DE2218235A1 - Verfahren und Anordnung zur selbsttätigen Regelung bzw. Konstanthaltung der Drehzahl eines Gleichstrommotors - Google Patents

Description

• Verfahren und Anordnung zur selbsttätigen lLebelung bzw.
• Konstanthaltung der Drehzahl eines Gleichstrommotors.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selbsttätigen Regelung bzw. Konstanthaltung der Drehzahl eines Gleichstrommotors auf einen durch eine Sollspannung vorbestimmbaren Wert, beispielsweise bei unterschiedlicher mechanischer Belastung des Motors, wobei der Istwert der Drehzahl aus der vom Motor erzeugten drehzahlproportionalen Gegenspannung festgestellt wird.
• Um die Drehzahl eines Motors auf einem vorgegebenen Sollwert halten zu können, ist es grundsätzlich erforderlich, die Istdrehzahl zu kennen. Durch einen Vergleich zwischen Ist- und Sollwert der Drehzahl kann die Steueranordnung so geregelt werden, daß die Istdrehzahl der Solldrehzahl entspricht.
• Es sind Steueranordnungen bekannt, die die Gegen-EMK des Motors benützen, um die Istdrehzahl des Motors zu messen. Hiebei wird die Gegen-EMK des Motors bei Impulsbetrieb während der Ausschaltphase gemessen. Bei Wechselspannungsspeisung erfolgt dies während der negativen Halbperiode der Speisespannung und bei Gleichspanmingsbetrieb durch eine Sample- und Holdschaltung während der Impulspause. Die durch die Motorinduktivität erzeugte Spannungsspitze muß abgewartet werden, um ein drehzahlproportionales Signal zu erhalten.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der bekannten Regelverfahren bzw. Anordnungen zu vermeiden und die Gegenspannung des Motors von der Klemmspannung zu unterscheiden und zu isolieren. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorgeschlagen, daß die Gegenspannung (EMK) in einer elektrischen Brücke, in deren einem Zweig die Rotorwicklung des Motors und in deren anderem Zweig die Sollspannungsquelle angeordnet ist, ermittelt wird, wonach die Differenzspannung zwischen der Gegenspannung und der Sollspannung als Regelspannung einer Steuereinrichtung für den Motor zugeführt wird.
• Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung ist vorgesehen, daß bei an sich bekanntem Impulsbetrieb des Motors der Mittelwert der Differenzspannung zwischen der Sollspannung und der Gegenspannung gebildet wird, wonach der Mittelwert der Differenzspannung einem Operationsverstärker zugeführt wird, dessen Ausgangssignal zur Festlegung des Tastverhältnisses der Impulse eines Multivibrators herangezogen wird, wobei die Impulse des Multivibrators zur Betätigung der Steuereinrichtung des Motors dieser zugeführt werden.
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gemäß einer erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen, daß die elektrische Brücke durch den Innenwiderstand des Motors, seinem induktiven Widerstand, die Gegenspannung, festen Widerständen und die Sollspannung gebildet ist, daß die Basis eines Transistors zwischen zwei der festen Widerstände und die Basis eines weiteren Transistors über einen Integrationswiderstand zwischen einem weiteren festen Widerstand und der Rotorwicklung des Motors an die Brücke geschaltet ist, wobei die Emitter der beiden Transistoren, vorzugsweise über Dioden, mit einer Konstantstromquelle und die Basen der beiden Transistoren zur Mittelwertbildung über einen Kondensator verbunden sind, daß der Kollektor des über den Integrationswiderstand angesteuerten Transistors und der Kollektor des anderen Transistors über einen Arbeitswiderstand zum negativen Potential der Anordnung geschaltet sind, wobei am Arbeitswiderstand die Regelspannung für das als alte Steuereinrichtung vorgesehene Halbleiterventil abgreifbar ist, und der Motor im Kollekkreis des Halbleiterventils angeordnet ist und daß vorzugsweise das Halbleiterventil durch eine dem Motor parallelgeschaltete Diode vor Überspannungen geschützt ist.
• In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise dargestellt. Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung der elelctrischein Brücke, Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung im Blockschaltbild für Impulsbetrieb des Motors und in Fig. 3 ist die erfindungsgemäße elektrische Schaltung einer Anordnung zur Regelung der Motordrehzahl dargestellt.
