DE1926628B2

DE1926628B2 - Einrichtung zur erzeugung einer drehzahlproportionalen gleichspannung

Info

Publication number: DE1926628B2
Application number: DE19691926628
Authority: DE
Inventors: Ingemar Dipl.-Ing.; Eichmann Dieter Dipl.-Ing.; Langweiler Frank Dipl.-Ing.; 8520 Erlangen Neuffer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-05-24
Filing date: 1969-05-24
Publication date: 1972-10-26
Also published as: BE750733A; JPS5224204B1; GB1251927A; ES379971A1; NL7007206A; FR2043652B1; DE1926628A1; AT301915B; CH509593A; FR2043652A1; SE359206B; US3603869A; CA927494A; ZA703477B

Description

Zum Ausgleich von Unsymmetrien bei den erzeug- Die mit X und Y bezeichneten Ausgangssignale

ten Phasenspannungen kann es zweckmäßig sein, die der Geber 4 und 5 sind an die Eingangsklemmen 6

Torschaltungen über je einen veränderbaren Wider- und 7 einer Gatterschaltung 8 angeschlossen. Die

stand an den einen Eingang eines Verstärkers anzu- Gatterschaltung 8 enthält zwei Umkehrgatter 9 und

schließen. 5 10 zur Invertierung der Eingangssignale X und Y in

Eine optimale Ausnutzung der von der Wechsel- die Signale X und Y sowie vier Undgatter 11 bis 14, Spannungsmaschine erzeugten Spannungen ergibt sich welche so mit den Eingangsklemmen 6 und 7 sowie nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung da- den Ausgängen der Umkehrgatter 9 und 10 verbundurch, daß jeweils zwei um 180° elektrisch versetzt den sind, daß durch die von ihren Ausgängen IS bis angeordnete Phasenwicklungen gegensinnig in Reihe io 18 betätigten elektronischen Schalter 19 bis 22 geschaltet jeweils über eine Torschaltung und einen läuferstellungsabhängig aus den einzelnen Phasen-Widerstand sowohl an den einen als auch an den spannungen ein bestimmter Teil herausgeschnitten anderen Eingang eines DiSerenzverstärkers ange- und auf eine gemeinsame Ausgangsleitung geschaltet schlossen sind. Auf diese Weise können auch die wird. Die gemeinsame Ausgangsleitung kann in der negativen Spannungshalbwellen zur Bildung des 15 gestrichelt angedeuteten Verbindung der einzelnen Gleichspannungsausgangssignals mit herangezogen Schalterausgänge, welche zu einer mit 23 bezeichwerden. neten Ausgangsklemme führt, bestehen oder in dem

Es kann sich weiterhin als vorteilhaft erweisen, die Eingang eines Verstärkers 24, mit dem die Ausgänge

nacheinander die Phasenspannungen durchschaltenden der elektronischen Schalter 10 bis 22 über justierbare

Torschaltungen überlappend in der Weise arbeiten zu ao Widerstände verbunden sind. Zur Vermeidung

lassen, daß die durchlässig gesteuerte Torschaltung nennenswerter feldverzerrender Ankerrückwirkungen

erst dann in ihren Sperrzustand übergeführt wird, darf der Ausgang 23 nur schwach belastet werden,

wenn die nächstfolgende, durchlässig zu schaltende Die induktiven Annäherungsschalter 4 und 5 er-

Torschaltung bereits diesen Zustand erreicht hat. zeugen ein binäres »Eins«-Signal (L-Signal), wenn

Damit ist eine erhöhte Sicherheit gegen Spannungs- 25 sich der Metallsteg 3 jeweils in ihrer unmittelbaren

einbräche gegeben. Hierzu können die Torschaltungen Nähe befindet. Diese Signale seien mit Y und X be-

gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung — bei- zeichnet. Sehen sich die induktiven Geber 4 und 5

spielsweise unter Verwendung an sich bekannter Zeit- keinem Teil der Metallstege gegenüber, so weisen die

stufen in Form von monostabilen Kippschaltungen — Eingänge 6 und 7 binäre Nullsignale auf, während

mit einer Abschaltverzögerung versehen sein. 30 dann an den Ausgängen der Umkehrgatter 9 und 10

