DE2355787C3 - Schaltungsanordnung zur Erfassung der Drehzahl eines Elektromotors - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Drehzahl eines Elektromotors, wobei die durch drehzahlproportionale, magnetische Leitwertänderungen verursachte Oberwellenbildung im Motorstrom verwendet wird und eine die Nutenfrequenz selektierende Filteranordnung vorgesehen ist.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Drehzahlüberwachung von Kreiseln unter Ausnutzung des Kreiselmotorstromes bekannt, bei der eine frequenzabhängige Schaltung verwendet ist, die auf drehzahlabhängige Läuferoberwellen des Kreiselmotorstromes anspricht (DT-OS 20 30 457).

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 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 bis 292). Zur Erfassung der Drehzahl ist es auch bekannt, eine Tachom'aschine zu verwenden (SCR Manual, General Electric, 1972, S. 302 bis 303).

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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 20 000 U/min begrenzt werden. Auch in diesem Falle muß eine Drehzahlerfassung erfolgen.

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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der Filteranordnung ein Amplitudenbegrenzer nachgeschaltet ist dessen Spannung einen frequenzabhängigen Verstärker ansteuert.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß mit minimalem technischen Aufwand sowohl eine Drehzahlbegrenzung als auch eine Drehzahlregelung erreicht ist und daß im Eingangskreis kein Transformator erforderlich ist.

Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Drehzahlerfassung,

F i g. 2 die an den Punkten A bis £der Schaltung nach der F i g. 1 auftretenden Spannungen,

F i g. 3 eine weitere Schaltungsanordnung zur Drehzahlerfassung,

F i g. 4 die an den Punkten A bis F dieser Schaltung auftretenden Spannungsverläufe.

In der F i g. 1 ist die Feldwicklung 1,2 und der Anker 3 eines Universalmotors mit einem Triac 4 in Reihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltung an eine 50 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 F i g. 1 ist beispielsweise an die Feldwicklung 2 ein aus einem Widerstand 6 und einem Kondensator 7 bestehender Tiefpaß angeschaltet dem ein aus einem Kondensator 8 und einem Widerstand 9 bestehender Hochpaß nachgeschaltet ist. Diesem ist eine aus zwei Dioden 10,11 bestehende Amplitudenbegrenzung nachgeschaltet deren konstante SDannun?

Ober 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 Gleichrichterschaltung nachgeschaltet.

Wie aus der F i g. 2a ersichtlich, treten am Punkt A der Schaltungsanordnung nach der Fig. 1 50 Hz-Spannungsimpulse Ua auf, denen Störspannungen in Form von Nadelimpulsen N und eine durch die Nutung des fclotors erzeugte Spannung Müberlagert sind.

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

Die F i g. 2b zeigt den am Punkt ßder Schaltung nach der F i g. 1 auftretenden Spannungsverlauf. Wie ersichtlich sind durch den Tiefpaß 6 7 die hochfrequenten Nadelimpulse N beseitigt, so daß die Motorspannung nur noch mit der durch die Nutung erzeugten Spannung M moduliert ist.

Der Hochpaß 8, 9 nach der F i g. 1 unterdrückt die Motorspannung von 50 Hz, so daß am Punkt C der Schaltungsanordnung nach der F i g. 1 nur noch die durch die Nutung erzeugte Modulationsspannung uc auftritt, deren Frequenz der Drehzahl des Motors proportional ist. Diese Spannung ist in der Fig.2c gegenüber F i g. 2a, 2b vergrößert dargestellt. Wie der F i g. 2c weiter zu entnehmen ist, ist die Amplitude der Modulationsspannung durch die Amplitudenbegrenzung 10,11 nach der F i g. 1 vergleichmäßigt.

Der frequenzabhängige Verstärker 13 wird also von der nunmehr in der Amplitude konstanten herausgefilterten Modulationsspannung uc angesteuert, die sich in ihrer Frequenz proportional mit der Drehzahl des Motors ändert.

Am Ausgang des Verstärkers 13 tritt eine verstärkte Spannung Ud auf, wie sie aus der F i g. 2d ersichtlich ist und bei welcher nur noch die Nutenfrequenz zur Wirkung kommt.

Durch die Amplitudenbegrenzung 10,11 werden alle etwa 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 u& 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 ue von der Drehzahl nach F i g. 2e. Es entsteht also nur dann eine Spannung Ue, 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 20 000 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 Ue kann zur Regelung herangezogen werden. Der Punkt 20 der Vorderflanke kann beispielsweise einem Anschnittwinkel λ = 0° und der Punkt 21 der Kurve nach der F i g. 2e kann dem Anschnittwinkel λ = 180° zugeordnet werden. Der zwischen diesen Punkten liegende Vorderflankenabschnitt ergibt den Steuerbereich. Durch die Steilheit der Vorderflanke ist unter anderem die RegeWerstärkung gegeben.

