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Die Erfindung betrifft eine Anlaufschaltung und
ein Verfahren zum stufenweisen Starten einer elektrisch gesteuerten
(elektrosensitiven) Schaltungseinrichtung und insbesondere eine
Anlaufschaltung und ein Verfahren zum Starten eines Gleichstrom-(DC-)Motors
ohne Belastung mit einem hohen Anlaufstrom (Stoßstrom).
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Beim Anlaufen eines Gleichstrommotors wirkt
stets ein hoher Anlaufstrom auf den Gleichstrommotor ein. Da der
Gleichstrommotor ausgehend von einem stationären Zustand plötzlich gestartet
wird, setzt der Stoßstrom
den Gleichstrommotor einem starken mechanischen Schock aus. Dieser mechanische
Schock ist der Hauptgrund für
Beschädigungen
des Gleichstrommotors.
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Die derzeit angewandten herkömmlichen Verfahren
zum Beseitigen des Stoßstroms
sind kompliziert und kostenaufwendig. Eines dieser Verfahren besteht
in der Verwendung einer Schutzschaltung, um den Gleichstrommotor
vor dem Zuführen
des Stoßstroms
zu schützen;
jedoch wird die Schutzschaltung, nachdem sie über eine längere Zeitdauer hinweg benutzt
worden ist, ebenfalls beschädigt.
Gemäß einem
weiteren Verfahren wird eine Schaltungseinrichtung verwendet, die
den Gleichstrommotor durch Impulsbreitenmodulation (pulse-width
modulation "PWM") startet. Diese
PWM-Schaltung erzeugt jedoch während
des Startens des Gleichstrommotors einen elektroakustischen Ton.
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Aus der
DE 28 30 826 A , die dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 zugrunde liegt, ist eine elektronische Einrichtung zur
Drehzahlregelung eines Universalmotors hoher Leistung durch symmetrische
Phasenanschnittsteuerungen bekannt. Die bekannte Anlaufschaltung
für einen
Universalmotor erzeugt über einen
Frequenzgeber ein Rückmeldesignal,
das über einen
Frequenzspannungsumwandler einem Regler zugeführt wird, dem eine Sollvorgabe
zugeordnet ist. Der Universalmotor kann mit Hilfe eines Regelkreises sanft
anlaufen. Die Soll-Drehzahlen können
auch stufenweise erhöht
werden.
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Aus der
DE 30 33 584 A ist eine Schaltungsanordnung
zur Hochlaufsteuerung eines Gleichstrommotors bekannt. Dabei wird
der Gleichstrommotor von einer Endstufe und diese wiederum von einem
Komparator angesteuert, der eingangsseitig mit einer der Motordrehzahl
proportionalen Spannung und andererseits von einer Referenzspannung
beaufschlagt wird. Der Endstufenausgang wird auf einen Komparatoreingang
rückgekoppelt
und die Endstufe erst beim Zuschalten des Motors eingeschaltet. Durch
diese Schaltungsmaßnahmen
wird die Endstufe exponentiell aufgesteuert, so dass sich ein weicher
Hochlauf des Gleichstrommotors ergibt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine
verbesserte Anlaufschaltung zu schaffen, die in der Lage ist, eine
elektrisch gesteuerte Schaltungseinrichtung ohne Belastung mit einem
Stoßstrom
zu starten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit
der Erfindung eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Die Anlaufschaltung gemäß der Erfindung weist
eine Vergleichsschaltung und eine Steuerschaltung auf. Die Vergleichsschaltung
ist elektrisch mit der elektrisch gesteuerten Schaltungseinrichtung verbunden,
um von dieser Schaltungseinrichtung ein Feedback-Signal zu empfangen,
und vergleicht das Feedback-Signal mit einem Referenzsignal, um
ein Steuersignal zu erzeugen. Die Steuerschaltung ist elektrisch
mit der Vergleichsschaltung und der elektrisch gesteuerten Schaltungseinrichtung
verbunden, um die elektrisch gesteuerte Schaltungseinrichtung entsprechend
dem Steuersignal derart zu steuern, dass diese stufenweise ohne
Stoßstrom
gestartet wird.
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Vorzugsweise handelt es sich bei
der elektrisch gesteuerten Schaltungseinrichtung um einen Gleichstrom-(DC-)Motor. Das Feedback-Signal
ist ein von dem Gleichstrommotor ausgegebenes periodisches Signal,
das als Rechteckwellensignal mit einer Frequenz, die der Drehgeschwindigkeit
des Gleichstrommotors proportional ist, vorgesehen ist. Beim Anlaufen
des Gleichstrommotors ist dessen Drehgeschwindigkeit niedrig. Die
Drehgeschwindigkeit des Gleichstrommotors steigt jedoch nach einer gewissen
Zeit des Anlaufens zu einer hohen Geschwindigkeit an.
