DE2358692A1

DE2358692A1 - Schaltungsanordnung zur regelung der antriebsgeschwindigkeit eines elektromotors, der eine drehbare kreisscheibe antreibt

Info

Publication number: DE2358692A1
Application number: DE2358692A
Authority: DE
Inventors: Charles Ronald Bringol
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-11-29
Filing date: 1973-11-24
Publication date: 1974-05-30
Also published as: FR2208161A1; FR2208161B1; JPS573150B2; CH556111A; BR7307773D0; JPS4984623A; GB1400958A; NL7314651A; US3826965A

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: AT 972 009

Schaltungsanordnung zur Regelung der Antriebsgeschwindigkeit eines Elektromotors, der eine drehbare Kreisscheibe antreibt

■Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Antriebsgeschwindigkeit eines Elektromotors, der eine drehbare Kreisscheibe antreibt, an welcher durch die Führung einer Spiralspur von einem inneren Durchmesser zu einem äußeren Durchmesser der Kreisscheibe ein Gleitelement in radialer Bewegungsbahn derart an der Kreisscheibenoberfläche geführt wird, daa es an jedem Punkt der radialen Bewegungsbahn eine konstante Relativgeschwindigkeit zum Führungspunkt der Kreisscheibenoberfläche aufweist.

Es ist bekannt (DT-OS 2 056 084),'Schaltungsanordnungen zur Regelung der Antriebsgeschwindigkeit eines Elektromotors derart zu regeln, daß sich die Antriebsgeschwindigkeit des Elektromotors bei einer Änderung des belastenden Drehmomentes sich nicht ändert; Zu diesem Zweck erfolgt die Änderung des Motorstromes in Abhängigkeit der Belastung entsprechend dem Verlauf einer hyperbolischen Kurve. Die funktionale Abhängigkeit der Regelung wird erreicht durch ein hyperbolisches Potentiometer. Bei Schaltungsanordnungen dieser Art hat sich jedoch gezeigt, daß die gewünschte Regelgenauigkeit nur bei einem hohen Kostenaufwand erreicht werden kann.

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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Antriebsgeschwindigkeit eines Elektromotors> der eine Kreisscheibe antreibt, derart zu regeln, daß ein an der Kreisscheibenoberfläche an einer Spiralspur geführtes Gleitelement an jedem Punkt seiner radialen Bewegungsbahn eine konstante Relativgeschwindigkeit zum Führungspunkt der Kreisscheibenoberfläche aufweist.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß das Gleitelement den Schleifkontakt am Abgriff eines linearen Potentiometers steuert, dessen erste Anschlußklemme über einen. Widerstand mit einem Eingang eines ersten linearen Verstärkers verbunden ist, und dessen zweite Anschlußklemme über einen Widerstand mit dem Ausgang des ersten linearen Verstärkers verbunden ist, und daß der Schleifkontakt mit einem ersten Eingang eines zweiten linearen Verstärkers verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit einer einstellbaren Bezugsspannung und dessen Ausgang über einen Widerstand mit dem Eingang des ersten linearen Verstärkers verbunden sind.

Eine Schaltungsanordnung der beschriebenen Art ergibt einen Kyperbel-Funktionsgenerator, dessen funktionale Ausgangsspannung durch die Verschiebung des Schleifkontaktes eines linearen Potentiometers erreicht wird.

Die Erfindung wird anhand von Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Gesamtanordnung der durch einen

Elektromotor angetriebenen Kreisscheibe, mit einer Schaltungsanordnung zur Regelung der Antriebsgeschwindigkeit des Elektromotors in Form eines Blockschaltbildes,

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Fign..' 2 und 3 Einzelheiten der Schaltungsanordnung'

■ ■ - .■ . -.·-.■· - zur Regelung der Antriebsgeschwindig- : ■■-.-. - keit des die Kreisscheibe antreibenden '·.·-.-' ."■ - "Elektromotors, ' . '

Fig. 4 ■..■·.·■- ; - die Kurvendarstellung der funktionalen

Abhängigkeit "der Motorspeisespannung von der Stellung des an der Kfeisscheibenober-

"-,---" - fläche geführten Gleitelementes bzw. des

von.diesem gesteuerten Schleifkontaktes. :

Die in Fig. 1 dargestellte Kreisscheibe 1-wird durch einen Gleichstrommotor 30 über eine Antriebswelle 33 angetrieben.

