DE2821425C2

DE2821425C2 - Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl für einen Gleichstrommotor kleiner Bauart

Info

Publication number: DE2821425C2
Application number: DE2821425A
Authority: DE
Inventors: Kazutsugu Takatsuki Osaka Kobayashi; Hiroshi Shiga Osaka Minakuchi; Hiromitsu Katano Osaka Nakano; Mitsuharu Ota; Tomio Toyonaka Osaka Oyama; Yoshio Tetsugu; Isao Neyagawa Osaka 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: 1983-11-03
Also published as: US4189666A; JPS53142611A; DE2821425A1; GB1575290A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl für einen Gleichstrommotor kleiner Bauart.

Ein Gleichstrommotor mit gegebenem Feldsystem kann als ein Stromkreis mit einem Innenwiderstand und einer zu diesem in Serie geschalteten, durch die Rotation des Motors induzierten gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK) angesehen wetzen. Erfolgt die Stromversorgung des Gleichstrommotors durch eine konstante Spannungsquelle mit einem negiv ven Innenwiderstand, dessen absoluter Wert dem Innenwiderstand des Motors entspricht, wird dieser mit einer Geschwindigkeit betrieben, 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 betreibbar.

Obgleich dieses Prinzip bereits bekannt ist, waren Stromquellen mit derartigem Innenwiderstand kompliziert und aufwendig im Schaltungsaufbau und wurden daher nur begrenzt verwendet.

So ist aus der DE-OS 1588543 eine Brückenschaltungsanordnung bekannt, bei der ein zwischen einem Pol einer Spannungsquelle und einem Anschluß eines Gleichstrommotors geschalteter Ohm'scher Widerstand als Wicklung aus dem auch für den Anker des Gleichstrommotors verwendeten Draht ausgeführt ist, um so gleiche Temperaturgänge der elektrischen Eigenschaften von Widerstand und Motor bei variierender Temperatur zu erhalten. Durch die Induktivität des Ohm'schen Widerstandes entsteht aber ein störendes elektrisches Rauschen, außerdem muß eine Impedanzänderung des Widerstandes z. B. durch Parallelschaltung einer Kapazität oder eines definiert höherohmigen Widerstands, kompensiert werden. Selbst dann unterliegt die Brückenspannung noch erheblichen, durch weitere zugeschaltete Komponenten auszugleichenden Störspannungsfaktoren.

Mit dem Fortschritt der Technik integrierter Schaltungen sind Spannungsquellen in Form einer integrierten Schaltung eingeführt worden. So ist aus der japanischen Patentanmeldung 51-5517 eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl für einen Gleichstrommotor kleiner Bauart der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definierten Art bekannt, bei der ein Kohlesehicht-Festwiderstand verwendet wird. Da der Kohleschicht-Festwiderstand einen kleinen negativen Temperaturkoeffizienten von nur etwa — 0,05 %/°C, die Kupferwicklung des Ankers aber einen positiven Temperaturkoeffizienten von 0,4 %/°C aufweist, ändert sich die Belastungscharakteristik, d.h. die Änderung der Drehzahl des Gleichstrommotors bei variierendem Drehmoment, besonders bei höheren Temperaturen stark.
Zum Regeln der Drehzahl des Gldchstro umotors 1 dient bei dieser bekannten Schaltungsanordnung eine integrierte Drehzahlregelschaltung 2 mit drei Anschlüssen, A, B und f, die mit Widerständen 3 und 4 verbunden ist. Der erste Widerstand 3 ist zwischen den Anschluß A und den positiven Anschluß einer Span-

f> nungsquelie 5 und der zweite Widerstand 4 zwischen die Anschlüsse A und B der Drehzahlregelschaltung 2 geschaltet. Der Gleichstrommotor 1 ist zwischen den Anschluß B und den positiven Anschluß der Spannungsquelle 5 geschaltet, der dritte Anschluß ist geerdet. Die Pfeile /„.

I₁, I_T, I₂, I_K und I_r bezeichnen die jeweils an den angedeuteten Stellen fließenden Ströme. Der äquivalente Innenwiderstand des Gleichstrommotors 1 ist mit R₀ und seine Gegen-EMK mit E₀ bezeichnet. V_TtJ bezeichnet die Bezugsspannung zwischen den Anschlüssen A und B der integrierten Drehzahlregelschaltung 2 und V_c die Spannung der Spannungsquelle 5.

