DE2251292A1

DE2251292A1 - Anordnung zur drehzahlregelung eines kollektorlosen gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2251292A1
Application number: DE2251292A
Authority: DE
Inventors: Benno Doemen
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1972-10-19
Filing date: 1972-10-19
Publication date: 1974-05-02
Also published as: FR2204073B1; JPS4973611A; FR2204073A1; DE2251292B2; DE2251292C3; GB1440089A; US3924166A

Description

PAPST - MOTOREN KG 17.lo.1972

D - 7742 ST. GEORGEN/SCHWARZHALD o55/Rai/HDP/La

Karl-Maier-Straße 1

Anordnung zur Drehzahlregelung eines

kollektorlosen Gleichstrommotors

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommotors, insbesondere eines langsamlaufenden Motors für den Antrieb von Tongeräten,z.B. Plattenspielern, wobei über entsprechende Schaltelemente die in den Spulen des Motors in deren stromlosen Zustand induzierten Spannungen abgenommen werden.

Eine derartige Anordnung ist bekannt aus der Literaturstelle Siemens-Zeitschrift 1966, S. §So-6S3. Der dort dargestellte Motor weist vier um 90° (elektrisch und mechanisch) gegeneinander versetzte Spulen auf_s die· zur Erzeugung eines Drehfelds für einen zweipoligen Permanentrnagnetrotor dienen, welch letzterer in diesen Spulen in deren stromlosen Zustand Spannungen induziert. Diese Spannungen werden mittels einer Vierphasen-Einweggleichrichterschaitung gleichgerichtet und ergeben eine Gleichspannung mit einer überlagerten Helligkeit. Bei dem beschriebenen Motor beträgt die Frequenz dieser Welligkeit z.B. 200 Hz bei 3000 U/min. Die Siebung macht bei einer solchen Frequenz keine Schwierigkeit, so daß mit der angegebenen Gleichrichterschaltung und der von ihr abgegebenen Spannung eine Regelung gut möglich ist, denn wie in der Literaturstelle angegeben benötigt man nur kleine Glättungszeitkonstanten und erhält daher bei Drehzahlen der angegebenen Größenordnung eine gute Regeldynamik.

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Anders liegen die Verhältnisse, wenn man den Versuch macht, eine solche Schaltung auch bei niederen Drehzahlen zu verwenden. Zum Direktantrieb eines Plattenspielers - ein solcher Direktantrieb wäre aus mancherlei Gründen in Geräten der HiFi-Klasse (DIN 45500) sehr erwünscht - benötigt man z.B. eine kleinste Drehzahl von 33 1/3 U/min, was bei dem oben angegebenen Motor einer Frequenz der Welligkeit von etwa 2,2 Hz,(d.h. 2,2 Hz pro Polpaar)entsprient, und zwar bei einer sehr niedrigen induzierten Spannung, da man aus Gründen der Hochlaufzeit gezwungen ist, die Windungszahl der einzelnen Spulen niedrig zu halten.

In einem solchen Fall wird es aber praktisch unmöglich, die Welligkeit so weit zu glätten, daß sie den Regler nicht mehr beeinflußt, da zu hohe Glattungszeitkonstanten die Eigenschaften des Regelkreises so weit verschlechtern würden ( z.B. Gefahr des Überschwingens), daß eine Hi-Fi-Tonqualität nicht mehr zu erzielen wäre.

Wenn aber dem Regler eine beträchtliche Restwel1igkeit zugeführt wird, hat dies zur Folge, daß dem Regler selbst dann wenn der Motor mit absolut konstanter Drehzahl betrieben würde, vorgetäuscht würde, daß Drehzahl Schwankungen mit der Frequenz dieser Welligkeit vorliegen. Dies hat zur Folge,daß der Regler jeweils beim Tiefstwert der welligen Spannung,nämlich dem vermeintlichen Unterschreiten der Solldrehzahl, den Strom im Motor einschaltet, beim Höchstwert dagegen ausschaltet Man erhält hierdurch eine Vielzahl von kurzen Stromimpulsen, welche zwar dem Motor eine konstante Drehzahl verleihen, welche aber eine ungünstige Phasenlage haben und welche zudem wegen ihrer kurzen Dauer und ihren relativ steilen Flanken jedesmal dem Rotor des Motors sozusagen einen kleinen Stoß

