DE19732186A1

DE19732186A1 - Elektronischer Drehzahlregler für Gleichstrommotoren ohne externen Tachogenerator

Info

Publication number: DE19732186A1
Application number: DE19732186A
Authority: DE
Inventors: Martin Ostwald
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-26
Filing date: 1997-07-26
Publication date: 1999-01-28

Description

Es ist bekannt, die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren ohne externen Tachogenerator durchzuführen. Da ein Gleichstrommotor auch als Generator betrieben werden kann, steht mit der zur Drehzahl proportionalen Generatorspannung Ug das zur Regelung notwendige Istwert-Signal auch ohne externen Sensor (Tachogenerator) zur Verfügung. Problematisch ist dabei, daß diese Spannung an den Klemmen des Motors nur abgenommen werden kann, wenn der Motor stromlos geschaltet ist. Jeder den Anker des Motors durchfließende Strom erzeugt an dem ohmschen Widerstand der Ankerwicklung einen Spannungsabfall, der in der an den Motorklemmen meßbaren Spannung zusätzlich zur Generatorspannung enthalten ist. Um aber ein Antriebsmoment zu erzeugen, ist ein Strom durch den Motor notwendig. Unter den bekannten Lösungen dieses Problems lassen sich zwei Prinzipien unterscheiden:

I) Das Prinzip der I × R - Kompensation:
Hierbei wird mittels eines mit dem Motor in Reihe geschalteten Sensorwiderstandes der Ankerstrom gemessen und der auf den bekannten Ankerwiderstand skalierte Spannungsabfall zum Sollwert addiert.

Vorteile

- Bisher kostengünstigste Möglichkeit.

Nachteile

- Getaktete Regler mit entsprechend gutem Wirkungsgrad lassen sich wegen der Ankerinduktivität kaum realisieren.
- Verlustleistung im Sensorwiderstand.
- Der Regler muß exakt auf den Ankerwiderstand angepaßt sein, ist also nicht kompatibel.
- Stabilitätsprobleme oder Ungenauigkeit bei Fehlanpassung.
- Fehlanpassung durch Bürstenabnutzung.
II) Das Prinzip der Ankerspannungsrückführung:
Hierbei wird der Motor periodisch stromlos geschaltet, nach Ablauf einer Einschwingzeit ein Sample der anliegenden Generatorspannung genommen und über den Vergleich dieses Samples mit dem Sollwert eine gegenkoppelnde Pulsbreitenmodulation der Antriebstaktung durchgeführt.

Vorteile

- Höhere Genauigkeit als I × R - Kompensation.
- Keine Anpassung an den Ankerwiderstand notwendig.
- Prinzipbedingt getakteter Betrieb mit entsprechend hohem Wirkungsgrad:

Nachteile

- Höherer schaltungstechnischer Aufwand als I × R - Kompensation.

Das Verfahren aus Anspruch 1) stellt eine Kombination der Vorteile des Prinzips der Ankerspannungsrückführung mit dem geringen Aufwand des Prinzips der I × R - Kompensation dar. Der Aufwand wird gegenüber bekannten Reglern mit Ankerspannungsrückführung dadurch reduziert, daß sowohl eine Pulsbreiten - modulierbare Oszillatorschaltung als auch eine Sample-Hold-Schaltung für die Aufnahme der Ankerspannungsprobe nicht erforderlich sind:

Der zeitliche Ablauf bei der Erzeugung der Antriebsimpulse ist folgender (Abb. 2):

