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Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleich strommotors
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung
eines Gleichstrommotors mit einer vergleichenden, zwei Eingänge aufweisenden Steuereinrichtung,
an derem einen Eingang eine der Drehzahl des Motors proportionale Spannung und an
derem anderen Eingang eine einstellbare Spannung anliegt und mit einem durch die
Steuereinrichtung beeinflußbaren Steuerglied das mit dem Gleichstrommotor in Reihe
geschaltet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der gegenüber bekannten Vorrichtungen,
bei denen zur Erzeugung einer drehzahlproportionalen Spannung ein Tachogenerator
verwendet wird, der Aufwand verringert ist. Des weiteren soll die Schaltungsanordnung
einfach, raumsparend und betriebssiccr ein.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Anker des Gleichstrommotors
mit einem Widerstand einen Spannungsteiler bildet, dessen Abgriff mit dem Eingang
einer Verstärkereinrichtung verbunden ist, daß der Verstärkungsfaktor gleich dem
Verhältnis aus der Summe des Ankerwiderstandes und des Reihenwiderstandes zum Reihenwiderstand
ist, und daß der Ausgang der Verstärkereinrichtung mit dem Eingang der Steuereinrichtung
verbunden ist. Am Spannungsteiler liegt eine Spannung an, die sich zusammensetzt
aus der induzierten Spannung des Gleichstrommotors, dem Spannungsabfall am Ankerwiderstand
sowie dem Spannungsabfall am Teilerwiderstand. Die am Teilerwiderstand abfallende
Spannung wird durch die Verstärkereinrichtung mit dem vorgenannten Verstärkungsfaktor
verstärkt. Die am Ausgang der Verstärkereinrichtung vorhandene Spannung ist direkt
proportional der induzierten Spannung des Gleichstrommotors.
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Die induzierte Spannung des Gleichstrommotors ist bei konstantem Erregerfluß
direkt proportional der Drehzahl des Gleichstrommotors. Sie ist also demzufolge
ein Maß fUr die jeweils vorhandene Drehzahl. Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ist also der Vorteil gegeben, daß kein Tachogenerator verwendet zu werden braucht,
daß also der Gleichstrommotor selbst in direkter Weise zur Erzeugung der drekizahlabhängigen
Spannung benutzt wird.
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Gemäß Weiterer Ausbildung weist die Verstärkereinrichtung einen Operationsverstärker
sowie einen nachgeschalteten Differenzverstärker auf. Dem nachgeschalteten Differenzverstärker
wird einmal über den einen Eingang die Differenzspannung, die sich aus der Versorgungsspannung
der Verstärkereinrichtung und aus der vom Motor induzierten Spannung zusammensetzt,
zugeführt und über den anderen Eingang die Versorgungsspannung selbst zugeleitet.
Am Ausgang des Differenzverstärkers ist dann eine der induzierten Spannung des Gleichstrommotors
proportionale Spannung vorhanden. Die vergleichende Steuereinrichtung besteht aus
einem Differenzverstärker, der zwei ransietoren aufweist, von denen der eine mit
seiner Basis mit dem Ausgang des Verstärkers und von denen der andere mit einem
Spannungsteiler verbunden ist, wobei der Kollektor des letzteren über einen Widerstand
mit der Basis eines als Steuerelement verwendeten Transistors verbunden ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Verstärkereinrichtung
einen Transistor auf, in dessen Kollektorkreis und Emitterkreis je ein Widerstand
vorgesehen ist. Das Verhältnis des Kollektorwiderstandes zum Emitterwiderstand ist
gleich dem Verhältnis der Summe des Ankerwiderstandes und des Reihenwiderstandes
zum Reihenwiderstand gewählt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier in den Xiguren 1 und
2 dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Gemäß der Figur ist mit 1 eine Spannungsquelle bezeichnet.
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über einen Schalter 2 ist der Pluspol der Spannungsquelle silber die
Eollektor-Emitter-Strecke eines Steuertransistora 5 mit dem Anker eines Gleichstrommotors
3 verbindbar. Mit dem Anker des Gleichstrommotors 3 ist ein Widerstand 4 in Reihe
geschaltet. Der Abgriff zwischen dem Gleichstrommotor 3 und dem Widerstand 4 ist
mit dem Eingang E eines Verstärkers 6 verbunden. Der Verstärker besteht aus einem
lransistors 6a, in dessen Kollektorkreis ein Widerstand 7 und in dessen Emitterkreis
ein Widerstand 9 angeordnet ist.
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Sein Ausgang A ist mit der Basis eines Transistors 8 eines Differenzverstärkers
verbunden.
