DE1924233B2 - Vorrichtung zur drehzahlregelung eines rotierenden elementes - Google Patents

Vorrichtung zur drehzahlregelung eines rotierenden elementes

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DE1924233B2 DE19691924233 DE1924233A DE1924233B2 DE 1924233 B2 DE1924233 B2 DE 1924233B2 DE 19691924233 DE19691924233 DE 19691924233 DE 1924233 A DE1924233 A DE 1924233A DE 1924233 B2 DE1924233 B2 DE 1924233B2
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Description

'5
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines rotierenden Elements, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Signals entsprechend der Drehbewegung des rotierenden Elements, ferner mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Sägezahnsignals entsprechend dem frequenzmodulierten Signal, weiterhin mit einer Einrichtung zur Steuerung der Drehzahl des rotierenden Elements mit dem Sägezahnsignal.
Die bekannten Vorrichtungen zur Drehzahlregelung der vorstehend genannten Art sind mit dem Nachteil behaftet, daß sich die Drehzahl nicht innerhalb eines sehr weiten Bereiches regeln läßt, daß die Folgeeigenschaften der Regelschaltung nicht zufriedenstellend sind und daß sich die Regelschaltung nur mit großen Schwierigkeiten als integrierte Schaltung ausbilden läßt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Mangel der bekannten Ausführungen eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch einen weiten Drehzahlregelbereich, gute Folgeeigenschaften der Regelschaltung und einen geringen Leistungsverbrauch auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zur Änderung der Neigung des Sägezahnsignals vorgesehen ist.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigt
F i g. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Drehzahlregelungsvorrichtung,
F i g. 2 eine Anzahl von Diagrammen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung der F i g. 1,
F i g. 3 ein Prinzipschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,
F i g. 4 eine Anzahl von Diagrammen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß F i g. 3.
Die Schaltung gemäß F i g. 1 enthält einen Signalgenerator 1, der auf der sich drehenden Welle eines Motors M sitzt und sich mit dieser Welle dreht. Der Signalgenerator 1 liefert ein Signal Si (vgl. F i g. 2A) das eine Frequenzmodulation entsprechend der Winkelgeschwindigkeit des Motors M aufweist. Das frequenzmodulierte Signal Si wird einem Signalformkreis 2 zugefühn, der beispielsweise durch einen npn-Transistor 7h gebildet wird. Von dem Kreis 2 wird infolgedessen ein rechteckförmiges Signal S2 gewonnen, das in F i g. 2B dargestellt ist und das dem frequenzmodulierten Signal Si entspricht. Das Signal S2 wird einem Differentiationskreis 3 zugeführt, der einen Kondensator G und einen Widerstand R\ enthält. Dieser Kreis liefert infolgedessen durch Differentiation Impulse S3 und S4 an der Anstiegs- bzw. Abfallflanke des Signals S2 (vgl. F ig. 2C).
Die Impulse S3, Sa werden einem Sägezahngenerator 4 zugeführt, der die Transistoren Tr2 und Tr3 enthält, die den Generator 4 mit einem der beiden differenzierten Impulse S3, S* (beim dargestellten Ausführungsbeispiel mit S3) steuert Dadurch erhält man ein Sägezahnsignal S5 (vgl. Fig.2D), dessen Periode der des Impulses S3 entspricht und dessen Scheitelwert demgemäß von der Periode abhängt
In diesem Falle ist die Neigung des Sägezahnsignals S5 variabel gemacht Zu diesem Zweck ist eine veränderliche Ladezeitkonstante des Signals S5 vorgesehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dei Kollektor des Transistors Tr2 des Generators 4 mil einem festen Kontakt Sf eines Umschalters S verbunden, während drei bewegliche Kontakte Sn, Sn und S^ des Schalters Smit einem Stromquellenanschluß 6a über Reihenwiderstände A10, R20 und Rx in Verbindung stehen, die jeweils aus den Widerständen An, R2\, Ä31 und den veränderlichen Widerständen Ai2, R22 und R12 bestehen.
Bei einer solchen Anordnung hat eine Umschaltung des Schalters Soder eine Einstellung der veränderlichen Widerstände R12, R22, Rn eine Änderung der Ladezeitkonstante zur Folge, wodurch die Neigung des Sägezahnsignals Ss geändert wird. Man kann diesen Zweck natürlich ohne Änderung des Widerstandswertes des veränderlichen Widerstandes auch dadurch erreichen, daß ein Kondensator G des Generators 4 als variabler Kondensator ausgebildet wird oder daß eine Anzahl von Kondensatoren an Stelle des Kondensators 4 umgeschaltet werden oder daß schließlich sowohl die Widerstände als auch die Kondensatoren veränderlich ausgebildet werden.