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oder Ruck geben, was sich bei einem Plattenspieler als niederfrequentes Störgeräusch (sogenanntes Rumpelgeräusch) unangenehm bemerkbar macht und bei Geräten der Hi-Fi-Klasse nicht toleriert werden kann.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, dem genannten Nachteil mindestens teilweise zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer eingangs genannten Anordnung dadurch erreicht, daß eine Vorrichtung zur mindestens teilweisen Addition der jeweiligen Augenblickswerte der induzierten Spannung vorgesehen ist, und daß das Ausgangssignal dieser Vorrichtung dem Regler zuführbar ist. Durch eine reine Addition ergibt sich eine günstigere Phasenlage der Wenigkeit, wodurch die Phasenlage der genannten kurzen Impulse wesentlich günstiger wird. Ein solcher Antrieb eignet sich z.B. gut für Tonbandgeräte.

Mit besonderem Vorteil wird die Anordnung so ausgebildet, daß die zum Abnehmen der induzierten Spannungen dienenden Schaltelemente in an sich bekannter Weise in Form eines Mehrphasen-Einweggleichrichters ausgebildet sind, und daß die Vorrichtung zur überlagerung der eine Welligkeit bestimmter, der Motordrehzahl proportionaler Frequenz aufweisenden Ausgangsspannung dieses Mehrphasen-Einweggleichrichters mit einer durch Addition entstandenen gegenphasigen welligen Spannung ausgebildet ist, um eine Oberlagerungsspannung mit einer Welligkeit doppelter Frequenz zu erhalten. Auf diese Weise erhält man eine Spannung mit einer Welligkeit doppelter Frequenz. Zum Ausfiltern dieser Welligkeit genügen Siebmittel mit geringen Zeitkonstanten, wodurch auch die Regeldynamik erheblich verbessert wird. In vorteilhafter Meise bildet man hierbei die Anordnung so aus, daß die zur überlagerung dienende Vorrichtung zur Erzeugung einer Welligkeit mit mindestens nahezu gleichen Amplituden ausgebildet ist.

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Es hat sich nämlich gezeigt, daß es hiermit gelingt, die Amplitude der Welligkeit wesentlich kleiner zu machen, als dies bei der eingangs erwähnten bekannten Schaltung der Fall ist. Auch hierdurch wird die Siebung wesentlich erleichtert und die Regeldynamik weiter verbessert.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung, und

Fig. 2 Schaubilder zur Erläuterung der Wirkungsweise bis H- der

• Anordnung nach Fig. 1

Die Anordnung nach Fig. 1 dient zum drehzahl geregelten Betrieb eines sogenannten, kollektorlosen Gleichstrommotors von der Art, wie sie z.B. in der eingangs genannten Literaturstelle ausführlich beschrieben ist. Für den genannten speziellen Anwendungsfall als Tonmotor eignet sich besonders gut ein Motor mit axialem Luftspalt und hohem Trägheitsmoment, wie er aus der DT-PS 598.788 seinem prinzipiellen Aufbau nach bekannt ist und wie ihn die DOS 21 43 752 der Anmelden"η im einzelnen zeigt.