• Die Klemmspannung des Motors ist gegeben durch die Summe des Spannungsabfalles an seinem Innenwiderstand Ri, der Gegenspannung EMK und bei Impulsbetrieb durch den induktiven Spannungsabfall an der Induktivität LR des Motors (Fig. 1 und 3). Der Innenwiderstand Ri wird durch Bildung einer Brücke Ri, R2, R3, R4 kompensiert. Die Induktivität LR des Motors sei zunächst = O. Die Differenzspannung zwischen den Punkten P1 und P2 ist in diesem Falle = 0, wenn die EMK des Motors mit der eingestellten Sollspannung U-soll übereinstimmt, und zwar sowohl im ein- und ausgeschalteten Zustand des Halbleiterventils T1. . Bei Abweichung der EMK von U-soll ergibt sich eine Differenzspannung, die zur Regelung des Halbleiterventils T1 ausgenützt werden kann. Die Induktivität LR des Motors bewirkt eine Störung des Brückengleichgewichtes während des Umschaltens des Halbleiterventils T1. Die Dauer dieser Störung ist durch die Zeitkonstante LR/Ri+R2 bestimmt. Dies gilt für das Ein- und Ausschalten gleichermaßen, wenn eine Diode D1 vom Punkt P3 nach O geschaltet wird. Außerdem wird durch die Diode D1 das Halbleiterventil T1 beim Ausschalten vor Überspannung geschützt. Der störende Einfluß der Induktivität LR könnte durch eine Pol-Nullstellenkompensation am Punkt P4 (Fig. 3) vermieden werden, was sich aber als ungünstig erwiesen hat.
• Der Impulsbetrieb (Fig. 2 und 3) hat den Vorteil, daß die Verlustleistung am Halbleiterventil T1 klein gehalten werden kann.
• Bei sehr kleinen Drehzahlen muß aber dann das Verhältnis zwischen Einschaltzeit tE und Ausschaltzeit tA vom Ilalbleiterventil T1 ebenfalls sehr klein sein, außerdem muß die Gesamtperiode T kurz sein, um in vorteilhafter Weise eine hohe Regel geschwindigkeit zu erhalten und außerdem bei kleinen Drehzahlen eine ruckartige Bewegung des Motors zu vermeiden. Das Verhältnis t/tA muß sich vergrößern, wenn das äußere Drehmoment steigt. Eine sehr günstige Lösung ergibt sich, wenn man die Gesamtperiode T sehr klein hält gegenüber der Zeitkonstante LR/Ri+R2. In diesem Falle ergeben sich im eingeschalteten sowie im ausgeschalteten Zustand des Halbleiterventils T1 verschiedene Momentanwerte an den Punkten P1 und P2, auch wenn die Gegenspannung EMK mit der Sollspanmlng U-soll übereinstimmt. Bildet man aber an beiden Punkten P1, P2 den Mittelwert, so ergeben sich an beiden Punkten dieselben Werte, und zwar 1.) U mittel =-U . tv . Ri EMK Ri+R2 1 R1 Ri+R2 und 2.) U mittel =-U . tv . Ri - R U soll Ri+R2 1 Ri+R2 Durch eine Differenzbildung erhält man als Regelspannung 3.) UR = (Usoll ) R2 R2+Ri In Fig. 2 ist eine grundsätzliche Möglichkeit dargestellt, wie die an den Punkten P1 und P2 auftretenden Spannungen für die Regelung der Drehzahl ausgenützt werden können. Ein Multivibrator MV wird im Ruhezustand mit kleinstmöglichem Tastverhältnis tE/tE+tA (tE = Einschaltzeit, tA Ausschaltzeit des Halbleiterventils T1) betrieben. Daraus ergibt sich die kleinstmögliche Drehzahl des Motors.
• Kann der Multivibrator im Ruhestand dazugebracht werden, daß er in der ausgeschalteten Phase tA stehenbleibt, so etibt sich als kleinstmögliche Drehzahl die Drehzahl = O. B Vergrößerung der Soll-Spannung U-soll erhält der Operatiensverstärker OPV nach vorhergehender Mittelwertbildung ein Differenzsignal. Der Ausgang des Operationsverstärkers OPV steuert den Multivibrator MV derart, daß das Tastverhältnis tv = tE/tE + tA vergrößert wird und somit die Drehzahl des Motors derart nachgeregelt wird, daß die Istdrehzahl der Solldrehzahl entspricht. Die Regelgenauigkeit ist durch den Verstärkungsfaktor v des Operationsverstärkers und den Regelfaktor des Multivibrators gegeben.
• In Fig. 3 ist eine Schaltung angegeben, die die Mittelwertbildung, den operativen Verstärker und den Multivibrator vereinigt.
