DE2439124C2 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Elektromotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Elektromotors, der in einem Zweig einer Wheatstone'schen Brücke liegt, die mit einem ersten Anschluß der Eingangsdiagonale über einen ersten Leistungstransistor an einem ersten Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und dessen Ausgangsdiagonale mit einem ersten Operationsverstärker verbunden ist, dem außerdem eine Bezugsspannung zugeführt ist und dessen Ausgang mit der Basis des ersten Leistungstransistors verbunden ist.

Eine solche Schaltungsanordnung beschreibt die DE-PS 15 88 543. Diese Schaltungsanordnung ist aber schaltungstechnisch recht aufwendig und führt auch nicht zu einem für alle Anwendungsfälle befriedigenden Regelverhalten.

Das ältere Patent 23 05 015 besehreibt eine elektrische Steuereinrichtung für einen Gleichstrom-Stellmotor, wobei bereits invers geschaltete Leistungstransistoren verwendet werden können, an die eine positive oder negative Steuerspannung angelegt werden kann.

Die Basen aller Leistungstransistoren sind dort allerdings durch die Steuerspannung miteinander zusammen angesteuert. Eine Drehzahlregelung ist nicht vorgesehen. Es ist dort zwar möglich, eine Drehrichtungsumkehr mit vollem Hub der Spannungsversorgung durchzuführen, jedoch fehlt eine Symmetrierung der Spannung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine

einfache Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung mit Drehrichtungsumkehr vorzuschlagen, die auch eine Spannungsregelung im Normal-Betriebsfall des Motors beinhaltet

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelingt dies gemäß der Erfindung dadurch, daß der erste Anschluß (A) der Eingangsdiagonale (A, B) über einen zweiten, zum is ersten polaritätsmäßig inversen Transistor (T2) mit dem anderen Pol der Speisespannungsquelle verbunden ist, wobei dessen Basis mit der des ersten Transistors (Tl) verbunden ist, und daß der zweite Anschluß (B) der Eingangsdiagonale (A, B) über ein ebensolches Transistorpaar (T3, T4) mit den beiden Polen der Gleichspannungsquelle verbunden ist, daß dem Anschluß der Eingangsdiagonale (A, B) ein Spannungsteiler (R 7, R 8) parallel geschaltet ist, dessen Mittelabgriff mit einem Eingang eines zweiten Operationsverstärkers (OP2) verbunden ist, dessen zum ersten Eingang inverser zweiter Eingang mit dem Mittelabgriff eines zweiten, an die beiden Pole der Speisespannungsquelle angeschlossenen Spannungsteilers (R 9, κ 10) verbunden ist und dessen Ausgang mit den Basisanschlüssen des zweiten Leistungstransistorpaares (TZ, Γ4) verbunden ist

Durch die damit erzielte Symmetrierung werden beide Leistungstransistorpaare nur jeweils zur Hälfte ausgesteuert. Es ergeben sich hierdurch geringere Verluste, verglichen mit einer Schaltung, bei der man die eine Stufe voll aussteuert und die andere nur geringfügig. Weil die Speisespannung an der Brückendiagonalen geregelt wird, braucht die Speisespannung selbst nur geringfügig geregelt zu werden.
Bevorzugt wird es, wenn der positive Eingang des zweiten Operationsverstärkers auf der Hälfte der angelegten Speisespannung als Symmetriespannung liegt.

Außerdem wird es bevorzugt, wenn die Operationsverstärker keine Rückkopplung haben. Bei dieser Schaltung spielt die Basis-Emitter-Spannung der Leistungstransistoren keine Rolle, weil sie durch die Verstärkung der Operationsverstärker ausgeregelt wird. Für die Endstufen brauchen daher keine speziell ausgesuchten Transistoren verwendet zu werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine neuartige Schaltungsanordnung;

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit weiteren Einzelheiten, nämlich mit Wheatstone'scher Brücke, Operationsverstärkern und Treiberendstufen,

Fig. 3 eine Darstellung des Regelungsablaufes bezüglich der Spannungssymmetrie zu einer einseitig gerichteten Speisespannung,

Fig.4 bzw. Fig.4a einen Spannungsimpuls als Sollwert-Eingabe bzw. den resultierenden Verlauf der Drehzahl der Motorachse.

