DE2830212A1

DE2830212A1 - Halbleiterschaltung zur drehzahlregelung von elektromotoren

Info

Publication number: DE2830212A1
Application number: DE19782830212
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Phys Pelkmann; Alfred Schenkl; Dieter Dipl Phys Vogel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-07-10
Filing date: 1978-07-10
Publication date: 1980-01-24
Also published as: GB2025092A; JPS5513697A; DE2830212C2; US4311949A; JPS6231592B2; FR2431217A1; FR2431217B1; GB2025092B

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA _ „_,

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Halbleiterschaltung zur Drehzahlregelung von Elektromotoren

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterschaltung, insbesondere eine monolithisch integrierte Halbleiterschaltung, zur Drehzahlregelung eines Elektromotors, bei de. eine vom Istwert der Drehzahl abhängige elektrische Spannung mittels eines Sensors erzeugt und zur Steuerung eines die Drehzahl im Sinne einer Gegenkopplung über den den Elektromotor speisenden Strom beeinflussenden Stellgliedes eingesetzt ist.

Eine solche Halbleiterschaltung ist in "Elektronik" 23 Nr. 1/1974, S. 9 bis 12 beschrieben und im Schaltbild dargestellt. Bei dieser Schaltung ist als Sensor ein mit der Motorachse gekoppelter Tachogenerator vorgesehen, der eine der Drehzahl proportionale Spannung abgibt. Ferner ist als Stellglied ein Thyristor, insbesondere ein Triac, vorgesehen, der den den Motor antreibenden sinusförmigen Wechselstrom, insbesondere Netzwechselstrom, im Sinne einer Phasenanschnittssteuerung regelt, d.h. mehr oder weniger von der betreffenden Halbwelle an den Motor gelangen läßt. Die eigentliche Regelschaltung ist

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als Analogschaltung aufgebaut und verwendet neben Transistoren und Dioden auch Kondensatoren und Widerstände.

Ein Versuch_;eine solche Schaltung vollständig in monolithischer Halbleitertechnik zu integrieren, dürfte inanbetracht der erforderlichen hohen Widerstände usw. ernstlichen Schwierigkeiten begegnen. Andererseits wäre durch eine monolithische Auslegung einer solchen Regelschaltung die Möglichkeit gegeben, beachtliche Herstellungskosten einzusparen. Es ist deshalb Aufgäbe.der Erfindung eine diesbezügliche Lösung anzugeben.

Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Steuerung des Elektromotors über einen zwischen dem Sensor und dem Stellglied vorgesehenen Analog-Digitalwandler erfolgt.

Hierzu gibt es mehrere Möglichkeiten. Die optimale Ausgestaltung wird dann anhand der Figuren 1-4 näher beschrieben. Sie ist auf die Regelung von Wechselstrommotoren zugeschnitten, obwohl das Prinzip der Erfindung auch zur Regelung von Gleichstrommotoren mit Erfolg einsetzbar ist.

Bei vielen Anwendungsfällen von Wechselstrom-Universalmotoren werden die Nutzungseigenschaften der Geräte erheblich verbessert, wenn die Drehzahl der Motoren unabhängig von der Last konstant gehalten und in einem weiten Bereich eingestellt werden kann. Als Beispiel für derartige Anwendungen sind Handbohrmaschinen, Schleifmaschinen, Küchenmaschinen und Rasenmäher zu nennen.

Die bekannten Lösungen benutzen teils die durch die Gegeninduktivität erzeugte Gegen-EMK der Motoren als Maß für den Istwert der Drehzahl, die dann mittels RC-Kombinationen aufbereitet, dann analog mit einem Sollwert verglichen und zu einer Stellgröße umgeformt wird, die

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in der Regel durch die vorzunehmende Änderung der Einstellung des Phasenanschnittswinkels gegeben ist. Bei einem anderen Verfahren, das z.B. auch bei dem in der genannten Literaturstelle beschriebenen Regler angewendet ist, wird die Spannungsabhängigkeit der Drehzahl von Tachogeneratoren als Maß für den Istwert der Drehzahl benutzt, die dann - ebenfalls in einer geeigneten Analogschaltung - zu der erforderlichen Stellgröße aufbereitet wird.

Bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist jedoch ein wesentlicher Teil des Regelkreises als Digitalschaltung ausgebildet, wodurch die für entsprechende Analogschaltungen erforderlichen hohen Widerstände und Kapazitäten wegfallen, so daß bei entsprechender Auslegung der Schaltung des Regelkreises dieser in einem einzigen IC-Baustein untergebracht werden kann.

Bei einer einfachen Ausgestaltung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung werden die von dem Analog-Digital-Wandler aus dem von dem Sensor gelieferten Signal abgeleiteten und den Istwert der zu regelnden Drehzahl des Motors bildenden Digitalimpulse zur Steuerung der Stromzufuhr zu dem Elektromotor nach Maßgabe der Abweichung von dem in digitaler Form von einem Sollwertgeber gelieferten Sollwert im Sinne einer Verminderung der Regelabweichung herangezogen, was beispielsweise über einen Rechner geschehen kann. Zu diesem Zweck werden die vom Sensor über den Analog-Digitalwandler gelieferten Istwertsignale mit den vom Sollwertgeber ebenfalls in digitaler Form vorgegebenen Sollwerten in einem als Komparator dienenden Rechner verglichen, die dabei erhaltene Regelabweichung mittels eines Rechners in den der Regelabweichung angemessenen Stellwert übergeführt und schließlich das Stellglied nach Maßgabe des jeweils vom Stellwerterzeuger gelieferten Stellwertes - ggf. unter Zwischenschaltung eines Digital-Analogwandlers - gesteuert.

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- 9 VPA?8 P 1 11 5 BRQ Eine andere Möglichkeit besteht darin, die vom Rechner in Digitalform gelieferten Stellwerte unmittelbar auf das Stellglied zu geben, das dann nach Maßgabe des jeweiligen Stellwerts den zum Betrieb des Elektromotors dienenden Strom freigibt oder sperrt.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Schaltung zu einer feinstufigen digitalen Regelung von Wechselstrom-Universalmotoren nach dem Phasenan-Schnittsprinzip, die einen großen Regelbereich zuläßt, die vollständig in einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung realisierbar ist und die es gestattet, die Regelcharakteristiken von Integralreglern, von Proportionalreglern, von Differentialreglern sowie deren Kombinationen anzuwenden.

Diese Vorrichtung wird nun anhand der Figuren 1 -4 beschrieben. Dabei ist in Fig. 1 ein Blockschaltbild der gesamten Anlage und in den Figuren 2-4 jeweils eine besondere Ausgestaltung eines - die Regelcharakteristik der Anlage bestimmenden - Teils dieser Anlage, ebenfalls im Blockschaltbild, dargestellt. Zunächst wird die Fig.1 beschrieben.

Die Drehachse des Wechselstrommotors M ist mit einem Sensor SE gekoppelt, mit dessen Hilfe eine dem Istwert der jeweiligen Drehzahl entsprechende elektrische Wechselspannung erhalten wird. Als Sensor SE kommt z.B. ein Tachogenerator in Betracht. Dieser kann als eine optoelektronische Vorrichtung ausgestaltet sein, die z.B. durch eine mit der Achse des Motors M rotierende Blende gegeben ist, die mit jeder Umdrehung die optische Verbindung zwischen einer konstanten Lichtquelle und einem Photoelement, z.B. einer feststehenden Photodiode, blockiert und wieder freigibt. Die von dem Photoelement gelieferten elektrischen Impulse werden - insbesondere nach Verstärkung - dem A/D-Wandler zugeführt.

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VPA 78 P ι π 5 BRD Der Tachogenerator kann aber auch ein auf Induktionsbasis arbeitender elektromagnetischer Sensor sein. Beispielsweise ist zu diesem Zweck ein Magnet auf der Drehachse des Motors befestigt, die am Ort einer ruhenden Induktionsschleife ein mit der Rotationsfrequenz des Motors alternierendes Magnetfeld erzeugt, durch welches in der den eigentlichen Sensor darstellenden Induktionsspule eine entsprechende Wechselspannung induziert wird, die dann - insbesondere nach Verstärkung - an den A/D-Wandler gelangt. Anstelle einer Induktionsspule kann bei der soeben beschriebenen'Ausgestaltung auch eine Feldplatte oder eine Hallsonde oder ein sonstiger auf das magnetische Wechselfeld reagierender Sensor verwendet sein.