• Die Mittelwertbildung geschieht in dem in Fig. 3 angeführten Schaltungsbeispiel durch die Überbrückung der beiden Basen der Tranistoren T2 und T3 mittels des Kondensators C1. Die Mittelwerte werden nicht in bezug auf die Erde gebildet, sondern zwischen den beiden Basen der Transistoren T2 und T3. Dies hat eine erheblich einfachere Dimensionierung zur Folge und außerdem bleibt die Schwingfähigkeit der Schaltung mit der Rückkoppelung über das Steuerelement von Halbleiterventil T1 und Kondensator C' erhalten. C' ist eine Schaltungskapazität und kann auch künstlich zugeschaltet werden, um die Rückkopplung für hohe Frequenzen zu erhöhen. Der Integrationswiderstand R5 kann in der Größenordnung des Innenwiderstandes am Punkt P2 (k.R2//k.Ri) liegen. Ohne das Verzögerungsglied C2, R6 schwingt die Schaltung mit ihrer maximalen Frequenz, die durch die Laufzeiten im gesamten Rückkoppelungskreis und den Kondensator C' gegeben ist. Durch Hinzuschalten von C2.R6 kann die Periodendauer T beeinflußt werden. Es empfiehlt sich, die Frequenz nicht zu hoch zu halten, weil während des Schaltvorganges im Halbleiterventil T1 eine gewisse Schaltleistung verbraucht wird, so daß die Verlustleistung im Halbleiterventil T1 niedriger gehalten werden kann, wenn die Schaltfrequenz nicht zu hoch ist. Bei sehr hoher Integration durch C2.R6 geht die Rückkoppelung für hohe Frequenzen verloren, so daß die impulsgesteuerte Regelung in eine gleichspannungsgesteuerte übergehen kann. Dies ist nur für kleine Motorleistungen ratsam, weil dann am Halbleiterventil T1 relativ hohe Verlustleistungen auftreten.
• Die Dimensionierung der Schaltung ist relativ unkritisch und hängt von den gewünschten Regeleigenschaften ab. Als bekannte Grössen des MOtors müssen der Innenwiderstand und die Induktivität vorausgesetzt werden. Beides ist durch einfache, bekannte Meßverfahren eruierbar. Durch Verändern des Widerstandes R4 kann die Regelcharakteristik beeinflußt werden. Die zusätzlich erforderliche Spannung U+ kann eliminiert werden, wenn am Punkt P4 ein der Solldrehzahl entsprechender Strom eingespeist wird. Der Widerstand R2 kann relativ klein gehalten werden und wurde in einem praktischen Beispiel mit Ri/3 gewählt. Die maximale Regelgeschwindigkeit hängt von der Zeitkonstante LR/R2+Ri ab und ist daher größer als bei Verfahren, bei denen die Schaltfrequenz von der Netzfrequenz abhängt.
• Die Drehzahl ist von Spannungsschwankungen unabhängig, wenn U-soll und das Erregerfeld von der Speisespannung unabhängig ist (siehe Gleichung 3). Die Schaltung kann daher unter Umständen mit gleichgerichtetem Wechselstrom betrieben werden.
• Durch die hohe Schaltfrequenz und der kleinstmöglichen Einschaltzeit tE von wenigen usec (bedingt durch die Grenzgeschwindigkeiten der Schaltelemente) ist auch bei sehr kleinen Umdrehungszahlen ein ruckfreies Drehen des Motors gewährleistet, wobei ein hohes Drehmoment zur Verfügung steht. Bei R4 = k.Ri ergibt sich bei Festbremsung in vorteilhafter Weise ein Drehmoment, das dem bei Festbremsung mit voller Speisespannung entspricht.
• Die Dioden D2 und D dienen zum Schutz von T2 und T In 3 2 3 Serie zu D2 kann noAh eine zusätzliche Diode geschaltet werden, um bei U-soll = OV die Drehzahl n = 0 tatsächlich zu erreichen.
• Im einfachsten Fall kann U-soll durch ein Potentiometer erzeugt werden. Das Prinzip ist vorteilhaft in gleicher Weise für Nebenschluß- und Hauptschlußmotoren geeignet, wenn beim Hauptschlußmotor das Durchgehen des Motors durch geeignete Maßnahmen verhindert wird (z.B. mittels Cornpound-Wicklung)., Schließlich ist die Steueranordnung auch zur Impulssteuerung von Motoren verwendbar, die mit einem Tachogenerator versehen sind.
• In diesem Fall wird gemäß Fig. 3 die EMK und Induktivität LR des Motors durch die gleichgerichtete Spannung U-ist des Tachogenerators ersetzt. Die Steuerspannung für das Steuerelement kann in diesem Falle am Kollektor vom Transistor T3 abgenommen werden. Die Schaltung kann auch mit der Netzfrequenz synchronisiert werden, wenn U-soll als Teil der gleichgerichteten Versorgungsspannung eingespeist wird. In diesem Falle wäre es möglich, Thyristoren bzw.
