DE1488765A1

DE1488765A1 - Motorantriebseinrichtung

Info

Publication number: DE1488765A1
Application number: DE1965A0048116
Authority: DE
Inventors: Macleod Donald Brodie; Falk Mervin Leroy
Original assignee: Ampex Corp
Current assignee: Ampex Corp
Priority date: 1964-01-16
Filing date: 1965-01-14
Publication date: 1969-10-30
Also published as: NL6500276A; DE1488765B2; NL149654B; GB1091530A; US3312885A; FR1422491A

Description

Kotorantriebgeinriehtung 1488765

Di· Erfindung btsieht eich allgeaein auf eine Motorantriebeeinrichtung und im besonderen auf eine, eine drei-phaeige Spannung liefernd· Anordnung» die zum Antrieb eine* Synchronmotors geeignet let·

Wie bekannt ist» werden Synohronmotoren in vielen verschiedenen fällen verwendet, die deren konstante Geschwindigkeitsoharakteristik erfordern· Xn einem hier interessierenden Anwendungefall des Synohronaotors wird dieser dasu verwendet, in Video-Auf · »eiohnungsgeräten der Art» von denen eines in dsm U.S.-Patent 30I7462 beschrieben ist, Abtastköpfe über ein bewegtes Magnetband su bewegen. Xn diesem Anwendungsfall muß die Geschwindigkeit des Bandes in einer genauen Besiehung zu der üeeohwindigkeit des Motors stehen. Demsufol^e 1st es in diesem oder ähnlichen Anwendungsfällen allgemeine Praxis, eine Analogspannung au erzeugen» die die Zeitbasisabweiohung der wiedergegebenen Information darstellt» und dies· Analogspannung einem spannungsgeβteuerten Oszillator suxufuhren« Das Auegangssignal d·» Üsaillatore wird in drei um 120° gegeneinander versetzt· Spannungen aufgeteilt. Die Erzeugung der drei Spannungen wird im allgemeinen duroh die Verwendung von frsquenzabhängigen Met«werken und linearen Terstärkern erreicht· Die Verwendung solcher netzwerke ist jedoch wegen deren schlechten Obergangeverhaltens, herrührend von der Amplitude, und Phastnniohtlinearitäten im Hinblick auf die irequens unbefriedigend· Se worden auqh Yersuehe unternommen» up die früheren Anordnungen durch Verringerung ihrer Kompliziertheit, ihrer SrBBe, ihres Gewichtes und ihres Stromverbrauches su verbessern und ihre Zuverlässigkeit su erhöhen.

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Im Hinblick auf das Obenstehende 1st es eine Aufgabe der vor-* liegenden Erfindung, eine Einrichtung zum Antrieb eines Synchronmotor β zu schaffen, die, verglichen alt den bekannten din** richtungen, ein beseeres ibergan^sverhalten hat, weniger kompliziert, kleiner und leichter ist, weniger Leistung erfordert und zuverlässiger ist.

Ein weiteres nachteiliges Merkmal üblicher dreiphasiger Motorantrieb8einrichtungen ist» daß ihr Frequenzverhalten sehr begrenzt ist· Demzufolge ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine drei» ™ phasige Motorantriebseinriehtung zu schaffen, die einen extrem weiten Frequenzgang hat.

Allgemeiner gesagt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Einrichtung au schaffen 21m Erzeugen von H Spannungen, die 360°/^ gegeneinander versetzt sind, aus einem einphasigen Signal.

Zur genauen Botationsphasensteuerung eines Breiphasensynohron-) motor· ist ein im wesentlichen reiner Sinus strom in jeder der Totorwioklungen erforderlich· Wenn der Kotor einen Teil eines geschlossenen Servo systems bilde.t, ist es weiterhin erwünscht_v daS die Spannungen in ihrer Bandbreite nicht begrenzt sind und da3 die Seitenbänder (hervorgerufen duroh Fehlersignalphasenmodulation) keine nichtlinearen Verzägerungsverserrung erleiden· Die vorliegende Erfindung besieht sich auf eine Einrichtung zum Liefern eines sum Antrieb eines Synchronmotor· geeigneten Stromes und beruht auf der hierfür bisher nicht bekannten Erkenntnis, dad im wesentlichen reine Sinusstrom· in dsa Motorwieklungen

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durch ZufIhren von ärei-phaöigen Hueliteckspannungen erzeugt werden können.

