DE2031424C3 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines über steuerbare Halbleiter gespeisten, konstant erregten Gleichstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines über steuerbare Halbleiter gespeisten, konstant erregten Gleichstrommotors mit einer Zündschaltung für die Halbleiter, einem den Ankerstrom des Motors über die Zündschaltung steuernden Steuerverstarker, einem an die Motorklemmen angeschlossenen Spannungsteiler, von dem ein der Klemmenspannung proportionales Steuersignal für den Steuerverftärker abgegriffen wird, einer ersten Widerstandsanordnung, von der zwecks Kompensation des Ankerspannungsabfalls ein dem Ankerstrom proportionales erste Kompensations-Steuersi- <>⁰ gnal abgegriffen wird, und einer Drehzahlregelschaltung, mit der ein Drehzahl-Steuersignal auf den Steuerverstarker gegeben wird.

Bekanntlich ist die Drehzahl eines konstant erregten Gleichstrommotors unmittelbar abhängig von der ^h5 Ankerspannung, die jedoch wegen des Ankerspannungsabfalls nicht gleich ist der Motorklemmenspannung. Bei einer Drehzahlregelung kann jedoch nur letztere Spannung gemessen werden, so daß besondere Vorkehrungen getroffen werden müssen, den Ankcrspannungsabfall auszugleichen, wenn eine genaue Drehzahlregelung erhalten werden soll. Zu diesem Zwecke ist es bekannt, ein dem Ankerstrom eines Gleichstrommotors proportionales Signal an einem Widerstand abzugreifen, das zur Kompensation des Ankerspannungsabfalls verwendet wird (FR-PS 14 90 989). Nachteilig bei einer derartigen Schaltung ist. daß die Regelgenauigkeit nicht über den gesamten Drehzahlbereich des Motors erhalten werden kann. In bestimmten Drehzahlbereichen, insbesondere bei höheren Drehzahlen erhält man entweder eine Über- oder Unterkompensation.

Es ist ferner eine Schaltungsanordnung bekanntgeworden, bei der ein dem Ankerstrom proportionales Signal mil Hilfe eines Stromwandlers auf der Wechselspannungsseite ties steuerbaren Gleichrichters erhalten wird (US-PS 28 55 554). Die dadurch gewonnene gleichgerichtete Signalspannung wird an einen Widerstand gelegt, wodurch der durch ihn fließende Strom zwar annähernd proportional ist zum Ankerstrom des Motors, jedoch durch die Art seiner Ermittlung eincverhältnismäßig starke Welligkeit aufweist, die dadurch kompensiert wird, daß die Stromänderungen auf der Glcichspannungsseite des Gleichrichters mit Hilfe eines Transfcmators erfaßt werden, dessen Sekundärspannung ebenfalls an den Widerstand gelegt wird. Bei dieser Schaltungsanordnung wird mit verhältnismäßig großem Aufwand nur für einen begrenzten Drehzahlbereich eine äußerste genaue Kompensation erhalten. Kompensationsfehler insbesondere bei höheren Drehzahlen können jedoch nicht ausgeglichen werden, da immer nur der Ankerstrom selbst gemessen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines über steuerbare Halbleiter gespeisten, konstant erregten Gieiehsirommotors zu schaffen, mit der eine verhältnismäßig genaue Kompensation des Ankerspannungsabfalls über den gesamten Drehzahlbereich d'js Motors erzielt werden kann.

Bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine /weite Widerstandsanordnung vorgesehen ist. von der ein dem Halbleiterstrom proportionales zweites Kompensations-Steuersignal für den Sfeuetverstärker gewonnen wird, das bei höheren Drehzahlen das erste Kompensations-Steuersignal überspielt.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird ein zusätzliches Signal zur Kompensation eingeführt, das insbesondere bei höheren Drehzahlen eine Überkompensation durch das dem Ankerstrom proportionale Signal verhindert und auf diese Weise über den gesamten Drehzahlbereich eine verhältnismäßig genaue Kompensation ermöglicht. Der gegenüber der eingangs erwähnten bekannten Schaltungsanordnung erforderliche zusätzliche Aufwand hält sich in Grenzen, da lediglich eine weitere Widerstandsanordnung erforderlich ist, um das dem Halbleiterstrom proportionale Signal zu gewinnen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben werden

F i g. I zeigt ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fi g. 2 zeigt eine Einzelheit der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

Fig. J zeigt ein Schaltbild einer abgewandelten

Ausführungsform.

