DE2251292C3

DE2251292C3 - Anordnung zur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2251292C3
Application number: DE2251292A
Authority: DE
Inventors: Benno 7742 St Georgen 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: 1984-03-29
Also published as: DE2251292A1; US3924166A; DE2251292B2; JPS4973611A; FR2204073B1; FR2204073A1; GB1440089A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommotors, insbesondere eines langsamlaufenden Motors für den Antrieb eines Tonwidergabegerätes gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Eine Anordnung dieser Art ist aus der ETZ B, Heft 10/1971, Seite 238, bekannt. Diese Anordnung weist Widerstände zur Symmetrierung der Phasen auf.

Ähnliche Anordnungen, allerdings ohne Symmetrierungswiderstände, sind z. B. aus der Siemens-Zeitschrift 1966, S. 690-693, der DE-AS 12 38 998 und 12 51 847 oder aus der ATM Z 562-1 bekannt Der in der Siemens-Zeitschrift dargestellte Motor weist vier elektrisch und mechanisch um 90" gegeneinander versetzte Spulen auf, die zur Erzeugung eines Drehfelds für einen zweipoligen Perrnanentmagnetrotor dienen. Die iii diesen Spulen in deren stromlosem Zustand induzierten .spannungen werden mittels einer Vierphasen-Einweggleichrichterschaltung gleichgerichtet und ergeben eine der Istdrehzal proportionale Gleichspannung mit einer überlagerten Welligkeit von 200 Hz bei 3000 U/min. Die Siebung bereitet bei einer solchen Frequenz keine Schwierigkeit, denn man benötigt nur kleine Glättungszeitkonstanten und erhält daher bei Drehzahlen der angegebenen Größenordnung eine gute Drehzahlregeldynamik.

Anders liegen die Verhältnisse, wenn man eine solche Schaltungsanordnung auch bei niedrigen Drehzahlen verwenden will. Zum Direktantrieb eines Plattenspielers — ein solcher Direktantrieb ist aus mancherlei Gründen in Geräten der HiFi-Klasse (DIN 45 500) sehr erwünscht — benötigt man z. B. eine kleinste Drehzahl von 33'/3 U/min, was bei dem zuvor angegebenen Motor einer Frequenz der Welligkeit von etwa 2^ Hz pro Polpaar entspricht, und zwar bei einer sehr niedrigen induzierten Spanm^ig, da man aus Gründen der Hochlaufzeit gezwungen ist, die Windungszahl der einzelnen Spulen klein zu halten. Selbst wenn man z. B. einen achtpoligen Motor verwenden würde, hätte die Welligkeit der induzierten Spannung bei einer Drehzahl von 33'/3 U/min erst eine Frequenz von etwa 8,9 Hz.

In einem solchen Fall wäre es aber praktisch kaum möglich, die Welligkeit am Ausgang des Mehrphasengleichrichters so weit zu glätten, daß sie den Regler nicht mehr beeinflußt, da zu hohe Glättungszeitkonstanten die Eigenschaften des Regelkreises, z. B. durch die Gefahr des Überschwingens, so weit verschlechtern würden, daß eine HiFi-Tonaualitäi nicht mehr zu erzielenwäre.

Wenn aber dem Regler eine Estwertspannung beträchtlicher Restwelligkeit zugeführt wird, hat dies zur Folge, daß dem Regler selbst dann, wenn der Motor mit absolut konstanter Drehzahl betrieben wird, vorgetäuscht würde, daß Drehzahlschwankungen 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, üen 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 ihrer relativ steilen .Flanken jedesmal dem Rotor des Motors sozusagen einen kleinen Stoß oder Ruck geben, was sich bei einem Plattenspieler als niederfrequentes Störgeräusch (sogenanntes Rumpelgeräusch) unangenehm bemerkbar macht und bei Geräten der HiFi-Klasse nicht toleriert werden kann.

