DE2349924A1

DE2349924A1 - Schaltungsanordnung zur steuerung eines elektromotors

Info

Publication number: DE2349924A1
Application number: DE19732349924
Authority: DE
Inventors: John Joseph Allard
Original assignee: AMF Inc
Current assignee: Paragon Electric Co Inc
Priority date: 1973-04-10
Filing date: 1973-10-04
Publication date: 1974-10-17
Also published as: GB1387534A; FR2225866B1; IT1000065B; CA989936A; FR2225866A1; DE2349924C2; US3801887A; AU5999073A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R Weickmann, 234992Λ

Dipl.-Ing. EWeickmann, Dipl.-Phys. Dr. K.Fincke Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH S60 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

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Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Elektromotors

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines drehzahlveränderlichen Elektromotors mit einer von einem Umgebungsparameter linear abhängigen Drehzahl. Im engeren Sinne betrifft die Erfindung eine Steuerschaltung mit einer Widerstandsanordnung, die mit einer Änderung des Umgebungsparameters eine logarithmische Änderung erfährt, und mit einer Anordnung zur derartigen Abwandlung dieser Änderung, daß eine lineare Änderung der Motordrehzahl abhängig von einer Änderung des Umgebungsparameters entsteht.

Es sind bereits unterschiedliche Steuerschaltungen zur Einstellung der Arbeitszyklen physikalischer oder chemischer Vorgänge bekannt* Diese Steuerungen enthalten allgemein Zeitgebermotore₅ also Synchronmotore₉ die mit" einer .vorbestimmten und praktisch konstanten Drehzahl betrieben werdeno Solche vorbestimmten Drehzahlwerte sind jedoch oft nichi; erwünscht und müssen geändert werden, wenn sich die Umgebungseinflüsse des Yerfahrensablaufs änderiu U 9 8 4 2 / y i. © h

Deshalb ist es oft erforderlich, die Drehzahl der Zeit— steuermotore als eine Funktion von Änderungen der Umgebungsbedingungen zu ändern.

Vorzugsweise soll die änderung der Drehzahl eines Zeitsteuermotors sich linear mit der Änderung der Umgebungseinflüsse ändern! Dies kann leicht erreicht iirerden, wenn ein Sensor mit linearem Widerstand zur Verfügung steht. Es kann dann ein normaler Oszillator eingesetzt werden, dessen Frequenz sich abhängig von einer RC-Schaltung ändert, die den Sensor mit linearem Widerstand enthält. Der Oszillator kann somit den Zeitsteuermotor mit einer Drehzahl steuern, die sich linear mit einer Änderung des Sen— sorwiderstandes ändert.

Es ist jedoch oft der Fall, daß der Widerstand eines Sensors sich nicht linear mit einer Änderung des ausgewerteten Parameters ändert. Der Widerstand eines Sensors ändert sich in vielen Fällen logarithmisch mit einer Änderung des ihn · beeinflußenden Parameters. Deshalb kann ein normaler Oszillator dann nicht eingesetzt werden, um eine Drehzahländerung als lineare Funktion einer Änderung des Umgebungsparameters zu erzeugen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung für einen Synchronmotor anzugeben, die eine lineare Abhängigkeit der Drehzahl von einem ausgewerteten Umgebungsparameter erzeugt. Ferner soll eine solche Schaltungsanordnung zur Steuerung des Arbeitszyklus eines Verfahrens oder einer Einrichtung abhängig von Änderungen eines Umgebungsparameters eingesetzt werden können»

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genanntes Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß gekennzeichnet

durch eine Vorrichtung zur Aufnahme des Umgebungsparameters und Erzeugung eines mit ihm logarithmisch sich ändernden Signals, durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines über der Zeit exponentiell sich ändernden Signals und durch eine Anordnung zur Steuerung des Frequenz eines mit dem Elektromotor verbundenen und dessen Drehzahl steuernden ' Oszillators entsprechend einer Kombination des logarithmisch und des exponentiell sich ändernden Signals.

Es ist also ein Oszillator zur Steuerung eines Synchronmotors vorgesehen, so daß dessen Drehzahl durch die !frequenz des Oszillators bestimmt wird» Diese wird durch eine Änderung des Umgebungsparamters wie z.B. Druck, Temperatur oder Luftfeuchte durch einen Sensor gesteuert, dessen Widerstand sich mit dem jeweiligen Parameter nicht linear ändert. Die Frequenz des Oszillators wird ferner entsprechend einer zusätzlichen Exponentialfunktion gesteuert, die der nicht linearen Funktion so angepaßt ist, daß sich eine lineare Frequenzänderung bei einer Änderung des Umgebungsparameters ergibt. Die Drehzahl des Synchronmotors kann somit linear abhängig von dem auszuwertenden Umgebungsparameter geändert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figur beschrieben.