Bei einer bevorzugten Auef LhrungBf orm der Erfindung werden drei Reehteckspannuugen aus dem Ausgangs signal eines spannungsgesteuerten Oszillators durch Zuf-ihren, des Ueuillatorauagan^ssi^nals zu drei bistabile^ Anordnungen, z. B. übliohen Flip-Plop-tiohaltun ,en_t erzeugt. Die durch dit; drei bistabilen Anordnungen gelieferten Ausgange signale Bind syamietrisch und um genau 120° gegeneinander versetzt, weil sie durch eine einzige quelle ausgelöst werden.

Die fIr diese Erfindung alu charakteristisch angesehenen neuen Merkmale sind besonders in den Patentansprüchen aj^gef hrt. Die Erfindung selbst sowie ihr Aufbau u^d ihre Arbeiteweise sowie zueätiliche Aufgeben und Vorteile derselben gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mi υ den Zeichnungen hervor.

1 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausfuhrungsform einer Einrichtung „emäß der vorlie. eiiden IJrfindung.

Figur 2 ist ein Bigualformdiagramm Uiid zeigt ein rechteckiges* Gszillatorausgangssignal und drei daraus äigeleitete Spannunijen.

Figur 3 ißt ein eohematisches Diagramm einer in Figur 1 als Block dargestellten Zähleinrichtung·

Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung 10 zum Koppeln eines von einer Sparmungsquelle 12 gelieferten Steuersignals zu

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den Wicklungen eines Dreiphaeensynchronmotors 14. Wie in der Beechreibungseinleitung auegeführt wurde, iet ee in vielen Anwendungsfällen erwünscht, die Uesehwindi^keit eines Dreiphasene,fnchronmotore entsprechend der Größe eines Analoüspa.Jtiunge signals su steuern, das beispielsweise das Zeitbaeieabweiehungesignal der wiedergegebenen Information darstellen kann* Der Synchronmotor ist von Üblicher Konstruktion und läuft mit einer konstanten Geschwindigkeit, die proportional der Frequenz dee angelegten Signale ist.

Die Einrichtung 10 ist da.^u bestimmt, die Gröfle dee Analogspannungseignals in drei Spannungen umzuwandeln, die um 120° gegeneinander phasenverschoben sind und alle die gleiche Frequenz haben, die proportional der Größe de©Analog spannung β signal β ist«

Der Ausgang der Quelle 12 für dae Analogepannun^ssignal ist mit der Eingangsklemme der Einrichtung 10 verbunden. Die Eingangsklemme der Einrichtung 10 ist andererseits mit dem Eingang eines spannungsgesteuerten Oszillators oder Zeitgebers 16 verbunden. Der Oszillator 16 kann einen im wesentlichen Üblichen Aufbau haben und muß für die Zwecke der vorliegenden Erfindung lediglich eine Charakteristik haben, die bewirkt, daß er eine folge von Impulsen oder nichtsinusförmigen AusgangsSignalen liefert, deren Frequenz proportional der Amplitude der dem Oszillator zugeführten Spannung ist« Es wird angenommen, daß das von dem Oszillator 16 gelieferte Ausgange signal eine Frequenz von 6F_Q hat. Daa Ausgangeeignal ist in figur 2(a) dargestellt» Der Ausgang des Oszillators 16 iet über eine Differenzier- oder Filtersohaltung 17 mit dem Eingang eines Zähl-ers 18 verbunden· Die Differenzierschaltung 17 liefert

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einen laktpula la Bt»ng auf die Rückflanke jeder positiven Halbwelle des Qszillatorausgangssignals. Der Zähler 16 sollte vorzugsweise ein 2V-Zähler sein» wobei N die Anzahl der Phasen des zu steuernden mehrphasigen Synchronmotors let* Xa vorliegenden fall wird angenommen, daß ein Dreiphasensynohronmotor verwendet wird und demzufolge der Zähler 18 vorzugsweise ein bis seche zählender Zähler ist.