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Gemäß der Erfindung weist die Vergleichsschaltung
eine Frequenz-/Spannungs-Konverterschaltung und eine Triggerschaltung
auf. Die Frequenz-/Spannungs-Konverterschaltung ist elektrisch mit
der elektrisch gesteuerten Schaltungseinrichtung verbunden, um das
Feedback-Signal zu einem Spannungssignal (Ausgangssignal) zu konvertieren,
wobei die Spannung des Spannungssignals von der Frequenz des Feedback-Signals
abhängt.
Die Triggerschal tung ist elektrisch mit der Frequenz-/Spannungs-Konverterschaltung
verbunden, um die Spannung des Spannungssignals mit derjenigen des
Referenzsignals zu vergleichen und das Steuersignal mit einer Spannung
auszugeben, die dem Vergleichsergebnis entspricht. Wenn das Spannungssignal kleiner
ist als das Referenzsignal, ist die Spannung des Steuersignals niedrig.
Wenn das Spannungssignal jedoch größer ist als das Referenzsignal,
ist die Spannung des Steuersignals hoch.
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Gemäß der Erfindung weist die Frequenz-/Spannungs-Konverterschaltung
ferner einen ersten und einen zweiten Tiefpaßfilter sowie einen ersten
und einen zweiten Komparator auf. Der erste Tiefpaßfilter
wird zum Herausfiltern des Hochfrequenzbandes in dem Feedback-Signal
verwendet, um ein erstes Signal auszugeben. Der erste Komparator,
der mit dem ersten Tiefpaßfilter
elektrisch verbunden ist, wird zum Vergleichen des ersten Signals mit
einem ersten Referenzsignal verwendet, um ein zweites Signal auszugeben.
Der zweite Komparator, der mit dem ersten Komparator elektrisch
verbunden ist, wird zum Vergleichen des zweiten Signals mit einem
zweiten Referenzsignal und zum Umkehren des zweiten Signals verwendet,
um ein drittes Signal auszugeben. Der zweite Tiefpaßfilter,
der mit dem zweiten Komparator elektrisch verbunden ist, wird zum Herausfiltern
des Hochfrequenzbandes in dem dritten Signal verwendet, um das Spannungssignal
auszugeben.
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Gemäß der Erfindung handelt es
sich bei der Steuerschaltung um eine Stromsteuerschaltung. Diese
weist eine Strombegrenzungseinrichtung, die mit der elektrisch gesteuerten
Schaltungseinrichtung elektrisch verbunden ist, um den dieser zuzuführenden
Strom zu begrenzen, und einen elektronischen Schalter auf, der mit
der Strombegrenzungseinrichtung und der Triggerschaltung elektrisch
verbunden ist, um die Strombegrenzungseinrichtung derart zu steuern,
dass der der elektrisch gesteuerten Schaltungseinrichtung zuzuführende Strom
in Abhängigkeit
von der Spannung des Steuersignals begrenzt wird. Vorzugsweise ist
die Strombegrenzungseinrichtung ein Widerstand, und der elektronische
Schalter ist ein Transistor. Wenn die Spannung des Steuersignals
als hohe Spannung vorliegt, steuert der elektronische Schalter die
Strombegrenzungseinrichtung derart, dass der in die elektrisch gesteuerte
Schaltungseinrichtung einzugebende Strom begrenzt wird.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, ein Verfahren anzugeben, das in der Lage ist, eine
elektrisch gesteuerte Schaltungseinrichtung ohne hohen Anlaufstrom
(Stoßstrom)
stufenweise zu starten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird.ein
Verfahren nach Anspruch 15 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen
des Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Das Verfahren hat folgende Schritte:
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- (a) Ausgeben eines Feedback-Signals (FG) durch den
elektrischen Motor (11),
- (b) Konvertieren des Feedback-Signals (FG) in ein Ausgangssignal
(S3,S4), dessen
Spannung von der Frequenz des Feedback-Signals (FG) abhängt,
- (c) Erzeugen eines ersten Signals (S1),
indem ein Hochfrequenzband in dem Feedback-Signal (FG) herausgefiltert
wird,
- (d) Erzeugen eines zweiten Signals (S2)
durch Vergleichen des ersten Signals (S1)
mit einem ersten Referenzsignal (V1)
- (e) Vergleichen des zweiten Signals (S2)
mit einem zweiten Referenzsignal (V2), und
Umkehren des zweiten Singals (S2) um ein
drittes Signal (S3) zu bilden und dieses
als Ausgangssignal (S3,S4) auszugeben,
- (f) Vergleichen des Ausgangssignals (S4)
mit einem Referenzsignal (Vref), um ein
Steuersignal (S5) zu erzeugen, und
- (g) stufenweises Erhöhen
eines dem elektrischen Motor (11) zugeführten Stroms entsprechend der Spannung
des Steuersignals (S5) zum stufenweisen
Starten des elektrischen Motors (11) ohne Stoßstrom.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung anhand der Zeichnungen genauer beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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2 ein
Schaltbild der Ausführungsform gemäß 1;
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3 ein
Blockschaltbild einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
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4 ein
Schaltbild der Ausführungsform gemäß 3.