Ein zur Erzeugung einer oberwellenfreien Aus- mit X und Y bezeichnete binäre L-Signale erscheinen,

gangsspannung geeigneter, mit der Läuferdrehung Bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung treten also

abwechselnd linear zunehmender und linear abneh- L-Signale bei den von den Undgattern 11 bis 14 aus-

mender Induktionsverlauf läßt sich in besonders ein- gewerteten Signalpaaren XY, XY, ~XY, XX jeweils

fächer Weise mit einer Reluktanzmaschine erreichen. 35 aufeinanderfolgend während genau einer Viertelum-

Ein hierzu besonders günstiges Verhältnis zwischen drehung des Permanentinduktors 2 auf. Werden mit

dem Fluß in der Quer- und in der Längsachse des den an den Ausgangsklemmen 15 bis 18 erscheinen-

Läufers ergibt sich in weiterer Ausgestaltung der Er- den L-Signalen die elektronischen Schalter 19 bis 22

findung mit einem aktiven Läuferteil aus Blechstreifen durchlässig gesteuert, so wirkt jede Phasenspannung

von kaltgewalztem, kornorientiertem Stahl. 40 jeweils nur während der Dauer einer Viertelperiode

Die Erfindung sei im folgenden an Hand der in auf die gemeinsame Ausgangsleitung. Da die Durch-

den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele er- ■ schaltung der einzelnen Phasenspannungen jeweils

läutert. zeitlich symmetrisch zum Nulldurchgang des ihre

In F i g. 1 ist mit 1 eine vierphasige Wechselspan- Wicklungen durchsetzenden Flusses erfolgt, ensteht nungsmaschine schematisch dargestellt. Sie weist vier 45 am Ausgang 23 bzw. 25 eine Gleichspannung, deren Phasenwicklungen A, B, C und D auf, an denen bei Höhe der Drehzahl und deren Polarität der Dreh-Drehung eines in Form eines Dauermagneten aus- richtung des Maschinenläufers entspricht,
geführten Induktors 2 vier jeweils um 90° elektrisch Fig. 2 zeigt fünf Diagrammskizzen zur Veranversetzte Phasenspannungen zwischen ir.ren jeweiligen schaulichung des Flußverlaufes, des Verlaufes der Enden a, b, c und d und dem Bezugspotential, mit 50 Phasenspannungen sowie der Zuordnung der Einwelchem die anderen Enden der Phasenwicklungen und Ausschaltpunkte für die einzelnen Phasenspanverbunden sind, auftreten. Mit der Läuferwelle rotiert nungen. In der oberen Diagrammskizze ist der Verein Metallsteg 3, dessen Umfang genau den Winkel lauf des die Wicklung A durchsetzenden Flusses bei von 180° überdeckt. In der praktischen Ausführung Drehung des Permanentinduktors 2 um den Winkel \ wird dieser Metallsteg zweckmäßigerweise als Metall- 55 dargestellt. Durch entsprechende Ausbildung der Polband ausgebildet, welches auf einer starr mit der breite, des Luftspaltes sowie der Wicklungsanordnung Läuferwelle verbundenen, nichtmetallischen Scheibe kann dafür gesorgt werden, daß der Fluß bei Drehung aufgebracht ist. Der Metallsteg 3 dient als Anregung des Permanentinduktors in Abhängigkeit von seinem für zwei induktive Geber 4 und 5, welche um 90° Drehwinkel λ im wesentlichen dreieckförmig. d. h. gegeneinander versetzt symmetrisch zur Feldachse ⁶° linear abnehmend, bis zu einem Wert von λ = 180° einer Phasenwicklung, im dargestellten Beispiel zu und ab dann linear zunehmend bis zu einem Winkel der Phasenwicklung A, ständerfest angebracht sind. von α = 360° verläuft. Dieser Flußverlauf ist der Die Geber können aus an sich bekannten induktiven günstigste zur Erzeugung einer oberwellenfreien, völlig Annäherungsschaltern bestehen und enthalten im glatten Ausgangsgleichspannung. Da beim Ausfühwesentlichen eine elektrische Oszillatorschaltung, 65 rungsbeispiel der Fig. 1 eine Durchschaltung wähwelche bei Annäherung von metallischen Gegen- rend eines Winkelbereiches von 90° vorgesehen ist, ständen verstimmt wird und dann an ihren Aus- genügt es, wenn sich der Flußverlauf nur während gangen ein Signal hervorruft. eines solchen Winkelbereiches linear ändert. Es er-

