DE1588875C3 - Einrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors mit einem von dessen Motorwelle angetriebenen Frequenzgeber in einer eine Frequenzvervielfacherschaltung enthaltenden Frequenzerzeugungsschatung, welche eine von der Drehzahl des Motors abhängige Ist-Frequenz ausgibt, und einer Vergleichsschaltung, die diese Ist-Frequenz mit einer Soll-Frequenz vergleicht, zur Bildung einer Regelspannung zur Korrektur von Abweichungen der Motordrehzahl von ihrem Sollwert.

Bei Magnetbandgeräten ist die Drehzahlkonstanz des Antriebsmotors eine wesentliche Voraussetzung für eine gleichförmige Transportgeschwindigkeit des Aufzeichnungsträgers. Dies gilt im ganz besonderen Maße für Geräte, die zur Aufzeichnung und Abtastung von -> Meßwerten dienen.

Magnetbandgeräte für Meßzwecke sind meist für eine große Anzahl von Bandgeschwindigkeiten ausgelegt, so daß als Antriebsmotor ein Gleichstrommotor den sonst in Magnetbandgeräten meist verwendeten

ίο Synchronmotoren vorgezogen wird, da sich der Gleichstrommotor durch eine gute Anpassungsfähigkeit des Drehzahl-Drehmomentverhaltens und durch den großen Bereich, in dem seine Drehzahl geändert werden kann, ausgezeichnet. Um die Gleichlaufschwankungen des Aufzeichnungsträgers klein zu halten, werden Einrichtungen zur Regelung der Drehzahl des Antriebsmotors vorgesehen.

Eine Regelung der eingangs genannten Art ist aus der DL-PS 40 779 bekannt, deren Erfindungszweck es ist, beliebige ganzzahlige Frequenzverhältnisse zwischen Motor- und Soll-Frequenz zu schaffen.

Es ist weiterhin bekannt, in der Frequenzerzeugungsschaltung entweder (GB-PS 9 89 458) einem zahnradar-" tigen Geber (Tachometerrad) mehrere Frequenzhalbierungsstufen in Serie nachzuschalten, oder aber (US-PS 30 84 307) mehrere Tachometerräder mit gegenseitig abgestuft unterschiedlichen Zähnezahlen vorzusehen, wobei die einzelnen Frequenzteilerstufen bzw. Tachometerräder für die Bildung der Ausgangsfrequenz der Frequenzerzeugungsschaltung auswählbar sind, um unterschiedliche Motordrehzahlen in entsprechender Stufung wie insbesondere 1 :2 :4 :8 herbeiführen zu können.

Bei Verwendung zahnradartig ausgebildeter Frequenzgeber zur Erzeugung der Ist-Frequenz ist die Zähnezahl fertigungstechnisch begrenzt, wodurch sich bei kleinen Drehzahlen ein ungünstiges Zeitverhalten der Regeleinrichtung ergibt, weil pro Zeiteinheit die Abweichung nicht oft genug gemessen wird und dadurch verhältnismäßig groß werden kann, bevor die Regelung einsetzt Eine große. Abweichung benötigt wiederum eine längere Zeit zur Ausregelung. Es ist daher eine hohe Verstärkung im Regelkreis erforderlich, der dadurch zur Instabilität neigt

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung der eingangs genannten Art. Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung dieser Art so auszubilden, daß sie auch bei kleinen Drehzahlen ein stabiles Verhalten zeigt

Zu diesem Zweck wird die Einrichtung Erfindungsgemäß entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 ausgebildet

Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die von der Drehzahl der Motorwelle abhängige Ist-Frequenz als eine frequenzmodulierte Schwingung aufzufassen ist, wobei die Trägerfrequenz Fo der erzeugten Frequenz bei Soll-Drehzahl der Welle, F der Größe einer Abweichung und /der Frequenz der Abweichung (Modulationsfrequenz) entspricht. Unterzieht man aber eine frequenzmodulierte Schwingung einer Vervielfachung, so wird, wie sich mathematisch nachweisen läßt, die Trägerfrequenz vervielfacht, während die Modulationsfrequenz unverändert bleibt Dies bedeutet eine Vervielfachung des Frequenzhubes AF und damit des Modulationsindexi-y-j . In Anwendung auf einen