1) Ausgangszustand: Der Motor läuft frei (stromlos) mit noch geringfügig zu hoher Drehzahl durch den letzten Antriebsimpuls. An den Klemmen liegt folglich eine Generatorspannung an, die oberhalb der Referenzspannung liegt.
2) Die Drehzahl ist durch das Lastmoment unter den Sollwert abgesunken. Der logische Ausgangszustand des Schwellwertschalters kippt folglich von 1 auf 0 (= Antrieb aktivieren) und triggert dadurch die nachgeschaltete Impulsgeneratorstufe.
3) Der Impulsgeneratorausgang kippt auf 1, stabilisiert sich selbst durch kapazitive Mitkopplung und aktiviert die Endstufe.
4) Durch die nun an den Motorklemmen anliegende Antriebsspannung kippt der Schwellwertschalter sofort wieder von 0 auf 1 (= Antrieb deaktivieren), der Impulsgenerator hält jedoch durch das noch höhere Signal der kapazitiven Mitkopplung zunächst den Antriebszustand aufrecht.
5) Das Signal der kapazitiven Mitkopplung ist so weit abgesunken, daß sich wieder das am Triggereingang anliegende Signal des Schwellwertschalters durchsetzt, folglich kippt der Impulsgeneratorausgang auf 0.
6) Obwohl durch die Induktivität des Motors das Abschalten des Antriebs zunächst den Schwellwertschalter auf 0 "mitreißt". bleibt durch die kapazitive Mitkopplung der Impulsgeneratorausgang auf 0, der Antrieb folglich deaktiviert.
7) Während der Impulsgenerator noch durch die kapazitive Mitkopplung auf 0 "verriegelt" ist, klingt die induktive negative Abschaltspannung an den Motorklemmen ab und die der Drehzahl proportionale Generatorspannung setzt sich wieder durch. Ist der Motor nicht im Grenzbereich belastet oder noch im Hochlaufvorgang, so ist die Drehzahl durch den Antriebsimpuls nun wieder geringfügig über den Sollwert angehoben und der Schwellwertschalter kippt wieder auf 1.
8) Die kapazitive Mitkopplung ist so weit abgeklungen, daß der Triggereingang des Impulsgenerators wieder auf das Signal des Schwellwertschalters reagieren kann, sobald die Drehzahl wieder unter den Sollwert abgesunken ist. Der Zyklus ist beendet.

Der oben beschriebene zeitliche Ablauf läßt sich auf einfachste Art und Weise durch eine Schaltung nach Anspruch 1.1) und Abb. 1 erreichen. Der hinter dem Schwellwertschalter angeordnete und als Abschwächer bezeichnete Spannungsteiler dient zur Erzeugung der notwendigen Dominanz der kapazitiven Mitkopplung.

Ohne weitere Maßnahmen ist bei diesem Verfahren die Impulslänge in allen Lastbereichen von konstanter Dauer, nur die Häufigkeit der Triggerung eines Antriebsimpulses nimmt mit zunehmendem Lastmoment ebenfalls zu. Die Impulspause bzw. Verriegelung des Impulsgenerators ist aber ebenfalls von konstanter Länge und muß dies auch sein, da die Einschwingzeit nach dem Abschalten des Antriebs vom Lastmoment unabhängig ist. Es entsteht der Interessenkonflikt, zur Erzielung eines hohen Tastgrades und damit Drehmoments im Grenzlastbereich möglichst lange Impulse zu schalten, andererseits zur Erzielung eines ruhigen Motorlaufs im Teillastbereich die Energie des einzelnen Impulses möglichst gering zu halten, also möglichst kurze Impulse zu schalten.

Durch Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1.2), daß sich mit der Schaltung nach Abb. 3) auf einfachste Art und Weise umsetzen läßt, wird die Impulslänge im Grenzlastbereich vergrößert. Durch den Transistor T wird der Triggereingang des Impulsgenerators auf immer denselben "0"-Pegel gezogen, dadurch bleibt die Verriegelungszeit von konstanter Länge. Andererseits nimmt der "1"-Pegel mit zunehmender Triggerhäufigkeit ab, da der Kondensator C durch die Triggerimpulse und vor allem durch die "0"-Phasen nach dem Abschalten des Antriebs über R2 geladen wird: Ein Absinken des "1"-Pegels bedeutet aber eine Verschiebung des Zeitpunktes (5) und damit eine Verlängerung der Antriebsimpulse (Abb. 4). Über R1 kann sich C wieder entladen. Wegen der Invertierung durch die Transistorstufe muß auch die Ankopplung von Soll- und Istwert an den Schwellwertschalter invertiert werden. Dies entfällt mitsamt des Transistors und Basiswiderstandes bei Verwendung von Komparatoren mit open-collector-Ausgang.