geben sich dann die in den weiteren Diagrammskizzen ier Fig. 2 dargestellten, voll ausgezogenen Spanlungsverläufe der Phasenspannungen U₀, U_b, U_c und U_d. Geht man von der in Fig. 1 dargestellten Stellung des Permanentinduktors aus, so wird bei einem Verdrehungswinkel von 45° am Eingang 6 der 3atterschaltung 8 und am Ausgang des Umkehrgatters LO ein L-Signal erhalten. Am Ausgang 15 des Und- !>atters 11 tritt demzufolge ein L-Signal auf, welches ien elektronischen Schalter 19 betätigt und die Phasenspannung U_a ab diesem Zeitpunkt auf die Ausgangsleitung durchschaltet bis zu einem Zeitpunkt, zu 1em sich der mit N bezeichnete Nordpol des Permaiientinduktors um den Winkel \ = 135° bezüglich 1er Feldachse der Wicklung A gedreht hat und zu iem gleichzeitig der Geber 5 durch das Betätigungselement 3 zum Ansprechen gebracht worden ist. Es 'Veisen dann sowohl das Ausgangssignal X des Geyers 4 als auch das Ausgangssignal Y des Gebers 5 ;in L-Signal auf und steuern somit über das Undgatter 12 den elektronischen Schalter 20 durchlässig, wähend gleichzeitig der elektronische Schalter 19 sperrt. 'Vie aus F i g. 2 in Verbindung mit F i g. 1 hervorgeht, etzt sich dieses Spiel in zyklischer Reihenfolge bezüglich der weiteren Phasenspannungen U_b, U_c und U_d ort. Es wird weiterhin ersichtlich, daß die Aneinmderfugung der herausgeschnittenen unipolaren ipannungshalbwellen eine völlig glatte Ausgangspannung ergibt, deren Höhe der Läuferdrehzahl und leren Polarität der Läuferdrehrichtung entspricht.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem durch •ine fremdgesteuerte Zweiweggleichrichtung sämtliche •ialbwellen der von der Maschine erzeugten Phasenvechselspannungen zur Erfassung der Läuferdrehzahl lerangezogen werden können. Bei dieser Variante ind je zwei um 180° gegeneinander versetzte Phasenvicklungen gegensinnig in Reihe geschaltet, so daß ich ihre Spannungen jeweils addieren. Die Anordiung der Wicklungen selbst entspricht der prinipiellen Anordnung nach Fig. 1. Das mit α bezeichiete Wicklungsende der Phasenwicklung A, mit der He Wicklung C in Reihe geschaltet ist, ist über den :lektronischen Schalter 19 mit dem mit + bezeichneten Eingang und über den elektronischen Schalter 21 mit dem mit — bezeichneten, invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 26 verbunden. Entsprechend ist das mit b bezeichnete Wicklungsende der Phasenwicklung B, welche mit der Phasenwicklung D iii Reihe liegt, über die elektronischen Schalter 20 und 22 mit dem positiven bzw. negativen Eingang des Verstärkers 26 verbunden. Der Differenzverstärker 26 ist in an sich bekannter Weise als Addier-Subtrahier-Rechenverstärker beschaltet. Die

