DE2622656C2 - Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors, insbesondere für zahnärztliche Handgeräte - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors, insbesondere für zahnärztliche Handgeräte

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors, insbesondere für zahnärztliche Handgeräte, mit einem eine einstellbare Sollwertspannung liefernden Sollwertgeber, mit einem Komparator, dem die jeweils eingestellte Sollwertspannung sowie die Ankerspannung des Motors als Istwertspannung zugeführt wird und der daraus eine Regelspannung bildet, mit einem im Ankei-stromkreis des Motors liegenden Stellglied, welches durch die Regelspannung steuerbar ist und mit einem Glied mit Schwellwertcharakteristik im Steuerkreis des Stellgliedes.
Eine Schaltungsanordnung der vorstehend bezeichneten Art ist bekannt durch die DEOS 19 09 265- Von Nachteil bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist jetloch, daß diese nur eine relativ mäßige Regelempfind-Uchkeit und Ansprechempfindlichkeit aufweist und daß im übrigen der zur Verfügung stehende Regelbereich eng ist
. Es Ist ferner aus der DE'AS 15 88 073 eine Einrichtung zur Drehzahlregelung eines konstant erregten Gleichstrommotors bekannt, der mit einem mit einem Leistungstransistor über eine Diode verbundenen Tachogenerator gekoppelt ist, der eine von der jeweiligen Motordrehzahl abhängige Istwertspannung liefert, welche zusammen mit einer weiteren, dem jeweiligen Motorstrom entsprechenden Rückkopplungsspannung zur Erzeugung der erforderlichen Regelspannung herangezogen wird. Bei dieser bekannten Einrichtung sind bei relativ hohen schaltungstechnischem Aufwand die Regelempfindlichkeit und die Ansprechempfindlichkeit relativ gering.
Es ist ferner aus der DE-OS 14 38 227 eine Schaltungsanordnung zi?r Drehzahlsteuerung von Reihenschluß-Kommutatoren, insbesondere für Universalmotoren zahnärztlicher Bohrmaschinen, bekannt Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist ein Stellglied durch ein elektronisches Schalterelement, insbesondere durch ein Thyratron, gebildet Zur Erzeugung der Regelspannung wird dabei eine von der Ankerspannung des Motors abgeleitete Istwertspannung mit einer einstellbaren Gleichspannung der Zündwechseispannung des Thyratrons addiert Obwohl dadurch ein höherer Wirkungsgrad als bei kontinuierlich arbeitenden Regelschaltungen erzielt wird, wird dennoch eine beachtliche Energie für den Regelanteil verbraucht d. h. für die Erzeugung der Regelspannui.g und für die Steuerung des Thyratrons.
Es ist schließlich aus der DE-PS 12 66 859 eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Drehzahl eines Gleichstrommotors der eingangs betrachteten Art bekannt die allerdings als Serienregler arbeitet wobei der ohmsche Widerstand des betreffenden Stellgliedes in Abhängigkeit von der Belastung des Motors variiert wird. Dies bedeutet aber, daß auch diese bekannte Schaltungsanordnung nur eine relativ geringe Regelempfindlichkeit und Ansprechempfindlichkeit zeigt
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannte). Art rui: relativ geringem schaltungstechnischem Aufwand sowohl die Regelempfindlichkeit als auch die Ansprechempfindlichkeit erhöht und der Regelbereich erweitert werden kann.
Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß ladurch, daß der Komparator das Glied mit Schwellwertcharakteristik ist und je nachdem, ob die Sollwertspannung die Istwertspannung Überoder unterschreitet, einen hohen oder ein? niedrigen Ausgangsspannungspegel zur Steuerung des Stellgliedes abgibt und daß der Komparator mit seinem Sollwerteingang am Ausgang des als Operationsverstärker ausgebildeten Sollwertgebers angeschlossen ist der eingangsseitig die jeweilige Sollwertspannung und eine dem jeweiligen Motorstrom entsprechende Korrekturspannung zugeführt erhält und der ausgangsseitig eine aus der jeweiligen Sollwertspannung und der jeweiligen Korrekturspannung gebildete Summenspannung abgibt
Die Vorteile der Erfindung liegen in der lösung der in der Aufgabe genannten Problematik.