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Der Uebcrtrager 3 ist entlang einem Kadius der Scheibe 1.. . · bewegbar, und zwar zwischen dem Aussenradius r, und dem , . Innenradius r.. Die radiale Lage des Uebertragers 3 wird jederzeit mit r bezeichnet.

Die Motorsteuerung 10 umfasst ein lineares Potentiometer 11, den Hyperbel-Funktionsgenerator 15 und die Motorspeiseschaltung 2Ö. Die Endanschlüsse 12, 13 des Potentiometers 11 sind an die Klemmen 16 bzw. 18 des Hyperbel-Fünktionsgcnerators geführt. Der veränderliche Kontakt 14 des Potentiometers 11 ist mit. .der Klemme 17 des Funktionsgenerators verbunden. Der Eingang der Motorspeiseschaltung 20 ist über die Leitung 19 an den Ausgang des Generators 15 geschlossen. Der Ausgang der Motorspeiseschaltung 20 in der Motorsteuerung 10 ist über die Leitung 21 mit der Anschlussklemme 32 des Motors 30 verbunden. Die Klemme 31 des Motors ist geerdet.

Das Potentiometer 11 ist parallel einem Radius der Scheibe 1 angeordnet, und dessen veränderlicher Kontakt 14 ist mechanisch mit dem Uebertrager 3 gekoppelt, was durch die gestrichelte Linie 4 dargestellt wird. Der veränderliche Kontakt 14

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führt also dem Uebertrager 3 folgend eine radiale Bewegung aus, indem er einem Radius, der Scheibe 1 folgt.

Es sei nun angenommen, dass die Wirkung.der Motorspeiseschaltung 20 durch eine idealisierte Kennlinie beschrieben werden kann. Ferner sei angenommen, dass der Mofor 30 elektrisch in-einem Bereich betrieben w\ird, in welchem seine Winkelgeschwindigkeit zur erzeugten gegenelektromotorischen Kraft direkt proportional ist. Es soi: ■ "

\" ^Kt · ^Eb ■ ; . ,CD-

wobei: ω die Winkelgeschwindigkeit ..des Motors 30, m

K eine" Geschwindigkeitskonstante und E_b die Gegen-EMK sind.

Da-die Kennlinie der Motorspeiseschaltung 20 als ideal und ferner deren Verstärkung zu Eins angenommen wird, ist E, = E£, worin mit E^ die Motorspeisespannung bezeichnet sei. Die Beziehung der Tangentialgeschwindigkeit "der,'Scheibe 1 mit Bezug auf die radiale Stellung des Uebertragers 3 kann folgendermassen ausgedrückt werden: .

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V₄. '= ω, · r = K. ω r ' f2)

worin: V die Tangentialgeschwindigkeit der Scheibe 1 in

der radialen Stellung des tlobertragers 3, ω j die Winkelgeschwindigkeit der Scheibe 1, r der Radi al abstand des Uebertragers 3 vorn Zentrum der Scheibe J. und

K der Gesclvindigkeitsübersetzungsfaktor des Antriebs 33 ist. , -

Durch Einsetzen der Gleichung (1) in (2) ergibt sich:

r = K_t - K_v - E_f - r . (3)

Beim Betrachten der Gleichung (3) fällt auf, dass V konstant und unabhängig von r ist, wenn E_f proportional l/r ist. Keil E^ multipliziert mit r konstant ist, handelt es sich dabei um die Gleichung einer Hypei*bel.