Fig-1 zeigt cine Schaltungsanordnung, in der der Ankerstromkreis eines konstant erregten Gleichstrom-Motors 20 Energie von einem Arbeitsstromkreis 21 erhält, der seinerseits über drei Eingangsleitungen 22,23 > und 24 mit Drehstrom versorgt wird. Die Größe der dem Motor 20 zugeführten Lnergie wird durch die Öffnungszeilen der gesteuerten Siliciumgleichrichter 25, 26 und 27 bestimmt, die ihrerseits durch von Zündschaltungen 28, 29 und 30 erzeugte Zündsignale gesteuert werden. Die Ziindschaltungen werden durch ein Ausgangssignal gesteuert, das Ober eine Leitung 31 von einem Steuerverstärker 32 erhalten wird, der in Abhängigkeit von verschiedenen Eingangssignal arbeitet.

Der Motor 20 wird erregt, wenn Gleichstrom durch den Arbeitsstromkreis 21 fließt und Gleichspannung an den Leitungen 33 und 34 angelegt wird. Wenn die Schalter 35 und 36 geschlossen \v :rden, fließt Strom durch den Molor 20 in einer ersten Richtung und bewirkt die Drehung des Motors in einer gegebenen Drehrichtung. Wenn die Schalter 35, 36 geöffnet und Schaller 37, 38 geschlossen werden, fließt Strom durch den Motor 20 in der entgegengesetzten Richtung und bewirkt eine Motordrehung in der entgegengesetzten Richtung.

Eine Feldwicklung 40 ist zwischen den Leitungen 22 und 33 gekoppelt. Drei Dioden 41, 42 und 43 liegen nit den steuerbaren Gleichrichtern 25, 26 und 27 jeweils in Reihe. Die Eingangsleitungen 22 bis 24 sind jeweils mit den gemeinsamen Anschlüssen zwischen jedem Diode-Gleichrichter-Paar verbunden. Der gesteuerte Gleichrichter 25 erhält Zündsignale über Leitungen 44,45 von der Zündschaltung 28; der gesteuerte Gleichrichter 26 erhält Zündsignale über Leitungen 46 und 47 von der Zündschaltung 29 und der gesteuerte Gleichrichter 27 erhält Zündsignale über Leitungen 48, 49 von der Zündschaltung 30.

Eine Freilaufdiode 50 liegt /wischen der Leitung 33 und der Erde. Wegen des induktiven Widerstands des Motors fließt der Ankerstrom bei Abschaltung eines gesteuerten Gleichrichters über die Freilatifdiode 50. Ein Widerstand 5t liegt zwischen der Leitung 34 und Erde. Ein Potentiometer 52 liegt zwischen der Leitung 34 und Erde, und der Schleifer ist über einen Widerstand 53 mit einer gemeinsamen Leitung 54 verbunden, die ihrerseits mit dem Steuerverstärker 32. einem elektronischen Schutzschalter 55 und einer Strombegrenzungsstufe 56 verbunden ist. Die Stufen 55 und 56 sind nur der Vollständigkeit halber dargestellt, sind jedoch für das Verständnis nicht erforderlich. Die Leitung 54 zusammen mit dem Widerstand 53, ein Teil des Potentiometers 52 und der Widerstand 51 dienen zur Erzeugung eines ersten Kompensations-Stcucrsignals für die Ankerspannung, das dem Strom durch den Motoranker proportional ist und dem Sleuerverstärker 32 zugeführt wird.

Zwei Widerstände 57, 58 sind /wischen der Leitung 33 und Erde in Reihe geschaltet, eine Leitung 60 verbindet einen Meßpunkt zwischen diesen Widerstän- ho den und einen ersten Eingang des Steuerversiärkers 32. Die Leitung 60 ist auch an die Strombegrenzungsstufe 56 angeschlossen. Aus der dargestellten Schaltungsanordnung geht hervor, daß über die Leitung 60 ein Steuersignal, das proportional ist der Klemiiispanniing des Motors 20, an den ersten Eingang des Steuervcrsliirkers 32 gegeben wird.

