DE2355787A1

DE2355787A1 - Verfahren zur erfassung der drehzahl eines elektromotors

Info

Publication number: DE2355787A1
Application number: DE19732355787
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hohrath; Waldemar Schmidbauer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-11-08
Filing date: 1973-11-08
Publication date: 1975-06-12
Also published as: DE2355787B2

Description

LIGENTIA Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Schub/lz " ' F 73/7ο

Verfahren zur Erfassung der Drehzahl eines Elektromotors

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung der Drehzahl eines Elektromotors.

Bei kleinen Arbeitsmaschinen, wie Elektrowerkzeuge, Handmixer, Nähmaschinen usw. wird immer mehr eine elektronische Drehzahlregelung verwendet. Der Regler besteht dabei im wesentlichen aus einem Stellglied, welches ein Thyristor oder ein Triac sein kann, einer Anschnittsteuerung zur Verstellung des Zündwinkels des Halbleitergleichrichters und einer Einrichtung für

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die Erfassung der Drehzahl.

Als Antrieb wird bei diesen kleinen Arbeitsmaschinen im allgemeinen ein Universalmotor verwendet, mit dessen Feldwicklung und Anker der Halbleiter-Gleichrichter in Reihe geschaltet ist. Es ist bekannt die Anker-EMK des Motors als Maß für die Drehzahl desselben heranzuziehen (Istwert), die mit einer einstellbaren Sollwert-Spannung verglichen wird (SCR Manual von General Electric, 1972, S. 288 - 292). Zur Erfassung der Drehzahl ist es auch bekannt, eine Tachomaschine zu verwenden (SCR Manual, General Electric, 1972, S. 3o2-3o3). -

Die Heranziehung der Anker-EMK ergibt dann Schwierigkeiten, wenn eine symmetrische Anschnittsteuerung vorliegt. Eine Tachomaschine stellt einen beträchtlichen technischen Aufwand dar, der sich bei den relativ billigen Arbeitsmaschinen aus Preisgründen verbietet.

Bei diesen kleinen Arbeitsmaschinen besteht in vielen Fällen die Forderung, deren Leerlaufdrehzahl zu begrenzen, um Beschädigungen der Maschine zu vermeiden. Bei Elektrowerkzeugen soll die Leerlaufdrehzahl des verwendeten Universalmotors beispielsweise auf etwa 2o ooo U/min begrenzt werden. Auch in diesem Falle muß eine Drehzahlerfassung erfolgen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein. Verfahren zur Erfassung der Drehzahl eines Elektromotors zu schaffen, welches nur einen geringen technischen Aufwand benötigt und welches mit Vorteil bei Arbeitsmaschinen mit Ansohnittsteuerungen anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird· erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die' durch drehz.ahlproportionale magnetische Leitwertänderungen verursachte Oberwellenbildung im Motorstrom verwendet wird.

Ursache dieser Leitwertänderungen ist die Nutung des Ankers..

Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur

Drehzahlerfassung,
Pig. 2 die an den Punkten A bis E der Schaltung nach der Fig. 1 auftretenden Spannungen,

Fig. 5- ,eine weitere Schaltungsanordnung zur Drehzahlerfassung,
Fig. 4 die an den Punkten A bis F dieser Schaltung auftretenden Spannungsverläufe.

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In der Fig. 1 ist die Feldwicklung 1, 2 und der Anker 3 eines Universalmotors mit einem Triac 4 in Reihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltung an eine 5o Hz-Wechselspannungsquelle geschaltet ist. Dem Triac 4 ist eine Anschnittssteuerung 5 zugeordnet.

Die bisher beschriebene Ausbildung ist bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.

Wie weiter unten näher erläutert, wird beispielsweise bei einer Drehzahlregelung der Anschnittsteuerung 5 über den Eingang F eine Spannung zugeführt, die aus dem durch Nutung des Ankers hervorgerufenen Oberwellenstrom abgeleitet wird.