Zweckmäßig verbessert man die Linearität des Sägezahnsignals S5 durch einen positiven Rückkopplungskreis, in dem das Kollektor-Ausgangssignal des Transistors Tr2 der Basis des Transistors Ti3 zugefühn wird, während das Emitter-Ausgangssignal des Transistors Tr3 über einen Kondensator C3 einem Kollektor-Lastkreis des Transistors Th zugeführt wird.
Das Sägezahnsignal S5 gelangt an die Basis eine: Transistors Tr4 eines Differential-Verstärkerkreises, dei die Transistoren Th und Tr5 beispielsweise eines Vergleichskreises 5 enthält.
Der Differential-Verstärkerkreis kann so ausgebildet sein, daß der Basis des Transistors Th eine Bezugs Gleichspannung £ zugeführt wird, die durch Spannungs· teilung beispielsweise der am Anschluß 6a vorhandener Speisespannung mittels des veränderlichen Widerstan des R2 und der Widerstände R3 und A4 gewonnen wird hierbei wird der Verbindungspunkt der Emitter dei Transistoren Tn und Tn mit dem anderen Anschluß 64 der Speisespannungsqueile über einen Emitterwider stand Rj verbunden.
Das der Basis des Transistors Tn zugeführt« Sägezahnsignal Ss wird daher mit der Summe E\ einei Spannung verglichen, die an den Emittern dei Transistoren Tn und Tn durch die erwähnte Bezugs Gleichspannung E (die der Basis des Transistors Tr zugeführt wird) und einen Vorwärts-Spannungsabfal zwischen Basis und Emitter des Transistors Tn geliefer wird. Auf diese Weise nimmt man beispielsweise von Kollektor des Transistors Tn ein Signal S5' (vgl F i g. 2D') ab.
im Differential-Verstärkerkreis kann man erforderli
:henfalls die Amplitude des Signals S5' dadurch einstellen, daß der Widerstand A2 veränderlich gestaltet wird, wodurch die Bezugs-Gleichspannung E variiert werden kann. Dies führt zu Änderungen in der Impulsbreite eines nachstehend beschriebenen Signals ^ und ermöglicht eine Einstellung der Umdrehungszahl des Motors M EWe Differentialverstärkerverbindung der Transistoren Ta und 7V5 führt ferner zu einer Verringerung der Drehzahländerung des Motors durch den Einfluß, den Schwankungen der Umgebungstemperatur auf das Signal Ss' ausübea Das Signal S5' ist eine Dreieckwelle mit veränderlichem Scheitelwert Um dieses Dreiecksignal Ss in eine Rechteckwelle mit modulierter Breite umzuwandeln, wird das Signal Ss' beispielsweise der Basis eines Emitterfolge-Transistor- ,5 Verstärkers zugeführt, der einen Transistor Tr6 enthält
Das hierdurch verstärkte Ausgangssignal wird einem Impulsbreite-Modulatorkreis 7 zugeführt
Dieser Kreis 7 ist beispielsweise mit einem npn-Transistor Tn versehen, dessen Emitter direkt mit dem Spannungsanschluß 66 verbunden ist, während der Kollektor mit dem Anschluß 6a über einen Kollektor-Lastwiderstand verbunden ist Die Basis ist mit dem Emitter beispielsweise des erwähnten Transistors Tr6 (oder mit dem Kollektor des Transistors Tr*) wenigstens über eine Zener-Diode Zp verbunden.
Der Transistor Tn ist infolgedessen leitend, wenn der Wert des Signals Ss' die Summe der Zener-Spannung der Zener-Diode Z0 und des Durchlaß-Spannungsabfalles zwischen Basis und Emitter des Transistors Tn übersteigt; der Transistor Tn ist dagegen nidit leitend, wenn das Signal S5' kleiner als die Summe dieser Spannungen wird. Der Impulsbreite-Modulatorkreis 7 erzeugt infolgedessen ein Rechteckwellen-Vergleichssignal & (vgl. Fig.2E), dessen Impulsbreite entspre- chend dem Scheitelwert des Dreiecksignals SJ moduliert ist.