Durch die verwendete Stromteilerschaltung ist die integrierte Drehzahlregelschaltung 2 so ausgelegt, daß der Strom I_K stets \\K des Stromes I₂ ist, wobei K ein Stromteilungsverhältnis darstellt. Wenn man die Widerstandswerte der Widerstände 3 und 4 mit R_T und R_s bezeichnet, ist die Spannung V₀ über den Gleichstrommotor 1 gegeben durch die Gleichung:

Wenn die Widerstandswerte R_s und R_T gegeben sind, sind auf der rechten Seite der Gleichung (1) der erste und zweite Ausdruck selbst bei Abweichungen in der Spannung V_c der Spannungsquelle und des Lastdrehmoments (d.h. des Ankerstroms /„), etc. konstant, während der dritte Ausdruck auf der rechten Seite sich proportional zum Ankerstrom /„ verändert. Wenn man den ersten Ausdruck auf dtr rechten Seite der Gleichung (2) als Spannungsquelie betrachtet, entspricht der Stromkreis der Spannungsquelle mit einem in Serie geschalteten Widerstand -RrIK.

Wenn man andererseits annimmt, daß die Anschlußspannung des Gleichstrommotors 1 V„ ist, ergibt sich:

V_n = Ε.+RJ₀ (3)

In Fig. 1 ist:

Dies ergibt die Beziehung:

Dementsprechend wird die Gegen-EMK des Gleichstrommotors 1 ausgedrückt durch:

Wenn dabei der Widerstand R_T so eingestellt wird, daß Rr = KRa (7)

ergibt sich:
E,-V

Der Gleichstrommotor 1 wird dann mit einer Drehzahl betrieben, bei welcher die Gegen-EMK E_a zu jedem Zeitpunkt gleich der definierter Spannung V ist. Der Gleichstrommotor ist daher mit einer konstanten Drehzahl betreibbar, ohne durch Lastveränderungen, etc. beeinflußt zu werden. Wenn der Gleichstrommotor 1 mit einer Drehzahl ,V umläuft und eine Krafterzeugungskonstante K_a aufweist, ist:

15

(8)

Daraus ergibt sich

(9)

Wenn man den Widerslandswert R_T gleicn KR. macht in entsprechender Beziehung zum Innenwiderstand R_a des Gleichstrommotors 1. nämlich wenn:

20

R_T = KR„

ergibt sich weiterhin:

(10)

25

30

Auf diese Weise wird eine konstante Drehzahl unabhängig von Einflüssen des Ankerstroms /„ des Gleichstrommotors 1, nämlich des Lastdrehmoments erreicht. Die Drehzahl kann dabei durch Veränderung des Wertes R, des Widerstandes 4 gewählt werden.

Wenn weiterhin das Drehmoment des Gleichstrommotors 1 T_M und dessen Drehmomentskonstante K₁ ist, folgt:

(12)

Die Drehzahl st gegeben durch:

40

(13,

Die in Fig.l dargestellte Schaltungiinordnung zum Regeln der Drehzahl Tür einen Gleichstrommotor arbeitet nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip. Dabei werden üblicherweise als Widerstände 3 und 4 Kohleschicht-Festwiderstände mit geringer Widerstandsänderung bei Temperaturveränderungen benutzt.

Im folgenden wird die Betastungscharakteristik der Schaltungsanordnung, also die Änderung der Drehzahl bei Veränderungen des Lastdrehmoments erörtert, wenn die Schaltungsanordnung Veränderungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist.

Die Drehzahländerung pro Lastdrehmomentseinheit wird als μ bezeichnet. Fig. 2 zeigt den Temperaturgang der Belastungscharakteristik der bekannten Schaltungsanordnung. Hieraus ist zu ersehen, daß die Drehzahlveränderung relativ zur Drehmomentsveränderung bei tiefen Temperaturen kleiner und bei höheren Temperaturen größer ist als bei Normaltempcratur. Wenn diese Tendenz ausgeprägt auftritt, setzt bei niedrigen Tempe- b5 raturen eine positive Rückkopplung ein, welche die Stabilität des Regelstromkieises beeinträchtigt und nachteilige Wirkungen wie Oszil!?',ionen 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 eine gewöhnlich aus Kupfer bestehende Leiterwicklung mit einem Temperaturkoefifizienten des Widerstands von 0,4 %/⁰C ist, während der Widerstand 3 ein Kohleschicht-Festwiderstand mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten von etwa -0,05 %/°C ist.