In der Figur ist eine Steuerschaltung VSD zur Drehzahlregulierung eines Wechselstrom-Hysteresemotors VSM dargestellt. Dieser kann eine Last mit vorbestimmter Geschwindigkeit antreiben. Die Last kann ein Zeitgeber zur Steuerung des Arbeitszyklus eines Verfahrens sein* Die Funktion der Steuerschaltung VSD besteht darin, die Drehzahl des Motors VSM in linearer Abhängigkeit von Änderungen der

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relativen Luftfeuchte zu regulieren, die durch einen Luftfeuchtesensor HS festgestellt wird.

Eine Vorspannung wird für die Steuerschaltung VSD über eine Wechselstromversorgung mit Leitungen ÄC1 und AG2 sowie einen Transformator T1 erzeugt. Der Transformator T1 ist für die Funktion der Schaltung uniiesentlich, er dient zur Herabsetzung der Speisespannung derart, daß die noch zu beschreibenden Transistoren Qj und Q4- handelsübliche Niederspannungstransistoren sein können« Eine elektrische Symmetrierung kann somit ohne leistungsstarke Widerstände durchgeführt werden.

Dioden CR1, CR2, GSJ und CR4 sowie ein Siebkondensator C4-dienen zur Umwandlung des Wechselstroms in Gleichstrom, so daß der Motor VSM durch eine Gleichspannung gespeist wird. Dioden CR1 und CR2 sind mit der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Transformators T1 verbunden.

Die Dioden CR3 und OBM- dienen zur wechselstrommaßigen Entkopplung des Widerstandes des Luftfeuchtesensors HS, da viele derartige Sensoren Gleichströmen nicht ohne Jinderung ihrer Eichung ausgesetzt werden können.

Der Motor VSM ist mit einer bifilaren Wicklung B1 versehen, die aus zwei zueinander parallelen Zweigen besteht, die jeweils die halbe Windungszahl der Wicklung B1 haben und zum Antrieb des Motors VSM dienen. Die Gleichstromleistung wird der Wicklung Bi über die Leitung DQ1 zugeführt. Die zueinander parallelen Zweige der Wicklung B1 sind mit den Kollektoren der Transistoren Q3 und Q4 verbunden.

Die Transistoren Q3 und Q4 sind so geschaltet, daß sie abwechselnd leitend werden. Sie bilden eine bistabile Multi-

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vibratorsehaltung üblicher Art, bei der der Kollektor des Transistors Q3 mit der Basis des Transistors Q4 über einen Widerstand R5 und der Kollektor des Transistors Q4· mit der Basis des Transistors Q3 über einen Widerstand R4- verbunden ist. Die Emitter der Transistoren Q3 und QH- sind über eine gemeinsame Verbindung an die Leitung DC2 angeschaltet.

Da die Wicklung B1 in den Kollektorstromkreisen der Transistoren Q3 und Q4 eine Induktivität darstellt, arbeitet die Multivibratorschaltung freischwingend als ein RL-MuI-tivibrator und treibt den Motor VSM. Der Multivibrator kann getriggert werden* indem vorübergehend beide Basiselektroden der Transistoren Q3 und Q4· über Dioden CR7 und CR8 und einen Pufferverstärker in Form'eines Transistors Q2 mit den Emittern verbunden werden. Dies erfolgt durch einen Triggerimpuls eines Unijunktion-Transistors Qi, der den Transistor Q2 periodisch.in noch zu beschreibender Weise leitend steuert.

Der Multivibrator arbeitet freischwingend entsprechend einer Punktion der Gegen-EMK der Transformatorwirkung der Motorwicklung B1. Diese Transformatorwirkung erlaubt nur einen allmählichen Anstieg des MotorwicklungsStroms, verglichen mit der scheinbaren Impedanz der Wicklung selbst.