Der Steuerverstarker 32 erhält auch ein Drehzahl-Steuersignal über eine Leitung 61 von einer Linearbeschleunigungsstufe 62, die so aufgebaut ist, daß sie ein Eingangssignal von dem Schleifer eines Potentiometers 63 erhält. Die Linearbe$chleunigungsstufe 62 wird verwendet, um eine stufenweise Änderung in der Einstellung des Potentiometers 63 in eine stetige Änderung des Drehzahlsteuersignals umzusetzen.

Drei Dioden 64, 65 und 66 sind zwischen der Leitung 54 und Erde in Reihe geschaltet als Schutz gegen ein unzulässig hohes Signal über die Leitung 54 zum Verstärker 32.

Ein Widerstand 67 ist zwischen Erde und einer gemeinsamen Leitung 68 geschaltet, die mit den Kathoden aller Halbleitergleichrichter 25, 26, 27 gekoppelt ist. Eine Leitung 70 ist mit dem gemeinsamen Anschluß des Widerstandes 67 und der gemeinsamen Leitung 68 verbunden und auch mit dem Steuerverstärker 32 gekoppelt. Die Leitung 70 führt ein zweites Kompensations-Steuersignal für die Ankerspannung (IR), das auf den Strom der die Halbleitergleichrichter 25 bis 27 bezogen ist, zum Steuerverstarker 32. Bei einer Zunahme der Motordrehzahl steigen die Öffnungszeiten der Gleichrichter 25 bis 27 entsprechend an: die Größe des auf der Leitung 70 erzeugten Signals steigt ebenfalls an. Dieses zweite Kompensationssignal auf der Leitung 70 wird im Vergleich zu dem negativ werdenden ersten Kompensationssignal auf der Leitung 54 positiv. Demgemäß wird ein zunehmender Teil des ersten Kompensationssignals auf der Leitung 54 aufgehoben, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Dies ist der Fall, weil bei einem gegebenen Drehmoment der Anteil der Freilaufdiode für den Ankerstrom geringer wird, wenn die Drehzahl erhöht wird.

Einzelheiten des Steuerverstärkers 32 sind in Fig. 2 dargestellt. Wie ersichtlich ist, besteht ein wesentlicher Teil aus einem Rechenverstärker 80. Die Leitung 60. die das auf die Motorklemmenspannung bezogene Signal führt, ist über einen Widerstand 81 mit einer ersten Eingangsklemme 10 des Rechenverstärkers 80 verbun den. Eine aus einem Widerstand 82 und einem Kondensator 83 bestehende Reihenschaltung ist mit dem Widerstand 81 parallel gekoppelt. Ein weiterer Widerstand 84 ist /wischen der ersten Eingangsklemme 10 und Erde geschaltet E.n erster Rückkopplungskondensator 85 ist zwischen der ersten Eingangsklemme 10 und dem gemeinsamen Anschluß /wischen zwei in Reihe geschalteten Ausgangswiderständen 86, 87 vorgesehen, die zwischen der Ausgargsklcmmc 7 des Rechenverstärkers und der Leitung 31 gekoppelt sind. Den Rechenverstärker stabilisierende Teile bestehen aus einem ersten Kondensator 88, der zwischen der Ausgangsklemme 7 und einer Steuerklemme 5 gelegt ist. und einer Reihenschaltung aus einem Kondensator 90 und einem Widerstand 91, die zwischen Klemmen 1 und 14 liegen.