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An dem Anker des Gleichstrommotors 3 liegt eine Spannung an, die sich
zusammensetzt aus der induzierten Spannung und aus dem Spannungs abfall gebildet
aus dem Produkt des Ankerwiderstandes und des Ankerstromes. Der Verstärker 6 ist
so dimensioniert, daß Uber seinen Eingang E ein nur sehr kleiner Basisstrom fließt,
so daß angenommen werden kann, daß der durch den Anker des Gleichstrommotors 3 fließende
Strom ungefahr gleich dem durch den Widerstand 4 fließenden Strom
ist.
Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist bestimmt durch das Verhältnis des Kollektorwiderstandes
zum Emitterwiderstand. Dieses Verhältnistist wiederum gleich dem Verhältnis der
Summe des Ankerwiderstandes und des Widerstandes 4 zum Widerstand 4 gewählt. Zwischen
dem Ausgang A und dem Meßpunkt C ergibt sich eine verstärkte Spannung, die gleich
dem Produkt gebildet aus dem Ankerstrom, dem Widerstand 4 und dem vorgenannten Verstärkungsfaktor
ist.
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Diese Spannung zwischen dem Ausgang A und dem Meßpunkt 0 ist mit vorgenannten
Verstärkungsfaktor gleich der Differenz der Spannung zwischen dem Meßpunkt C und
dem Meßpunkt B und der durch den Gleichstrommotor 3 induzierten Spannung. Zwischen
dem Ausgang A und dem Meßpunkt B ergibt sich dann eine Spannung, die gleich der
induzierten Spannung des Gleichstrommotors 3 ist. Diese Spannung wird der Basis
des Transistors 8 des Differenzverstärkers zugeführt.
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Ein weiterer Transistor des Differenzverstärkers ist mit 10 bezeichnet.
Sein Emitter ist mit dem Emitter des ransistors 8 verbunden. Beiden Emittern ist
ein Widerstand 11 gemeinsam. Die Basis des Transistors 10 des Differenzverstärkers
ist mit einem veränderbaren Widerstand 12 verbunden, welcher mit einem Widerstand
13 in Reihe geschaltet ist. Beiden Widerständen 12 und 13 ist eine Zenerdiode 14
zur parallel geschaltet. Diese dientstabilisierung der Spannung an den Widerständen
12 und 13, um zu verhindern, daß
bei Strom- oder Spannungsschwankungen
sich die Teilerspannung verändert. Ein mit den Widerständen 12 und 13 in Reihe geschalteter
Widerstand ist mit 15 bezeichnet.
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Ein Kollektorwiderstand des Transistors 10 ist mit 16 bezeichnet.
Sein dem Kollektor des Transistors 10 abgewandtes Ende ist mit der Basis des Steuertransistors
5 verbunden.
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Des weiteren steht die Basis des Steuertransistors 5 mit einem Widerstand
17 in Verbindung, dessen der Basis abgewandtes Ende mit dem Pluspol der Spannungsquelle
1 verbunden -ist. Parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Steuertransistors 5
ist ein Widerstand 18 angeordnet. Ein im Kollektorzweig des Transistors 8 befindlicher
Widerstand 19 ist mit seinem dem Kollektor abgewandten Ende ebenfalls mit dem Pluspol
der Spannungsquelle 1 verbunden.
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Die Funktionsweise ist nun folgende: Es wird angenommen, daß mittels
des veränderbaren Widerstandes 12 eine bestimmte Drehzahl vorgewählt ist. Nach Schließen
des Kontaktes 2 wird der Basis des Transistors 10 eine Spannung zugeftihrt, die
veranlaßt, daß der Transistor 10 aufgesteuert ist, so daß an der Basis des Steuertransistors
5 ein gegenüber seinem Emitter negatives Potential anliegt. Demzufolge ist der Steuertransistor
5 durohgesteuert.
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Es fließt ein Strom über den Schalter 2, die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors 5, den Ankerkreis des Gleichstrommotors 3 und den Widerstand 4.
Der Anker des Gleichstrommotors 3 beginnt sich zu drehen, so daß im Gleichstrommotor
3 eine bestimmte Spannung induziert wird.
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Diese induzierte Spannung liegt zwischen dem Ausgang A des Verstärkers
6 und dem Meßpunkt B an. Mit steigender Drehzahl und demzufolge steigender induzierter
Spannung wird der Transistor 8 aufgesteuert und das Potential an den beiden Emittern
der Transistoren 8 und 10 angehoben. Demzufolge wird mit wachsender Drehzahl der
Transistor 10 zugesteuert, was zur Folge hat, daß auch der Steuertransistor 5 in
zunehmendem Maße zugesteuert wird. Ist das an der Basis des Transistors 8 anliegende
Potential gleich dem Potential an der Basis des Transistors 10, 8o ist der Steuervorgang
beendet und der Steuertransistor 5 soweit zugesteuert, daß durch den Anker des Motors
3 ein der vorgewählten Drehzahl zugeordneter Strom fließt bzw. an dem Gleichstrommotor
eine der vorgewählten Drehzahl zugeordnete Spannung anliegt.