Die Transformatorwirkung der Wicklung ΒΊ stellt einen Speicher für den Multivibrator dar, so daß dieser jeweils eine Information darüber enthält, welcher der Transistoren QJ und φ- leitend und welcher gesperrt war. Während der Motor«» strom durch einen Teil der Wicklung B1 fließt_$ wirkt dieser als eine Primärwicklung_s während der andere Zweig als Sekunaäm-iicklung wirkte Die Sekundärwicklung liefert einen exponentiellen Basisstrom an den jeweils leitenden Transistor. Während des letzten Teils dieses expoaentiellea Stromimpuls

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ses bewirkt der abfallende Wert di/dt eine Steuerung des leitenden Transistors aus der Sättigung heraus in Richtung des gesperrten Zustandes. Der Kollektorstrom des leitenden Transistors ändert sich durch die Motorinduktivität langsamer. Der Motorstrom wird dann von dem Kollektor des leitenden Transistors zur Basis des gesperrten Transistors abgeleitet, so daß dieser Transistor leitend wird. Es entsteht ein regenerativer Effekt, durch den der vorher leitende Transistor gesperrt und der vorher gesperrte Transistor leitend wird.

Der Multivibrator mit den Transistoren Q3 und Q4- kann synchron durch Impulse gesteuert werden, die über den Transistor Q2 mittels eines Uniounktion-Transistoroszillators Q1 zugeführt werden, dessen Kathode mit der Basis des Transistors Q2 verbunden ist. Die Impulse werden durch den Unijunktion-Transistor Q1 mit einer Geschwindigkeit geliefert, die sich linear mit Liderungen der Luft feuchte ändert, welche durch den Sensor HS ausgewertet wird.

Um die Drehzahl des Motors VSM linear mit einer Luftfeuchteänderung regeln zu können, wird bei der Erfindung eine Kurvenoder Ihinktionsanpassung ausgenutzt, durch die mehr als ein Parameter die Frequenz des Unijunktion-Transistoroszillators Qi steuert.

Es ist ein programmierbarer Uni^unktion-Transistor Q1 vorgesehen, der zündet und den Transistor Q2 leitend steuert, wenn die Anodenspannung A größer als die Gate-Spannung G ist. Die Gate-Spannung G ist durch die Spannung am Kondensator Oi bestimmt, der zwischen einen Strombegrenzungsivi— derstasd R9 an der Gate-Elektrode G und die Leitung DC2 geschaltet ist. Die Spannung am Kondensator C1 bestimmt sich gemäß dem ohm'sehen Gesetz als eine Punktion des Sen—

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sorwiderstandes HS sowie der Widerstände RR, RP und RPP. Der Sensorwiderstand ändert sich, logarithmisch mit einer Änderung der relativen Luftfeuchte. Deshalb ändert sich die Spannung am Kondensator C1 nicht linear mit einer Änderung der relativen Luftfeuchte, bestimmt durch diese beiden nicht linearen Parameter.

Eine RC-Zeitkonstantenschaltung mit Widerständen R1, R8 und einem Kondensator C2 liefert an die Anode des Unijjunktion-Transistors Q1 eine Spannung, die sich exponentiell mit der Zeit ändert. Der Kondensator 02 ist zwischen die Anode A und die Leitung DC2 geschaltet, die Widerstände RI und R8 sind in Reihe zwischen die Leitung DG1 und die Anode A geschaltet. Der Widerstand R8 ist einstellbar, mit ihm kann wahlweise die Zeitkonstante der RC-Schaltung eingestellt werden·

Die Frequenz des Oszillators Q1 bestimmt sich durch die relativen Spannungen an der Gate-Elektrode G und der Anode A, Da die Spannung an der Gate-Elektrode die Zündspannung der Anode bestimmt, ändert sich die Frequenz des Oszillators exponentiell mit der Spannung an der Gate-Elektrode. Wenn die Spannung an der Gate-Elektrode eine exponentielle Funktion der relativen Luftfeuchte ist, so kann die Frequenz des Oszillators Q1 linear mit einer Änderung der relativen Luftfeuchte geändert werden. Dies erfolgt durch richtige Auswahl der Widerstände RR, RP, RPP, R1, R8 und des Kondensators 02.

