DE2750782C3

DE2750782C3 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstommotors

Info

Publication number: DE2750782C3
Application number: DE2750782A
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiko Dipl.Ing. Tokyo Hirota; Shigeaki Dipl.-Ing. Hachioji Tokyo Oyama
Original assignee: Fujitsu Fanuc Ltd
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1976-11-15
Filing date: 1977-11-14
Publication date: 1981-11-12
Also published as: FR2371086A1; CH627594A5; DE2750782B2; SU1109077A3; JPS5362117A; DE2750782A1; GB1581704A; FR2371086B1; US4268781A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine solche Schaltungsanordnung ist bekannt durch die DE-AS 15 63 706, Figur 3.

Bekannt ist ein selbsttätiges Schaltwerk zum Regeln von Wechselstrombahnmotoren, bei dem eine Regelkurve verwendet wird, die proportional der Drehzahl ist, wobei der Strom so ausgewählt, daß verhindert wird, daß die Ausgangsleistung einen vorbestimmten Wert übersteigt (DE-PS 5 64 228).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, insbesondere eines Permanentmagnetmotors, zu schaffen, durch die das Auftreten von Bürstenfeuer vermieden wird. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs.

Die Verhinderung von Bürstenfeuer durch die erfindungsgemäßen Merkmale schützt den Gleichstrommotor und erhöht somit dessen Lebensdauer.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben, es zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Ausgangskennlinien eines Gleichstrommotors,

F i g. 2 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig.3 ein Blockschaltbild eines Leistungsbegrenzungskreises,

Fig.4 eine graphische Darstellung der Ausgangskennlinie des Leistungsbegrenzungskreises,

F i g. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach der Erfindung und

Fig.6 ein Schaltbild des Leistungsbegrenzungskreises in F i g. 3.

Bei einem Gleichstrommotor haben Ausgangsleistung PO, Drehzahl n, Ankerstrom Ia, Feldfluß Φ und Lastdrehmoment Tzueinander die folgenden Beziehungen

PO = 2πη■T

■ T = k ■ Φ ■ Ic.,

worin k eine Konstante ist Aus den Formeln (1) und (2) folgt

P0 = 2nk<PnIa. (3)

Bei einem Gleichstrommotor, bei dem der Feldfluß durch einen Permanentmagneten erzeugt wird, ist der Feldfluß Φ konstant, und es ergibt sich folgende Beziehung

PQ= Kn-Ia,

worin K = 2 π k Φ ist

Solange die Last konstant ist, d.h., solange die Motorausgangsleistung PO konstant ist, stehen demgemäß die Drehzahl und der Ankerstrom im umgekehrten Verhältnis zueinander, was eine Kennlinie ergibt, die durch die Kurve PO in F i g. 1 angegeben ist

Die Kommutierungsgrenze der Bürsten des Gleichstrommotors ist durch die Kurve P3 in F i g. 1 angegeben. Die Verwendung des Gleichstrommotors in einem Bereich, der die Kommutationsgrenzkurve P3 übersteigt, führt zur Funkenbildung der Bürsten und zur beschleunigten Abnutzung der Bürsten.

In einem als Beispiel gewählten Fall einer Drehbank werden die Tiefe des Schnitts und die anzuweisende Spindeldrehzahl unter Berücksichtigung eines zulässigen Drehmoments des Schneidwerkzeugs bestimmt, wobei das Material des Werkstücks, die Schneidleistung, die Motordrehzahl usw. gesteuert werden, um diese an die angewiesene Spindeldrehzahl anzupassen. Es wird angenommen, daß ein Gleichstrommotor zum Antreiben der Spindel sich zum Schneiden an einem Arbeitspunkt Q1 auf der Leistungskurve Pl in F i g. 1 dreht, wobei die angewiesene Drehzahl η 1 ist und der Ankerstrom /1 ist Wenn das Schneidwerkzeug einen härteren Teil des Werkstücks beim Fortschreiten des Schneidvorgangs erreicht, steigt das Drehmoment an dem Schneidwerkzeug plötzlich an, wodurch die Motordrehzahl verringert wird. Die Spannungsdifferenz zwischen der angewiesenen Motordrehzahl und der Istdrehzahl steigt dann an, um die Motordrehzahl konstant zu steuern. In diesem Fall nimmt der ■Vnkerstrom /a mit einem Anstieg der Spannungsdifferenz zu, und die Motorausgangsleistung steigt von PO nach P3 über die Kommutierungsgrenze Ps hinaus an.