Aus der F i g. 1 ist eine Schaltungsanordnung gezeigt, deren Prinzip darauf beruht, daß die EMK eines Elektromotors /V/als Ist-Wert auf einen vorgeschriebenen Soll-Wert gebracht wird. Ein Merkmal dieses Prinzips besteht darin, daß gleitende Endpunkte A und B der Eingangsdiagonalen einer Wheatstone'schen

Brücke 1 vorgesehen sind, die eine schwebende Brückenschaltung nachbilden.

Durch die Einführung einer Symmetrielinie etwa in der Mitte der einzigen Speisespannung des Motors kann eine künstliche Null-Linie geschaffen werden, von der aus der Motor nach beiden Seiten geregelt werden kann. Bei einem Ausgang von dieser Symmetrielinie als neue künstliche Null-Linie kann die Speisespannung dem Motor in fast der vollen Größe zugeführt werden. Dadurch ergibt sich ein sehr rascher Anlauf von Null zur gewünschten Drehzahl oder umgekehrt Bei einem Bremsvorgang des Motors wird die Soll-Vorgabe gleich Null gesetzt, wobei der Motor das Bestreben hat, dieser Vorgabe sehr schnell zu folgen. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 werden für einen schnellen Vor- bzw. Rücklauf des Motors die Soll-Wert-Spannungen über ODER-Gatter über Punkte ME und MA direkt an die Eingänge von Treiberendstufen, bestehend aus den Transistoren 71 und T2 bzw. T3 und TA, gelegt Diese bilden zwei Leistungstransistorpaare Ti, T2 bzw. T3, 74. Der langsame Vorlauf wird bezüglich der Drehzahl geregelt, und der entsprechende Steuerimpuls wird über ein ODER-Gatter über den Anschiußpunkt MS dem positiven Eingang eines ersten Operationsverstärkers OPX zugeführt

In F i g. 1 sind zwei Operationsverstärker OP1 und OP2 vorgesehen, wobei der Operationsverstärker OP1 für die Drehzahl bzw. Motorregelung nach der EMK zuständig ist und der Operationsverstärker OP2 die Symmetrie der schwebenden Brücke bezüglich der Speisespannung herstellt

