DE2105971A1

DE2105971A1 - Schaltung zur dynamischen Bremsung

Info

Publication number: DE2105971A1
Application number: DE19712105971
Authority: DE
Inventors: Alan Robert PaIo Alto Cahf Wilmunder (V St A )
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1970-02-17
Filing date: 1971-02-09
Publication date: 1971-09-02
Also published as: CH521053A; GB1295575A; SE369811B; US3611092A; FR2078677A5

Description

Anmelderin: United States Atomic Energy Commission Washington D. C, USA

Schaltung zur dynamischen Bremsung

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur dynamischen Bremsung eines Elektromotors, insbesondere Gleichstrommotors.

Ein häufiges Anwendungsgebiet von Motoren ist die Fernsteuerung genauer Arbeitsabläufe durch Einstellen elektrischer oder elektronischer Schaltteile oder der Teile einer mechanischen oder hydraulischen Anordnung. Zur Erzielung einer hohen Genauigkeit, muss der Motor plötzlich abgestoppt werden können, ohne über bestimmte Stellen hinweg zu laufen. Einfacher, weniger aufwendig und der Abnutzung oder dem Verschleiss unterworfen als mechanische Bremsen sind dynamische Abbremsvorrichtungen; es sind eine Reihe solcher elektrisch oder elektronisch geregelte dynamische

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Bremsvorrichtungen bekannt. Diese benötigen aber langsam arbeitende, relaisbetätigte Kontakte oder Schalter, arbeiten mit ständigem Kraftverbrauch auch, wenn der Motor nicht gebremst wird, erfordern komplexe elektronische Schaltungen, mehr als eine Kraftquelle, z. B. getrennte Kraftquellen für die elektronische Schaltung und für den Motor, und Eegrelschaltungen, die zum Antrieb und Abbremsen ^sr je*"er Piciitung gesonderte "anale erfordern. Feist is¹" mit diesen bchaltungen eine verschiedene Abbremsgeschwindigkeit für jede Umlaufrichtung des Motors nicht möglich. Auch können sie nicht mit impulsförmigen Kraftquellen betrieben werden, die z.B. rasch und automatisch in jeder Richtung eine bestimmte Impulszahl abgeben, durch die ein Motor entsprechend der Impulspolarität in der einen oder anderen Richtung um eine bestimmte Zahl von Umdrehungen angetrieben werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist eine dynamische Bremsschaltung, die die oben erwähnten Nachteile bekannter Schaltungen weitgehend vermeidet, insbesondere ohne Relais arbeitet und durch ein einzelnes Leitungspaar fernsteuerbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemässe Schaltung dadurch gelöst, dass erste Mittel den Motor mit Antriebskraft bzw. -spannung versorgen, solange diese die Grund EMK des Motors übersteigt, und beim Abfall der Antriebsspennung

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die letztere ansprechende zweite Mittel diese mit Dämpfungsmittel]! verbinden.

In den Zeichnungen zeigt die Figur 1 das Schaltschema einer Ausführungsform der Erfindung zum Antrieb und dynamischen Abbremsung eines Gleichstrommotors in beiden Richtungen;

die Figur 2 zeigt das Schaltschema einer weiteren Ausfüh- j

rungsform;

die Figur 5 zeigt das Schaltschema einer vereinfachten Schaltung zum Antrieb und dynamischen Abbremsung in nur einer Richtung.

Die dynamische Bremsschaltung 10 der Figur 1 ist mit den Eingangsklemmen 13 "und 14 an eine umkehrbare Gleichstrom-Spannungsquelle 12 und mit ihrem Ausgang über die Ausgangsklemmen 16 und 17 mit einem Gleichstrommotor 15 verbunden. % Die Schaltung 10 enthält einen NPN Transistor 18 und einen PNP Transistor 19» die jeweils mit der Basis und dem Emitter über die Quelle 12 mit dem Motor 15 in Reihe geschaltet sind. Die Basis des Transistors 18 ist mit der Klemme 13» der Emitter über einen Schalter 21 mit der einen Abnehmerbürste des Motors 15 verbunden. Die andere Abnehmerbürste