Der Arbeitspunkt passiert die Kommutationsgrenzkurve, um den Punkt <?3 auf der Kurve P 3 zu erreichen. Hierbei tritt jedoch, wie oben erwähnt, eine Funkenbildung auf, wodurch die Eigenschaften der Bürsten verschlechtert werden und eine schnelle Abnutzung auftritt

Die Funkenbildung kann durch eine solche Steuerung vermieden werden, daß sofort, wenn der Arbeitspunkt die Kommutierungsgrenze überschreitet, die Drehzahl des Gleichstrommotors abfällt, um die Zeit zu verringern, während welcher der Arbeitspunkt über der Kommutierungsgrenze liegt

Die Kommutierungsgrenzkurve PZ kann qualitativ in folgender Weise ausgelegt werden. Je mehr der Ankerstrom ansteigt, desto merklicher wird der Demagnetisierungseffekt und desto mehr verschiebt sich die neutrale Achse des Gleichstrommotors. Als Ergebnis kreuzt die durch die Bürsten kurzgeschlossene Wicklung den Feldfluß, wodurch eine Gegen-EMK in der Wicklung erzeugt wird, weshalb ein großer örtlicher Strom durch die Wicklung fließt, der zu einer Funkenbildung der Bürsten führt

Wenn die Motorgeschwindigkeit ansteigt wird die Stromänderungszeit in der Wicklung, während der sich die Richtung des Stroms ändert, kurz, wodurch eine große Gegen-EMK (e = L-^) in der Wicklung erzeugt wird, was die Funkenbildung der Bürsten fördert

Um unter Berücksichtigung der vorstehenden Angaben eine Funkenbildung und eine Abnutzung der Bürsten zu vermeiden, ist es wünschenswert eine Leistungsgrenzkurve PL einzustellen und den Gleichstrommotor innerhalb der Grenze der Leistungsgrenzkruve PL zu steuern. In diesem Fall ist es aber nicht erwünscht daß die Leistungsgrenzkurve PL mit der Kommutierungsgrenzkurve P 3 zusammenfällt da es Fälle gibt, bei denen der Arbeitspunkt die Kurve P3 übersteigt

In dem Blockschaltbild der Regelungsschaltung des Gleichstrommotors nach F i g. 2 bezeichnen DC den Gleichstrommotor, 7TG einen Tachogenerator zum Erzeugen einer zur Drehzahl des Gleichstrommotors proportionalen Spannung, 51 bis 54 im Uhrzeigersinn angeordnete Thyristoren, SV bis 54' entgegen dem Uhrzeigersinn angeordnete Thyristoren, ID einen Ankerstromdetektor, der beispielsweise durch einen Widerstand gebildet ist IAC einen Zündwinkelsteuerkreis zum Steuern der Zündwihkel der Thyristoren, CDC ein Stromrneßglied, das mit dem Ausgang des Ankerstromdetektors ID verbunden ist, um einen Stromwert festzustellen, A 1 bis A 3 Addiereinrichtungen, AMPi und AMP 2 Verstärker, CC einen Stromregelkreis für die Rückkopplung des Ankerstroms, CL einen Strombegrenzungskreis, der verhindert, daß der Ankerstrom einen vorbestimmten maximalen Wert übersteigt, und der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn der Ankerstrom größer als der maximale Wert wird, und PLC einen Leistungsbegrenzungskreis, der eine Spannung ep nur dann erzeugt, wenn die Motorausgangsleistung einen vorbestimmten Wert PL übersteigt