Bei der obigen Anordnung kann die Frequenz, die einen Impuls Ss einer Amplitude zuführen kann, die den Start der Impulsbreite-Modulation des Impulsbreite-Modulationskreises ermöglicht, d. h. die Frequenz des Ausgangssignals S] des Signalgenerators 1 in Abhängigkeit von der Bezugs-Gleichspannung bestimmt werden, die der Basis des Transistors Tr5 des Differenzverstärkerkreises zugeführt wird. Zusätzlich wird der Bezugswert, d.h. die Umdrehungszahl des Motors, entsprechend der Zener-Spannung der Zener-Diode Zd des Impulsbreite-Modulatorkreises 7 uwd des Durchlaß-Spannungsabfalles zwischen Basis und Emitter des Transistors Tn eingestellt; ein Emitterfolge-Transistorkreis wird als Puffer zwischen den Differenzverstärkerkreis und den Impulsbreite-Modulationskreis geschaltet, um dadurch eine ausreichende Schaltwirkung des Impulsbreite-Modulatorkreises zu gewährleisten.
Der Grund für die Gewinnung des Bezugswertes in zwei Stufen liegt in der Verbesserung der Servosteuerungs-Empfindlichkeit durch Erhöhung der Anstiegssteilheit des Signals, das einem im folgenden beschriebenen Integrationskreis 8 zugeführt wird, wenn die Umdrehungszahl des Motors den eingestellten Wert 6ο übersteigt
Das vom Vergleichskreis 5 gewonnene Signal Ss bzw. 5s' ist eine Dreieckwelle, deren Höhe und Basis sich ändern; der Anstieg des Signals S5 bzw. Ss' ist daher nicht besonders scharf; dies stellt besonders dann ein Problem dar, wenn eine genaue Servosteuerung gewünscht wird. Zur Lösung dieses Problems wird bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel das Signal S5 bzw. S5' durch den Impulsbreite-Modulatorkreis in ein in seiner Impulsbreite moduliertes Signal S6 umgeformt, dessen Scheitelwert konstant ist, dessen Impulsbreite sich jedoch bei einer Änderung der Basis des Signals S5 bzw. S5' entsprechend ändert
Da der Scheitelwert des Signals S6 am Anstieg gleich groß wie bei den folgenden Impulsen ist, kann der Anstieg des Signals steil gemacht werden; der Welligkeitsfaktor des durch den Integrationskreis 8 integrierten Wertes kann dadurch verringert werden, daß die Zener-Spannung der Zener-Diode so ausgewählt wird, daß die Impulsbreite des in seiner Impulsbreite modulierten Signals etwa der Basislänge der Dreieckwelle entspricht Wenn derselbe Welligkeitsfaktor zulässig ist kann die Integrationszeitkonstante verringert werden, was eine erhöhte Folgecharakteristik der Servosteuerung gewährleistet
Der Anstieg und Abfall des Signals S«, kann dadurch verbessert werden, daß der Kollektor des Transistors Tn wie dargestellt über den Widerstand R6 mit der Basis des Transistors Tr4 verbunden wird und daß das rechteckförmige Vergleichssignal Si> in einer positiven Rückkopplung vom Transistor Tn> zu der vorausgehenden Stufe zurückgeführt wird.
Das rechteckförmige Vergleichssignal St, wird einem Tiefpaßfilter zugeführt d. h. dem Integrationskreis 8, der <ius einem Widerstand Rs und einem Kondensator C2 besteht und ein Gleichspannungssignal liefert das in F i g. 2F dargestellt ist. Es entspricht der Impulsbreite des rechteckförmigen Vergleichsügnals Sb, ist also ein demoduliertes Signal Si des frequenzmodulierten Signals Si des Signalgenerators 1 (vgl. F i g. 2A). Das demoduherte Signal S7 wird einem Gleichspannungsverstärker 9 zugeführt, der die Transistoren Tr» und Tr9 enthält. Der Motor Mliegt beispielsweise zwischen dem Kollektor eines Ausgangstransistors Tr9 des Gleichspannungsverstärkers 9 und dem Speisespannungsanschluß 6s und wird mit einem Strom gespeist, der vom Wert des Gleichspannungssignals S7 abhängt, das dem Verstärker 9 zugeführt wird.
Bei der obigen Anordnung bewirkt ein Anstieg in der Drehgeschwindigkeit des Motors Meine Vergrößerung der Frequenz des vom Signalgenerator 1 gelieferten, frequenzmodulierten Signals Si, wodurch die Periode des differenzierten Impulses S3, d. h. die Wiederholungsperiode des Sägezahnsignals S5 verkürzt wird. Dies führt zu einer Verringerung des Scheitelwertes des Sägezahnsignals S5, wodurch die Impulsbreite des rechteckförmigen Vergleichssignals S6 den Wert der dem Gleichspannungsverstärker 9 zugeführten Gleichspannung S7 verringert. Infolgedessen verkleinert sich der Kollektorstrom des Ausgangstransistors Tn und damit der durch den Motor fließende Strom, so daß sich die Motordrehzahl verringert Eine Verkleinerung der Drehgeschwindigkeit des Motors Mbewirkt demgegenüber eine Vergrößerung des dem Motor zugeführten Stromes und damit eine Erhöhung seiner Drehzahl. Ein Selbststart des Motors M ist möglich; seine Drehzahl wird stets auf einem konstanten Wert gehalten.