Der Zähler 18 enthält drei bistabile Anordnungen» die ibliohe

setz- und rttoksetzbare Plip-Plop-Schaltungea» B1, B2 und 331 ««In können und von denen jede eine Sets- und eine ELloksetzeingangs- " klemme und einen direkten und einen inversen Ausgang hat· Mit der Setz- und der Hüekeetzeingangaklejune der bistabilen Anordnung B1 sind Und-Schaltungen 2ο bzw· 22 verbunden, IHt der Sets- und der SUcksetzeingangsIclestme der bistabilen Anordnung B2 sind Und-Schaltungen 24 b*w. 26 verbunden» UIt der Raokset»eingang·- klemme der bistabilen Anordnung 33 1st eine Und«behaltung 28 verbunden und ein« Und-Bchaltung 3o ist Über eine Oder-bohaltung 3Z mit deren Seteeingangeklemme verbunden. Der Auegang der Differenaiereohaltttiig 17 i«t mit dem Eingang jeder der Und-Sohal- | tungen 2o, 22, 241 26, 28 und 30 verbunden. Die f ol^eziden logi- , βοηβη Sleiohungen bestiamea die zusätzlichen Eingangesignale für jede i9T mit den Sets- und Hüek»ateeixigangsklejsmen der bietabilen Anordnungen verbundenen Und-Schaltungen.

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s^B3e	IT	B2	W
_fiB3«	Bt	15	B3
_SB2=	BI		W
_HB2«	IT	B2	B3
	IT	S3	B3
«B1»	B1	B2	I*

fc Als Folge der Verbindung d r bistabilen Anordnungen des Zählers 18 entsprechend den logischen Gleichungen bestimmt die folgende Wertetabelle die aufeinanderfolgenden Zählerstände:

Bl äü B3

BI	B2	B?
α	1	0
0	1	1
0	U	1
1	0	1
1	0	0
1	1	0

ü 1 1 0 0 1 1 O 1 10 ύ 1 1 O 0 10

Ib Zusammenhang mit der Werte tabelle wird darauf hingewiesen, daS «in Zustand alt lauter UuIlen oder lauter Einsen verboten ist* IAi Jd.cherzueteilen, d&S keiner von diesen beiden Zuständen auftritt» wenn den System zu» ersten Mal Strom zugeführt wird, wird ein »weit·· Eingangssignal für die Oder-Schaltung 34 vom Auefang des Auslöseimpulsgenerators 34 abgeleitet, dessen Eingang mit dsm Ausgang einer Ünd-Sohaltung 3d verbunden ist. Die inverse« Ausgang· der bistabilen Anordnungen B1, £2 und B3 sind

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alle mit den Eingängen der Vnd-Sohaltung 3b verbunden. AIü Ergebnis dessen wlirde die Und-Schaltung 38 bewirken können, daß der Außlöseimpulsgenerator 34 die Anordnung B3 iber die Oder-Schaltung 32 setzt, wenn alle bistabilen Anordnungen immer in der Ifullage wären.