Der Hyperbel-Funktionsgenerator 15 und das lineare Potentiometer 11 werden zur Erzeugung der Spannung-Er verwendet, die proportional l/r ist. In der Fig. 2 ist eine Schaltungsan-

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Ordnung dargestellt, welche J)IffereHtialverstärker in einem Kidersta-ndsnetzwerk umfasst, um eine l/r propöTtio-" nale Ausgangs"spannung tu erzeugen. ,In Fig. 2 wird der Anschlussklemme 39 eine negative Bezugssparmung zugeführt, die damit an den Ke.g.ative.ingang 37. des Operationsverstärkers i-35-gelegt ist» Die positive; Elngangs.-kle.mnie 36 desselben Verstärkers ist an den Schleifkontakt 4 8 des linearen Potentiometers 45 geschlossen.. Im Knoten 47 sind ein Ende des Potentiometers 4 5 und ein Ende des Widerstandes 49 miteinander verbunden. Das andere Ende des Widerstandes 49 ist an die Ausgangsklemme 41 des Operationsverstärkers 40 geschlossen* , Das andere Ende des Potentiometers "45 ist "im Knoten 46 mit einem Ende eines Widerstandes -50 verbunden. Das andere Ende des Widerstandes SO führt zum Knoten 51, der seinerseits an die negative Eingangskiemine ki des Operationsverstärkers gelegt ist, Dessen'positive Eingangsklemme 43 ist geerdet» · Ein Widerstand 55 liegt zwischen'den Knoten 51 und 56. ·'■ Letzterer ist mit der Ausgangsklemme 38 des 'Verstärkers'35 ^; sowie mit dem Ausgang 57 des Hyperbel—Funktionsgenerators verbunden. ■ -'" ' '

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Um die Schaltungsanordnung der Fig.' 2 zu analysieren, wird angenommen, dass die Verstärker 35 und 4 0 linear betriebene Operationsverstärker mit hohem Verstärkungsgrad sind« Unter diesen Umständen erscheinen an den Eingangsklemrcen der Verstärker nur geringste Potentialdifferenzen, und dank der hohen Eingangsimpedanz fliessen praktisch keine Ströme in die Eingänge der Verstärker 35 und 40. Wird der Eingangsklemme 39 eine negative Referenzspannung zugeführt, so stellt sich eine praktisch gleiche negative Spannung an der positiven Eingangsklemme 36 des Verstärkers 35 und am Schleifkontakt 48 des linearen Potentiometers 45 ein. Weil die positive Eingangsklemme 4 3 des' Verstärkers 40 geerdet ist, stellt sich an seiner negativen Eingangsklemme 42 auch ein virtuelles Erdpotential ein. Die negative Referenzspannung entsteht durch den Abfall am Widerstand 50 in Reihe mit dem abgegriffenen Teil des linearen Potentiometers 4 5 zwischen dem Schleifkontakt 4 8 und dem Knoten 46. Der durch den Widerstand 50 fliessende Strom errechnet sich wie folgt:

τ -

^R1 ^{+ R}ÄB

(4)

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Darin IsV:" I der: den Widerstand 50 durch fliessende Strom, E ,. die negative Bezugsspannung an der^ Eingangs-

klemme '39,

R der Widerstand 50 und R. der am Potentiometer 45 zwischen Schleif-

kontakt 4 8 und Knoten 46 abgegriffene Teil.

Da angenommen-worden ist, dass die Eingänge der Verstärker 35 und 40 praktisch keinen Strom führen, gelangt der Strom I, der vom Knoten 51 kommend zum Kiderstand 50 fliesst, über den Widerstand 55 zum Knoten 51. Letzterer ist virtuell auf Erdpotential, und so ergibt sich die Spannung -am Knoten 56 gegenüber Erde in folgender Weise:

E_£ = I · R₃ (5)

Dabei ist: E, die Spannung an.Knoten 56 und Ausgangsklemme

57 und
R, der Widerstand 55.

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Es sei nun angenommen, dass das Potentiometer 4 S entlang einem Radius der Scheibe 1 in Fig. 1 angeordnet ist, dos Potentiometerende mit Knoten 4 7 am äusseren Rand im Abstand r, und das Potentiometerende verbunden mit Knoten 46 am inneren Radius r.. Da das Potentiometer 45 linear ist, lässt sich R, aus der Gleichung (4) wie .folgt ausdrücken:

R_AB -(L-iL;-^ (6)

Darin ist: R.„ der am Potentiometer 4 5 zwischen Schleifkontakt 48 und Knoten 46 abgegriffene Widerstand,

r der Radialabstand des Uebertragers 3- vom Zentrum der Scheibe 1,

r. der kleinste von Usbertrager erreichbare Radialabstand zur Scheibenmitte,

R. der ganze überstriebene Widerstand des

Potentiometers 45, Kenn der Schleifkontakt

48 von r. nach r, wandert und ι d

L der Radialabstand von r. nach r,.