Eine Drehzahlregelspannung ev von dem (nicht dargestellten) Eingang wird an den Zündwinkelsteuerkreis IAC über die Verstärker AMPi und AMP2 angelegt Beim Anlegen eines Eingangssignals zündet der Zündwinkelsteuerkreis IAC die im Uhrzeigersinn angeordneten Thyristoren 51 bis 54 und die entgegen dem Uhrzeigersinn angeordneten Thyristoren SV bis 54' zu entsprechenden Zeiten in Abhängigkeit von der befohlenen Richtung der Drehung, wodurch ein Strom IA dem Gleichstrommotor zugeführt wird, um diesen anzutreiben. Die Drehzahl des Gleichstrommotors wird durch den Tachogenerator TG festgestellt und eine zu der festgestellten Motordrehzahl proportionale Spannung ef wird zu der Addiereinrichtung A i zum Vergleich mit der Drehzahlregelspannung evzurückge koppelt und die Spannungsdifferenz ev- ■ e/wird an den

Verstärker AMPi angelegt Der Zündwinkelsteuerkreis IAC steuert die Zündwinkel der Thyristoren, wodurch die Spannungsdifferenz ev—ef auf Null gebracht wird. Der Zündwinkelsteuerkreis IAC dient somit dazu, das Zünden der Thyristoren in Abhängigkeit davon zu beschleunigen oder zu verzögern, ob die Motordrehzahl niedriger oder höher als die Solldrehzahl ist wodurch die an den Motor angelegte Spannung konstant gemacht wird und letztlich die Motordrehzahl mit der Solldrehzahl, bei welcher der Motor angetrieben wird, in Übereinstimmung gebracht wird. Mit der Solldrehzahl π i und dem Lastdrehmoment 7*1 wird die Motorausgangsleistung Pi zu

2n ■ ni ■ Π (kW).

Nachfolgend wird die Wirkung der Erfindung in Verbindung mit einer Drehzahlregelung für einen Gleichstrommotor beschrieben, die bei einer Drehbank angewendet wird. Es wird angenommen, daß ein Werkstück durch ein Schneidwerkzeug geschnitten wird, während dieses durch den Motor angetrieben wird, der sich mit einer Drehzahl η 1 dreht um eine Ausgangsleistung P1 zu erzeugen. Wenn der Schneidvorgang zu einem härteren Teil des Werkstücks gelangt, steigt das Drehmoment am Schneidwerkzeug an, wodurch die Motordrehzahl verringert wird, und die Ausgangsspannung e/des Tachogenerators wird niedriger. Folglich steigt die Spannungsdifferenz ev— ef an und der Zündwinkelsteuerkreis IAC arbeitet, um das Zünden der Thyristoren zu beschleunigen, wodurch die Spannung an dem Motor ansteigt und daraufhin die Motordrehzahl zu der Solldrehzahl zurückkehrt. Andererseits beginnt aufgrund der Verringerung der Motordrehzahl und des Anstiegs der an den Motor angelegten Spannung der Ankerstrom Ia anzusteigen. Da die Motorausgangsleistung durch das Produkt der Gegen-EMK E und des Ankerstroms Ia gegeben ist, übersteigt die Motorausgangsleistung die Leistungsgrenze PL früher oder später.

Wenn die Motorausgangsleistung den vorbestimmten Wert PL übersteigt greift der Leistungsbegrenzungskreis PLC ein, wodurch die Spannung ep erzeugt wird. Das bedeutet, daß, wie unten beschrieben wird, der Leistungsbegrenzungskreis PLC von dem Ankerstrom Ia und der Ausgangsspannung e/des Tachogenerators gespeist wird und davon die Motorausgangsleistung berechnet und eine solche Spannung ep erzeugt, wie sie in Fig.4 gezeigt ist wenn die Motorausgangsleistung die Leistungsgrenze PL übersteigt Die Ausgangsspannung ep wird an die Addiereinrichtung A 3 angelegt. Als Ergebnis gibt die Addiereinrichtung A 3 eine Ausgangsspannung (ev-ep)-ef ab, um einen Zustand zu erzeugen, der äquivalent zu dem Zustand ist, bei dem die Solldrehzahl verringert worden ist, und das Zünden der Thyristoren beginnt sich zu verzögern, was zu einem Abfall der Spannung V führt, die an den Motor angelegt ist. Andererseits steigt der Betrag des Ankerstroms Ia aufgrund der Verringerung der Motordrehzahl an und