Durch das Verfahren nach Anspruch 1.3), daß sich mit einer Schaltung nach Abb. 5) realisieren läßt, wird das oben beschriebene Reglerprinzip für den Vierquadranten-Betrieb erweitert. Hierfür ist es notwendig, daß der Regler automatisch die Antriebsrichtung umschaltet, wenn das Lasmoment sein Vorzeichen ändert. Wenn z. B. der Motor zunächst gegen ein bremsendes Lastmoment arbeitet, wird die Drehzahl nach einem Antriebsimpuls nach kurzer Zeit wieder unter ihren Sollwert absinken, so daß der nächste Antriebsimpuls geschaltet wird. Ändert nun aber das Lastmoment sein Vorzeichen, d:h. es versucht, den Motor über seine Solldrehzahl hinaus anzutreiben, so wird für eine untypisch lange Zeit vom Schwellwertschalter keine Unterschreitung der Solldrehzahl registriert, also kein Antriebsimpuls ausgelöst.

Nach Ablauf einer gewissen Zeit nach dem letzten Antriebsimpuls ist es also sinnvoll, die Antriebsrichtung umzuschalten. Darüberhinaus muß auch der Ausgangszustand des Schwellwertschalters invertiert werden, da nun eine Drehzahlabweichung in entgegengesetzter Richtung zur Triggerung eines Antriebsimpulses führen muß. Die Aufgabe der Umschaltung der Antriebsrichtung kann also durch einen Oszillator wahrgenommen werden, bei dem die abgelaufene Zeit bis zur nächsten Zustandsänderung nach jedem Antriebsimpuls zurückgesetzt wird: Der Ausgangszustand dieses Oszillators wird dann z. B. als Steuerspannung zweier CMOS- Analogschalter verwendet, von denen einer den Ausgang des Schwellwertschalters umschaltet (Schalter 2), der andere den durch den Impulsgenerator aktivierten Zweig der Brückenendstufe (Schalter 3). Ein im selben integrierten Schaltkreis noch vorhandener Schalter kann dann zum Entladen des frequenzbestimmenden Kondensators, also zum Rücksetzen der Zeit genutzt werden. Dieser Schalter (Schalter 1) muß durch den Ausgang des Impulsgenerators aktiviert werden.

Die in Anspruch 2) beschriebene und in Abb. 6 dargestellte Brücken-Endstufe ist zur Kombination mit den oben beschriebenen Verfahren ideal, da die Abschaltzeit der in der Sättigung betriebenen Transistoren bei den im allgemeinen niedrigen Betriebsfrequenzen nicht stört und die Endstufe auf einfachste Art und Weise durch getrennte Eingange für Vorwärts-Rückwärtsantrieb anzusteuern ist. Wirkungsgrad und Betriebsspannungsausnutzung sind bei Verwendung von Transistoren mit niedriger Sättigungsspannung außergewöhnlich gut, auch weil derselbe Stromzweig zur Aktivierung sowohl des HI-Side als auch des LO-Side- Switches genutzt wird (macht sich im Teillastbereich bemerkbar). Aufwand und Kosten sind gering.

Claims

Elektronischer Drehzahlregler für Gleichstrommotoren ohne externen Tachogenerator, dadurch gekennzeichnet daß
- 1) die Klemmenspannung des Motors direkt zur Triggerung einer Sequenz aus Antriebsimpuls/Antriebspause verwendet wird, wobei eine Referenzspannung als Sollwert die Triggerschwelle vorgibt.
  - 1.1) der Regelkreis - abgesehen von der Endstufe - lediglich zwei Komparatoren als aktive Elemente enthält, von denen der 1. als Schwellwertschalter den Soll-/Istwert-Vergleich vornimmt, der 2. als Impulsgenerator die Puls-Pause-Sequenz des Antriebs erzeugt (Abb. 1/Abb. 2).
  - 1.2) zur Vergrößerung des Antriebsmoments im Grenzlastbereich die Länge eines nach 1) ausgelösten Antriebsimpulses mit zunehmender Triggerhäufigkeit angehoben wird, die Antriebspause dagegen bei möglichst konstanter Dauer gehalten wird (Abb. 3/Abb. 4).
  - 1.3) die für den Vierquadranten-Betrieb notwendige automatische Umschaltung der Antriebsrichtung durch einen Oszillator erfolgt, der nach der Triggerung jedes Antriebsimpulses für eine bestimmte Zeitkonstante in seinem Zustand verharrt (Abb. 5).
- 2) die den Motor schaltende Vollbrücken-Endstufe mit gesättigten komplementären Transistoren arbeitet, die paarweise durch den Kollektor- und Emitterstrom desselben Treibertransistors angesteuert werden (Abb. 6).