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Einrichtung zur Erzeugung einer drehzahlabhängigen Gleichspannung
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(Internationale Klasse vermutlich G Olp, 3/46) Die Erfindung betrifft
eine Einrichtung zur Erzeugung einer drehzahlabhängigen Gleichspannung unter Verwendung
der in den Strängen einer Induktionsmaschine von deren rotierendem Induktor induzierten
Wechselspannungen,wobei zur zyklischen Durchschaltung unipolarer Strangspannungen
an ein Erfassungssystem elektronische Schalter vorgesehen sind, welche abhängig
von der Drehstellung des Induktors geöffnet und geschlossen werden. Eine derartige
Einrichtung ist bekannt aus der DT-OS 1 926 628.
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Bei der bekannten Einrichtung nach dieser DT-OS wird ein spezieller
Vierphasengenérator verwendet, dessen Induktor dreieckförmig magnetisiert ist, um
induzierte Spannungen zu erhalten, deren Verlauf etwa trapezfö wig ist, wobei zur
Drehzahlerfassung nur das Dach des Trapezes verwendet wird. Eine solche Art der
Drehzahlerfassung er-;wtordert also einen ganz speziellen Aufbau des magnetischen
Kreises und isB-deshalb nur mit einem Tachogenerator realisierbar.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die Drehzahlerfassung ohne
Verwendung eines Tachogenerators bei kollektorlosen Gleichstrommotoren zu verbessern,
insbesondere bei solchen Motoren, die mit niedrigen Drehzahlen betrieben werden.
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Nach der Erfindung wird dies erreicht durch die im Anspruch 1 angegebenen
Maßnahmen. Zur Definition eines vierpulsigen, viersträngigen Motors wird hingewiesen
auf den grundlegenden Aufsatz von Ir. R. Müller in "asr Digest für angewandte Antriebstechnik",
Heft 1/2 1977, S. 27-31 und dort speziell auf Bild 6. - Die Erfindung geht von der
Erkenntnis aus, daß an den beiden Sammelleitungen im Betrieb jeweils eine unipolare
Wechselspannung ansteht, wobei die Wechselspannung an der einen Sammelleitung dieselbe
Form hat wie die an der anderen, aber um 900 ihr gegenüber versetzt ist. Da die
unipolaren Wechselspannungen Jeweils etwa Sinusform haben, kann man die Spannung
an der einen Sammelleitung als Sinusfunktion, die an der anderen Sammelleitung als
Cosinusfunktion betrachten, und durch Quadrieren und nachfolgendes Addieren dieser
quadrierten Spannungen erhält Lan dann eine im wesentlichen konstante Gleichspannung,
die mit steigender Drehzahl quadratisch ansteigt. Eine solche Gleich-Spannung kann
ohne weiteres für Regelzwecke verwendet werden, da im Bereich kleiner Regelabweichungen
eine praktisch lineare Beziehung zwischen Drehzahl und Ausgangsspannung besteht.
Durch Nachschalten eines Radizierg)ieds läßt sich Jedoch auch für große Drehzahlbereiche
ein linearer Zusammenhang herstellen. Auf Jeden Fall werden durch die Erfindung
die Pulsationen der Gleichspannung, wie sie bei den bekannten Schaltungen vorhanden
sind, weitgehend beseitigt, und zwar ohne die Verwendung von Kondensatoren oder
dergleichen, d. h. ohne die Einfügung von unerwünschten Zeitkonstanten in den Regelkreis.
Außerdem entfallen durch die Verwendung elektronischer Schalter unerwUnschte Spannungsabfälle,
wie sie bei Schaltungen mit Dioden unvermeidbar sind, und dies ist besonders bei
niedrigen Drehzahlen von großem Vorteil, z. B. beim Direktantrieb von Plattentellern,
bei Wickelmotoren für Tonbandgeräte, etc.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprtichen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt: Fig.
1 eine stark schematisierte Darstellung eines vierpulsigen, viersträngigen kollektorlosen
Gleichstrommotors nach dem Stand der Technik, und Fig. 2 eine Darstellung einer
erfindungsgemäßen Einrichtung in Verbindung mit einem Motor der in Fig. 1 dargestellten
Art.