Zweckrriäßigenveise ist der Komparator ein Schmitt-TriggerDies ergibt einen besonders geringen schaltungstechnischen Aufwand hinsichtlich der Realisierung des Komparator.
Vorzugsweise ist der nicht invertierende Eingang des als Sollwertgeber ausgebildeten Operationsverstärkers mit dem Abgriff eines Potentiometers verbunden,
dessen einem Anschluß die Sollwertspannung und dessen anderem Anschluß die Ober einem Meßwertwiderstand im Motorstromkreis abfallende Korrekturspannung zugeführt ist Dies ergibt einen besonders geringen schaltungstechnischen Aufwand hinsichtlich der Verarbeitung der Sollwertspannung und der Korrekturspannung, wobei überdies eine einfache Einstellmöglichkeit für die zu regelnde Drehzahl des Motors gegeben ist
Um einen ruhten gleichmäßigen Lauf des Motors zu gewährleisten, ist vorzugsweise zwischen dem Stellglied und dem Anker des Motors ein Siebglied angeordnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Frfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung; F i g. 2 Impulsdiagramme für einzelne Meßpunkte der Schaltungsanordnung.
Die in F i g. 1 gezeigte Schaltungsanordnung enthält einen Gleichstrommotor 10, der von einer nichtdargestellten Gäeichspannungsquelle versorgt wird. In Serie mit dem Motor 10 liegt die Emitter-Kollektor-Strecke eines das Stellglied verkörpernder Schälttransistor 5. Dieser Schalttransistor 5 wird durch SchaUimpulse zwischen seinem nichtleitenden und seinem leitenden Zustand umgeschaltet Zwischen dem Kollektor des Schalttransistors 5 und dem einen Anschluß des Motors 10 liegt eine Siebdrossel 7. Ferner führt von dem zuletzt erwähnten Anschluß des Motors 10 ein Siebkondensator 8 nach Masse. Die Drossel 7 und der Kondensator 8 glätten die an dem Motor 10 liegende pulsierende Gleichspannung. Um zu vermeiden, daß der Schalttransistor 5 durch Spannungsspitzen zerstört wird, die an der Siebdrossel 7 bei den einzelnen Schaltvorgängen entstehen, führt vom dem Kollektor des Transistors 5 eine Schutzdiode 6 nach Masse. Die Diode 6 ist so gepolt daß sie in bezug auf die Versorgungsgleichspannung für den Motor 10 gesperrt ist
Geregelt werden soll die Drehzahl des Motors 10. Zur Erzeugung eines Sollwertes liegt zwischen dem positiven und dem negativen Pol der Versorgungsspannungsquelle ein Sollwertgeber 1. Über dem Ausgang des Sollwertgebers 1 liegen ein einstellbarer Widerstand 12, ein Potentiometer 11. ein weiterer einstellbarer Widerstand 13 und ein Meßwiderstand 9 in Serie. Der Meßwiderstand 9 liegt auch im Motorstromkreis mit dem Motor 10 in Serie.
Dem einen Anschluß des Potentiometers 11 wird damit die Sollwertbezugsspannung vom Sollwertbezugsspannungsgeber 1 zugeführt während dem anderen Anschluß des Potentiometers 11 eine Spannung zugeführt wird, die über dem Meßwiderstand 9 abfällt und dem Motorraum proportional ist Die zuletzt erwähnte üDer dem Meßwiderstand 9 abfallende Spannung soll nachfolgend als Korrekturspannung bezeichnet werden. \m Abgriff des Potentiometers 11 steht demnach eine aus Sollwertbezugsspannung und Korrekturspannung zusammengesetzte Summenspannung.