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des Motors ist mit dem Emitter des Transistors 19 verbunden, während die Basis des Transistors 19 an die Klemme 19 angeschlossen ist. Ein zweites,aus dem PNP Transistor 23 und dem KPN Transistor 24 bestehendes Transistorpaar liegt mit Emitter und Kollektor mit dem Motor in Reihe, wobei der Emitter des Transistors 23 über den Schalter 21 mit der Klemme 16 und der Emitter des Transistors 2A- mit der Klemme 19 verbunden ist, während die Kollektoren über eine Diode 26 und einen Dämpfungswiderstand 27 miteinander in Reihe liegen, wobei die Diode in der gleichen Richtung geschaltet ist, wie die Emitter der Transistoren 23 und 24. Ist die von der Quelle 12 gelieferte Spannung an der Klemme 13 positiv und an der Klemme 14 negativ, so fliesst Strom durch die Basis und die Emitter der Transistoren 18 und 19 treibt den Motor in einer ersten bestimmten Richtung an. Dabei entsteht aber an den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren 23 und 24 ein Spannungsgefälle in solcher Richtung, dass diese Übergänge entgegen der Stromrichtung vorgespannt werden, so dass die Transistoren 23 und 24 nicht leitend sind. Wird die Spannung an den Klemmen 13 und 14 abgeschaltet, so herrscht die Grund EMK des Motors 15 vor und der Motor wird eine Gleichspannungsquelle mit positiver Polarität an der Klemme 16 und negativer Polarität an der Klemme 17- Infolge der Schaltung der Elektroden der Transistoren 18 und 19 fliesst durch diese hierbei kein Strom, während

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die Transistoren 23* 24 infolge der Vorspannung durch die Widerstände 29 land 30 leiten· Der Widerstand 29 legt die positive Spannung der Klemme 16 an die Basis des Transistors 24, der Widerstand 30 die negative Spannung der Klemme I? an die Basis des Transistors 23. Hierdurch, werden die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 23» 24 so vorgespannt, dass sie vom Motor 15 über die Diode 26 und den Dämpfungswiderstand 27 fliessenden Strom führen. Damit wird (| der Dämpfungswiderstand 27 praktisch sofort nach Abfall der Spannung der Quelle 12 unter die Grund EMK des Motors 15 an den Motor gelegt und beginnt, die Grund EMK zu dämpfen und den Motor rasch dynamisch abzubremsen.

Zur Umdrehung des Motors 15 in umgekehrter Richtung wird die Gleichspannungsquelle so umgeschaltet, dass an der Klemme 14 eine positive Spannung und an der Klemme 13 eine negative Spannung erscheint. Die Basis des Transistors 24 wird * Jj mit der Klemme 14, der Emitter über die Klemme 17 unmittelbar mit einer Abnehmerbürste des Motors 15 verbunden. Die andere Abnehmerbürste des Motors ist über die Klemme 16 und den Schalter 21 mit dem Emitter des Transistors 23 verbunden. Die Basis des Transistors 23 ist unmittelbar an die Klemme 13 angeschlossen, an die eine negative Spannung gelegt wird. Die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 24

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und 23 sind über die Klemmen I3, 14 so hinter den Motor 15 geschaltet, dass sie Strom von der Quelle zum Motor leiten und diesen in umgekehrter Richtung antreiben.