Das erste Kompensations-Steuersignal wird über die Leitung 54 und einen Widerstand 92 an einen gemeinsamen Anschluß 93 angelegt. Das zweite Kompensations-Steuersignal wird über die Leitung 70 und einen Widerstand 94 an den gemeinsamen Anschluß 93 angelegt. Ein Potentiometer 95 zum Einstellen des Ausmaßes der Kompensation ist zwischen Anschluß 93 und Erde geschaltet. Eine Schutzvorrichtung, die als eine Diode 96 abgebildet ist, ist zwischen dem gemeinsamen Anschluß 93 und Erde gekoppelt, und verhindert, daß ein plötzlicher Stoß der Signalspannung dem Rechenverstärker Schaden zuf <gt. Die Widerstände 92 und 94 dienen als Mittel /um Summieren des

ersten und zweiten Kompcnsalionssignals, wobei die Summe anschließend über einen Teil des Potentiometers 95 und den in Reihe geschalteten Widerstand 97 der zweiten Eingangsklemme 12 des Rcchcnvcrstärkers 80 zugeführt wird.

Eine einen Widerstand 98 und einen Kondensator 99 aufweisende Reihenschaltung ist zum Widerstand 97 parallel geschaltet.

Ein Kondensator 101 ist zwischen dem gemeinsamen Anschluß 100 und Erde geschaltet, und ein Widerstand 102 ist zwischen der Eingangsleilung 61 und dem gemeinsamen Anschluß 100 gekoppelt. Da mit dem Potentiometer 63 (Fig. 1) ein Drehzahlbezugssignal gewonnen wird, das über die Linearbeschleunigungsstufe 62 an die Leitung 61 angelegt wird, kombinieren die Widerstände 102 und 97 das resultierende Summensignal am Anschluß 93 mit dem Drehzahlbezugssignal auf der Leitung 61 und erzeugen ein zusammengesetztes Summensignal an dem gemeinsamen Anschluß 100, das der zweiten Eingangsklemme des Rechenverstärkers 80 zugeführt wird.

Obwohl die erste Eingangsklemme 10 mit einem Minuszeichen versehen ist und ein positives Vor/eichen die zweite Eingangsklemme 12 kennzeichnet, ist klar, daß diese Vorzeichen sich auf die Richtung der Rückkopplungssignale (verstärkend oder ausgleichend) und nicht auf die Polaritäten der Eingangssignale beziehen. In der dargestellten Ausführungsform wird ein Signal von negativer Polarität, das auf die Klemmenspannung des Motorankers bezogen ist, über die Leitung 60 erhalten, und das Drehzahlbezugssignal auf der Leitung 61 ist ebenfalls negativ. Das erste Kompensationssignal auf der Leitung 54 ist negativ gegenüber der Erde, und das zweite Kompensationssignal auf der Leitung 70 ist positiv. Aus Fig. 1 geht hervor, daß das erste Kompensationssigna! in Abhängigkeit von dem Strom durch den Motoranker ist, während das zweite Kompensationssignal in Abhängigkeit von dem Strom durch die Halbleitergleichrichter 25 bis 27 ist. Bei niedrigen Motordrehzahlen fließt bei einem gegebenen Drehmoment weniger Strom durch die gesteuerten Gleichrichter, und somit wird durch das positive Kompensationssignal auf der Leitung 70 ein großer Teil des negativen Kompensationssignals auf der Leitung 54 weder aufgehoben noch ausgeglichen. Wenn jedoch die Motordrehzahl zunimmt, steigen die Öffnungszeiten der gesteuerten Gleichrichter entsprechend an und der Strombeitrag der Freilaufdiode 50 für den Ankerstrom verringert sich und die Amplitude des positiven Kompensationssignals auf der Leitung 70 vergrößert sich, wodurch ein /unehmeiKler Teil des negativen Kompcnsationssignals auf der Leitung 54 aufgehoben wird. Die allmähliche Veränderung des zweiten KompensatioiissignnK auf der Leitung 70 und s seine Kombination mit dem ersten Kompcnsaiionssigtial auf der l.eiiimi: 54 irägt erheblich /iir genauen Drehzahlregelung über den gesamten Dreh/ahlbercich bei.