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

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

Wird die Spannung ue zur Regelung herangezogen und ist ein Schmalband-Verstärker vorgesehen, so muß vermieden werden, daß die Drehzahl des Motors Werte annimmt, die mit der Rückflanke der Spannungskurve nach der Fig.2e zusammenfallen. In diesem Falle 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 ue bei Erreichen einer bestimmten Amplitude von einer mit der Frequenz ansteigenden Spannung abgelöst.

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 F i g. 2c ersichtliche begrenzte Modulationsspannung uc den Schmalband-Verstärker 13, 14 ansteuert. An den Ausgang des Verstärkers ist wiederum die Gleichrichterschaltung 15 bis 18 angeschaltet

Die beschriebene Ausbildung stimmt mit der nach der F i g. 1 vollkommen überein, so daß sich am Punkt E' vor dem Verbinden der Punkte E', f'die Spannung ue nach der F i g. 4 ergibt.

Erwünscht ist nun jedoch ein Spannungsverlauf, wie er in der F i g. 4b dargestellt ist. Nach Erreichen einer bestimmten Amplitude der Spannung ue" bei der Drehzahl no soll kein Abfall der Spannung auftreten, sondern mit der weiteren Erhöhung der Drehzahl soll ein Anstieg der Spannung erfolgen. Um diesen Spannungsverlauf zu erreichen, ist die Schaltungsanordnung nach der F i g. 3 um einen Hochpaßverstärker 25, 35 erweitert, dessen Ausgangsspannung ue" vor dem Verbinden von E' mit E" einen aus der Fig.4c ersichtlichen Verlauf hat. Die Ausgangsspannung ue" steigt mit der Frequenz bzw. Drehzahl an.

Der Hochpaß-Verstärker 25, 35 wird wie der Schmalband-Verstärker 13, 14 von der Modulationsspannung uc angesteuert, 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 30 bestehende Gleichrichterschaltung nachgeschaltet, die mit der Gleichrichterschaltung 15 bis 18 des Verstärkers 13 zusammengeschaltet ist. Durch die Dioden 18, 30 können die Ausgänge E', f'rüekwirkungsfrei miteinander verbunden werden.

Dem HochpaS-Verstärker 25,35 ist ein Schwellwertschalter 27 zugeordnet, welcher von der Spannung ue" beeinflußt wird.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Der Hochpaß-Verstärker 25, 35 kann nur in Abhängigkeit vom Schwellwertschalter 27 in Funktion treten. Dieser Schwellwertschalter 27 spricht nun jedoch erst an, wenn die Spannung ue"' nach der Fig.4b mit einer bestimmten Amplitude auftritt. Im gleichen Moment wird der Hochpaß-Verstärker 25, 35 durch den

Schwellwertschalter 27 aktiviert. Die Spannung ue" wird nun von dem Verstärker 25, 35 bestimmt. Der Hochpaß-Verstärker 25, 35 ist derart bemessen, daß dessen Verstärkung bei der Übernahmedrehzahl n₀ gleich der des Schmalband-Verstärkers 13,14 ist.
Im Beispiel ist angenommen, daß der Schwellwertschalter 27 bei der Drehzahl P₀ anspricht. Der Hochpaß-Verstärker 25, 35 wird bei der Drehzahl n₀ zugeschaltet und übernimmt von dieser Drehzahl n₀ an die Spannungslieferung zum Ausgang E"'(Fig.3). An diesem Ausgang ergibt sich eine Spannung u_E'", wie sie aus der F i g. 4b ersichtlich ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche: 23

1. Schaltungsanordnung zur Erfassung der Drehzahl eines Elektromotors, wobei die durch drehzahlproportionale magnetische Leitwertänderungen verursachte Oberwellenbildung im Motorstrom verwendet wird und eine die Nutenfrequenz selektierende Filteranordnung vorgesehen ist dadurch gekennzeichnet, daß der Filteran- Ordnung (6 bis 9) ein Amplitudenbegrenzer (10, 11) nachgeschaltet ist, dessen Spannung (u_c) einen frequenzabhängigen Verstärker (13,14) ansteuert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutenspannung an der Feldwicklung (2) des Motors abgegriffen ist

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Ausgangsspannung der Filter zu Regelzwecken herangezogen wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektierende Nutenspannung (uc) zwei Verstärker (13, 14; 25, 35) mit unterschiedlichem Frequenzverhalten ansteuert und einer der Verstärker (25, 35) in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des anderen Verstärkers (13,14) aktiviert wird und daß die Ausgänge beider Verstärker rückwirkungsfrei miteinander verbunden sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Aktivierung des einen Verstärkers (25, 35) über einen von der Ausgangsspannung des anderen Verstärkers (13, 14) beeinflußten Schwellwertschalter (27) erfolgt.