DE2821425A1

DE2821425A1 - Drehzahlregelungssystem fuer einen kleinen gleichstrom-elektromotor

Info

Publication number: DE2821425A1
Application number: DE19782821425
Authority: DE
Inventors: Osaka Katano; Kazutsugu Kobayashi; Hiroshi Minakuchi; Hiromitsu Nakano; Mitsuharu Ota; Tomio Oyama; Yoshio Tetsugu; Isao Yoshida
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1977-05-19
Filing date: 1978-05-16
Publication date: 1978-11-23
Also published as: JPS53142611A; US4189666A; DE2821425C2; GB1575290A

Description

DIPL.-CHEM. DR. HARALD STACH 28 21425

PATENTANWALT

ADENAUERALLEE 30 - 20OO HAMBURG 1 · TELEFON (O4O) 244523

Aktenzeichen; Neuanmeldung

Anmelderin; Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Osaka / Japan

Drehzahlregelungssystem für einen kleinen Gleichstrom-Elektromotor

Die Erfindung betrifft ein Drehzahlregelungssystem für einen kleinen Gleichstrom-Elektromotor mit einer integrierten Dreiklβmmen-Drehzahlreglers chaltung.

Ein Gleichstrom-Elektromotor mit gegebenem Feldsystem kann als äquivalent angesehen werden zu einem Stromkreis mit einem Innenwiderstand und einer zu diesem in Serie geschalteten, durch die Rotation des Motors induzierten gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK). Wenn der Antrieb des Gleichstrommotors durch eine konstante Spannungsquelle mit einem negativen Innenwiderstand erfolgt, dessen absoluter Wert dem Innenwiderstand des Motors entspricht, wird dieser mit einer Geschwindigkeit angetrieben, bei welcher die Gegen-EMK zu jedem Zeitpunkt der Spannungsquelle äquivalent ist. Der Motor ist so unabhängig von LastVeränderungen und anderen Faktoren mit einer konstanten Drehzahl antreibbar.

Obgleich dieses Prinzip bereits bekannt ist, waren Stromquellen mit derartigem Innenwiderstand kompliziert und aufwendig im Schaltungsaufbau und wurden daher nur begrenzt verwendet, Mit dem in den letzten Jahren eingetretenen, bemerkenswerten Fortschritt der Technik integrierter Schaltingen sind jedoch Spannungsquellen der beschriebenen Art in Form einer integrierten Schaltung zur Drehzahlregelung von Gleichstrom-Elektromotoren eingeführt worden. Viele her-

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könwnliche integrierte Drehzahlreglerschaltungen dieser Art besitzen eine für Transistoren geeignete, unaufwendige Dreiklemmen-Einheit in Kombination mit wenigen äußeren Schaltelementen, wobei der Stromkreis ein System zur Regelung der Drehzahl eines Gleichstrom-Elektromotors bildet.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein Drehzahlregelungssystem für Gleichstrommotoren mit einer integrierten Dreiklemmen-Drehzahlreglerschaltung beschrieben. Zur Drehzahlregelung des Gleichstrom-Elektromotors 1 dient eine Drehzahlreglerschaltung 2 mit drei Klemmen A, B und C. Die integrierte Schaltung 2 ist mit als äußere Schaltelemente dienenden Widerständen 3 und k versehen. Der erste Widerstand 3 ist zwischen die Klemme A und die positive Klemme einer Stromquelle 5 und der zweite Widerstand k zwischen die Klemmen A und B geschaltet. Der Gleichstrommotor 1 ist zwischen die Klemme B und die positive Klemme der Stromquelle 5 eingeschaltet. Die dritte Klemme C ist geerdet.

Die Pfeile 1,1, I , I , I und I bezeichnen die jeweils an a s JL <c Jtv r

den angedeuteten Stellen fließenden Ströme. Der äquivalente Innenwiderstand des Gleichstrommotors 1 ist mit R und seine

Gegen-EMK mit E bezeichnet. V „ bezeichnet die Bezugsspannung

& Γθΐ

zwischen den Klemmen A und B der integrierten Schaltung 2 und V die Spannung der Stromquelle 5·

Durch die verwendete Stromteilerschaltung ist die integrierte Schaltung 2 so ausgelegt, daß der Strom L·. stets l/K des Stromes I ist, wobei K ein Stromteilungsverhältnis darstellt. Wenn man die Viderstandsverte der Widerstände 3 und k mit R„, und R be-

JL S

zeichnet, ist die Spannung V über den Motor 1 gegeben durch die folgende Gleichung:

ν =v ;

ο ref

^RT 1 / ^RT

^{1 +} ΪΓ ^{(1 +} K> ⁺ Vr ⁺ K" ^Ja (¹^

^rt_x

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Venn die Widerstandsverte R und R gegeben sind, sind auf der rechten Seite der Gleichung (i) der erste und zweite Ausdruck selbst bei Abweichungen in der Spannung V der Stromquelle und des Lastdrehmoments (d.h. des Ankerstroms I ), etc. konstant, während der dritte Ausdruck auf der rechten Seite sich proportional zum Ankerstrom I verändert. Wenn man den ersten Aus-

Sl

druck auf der rechten Seite der Gleichung (2) als Spannungsquelle ansieht, ist der Stromkreis einer Spannungsquelle mit in Serie geschaltetem Widerstand -R_t/k äquivalent.