Regelkreis ergibt sich daraus, wenn dessen Proportionalbereich ohne und mit Frequenzvervielfachung der gleiche ist, eine Erhöhung der Reglerverstärkung, weil aufgrund der Frequenzvervielfachung um einen Faktor χ eine kleine Frequenzabweichung eine ebenfalls um den Faktor χ größere Regelspannung erzeugt. Andererseits bringt die Frequenzvervielfachung, wenn die Reglerverstärkung mit und ohne Frequenzvervielfachung gleich groß ist, den Vorteil einer höheren Bandbreite mit sich, was beim Regelkreis bei großen Störungen eine höhere Stabilität bewirkt, weil entsprechend der Bandbreite auch der Regelbereich größer geworden ist und damit größere Abweichungen im nunmehr erweiterten Regelbereich liegen. Infolge der Trägerfrequenzvervielfachung ist weiterhin eine Verringerung der Siebzeitkonstante der Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung und damit eine größere Regelgeschwindigkeit möglich. Dies wiederum ermöglicht eine Erhöhung der Reglerverstärkung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten vereinfachten Blockschaltbildes näher erläutert.

Ein Gleichstrommotor 1 trägt auf seiner Welle 2 eine ») am Rand gezahnte Scheibe 3 aus ferromagnetischem Material, die bei laufendem Motor in einem Abtastorgan 4 eine der Drehzahl des Motors entsprechende Frequenz erzeugt. Die bei Drehzahlschwankungen des Motors am Ausgang des Abtastorgans stehende Spannung läßt sich als frequenzmodulierte Schwingung darstellen, wobei die Trägerfrequenz Fo die bei Soll-Drehzahl erzeugte Frequenz und die Modulationsfrequenz /gleich der der Drehzahlabweichung entsprechenden Frequenz ist. Dem Abtastorgan 4 ist ein Verstärker 5, ein Schmitt-Trigger 6 und ein Frequenzteiler 7 nachgeschaltet, dessen Aufgabe und Funktionsweise noch weiter unten näher erläutert wird. Zum Zweck der Frequenzverdoppelung in einem Doppelweggleichrichter 9 und einem nachgeschalteten Filter 10 muß die vom Schmitt-Trigger 6 abgegebene Rechteckspannung mittels eines Tiefpasses 8 in eine Sinusspannung umgewandelt werden. Das Filter 10 kann beispielsweise ein Tiefpaß oder ein Bandpaß sein. In einer weiteren Verdopplerstufe 9', 10', wird die verdoppelte Frequenz nochmals verdoppelt, so daß am N Ausgang der zweiten Verdopplerstufe die gegenüber ^ der ursprünglichen Frequenz vierfache Frequenz vorhanden ist. Diese Frequenzvervielfachung wirkt sich jedoch nur auf die Trägerfrequenz Fo, nicht aber auf die Modulationsfrequenz / aus. Nach der Vervielfachung wird die modulierte Ist-Frequenz auf einen Frequenzdiskriminator ii gegeben, der bei Drehzahlabweichungen des Motors 1 von seiner Solldrehzahl eine Regelspannung liefert, die von der Differenz zwischen Ist-Frequenz und Soll-Frequenz abhängt. Die Soll-Frequenz entspricht der durch den Geber 3 bei Soll-Drehzahl erzeugten, um den Faktor 4 vervielfachten Frequenz. Die Soll-Frequenz kann in einem gesonderten Generator erzeugt werden. In diesem Fall liefert der Frequenzdiskriminator nur bei Drehzahlabweichungen eine Spannung. Es kann aber auch wie bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel der Diskriminator selbst auf die Soll-Frequenz abgestimmt sein, so daß er an seinem Ausgang eine Grundspannung liefert, die bei Drehzahlschwankungen größer oder kleiner wird. Die Ausgangsspannung des Diskriminators 11 wird über ein Siebglied 12 und einen Gleichstromverstärker 13 dem Motor zugeführt.