Der eigentliche Motor M, der einen (nicht dargestellten) permanentmagnetischen Rotor hat, weist vier um jeweils 90° elektrisch gegeneinander versetzte Spulen lo,ll, 12 und 13 sowie zwei um 90°-elektrisch gegeneinander versetzte Hallgeneratoren 14 und

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(oder sonstige äquivalente elektrische Steuerglieder) auf. Zur Spannungsversorgung des Motors dient eine Gleichspannungsquelle, deren Anschlüsse mit 16 (Pluspol) und 17 (Minuspol) bezeichnet 'sind. Alle vier Spulen Io bis 13 sind jeweils mit einem Anschluß an den Minuspol 17 angeschlossen, mit dem anderen Anschluß an den Kollektor eines pnp-Transistors 18 bzw. 19 bzw. 2o bzw. 21, deren Emitter ihrerseits mit dem Kollektor eines pnp-Transistors 24 verbunden sind, dessen Emitter über einen Widerstand 25 an die Plusleitung 16 angeschlossen ist. Die Basen der beiden Transistoren 18 und 19 sind mit den Steuerausgängen des Hallgenerators 14, die Basen der Transistoren 2o und 21 mit den Steuerausgängen des Hallgenerators 15 verbunden. Die einen Stromanschlüsse der Hallgeneratoren 14 und 15 sind über einen gemeinsamen Vorwiderstand 26 mit der Plusleitung 16, die anderen Stromanschlüsse mit den beiden Anschlüssen eines Potentiometers 27 und über dessen Abgriff mit der Minusleitung 17 und Masse verbunden.

Die Transistoren 18 bis 21 dienen in Verbindung mit den Hallgeneratoren 14 und 15 in der üblichen Weise dazu, die vier Spulen Io bis 13 zyklisch einzuschalten und dadurch im Motor ein Drehfeld zu erzeugen, das den permanentmagnetischen Rotor ebenso wie bei einem Synchronmotor mitnimmt. Wenn diese Spulen dabei stromlos sind, induziert der Rotor in ihnen jeweils eine etwa sinusförmige Spannung, und diese Spannungen werden über insgesamt vier Dioden 31, 32, 33, 34 abgenommen. In Reihe mit diesen Dioden liegen einstellbare Widerstände 35 bis 38, deren anderer Anschluß an einem Punkt 41 zusammengeführt ist, welcher über einen einstellbaren Widerstand 42 mit dem Eingang 43 eines Verstärkers 44 verbunden ist, derbei der dargestellten Ausführungsform als Operationsverstärker ausgebildet ist und einen zweiten Eingang 45 aufweist. Eine Sollspannungsquelle 46, z.B. in Form einer Zenerdiodenschaltung, liegt zwischen dem Eingang und der Minusleitung 17.

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Ferner ist eine Konstantstromquelle 47 vorgesehen, welche zwischen der Plusleitung 16 und dem Verstärkereingang 43 liegt und welche bewirkt, daß über den Widerstand 42 ein Konstantstrom fließt, der sich abhängig von den Augenblickswerten der induzierten Spannungen auf die Widerstände 35 bis 38 aufteilt.

In einem Rückkopplungszweig 5o des Verstärkers 44 sind Dämpfungsglieder vorgesehen. Der Ausgang des Verstärkers 44 ist direkt mit der Basis des Transistors 24 und über einen Widerstand 51 mit der Plusleitung 16 verbunden.

Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt:

Es sei zunächst angenommen, daß der Eingang 43 dauerndnegativer ist als der Eingang 45, wie das beim Anlaufen der Fall ist. In diesen Fall läuft der Motor hoch, wobei die Kommutierung des Stromes auf die verschiedenen Wicklungen mit Hilfe der Hallgeneratoren 14 und 15 erfolgt, welche gesteuert vom permanentmagnetischen Rotor des Motors entsprechende Steuerspannungen an die Transistoren 18 bis 21 abgeben, wobei der Transistor 24 dauernd leitend ist, da der Meßverstärker 44 der Basis dieses Transistors ständig einen Strom zuführt.

Zunächst sei nun angenommen, die Widerstände 35 bis 38 hätten jeweils etwa den Wert Null oder allenfalls einen sehr kleinen Wert zum Ausgleich unterschiedlicher Widerstände der Dioden oder Spulen.