übersteigt den Betrag des vorangehenden Abfalls aufgrund der Verringerung der angelegten Spannung V, so daß der Ankerstrom la ansteigt Somit verschiebt sich der Arbeitspunkt von Ql nach Q2, wie in Fig.5 gezeigt ist. Das bedeutet, daß am Arbeitspunkt Q 2 ein Drehmoment Ar Φ /2 durch den Ankerstrom 12 erzeugt wird und daß dieses Drehmoment mit dem von dem Schneidwerkzeug geforderten Drehmoment übereinstimmt

Wenn die Motorausgangsleistung den vorbestimmten Wert PL überschreitet, arbeitet auf diese Weise die Schaltung, um die Motordrehzahl zwangsläufig zu verringern, so daß die Zeit, bei welcher die Motorausgangsleistung den vorbestimmten Wert PL übersteigt, sehr kurz ist und keine Funkenbildung an den Bürsten auftritt

Da der vorbestimmte Wert PL so ausgewählt ist, daß er etwas niedriger als die Kommutationsgrenze Ps ist übersteigt bei der Erfindung die Motorausgangsleistung nicht die Kommutationsgrenze Ps, was einen sehr guten Motorantrieb sicherstellt.

Gemäß der Erfindung kann, wenn die Motorausgangsleistung den vorbestimmten Wert PL übersteigt die Motordrehzahl nicht mehr mit der Solldrehzahl in Übereinstimmung gebracht werden, vielmehr ist es unter dem Gesichtspunkt der Verhinderung eines Bruchs des Schneidwerkzeugs erwünscht, eine solche Steuerung anzuwenden, daß die Motordrehzahl geringer als die Solldrehzahl ist Der Grund besteht darin, daß das maximale, für das Schneidwerkzeug zulässige Drehmoment durch sein Material u. a. bestimmt ist Das tatsächlich an das Schneidwerkzeug angelegte Drehmoment ist abhängig von der Schnittiefe, der Drehzahl, dem Material des Werkstücks usw. Demgemäß ist es beim Schneiden eines harten Teils des Werkstücks erforderlich, daß die Drehzahl der Spindel, d.h. des Werkstücks, verringert wird. Wenn die Drehzahl immer unabhängig von der Härte des Werkstücks konstant gehalten wird, übersteigt das Drehmoment an dem Schneidwerkzeug seinen zulässigen maximalen Wert, was zu einem Bruch des Schneidwerkzeugs führt Deshalb wird es bevorzugt um eine Funkenbildung und einen Bruch des Schneidwerkzeugs zu verhindern, die Motordrehzahl zu verringern, wenn die Motorausgangsleistung die Leistungsgrenze übersteigt falls das Schneiden eines harten Teils des Werkstücks erfolgt

F i g. 3 zeigt im einzelnen den Leistungsbegrenzungskreis PLC nach Fig.2. MPL bezeichnet einen Multiplizierer, COM bezeichnet einen Komparator und AMP bezeichnet einen Verstärker. Die anderen Bezugszeichen entsprechen den in Fig.2 gezeigten Teilen.

Der Multiplizierer MPL führt eine Multiplikation der Ausgangsspannung e/des Tachogenerators TG und der Ausgangsspannung / des Strombegrenzungskreises CL aus, um die Motorausgangsleistung zu berechnen.

Für den Gleichstrom gelten die folgenden Beziehun-

^gen V = £ + Ra- Ia

PO E ■ Ia,

worin £"die Gegen-EMK des Motors ist, die gleich Jt Φ η ist, und PO die Motorausgangsleistung ist Deshalb gilt folgendes

PO = Ατ

ίο Die Motorausgangsleistung PO ist proportional zum Produkt der Drehzahl π und des Ankerstroms la. Die Motorausgangsleistung PO wird am Ausgang des Multiplizierers MPL erzeugt Die Motorausgangsleistung PO wird durch den Komparator COM mit der Leistungsgrenze PL verglichen. Wenn P0>PL ist, erzeugt der Komparator COM eine konstante Spannung ep, wie in F i g. 4 gezeigt ist Diese Spannung wird an den Addierer A3 über den Verstärker AMP angelegt woraufhin der oben bei F i g. 2 beschriebene

Vorgang ausgeführt wird.