ι α

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Wird., nun Gleichung (6) in· Gleichung (4) eingesetzt:

■••Μ =

-r - r. \ τ, . ■ i I ρ

undGleichung (7) in Gleichung (S):

"^Eref *.^R3 (8)

~r -Ί'. f~~

1 v L / L

Beim Einset'z.en der Gleichung (8) · in Gleichung (3) ergibt sich :■-."."'■""■--" . --

t /r - r. ^₁

R₁ +Ι—τ—~l R₁

Die Gleichung (9)' Viird nun mathematisch abgeleitet und SV /6t = O gesetzt. Das ergibt: \ ..-.-,■

.AT9-72-009 --"ii -

4098227Q911 ; V

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Wenn also der IVert: R de::· Kide rstanJc-3 50 anViand der Gleichung fIG") ermittelt v.irJ, dann ist die taivgentisle Geschwindigkeit der Scheibe 1 mit Bezug auf die Lage des Uebertragers 3 und dc-.s Schleifkontaktes A 8 konstant und kann wie folgt «n ge sch χ leben v.erden:

v_t - p^ " CH)

t k_l

worin: K_A = E._ref- · R₃ · K_t - K_y · L

Aus der Gleichung (I]) ist ersichtlich, dass V direkt, proportional E_v„_r ist. V kann also einfach durch Aenderung der Bezugsspannung -E. ,-, die an die Hingangsklemnie 39 de? Hyperbel-Funktionsgeiierotors gelegt wird, eingestellt vrerdeu Diese Einstellung könnte mit einem zusätzlichen, linearen Potentiometer erfolgen, dessen eines Ende geerdet, das andere an -E ,- gelegt und der Schleifkontakt an die Klemme 39 geschlossen wäre.

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So ist nun aus Fig. 4 ersichtlich, dass eine Aufzeichnung von E_f mit Bezug auf R in den Koordinatenachsen 122 bzw. 121 eine Hyperbel 120 ergibt, wobei R der Gesanjtwidej-stnnd im Nenner der Gleichungen (7), (8) und (9) ist. Die Hyperbel 120 ist auch das Resultat der Aufzeichnung von ω, nach r _ nach den Skalen 126 bzw. 1^5-

In der Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit diskreten Schaltelementen des Hyperbel-Funktionsgenerators aus Fig. dargestellt. Eine Bezugsspannurig wird an die Klemme 91 des Widerstandes 90 gelegt. Das andere Ende des Widerstandes ist im Knoten 86 mit einem Ende des linearen Potentiometers· 85 verbunden. Dessen anderes Ende ist im Knoten 87 mit dem einen Ende des Widerstandes 95 verbunden. Seine andere Seite liegt im Knoten 97 am Kollektor 76 des Transistors 75. Der .Emitter 77 desselben Transistors führt über den Widerstand 80 und die Verbindung 81 zur Erde. Eine positive Speisespannung liegt an Klemme 101. Ein Widerstand 100 verbindet letztere mit Knoten 102, der-an die Basis 78 des Transistors 75 geschlossen ist. Die Ausgangsspannung E,- erscheint am Knoten 106 und Klemme 107. Die Kathode der Diode 105 ist·

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'■'■.., BAD ORIGINAL

•f.'.·

j.iit diesem Punkt" verbunden, während deren Anode am Knoten 102 angeschlossen ist.

Die Transistoren 60 und 70 bilden zusammen einen Differenzverstärker. Die Basis 63 des Transistors 60 ist an den Schleifkontakt. 88 des linearen Potentiometers 85 angeschlossen. Die Basis 73 des Transistors 70 ist geerdet. Der Kollektor 61 des; Transistors 60 liegt an einer positiven Speisespannung, während der Kollektor 71 des Transistors 70 mit den Knoten 106 verbunden ist. Die Emitter (-2 und 7 2 der Transistoren 60 b;:w. 70 sind im Knoten 66 zusai?.wengeführt. Zwischen diesem und Klemme 6 7 liegt der Widerstand 65, wobei der Klemme eine negative Spannung zugeführt wird.