In diesem Fall wirkt die Schaltung wie

ein normaler Vierphasen-Einweggleichrichter (die Phasenzahl kann natürlich bei anderen Motorkonstruktionen auch größer, z.B. 6-phasig, oder kleiner, z.B. 3-phasig gewählt werden), an dessen Ausgang eine wellige Gleichspannung entsteht, wie sie in der oberen Reihe von Fig. 2 dargestellt ist. Die Wenigkeit dieser

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Gleichspannung kann bei kleinen Drehzahlen, d.h.niederen Frequenzen, nicht mehr genügend gefiltert werden, da sonst die Regelung sehr langsam und damit schlecht würde. Infolgedessen wird an den in Fig. 2 mit 52 bezeichneten Stellen jeweils über den Verstärker 44 der Transistor 24 eingeschaltet, zwischen den Stellen 52 aber ausgeschaltet, so daß der durch die Hangeneratoren 14 oder 15 gerade leitend gesteuerte Transistor in diesem Zeitraum jeweils nicht nur einmal leitend wird, sondern zweimal, und dazuhin beidesmal zum falschen Zeitpunkt. Dies ist in Fig. 2 durch die Ströme i, bis i₁₃ (vgl. die entsprechenden Angaben in Fig. 1) dargestellt. Wünschenswert wäre dagegen zur Erzeugung eines gleichmäßigen Drehmoments und bei sinusförmiger Magnetisierung des Permanentmagneten des Rotors, daß auch die Ströme i , bis i,., sinusförmig und in Phase mit den induzierten Halbwellen verlaufen.

Als nächstes sei angenommen, die vier Widerstände 35 bis 38 hätten jeweils einen endlichen Wert, z.B. 1,2 K Ohm. ^> Io ... 13 -, έ > "Ufa.

Κ' «35 ...38 '^ZZ -

Um die additive Wirkung der Widerstände R_{35 38} voll zur Wirkung kommen zu lassen, muß I^ einen Mindestwert gemäß eben angegebener Formel haben.

Man erhält dann eine Schaltung, bei der am Verstärker 44 eine Spannung auftritt, welche dem jeweiligen Augenblickswert der Summe der in den Spulen Io bis 13 induzierten und gleichgerichteten Spannungen proportional ist. Bezeichnet man diese Augenblickswerte mit u_lo bis U₁₃, wie das in Fig. 1 dargestellt ist, so ergibt sich also am Verstärkerausgang eine Span nung u_s = m (u_lo + U₁₁ + U₁₂ + ^u ₁₃)· Dabei ist m kleiner als fz.Bf 1/2), kann aber natürlich durch den nachgeschalteten Verstärker auf den Wert 1 oder größer gebracht werden.

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2 ? 5 1 - 9

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Fig. 3 zeigt deshalb in der oberen Reihe einen Fall, bei dem m = 1 ist. Man erkennt, daß die Welligkeit der hierbei erzeugte Summenspannung u_$ eine wesentlich günstigere Phasenlage bezüglich der induzierten Spannungen hat als die Welligkeit im Beispiel nach Fig. 2. Infolgedessen werden hier die Transistoren 18 bis 21 jeweils im richtigen Augenblick eingeschaltet, wie das die untere Reihe von Fig. 3 zeigt. Die Einschaltdauer der einzelnen Transistoren ist jedoch ziemlich kurz, so daß eine Regelung unter Verwendung der reinen Summenspannung u sich dort nicht eignet, wo ein äußerst gleichmäßiges Drehmoment gefordert wird. Werden aber im mechanischen System genügend Dämpfglieder verwendet, z.B. bei einem Tonbandantrieb, so ist diese Ausführung mit reiner Summierschaltung auf jeden Fall der Ausführung überlegen, die im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde.

Eine besonders für niedere Drehzahlen optimale Ausführung ergibt sich dann, wenn sowohl die Widerstände 35 bis 38 wie der Widerstand 42 bestimmte endliche Werte haben. Z.B. können in diesem Fall die Widerstände 35 bis 38 jeweils etwa 400 Ohm und der Widerstand 42 etwa 800 Ohm haben.