Die Summenspannung wird dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 2 zugeführt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 2 ist Ober einen einstellbaren Widerstand 14 mit Masse verbünden,. Außerdem ist der inverlierende Eingang des Operationsverstärkers 2 über einen Rückkopplungswiderstand 15 mit dem Ausgang des Operationsverstär- es kers 2 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 2 ist über einen Lastwiderstand 16 mit dem positiven Anschluß der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Der Operationsverstärker 2 arbeitet in dieser Schaltung als proportionaler Verstärker. Sein Verstärkungsgrad hängt von dem Verhältnis der Widerstandswerte des Rückkopplungswiderstandes 15 zu dem einstellbaren Widerstand 14 ab. Durch Einstellung des Widerstandes 14 kann demnach auch der Verstärkungsgrad des Operationsverstärker 2 variiert werden. Am Ausgang des Operationsverstärkers steht demnach die verstärkte Summenspannung.
Die verstärkte Summenspannung am Ausgang des Operationsverstärkers 2 wird dem einen Eingang eines den Komparator verkörpernden Schmitt-Triggers 3 zugeführt Dem anderen Eingang des Schmitt-Triggers 3 wird die über den Motor abfallende Ankerspannung zugeführt Je nachdem, welche der Spannungen an den beiden Eingängen des Schmitt-Triggers 3 größer als die andere ist, schaltet der Schmitt-Trigger in den einen oder anderen Schaltzustand um. Die im Ausgang des Schmitt-Triggers 3 entstehenden Spannungsimpulse werden einem Impulsformer 4 zugeführt. Dieser formt die Impulse so um, daß sie besonders .eile Schaltflanken haben. Diese Schaltimpulse werde;: d-",nn der Basis des Transistors 5 über einen Widerstand 17 zugeführt
Die Schaltfrequenz, mit der der Schalttransistor umgeschaltet wird, ist einerseits abhängig von der Hysterese des Schmitt-Triggers 3 und andererseits von der Verstärkung des Operationsverstärkers Z Vorzugsweise wird die Dimensionierung so gewählt, daß sich die Schaltfrequenz zwischen 500 Hz und 5 kHz bewegt
Die Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:
Wenn infolge einer Belastung des Motors 10 die Ankerspannung sinkt, so schaltet der Schmitt-Trigger 3 den Schalttransistors 5 über den Impulsformer 4 in den leitenden Zustand. Dadurch wird der Abfall der Ankerspannung über dem Motor 10 wieder ausgeglichen und das Lastmoment durch ein erhöhtes Drehmoment des Motors kompensiert.
Infolge einer Lasterhöhung sinkt nicht nur die Ankerspannung, sondern es steigt auch der Motors'rom. Dadurch erhöht sich die über dem Meßwiderstand 9 abfallende Korrekturspannung. Das hat zur Folge, daß auch die Summenspannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2 sowie die verstärkte Summenspannung am Ausgang des Operationsverstärkers 2 steigen. Während also an dem einen Eingang des Schmitt-Triggers 3 die Istwertspannung sinkt, steigt an dem anderen Eingang gleichzeitig die korrigierte Sollwertspannung (verstärkte Summenspannung). Man erkennt, daß auf diese Weise eine verstärkte und schnellere Regelwirkung erzielbar ist
Aus den Impulsdiagrammen ist die Funktion der Schaltung ersichtlich. Am Schaltungspunkt A steht die konstante Sollwertbezugsspannung.
Am ScSaltungspunkt B liegt die Summenspannung, die sich aus der Sollwertbezugsspannung und der Korrekturspannung, die vom Punkt G kom/ii', zusam mensetzt. Der erste Sprung in der Sum/nenspannung wird durch eine Verstellung des Potentiomelers 11 zwecks Neueinste'lung des Sollwertes für die Drehzahl bewirkt. Der zweite .sprung ist eine Folge der Erhöhung einer Belastung des Motors, Er ergibt sich durch einen entsprechenden Sprung des Motorstromes bzvt. der körrekturspartnurtg am Punkt G.