Der als Tachogenerator ausgebildete Sensor SE liefert eine der Rotationsfrequenz des Motors M entsprechende Wechselspannung, bei der die Anzahl der in der Sekunde auftretenden Maxima bzw. Minima bzw. Nulldurchgänge der Drehfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz entspricht. Diese Tatsache eröffnet z.B. die Möglichkeit, die Zeit zwischen den anfallenden Maxima oder Nulldurchgängen in entsprechenden Vorrichtungen binär auszuzählen, so daß auf diese Weise ein Analog-Digitalwandler realisierbar ist. Dies gilt auch für die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung.

Bei dieser werden die vom Tachogenerator SE abgegebenen Impulse über einen mit einem Überspannungsschutz kombinierten Schmitt-Trigger Sch sowohl an eine logische Verknüpfung G als auch an eine Auswerte-Steuerlogik ASL gegeben. Letztere liegt an einem zweiten Eingang dieser logischen Verknüpfung G, welche noch einen dritten, von einem Taktgeber PKT gelieferten Takt f^ beaufschlagten Eingang aufweist. Im Beispielsfalle ist die logische Verknüpfung G durch ein UND-Gatter gegeben.

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Die Auswerte-Steuerlogik ASL hat zwei logische Eingänge und zwei verschieden in der Logik durch Signale beaufschlagte Signalausgänge. Der eine Eingang liegt am Ausgang des der Impulsversteilerung dienenden Schmitt-Triggers Sch, der andere Eingang wird durch von dem Taktgeber PKT gelieferte und im Vergleich zu den vom Schmitt-Trigger Sch gelieferten Signalen eine erheblich größere Frequenz aufweisenden Taktimpulsen f^. gesteuert. Die beiden Ausgänge der Auswerte-Steuerlogik sind durch entsprechende Verknüpfung und Kombination der die Auswerte-Steuerlogik aufbauenden logischen Elemente derart unterschiedlich beaufschlagt, daß der erste - am dritten Eingang der logischen Verknüpfung G liegende-Ausgang der Auswerte-Steuerlogik ASL zusammen mit den beiden Eingängen von ASL eine logische Funktion entsprechend einem durch das Sensorsignal gesteuerten Tor ergibt.

Der zweite logische Ausgang der Auswerte-Steuerlogik ASL liegt sowohl an einem durch die logische Verknüpfung G beaufschlagten Zähler Z1 als auch am Istwertspeicher IWS und hat eine logische Funktion in Abhängigkeit von der Beaufschlagung der beiden Eingänge der Auswerte-Steuerlogik ASL, bei der der Zähler Z1 und der Istwertspeicher IWS zurückgesetzt werden oder der Inhalt des Zählers Z1 über denjümsetz-Festwertspeicher U in den Istwertspeicher IWS geladen wird. Hierzu kann die Auswerte-Steuerlogik ASL z.B. durch ein Netzwerk aus EXOR-Gattern (Exklusiv-ODER-Gattern) oder aus flankengesteuerten Flip-Flopzellen realisiert sein.

Der Signalausgang der logischen Verknüpfung G ist, wie soeben angedeutet, an den Zähleingang des binären Digitalzählers Z1 gelegt, dessen Rücksetzeingang durch den zweiten Ausgang der Auswerte-Steuerlogik ASL beaufschlagt ist. Die Signalausgänge des Digitalzählers Z1 sind an die entsprechenden Signaleingänge eines Umsetz-Festwertspeichers U, also eines entsprechend programmierten ROM-

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VPA ^ ^:" ■■ ' 1 ^C ^RQ Speichers, gelegt. Die in dem ROM-Speicher einprogrammierte Digitalinformation dient zur Modifizierung der von den Signalausgängen des Zählers Z1 gelieferten Informationen, die dann in modifiziertem Zustand in dem Istwertspeicher IWS temporär gespeichert werden. Zu diesem Zweck ist der Istwertspeicher IWS als Schreib-Lese-Speicher (PiAM) ausgebildet und vorzugsweise durch eine lineare Zählerkette realisiert.

Neben dem Istwertspeicher IWS ist ein dieselbe Anzahl von Speicherplätzen wie dieser aufweisender Sollwertspeicher SWS vorgesehen. Dieser ist bevorzugt ebenfalls als Schreib-Lesespeicher ausgebildet. Es kann aber auch ein Festwertspeicher verwendet werden.