F i g. 6 zeigt im einzelnen den in F i g. 3 angegebenen Leistungsbegrenzungs kreis.

In F i g. 6 bezeichneten Ti und T2 Eingangsanschlüsse, an welche die festgestellten Werte der Tachogenera- torspannung N und des Ankerstroms la angelegt werden. Γ3 bezeichnet einen Ausgangsanschluß, der mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers AMP2 in F i g. 2 verbunden ist Wenn der festgestellte Wert N ■ Ia eine Spannung übersteigt die durch eine Leistungsbegrenzungseinstelleinrichtung RPL eingestellt worden ist die durch einen variablen Widerstand gebildet wird, wird die Spannung an dem Anschluß T3 festgehalten. Al bis Ä20 bezeichnen Widerstände, OA 1 bis OA 3 bezeichnen Operationsverstärker, AB 1 und AB2 bezeichnen Absolutwertkreise, MPL bezeichnet einen Multiplizierer, D1 bis D 4 bezeichnen Dioden und TR bezeichnet einen Transistor.

Eine \N\ darstellende Spannung wird an dem Ausgangspunkt Pl des Absolutwertkreises ABi erzeugt und eine \Ia | darstellende Spannung wird an dem Ausgangspunkt P2 des Absolutwertkreises AB 2 erzeugt Diese Spannungen werden in dem Multiplizierer MPL multipliziert woraufhin an seinem Ausgangspunkt P 3 eine Spannung abgegeben wird, die ein Maß für |iV · Ia I ist

Mit der Erfindung ist es möglich, eine Funkenbildung der Bürsten und einen Bruch des Schneidwerkzeuges zu verhindern, was zu einem optimalen Gleichstrommotorantrieb führt

so Die Erfindung ist vorstehend im Zusammenhang mit dem Fall beschrieben worden, bei dem die Ausgangsleistungsgrenze derart ist, wie sie in F i g. 4 gezeigt ist Es können bei der Erfindung aber auch Abwandlungen angewendet werden, beispielsweise eine Hysteresis kennlinie, wie sie durch gestrichelte Linien in Fig.4 angegeben ist

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, insbesondere eines Permanentmagnetmotors, mit einem Tachogenerator, mit einem den Motor speisenden Thyristorkreis, mit einer ersten Addiereinrichtung zum Addieren einer Drehzahlsollwertspannung und einer Rückkopplungsspannung von dem Tachogenerator, mit einem Zündwinkelsteuerkreis zum Steuern des Zündwinkels der Thyristoren in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Addiereinrichtung, mit einem unterlagerten Stromregelkreis, der eine zweite Addiereinrichtung enthält, die zwischen der ersten Addiereinrichtung und dem Zündwinkelsteuerkreis angeordnet ist, und mit einem den Ankerstrom des Motors messenden Strommeßglied sowie mit ainer Einrichtung, die abhängig von Ankerstrom und Rückkopplungsspannung die Eingangsspannung des Zündwinkelsteuerkreises herabsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtung aus einem Leistungsbegrenzungskreis (PLC) besteht, dem eine Stromistwertspannung von dem Strommeßglied (CDC) und die Rückkopplungsspannung zugeführt sind, dessen Ausgangsspannung an einen negierten Eingang einer dritten zwischen Stromregler und Zündwinkelsteuerkreis angeordneten Addiereinrichtung (A3) angelegt wird, wobei der Leistungsbegrenzungskreis einen Komparator (COM) aufweist, um die tatsächliche Leistung (P₀) des Motors, die aus dem Produkt der Rückkopplungsspannung und der Stromistwertspannung erhalten wird, mit einem von der Kommutationsgrenze der Motorbürste vorbestimmten Wert (Pl) zu vergleichen, und wobei der Leistungsbegrenzungskreis, wenn die tatsächliche Leistung Po den vorbestimmten Wert übersteigt, die dem Zündwinkelsteuerkreis (IAC) zugeführte Eingangsspannung im gleichen Sinne wie eine Herabsetzung der Drehzahlsollwertspannung steuert.