Beim Betrieb der Schaltungsanordnung zündet der Unijunktiontransistor Q1 und erzeugt einen Impuls an der Basis des Transistors Q2, wodurch dieser leitend gesteuert wird. Die ■Frequenz dieses Vorganges ändert sich linear mit einer Änderung der relativen Luftfeuchte, die durch den Sensor HS

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festgestellt wird. Wenn der Transistor Q2 leitend wird, so verbindet er vorübergehend beide Basiselektroden der Transistoren 03 und qU- über die Dioden CR7 und CR8 mit den Emittern, wodurch der Multivibrator gestartet wird. Der Multivibrator arbeitet so, daß die beiden Zweige der Motorwicklung B1 abwechselnd eingeschaltet werden und der Motor VSM auf diese Weise getrieben wird. Die abwechselnde Leitend— steuerung der Transistoren Q3 und Q4· ist mit dem Zünden des Unijunktion-Transistors Q1 synchronisiert. Deshalb wird der Motor YSM mit einer Drehzahl betrieben, die durch die Frequenz des Unijjunktion-Oszillators Q1 bestimmt ist· Da die Frequenz des Oszillators Q1 sich linear mit einer Änderung der relativen Luftfeuchte ändert, ist eine entsprechend lineare Funktion für die Drehzahländerung des Motors VSM vorgegeben.

Der Fachmann wird einsehen, daß ein derartiges Verfahren einer Kurven- oder Funktionsanpassung auch so ausgedehnt werden kann, daß man einen drehzahlveränderlichen Motor erhält, dessen Drehzahl nicht linear mit einem Eingangsparameter geändert wird, der seinerseits entweder linear oder nicht linear verläuft. Dies ist deshalb möglich, weil ein programmierbarer Unijunktion-Transistor verwendet wird, der eine Anpassung von bis zu fünf unabhängigen Funktionen durch richtige Auswahl der zugeordneten Bauelemente ermöglicht. Diese fünf Funktionen sind der jeweils ausgewählte Sensor, die gewünschte Ausgangsfrequenz, die RC-Zeitkonstante, die exponentielle Änderung der RC-Zeitkonstante mit der Spannung an der Gate-Elektrode und der Spannungsteiler aus linearen oder nicht linearen Widerständen,

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Claims

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- 9 - a. fr β η t a' η s ρ r ü c he

Schaltungsanordnung zur Steuerung eines drehzahlver-Serlichen Elektromotors mit einer von· einem Umgebungsparameter linear abhängigen Drehzahl, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (HS) zur Aufnahme des Umgebungsparameters und Erzeugung eines mit ihm logarithmisch sich ändernden Signals, durch eine Vorrichtung (RI, R8, 02) zur Erzeugung eines über der Zeit exponentiell sich ändernden Signals und durch eine Anordnung (E9» 01) zur Steuerung der Frequenz eines mit dem Elektromotor (VSM) verbundenen und dessen Drehzahl steuernden Oszillators (Qi-) entsprechend einer Kombination des logarithmisch und des exponentiell sich än~. demden Signals.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vorrichtung zur Auswertung der relativen Luftfeuchte als Umgebungsparameter vorgesehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein bistabiler Multivibrator (Q3, Q4) zur Speisung des Elektromotors (VSM) vorgesehen ist, der mit dem Oszillator (Q1) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3₉ dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator (Q3_S Q²J-) mit dem Oszillator (Q1) über einen Halbleiterschalter (Q2) verbunden ist.

5* Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche_s dadurch gekennzeichnet_s daß der Elektromotor (TSM) ein Synchronmotor ist,, daß der Oszillator (Q1) einen Halbleiterschalter umfaßt₉ der über seine Kathode im $e«

- ίο -

weils leitenden Zustand einen Steuerimpuls für den Multivibrator (Q3, Q4·) abgibt, dessen frequenz durch die relative Spannung an seiner Gate-Elektrode und an seiner Anode bestimmt ist, daß an die Anode des Halbleiterschalter eine exponentiell mit der Zeit sich ändernde. Spannung angeschaltet ist und daß an die Gate-Elektrode des Halbleiterschalters ein Sensor (HS) zur Auswertung des Umgebungsparameters und Erzeugung einer Gate-Spannung angeschaltet ist, die sich abhängig von dem Umgebungsparameter ändert«

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5_t dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (Q1) ein programmierbarer Unijunction—Transistor ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (HS) zur Aufnahme des Umgebungsparameters eine Widerstandsanordnung ist, deren Widerstandswert sich logarithmisch mit dem Umgebungsparameter ändert.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsanordnung mit einer Wechselspannung beschaltet ist und daß der Oszillator (QI) mit Gleichstrom gespeist wird, wobei Entkopplungselemente (CR3» CE4-) zur wechselstrommäßigen Isolierung der Widerstandsanordnung gegenüber dem Oszillator (Q1) vorgesehen sind.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Gate-Elektrode des Halbleiterschalters (Q1) eine exponentiell mit dem Um— gebungsparameter sich ändernde Spannung angeschaltet ist, so daß sich die Frequenz des Oszillators (Q1) linear mit dem Umgebungsparameter

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