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Der in Fig. 1 stark schematisch dargestellte Induktionsmotor ist ein
vierpulsiger, viersträngiger kollektorloser Gleichstrommotor mit einem Induktor
1 in Form eines zweipolig dargestellten permanentmagnetischen Rotors and mit vier
Statorwicklungssträngen 2, 3, 4, 5, die um Jeweils 900 el. gegeneinander versetzt
um den Induktor 1 herum angeordnet sind und in Sternschaltung geschaltet sind. Der
Sternpunkt ist an einen Pol einer (nicht dargestellten) Gleichspannungsquelle angeschlossen,
und die anderen Strangenden werden zyklisch über zugeordnete Halbleiterschalter
6, 7, 8, 9 mit dem anderen Pol dieser Spannungsquelle verbunden. Die Halbleiterschalter
6 bis 9, z. B. bipolare Leistungstransistoren wie in Fig. 2 dargestellt, werden
gesteuert von zwei Hallgeneratoren 10 und 11, die um den Induktor 1 herum in einem
Winkelabstand von 900 el. angeordnet sind und von dessen Magnetfeld gesteuert werden.
In Fig. 1 ist der Hallgenerator 10 beim Strang 3 und der Hallgenerator 11 beim Strang
2 angebracht. Jeder Hallgenerator hat zwei Steuerspannungsausgänge. Der Hallgenerator
10 steuert die Halbleiterschalter 6 und 8 und über diese die um 1800 el. gegeneinander
versetzten Stränge 2 und 4; der Hallgenerator 11 steuert die Halbleiterschalter
7 und 9 und über diese den Strom in den um 1800 el. versetzten Strängen 3 und 5.
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Im Betrieb erzeugen die Hallgeneratoren 10 und 11 jeweils an ihren
Steuerausgängen eine Spannungsdifferenz, deren Größe abhängt vom Steuerstrom durch
den betreffenden Hallgenerator, der Größe der auf den Hallgenerator wirkenden magnetischen
Induktion, sowie der Polarität der Richtung des Magnetflusses. In der Lage nach
Fig. 1 liegt der Nordpol des Induktors 1 dem Hallgenerator 11 gegenüber, und
dieser
aktiviert dann den Halbleiterschalter 7, so daß der Strang 3 Strom erhält und den
Nordpol N des Induktors 1 anzieht und den Südpol S abstößt, so daß der Induktor
1 sich im Gegenzeigersinn dreht.
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Nähert sich hierbei der Nordpol dem Hallgenerator 10, so wird der
Halbleiterschalter 8 aktiviert und der Wicklungsstrang 4 erhält Strom, wodurch der
Induktor 1 seine Drehung in der gezeigten Richtung fortsetzen wird. Während dieser
Drehung des Rotors gelangt dann der Südpol S zum Hallgenerator 11, und dieser aktiviert
den Halbleiterschalter 9 und dadurch die Stromzufuhr zum Wicklungsstrang 5.
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Wenn nachfolgend der Südpol S zum Hallgenerator 10 gelangt, wird dieser
den Halbleiterschalter 6 und damit die Stromzufuhr zum Strang 2 aktivieren, so daß
die Kommutierungs-Reihenfolge des in Fig. 1 dargestellten Motors 3 - 4 - 5 - 2 ist.
Die einzelnen Stränge 2 bis 5 erhalten also mit einer Phasenverschiebung von 900
el. Strom zugeführt, so daß jeweils zwei Stränge stromführend sind. Zu jedem Zeitpunkt
sind also zwei stromlose Stränge vorhanden, die ebenfalls einen Winkelabstand von
900 einschließen, und in diesen Strängen wird in bekannter Weise eine der Drehzahl
des Induktors 1 proportionale Gegen-EMK induziert. Beim dargestellten Motor nach
Fig. 1 treten diese induzierten drehzahlproportionalen Spannungen periodisch auf,
sind im wesentlichen sinusförmig und sind gegeneinander jeweils um 900 phasenverschoben.
Die Erfindung nützt diese sinusförmigen Signale aus zur Erzeugung eines Meßsignals,
welches in einer eindeutigen Abhängigkeit von der Drehzahl des Induktors steht.
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Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Einrichtung, bei welcher ein Motor gemäß Fig. 1 verwendet wird.
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Gleiche oder gleich wirkende Teile wie in Fig. 1 sind deshalb mit
denselben Bezugszeichen wie dort bezeichnet und werden nicht nochmals beschrieben.
Das zur Drehzahlerfassung dienende System ist mit einem gestrichelten Rahmen umrahmt
und mit E bezeichnet.
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Die Stränge 2 bis 5 sind Jeweils mit ihrem einen Ende in Sternschaltung
verbunden mit dem einen Pol einer Gleichspannungsquelle Vg, und ihre anderen Enden
sind Jeweils an den Kollektor eines npn-Leistungstransistors 6 bis 9 angeschlossen.
