter a) und c) genannten Verfahren ermöglichen es z. B. auf einfache
Weise, ein Tonbandgerät für zwei oder mehr Bandgeschwindigkeiten in der Drehzahl
zu regeln. Dazu ist lediglich eine Umschaltung der Resonanzfrequenz des Vierpols
bzw. eine Änderung des Schwellwertes des Schmitt-Triggers nötig. In beiden Fällen
könnte also auf die sonst übliche mechanische Umschaltung der Antriebselemente,
wie z. B. der Zwischenräder, oder auf eine unmittelbare Umschaltung der Motordrehzahl
verzichtet werden. Die zusätzlichen Drehzahlen werden also allein durch eine Änderung
der Charakteristik der Regelvorrichtung hervorgerufen.
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Die Erfindung ist im Zusammenhang mit dem in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel erläutert. In der Zeichnung bedeutet F i g. 1 ein Blockschaltbild
für eine Drehzahlregelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und F i
g. 2 ein vereinfachtes Schaltbild einer ausgeführten Regelanordnung.
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Im Blockschaltbild gemäß Fig. 1 bezeichnet 1
einen Elektromotor,
z. B. einen Gleichstrom-Kleinmotor für Tonbandgeräte, und 2 einen Tachogenerator,
der mit der Welle des Antriebsmotors oder eines damit verbundenen Getriebetelles
fotoelektrisch induktiv oder kapazitiv gekuppelt ist (gestrichelte Linie in Fig.
1 und 2). Die Abtastung erfolgt also ohne Belastung des Motors. Beispielsweise
trägt die Motorwelle in bekannter Weise auf ihrem Umfang eine Markierung, die mittels
einer Lichtquelle und
einer Fotozelle oder eines Fotowiderstandes abgetastet
wird. Der durch einen Wechselstromgenerator symbolisierte Tachogenerator liefert
dann eine Wechselspannung mit >einer der Motordrehzahl pro-, portionalen Frequenz.
Die Abtastspannung wird einem mit einem Resonanzkreis 3 a, der auf
eine der Solldrehzahl oder deren Vielfachen entsprechende Frequenz abgestimmt ist,
zugeführt. Der Vierpol formt jede Frequenzänderung in eine proportionale Änderung
einer Wechselspannungsamplitude um Die Ausgangsspannung des Vierpols dient nach
Gleichrichtung durch einen Gleichrichter 4 als Schwellwertspannung für einen Schmitt-Trigger
5, der bekanntlich dann seinen Schaltzustand ändert, wenn an ihm ein bestimmtes
Spannungsniveau überschritten bzw. unterschritten wird. Der Trigger steuert einen
Schalttransistor, in dessen Kolloktorkreis der Motor 1 liegt und der den
Motorstrom bzw. die Motordrehzahl beeinflußt.
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Ein Schaltbild ist in F i g. 2 dargestellt. Das frequenzabhängige
Netzwerk besteht aus einem Resonanzkreis 3 a im Längszweig, einer
Querinduktivität 3 b. Ihm folgt ein Transistorverstärker mit einem Transistor
6 in Emitterschaltung, von dem die verstärkte Resonanzspannung über einen
Koppelkondensator 7 einem Gleichrichter 4 zugeleitet vArd. Mit dem einstellbaren
Kondensator des Resonanzkreises 3 a läßt sich die Resonanzfrequenz
beliebig verändern. Die Transistoren 8, 9 gehören zu einem Schmitt-Trigger,
dessen Schwellwertspannung, d. h. die Spannung, bei der der Trigger von einem
Schaltzustand in den anderen umgesteuert wird, mit einem Widerstand 10 in
der Basiszuleitung des Transistors 8
kontinuierlich oder stufenweise einstellbar
ist An den Ausgang des Schmitt-Triggers schließt sich ei ' n Schalttransistor
11 an, dessen Kollektor-Emitterstrecke als ein den Motorstromkreis ein- oder
ausschaltender Schaltkontakt dient. Mit 12 ist eine Zenerdiode bezeichnet, die die
Schaltung von Speise#-spannungsschwankungen weitgehend unabhängig macht. Die Einstellung
der Regelanordnung auf eine bestimmte Motor-Solldrehzahl erfolgt beispielsweise
dadurch, daß der Widerstand 10 am Eingang der Triggerschaltung verstellt
wird, wodurch sich die Schwellwertspannung für den Schmitt-Trigger erhöht oder verkleinert.
Der Widerstand 10 wird dabei so eingestellt, daß im Augenblick des überschreitens
der gewählten Solldrehzahl der Trigger umgesteueit wird.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Frequenzgang des Netzwerkes
durch einstellbare Schaltelemente des Netzwerkes zu verändern und damit bei gleicher
Motordrehzahl eine kleinere oder größere Ausgangsamplitude zur Steuerung des Schalters
zu erhalten. Ferner kann mit dem gleichen Erfolg auch zwischen dem Abtastorgan 2
und dem abzutastenden Antriebsteil des Motors eine veränderbare übersetzung ü (F
i g. 2), z. B. ein oder mehrere auf der Motorwelle befestigte Zahnräder oder Lochscheiben,
eingefügt werden. Schließlich lassen sich auch jeweils zwei der vorher genannten
Möglichkeiten gleichzeitig anwenden, z. B. in Form einer Grob- und Feineinstellung.
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Die Grob- und Feineinstellung kann auch zu einer einfachen Drehzahlumschaltung
des Antriebes erweitert werden, wenn die Charakteristik der
gesamten
Regelanordnung beispielsweise durch Umschalten der Schwellspannung des bistabilen
Multivibrators und/oder der Kennlinien des Netzwerkes stufenweise verändert wird.
Die Änderung wird zweckmäßigerweise durch Zu- oder Abschalten von ohmschen, kapazitiven
oder induktiven Widerständen an denselben Schaltelementen vorgenommen, die zur Grob-
und Feineinstellung dienen.
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Eine unter Anwendung der Erfindung aufgebaute Anordnung zur Drehzahlregelung
arbeitet in einem großen Speisespannungsbereich mit Schwankungen von etwa ±30% mit
ausreichender Betriebssicherheit, denn die dabei auftretende Drehzahländerung beträgt
höchstens ± 1 %. Die neue Schaltungsanordnung läßt sich zur Drehzahlregelung
von Motoren verschiedener Art anwenden, z. B. für Gleichstrom-Kleinmotoren in batteriebetriebenen
Tonbandgeräten.