Die Motorspannung besteht aus einer dieser Spannung entgegengesetzten EMK und aus einem weiteren Spannungsteil, welcher sich aus dem Motorstrom und dem Wicklungswiderstand des Motors zusammensetzt. Das Prinzip der Regelung besteht darin, die EMK konstant zu halten. Um über den vollen Spannungsteil der EMK verfügen zu können, wird der ohmsche Anteil an der Motorspannung kompensiert, was durch eine Wheatstone'sche Brücke geschieht, in welcher der eine Zweig die Motorwicklung und ein Kompensationswiderstand R 1 gebildet ist und der andere Zweig durch im Verhältnis gleiche Widerstände R 2 und R 3 nachgebildet wird. Die Brückenmitte, also zwischen R 2 und R 3 und zwischen Motor und R 1, werden auf die Eingänge des Operationsverstärkers OPX geführt, dessen Ausgangsspannung sich so einstellt, daß seine Eingangsspannungsdifferenz zu Null wird. Der Soll-Wert selber wird bei R X über einen 190-Ohm- und einen 10-kohm-Widerstand bzw. über den positiven Eingang des Operationsverstärkers eingegeben. Liegt kein Soll-Wert am Ausgang M5des ODER-Gatters, das hier als Gatter mit offenem Kollektor verwendet wird, an, dann besteht keine Stromverbindung zwischen den Widerständen 190 0hm und lOkohm, und der Widerstand RX liegt dhekt am positiven Eingang des Operationsverstärkers OPX an. Durch den sehr großen, praktisch unendlichen Eingangswiderstand des Operationsverstärkers gelingt eine spannungsmäQige Kopplung ohne unerwünschten Stromfluß. Wird ein Soll-Wert eingegeben, dann liegt der Punkt MSauf Null, und die Brücke wird über den KMcohnvWiderstand unsymmetrisch gemacht Der positive Eingang des Operationsverstärkers OPl wird gegenüber 12 Volt etwas negativer, dus bedeutet, der Transistor 72 der Treiberstufe leitet. Der zweite Operationsverstärker OPT. liegt mit seinet.i positiven Eingang an einem Spannungsteiler aus zwei tO-kohm-Widcrständen, die ihrerseits zwischen O und 24 Volt geschaltet sind. Dies bedeutet, daß der positive Eingang des Operationsverstärkers OP2 an 12 Volt liegt, welches gleichzeitig die neue künstlich geschaffene Null· oder Symmetrielinie darstellt. Der negative Eingang des Operationsverstärkers OP2 liegt ebenfalls an einem Brückenpunkt mit zwei 10-kohm-Widerständen. Diese beiden 10-kohm-Widerstände liegen einmal am Motor und einmal an R 1. Die Ausgangsspannung am Motor stellt sich nun bei Fehlen eines Soll-Wert-Signals so ein, damit die beiden Punkte A und B, d. h„ die beiden gleitenden Brückenendpunkte, symmetrisch zu 12 Volt, d.h. symmetrisch zur oberen und unteren Versorgungsspannung, liegen. Ist der Transistor 72 geöffnet, bedeutet dies, daß der Punkt A, an dem der Motor angeschlossen ist, gegenüber der Symmetrielinie von 12 Volt etwas negativer wird. Dadurch wird auch der negative Eingang am Operationsverstärker OP 2 etwas negativer. Dadurch wird jedoch sein Ausgang gegenüber der künstlichen Null-Linie, d.h. der Symmetrielinie, zu 12 Volt etwas positiver u>d öffnet 73. Dadurch wird der Kompensalionswiderstand R X bzw. der Punkt /i gegenüber der Symmetrieiinie nach positiven Werten ^!:in verlagert, während der Motor mit seinem Anschlußpunkt A, welcher den anderen Brückenendpunkt der gleitenden Brücke bildet, von der Symmetrielinie ausgehend zu von 12 Volt -negativen Werten hin verlagert wird. Diese Verlagerung bzw. Schwenken der Brückenendpunkte A und B aus der Symmetrielinie heraus geschieht jeweils um den gleichen Betrag, d. h., wenn der Punkt Λ auf 16 Volt hin verlagert wird, so wird symmetrisch zu 12 Volt der Punkt B um die gleiche Spannungsdifferenz nach 8 Volt hin verlagert.

Die Operationsverstärker OP1 und OP2 haben keine eigenen direkten Rückführungen. Die Rückführungen bilden sich vielmehr selber über die Transistoren, den Motor und die Widerstände der Brückenschaltung. Dadurch spielt t.. B. die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors keine Rolle, sie wird durch die Verstärkung der Operationsverstärker ausgeregelt. Eb brauchen deshalb für die Treiberendstufen keine speziellen ausgesuchten Transistoren verwendet werden.

D.e Schaltung nach der F i g. 1 berücksichtigt bezüglich der langsamen Regelung nur einen Soll-Wert, einen Langsamlauf, während zwei Schnelläufe vorwärts und rückwärts vorgesehen sind. Diese Schnelläufe sind jedoch nicht in die Regelung mit einbezogen, es werden vielmehr die Eingänge der Treiberstufen bzw. die Ausgänge der Operationsverstärker auf Null bzw. auf die positive Speisespannung geschaltet. Wird z. B. MA auf Null gelegt, d. h., 72 wird geöffnet, während dann gleichzeitig der negative Eingang vom Operationsverstärker OP2 ebenfalls auf Null gezogen wird, dadurch wird der Ausgang von OP2 positiver und öffnet den Trinsitcr 73. Am Punkt B liegt dadurch die positive Speisespannung von 24 Volt, während an Punkt A auf Masse bzw. auf O Volt liegt. Der umgekehrte Vorgang geschieht, wenn MEüber die Eingänge seines als offener Kollektor geschaltete Gatter ebenfalls auf Null gelegt wird.