Der Hinbau des Rechenverstärkers 80 in den

ίο Steuerverstärker 32 trägt ebenfalls erheblich zur Genauigkeit bei. Wegen der hohen Verstärkung des Rechenverstärkers 80 ist nur eine geringfügige Differenz zwischen den Eingangssignalen an den Klemmen 10 und 12 notwendig, um ein Ausgangssignal auf der Ausgangsklcmmc 7 zu erzeugen. Außerdem gestattet die Nullstabilität des Rechenverstärkers die Verwendung von relativ niedrigen .Signalspannungen, z. B. 1 Volt, um ein vollständiges und ausreichend großes Drehzahlsignal auf der Ausgangslcitung 61 /u erzeugen.

und von weniger als 0,1 Volt an dem gemeinsamen Anschluß 93 für den Ausgleich des Ankerspannungsabfalls. Aus diesem Grunde ist der Energieverbrauch in den Widerständen 51 und 67 außergewöhnlich niedrig.
Eine andere Möglichkeit den Ankerspannungsabfall auszugleichen, besteht darin.den in Fig. I dargestellten Widerstand 67 zu entfernen und einen Widerstand 110. wie er in F i g. 3 dargestellt ist, in Reihe mit der Kathode der Frcilaufdiode 50 zu schalten, um das zweite Kompensationssignal zu erzeugen. Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung steigt bei konstantem Drehmoment der Strom der Freilaufdiode 50 an, wenn die Motordrehzahl verringert wird. Wenn das Signal mit positivem Vorzeichen vom Widerstand 110 durch Zuführen zur zweiten Eingangsklemme des Rechcnverstärkers 80 zwecks Verstärkung und Vergrößerung der Kompensation über die Leitung 54 summiert wird, erhält man eine verbesserte Gesamtkompensation. Die Anordnung nach Fig. 3 ist der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 im wesentlichen gleichwertig. Jedoch ist es bei der Anordnung nach Fig. 3 erforderlich, relativ kleine Signale für die Kompensation des Ankerspannungsabfalls und für den Bezugs- oder Einstellpunkt des Stcuervcrstärkcrs zu verwenden, um den Spannungsabfall über den Widerstand 110 kleinzuhalten. Bei dieser Anordnung können große Überlastungen oder ein Klemmen des Rotors bewirken, daß der Abfall an dem Abfühlwiderstand ausreichend hoch ist, um die richtige Umschaltung der gesteuerten Gleichrichter 25 bis 27 zu beeinträchtigen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   I. Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines über steuerbare Halbleiter gespeisten, konstant erregten Gleichstrommotors mit einer Zündschaltung für die Halbleiter, einem den Ankerstrom des Motors über die Zündschaltung steuernder. Steuerverstärkers, einem an die Motorklemmen angeschlossenen Spannungsteiler, von dem ein der Klemmenspannung proportionales Steuersignal für den Steuerverstärker abgegriffen wird, einer ersten Widerslandsanordnung, von der zwecks Kompensation des Ankerspannungsabfalls ein dem Ankerstrom proportionales erstes Kompensations-Steuersignal abgegriffen wird, und einer Drehzahlregelschaltung, mit der ein Drehzahl-Steuersignal auf den Steuerverstärker gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Widerstandsanordnung (67 bzw. 110) vorgesehen ist, von der ein dem Halbleiterstrom proportionales zweites KonipensationsSteuersignal für den Steuerverstärker (80) gewonnen wird, das bei höheren Drehzahlen das erste Kompensations-Sleuersignal überspielt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerverstärker ein Operationsverstärker (80) ist, daß das zweite Kompensations-Sleuersignal ein umgekehrtes Vorzeichen wie das erste Kompensations-Steuersignal besitzt und daß die Summe vom ersten und zweiten Kompensaiions-Steuersignal mit dem Drahzahl-Steucrsignal verglichen und das Vergleichssignal auf einen Verstärkereingang gegeben wird, während das der Klemmenspannung des Motors (20) propor'ionale Steuersignal auf einen anderen Eingang des Verstärkers (80) geschaltet wird.

   J. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2. mit einer zum Motor parallel geschalteten Freilaufdiode, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Widerstandsanordnung einen mit der Freikkifdiode (50) in Reihe geschalteten Widerstand (110) aufweist, und daß das dem Halbleiterstrom proportionale zweite Kompensations-Steuersignal durch Addition der aus der ersten und zweiten (110) Widerstandsanordnung gewonnenen Signale (52) gebildet ist.

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