Aus der DE-OS 14 88 677 ist ein kollektorlcser Gleichstrommotor bekannt, dessen Wicklungen so geschaltet sind, daß die der angelegten Gleichspannung entgegenwirkende Gegen-EMK, die in jedem Augenblick durch die Summe der Spannungen von zwei in Reihe geschalteten Wicklungen gebildet wird, nie gleich Null wird. Diese Summenspannung, welche an sich eine für Regelzwcckc günstige Phasenlage hätte, ist bei dem

bekannten Motor nicht für eine Regelung verfügbar, da sie je nach der Stellung des Rotors abwechselnd zwischen insgesamt vier verschiedenen Punkten des Motors auftritt

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, bei der eingangs genannten Anordnung die Phasenlage der Welligkeit der Ausgangsspannung des Mehrphasen-Einweggleichrichters im Hinblick auf bessere Qualität der Regelung bei höheren Drehzahlen zu verbessern oder deren Frequenz zu erhöhen, um den Anwendungsbereich der Anordnung in Richtung auf niedere Drehzahlen zu evweitern.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Anordnung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Mittel erreicht. Durch die Addition ergibt sich eine günstigere Phasenlage der Welligkeit des Ausgangssignals, nämlich eine zur Welligkeit der in den Spulen induzierten und anschließend gleichgerichteten etwa gegenphasige. Hierdurch wird auch die Phasenlage der Stromimpulse wesentlich günstiger. Eine solche Anordnung eignet sich z. B. gut für Tonbandgeräte.

Eine Weiterbildung ist im Kennzeichen des Anspruchs 2 angegeben. Dabei erhält man ein Ausgangssignal, das über einem Teil der zeitlichen Periode im weseitlichen durch die Ausgangsspannung des Mehrphasen-Einweggleichrichters und während eines anderen Teils der zeitlichen Periode im wesentlichen aus Addition der gleichgerichteten induzierten Spannungen so gebildet ist, daß die Grundwelle des Ausgangssignals die doppelte Frequenz aufweist, also bei dem obengenannten Beispiel eines 8poligen Motors mit 33V3 U/min, statt etwa 83 Hz jetzt etwa 17,8 Hz. Für den unterschiedlichen Verlauf des Ausgangssignals gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 ist bei einer gegebenen Konstantstromquelle jeweils die Wahl des Verhältnisses des Wertes der ersten Widerstände 35 bis 38 zum Wert des zweiten Widerstandes 42 maßgebend. Zum Ausfiltern dieser höherfrequenten Welligkeit genügen Siebmittel mit relativ kLinen Glättungszeitkonstanten, wodurch auch die Regeldynamik erheblich verbessert wird. Eine besonders vorteilhafte Anordnung ergibt sich dabei dadurch, daß die Widerstände 35 bis 38, 42 der Addierschaltung so abgestimmt sind, daß die Einzelwellen des Ausgangssignals untereinander gleiche Amplituden haben. Es hat sich nämikh gezeigt, daE man durch diese Maßnahme eine Überlagerungsspannung (Ausgangssignal) mit einer Welligkeit erhält, deren Amplitude wesentlich kleiner ist als die Amplitude der ausgekoppelten Spannung (Ausgangss^annung) bei einer Schaltung nach einer der beiden eingangs genannten Literaturstellen. Sowohl die Verdoppelung der Frequenz wie. die Verkleinerung der Amplitude erweitern den Drehzahlbereich, bei dem noch eine gute Drehzahlregelung möglich ist, in Richtung auf niedrigere Drehzahlen. Wenn diese Maßnahmen andererseits bei relativ hohen Drehzahlen angewendet werden, erhöhen sie die Qualität der Regelung, da der Aufwand an Siebmitteln wesentlich verringert werden kann und dadurch die Regeldynamik besser wird.

Weitere Einzelheiten und in den Unteränsprüehen gekennzeichnete vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel. Darin zeigt

Fig. 1 das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung und

Fig. 2 bis 4 Schaubilder zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 1.