Kenn man andererseits annimmt, daß die Klemmenspannung des Gleichstronunotors 1 V ist, ergibt sich:

V = E + R I (3)

m a a a ^v '

In Fig. 1 ist:

V=V (4)

ο m ^v '

Dies ergibt die Beziehung:

^{V +} ^a - ^Ea ⁺ Va

Dementsprechend wird die Gegen-EMK des Motors 1 ausgedrückt durchs

^Ea - ^{V +} <5T - V¹.
Wenn dabei der Widastand R_, so eingestellt wird, daß

R_T = KR_a (7)

ergibt sich, daß:

E=V
a

Der Motor wird dann mit einer Drehzahl angetrieben, bei welcher

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"$Γ 282Η25

die Gegen-EMK E zu jedem Zeitpunkt gleich der definierten Spannung V ist. Der Motor ist daher mit einer konstanten Drehzahl antreibbar, ohne durch Lastveränderungen, etc. beeinträchtigt zu werden.Wenn der Motor 1 mit einer Drehzahl N umläuft und eine Krafterzeugungskonstante K aufweist, ist:

cL

E=KN (8)

a a ^v '

Daraus ergibt sich

ν J-Γν Z₁ , ϊ η . i] . τ ώ - ^RJ ⁺ ¹¹T¹J (9) ^N = ΪΓ [^Vref t R^ *■/ ^a ^ J

Venn man den Widerstandswert R„ gleich KR macht in entspre-

x a

chender Beziehung zum Innenwiderstand R des Gleichstrommotors 1 , natürlich wenn:

R_T = KR_a (10)

ergibt sich weiterhin:

Auf diese Weise wird eine konstante Drehzahl erreicht unabhängig von Einflüssen des Ankerstroms I des Motors 1, nämlich

Si

des Lastdrehmoments. Die Drehzahl kann dabei durch Veränderung des Wertes R des Widerstandes h eingestellt werden.

Wenn weiterhin das Drehmoment des Motors 1 T.. und dessen Dreh-

momentskonstante K ist, folgt:

^TM =

Die Drehzahl ist gegeben durch:

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Das in Fig. 1 dargestellte Drehzahlregelungssystem für einen Gleichstrommotor arbeitet nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip. Bei den Drehzahlregelungssystemen der beschriebenen Art werden üblicherweise für die als äußere Schaltelemente der integrierten Schaltung 2 dienenden Widerstände 3 und k Kohleschicht-Festwiderstände mit geringer Widerstandsänderung bei Temperaturveränderungen benutzt.

Im folgenden werden für das Drehzahlregelungssystem mit dem Gleichstrommotor 1 Veränderungen der Drehzahl relativ zu Veränderungen des Lastdrehmoments erörtert, wenn das System Veränderungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt wird. Die Drehzahländerung pro Lastdrehmomentseinheit wird als Ai bezeichnet.

Fig. 2 zeigt die Belastungscharakteristiken des herkömmlichen Systems. Hieraus ist zu ersehen, daß die Drehzahlveränderung relativ zur Drehmomentsveränderung bei tiefen Temperaturen kleiner und bei höheren Temperaturen größer ist, als bei Normaltemperatur. Wenn diese Tendenz ausgeprägt wird, tritt bei niedrigen Temperaturen eine positive Rückkopplung ein, welche die Stabilität des Regelstromkreises beeinträchtigt und nachteilige Wirkungen wie Oszillationen oder ungleichmäßige Rotation erzeugt. Bei höheren Temperaturen tritt eine starke Veränderung der Drehzahl relativ zu DrehmomentsVeränderungen ein.

Diese nachteiligen Wirkungen gehen auf die Tatsache zurück, daß die Ankerwicklung des Gleichstrommotors 1 gewöhnlich eine Kupferleiterwicklung mit einem Temperaturkoeffizienten des Widerstands von 0,4^/ C/ist, während der Widerstand 3 ein Kohleschicht-Festwiderstand mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten von etwa - 0,05^6/° C ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Drehzahlregelungssystem der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß diese

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Schwierigkeiten vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Drehzahlregelungssystem der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand 3 ein Widerstandselement mit positivem Temperaturkoeffizienten ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann das Widerstandselement ein der Ankerwicklung des Motor-s äquivalenter Kupferwicklungs-Widerstand oder ein Metall-Schichtwiderstand mit selektiv bestimmbarem Temperaturkoeffizienten sein.