• andere steuerbare Gleichrichter als Halbleiterventile vorzusehen.
• Die Erfindung ist bei allen Arten von industriellen Antrieben, bei welchen stark unterschiedliche Drehzahlen verlangt werden, wobei das Drehmoment auch bei kleinen Drehzahlen erhalten bleiben soll, anwendbar, beispielsweise bei Haushaltsmaschinen, in der Spielzeugindustrie, in der Autoindustrie (Elektroauto, Scheibenwischer, Ventilatoren usw.) und für Schienenfahrzeuge.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   Verfahren zur selbsttätigen Regelung bzw. Konstanthaltung der Drehzahl eines Gleichstrommotors auf einen durch eine Sollspannung vorbestimmbaren Wert, beispielsweise bei unterschiedlicher mechanischer Belastung des Motors, wobei der Istwert der Drehzahl aus der vom Motor erzeugten drehzahlproportionalen Gegenspannung festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenspannung (EMK) in einer elektrischen Brücke, in deren einem Zweig die Rotorwicklung (LR) des Motors (1) und in deren anderem Zweig die Sollspannungsquelle (U-soll) angeordnet ist, ermittelt wird, wonach die Differenzspannung zwischen der Gegenspannung (EMK) und der Sollspannung (U-soll) als Regelspannung einer Steuereinrichtung (T1) für den Motor (1) zugeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei an sich bekanntem Impulsbetrieb des Motors (1) der Mittelwert der Differenzspannung zwischen der Sollspannung (U-soll) und der Gegenspannung (EMK) gebildet wird, wonach der Mittelwert der Differenzspannung einem Operationsverstärker (OPV) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal zur Festlegung des Tastverhältnisses der Impulse eines Multivibrators (MV) herangezogen wird, wobei die Impulse des Multivibrators (MV) zur Betätigung der Steuereinrichtung (T 1) des Motors (1) dieser zugeführt werden.
3. 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Brücke durch den Innenwiderstand (Ri) des Motors (1), seinem induktiven Widerstand (LR), die Gegenspannung (EMK), festen Widerständen (R2, R3, R4) und die Sollspannung (U-soll) gebildet ist, wobei ein Differenzverstärker (2) (bei P1) einerseits zwischen einem festen Widerstand und dem Motor (1) und andererseits zwischen den zwei anderen festen Widerständen (R3 und R) (bei P2) mit der Brücke verbunden ist und 3 R4) (bei P2) daß der Ausgang des Differenzverstärkers (2) mit der Steuerelektrode eines als Steuereinrichtung vorgesehenen Halbleiterventils (T1) verbunden ist.
4. 4. Anordnung zur Durchführung d s Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennseichrlet daß dl elektrische Brücke durch den Innenwiderstand (Ri) des Motors (1), seinem induktiven Widerstand (LR), die Gegen spannung (EMK), festen Widerständen (R2, R3, R4) und die Sollspannung (U-soll) gebildet ist, daß dieBasis eines Transistors (T2) zwischen zwei der festen Widerstände (R4 und R3) (bei P2) und die Basis eines weiteren Transistors (T 3) über einen Integrationswiderstand (R5) zwischen einem weiteren festen Widerstand (R2) und der Rotorwicklung des Motors (1) (bei P1) an die Brücke geschaltet ist, wobei die Emitter der beiden Transistoren (T2, T3) vorzugsweise über Dioden (D2, D3), mit einer Konstantstromquelle und die Basen der beiden Transistoren (T2, T3) ) zur Mittelwertbildung über einen Kondensator (C1) verbunden sind, daß der Kollektor des über den Integrationswiderstand (R5) angesteuerten Transistors (T3) und der Kollektor des anderen Transistors (T 2) über einen Arbeitswiderstand (R7) zum negativen Potential der Anordnung geschaltet sind, wobei am ArbeSswiderstand (R7) die Regelspannung für das als Steuereinrichtung mrgesehene Halbleiterventil (T1) abgreifbar ist, und der Motor (1) im Kollektorkreis des Halbleiterventiles (T1) angeordnet ist, und daß vorzugsweise das Halbleiterventil (T1) durch eine dem Motor (1) parallelgeschaltete Diode (D1) vor Überspannungen geschützt ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingfähigkeit der Anordnung mit der Rückkoppelung über das Halbleiterventil (T) und einen zwischen der Basis des einen Transistors (T3) und dem Nullpotential angeordneten Kondensators (C) gegeben ist.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Halbleiterventil (T1) ein RC-Glied (C2/R6)vorgesehen ist, durch welches die Periodendauer der Schwingungen der Anordnung veränderbar ist.

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