Man erhält dann, wie in Fig. 4 dargestellt, eine überlagerung der Effekte nach den Fig. 2 und 3, und zwar eine negative Gleichspannung Up mit einer Welligkeit, deren Frequenz gegenüber der Welligkeit nach den beiden vorhergehenden Fällen verdoppelt ist, wobei sich durch die Einstellung des Verhältnisses von Widerstand 42 zu den Widerständen 35 bis 38 die Möglichkeit ergibt, dieser Welligkeit wie dargestellt eine ungefähr konstante Amplitude zu geben, so daß die Siebung aus zwei Gründen entscheidend erleichtert wird:

a) Weil die auszusiebende Frequenz doppelt so groß ist wie bisher (bei gleicher Motordrehzahl).

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b) Weil die auszusiebende Amplitude zudem kleiner geworden ist.

Mit einer solchen gesiebten Spannung u_Q kann man dann auch den gewünschten etwa sinusförmigen Stromverlauf in den einzelnen Spulen des Motors erzielen, so daß es möglich wird, selbst bei so niedrigen. Drehzahlen wie 33 1/3 U/min Plattenteller direkt anzutreiben, und zwar, mit HiFi-Qualitat und äußerst konstanter Drehzahl .

Es ist noch darauf hinzuweisen, daß bei einer Drehzahlumschaltung, wie sie bei Plattenspielern üblich ist, also einer Änderung der Spannung der Spannungsquelle 46, das Verhältnis von Widerstand 42 zu den Widerständen 35 bis 38 ebenfalls umzuschalten ist, falls optimale Ergebnisse angestrebt werden.

Zur Spannungs- Und Temperaturkompensation können in üblicher Weise Kompensationsschaltungen vorgesehen werden; durch die Verwendung eines Operationsverstärkers ergibt sich eine gleichmäßige Temperaturänderung bei allen kritischen Schaltelementen und daher ein rasches Einschwingen auf einen konstanten Betriebszustand nach dem Einschalten.

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Claims

r/5¹ / 92

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Patentansprüche

Anordnung zur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommotors, insbesondere eines langsamlaufenden Motors für den Antrieb von Tongeräten, z.B. Plattenspielern, wobei über entsprechende Schaltelemente die in den Spulen des Motors in deren stromlosen Zustand induzierten Spannungen abgenommen werden, da durch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur mindestens teilweisen Additon der jeweiligen Augenblickswerte der gleichgerichteten, induzierten Spannungen vorgesehen ist, und daß das Ausgangssignal dieser Vorrichtung dern Regler zuführbar ist.

Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Abnehmen der induzierten Spannungen dienenden Schaltelemente in an sich bekannter Weise in Form eines Mehrphasen-Einweggleichrichters ausgebildet sind, und daß die Vorrichtung zur Oberlagerung der eine Welligkeit bestimmter, der Motordrehzahl proportionaler Frequenz aufweisenden Ausgangsspannung dieses Mehrphasen-Einweggleichrichters mit einer durch Addition entstandenen gegenphasigen welligen Spannung ausgebildet ist, um eine Überlagerungsspannung mit einer Welligkeit doppelter Frequenz zu erhalten.

Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur überlagerung dienende Vorrichtung zur Erzeugung einer

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Wenigkeit mit mindestens nahezu gleichen Amplituden ausgebildet i s t. '

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet» daß die einzelnen Dioden des Mehrphasen-Einweggleichrichters mit Widerständen in Reihe geschaltet sind, und daß der Ausgang dieses Mehrphasen-Einweggleichrichters seinerseits über einen Widerstand mit einem Eingang der als Additionsverstärker ausgebildeten Vorrichtung verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil'der Widerstände einstellbar ausgebildet ist.

.6. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Vorrichtung einem Regel verstärker zuführbar ist, und daß dieser Regel verstärker in seinem Rückkopplungszweig Dämpfungsglieder aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von thermischen Einschwingvorgängen der Regel verstärker als Operationsverstärker ausgebildet ist.

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