Eine Analyse der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ergibt praktisch dasselbe, was der Anordnung des Hyperbel-Funkti onsgenerators von Fig. 2 entnommen werden kann. Da der Differenzverstärker linear arbeitet und die Basis 73 des Transistors 70 geerdet ist, liegt, die Basis 63 des Transistors 60 virtuell ebenfalls auf Erdpotential. Der durch den Widerstand 90 und den Potentioineterteii zwischen Knoten S6 und Schleifkontakt 88 fliessende Strom entspricht V^. geteilt durch die Uider-

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st.andssuniüe» Da der Transistor 75 leitern! ist," f-liesst derselbe Str.on auch durch den Potenti orvet erteil zwischen Schleifkontakt 83 und Knoten 87 sowie"- durch üen I\'i derstaird 95. Praktj sch derselbe -Strom fIi esst auch durch d;."n Widerstand 80 nach Erde. Die Diode 105 dient -;:uin Artgleich des .Spann.ungs fib falls", zwischen Basis 78 und Emitter 77 des Transistors -75, so dass' Ev gleich der Spannung zwischen Emitter 77 und Erde wird.-- .

Vvcnn der Uc-bertrager 3 die Scheibe 1 während ihrer Rotation berührt» so erzeugt der dadurch ^hervorgerufene 'Widerstand ein Drehmoment, das der ""Umdrehung des Motors 30 entgegenwirkt= Dieses Drehmoment ist von r, dem radialen Abstand des Uebertragers 3 vom Zentrum der Scheibe 1, abhängig. U'irdr grosser, so niwnnt das Widerstandsdrehmoment zu, da r der Hebelarm der angreifenden Kraft ist.

In solchen Anwendungen mit Berührung zwischen Uebertrager 3 und Scheibe 1 kann die Motorspeiseschaltung 20 dazu dienen, als" Ausgleich die Hotorsp&isung zu" erhöhen, um der Belastung durch ein. erhöhtes Widerstandsmoment entgegenzuwirken. Ein

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Beispiel einer solchen Motorspeiseschaltung» die anstelle der Schaltungsanordnung 20 verwendet, werden kann, ist in der bereits zitierten Patentschrift 517.410 zu finden. Sie ist dort so eingehend beschrieben, dass jeder in Motorsteuerung Bewsnderte sie in der vorliegenden Motorsteuerungsanordnung verwenden kann.

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Claims

Böblingen, 22. November 1973 ka-we

Anmelderin: International Business Machines

■'. ' - Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: AT 972 009

P A T E N T A N S P R Ü C H

Schaltungsanordnung zur Regelung der Antriebsgeschwindigkeit eines Elektromotors, der eine drehbare Kreisscheibe antreibt, an welcher durch die Führung.einer Spiralspur von einem inneren Durchmesser zu einem äußeren Durchmesser der Kreisscheibe ein Gleitelement in radialer Bewegungsbahn derart an der KreisScheibenoberfläche geführt wird, daß es an jedem Punkt der radialen Bewegungsbahn eine konstante Relativgeschwin- digkeit zum Führungspunkt der Kreisscheibenoberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitelement (3) den Schleifkontakt (48) am Abgriff eines linearen Potentiometers (45) steuert, dessen erste Anschlußklemme (46) über einen Widerstand (50) mit einem Eingang (42) eines ersten linearen Verstärkers (40) verbunden ist, und dessen zweite Anschlußklemme (4.7) über einen Widerstand (55) mit dem Ausgang des ersten linearen Verstärkers verbunden ist, und daß der Schleifkontakt mit einem ersten Eingang (36) eines zweiten linearen Verstärkers (35) verbunden ist, dessen zweiter Eingang (39) mit einer einstellbaren Bezugsspannung und dessen Ausgang über einen Widerstand (55) mit dem Eingang des ersten linearen Verstärkers verbunden sind.

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