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Zunächst wird 1 erläutert.
Die elektrisch gesteuerte Schaltungseinrichtung 11 ist
vorzugsweise ein Gleichstrom-(DC-)Motor. Wenn der Gleichstrommotor 11 gestartet
wird, wird ein Feedback-Signal FG ausgegeben. Das Feedback-Signal
wird von einer Vergleichsschaltung 13 empfangen, die ein Steuersignal
S5 erzeugt. Anschließend steuert eine Steuerschaltung 12 den
Gleichstrommotor 11 in Abhängigkeit von dem Steuersignal
S5 derart, dass der Gleichstrommotor 11 stufenweise
gestartet wird. Das Feedback-Signal FG ist vorzugsweise ein Rechteckwellensignal
mit einer Frequenz, die der Drehgeschwindigkeit des Gleichstrommotors 11 proportional ist.
Da beim Anlaufen des Gleichstrommotors 11 die Drehgeschwindigkeit
niedrig ist, ist die Frequenz des Feedback-Signals FG niedrig. Nachdem
der Gleichstrommotors 11 für eine Zeitdauer angelaufen
ist, vergrößert sich
schließlich
die Drehgeschwindigkeit des Gleichstrommotors 11, und die
Frequenz des Feedback-Signals FG wird eine hohe Fre quenz.
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Die Vergleichsschaltung weist ferner
eine Frequenz-/Spannungs-Konverterschaltung 131 und eine
Triggerschaltung 132 auf. Die Frequenz-/Spannungs-Konverterschaltung
131 setzt das Feedback-Signal FG in Abhängigkeit von der Frequenz des
Feedback-Signals FG in ein Spannungssignal S4 um.
Die Triggerschaltung 132 vergleicht das Spannungssignal
S4 mit einem Referenzsignal Vref und
gibt das Steuersignal S5 mit einer bestimmten
Spannung aus, die dem Vergleichsergebnis entspricht. Das Referenzsignal
wird aus einer Stromquelle zugeführt, und
die Spannung des Referenzsignals kann vom Konstrukteur oder Benutzer
voreingestellt werden. Da beim Anlaufen des Gleichstrommotors 11 die
Frequenz des Feedback-Signals FG niedrig ist, gibt die Frequenz-/Spannungs-Konverterschaltung 131 ein Niedrigspannungs-Spannungssignal
S4 aus. Somit ist die Spannung des Spannungssignals
S4 niedriger als diejenige eines Referenzsignals,
und die Triggerschaltung 132 gibt das Steuersignal S5 aus, bei dem es sich um eine hohe Spannung
handelt. Die Steuerschaltung 12 weist eine Strombegrenzungseinrichtung,
um den in den Gleichstrommotor 11 einzugebenden Strom zu
begrenzen, und einen elektronischen Schalter auf, um die Strombegrenzungseinrichtung
derart zu steuern, dass der in den Gleichstrommotor 11 einzugebende
Strom in Abhängigkeit von
der Spannung des Steuersignals S5 begrenzt wird.
Die Strombegrenzungseinrichtung ist vorzugsweise ein Widerstand,
und der elektronische Schalter ist vorzugsweise ein Transistor.
Da das Steuersignal S5 eine hohe Spannung
aufweist, steuert die Steuerschaltung 12 den Gleichstrommotor 11 derart,
dass er mit niedrigem Startstrom rotiert.
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Nachdem der Gleichstrommotor 11 für eine Zeitdauer
angelaufen ist, werden die Drehgeschwindigkeit des Gleichstrommotors 11 und
die Frequenz des Feedback-Signals FG allmählich vergrößert. Gleichzeitig wird auch
die Span nung des durch die Frequenz-/Spannungs-Konverterschaltung 131 transformierten
Spannungssignals S4 allmählich vergrößert. Wenn das Spannungssignal
S4 größer ist
als das Referenzsignal Vref, ändert die
Triggerschaltung 132 die Spannung des Steuersignals S5 von einer hohen Spannung zu einer niedrigen
Spannung, und das Niedrigspannungs-Steuersignal S5 bewirkt,
dass sich der Gleichstrommotor 11 mit einem hohen Startstrom dreht.