Anhand der Fig. 2 wird das Prinzip der Regelung noch näher erläutert. Es sind dort zwei voneinander unabhängige Regelkreise 1 und 2 gebi.'de.. Die Wheatstone'sche Brücke 1 besteht aus einem Brückenzweig von Motor und Kompensationswiderstand R 1 sowie aus einem zwe-ten Zweig R 2 und R 3, welche die Nachbildung der Spannungsverhältnisse bzw. ohmschen Verhältnisse des ersten Brückenzweiges darstellen. Die

Brückenmitte wird einmal über einen Widerstand R dem positiven und vom anderen Brückenzweig ausgehend dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers OPl zugeführt. Dessen Ausgang ist an den Eingang einer Treiberstufe, bestehend aus den Transistoren Ti und T7. gebildet, dessen Ausgänge bzw. Emitter den einen gleitenden Brückenendpunkt A bilden. Dieser Teil der Regelung ist lediglich für die Drehzahlregelung gemäß der vom Motor gebildeten EMK zuständig. Wenn auf eine Spannungssymmetrierung bezüglich der Speisespannung verzichtet werden kann, so würde die Schaltung auch allein nur mit dieser Drehzahlregelung arbeiten. In diesem Fall würde die Verbindung zwischen Motor und Kompensationswiderstand Ri fest auf 12 Volt gelegt werden. Dadurch ist aber für den Anlauf- oder Stopvorgang ein geringeres Spannungsvolumen zur Verfügung, welches z. B. nur von 12 auf 24 Volt oder von 12 nach O Volt reicht. Damit jedoch für Beschleunigungs- und Bremsvorgänge die gesamte Versorgungsspannung ausgenutzt werden kann, ist die Brückenmitte des einen Brückenzweiges, gebildet aus Motor und Kompensationswiderstand R 1, nicht auf eine feste Spannung gelegt, sondern ebenfalls an einen schwebenden Brückenendpunkt B. Dieser schwebende Punkt B wird gebildet durch einen weiteren Regelkreis. Dieser Regelkreis hat als Soll-Wert am positiven Eingang des Operationsverstärkers OP2 eine Spannung, die durch einen gleichartigen Spannungsteiler bezüglich der Speisespannung gebildet wird. Bei einer Speisespannung von 24 Volt entsteht so am positiven Eingang des Operationsverstärkers OP2 eine Spannung von 12 Volt. Bei einer höheren Spannung oder bei Spannungsschwankungen würde sich diese Eingangsspannung immer auf die Mitte der jeweiligen Speisespannung einstellen. Der Operationsverstärker OP2 regelt nun über die beiden Transitoren T3 und Γ4. welche die andere Treiberstufc darstellen, die Spannung an Ri so ein. daß der negative Eingang des Operationsverstärkers diesem Wert des positiven Eingangs angeglichen ist. Dies gelingt durch die Brückenschaltung mit zwei 10-kohm-Widerständen. die über die beiden Brückenpunkte A und B geschaltet sind, in der Fig. 3 ist das Betriebsverhalten des Motors bezüglich einer einseitig gerichteten Speisespannung näher erläutert. Beim Anlegen einer Speisespannung von 24 Volt liegt am positiven Eingang des Operationsverstärkers OP2 eine positive Spannung von 12 Volt, welche die neue künstliche Null-Linie bildet, die in der F i g. 3 mit 5 gekennzeichnet ist. Ist die Speisespannung nicht geregelt, sondern schwankt innerhalb gewisser Grenzen, dann wird diese Null-Linie durch die Spannungsregelung symmetrisch zur maximalen und minimalen Speisespannung nachgeführl. Bei einem Stillstand des Motors liegen die beiden gleitenden Brückenendpunkte A und B auf der Symmetrie- bzw. Null-Linie S. Bei einer Soll-Wert-Eingabe, z. B. bei einem langsamen Vorwärtslauf des Motors, wird diese Null-Linie durch die elektrische Beschallung symmetrisch verschwenkt, so daß die neue Arbeitsbedingung entsteht, wo der Punkt A auf die volle Speisespannung A 2 gelangt und der Punkt B auf die in diesem Fall negative Speisespannung oder Masse gelegt wird. Nach etwa 20 msec hat der Motor seine volle Drehzahl erreicht, und die Punkte A 2 bzw. B 2 werden nun einem langsamen Vorlauf entsprechend auf die Punkte A 1 bzw. B 1 eingependelt, wo der normale Betriebszustand bezüglich des langsamen Vorlaufes herrscht. Bei einem Motorstop, wo als EMK-Vorgabe = 0 gewählt wird, schwenken die gleitenden Brückenendpunkte auf den Betriebszustand A 3 bzw. B 3, wo wiederum nach etwa 20 msec der gewünschte Zustand erreicht ist, wo die EMK 0 ist und wo anschließend die Brückenendpunkte A 3 und 53 in die dem Stillstand des Motors entsprechende Stellung A und B geschwenkt werden. Bei einem Stillstand des Motors liegen beide Eingänge des ersten Operationsverstärkers OPl an gleicher Spannung. Wird ein Soll-Wert über einen Vorwiderstand an den positiven Eingang des Operationsverstärkers OPl gelegt, so entsteht eine Unsymmetrie innerhalb der Brücke. Es stellt sich dann eine derartige Drehzahl ein, bei der die EMK geteilt durch das Spannungsverhältnis R 2 und R 3 gleich dem Wert ist, um den der positive Eingang des Operationsverstärkers OPl gegenüber dem Brückenpunkt zwischen Motor und R 1 verändert wurde.