F i g. 1 zeigt eine Anordnung zur Drehzahlregelung eines mit M Dezeichneten, nur schematisch dargestellten kollektorlosen Gleichstrommotors von der Art, wie sie in den beiden eingangs genannten Literaturstellen ausführlich beschrieben ist. Als Antriebsmotor für ein Tonwiedergabegerät eignet sich besonders gut ein solcher Motor mit axialem Luftspalt und großem axialem Trägheitsmoment. Der Motor M hat vier jeweils um 90° elektrisch gegeneinander versetzte Spulen 10,11,12,13 sowie zwei um 90° elektrisch gegeneinander versetzte Hallgeneratoren 14 und 15.

Zur Vermeidung von Mißverständnissen sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die Anordnung nach F i g. 1 je nach Bemessung ihrer Schaltelemente in unterschiedlicher Weise arbeitet, wie das in den Erläuterungen zu den F i g. 2 bis 4 dargelegt wird.

Zur Spannungsversorgung des Motors M dient eine Gleichspannungsquelle, deren Pluspol mit 16 und deren Minuspol mit 17 bezeichnet ist. Alle v^:-~r Spulen 10 bis 13 sind jeweils mit einem Ende an den Minuspol 17 und mit dem anderen Ende an den Kollektor eines pnp-Transistors 18, 19, 20 oder 21 angeschlossen, deren Emitter mit dem Kollektor eines pnp-Transistors 24 verbunden sind. Dessen Emitter ist über einen Widerstand 25 an den Pluspol 16 angeschlossen. Die Basen der beiden Transistoren 18 und 19 sind mit den Steuerausgängen des Hallgenerators 14, die Basen der Transistoren 20 und 21 mit den Steuerausgängcn des Hallgenerators 15 verbunden. Die einen Stromanschlüsse der Hallgeneratoren 14 und 15 sind über einen gemeinsamen Vorwiderstand 26 mit dem Pluspol 16, die anderen Stromanschlüsse mit den beiden Anschlüssen eines Potentiometers 27 und über dessen Abgriff mit dem Minuspol 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 10 bis 13 zyklisch nacheinander ein- und auszuschalten und dadurch im Motor ein Drehfeld zu erzeugen, das den permanentmagnetischen Rotor ebenso wie bei einem Synchronmotor antreibt. Wenn diese Spulen stromlos sind, induziert der Rotor in ihnen jeweils eine etwa sinusförmige Spannung, und diese Spannungen werden über einen aus insgesamt vier Dioden 31 bis 34 bestehenden Mehrphjisen-Einweggleichrichter abgenommen. In Reihe mit diesen Dioden liegen erste einstellbare ohmsche Widerstände 35 bis 38, deren anderer Anschluß an einem Punkt 41 zusammengeführt ist, welcher über einen zweiten einstellbaren ohmschen Widerstand 42 mit dem ersten Eingang 43 eines Verstärkers 44 verbunden ist, der bei der dargestellten Ausführungsform als Operationsverstärker ausgebildet ist und einen zweiten Eingang 45 aufweist. Eine Veigleichsspannungsquelle 46, z. B. in Form einer Ze· nerdiodenschaltung, liegt zwischen dem zweiten Eingang 45 und dem Minuspol 17.

Ferner ist eine Konstantstromquelle 47 vorgesehen, welche zwischen dem Pluspol 16 und dem ersten Eingang 43 des Verstä-kers 44 liegt und welche bewirkt, daß über den zweiten ohmschen Widerstand 42 ein Konstantstrom fließt, der sich abhängig von den Ausgenblickswerten der induzierten Spannungen auf die ersten ohmschen Widerstände 35 bis 38 aufteilt.

Im Rückkopplungszweig des Verstärkers 44 sind Dämpfungsglieder 5Γ vorgesehen. Der Ausgang des Verstärkers 44 ist direkt mit der Basis des Transistors 24 und über einen Widerstand 51 mit dem Pluspol 16 verbunden.

Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Es sei zunächst angenommen, daß das Potential des ersten Eingangs 43 des Verstärkers 44 dauernd negativer ist als das des zweiten Eingangs 45. In diesem Fall läuft der Motor hoch, wobei die Kommutierung des Stromes auf die verschiedenen Wicklungen IO bis 13 mit Hilfe der Hallgeneratoren 14 und 15 erfolgt, welche, gesteuert vom permanentmagnetischen Rotor des Motors, entsprechende Steuerspannungen an die Transistoren 18 bis 21 abgeben. Der Transistor 24 ist dabei dauernd leitend, da der Verstärker 44 der Basis dieses Transistors ständig einen Strom zuführt.

Es sei nun weiter angenommen, die ersten ohmschen Widerstände 35 bis 38 hätten jeweils etwa den Wert Null oder allenfalls einen sehr kleinen Wert zum Ausgleich unterschiedlicher Widerstände der Dioden 31 bis 34 oder der Spulen 10 bis 13 in bekannter Weise. In diesem Fall wirkt die Schaltungsanordnung wie der Vierphasen-EinweRgleichrichter der bekannten Anordnungen. Die Phasenzahl kann natürlich bei anderen Motorkonstruktionen auch größer, z. B. sechsphasig oder Kleiner, z. B. dreiphasig, gewählt werden, an dessen Ausgang eine wellige Gleichspannung entsteht, wie sie in der oberen Reihe von F i g. 2 dargestellt ist. Die Welligkeit dieser Gleichspannung kann bei kleinen Drehzahlen, d. h. niedrigen Frequenzen, nicht mehr genügend gefiltert werden, da sonst die Regelung sehr langsam und damit schlecht würde. Infolgedessen würde an den in F i g. 2 mit 52 bezeichneten Stellen jeweils über den Verstärker 44 der Transistor 24 eingeschaltet, zwischen den Stellen 52 aber ausgeschaltet werden, so daß der durch die Hallgeneratoren 14 oder 15 gerade leitend gesteuerte Transistor in diesem Zeitraum jeweils nicht nur einmal, sondern zweimal und noch dazu beidesmal zum falschen Zeitpunkt leitend wäre. Dies ist in F i g. 2 durch die S'röme im bis Z₁ j dargestellt. Wünschenswert wäre dagegen zur Erzeugung eines gleichmäßigen Drehmoments und bei sinusförmiger Magnetisierung des Permanentmagneten des Rotors, daß auch die Ströme /Ίο bis /n sinusförmig und in Phase mit den induzierten Halbwellen verlaufen.

Nun sei angenommen, daß die vier ersten Widerstände 35 bis 38 jeweils einen größeren Wert, z. B. \2 kOhm, haben. Der Konstantstrom Ik der Konstantstromquelle 47 sei

Λ δ

U₁₀ ... U₁₃

Fi₃₅ ..

. R

38

z.B.

"12

Um die additive Wirkung der Widerstände Λ35 bis Ryg voll zur Wirkung kommen zu lassen, muß der Konstantstrom Ik einen Mindestwert gemäß dieser Formel haben.

Am Verstärker 44 tritt dann eine Spannung auf, welche dem jeweifigen Augenblickswert der Summe der in den Spulen 10 bis 13 induzierten und gleichgerichteten Spannungen proportional isL Bezeichnet man diese Augenblickswerte mit f/m bis Uu. so ergibt sich also am Verstärkereingang eine aus der Summe von U\o+ Uw + U\2+ Ungebildete Spannung Us-

F i g. 3 zeigt deshalb in der oberen Reihe diese Spannung Us- Man erkennt, daß die Welligkeit der erzeugten Summenspannung U, eine wesentlich günstigere Phasenlage bezüglich der induzierten Spannungen hat als die Welligkeit im Beispiel nach Fig.2. Infolgedessen werden die Transistoren 18 bis 21 dann 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 Dämpfungsglieder 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 beschriebein wurde.

Eine besonders für niedrige Drehzahlen vorteilhafte erfindungsgemäße Anordnung ergibt sich dann, wenn sowohl die ersten ohmschen Widerstände 35 bis 38 wie der zweite ohmsche Widerstand 42 bestimmte endliche Werte haben. Zum Beispiel können in diesem Fall die ersten Widerstände 35 bis 38 jeweils etwa 400 Ohm und der zweite Widerstand 42 etwa 800 Ohm haben.

