DE1813384B2

DE1813384B2 - Schaltungsanordnung zur drehzahlregelung eines gleichstrommotors

Info

Publication number: DE1813384B2
Application number: DE19681813384
Authority: DE
Inventors: Manfred 6451 Dornigheim Merz
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Honeywell GmbH
Priority date: 1968-12-07
Filing date: 1968-12-07
Publication date: 1973-04-19
Also published as: DE1813384A1; FR2025596A1; GB1225458A; US3581175A

Description

die im günstigsten Fall nur -^₀ der maximal mög

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors durch Phasenanschnitt- oder Impulsbreiten-Steuerung einer ihn speisenden halbwellen- oder impulsförmigen Spannung veränderbarer Größe in Abhängigkeit von der Differenz des der Istdrehzahl entsprechenden, über umschaltbare ohmsche Widerstände entnommenen Ausgangssignals eines mit dem Motor gekuppelten Tachogenerators und des Ausgangssignals eines Drehzahlsollwertgebers, in dessen Stromkreis ebenfalls umschaltbar ohmsche Widerstände liegen.

Die Verwendung einer Phasenschnittsteuerung oder Iinpulsbreilensteuerung zur Drehzahlregelung von Elektromotoren ist bekannt. Der Vorteil dieser Steuerungen liegt insbesondere darin, daß sie keine mechanischen Übertragungsglieder zur Änderung der Drehzahl, wie beispielsweise Getrieberäder, Zahnstangen oder Zahnriemen, aufweisen. Daraus resultiert ein verbesserter Wirkungsgrad des Antriebes, bei dem auf energieverzehrende ein- oder mehrstufige mechanische Getriebe verzichtet werden kann, was besonders wichtig ist bei Geräten, bei denen die lichen Eingangsgröße beträgt, höchstwahrscheinlich

aber noch kleinci ist. Mit einer derart kleinen Eingangsgröße läßt sich ein Verstärker aber nicht r, ehr zuverlässig steuern, da sich die Einflüsse der Umgebung, wie z. B. Schwankungen der Temperatur und der Versorgungsspannung, stark bemerkbar

machen und die Drift des Verstärkers zu groß wird. Darüber hinaus werden bei niedrigen Drehzahlen die notwendigerweise in einem Summierpunkt zu vergleichenden Ist- und Sollwerte äußerst klein, so daß ihr zuverlässiger Vergleich und damit die Darstellung der korrekten Regelabweichung an diesem Summierpunkt nicht mehr gewährleistet ist. Daraus ist zu ersehen, daß bei niedrigen Drehzahlen die Parameter des Regelkreises äußerst unL'ünstig liegen und ein stabiler Betrieb kaum möglich ist.

Um diese Schwierigkeiten zu verringern, ist bei einer aus der schweizerischen Patentschrift 404 780 bekannten Schaltungsanordnung der eingangs genannten Ar! der Drehzahlsollwertgeber, welcher an einem Sollwertspannungsteiler eine bestimmte Spannung abgreift, mit einem Umschalter mechanisch gekuppelt, der beim Übergang von einem Drchzahlbereich auf einen anderen unterschiedliche Anteile der dein Istwert entsprechenden Tachospannung an einem vom Tachogenerator gespeisten Spannungsteiler abgreift und der Sollwertspannimg entgegenschaltet. Diese die Regelabweichung darstellende Differenzspannung steuert über einen Differenlialverstärker die Spannung des Motors. Die Feineinstellung der Motorsolidrehzahl innerhalb der ein-

zelnen Bereiche eriolgt durch Änderung der Drehzahlsollwertspannung.