Anders ausgedrückt
tritt der Startvorgang des Gleichstrommotors 11 in eine
zweite Stufe ein, und der Gleichstrommotors 11 wird mit
einer schnelleren Geschwindigkeit gedreht.
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2 zeigt
ein Schaltbild der Ausführungsform
gemäß 1. Die Frequenz-/Spannungs-Konverterschaltung
131 weist einen ersten Tiefpaßfilter 21 und
einen zweiten Tiefpaßfilter 24 sowie
einen ersten Komparator 22 und einen zweiten Komparator 23 auf.
Der erste Tiefpaßfilter 21 filtert
des Hochfrequenzband in dem Feedback-Signal FG heraus und gibt ein
erstes Signal S1 aus. Der erste Komparator 22 vergleicht
die Spannung des ersten Signals S1 mit derjenigen
eines ersten Referenzsignals V1 und gibt ein
zweites Signal S2 aus. Der zweite Komparator 23 vergleicht
die Spannung des zweiten Signals S2 mit derjenigen
eines zweiten Referenzsignals V2 und kehrt
das zweite Signal um, um ein drittes Signal S3 auszugeben.
Der zweite Tiefpaßfilter 24 filtert
das Hochfrequenzband in dem dritten Signal S3 heraus und
gibt das Spannungssignal S4 aus.
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Beim Anlaufen des Gleichstrommotors 11 ist dessen
Drehgeschwindigkeit gering, und die Frequenz des Feedback-Signals FG ist niedrig.
Somit hat der Kondensator des Tiefpaßfilters 21 genügend Zeit,
um geladen und entladen zu werden. Anders ausgedrückt ist
die Spannung des ersten Signals S1 größer als
diejenige des ersten Referenzsignals V1, und
das von dem ersten Komparator 22 ausgegebene zweite Signal
S2 wird ein Rechteckwellensignal.
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Anschließend wird das zweite Signal
S2 durch den Transistor T1 dem
negativen Eingangsport des zweiten Komparators 23 zugeführt. Der
zweite Komparator 23 vergleicht die Spannung des zweiten Signals
S2 mit derjenigen des zweiten Referenzsignals
V2 und kehrt das zweite Signal S2 um, um das dritte Signal S3 über den
Transistor T2 auszugeben. Nachdem der zweite
Tiefpaßfilter 24 das
Hochfrequenzband des dritten Signals S3 herausgefiltert
hat, wird das Spannungssignal S4 ausgegeben.
Zu diesem Zeitpunkt ist die Spannung des Spannungssignals S4 niedriger als diejenige des Referenzsignals Vref, und die Triggerschaltung 132 gibt
das Steuersignal S5 mit der hohen Spannung
aus. Das Hochspannungs-Steuersignal S5 steuert
den Transistor T3 in den Einschaltzustand
und steuert den Transistor T4 in den Ausschaltzustand,
so dass der Strom I nur durch die Widerstände R1 und
R2 fließen
kann und somit der Strom I begrenzt wird. Somit wird der dem Gleichstrommotor 11 zugeführte Strom
begrenzt, und der Gleichstrommotor 11 wird mit einem kleinen
Strom gestartet.
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Wenn die Drehgeschwindigkeit des
Gleichstrommotors 11 vergrößert wird, steigt die Frequenz des
Feedback-Signals
FG an. Der Kondensator des ersten Tiefpaßfilters 21 hat dabei
nicht genug Zeit, geladen und entladen zu werden. Die Spannung an den
beiden Enden des Kondensators ist nicht größer als diejenige des ersten
Referenzsignals V1, und das von dem ersten
Komparator 22 ausgegebene zweite Signal S2 hat
eine konstante niedrige Spannung.
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Die niedrige Spannung des zweiten
Signals S2 steuert den Transistor T1 in den Einschaltzustand, und der negative
Eingangsport des zweiten Komparators 23 führt eine
niedrige Spannung. Da diese niedrige Spannung kleiner ist als diejenige
des zweiten Referenzsignals V2, führt der
Ausgangsport des zweiten Komparators 23 eine hohe Spannung.
Diese hohe Spannung steuert den Transistor T2 in
den Ausschaltzustand und bewirkt, dass das dritte Signal S3 mit einer hohen Spannung ausgegeben wird.