Nach Absinken der Spannung der Quelle 12 unter die Grund EMK des Motors 15 ist diese vorherrschend und der Motor wird zu einer Gleichspannungsquelle mit positiver Spannung an der Klemme 17 und negativer Spannung an der Klemme 16. Eine Sperrdiode 32 und ein Dämpfungswiderstand 33 sind mit den Kollektoren der Transistoren 18 und 19 in Reihe geschaltet. Die Diode 32 und die Transistoren 18, 19 sind so mit ihrem Emitter-Kollektor-Kreis verbunden, dass sie bei Auftreten einer positiven Spannung an der Klemme 17 und einer negativen Spannung an der Klemme 16 vom Motor Strom ableiten. Durch die Widerstände 29 und 30 werden die Transistoren 18 und 19 so vorgespannt, dass sie leiten, wobei der Widerstand 29 die negative Spannung der Klemme 16 an die Basis des Transistors 19 und der Widerstand 30 die positive Spannung der Klemme 17 an die Basis des Transistors 18 legt. Dadurch werden die Emitter-Basis-tJbergänge der Transistoren 18 und 19 stromleitend vorgespannt, so dass die Transistoren Strom vom Motor 15 durch den Dämpfungswiderstand 33 führen und praktisch sofort nach Abfall der Antriebs spannung unter die Grund EMK des Motors diese gedämpft wird.

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Die Dioden 26 und 32 blockieren den Stromfluss von der Quelle durch die jeweils in Reihe geschalteten Dämpfungswiderstände 27 und 53.

Wie sich aus der vorstehenden Erläuterung ergibt, wirken bei einer ersten Spannungspolarität der Quelle 12 die Transistoren 18 und 19 als leitende Schalter, durch die der Motor 15 mit Antriebsstrom versorgt wird, während die Tran- Λ sistoren 23 und 24 als leitende Schalter arbeiten, die den Dämpfungsstrom vom Motor auf den Widerstand 27 geben. Bei einer zweiten Polarität der Spannung der Quelle 12 wirken die Transistoren 23 und 24 als leitende Schalter, durch die der Motor 15 mit Antriebsstrom versorgt wird, während die Transistoren 18 und 19 als leitende Schalter arbeiten, die den Widerstand 33 mit Dämpfungsstrom vom Motor beaufschlagen.

Es können gleiche Dämpfungswiderstände 27 und 33 verwendet werden, so dass die dynamische Bremskennlinie in beiden Umdrehungsrichtungen des Motors gleich ist; die Bremswerte können aber auch unterschiedlich sein. Dies kann man durch Einstellen der Widerstandswerte der Widerstände 27 und 33 erreichen. Gleiche Bremswerte für beide Umdrehungsrichtungen lassen sich günstig auch durch Ausschaltung der Widerstände 27 und 33 aus dem Stromkreis durch Schliessen eines Schalter-

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paares 35» 36 und öffnen eines Schalters 21 und dadurch Schaltung eines Widerstands 37 in Reihe mit dem Motor 15 erzielen. Der Dämpfungsstrom wird bei dieser Schaltung; in jeder Umdrehungsrichtung durch den Widerstand 37 geleitet und der Motor dadurch unabhängig von seiner Umlaufrichtung mit der gleichen Geschwindigkeit abgebremst.

Die Quelle 12 kann Gleichstrom oder Stromimpulse liefern. In beiden Fällen entspricht die Umlaufrichtung des Motors 15 der Spannungspolarität der Quelle, und der Motor wird praktisch sofort nach Abfall der Spannung an der Quelle unter die Grund EMK dynamisch gebremst.

Die Schaltung 10 kann auch zur Geschwindigkeitsregelung des Motors verwendet werden, bei der die Motorgeschwindigkeit der Spannungshöhe an der Quelle 12 proportional ist. Nach entsprechendem Spannungsabfall wird der Motor gebremst, solange seine Grund EMK grosser als die Spannung der Quelle ist, er verliert also an Geschwindigkeit, bis die Spannung der Quelle der Grund EMK des Motors wieder gleich oder grosser als diese ist, so dass der Motor mit entsprechend niedrigerer Spannung wieder angetrieben wird und mit geringerer Geschwindigkeit weiterläuft. Die Motorgeschwindigkeit ist also regelbar, so dass sie der Spannungshöhe der Quelle 12 genau folgt.