Auch dieser Schaltungsanordnung haften jedoch Nachteile an, welche durch die Frfindung beseitigt werden sollen. Geht man nämlich von Halbwellcn-Spannungen vorgegebener Amplitude aus. so werden bei niedrigen Drehzahlen und geringer Belastung die dem Motor zuzuführenden einzelnen Sliomimpulse so kurz, daß eine zuverlässige Phasenanschnittsteuerung kaum noch möglich ist, weil bereits geringfügige Verschiebungen im Zündzeitpunkt der den Strom steuernden elektronischen Ventile zu beträchtlichen Änderungen der dem Motor pro Impulsperiode zugeführten Leistung führen und Störungen sowie Betriebsspannungsschwankungen einen starken Einfluß auf die Stabilität des Regelkreises ausüben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese

Mängel zu beseitigen und eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit welcher in einem großen Drehzahl-

©ereich ein stabiler Betrieb und eine genaue und Phasenanschnitt- oder Impulsbreitensteuervorrichtung

•chnell ansprechende Drehzahlregelung erreicht wird. 20 gespeisten Gleichstrommotors 8 eingestellt, indem

Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einer Schal- eine Gleichspannungsquelle C an einen der zur Eintungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch, stellung des Drehzahlsollwertes dienenden und im daß die ohmschen Widerstände des Drehzahlsoll- 5 folgenden kurz Sollwertwiderstände genannten ohmwertgebers mit einer Umschalteinrichtung verbunden sehen Widerstände 4 gelegt wird. Die Solldrehzahl lind, die zwei gekuppelte Umschalter so steuert, daß des Motors ist dem eingeschalteten Widerstandswert die in Abhängigkeit von der Drehzahlregelabweichung umgekehrt proportional, so daß der durch den Sollgesteuerte Phasenanschnitt- oder Impulsbreitensteuer- wertwiderstand fließende Strom der eingestellten Sollvorrichtung über den einen Umschalter mit einer io drehzahl proportional ist. Der einstellbare Drehzahl-Spannungsquelle von dem Drehzahlsollwert ange- bereich ist 1:1600; von den Sollwerlwiderständen 4 paßter Größe verbunden ist und daß der andere Um- sind zur besseren Übersichtlichkeit nur vier darge- «chalter in den Stromkreis des Tachogenerators einen stellt. An die Welle des Gleichstrommotors 8 ist ein ohmschen Reihenschlußwiderstand von ebenfalls dem Tachogenerator 10 gekuppelt, der eine der Istdrehzahl Drehzahlsollwert angepaßter Größe schaltet. 15 proportionale Spannung abgibt, die an einem der

Durch diese gleichzeitige Umschaltung der Span- beiden mit dem Tachogenerator in Reihe schaltbaren

fiungsquelle und der Widerstände im Tachogenerator- Reihenschlußwiderstände 12, 13 in einen der Ist-

itromkreis wird, wie noch an Hand des Ausführungs- drehzahl des Motors proportionalen Strom umge-

|)eispiels im einzelnen erläutert wird, eine wesentliche wandelt wird. An einem Summierpunkt 14 wird der

Verbesserung und Stabilisierung des Regelverhaltens 20 mittels des Drehzahlwahlschalters 2 eingestellte, über

(der Drehzahlregelanordnung erreicht, wobei durch einen Sollwertwidersland 4 fließende und dem SoII-

(die entweder unmittelbare mechanische oder über ein wert der Drehzahl entsprechende Str. >m mit dem

itwischengeschaltetes Relais elektrisch erfolgende wir- vom Tachogenerator 10 über einen der beiden Reihen-

lungsmäßige Kopplung mit dem Drehzahlsollwert- schlußwiderstände 12, 13 kommenden, dem Istwert

geber eine selbsttätige Umschaltung und Anpassung as der Diehzahl entsprechenden Strom verglichen. Die

beim übergang von einem Drehzahlbereich auf einen die Drehzahlregelabweichung bildende Stromdifferenz

anderen gewährleistet ist. wird in einem Operationsverstärker 16 verstärkt,

Durch die Umschaltung wird der gesamte Dreh- dessen Ausgangssignal zu einem Thyristorsteuersatz 18

zahlbereich in mehrere einzelne, sich aneinander an- gelangt. Im Thyristorsteuersatz 18 werden für zwei

schließende Drehzahlbereiche aufgeteilt. Bei einer 30 Thyristoren die Zündimpulse erzeugt, deren zeitliche

Aufteilung eines Drehzahlbereiches von 1 : 1600 in Lage gegenüber dem Nulldurchgang der Netzwechcel-

z. B. vier Bereiche bedeutet das für jeden Bereich ein spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung

Drehzahlverhältnis von 1 : 6,3, wodurch die niedrigste des Verstärkers 16 verschoben wird, wobei der

Eingangsgröße des Verstärkers noch der 1 : 6,3-te Stromflußwinkel β des durch die Thyristoren fließen-

Teil der maximal möglichen ist, d. h., sie wurde, 35 den Stromes mit der Größe der Verstärkerausgangs-

verglichen mit den bekannten Schaltungen, um den spannung wächst Die vom Thyristorsteuersat? 18

Faktor 254 vergrößert. Auch die anderen Parameter gesteuerten Thyristoren befinden sich in der als thy-

dieses Regelkreises werden durch die Aufteilung in ristorgesteuerte Gleichrichterschaltung ausgebildeten

vier Drehzahlbereiche um einen Faktor dieser Größen- Phasenansclr.iiti- oder Impulssteuerschaltung 20, über

Ordnung verbessert. 40 die nur so lange Strom von einer der beiden Wechsel-

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist Spannungsquellen IZ₁ oder U₂ zum Motor 8 gedie Schaltungsanordnung derart ausgestaltet, daß langen kann, wie die Thyristoren gezündet sind, die Spannungsquelle und der Reihenscl.lußwiderstand Durch die Verwendung zweier Wechselspannungsim Tachoslromkreis in Abhängigkeit vom einge- quellen U₁, U₂ verschieden hohei Spannung sowie stellten Drchzahlsollwert auf zwei Werte umschaltbar 45 der beiden Reihenschlußwiderstände 12, 13 wird der sind. Eine Umschaltung zwischen zwei Schaltzu- gesamte Drehzahlbereich in zwei Einzelbereiche aufständen ist besonders einfach, und dabei läßt sich geleilt, wobei es besonders günstig ist, wenn b;ide die Größe der beiden so erhaltenen Drebzahlbereiche Bereiche gleich groß sind, also jeder Bereich ein in den meisten Fällen regelungstechnisch durchaus Drehzahlverhältnis von 1 : 40 beherrscht. Unter der beherrschen. Bei einem Drehzahlbereich von 1 : 1600 50 Annahme, daß der gesamte Bereich zwischen 1 und ist die minimale Eingangsgröße des Verstärkers V™ 1600 U/min liegt, erstreckt sich dann der untere Beder maximal möglichen, Eingangsgrößen innerhalb reich von 1 bis 40 U/min und der obere Bereich von eines solchen Bereiches sind durchaus üblich und be- 40 bis 1600 U/min. An die Motorwelle ist außer dem reiten keine Schwierigkeiten, ebenso wie die anderen Tachogenerator 10 auch eine Last 22 gekuppelt,
durch die Unterteilung des Drehzahlbereiches ver- 55 Der Drehzahlwahlschalter 2 weist eine zweite Schaltbesserten Parameter des Regelungssystems. ebene auf, die zum gleichzeitigen Einschalten der ge-

Ein Ausl'ührungsbeispiel der erfindungsgemäßen eigneten Wechselspannungsquelle für die Steuer-

Schaltungsanordnung wird nachstehend an Hand der Vorrichtung 20 sowie des geeigneten Reihenschluß-

Zeichnungen erläutert. Darin zeigt Widerstandes 12, 13 dient. Dabei wird eine Gleich-

F i g. 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen 60 spannungsquellc U_x über in der zweiten Ebene

Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines liegende Schallerkontaktstücke und einen zugehöri-

Gleichstrommotors mittels einer Phasenanschnitt- gen Schaltarm 25 derart über ein Relais 26 mit Masse

steuerung und verbunden, daß das Relais bei allen, zu dem einen

Fig. 2A und 2B die Stromflußwinkel bei einer der beiden Drehzahlbereiche gehörenden Schalterbestimmten niedrigen Drehzahl des Motors für zwei 65 Stellungen erregt ist und bei den zu dem anderen verschieden große Versorgungsspannungen. Bereich gehörenden nicht. Die vom Relais 26 betä-