Bei Universalmotoren ist der Anker genutet, um die Wicklung aufzunehmen. Während des Betriebes ergibt sich daher durch die.Pole eine Feldänderung an der Stelle der Nutung und der Motorstrom wird durch diese Nutung moduliert. Die Frequenz dieser Modulation ist direkt ein Maß für die Drehzahl. Die Nutenfrequenz wird nun herangezogen zur Erfassung der Drehzahl des Motors.

Nach der Fig. 1 ist beispielsweise an die Feldwicklung 2 ein aus einem Widerstand 6 und einem Kondensator 7 bestehender Tiefpaß angeschaltet, dem ein aus

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einem Kondensator B und einem Widerstand 9 bestehender Hochpaß nachgeschältet ist. Diesem ist eine aus zwei Dioden 1 ο,-11 bestehende Amplitudenbegrenzung nachgeschaltet, deren konstante Spannung über einen Widerstand 12 auf den Eingang eines Schmalband-Verstärkers 13 geschaltet ist. Der Ausgang dieses Verstärkers ist über ein frequenzabhängiges Glied 14- auf den Verstärkereingang rückgeführt. Dem Verstärker 13 ist" eine aus den Kondensatoren 15» 16 und Dioden 17, 18 bestehende _Gleichrichterschäitung nachgeschaltet.

Wie aus der Fig. 2 a ersichtlich, treten am Punkt A der Schaltungsanordnung nach, der Fig. 1 5o Hz-Spannungsimpulse U^ auf, denen Störspannungen in Form von Fadel-. impulsen N" und eine durch die Nutung des Motors erzeugte Spannung M überlagert sind.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Störspannungen mit einer relativ großen Amplitude dargestellt. Die durch die Hutung erzeugte Spannung M ist in Wirklichkeit nur mit empfindlichen Meßgeräten erkennbar.

Die Fig. 2 b zeigt den am Punkt B der Schaltung nach · der Fig. 1 auftretenden Spannungsverlauf. Wie ersieht- . lieh sind durch den Tiefpaß 6, 7die hochfrequenten Nadelimpulse N beseitigt, so daß die Motorspannung nur

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noch mit der durch die Hutung erzeugten Spannung M moduliert ist. .

Der Hochpaß 8, 9 nach der Pig. 1 unterdrückt die Motorspannung von 5o Hz, so daß am Punkt C der Schaltungsanordnung nach der Fig. 1 nur noch die durch die Nutung erzeugte Modulationsspannung Ug auftritt, deren Frequenz der Drehzahl des Motors proportional ist. Diese Spannung ist in der Fig. 2 c gegenüber Fig. 2a, b vergrößert dargestellt. Wie der Fig. 2 c weiter zu entnehmen ist, ist die Amplitude der Modulationsspannung durch die Amplitudenbegrenzung 1o, 11 nach der -^ig. 1 vergleichmäßigt. "

Der frequenzabhängige Verstärker 13 wird also von der nunmehr in der Amplitude konstanten herausgefilterten Modulationsspannung u« angesteuert, die sich in ihrer Frequenz proportional mit der Drehzahl des Motors ändert. ■ '-"""

Aiii Ausgang des Verstärkers 13 tritt eine verstärkte Spannung u-^ auf, wie sie aus der Fig. 2 d ersichtlich ist und bei welcher nur noch die Nutenfrequenz zur Wirkung kommt.

Durch die Amplitudenbegrenzung 1b, 11 werden alle etwa

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motorseitig auftretenden Spannungsänderungen eleminiert und gehen damit nicht in die Messung ein.