Man erhält bei einer solchen Anordnung dann, wie in Fig. 4 dargestellt, eine Überlagerung der Effekte nach den F i g. 2 und 3. und zwar eine Gleichspannung (Ausgangssignal) i/o mit einer Welligkeit, deren Frequenz gegenüber der Welligkeit nach den beiden vorhergehenden Fällen verdoppelt ist. wobei sich durch zweckmäßige Wahl des Widerstandsverhältnisses des zweiten Widerstands 42 zu den ersten 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: Erstens weil die auszusiebende Frequenz doppelt so groß ist wie bisher (bei gleicher Motordrehzahl) und zweitens weil die auszusiebende Amplitude zudem kleiner geworden ist.

Mit einer solchen gesiebten Spannung uo 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 33V3 U/min einen Plattenteller direkt anzutreiben, und zwar mit äußerst konstanter Drehzahl für HiFi-Qualität.

Es ist noch darauf hinzuweisen, daß bei einer Drehzahlumschaltung, wie sie bei Plattenspielern üb!^;~h ist, z. B. durch Änderung der Spannung der Vergleichsspannungsquelle 46. das Widerstandsverhältnis des zweiten Widerstands 42 zu den ersten Widerständen 35 bis 38 ebenfalls zweckentsprechend geändert werden muß, falls optimale Ergebnisse angestrebt werden.

Zur Spannungs- und Temperaturkompensation können in üblicher Weise Kompensationsschaltungen vorgesehen werden. Die Verwendung eines Operationsverstärkers als Verstärker 44 ergibt ein rasches Einschwingen auf einen konstanten Betriebszustand nach dem Einschalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommotors, insbesondere eines langsamlaufeaden Motors für den Antrieb eines Tonwiedergabegerätes, bei dem über einen Dioden aufweisenden Mehrphasen-Einweggleichrichter die in den Spulen des Motors in deren antriebsstromlosem Zustand induzierten Spannungen abgenommen und zur Drehzahl-Istwertbildung benutzt sind und wobei mit den einzelnen Dioden in Rahe geschaltete, im wesentlichen einander gleiche erste ohmsche Widerstände und ein mit dem Ausgang des Mehrphasen-Einweggleichrichters verbundener zweiter ohmscher Widerstand angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Widerstände (35 bis 38,42) zusammen mit einer Konstantstromquelle (47) eine Addierschaltung bilden, bei der der Strom (1) der Koastantstromquelle (47) über den zweiten ohmschen Widerstand (42) den ersten ohmschen Widerständen (35 bis 38) zugeführt ist und bei der der Ausgangsstrom der Konstantstromquelle (47) mindestens gleich groß ist wie der in einer Spule (10 bis 13) in deren antriebsstromlosem Zustand jeweils induzierte Spannungswert, geteilt durch den Widerstandswert der zugeordneten Reihenschaltung von Diode (31 bis 34) und dem ersten ohmschen Widerstand (35 bis 38), wobei die ersten Widerstände (35 bis 38) so eingestellt sind, daß das Ausgangssignal der Addierr.<?haltung Ud) sich aus 'der Summe der Augenblickswerte (Us) der gleichgerichteten induzierten Spannungen zusammensetzt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Wahl des Verhältnisses des Wertes der ersten Widerstände (35 bis 38) zum Wert des zweiten Widerstandes (42) derart, daß das Ausgangssignal (Ud) der Addierschaltung eine Grundwelle von doppelter Frequenz aufweist ( F i g. 4).

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (35 bis 38, 42) der Addierschaltung so eingestellt sind, daß die Einzelwellen des Ausgangssignals (Ud) untereinander etwa gleiche Amplituden haben.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (42) mit dem Eingang (43) eines Verstärkers (44) verbunden ist, dessen zweiter Eingang (45) an eine Vergleichsspannungsquelle (46) angeschlossen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (44) ein Operatipsnverstärker ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (44) in seinem Rückkopplungszweig Dämpfungsglieder (50) aufweist.