ίο Ansteuerung der elektronischen Schalter 19 bis 22 erfolgt in gleicher Weise wie bei der Anordnung nach Fig. 1 durch die an den Klemmen 15 bis 18 auftretenden Ausgangssignale der Gatterschaltung 8. Wie sich an Hand der Diagrammskizze nach F i g. 2 verfolgen läßt, gelangt bei der Anordnung der Fig. 3 jeweils infolge der Hintereinanderschaltung von je zwei Phasenwicklungen der doppelte Amplitudenwert einer Phasenspannung auf der Ausgangsleitung zur Wirkung, und von jeder Phasenspannung wird vor-

ao zeichenrichtig auch deren negative Halbwelle verwendet.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung des Betätigungselementes für eine lophasige Wechselspannungsmaschine. Es besteht aus einer starr mit dem Läufer verbundenen Scheibe 27, welche vier konzentrische, nach dem Gray-Code ausgebildete Codespuren aufweist, denen jeweils ein sie abtastender, ständerfester Geber zugeordnet ist. Mit den an den Ausgängen 28 bis 31 dieser Geber auftretenden Signalen kann in an sich bekannter Weise zwischen 16 diskreten Läuferstellungen unterschieden werden. Bei einer 8- (bzw. 4-)phasigen Wechselspannungsmaschine wären nur die 3 (bzw. 2) innersten Codespuren und demzufolge nur 3 (bzw. 2) Geber erforderlich. Allgemein ergibt sich die Anzahl der Geber und damit die Anzahl der erforderlichen Codespuren bei dieser Variante des Betätigungselementes aus dem Logarithmus der Phasenzahl η zur Basis 2. Falls sich danach bei der Ermittlung der erforderlichen Geberanzahl eine Zahl zwischen zwei ganzen Zahlen ergeben sollte, so wird die größere dieser beiden ganzen Zahlen verwendet und das Codemuster für π aufeinanderfolgende Gebersignalkombinationen gleichmäßig über einen ganzen Scheibenumfang erstreckt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

ι 2 nungsmaschine eine Reluktanzmaschine verPatentansprüche: wendetist 11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Läuferteil aus

1. Einrichtung zur Erzeugung einer drehzahl- 5 Blechstreifen von kaltgewalztem, kornorientiertem proportionalen Gleichspannung unter Verwendung Stahl aufgebaut ist

einer n-phasigen Wechselspannungsmaschine mit
einem rotierenden Induktor und einem mitrotierenden Betätigungselement für ständerfest ange-

ordnete Geber, welche in Wirkverbindung mit io
elektronischen Schaltern zur zyklischen Durchschaltung unipolarer Phasenspannungen auf eine Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gemeinsame Ausgangsleitung stehen, dadurch Einrichtung zur Erzeugung einer drehzahlproportiogekennzeichnet, daß als Betätigungselement nalen Gleichspannung unter Verwendung einer neine mit einem mehrspurigen Codemuster ver- 15 phasigen Wechselspannungsmaschine mit einem rotiesehene Scheibe (27) verwendet ist und jede Code- renden Induktor und einem mitrotierenden Betätispur durch einen Geber abtastbar ist (F i g. 4). gungselement für ständerfest angeordnete Geber,

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- welche in Wirkverbindung mit elektronischen Schalkennzeichnet, daß ein reflektierter Code. Vorzugs- tern zur zyklischen Durchschaltung unipolarer Phasenweise der Gray-Code, verwendet ist. 20 spannungen auf eine gemeinsame Ausgangsleitung

3. Einrichtung zur Erzeugung einer drehzahl- stehen. Ein derartiger kollektorloser Drehzahlgeber proportionalen Gleichspannung unter Verwen- ist bekannt nach der USA.-Patentschrift 3 039 040. dung einer vierphasigen Wechselspannungs- Hierbei ist jeder Phasenwicklung der Wechselspanmaschine mit einem rotierenden Induktor und nungsmaschine bzw. dem sie aktivierenden elektroeinem mitrotierenden Betätigungselement für 25 nischen Schalter ein eigener Geber zugeordnet. Aufständerfest angeordnete Geber, welche in Wirk- gäbe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, verbindung mit elektronischen Schaltern zur die Zahl der erforderlichen, relativ teueren Geberzyklischen Durchschaltung unipolarer Phasen- elemente durch eine Mehrfachausnutzung derselben spannungen auf eine gemeinsame Ausgangsleitung zu reduzieren.