Die Ausgangsspannung des Verstärkers 13 wird durch die nachgeschaltete Gleichrichterschaltung 15 bis 18 gleichgerichtet und an deren Klemme E ergibt sich eine Spannung Ug, deren Abhängigkeit von der Nutenfrequenz durch den "Frequenzgang des Verstärkers 13, 14 bestimmt wird.. Ist der Verstärker 13, 14 als Schmalbandverstärker ausgebildet, so ergibt sich eine Abhängigkeit der Spannung u-g von der Drehzahl nach Pig. 2 e. Es entsteht also nur dann eine Spannung u-g, wenn eine Nutenfrequenz· auftritt, die innerhalb des Frequenzbandes des Verstärkers 13, 14 liegt. Im vorliegenden Falle sei angenommen, daß der Motor auf eine Drehzahl von etwa 2o ooo U/min begrenzt werden soll, was einer Nutenfrequenz des Motors von etwa 4,5 kHz entspricht. Das frequenzbestimmende Glied 14 des Verstärkers 13 ist dann ebenfalls auf diese Frequenz abgestimmt.

Die Vorderflanke der Spannung u-g kann zur Regelung herangezogen werden. Der Punkt 2o der Vorderflanke kann beispielsweise einem Anschnittwirikel e£ = 0° und der Punkt 21 der Kurve nach der Fig. 2 e kann dem Anschnittwinkel c& = 180° zugeordnet werden. Der zwischen diesen Punkten liegende Vorderflankenabschnitt ergibt

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den Steuerbereich. Durch die Steilheit der Vorderflanke ist u.a. die Regelverstärkung gegeben.

Die am Punkt E auftretende Spannung u„ kann nun, wie bereits einleitend erwähnt, dem Eingang F der Anschnittsteuerung 5 zugeführt werden.

Anstelle eines Schmalband-Verstärkers 13, 14 mit einer Charakteristik nach Fig. 2 e kann auch ein Verstärker 13, 14 mit Hochpaßverhalten verwendet werden, dessen Charakteristik aus der Pig. 2 f ersichtlich ist. Die Verwendung dieses Verstärkers erlaubt eine Drehzahlmessung über einen großen Drehssahlbereich.

Wird die Spannung U₁-, zur Regelung herangezogen und ist ein Schmalband-Verstärker vorgesehen, so muß vermieden •werden, daß die Drehzahl des Motors uferte annimmt, die mit der Rückflanke der Spannungskurve nach der Pig. 2 e zusammenfallen. In diesem J?alle würde sich der Regelsinn umkehren und damit der Motor auf seine volle Drehzahl gehen.

Um dies zu vermeiden, wird in Weiterbildung der Erfindung die Spannung u™ bei Erreichen einer bestimmten Amplitude von einer mit der Frequenz ansteigenden Spannung abgelöst.

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Wie aus der.Fig. 3 ersichtlich, ist zur Durchführung des Verfahrens wieder ein Tiefpaß 6, 7 verwendet, welchem ein Hochpaß mit Amplitudenbegrenzung 8 bis 11 nachgeschaltet ist,, wobei die aus Fig. 2 c ersichtliche begrenzte Modulationsspannung u_c den Sehmalband-Verstärker 13» 14 ansteuert. An den Ausgang des Verstärkers ist wiederum die Grleichrichterschaltung 15 bis 18 angeschaltet* - - ·· . .

Die beschriebene.-Ausbild-ung s-timmt mit der nach-der Eig. ; 1, -vollkommen überein, so daß sich am Punkt E' vor dem Verbinden der. Punkte JE % -E" die Spannung· Ug ,nach der Fig. 4 ergibt.··-,; --.-.- ".' - · ■·■. " ··" · ' .. '

Erwünscht ist nun. jedoch ein Spannungsverlauf,' wie: er in der Fig..4.b.dargestellt ist. Nach Erreichen einer · bestimmten Amplitude _:der Spannung- U^." bei der Drehzahl' η soll kein Abfall der Spannung auftreten, sondern. - - ./ mit dar weiteren Erhöhung der Drehzahl soll ein An- ₅ ^;. stieg der Spannung erfolgen. TJm diesen Spannungsverlauf zu erreichen, ist die Schaltungsanordnung nach'der _: Fig. 3 um einen Hochpaßverstärker 25» 55 erweitert, desse.n Aus gangs spannung u4i vor dem ye-r.bind.e-n,- von -E-'- . .-.-; mit E" einen aus_a der F-ig» 4. c ersichtlichen. Verlauf . · hat.· Die Äusgangsspannun,g u^ steigt mit jder Frequenz .. bzv/. Drehzahl an. · ■ ..— '