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Die weitere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Schaltung zeigt eine dynamische Bremsschaltung 40, in der zum Antrieb des Motors 15 Antriebskraft von den Klemmen 15» 14 zu den Ausgangsklemmen 16, 17 geleitet wird, und der Motor 15 dynamisch gebremst wird, sobald die Klemmenspannung der Klemmen 13» 14 unter die Grund EMK des Motors sinkt. Eine Diode 42 ist so in den Stromkreis geschaltet, dass von der Klemme 13 über den geschlossenen Schalter 43 und die Klemme 16 A

eine positive Spannung an eine Abnehmerbürste des Motors gelegt wird. Die andere Abnehmerbürste des Motors ist über die Klemme I7 mit dem Emitter eines PWP Transistors 45 verbunden, dessen Basis unmittelbar an die Eingangsklemme 14 angeschlossen ist. Ist die Antriebsspannung an der Klemme 13 positiv und an der Klemme 14 negativ, so fliesst Antriebsstrom von der Klemme 13 durch die Diode 42 auf eine Abnehmerbürste und von der anderen Abnehmerbürste durch Emitter und Basis des Transistors 45 zur Klemme 14 und treibt den Motor J in einer ersten TJmI auf richtung an.

Der Schaltkreis 40 enthält ferner einen PNP Transistor 46, dessen Emitter mit der Kathode der Diode 42 und dessen Basis mit der Anode der Diode verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 46 ist mit einer Sperrdiode 48 und einem Dämpfungswiderstand 49 in Reihenschaltung an die Klemme 17 angeschlossen. Ebenfalls mit der Klemme 17 verbunden ist

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der Transistor 46 über einen Widerstand 50. Fällt der an die Eingangsklemmen 15 und 14 gelegte Antriebsstrom unter die Grund EMK des Motors 15» so ist die letztere vorherrschend und der Motor 15 wirkt als Gleichstromquelle; die Spannung an der Klemme 16 wird dadurch stärker positiv als die Spannung an der Klemme 13 und die Diode 42 wird stromlos- Damit wird die positive Spannung der Klemme 16 an den Emitter des Transistors 46 und die negative Spannung der Klemme 17 über den Widerstand 50 an die Basis des Transistors 46 gelegt, so dass der Basis-Emitter-Übergang stromführend vorgespannt wird. Damit leitet der Transistor 46 Dämpfungsstrom vom Motor 15 durch die Diode 48 zum Dämpfungswiderstand 49 und bewirkt die dynamische Bremsung des Motors 15·

Wird eine Antriebs spannung mit einer positiven Spannung an die Klemme 14 und einer negativen Spannung an die Klemme 13 gelegt, so fliesst ein Antriebsstrom durch eine Diode 52, deren Anode mit der Eingangsklemme 14 und der Basis des Transistors 45 und deren Kathode mit dem Emitter des Transistors 45 und der Ausgangsklemme 17 verbunden ist. Damit fliesst Strom von Klemme 17 zu Klemme 16 durch den Motor 15, den Schalter 43 und den Emitter-Basis-Übergang des Transistors 46 zur Klemme 13,und der Motor 15 wird in der zweiten, umgekehrten Umlaufrichtung angetrieben. Sobald die Spannung zwischen den Klemmen 13 und 14 unter die Grund EMK

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des Motors 15 sinkt, arbeitet dieser als Gleichstromquelle mit einer positiven Spannung an der Klemme 17 und einer negativen Spannung an der Klemme 16. Die negative Spannung an der Klemme 16 wird über einen Widerstand 53 an die Basis des Transistors 4-5 und die positive Spannung der Klemme 17 an den Emitter des Transistors 4-5 gelegt, so dass eine Stromführungsvorspannung an dem iJasR-Fmitrer-übergang des Vr-r" si st ox's ^ 5 entsteht. Dadurch wira ein Dänmfungs strom stark durch den Transistor 4-5, eine Sperrdiode 54- und einen Dämpfungswiderstand % geleitet, die mit dem Kollektor des Transistors 4-5 in Reihenschaltung an die Klemme 16 angeschlossen sind. Der Stromverbrauch im Widerstand 56 bremst damit den Motor 15 in der zweiten UmI auf richtung dynamisch ab.