stehen, dadurch gekennzeichnet, daß als Betäti- 30 Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung

gungselement eine nichtmetallische Scheibe mit der eingangs genannten Art einmal dadurch, daß als

einer sich über einen Zentriwinkel von 180° er- Betätigungselement eine mit einem mehrspurigen

streckenden Metallbelegung verwendet ist und als Codemuster versehene Scheibe verwendet ist und jede

Geber zwei induktive Annäherungsschalter, welche Codespur durch einen Geber abtastbar ist. Damit

um 90^c gegeneinander versetzt angeordnet sind. 35 ergeben sich bei η Codespuren bzw. η ihnen zugeord-

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- nete Geber 2" von diesen aktivierbare Phasenwickkennzeichnet, daß die Geberausgänge einer aus lungen.

zwei Umkehr- und vier Undgattern bestehenden Bei Einrichtungen der eingangs genannten Art mit

elektronischen Gatterschaltung (8) zugeführt sind, einer vierphasigen Wechselspannungsmaschine besteht

deren Ausgangssignale vier elektronische Tor- 4° ein zweiter erfindungsgemäßer Lösungsweg darin,

schaltungen (19 bis 22) betätigen. daß als Betätigungselement eine nichtmetallische

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 3, da- Scheibe mit einer sich über einen Zentriwinkel von durch gekennzeichnet, daß der Luftspalt und die 180° erstreckenden Metallbelegung verwendet ist und Anordnung der Wicklungen bei der Wechselspan- als Geber zwei induktive Annäherungsschalter vorgenungsmaschine so ausgebildet sind, daß sich ein 45 sehen sind, welche um 90° gegeneinander versetzt mit der Läuferdrehung abwechselnd im wesent- angeordnet sind. Eine derartige Einrichtung zeichnet liehen linear zunehmender und linear abnehmen- sich zusätzlich noch durch eine besonders einfache der Induktionsverlauf ergibt. Ausbildung des Betätigungselementes aus.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- Als vorteilhaft kann es sich beim zweiten Lösungskennzeichnet, daß die Durchschaltung mindestens 50 weg weiterhin erweisen, wenn die Geberausgänge während der 2/n-fachen Dauer der jeweiligen einer aus zwei Umkehr- und vier Undgattern be-Phasenspannungshalbwellen erfolgt. stehenden elektronischen Gatterschaltung zugeführt

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch sind, deren Ausgangssignale vier elektronische Torgekennzeichnet, daß die Torschaltungen über je schaltungen betätigen.

einen veränderbaren Widerstand an den einen 55 Zur Erzeugung einer Oberwellenausgangsspannung

Eingang eines Verstärkers (24) angeschlossen sind. erweist es sich nach einem weiteren Merkmal der

8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch Erfindung als vorteilhaft, wenn der Luftspalt und die gekennzeichnet, daß jeweils zwei um 180° ver- Anordnung der Wicklungen bei der Wechselspansetzt angeordnete Phasenwicklungen gegensinnig nungsmaschine so ausgebildet sind, daß sich ein mit in Reihe geschaltet jeweils über eine Torschaltung 60 der Läuferdrehung abwechselnd im wesentlichen und einen Widerstand sowohl an den einen als linear zunehmender und linear abnehmender Indukauch an den anderen Eingang eines Differenzver- tionsverlauf ergibt.

stärkers (26) angeschlossen sind (F i g. 3). Zur Vermeidung von Spannungseinbrüchen bei der

9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch an der Ausgangsleitung auftretenden Gleichspannung gekennzeichnet, daß die Torschaltungen mit einer 65 ist es nach weiterer Ausgestaltung der Erfindung vor-Abschaltverzögerung versehen sind. teilhaft, wenn die Durchschaltung mindestens wäh-

10. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, da- rend der 2/«-fachen Dauer der jeweiligen Phasendurch gekennzeichnet, daß als Wechselspan- spannungshalbwellen erfolgt.