Mit dem beschriebenen Drehzahl-Regelsystem kann eine stabile und sehr empfindliche Regelung erreicht werden; da die Neigung des Sägezahnsignals S; veränderlich ist, kann die Bezugsdrehzahl des rotieren den Teiles, beim dargestellten Ausführungsbeispiel alsc die Bezugsdrehzahl des Motors, in einem weiter Bereich gewählt werden.
Selbst wenn die Drehzahl des Motors unverändert! ist, ist das frequenzmodulierte Signal Si oft leich
amplitudenmoduliert, wie in Fig.2A durch die gestrichelte Linie Si' angedeutet ist. Dies beruht auf einer Verschiebung der Signalgeneratoreinheit zwischen dem magnetischen Zentrum des Rotors und dem des Stators, was durch eine Änderung des axialen Druckes der S Motorwelle verursacht wird. Wenn nun das rechteckförmige Signal S2 in der erläuterten Weise durch Umformung der Wellenform des Signals S\ erzeugt wird, so besteht die Möglichkeit, daß sich die Impulsbreite des Signals auch dann ändert, wenn die Frequenz des Signals Si sich nicht geändert hat. Nimmt man an, daß die Periode des Signals S2 beispielsweise im Anstiegsteil mit der des frequenzmodulierten Signals Si übereinstimmt, so liegt dann keine Übereinstimmung der Periode des Signals S2 im abfallenden Teil mit der des Signals Si vor. Wird also ein Servosignal (das Signal Ss in F i g. 2) erzeugt, in dem sowohl der Anstieg und der Abfall des Signals S2 benutzt wird, so ergibt sich ein Fehler, der die Erzielung eines genauen Vergleichs-Ausgangssignals unmöglich macht; bei Steuerung der Drehzahl eines Motors würde sich dadurch eine (unerwünschte) Änderung der Motordrehzahl einstellen.
Bei dem erfindungsgemäßen Drehzahl-Steuersystem wird dagegen das frequenzmodulierte Signal Si, das entsprechend der Drehbewegung des rotierenden Teiles, beim dargestellten Ausführungsbeispiel also des Motors erzeugt wird, in seiner Wellenform so umgeformt, daß sich das rechteckförmige Signal S2 ergibt; der Sägezahngenerator 4 wird dabei durch einen der beiden differenzierten Impulse S3 oder S4 des Signals S2 (in der Anstiegs- oder Abfallflanke) ausgesteuert; beim dargestellten Ausführungsbeispiel nur durch den differenzierten Impuls S3. Dadurch ergibt sich ein Sägezahnsignal S5 und damit ein rechteckförmiges Vergleichssignal S6 pro Periode des frequenzmodulierten Signals Si. Selbst wenn daher das frequenzmodulierte Signal Si eine Amplitudenmodulation aufweist, wodurch sich der differenzierte Impuls, beispielsweise St, ändert, besteht nicht die Gefahr, daß eine Änderung des Impulses S4 als Fehlerkomponente auftritt Das erfindungsgemäße Drehzahl-Regelsystem zeichnet sich daher durch eine besonders hohe Genauigkeit aus und gewährleistet eine stabile Steuerung des Motors, die durch Änderungen der Belastung der Motorwelle nicht beeinflußt wird.
Wie oben erläutert wurde, ist die Bezugsdrehzahl des Motors M abhängig von der Neigung des Sägezahnsignals Ss, der Summe E\ der Emitterspannungen der Transistoren 7h» und Tr5 und dem Durchlaß-Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter des Transistors Tr4 sowie von der Summe E2 der Zener-Spannung der Zener-Diode Zd und des Durchlaß-Spannungsabfalles zwischen Basis und Emitter des Transistors^ Tr7. Erfindungsgemäß sind jedoch Maßnahmen zur Änderung der Neigung des Sägezahnsignals S5 vorgesehen, d. h. Maßnahmen zur Änderung der Ladezeitkonstante des Signals S5, so daß die Bezugsdrehzahl des Motors M beliebig meinem weiten Bereich geändert werden kann, indem der Schalter S1 entsprechende Widerstände Rto, bhl
Da sich die Ströme und Spannungen in dem Regelsystem nur intermittierend ändern, ergibt sich eine geringe Wärmeentwicklung? das DrehzaMregelsysttOT 'kann infolgedessen ohne weiteres in Form einer integrierten Schaltung aufgebaut werden.