Die Emitter dieser Transistoren sind über Widerstände 12 bis 15 mit dem anderen
Pol der Gleichspannungsquelle
V3 verbunden. Die Steuerspannungsausgänge
des Hallgenerators 10 sind mit den Basiselektroden der Transistoren 6 und 8 verbunden,
und die Steuerspannungsausgänge des Hallgenerators 11 mit den Basiselektroden der
Transistoren 7 und 9. Der eine Stromeingang der Hallgeneratoren 10 und 11 ist jeweils
mit Masse und der andere mit dem Ausgang eines Regelverstärkers 29 verbunden.
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An die Steuerspannungsausgänge des Hallgenerators 10 sind ferner zwei
Differenzverstärker 16 und 17 in der dargestellten Weise angeschlossen, und an die
Steuerspannungsausgänge des Hallgenerators 11 sind zwei Differenzverstärker 18 und
19 in der dargestellten Weise angeschlossen. Es ist also jeweils der Plus-Eingang
des einen Differenzverstärkers zusammen mit dem Minus-Eingang des anderen Differenzverstärkers
an den einen Steuerspannungsausgang des zugeordneten Hallgenerators angeschlossen,
während der Minus-Eingang des ersten Differenzverstärkers zusammen mit dem Plus-Eingang
des zweiten Differenzverstärkers an den anderen Steuerspannungsausgang des zugeordneten
Hallgenerators angeschlossen ist, wie das Fig. 2 klar zeigt.
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Die Ausgangssignale der Differenzverstärker 16 bis 19 werden elektronischen
Schaltern 20 bis 23 zugeführt. Der Eingang des Schalters 20 ist mit dem Kollektor
des Transistors 6 verbunden, der Eingang des Schalters 21 mit dem Kollektor des
Transistors 8. Die Ausgänge der beiden elektronischen Schalter 20 und 21 sind gemeinsam
mit einer ersten Sammelleitung 24' verbunden. Ebenso ist der Eingang des elektronischen
Schalters 22 mit dem Kollektor des Transistors 7 und der Eingang des Schalters 23
mit dem Kollektor des Transistors 9 verbunden, während die Ausgänge der Schalter
22 und 23 miteinander und mit einer zweiten Sammelleitung 25' verbunden sind. Die
erste Sammelleitung 24' führt zu einer ersten Quadrierschaltung 24, und die zweite
Sammelleitung 25' führt zu einer zweiten Quadrierschaltung 25. Bei den Quadrierschaltungen
24 und 25 handelt es sich um übliche Quadrierschaltungen der Analog-Rechentechnik,
wie sie in großer Vielfalt auf dem Markt angeboten werden. Die Ausgänge der beiden
Quadrierschaltungen 24 und 25 sind mit einem Summierglied 26 verbunden, an dessen
Ausgang ein Radizierglied 27 angeschlossen ist. Am Ausgang des Radizierglieds 27
erhält man ein Meßsignal, welches der augenblicklichen Drehzahl des Induktors 1
direkt proportional ist.
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Die beschriebene Einrichtung nach Fig. 2 arbeitet wie folgt: Wenn
man annimmt, daß der Induktor 1 eine solche Winkelstellung hat, daß die Spannung
an dem mit der Basis des Transistors 8 verbundenen Steuerspannungsausgang des Hallgenerators
10 positiver ist als die Spannung am anderen Steuerausgang, so wird der Transistor
8 leitend und der Strang 4 erhält Strom, während der Strang 2 stromlos ist.
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Bei dieser Polarität der Potentialdifferenz zwischen den beiden Steuerspannungsanschlüssen
des Hallgenerators 10 gibt nur der Differenzverstärker 16 ein Ausgangssignal ab,
so daß der elektronische Schalter 20 geöffnet wird, während der elektronische Schalter
21 gesperrt ist. Über den elektronischen Schalter 20 wird also die im Strang 2 induzierte
Gegen-EME der ersten Sammelleitung 24' zugeführt. (Im entgegengesetzten Fall, wenn
der mit der Basis des Transistors 6 verbundene Steuerspannungsausgang des Hallgenerators
10 positiver ist als sein anderer Ausgang, wird der Transistor 6 leitend und der
Strang 2 erhält Strom, während der Strang 4 stromlos ist; dementsprechend gibt dann
der Differenzverstärker 17 ein Ausgangssignal ab, so daß der elektronische Schalter
21 geöffnet und der elektronische Schalter 20 gesperrt wird und die im Strang 4
ininduzierte Spannung der ersten Sammelleitung 24' zugeführt wird.) Es wird also
bei den zwei verschiedenen Polaritäten der Potentialdifferenz zwischen den beiden
Steuerspannungsausgängen eines Hallgenerators jeweils entweder der eine oder der
andere elektronische Schalter leitend, um die im jeweils stromlosen Strang induzierte
Gegen-EMK der betreffenden Sammelleitung zuzuführen. Zum Beispiel wird der Hallgenerator
11 entweder über den Differenzverstärker 18 den elektronischen Schalter 22 schließen,
um die im stromlosen Strang 3 induzierte Gegen-EMK der zweiten Sammelleitung 25'
zuzuführen, oder er wird über den Differenzverstärker 19 den elektronischen Schalter
23 schließen, um die im stromlosen Strang 5 induzierte Gegen-EME der zweiten Sammelleitung
25' zuzuführen.