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Wird nun die Belastung des Gleichstrommotors erhöht, was zur Folge
hat, daß sich der Gleichstrommotor 3 langsamer zu drehen versucht, so nimmt auch
die induzierte Spannung ab. Demzufolge wird der Transistor 8 in Abhängigkeit von
der
sich verringernden induzierten Spannung zugesteuert, was zur Polge hat, daß der
Transistor 10 in zunehmendem Maße aufgesteuert wird. Demzufolge wird auch der Steuertransistor
5 weiter aufgesteuert, so daß durch den Anker des Gleichstrommotors 3 ein größerer
Strom fließen kann. Des weiteren nimmt auch die Spannung am Anker des Gleichstrommotors
3 um ein entsprechendes Maß zu. Es stellt sich ein größeres Drehmoment am Anker
des Motors 3 ein. Der Ausgleichvorgang ist dann beendet, wenn das Potential an der
Basis des Transistors 8 gleich dem Potential an der Basis des Transistors 10 ist.
Die ursprüngliche Nenndrehzahl des Gleichstrommotors 3 hat sich somit wieder eingestellt.
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Wenn nun die Belastung des Gleichstrommotors 3 von der Nennbelastung
zu kleineren Werten hin abnimmt, dann versucht sich der Anker des Gleichstrommotors
3 schneller zu drehen.
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Die Polge ist, daß der Transistor 8 weiter aufgesteuert wird, was
zur Polge hat, daß der Transistor 10 weiter zugesteuert wird. Ebenso wird der Steuertransistor
5 weiter zugesteuert, 80 daß die Spannung am Anker des Gleichstrommotors 3 sowie
der Ankerstrom 3 vermindert werden. Der Anker des Gleichstrommotors 3 versucht sich
demzufolge langsamer zu drehen. Die induzierte Spannung sinkt um ein entsprechendes
Maß ab. Demzufolge nimmt auch die Drehzahl ab. Der Ausgleichvorgang ist dann beendet,
wenn die Drehzahl gleich der Nenndrehzahl ist oder, was gleichbedeutend ist, wenn
das Potential an der Basis des Transistors
8 gleich dem Potential
an der Basis des Transistors 10 ist.
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Gemäß Fig. 2 wird anstelle des Verstärkers 6 eine Verstärkereinrichtung
6' verwendet, die einen Operationsverstärker 20 und einen Differenzverstärkers 21
enthält.
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Der Eingang E der Verstärkereinrichtung ist ueber einen Widerstand
22 mit dem positiv gekennzeichneten Eingang des Operationsverstärkers 20 verbunden.
Der negativ gekennzeichnete Eingang führt zu einem Spannungsteiler 23, 24 wobei
der Widerstand 24 als RUckkopplungswiderstand weiterhin mit dem Ausgang des Operationsverstärkers
verbunden ist. Vom Ausgang desselben führt eine Verbindung zu einem Widerstand 25,
der Bestandteil eines Spannungsteilers 25, 28 ist. Der Widerstand 28 dient außerdem
als Rückkopplungswiderstand fUr den Differenzverstärker 21.
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Der Abgriff des Spannungsteilers ist mit dem negativ gekennzeichneten
Eingang des Differenzverstärkers verbunden.
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Der positiv gekennzeichnete Eingang führt zu einem Spannungsteiler
26, 27, der die Versorgungsspannung zwischen den Anschlußstellen B und C herunterteilt.
Der Differenzverstärker 21 vergleicht demnach die Versorgungsspannung der Verstärkereinrichtung
mit der Differenz von Versorgungsspannung und induzierter Spannung des Gleichstrommotors
9. Demzufolge befindet sich am Ausgang A eine der induzierten Spannung proportionale
Spannung. Durch eine so aufgebaute Verstärkereinrichtung läßt sich ein großer Drehzahlbereich
einstellen.
Auch können besonders niedrige Drehzahlen eingestellt werden.
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Der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 20 ist bestimmt durch
das Verhältnis der Summe des Ankerwiderstandes und des Widerstandes 4 zum Widerstand
4. Der Verstärkungsfaktor läßt sich einfach einstellen durch geeignete Wahl des
Widerstandes 24.