Figur 2 zeigt die Form er Auegangsignale, die iron den bistabilen Anordnungen des Zählers 18 geliefert werden. Ks wird darauf hingewiesen, daß die Frequenz des von der Anordnung B1 gelieferten Ausgangssignals gleich Pq, d. h. ein Sechstel der Frequenz des OezillatorausgangesißnalB ist. Ebenso haben die von den Anordnungen B2 und B3 gelieferten Ausgatigssignale eine Frequeng F_Q. Wie jedoch aus den Figuren 2(c) und 2(d) entnommen werden kann, sind die von den Anordnungen B2 und B 3 gelieferten Ausgangssignale gegenüber dem von der Anordnung B1 gelieferten Ausgangesignal um 120°bsw. 240° phasenverschoben. Die genaue PhaBenbeziehung zwischen den von den bistabilen Anordnungen gelieferten Ausgangasignalen Ist dadurch sichergestellt, daß die Xlmsohaltung der bistabilen Anordnungen durch eine einzige Quelle ausgelöst wird. Außerdem ist die Symmetrie der von den bistabilen Anordnungen ge* lieferten Ausgangssignalform ebenfalls sichergestellt*

Die direkten Ausgänge aller bistabilen. Anordnungen B1, B2 und B3 sind mit den Einganssklemmen von Verstärkern 40 verbunden. Jeder Verstärker kann eine nichtlineare (Schalt-)Anordnung sein, die so arbeitet, dafl sie die damit gekoppelte Motorwicklung zwischen ein Grleichetroapotential und Masse schaltet. Das heißt, wenn das von einer bistabilen Anordnung gelieferte Ausgangssignal einen positiven Wert hat, dann legt der Verstärker die entepreehende

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Motorwicklung an eine Gleichspatinungsquelle · Andererseits wird die entsprechende Motorwicklung mit tfasse verbunden, wenn die bistabile Anordnung in einen zweiten Zustand umgeschaltet ist, so daß ihr Ausgang z. B, auf Massepotential liegt.

Auf diese Weis« arbeitet die Einrichtung der Figur 1 so, daß sie drei Hechteckspannungen an die Wicklungen des Synchronmotora liefert» Obwohl ein in wesentlichen reiner sinusförmiger Strom in jeder der Motorwioklun^en erforderlich ist, wenn eine präzis· Rotationssteuerung eines Motors der betrachteten Art erreicht werden soll, ergibt die Zuführung τοπ reohteckförmigen Spannungen zu den Motorwioklungen in Wirklichkeit die Fortpflanzung von la wesentlichen sinusförmigen Strömen einer Grundfrequena in den Wicklungen, Ein· nahezu vollständige Beseitigung aller Harmonischen kann aus verschiedenen tiründen erwartet werden. Zum Beiß,iil werden alle geradzahligen Harmonischen infolge der völligen Symmetrie der den Motorwicklungen zugeführten rechteokförmiäen Signale beseitigt. Die dritten harmonischen Spannung»komponenten werden wegen der genau 120° betragenden Phasenverschiebung zwischen den den Wloklungen «ugefUhrten Signalen phaienriehtig zugeführt, Sie Wirkung der fünften und der höheren Harmonie ο he η auf die Motordrehung ist vernachläeeigbar (1) wegen der relativ kleinen Spaunungsamplitude der Harmonischen höherer Ordnung, -es sei daran erinnert, daß geradzahlige Harmonieehe überhaupt nicht vorhanden sind-, (2) wegen der hohen Impedanss der Motorwicklungen bei diesen höheren Frequenzen und (5) wegen der Unfähigkeit der rotierenden Masse des Motors» auf diese höheren Frequenzen anzusprechen. .

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wird nunmehr auf Figur 3 hingewiesen, die schematisch eine Schaltungsanordnung dee Zählers 18 der Ji'i ur 1 zeigt. Jede der biatahUen Anordnungen des Zählers 1b ist leich und enthält zwei PNP-Transistören. So enthält die Anordnung B1 die Transistoren Q1 und Q2, die Anordnung B2 die Transistoren Q3 und ^4 und die Anordnung ü3 die Transistoren Q5 arid q6. Me Basis jedes der '.Transistoren q1 und Q2 let über einen Widerstand H1 mit einer positiven Spannungsquelle, +12 Volt, und über in Reihe geschaltet Widerstände R2 und R3 mit einer negativen Sapnnungsquelle, -12 Volt, verbunden. Der Emitter jedes der Tranistoren Q1 und }2 ist mit einer dazwischenliegenden Be^ugsepannun^, wie Masse, verbunden und der Kollektor jedes der Transistoren ist verbunden mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen H2 und ±13· 33er Widerstand R2 verbindet den Kollektor des einen Transistors mit der Basis des anderen Transistors. Die Basis jedes der !transistoren ist außerdem mit der Kathode einer Diode D1 verbunden, deren Anode Über einen Kondensator 01 mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 16 verbunden ist.