Auf diese Weise wird die durch eine Temperaturveränderung bedingte Veränderung des Widerstandes der Ankerwicklung ausgeglichen, so daß die Veränderungen der Drehzahl relativ zu Veränderungen des Lastdrehmoments (Belastungscharakteristik) trotz Veränderungen der Umgebungstemperatur im wesentlichen konstant bleiben.

Beim erfindungsgemäßen Drehzahlregelungssystem wird weiterhin mit geringem Aufwand und einer geringen Anzahl Teile eine genaue Drehzahlregelung mit hoher Stabilität erreicht.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Drehzahlregelungssystems wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das elektrische Schaltbild eines Drehzahlregelungssystems mit einer integrierten Dreiklemmen-Drehzahlregler schaltung zur Drehzahlregelung eines Gleichstromelektromotors ,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Belastungscharakteristiken eines herkömmlichen Systems bei verschiedenen Temperaturen und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der beim erfindungsgemäßen System bei Temperaturveränderungen auftretenden Belastungscharakteristiken.

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Bei einer die Charakteristiken gemäß Fig. 3 aufweisenden Ausführungsform des Drehzahl-Regelungssystems wird für den ersten Widerstand 3 ein Metall-Schichtwiderstand mit einem Temperaturkoeffizienten von 0,369ε/ C verwendet. Die Belastungscharakteristiken ix zeigen auch bei Temperaturveränderungen kaum irgendwelche Abweichungen.

Im folgenden wird der Sachverhalt anhand mathematischer Gleichungen weiter erläutert. Die Veränderung der Drehzahl relativ zur Veränderung des Lastdrehmoments, nämlich die Belastungscharakteristik ukann ausgedrückt werden durch die aus Gleichung (l3) durch partielle Differentiation nach dem Drehmoment T_w

erhaltene Gleichung:

■ dN _

Die Veränderung der Belastungscharakteristik ai relativ zur Temperaturveränderung wird ausgedrückt durch die Gleichung:

< ^R

4 !Γ a*§
^Ka ^Kt ^Ka'^Kt

at

^RT

_κ .ν -K²AT a t

in welcher T die absolute Temperatur darstellt. Wenn:

R_T = KR_a (16)

so ergibt sich

AR

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Gleichung (17) zeigt an, daß zur Verringerung der Temperaturabhängigkeit der Belastungscharakteristik u auf Null die folgende Beziehung erfüllt sein muß:

R Δ T R ΔΤ ⁺ K
Sl i.

Die Tempetaturcharakteristik des Stromteilungsverhältnisses K der integrierten Schaltung 2 liegt wegen des Arbeitsprinzips der Schaltung bei nur etwa 0,004#/ C und ist somit fast vernachlässigbar.

Somit können Veränderungen der Belastungscharakteristik ix mit der Temperatur dadurch fast eliminiert werden, daß man den Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes R_, des ersten Widerstandes 3 gleich dem Temperaturkoeffizienten des Innenwiderstandes, nämlich dem Widerstand R der Ankerwicklung

el

macht.

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Claims

üiPL-CHt-M. DR. HARALD STACH 2821425 PATENTANWALT ADENAUERALLEE 3O · 2000 HAMBURG 1 -TELEFON (040)24 45 23 Aktenzeichen; Neuanmeldung Anmelderin; Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. PATENTANS PRÜCHE

1))Drehzahlregelungssystem für einen kleinen Gleichstrom-Elektromotor, mit einer integrierten Dreiklemmen—Drehzahlreglerschaltung mit einer ersten und einer zweiten Klemme zur Erzeugung einer Bezugsspannung und einer geerdeten dritten Klemme, wobei die erste Klemme zur Durchleitung eines dem durch die zweite Klemme fließenden Strom proportionalen Stromes ausgelegt ist, der Gleichstrommotor zwischen die zweite Klemme und den positiven Pol einer Stromquelle geschaltet ist und ein erster Widerstand und ein zweiter Widerstand als äußere Stromkreiselemente der integrierten Schaltung dienen, wobei der erste Widerstand zwischen die erste Klemme und den positiven Pol der Stromquelle und der zweite Widerstand zwischen die erste und zweite Klemme geschaltet ist, um eine konstante Spannungsquelle mit einem dem absoluten Wert des Innenwiderstandes des Gleichstrommotors gleichen, negativen Innenwiderstand zu erhalten und den Gleichstrommotor mit einer konstant geregelten Drehzahl antreibbar zu machen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand ein Widerstandselement mit positivem Temperaturkoeffizienten ist.

2) Drehzahlregelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement ein der Ankerwicklung des Motors äquivalenter Kupferwicklungä^tfiderstand ist.

3) Drehzahlregelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement ein Metall-Schichtwiderstand mit selektiv bestimmbarem Temperaturkoeffizienten ist. .

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