Der Frequenzdiskriminator enthält Mittel, mit denen seine Ausgangsspannung stufenweise einstellbar ist, so daß die Betriebsspannung des Motors und damit seine Drehzahl geändert werden kann. Die Stufen sind dabei so bemessen, daß sich die Motordrehzahl im Verhältnis 1 :2 :4 :8 ändert.

Für diese Umschaltung wird der Frequenzteiler 7 benötigt, der z. B. die bei Drehzahlverdoppelung auch doppelt so groß anfallende Trägerfrequenz auf die Hälfte herunterteilt, so daß man stets die der kleinsten Motordrehzahl entsprechende Trägerfrequenz am Ausgang des Frequenzteilers erhält und im Regelkreis selbst beim Übergang auf eine andere Motordrehzahl keine Umschaltung erforderlich ist.

Als Frequenzgeber 3 kann, wie dargestellt, eine mit der Motorwelle starr verbundene, vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehende, am Rand gezahnte Scheibe dienen. Das Abtastorgan 4 kann ein fotoelektrisches Bauelement, eine Hallsonde, ein induktiver oder kapazitiver Wandler sein. Bei Verwendung eines Motors; dessen Läufer mit in gedruckter Schaltungstechnik hergestellten Lamellen versehen ist, können die Lamellensprünge zur Erzeugung der der Motordrehzahl proportionalen Frequenz ausgenutzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors mit einem von dessen Motorwelle angetriebenen Frequenzgeber in einer eine Frequenzvervielfacherschaltung enthaltenden Frequenzerzeugungsschaltung, weiche eine von der Drehzahl des Motors abhängige Ist-Frequenz ausgibt, und einer Vergleichsschaltung, die diese Ist-Frequenz mit einer Soll-Frequenz vergleicht, zur Bildung einer Regelspannung zur Korrektur von Abweichungen der Motordrehzahl von ihrem Sollwert, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberfrequenz der Frequenzvervielfacherschaltung (9,10,9', 10') über eine Frequenzteilerschaltung (7) zugeführt wird mit Umschaltern, durch die in Verbindung mit Drehzahlumschaltungen des Motors die der Vervielfacherschaltung zugeführte Frequenz so eingestellt wird, daß nur die bei niedrigen Motordrehzahlen entstehenden Geberfrequenzen vervielfacht in die Vergleichsschaltung eingehen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzteilerschaltung (7) so ausgebildet und bemessen ist, daß an ihrem Ausgang unabhängig von der eingestellten Motordrehzahl stets eine der kleinsten Motordrehzahl entsprechende Frequenz abgegeben wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsschaltung ein Frequenzdiskriminator (11) dient, der auf die Soll-Frequenz abgestimmt ist und dessen Ausgangsspannung nach Verstärkung den Motor speist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur vorzugsweise stufenweisen Einstellung der Größe der Ausgangsspannung des Frequenzdiskriminators (11) vorgesehen sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen so bemessen sind, daß sich die Motordrehzahl von Stufe zu Stufe im Verhältnis 1:2:4:8 usw. ändert

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (3) aus einer mit der Motorwelle starr verbundenen, am Rand gezahnten, vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehenden Scheibe besteht, der als Abtastorgan (4) ein fotoelektrisches Bauelement, eine Hallsonde, ein induktiver oder ein kapazitiver Wandler zugeordnet ist

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Motors, dessen Läufer mit in gedruckter Schaltungstechnik hergestellten Lamellen versehen ist, die Lamellensprünge zur Frequenzgebung ausgenutzt werden.