Mit einem in F i g. 1 gezeigten Drehzahlwahl- ligten Umschalter 28, 29 schließen dementsprechend

schalter 2 wird die Solldrehzahl eines über eine die Wechselspannungsquelle U_x oder U₂ an die Steuer-

vorrichtung 20 an, und zwar im oberen Drehzahlbereich die höhere Wechselspannung U₁ von beispielsweise 220 V und im unteren Drehzahlbereich die niedrigere Wechselspannung U₂ von beispielsweise 30 V. Sie schalten außerdem den Reihenschlußwiderstand 12 oder 13 zwischen den Tachogenerator 10 und den Summierpunkt 14. Selbstverständlich muß bei der Dimensionierung der Sollwertwiderstände 4 die Umschaltbarkeit der Reihenschlußwiderstände berücksichtigt werden.

Die Verbesserung der Regelgenauigkeit und des Regelverhaltens durch die erfindungsgemäße Umschaltung der Versorgungsspannung für die Steuervorrichtung 20 und den Gleichstrommotor 8 wird an Hand der F i g. 2 A und 2B verdeutlicht. Hs wird davon ausgegangen, daß für eine vorgegebene Motordrehzahl eine mittlere Gleichspannung U,ι benötigt werde. Diese ist in beiden Diagrammen gestrichelt eingezeichnet. In F i g. 2A wird von einer Wechselspannung (Z₁ von 220 V ausgegangen. Wie man sieht, ist zur Erzeugung der mittleren Gleichspannung U_rt ein nur sehr kleiner Stromflußwinkel ß, erforderlich. Der Slromflußwinkcl β_Ί ergänzt bekanntlich den Zündwinkel \, zu 180\ Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß derart kleine Stromfiußwinkel schwer mit der erforderlichen Genauigkeit eingehalten werden können. Schon bei geringen Temperaturänderungen oder Schwankungen der Versorgungsspannungen kann sich die zeitliche Lage der Zündimpulse innerhalb einer Halbwelle verschieben, wodurch sich infolge der großen Steilheit der Halbwellen der Versorgungsspannung im Zündbereich beträchtliche Änderungen des Mittelwertes der erzeugten Gleichspannung ergeben.

Wird hingegen im unleren Drehzahlbereich die Versorgungsspannung der Steuervorrichtung 20 auf einen Wert von beispielsweise 30 V herabgesetzt, so ersieht man aus F i g. 2B. daß zur Erzeugung derselben mittleren Gleichspannung L'_fj ein wesentlich größerer Stromfiußwinkel ß* erforderlich ist. der sich erstens genauer einhalten läßt und zweitens bei irgendwelchen Schwankungen nur wesentlich geringere Änderungen der erzeugten Gleichspannung zur Folge hat.

Die Verbesserung des Regelverhaltens der Schaltungsanordnung durch die Umschaltung des Reihenschlußwiderstandes 12 bzw. 13 ergibt sich aus dem folgenden. Es sei angenommen, daß der maximale Tachogeneratorstiom bei einer Drehzahl von 1600 U/min gerade 4 mA betrage. Bei einem Drehzahlbereich von 1:1600 würde ein linear arbeitender Tachogenerator bei gleichbleibendem Reihenschlußwiderstand während der niedrigsten Drehzahl des Motors von 1 U/min nur noch einen Istwertstrom von etwa 0,0025 mA abgeben. Die Regelung der Schaltungsanordnung mittels solch kleiner Ströme ist kaum mehr möglich. Dagegen ist bei Verwendung zweier verschiedener, je zu einem Drehzahlbereich

ίο gehöriger Reihenschlußwiderstände der lstwerlstrom niemals kleiner als 0.1 mA und damit vollkommen unproblematisch.

Den Vorteil der gleichzeitigen Umschaltung von Reihenschlußwiderstand und Speisespannung der Steuervorrichtung 20 ersieht man auch aus folgender Betrachtung. Beim Umschalten der Speisespannung von 220 auf 30 V ergibt sich eine Verkleinerung der Kreisverstärkung durch die Verstärkungsminderung in der Steuervorrichtung 20. Gleichzeitig wird jedoch der Reihenschlußwiderstand verkleinert, was einer Verslärkungserhöhung des Operationsverstärkers 16 zur Folge hat. Wenn sich nun die Versiärkung^- minderung in der Steuervorrichtung 20 und die Verstärkungserhöhung im OperaiionsN erstärker 16 kornpensieren. so bleibt die Kreissersiärkung konstant Mit Hilfe, der Bereichsumschaltung wird also erreicht, daß die Parameter des Regelkreises in allen Bereichen optimiert sind und die Kreisverstärkung trotzdem annähernd konstant bleibt.