Die Eigenschaften von Kohle-, Metall- und Metalloxid-Schichtwiderständen sind ausführlich z.B. in der »Funkschau«, Heft 8, 1972 beschrieben worden.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Schaltungsanordnung der vorgenannten Art zu schaffen, die bei vereinfachtem Aufbau eine im wesentlichen temperaturunabhängige Belastungscharakteristik (Änderung der Drehzahl mit der Belastung des Gleichstrommotors) gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs ι genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet daß der erste Widerstand ein Metallfilmwiderstand ist, dessen Temperaturkoeffizient im wesentlichen gleich dem des Ankerwiderstandes ist.

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird in vorteilhafter Weise ein im wesentlichen gleicher Temperaturgang von Ankerwiderstand und erstem Widerstand erreicht, wobei gleichzeitig die bei Drahtwicklungswiderständen auftretenden Impedanz- und Induktionsprobleme ausgeschaltet werden.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Schaltungsanordnung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das elektrische Schaltbild der bekannten Schaltungsanordnung :

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Temperaturganges der Belastungscharakteristik der bekannten Schaltungsanordnung und

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Temperaturganges der Belastungscharakteristik der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Bei der die Charakteristik gemäß Fig. 3 aufweisenden erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird für den ersten Widerstand 3 ein Metallfilmwiderstand mit einem Temperaturkoeffizienten von 0,36%/°C verwendet. Die Belastungscharakteristik μ ändert sich bei Temperaturveränderungen kaum.

Im folgenden wird der Sachverhalt anhand mathematischer Gleichungen weiter erläutert. Die Veränderung der Drehzahl relativ zur Veränderung des Lastdrehmoments, die Belastuiigscharakteristik μ kann ausgedrückt werden durch die aus Gleichung (13) durch partielle Differentiation nach dem Drehmoment T_M erhaltene Gleichung:

PN _ 1 'R_T

Die Veränderung der Belastungscharakteristik μ mit der Temperatur wird rusgedrückt durch die Gleichung:

Αμ\ (Αμ\ (Αμ

-R,

T \
-R

k;-k,\k -JAT k_o-k?\k "ηat

1 AR„ 1 AR_T R_T AK

'Y_a^, Af ⁺ K~„■ κ,■ κΊΐτ ~ΤζΎ,Ί? at

in welcher Γ die absolute Temperatur darstellt. Wenn:
Rt=^R₁, (16)

so ergibt sich

Αμ _ R₁, I 1 AR„ I AR_T ^ 1 ΔΛΛ
AT* K₀- K, \R~ AT ~ R₇ AT ⁺ A' AT)

Gleichung (17) zeigt, daß zur Vermeidung einer Temperaturabhängigkeit der Belastungscharakteristik μ die folgende Beziehung erfüllt sein muß:

1 AR, _ 1 AR_T 1 ^ΔΛ'_₀
R_a ΊΪΤ R_T Af K AT ~

Der Temperaturkoeffizient der integrierten Dreh/ahlregelschaliung 2 liegt wegen ihres Arbeitsprinzips bei nur etwa 0.004%; C und ist somit fast vernachlässigbar.
Somit können Veränderungen der Belasiungscharakteristik μ mil der Temperatur dadurch annähernd eliminiert werden, daß man den ersten Widerstand 3 mit einem Temperaturkoeffizienten seines Widerstandswertes R_T entsprechend dem TemperaturkoelTizienten des Innenwiderstandes, nämlich des Widerstands R_a der Ankerwicklung wählt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl für einen Gleichstrommotor kleiner Bauart mit einer Spannungsquelle, einer integrierten Drehzahlregelschaltung mit drei Anschlüssen, von denen der eine direkt mit dem einen Pol der Spannungsquelle verbunden ist, der zweite Ober einen ersten Widerstand an dem anderen Pol der Spannungsquelle liegt, und der dritte als Regelausgang über den Motor ebenfalls an den anderen Pol führt, wobei der zweite und der dritte Anschluß über einen zweiten Widerstand verbunden sind, wodurch eine Konstantspannungsquelle mit negativem Innenwiderstand, dessen Absolutwert gleich dem Innenwiderstand des Gleichstrommotors ist, geschaffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (3) ein Metallfilmwiderstand ist, dessen Temperaturkoeffizient im wesentlichen gleich dem des Ankerwiderstandes ist.