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Wie bereits erläutert wurde, sind zu jedem Zeitpunkt zwei gegeneinander
um 900 el. versetzte Stränge stromlos, und die periodischen, im wesentlichen sinusförmigen
drehzahlproportionalen Spannungen in diesen Strängen haben deshalb eine Phasenverschiebung
von 900. Die eine dieser Spannungen liegt jeweils an der ersten Sammelleitung 24'
und
die andere an der zweiten Sammelleitung 25 an. Man kann also annäherungsweise die
Eingangssignale der Quadierschaltungen 24 und 25 bezeichnen mit U . sin t bzw. mit
U . cos t. Da die Quadrierschaltungen diese Spannungen quadrieren, erhält man am
Ausgang des Summierglieds 26 eine Spannung der Form U (sin2 t + cos2 t) = u2 d.
h. durch das Quadrieren und nachfolgendes Summieren erhält man am Ausgang des Summierglieds
26 eine von Pulsationen im wesentlichen freie Gleichspannung. Führt man diese Gleichspannung
dem Radizierglied 27 zu, so erhält man an dessen Ausgang ein Meßsignal mit dem Wert
U, d. h. den drehzahlproportionalen Spitzenwert der in den jeweils stromlosen Strängen
induzierten Spannungen. (Das Radizierglied 27 ist ebenso wie die Quadrierglieder
24 und 25 ein in der Analog-Rechentechnik geläufiges Schaltungselement, dessen Aufbau
deshalb nicht im einzelnen beschrieben zu werden braucht.) Da die elektronischen
Schalter 20 bis 23 über die Differenzverstärker 16 bis 19 direkt von den Steuerspannungsausgängen
der beiden Hallgeneratoren 10 und 11 aktiviert werden, werden diese Schalter leitend,
sobald die Potentialdifferenz zwischen den beiden Steuerspannungsausgängen eines
Hallgenerators eine Polarität annimmt, die ausreicht, um ein genügend großes Ausgangssignal
am zugeordneten Differenzverstärker zu erzeugen. Man erhält also unabhängig von
der Größe der induzierten drehzahlproportionalen Spannungen und damit unabhängig
von der augenblicklichen Drehzahl immer ein drehzahlproportionales Meßsignal am
Ausgang des Suumierglieds 26 bzw. des Radizierglieds 27.
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Dieses Meßsignal kann in bekannter Weise zur Drehzahlregelung verwendet
werden. Zum Beispiel kann es wie in Fig. 2 dargestellt als Drehzahl-Istwert einem
Vergleicher 28 zugeführt werden und dort mit einem Drehzahl-Sollwert UsOll verglichen
werden. Bei Motoren mit variabler Drehzahl kann dieser Drehzahl-Sollwert einstellbar
sein. Das Ausgangs signal des Vergleichers 28 kann nach geeigneter Verstärkung im
Regelverstärker 29 direkt den Strom zu den beiden Hallgeneratoren 10 und 11 steuern.
Alternativ können die Hallgeneratoren 10 und 11 auch mit einem konstanten Strom
gespeist werden, und der Ausgang des
Regelverstärkers kann einen
Regeltransistor steuern, der zwischen V3 und dem Sternpunkt der Wicklungen 2 bis
5 liegt. Auch andere Arten der Regelung sind im Rahmen der Erfindung ohne weiteres
möglich.
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Wichtig ist, daß zu jedem Zeitpunkt ein nicht pulsierendes Meßsignal
zur Verfügung steht, welches eine Funktion der augenblickl.ichen Drehzahl des Induktcrs
ist, und daß dieses nicht-pulsierende Meßsignal auch bei niedrigen Motordrehzahlen
zur Verfügung steht, so daß auch bei niedrigen Motordrehzahlen eine qualitativ hochwertige
Regelung möglich ist.
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L e e r s e i t e