' Widerstände 8.4 verbinden die bistabilen Anordnungen miteinander. Auf diese Weise sind die Basiselektroden der Transistoren Q1 und Q2 in entsprechender Weise über verschiedene Dioden und Widerstände mit den Kollektoren der !Pransistören Q3 und Q4 verbinden. Xn gleicher Weise sind die Basiselektroden, der Transistoren Q5 und Q6 mit den Kollektoren der Tranistoren Q1 und <}2 verbunden. Die Rückkopplung vom Kollektor jedes Tranaistors zu der Basis des zum selben Paar gehörigen anderen Transistors über einen Widerstand R2 stellt sicher, daß immer ein Transistor in jeder Anordnung gesättigt ist, während der andere Translator gesperrt

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ist. Dae Potential an der Kathode jeder der Dioden D1 ist nahezu Massepotential oder etwas negativ. Andererseits ändert sich die Spannung an der Anude der uiic den Kollektoren der zugeordneten Tranaistoren, wie ds Transistors ^j, verbundenen jJioden, wie der dioden i)1, von annähernd Liassepouential, wenn, aer Transie tor <43 im wesentlichen nichtleitend ist, auf -11 VuIt, wenn der Transistor Q3 leitend ist. Auf dxese ηeise wird eine Diode, wie die jeder Zählerstufe zugeordnete Diode D1, stark rückwärts vorgespannt, wenn der augeordnete 'iransistor, wie der Transistor w3» im wesentlichen nichtleitend ist, und wird nur scnwuch rückwärts vorgespannt, wenn der zugeordnete Transistor, w3, im wesentlichen leitend ist·

Der spannungsgesteuerte Oszillator uder Taktgeber 16 liefert über die (in Figur 3 nicht dargestellte) Differenzierschaltung 17 und die Kondensatoren C1 positive Taktimpulse an die Anoden aller Dioden. Diese Taktimpulse spannen die nur etwas rückwärts vorgespannten Dioden in Vorwärtsrichtung vor. Die zu den Basiselektroden der gesättigten Transistoren geleiteten positiven Taktimpulse sperren diese, haben aber keine Wirkung, wenn sie auf die Basiselektroden bereits gesperrter Transistoren geleitet werden. Wenn ein !Transistor gesperrt ist, dann wird natürlich der andere, mit ihm gekoppelte gesättigt·

Es wird nunmehr angenommen, daß die !Transistoren Q2, Q4 und Q5 gesättigt sind und den in der oben gezeigten Wertetabelle genannten Zustand 100 darstellen. Als !folge davon werden die mit den iJasieelektroden der Transistoren Q1, Q^ und q6 verbundenen Dioden stanc rückwärts vorgespannt, während die mit dei. xjasis-

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elektroden der Transistoren y2, Q4 und Q5 verbundenen Dioden nur leicht rückwärts vorgespannt wercten. Jadureli werden die Taktimpulse zu den Basiselektroden der Transistoren Q2, A und φ geleitet, aber nur der Transistor Q4 wird umgeschaltet, da er als einziger dieser Transistoren in einem gesättigten Zustand ist. Als Folge davon wird der Zustand 110 eingestellt. Die Zählerausgangssignale können natürlich von den Kollektoren der Transistoren Q1, Q3 und Q5 abgenommen werden.