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Der Hochpaß-Verstärker 25, 35 wird wie der Schmalband-Verstärker 13, H von der Modulationsspannung U_n

steuert, deren Frequenz sich in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors ändert. Dem Hochpaß-Verstärker 25» 35 ist ebenfalls eine aus dem Kondensator 28 und den Dioden 29 und 3o bestehende Gleichrichterschaltung naohgeschaltet, die mit der G-Ieichrichterschaltung 15 bis 18 des Verstärkers 13 zusammengeschaltet ist. Durch die Dioden 18, 3o können die Ausgänge E', E" •rückwirkungsfrei miteinander verbunden werden.

Dem Hochpaß-Verstärker 25» 35 ist ein Schwellwertschalter 27 zugeordnet, welcher von der Spannung u-g¹¹' beeinflußt wird.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Der Hochpaß-Verstärker 25, 35 kann nur in Abhängigkeit vom Schwellwertschalter 27 in Punktion treten. Dieser Schwellwertschalter 27 spricht nun jedoch erst an, wenn die Spannung u-g¹* nach der Figur 4 b mit einer bestimmten Amplitude auftritt. Im gleichen Moment wird der Hochpaß-Verstärker 25, 35 durch aen Schwellwertschalter 27 aktiviert. Die Spannung u-Λ*' wird nun von dem Verstärker 25, 35 bestimmt. Der Hochpaß-Verstärker 25» 35 ist derart bemessen, daß dessen Verstärkung bei der Übernahmedrehzahl n_Q gleich der des Schmalband-Verstär-

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kers 13» H ist.

Im Beispiel ist angenommen, daß der Schwellwertschalter 27 bei der Drehzahl η anspricht. Der Hochpaß-Verstärker 25» 35 wird bei der Drehzahl η zugeschaltet und übernimmt von dieser Drehzahl η an die Spannungslieferung zum Ausgang E''¹' (Fig. 3). An diesem Ausgang ergibt sich eine Spannung u'-g¹ , wie sie aus der Fig. 4 b ersichtlich ist.

Patentansprüche

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Claims

LICENTIA Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Frankfurt/M.., Theodor-Stern-Kai 1

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Patentansprüche

Verfahren zur Erfassung der Drehzahl eines Elektromotors, dadurch gekennzeichnet, daß die durch drehzahlproportionale magnetische Leitwertänderungen verursachte Oberwellenbildung im Motorstrom verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß frequenzabhangige filter verwendet sind, die als Schmalband- und/oder Hochpaßfilter (13, 14; 251 35) ausgebildet sind.

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3·' Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Filter zu • Regelzwecken herangezogen wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine die Nutenfrequenz selektierende FiIteranordnung (6 bis 9)» welcher ein AmpIit.udenbegrenzer. -(ίο*. 11) nachgeschaltet ist, dessen Spannung(Uq.), einen frequenzabhängigen Verstärker (13, 14) ansteuert.

5. Anordnung nach Anspruch 4-, .dadurch gekennzeichnet, daß die selektierende Nutenspannung (u«) zwei Verstärker,: (13., 1.4-ί 25, 35) mit unterschiedlichem Frequenzverhalten ansteuert und einer der Verstärker (25, 35) in Abhängigkeif von der Ausgangsspannung des anderen Verstärkers (13, 14) aktiviert wird und daß die Ausgänge beider Verstärker rückwirkungsffei

' miteinander verbunden sind. ■

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierung des einen Verstärkers- (25, 35") über einen von der Ausgangsspannung des· anderen^:Ver-· · stärkers (13, 14) beeinflußten Schweilwertschalters (27) erfolgt- ' ■

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