Die Dioden4-2 und 52 lassen in ihrer Durchlassrichtung die Antriebskraft für den Motor 15 durch und dienen als Isolierung zwischen den Emitter- und Basiselektroden der Transistören 46 und 4-5, damit die Basis-Emitter-Übergänge in stromleitender Richtung vorgespannt sind, wenn die Antriebsspannung unter die Grund EMK des Motors fällt.

Ähnlich wie die Schaltung 10 kann auch die Schaltung 40 eingestellt werden, um für jede Umlaufrichtung des Motors 15 verschiedene dynamische Bremswerte abzugeben. Dies kann

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BAD ORKaINAL

durch Einstellung der Widerstandswerte der Dämpfungwiderstände 49 und 56 erfolgen. Zur Erzielung gleicher Bremswerte in beiden Umlaufrichtungen können die Widerstände 49 und 56 z. B. durch Schliessen des Schalterpaares 57 und 58 ausgeschaltet und z.B. durch öffnen des Schalters 43 durch einen einzigen Dämpfungswiderstand 59 ersetzt werden.

Die Sperrdioden 48 und 54- sperren die Zufuhr von Antriebsspannung zu den Basis-Kollektor-Übergängen der Transistoren 46 bzw. 4-5.

Die Funktion der Schaltung 40 mit ihren Eingangsklemmen 13, 14 und Ausgangsklemmen 16, 17 entspricht der der Schaltung 10 hinsichtlich der Umkehrbarkeit der Antriebsspannungen, der Geschwindigkeitsregelung und der dynamischen Bremsung.

Soll ein Gleichstrommotor nur in einer UmIaufrichtung arbeiten, so kann die Schaltung 40 der Figur 2 leicht zur Schaltung 40' der Figur 3 geändert werden, in der nur die Schaltungsteile für eine UmIaufrichtung beibehalten, die für die andere Umlaufrichtung dagegen weggelassen werden. Die Arbeitsweise der Schaltung 40' entspricht der der Schaltung 40 bei Anlegen einer Antriebskraft mit positiver Spannung an die Klemme I3 und negativer Spannung an die Klemme 14.

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In einem Ausführungsbeispiel wurde ein 1/100 HP-Motor mit einer Geschwindigkeit von 100 pps mit quadratischen Gleichstromimpulsen mit einer Spitzenamplitude von 10 Volt betrie ben. Mit der erfindungsgemässen Schaltung konnte der Motor von einer Geschwindigkeit von 600 UpM in 2 Sek. zum Anhalten gebracht werden. Ohne dynamische Abbremsung hielt der Motor erst nach 10 - 20 Sek.

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Claims

Patent ansprüche

(1.JSchaltung zum dynamischen Bremsen von Gleichstrommotoren, dadurch gekennzeichnet, dass erste Mittel den Motor mit Antriebskraft bzw. -spannung versorgen, solange diese die Grund EMK des Motors übersteigt, und beim Abfall der Antriebsspannung unter die letztere ansprechende zweite Mittel diese mit Dämpfungsmitteln verbinden·
2. Schaltung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel aus einer mit dem Motor in Sierienschaltung verbundenen Diode und die zweiten Mittel aus einem oder mehreren Transistoren, gegebenenfalls mit einer Diode, bestehen.
3. Schaltung gemäss Anspruch 1, 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Mittel ,je einen NPN und PNP Transistor enthalten.
4. Schaltung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmittel aus einer einzigen, mit dem Motor in Serie geschalteten und diesen in beiden Umlaufrichtungen gleich abbremsenden Einheit bestehen.

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5. Schaltung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmittel aus zwei Einheiten "bestehen, von denen je eine mit den ersten "bzw. den zweiten Mitteln in Serienschaltung verbunden ist·
6. Schaltung gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einheiten für ^ede UmIaufrichtung verschiedene Bremswerte erzeugen.

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