Der Transistor Q7 erf llte zusammen mit den Widerständen H5» die die Kollektoren der Transistoren Q2, Q4 und Q6 nit ihm verbinden, die der Schaltung 33 und dem impulsgenerator 34 der Figur 1 zucesohriebene !Punktion. Das heißt, wenn irgendeiner der Transistoren Q2, i4 und Q6 gesperrt ist, so daß seine Küllektorspannung nahezu -12 Volt ist, dann ist die Spannung an der Basis des Transistors Q 7 genügend negativ, um den Transistor Q 7 offen xu halten· ■Venn andererseits alle drei Transistoren Q2, QA und Q6 gesättigt sind, dann wird der Traneistor Q7 xeitend, verringert dadurch die Spannung an der Basis des Transistors Q5 und bewirkt, dafl dieser leitend und dadurch der Transistor Q6 gesperrt wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zum Steuern der G-eschw.i i,di Iceit eines mehrphasigen Motors (14) mit Ii "wicklungen durch Erzeugen von H Signalen, die um 36Ό°/ι, gegeneinander phasenverschoben sind, in Verbindung mit einer Steuersignalquelle (12), gekennzeichnet durch einen spannungegeßteuerten Oszillator (16), Schaltmittel, die das Steuersignal dem Oszillator ZUf₁ hren, damit dieser ein AUBgangssignal mit einer Frequenz liefert, die von dem Steuersignal abhängt, eine Vielzahl vun in bestimmter V/eise angeordneten bistabilen Anordnungen (B1, B2, Bj5), und logische Schaltungen (2o, 22, 24, 26, 26, 3o), die auf jede der aufeinanderfolgenden Schwingungen des Oszillatorausgangssignals ansprechen und nacheinander je eine andere der bistabilen Anordnungen umschalten,

2· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabilen Anordnungen und die logischen Schaltungen so miteinander verbunden sind, daß sie einen bis 2M zählenden Zähler bilden.

3· Einrichtung nach Anspruch 1 zu.ii Bteuern der üeechwindigkeit eines Dreiphaeensynchronmotore (I4) ait drei Wicklungen entsprechend einer eich verändernden physikalischen Größe, wie z.B. der Größe eines Analogspannungssignals, gekenniseichnet durch Schaltmittel (16) zum Liefern eines Schwingungsaignals mit einer Frequenz, die von der öröße des Inalogspannungesignals abhängt, eine erst· (B1), eine zweite (B2) und eine dritte Bistabile Anordnung (B5), logische Schaltungen (22, 24, 26, 2a_t3o)_r die auf jede der aufeinanderfolgenden Schwingungen der üöhwingungssignale ansprechen und nacheinander je eine andere bistabile Anordnung umsclialten, damit diese ein symmetrisches, rechteckiges Auegangs-

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signal liefern, und Schaltmittel (Ao), die die von den bistabilen Anordnungen gelieferten Ausgangssignale jeweils an eine andere der alotorwioKlungen liefern.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, daduron gekennzeichnet, daß die logischen üohaltungen und die bistabilen Anordnungen einen bis 6 zählenden Zähler bilden.

5. Einrichtung naoh einem der Ansprache 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet» daß die lugischen Schaltungen so gescnaltet sind, daß ä nicht alle bistabilen Anordnungen gleichzeitig den gleichen Zustand einnehmen können.

6. iiinrlohtuug naoh Anspruch 1, gekennzeichnet üurou einen spaunungsgesteuerten, eine Impulsfolge liefernden taktgeber (16), öohaltmittel sub Zufuhren eines Steuersignals zu dem Taktgeber, damit der Taktgeber ein Ausgangesignal mit einer Impulsfolgeirequena liefert, die von dem Steuersignal abhängt, eine Vielzahl von in bestimmter Weise angeordneten bistabilen Anordnungen (B1, B2, B3) und logischen schaltungen (22, 24, 26, 2Ö, 3o), die auf je den der aufeinanderfolgenden Impulse des laktgebers ansprechen und jeweils nacheinander eine andere der bistabilen Unordnungen umschalten.

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