Die erfindungsgemäße Drehzahlregelschaltunc lsi insbesondere für den Schreib^ircifenantrieb in Registriergeräten geeignet. Dabei ist die korrekte Einhaltung einer einmal eingestellten Antriebsgeschwindigkeit unabhängig von Änderungen der Umgebungstemperatur oder Schwankungen der Netzspannung von großer Bedeutung, damit die Aufzeichnungen zuverlässig ausgewertet werden können. Die Irfindung schafft die Möglichkeil, ohne komplizierte Schaltgetriebe und Kupplungen einen auf eine Vielzahl von Geschwindigkeitsstufen umschahbaren. rein elektronisch gesteuerten Schreibstreifenantrieb 711 schaffen, der hinsichtlich der Genauigkeit der einzelne!! Hrchzahlstufen und der Einhaltung einer vorgegebener Drehzahl über längere Zeiträume den bisher vorwendeten mechanischen Schaltgetrieben zumindesi gleichwertig ist. darüber hinaus aber die hei mechanischen Getrieben infolge der Abnutzung wach sende Ungenauigkeit vermeidet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors durch Phasenanschnitt- oder Impulsbreitensteuerung einer ihn speisenden halbwellen- oder impulsförmigen Spannung veränderbarer Größe in Abhängigkeit von der Differenz des der Istdrehzahl entsprechenden, über umschaltbare ohmsche Widerstände entnommenen Ausgangssignals eines mit dem Motor gekuppelten Tachogenerators und des Ausgangssignals eines Drehzahlsollwertgebers, in dessen Stromkreis ebenfalls umschaltbare ohmsche Widsrstände liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmschen Widerstände (4) des Drehzahlsollwertgebers (4, 6) mit einer Umschalteinrichtung (2, 25, 26) verbunden sind, die zwei gekuppelte Umschalter (28, 29) so steuert, daß die in Abhängigkeit von der Drehzahlregelabweichung gesteuerte Phasenanschnitt- oder Impulsbreitensteuervorrichtung (20) über den einen Umschalter (28) mit einer Spannungsquelle (U₁, £/») von dem Drehzahlsollwert angepaßter Größe verbunden ist und daß der andere Umschalter (29) in den Stromkreis des Tachogenerators (10) einen ohmschen Reihenschlußwiderstand (12, 13) von ebenfalls dem Drehzahlsollwert angepaßter Größe schaltet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle und der Rcihei.3chlußwiderstand (12, 13) in Abhängigkeit vom eingestellten Drehzahlsollwert auf zwei Werte umschaltbar sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit einein zum Dreh/ahlsollwertgeber gehörenden Drehzahlwahlschalter (2) ein Umschalter (25) gekuppelt ist, welcher ein die beiden Umschalter (28, 29) betätigendes Relais (26) steuert.

Leistung der den Antrieb speisenden Energiequellen beschränkt ist, z. B. bei batteriebetriebenen Geräten. Nachteilig bei phasenanschnitt- oder impulsbreitengesteuerten Elektromotoren ist dagegen, daß die Größe des Bereiches, "*in dem die Drehzahl verändert werden kann, oft den Anforderungen nicht mehr genügt. Der Grund hierfür liegt darin, daß bei großen Drehzahlbereichen der Regelbereich zu groß wird und die Geräte des Regelkreises nicht mehr stabil

ίο genug arbeiten. Ein Beispiel kann das verdeutlichen. Es sei angenommen, daß ein Drehzahlbereich von 1:1600 erzielt werden soll. Dies bedeutet, daß zur Verstärkung der Regelabweichung ein Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 1600 benötigt

wird. Bei Einstellung der niedrigsten Drehzahl liegt am Eingang des Verstärkers eine Eingangsgröße,