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Da das mit hoher Spannung ausgegebene dritte
Signal S3 ein Gleichstrom ist, hat das zweite Tiefpaßfilter 24 keine
Auswirkung auf das dritte Signal S3, und
das Spannungssignal S4 wird dennoch auf
einer hohen Spannung gehalten. Da die Impedanz der Triggerschaltung 132 sehr
groß ist,
ist der Spannungsabfall der Stromquelle VCC sehr
klein. Die Spannung der Stromquelle VCC ist
fast gleich derjenigen des Spannungssignals S4.
Somit ist die Spannung des Spannungssignals S4 definitiv
größer als diejenige
des Referenzsignals Vref, und die Triggerschaltung 132 gibt
das Steuersignal S5 mit einer niedrigen
Spannung aus. Das Niedrigspannungs-Steuersignal S5 wird
durch den Transistor T3 umgekehrt, um den
Drain des Transistors T4 einzuschalten.
Der Startstrom I wird von einem kleinen Strom zu einem großen Strom
vergrößert, und
der Gleichstrommotor 11 wird stufenweise gestartet.
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3 zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform.
Gemäß dieser
Ausführungsform
kann die Anlaufschaltung den Gleichstrommotor 11 in zwei oder
mehr Stufen starten. Die Anzahl der Stufen hängt von den unterschiedlichen
Anforderungen der unterschiedlichen Motoren ab. Indem mehrere Anlaufschaltungen
in Reihe geschaltet sind, kann der Gleichstrommotor 11 in
mehreren Stufen gestartet werden, nachdem das Feedback-Signal mit
unterschiedlichen Referenzsisgnalen Vref1,
Vref2 und VrefN verglichen
worden ist. Die Referenzsignale werden aus einer Stromquelle eingegeben,
und die Spannungen der Referenzsignale können vom Konstrukteur oder
Benutzer voreingestellt werden. Somit kann die Anlaufschaltung den
Gleichstrommotor 11 stufenweise starten, ohne einen Stoßbelastungsstrom
anzulegen.
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Das gemäß der Erfindung vorgesehene
Verfahren betrifft die Verwendung einer Anlaufschaltung zum stufenweisen
Starten eines Gleichstrommotors ohne Zuführung eines Stoßbelastungsstroms.
Mittels dieses Verfahrens kann die Anlaufschaltung den Gleichstrommotor
wirksam vor einer Beschädigung durch
mechanischen Schock schützen,
und es wird kein Störgeräusch erzeugt. 4 zeigt ein Flußdiagramm
der Steuervorgänge,
die von der Anlaufschaltung gemäß 3 durchgeführt werden.
Diese Vorgänge
sind wie folgt vorgesehen:
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Schritt 31: Beim Anlaufen des Gleichstrommotors
wird eine Rechteckwelle erzeugt, deren Frequenz der Drehgeschwindigkeit
des Gleichstrommotors proportional ist. Somit können die Steuereinrichtungen
die Drehgeschwindigkeit des Gleichstrommotors detektieren.
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Schritt 32: Die Rechteckwelle wird
mittels einer Frequenz-/Spannungs-Konverterschaltung in ein Spannungssignal
mit einer Spannung umgesetzt, die der Frequenz der Rechteckwelle
proportional ist.
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Schritt 33: Wenn die Drehgeschwindigkeit des
Gleichstrommotors vergrößert wird,
wird die Spannung des Spannungssignals mit derjenigen eines Referenzsignals
verglichen.
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Schritt 34: Falls die Drehgeschwindigkeit
des Gleichstrommotors höher
ist als eine Referenzgeschwindigkeit, wird eine Anlaufschaltung
getriggert, um den dem Gleichstrommotor zugeführten Strom zu vergrößern.
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Schritt 35: Das Spannungssignal wird
mit weiteren Referenzsignalen verglichen, und jedes Mal, wenn die
Spannung des Spannungssignals größer ist
als diejenige eines der Referenzsignale, wird der Eingangsstrom
des Gleichstrommotors vergrößert, bis
die Anlaufschaltung den Startvorgang vollständig durchgeführt hat.
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Schritt 36: Der Gleichstrommotor
dreht sich mit voller Geschwindigkeit.
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Selbstverständlich kann die Erfindung auch für andere
elektrisch gesteuerte Schaltungseinrichtungen verwendet werden,
die ohne Zuführen
eines Stoßbelastungsstroms
gestartet werden sollen. In der Beschreibung wurde der Gleichstrommotor
lediglich als Anwendungsbeispiel für die Erfindung erwähnt. Da
die Anlaufschaltung gemäß der Erfindung den
Gleichstrommotor stufenweise starten kann, werden ein Stoßbelastungsstrom
sowie die Erzeugung von Störgeräuschen verhindert.