Die Fig.4 bzw. 4a zeigen, wie der Motor aufgrund eines Spannungsimpulses an der Soll-Wert-Eingabe mit einem entsprechenden Drehzahlimpuls antwortet. Bei dieser Regelung mit kurzen Start- und Stopzeiten ist die Versorgungsspannung gegenüber der SoII-EMK des Motors relativ groß, um für Beschleunigungs- und Bremsvorgänge genügend große Spannungsreserven zu haben. Durch die große Regelverstärkung in dieser Schaltung gehen die beiden Operationsverstärker z. B. beim Start an den oberen bzw. unteren Anschlag bis kurz vor dem Erreichen des Soll-Wertes. Durch den geringen Anteil der EMK an der Gesamtspannung wird der Strom lediglich durch Wicklungs- und Reihenwiderstand bestimmt, d. h„ es ist Stromeinprägung und somit konstante Beschleunigung mit linearem Drehzahlanstieg und -abfall gegeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Elektromotors (M), der in einem Zweig einer Wheatstone'schen Brücke (M, R\, /??, R3) liegt, die mit einem ersten Anschluß (A)der Eingangsdiagonale (A, B) über einen ersten Leistungstransistor (Ti) an einem ersten Pol ( + 24) einer Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und dessen Ausgangsdiagonale mit einem ersten Operationsverstärker (OP1) verbunden ist, dem außerdem eine Bezugsspannung zugeführt ist und dessen Ausgang mit der Basis des ersten Leistungstransistors (Ti) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschluß (A) der Eingangsdiagonale (A, B) über einen zweiten, zum ersten polaritätsmäßig inversen Transistor (T2) mit dem anderen Pol der Speisespannungsquelle verbunden ist, wobei dessen Basis mit der des ersten Transistors (7Ί) verbunden ist, und daß der zweite Anschluß (B) der Eingangsdiagonale (A, B) über ein ebensolches Transistorpaar (T3, 74) mit beiden Polen der Gleichspannungsquelle verbunden ist, daß dem Anschluß der Eingangsdiagonale (A, B) ein Spannungsteiler (R 7, R 8) parallel geschaltet ist, dessen Mittelabgriff mit einem Eingang eines zweiten Operationsverstärkers (OP2) verbunden ist, dessen zum ersteh Eingang inverser zweiter Eingang mit dem Mittelabgriff eines zweiten, an die beiden Pole der Speisespannungsquelle angeschlossenen Spannungsteilers (R 9, R 10) verbunden isl und dessen Ausgang mit den Basisanschlüssen des zweiten Leistungstransistorpaares (Γ3, T4) verbunder: ist.

2. Schaltungsanordnung mch Anspruch "1, dadurch gekennzeichnet, daß der positiv ·: Eingang des zweiten Operationsverstärkers (OP2) auf der Hälfte der angelegten Speisespannung als Symmetriespannung liegt

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationsverstärker (OPi, OP2) keine Rückkopplung haben.