Die Spannung am Schaltungspunkt Cist proportional der Spannung am Schaltungspunkt B.
An den SpannungSpunkten D und F liegt die Istwertspannung, d. h. die Ankerspannung des Motors. Beachtenswert ist, daß der zweite Sprung in der Kurve
infolge einer Erhöhung der Belastung des Motors entsteht und auf den entsprechenden Eingang des Schmitt-Triggers 3 rückwirkt.
Am Punkt G kann die dem Motorstrom entsprechen^ de Korrekturspannung abgenommen Werden. Beach- $ tenswert ist, daß sich eine Sollwertänderung durch Verstellung des Potentiometers 11 kaum auf den Mölorstrom auswirkt. Dagegen ruft eine Änderung der Belastung des Motors einen starken Sprung hervor.
Am Punkt E treten die Spannungsimpulse auf, die zur Erzeugung der Ankerspannung des Motors dienen. Man erkennt, daß sich das Tastverhältnis der Spannungsimpulse sowohl ίη Abhängigkeit von Sollwertänderungen infolge Verstellung des Potentiometers U als auch in Abhängigkeit von Änderungen der Belastung des Motors 10 ändert. Durch Integration, d.h. durch Glättung der Spannungsimpulse mittels der Siebdrossel 7 und des Siebkondensators 8 entsteht dann die Ankerspannung an den Punkten Fund D.
Abschließend soll noch bemerkt werden, daß mit der beschriebenen Schaltung ein Wirkungsgrad von ca. 80% erreichbar ist, wogegen mit einem Serienregler nur ein Wirkungsgrad von ca. 15% erzielbar ist. Der hohe Wirkungsgrad hat insbesondere bei zahnärztlichen BohrhandstUcken den Vorteil, daß der Kühlmiuelbedarf geringer ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

  1. Patentansprüche:
    !.Schaltungsanordnungzum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors, insbesondere für zahnärztliche Handgeräte, mit einem eine einstellbare Sollwertspannung liefernden Sollwertgeber, mit einem Komparator, dem die jeweils eingestellte Sollwertspannung sowie die Ankerspannung des Motors als Istwertspannung zugeführt wird und der daraus eine Regelspannung bildet, mit einem im Ankerstromlcreis des Motors liegenden Stellglied, welches durch die Regelspannung steuerbar ist, und mit einem Glied mit Schwellwertcharakteristik im Steuerkreis des Stellgliedes, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (3) das Glied mit Schwellwertcharakteristik ist und je nachdem ob die Sollwertspannung die Istwertspannung über- oder unterschreitet, einen hohen oder einen niedrigen Ausgangsspannungspegel zur Steuerung des Stellgliedes (5) abgibt und daß der Komparator (3) mit seinem So'iwerteingang am Ausgang des als Operationsverstärker (2) ausgebildeten Sollwertgebers angeschlossen ist, der eingangsseitig die jeweilige Sollwertspannung (A) und eine dem jeweiligen Motorstrom entsprechende Korrekturspannung (G) zugeführt erhält und der ausgangsseitig eine aus der jeweiligen Sollwertspannung (A) und der jeweiligen Korrekturspannung (G) gebildete Summenspannung (C) abgibt
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (3) ein Schmiti-Trigber ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung na Ί Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der nicht invertierende Eingang des als Sollwertgeber z: ^gebildeten Operationsverstärkers (2) mit dem Abgriff eines Potentiometers (U) verbunden ist, dessen einem Anschluß die Sollwertspannung und dessen anderem Anschluß die über einem Meßwiderstand (9) im Motorstromkreis abfallende Korrekturspannung zugeführt ist
  4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stellglied (5) und dem Anker des Motors (5) ei·, Siebglied (7,8) angeordnet ist.
    45
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