In Fig.3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, das in seinem prinzipiellen Aufbau weitgehend der Anordnung gemäß F i g. 1 entspricht; gleiche Elemente sind demgemäß mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und im einzelnen nicht näher erläutert. Die Schaltung der Fig.3 ist insofern gegenüber der der F i g. 1 vereinfacht, als der Sägezahngenerator 4 nur einen Transistor Tr2 enthält und der aus dem Transistor 77t und der Zener-Diode Zd (Fig. 1) bestehende Emitterfolge-Transistorverstärker weggelassen ist. Die Zener-Diode Zq ist zur Stabilisierung der Speisespannung vorgesehen.
Die prinzipielle Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig.3 entspricht der der Fig. 1. In Fig.4 sind die einzelnen Spannungen in gleicher Weise wie in F i g. 2 bezeichnet. Ein Sägezahnsignal S5 (vgl. F i g. 4D), das von einem Sägezahngenerator 4 abgeleitet ist, wird der Basis eines Transistors Tu eines Differenzverstärkers zugeführt, der aus den Transistoren Tn und 7h eines Vergleichskreises 5 besteht Das Signal S5 wird mit der Summe £ϊ der Emitterspannungen der Transistoren Tr4 und Fr5 und des Durchlaß-Spannungsabfalles zwischen Basis und Emitter des Transistors Tr4 (wie im Fall der F i g. 1) verglichen, so daß am Kollektor des Transistors Tr4 ein Signal S5' (vgl. F i g. 4D') erzeugt wird und an der Basis eines Transistors Tr7 ein Signal S5" (Fig.4D") entsteht. Das resultierende Signal S5" wird mit dem Durchlaß-Spannungsabfall E2 zwischen Basis und Emitter des Transistors Tr7 verglichen und ergibt am Kollektor des Transistors Tr7 ein rechteckförmiges Vergleichssignal S6 (Fig.4E). Die folgenden Vorgänge entsprechen dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1.
Auch mit der Anordnung der Fi g. 3 kann eine stabile und sehr empfindliche Regelung erreicht werden; die Bezugsdrehzahl des Motors M kann beliebig in einem weiten Bereich geändert werden, indem mittels des Schalters S(wie im Falle der Fig. 1) die Neigung des Sägezahnsignals S5 variiert wird.
Wenngleich bei den erläuterten Ausführungsbeispielen das Sägezahnsignal S5, das vom Generator 4 geliefert wird, dem Vergleichskreis 5 zugeführt und das aus dem Vergleich dieses Signals S5 mit der Bezugsgleichspannung gewonnene, rechteckförmige Vergleichssignal S6 einem Integrationskreis 8 zugeführt wird, so kann man statt dessen auch das Sägezahnsignal vom Generator 4 dem Integrationskreis zuführen und das Ausgangssigna] des Integrationskreises zum Zwekke des Vergleiches mit der Bezugsgleichspannung dem Vergleichskreis zuführen.
Die Erfindung wurde an Hand des Falles erörtert daß ein entsprechend der Winkelgeschwindigkeit des Motors M frequenzmoduliertes Signal von einem auf der rotierenden Welle des Motors M angeordneten Signalgenerator ί geliefert und zur Regelung der Drehzahl des Motors demoduliert wird. Das freqaenzmodulierte Signal kann jedoch auch nach anderen Verfahren gewonnen werden. Me Erfindung ist ferner ganz allgemein zur Drehzahlregelung rotierender Teile geeignet, beispielsweise von Motoren, Antriebswellen, beispielsweise von Vorrichtungen zur magnetischen Aufzeichnung and Wiedergabe, wobei eine auf einer
gesteuert werden Scann.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines rotierenden Elements, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Signals entsprechend der Drehbewegung des rotierenden Elements, ferner mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Sägezahnsignals entsprechend dem frequenzmodulierten Signal, weiterhin mit einer Einrichtung zur Steuerung der Drehzahl des rotierenden Elements mit dem Sägezahnsignal, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (S. R\o, R20, Rx) zur Änderung der Neigung des Sägezahnsignals vorgesehen ist
DE1924233A 1968-05-13 1969-05-12 Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines rotierenden Elementes Expired DE1924233C3 (de)

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