Je nach Abruf durch die sowohl den Istwertspeicher IWS über das Umform-ROM U als auch den Sollwertspeicher SWS steuernde und ihrerseits durch die von dem Taktgeber PKT gelieferten Taktimpulse f_t gesteuerte, festprogrammierte Ablaufsteuerung AS werden die im Istwert- und im Sollwertspeicher gespeicherten Informationen auf einen Komparator K1 gegeben, in welchem die Regelabweichung Δ einschließlich ihres Vorzeichens festgestellt und an das im Sinne einer Gegenkopplung, also im Sinne einer Verminderung der Regelabweichung arbeitende Stellglied unter Vermittlung einer Korrekturschaltung KR und eines durch diese und teils auch direkt vom Komparator K1 gesteuerten Stellwerterzeugers weitergegeben wird.

Wie bereits oben festgestellt, ist das eigentliche Stellglied bevorzugt ein Thyristor, z.B. ein Triac. Zu seiner Steuerung sind jedoch die soeben genannten und zwischen dem Komparator K1 und dem Stellglied St vorgesehenen und insbesondere unter Verwendung von Zählers realisierten Schaltungsteile vorgesehen, wobei eine gewisse Ähnlichkeit zur Anordnung des Istwertspeichers und Sollwertspeichers gegeben ist.

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Die Korrekturschaltung KR, deren spezielle Ausgestaltungen in den Figuren 2-4 gezeigt sind, wird einerseits durch das die Regelabweichung Δ beinhaltende Signal vom Komparator K1 als auch durch den jeweils anhängigen Sollwert aus dem Sollwertspeicher SWS beaufschlagt. Die Beaufschlagung mit dem jeweils anhängigen Sollwert hat den Zweck, die NachfUhrgröße für das Stellglied, also den Stellwert zur Beschleunigung des Regelvorgangs an die für die verschiedenen Sollwerte unterschiedlichen Charakteristiken des Motors M anzupassen.

Der für die einzelnen Schaltungsteile zuständige Takt f^ wird zweckmäßig von Impulsen getragen, die von der auch den Motor M betreibenden Wechselspannungsquelle abgeleitet sind. Hierzu ist diese Wechselspannungsquelle an einen Impulsgeber PKT angeschlossen, der z.B. als Phase locked loop - Anlage, also als PLL-Anlage ausgestaltet ist. Einzelheiten über solche Anlagen sind z.B. dem in der Zeitschrift "Der Elektroniker»(1975/1976) Nr.6 -8 erschienen Artikel von R. Best""Theorie und Anwendungen des Phase-locked-Loops" zu entnehmen. Die vom Taktgeber PKT gelieferten Impulse liegen an der Ablaufsteuerung AS, an der Auswerte-Steuerlogik ASL, am dritten Eingang der logischen Verknüpfung G, an der Korrekturschaltung KR und an den das von der Korrekturschaltung KR gelieferte Signal zum Stellwert für das Stellglied, aufbereitenden Schaltungsteilen. Der Impulsgeber PKT ist zweckmäßig mit mindestens einer nachgeschalteten Teilerkette versehen.

Zur Erzeugung der das als Thyristor ausgestaltete Stellglied St steuernden Stellwerte ist eine Anlage vorgesehen, die einen Komparator K2, einen Umlaufzähler UZ und einen durch die von der Korrekturschaltung KR abgegebenen Signale beaufschlagten Stellzähler SZ enthält und deren durch den Ausgang des Komparators K2 gegebener Signalausgang auf die Zündelektrode des Stellglieds St

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geschaltet ist. Dabei wird der den Umlaufzähler UZ steuernde Takt f_t unmittelbar dem Impulsgeber PKT geliefert, während die Taktzufuhr zum Stellzähler SZ über die Korrekturschaltung KR gegeben ist. Der Stellzähler SZ ist als Vorwärts-Rückwärts-Zähler ausgebildet, während die übrigen Zähler UZ, Z1, der Zähler Z2 im Korrekturglied KR und die Speicher IWS und SWS, falls diese der Einfachheit halber als Speicherketten, also als Zähler ausgebildet sind» durch einfache Digitalzähler realisiert sein können.

Abgesehen von Einzelheiten der Korrekturschaltung ist somit die in Fig. 1 dargestellte Anlage beschrieben. Hinsichtlich ihrer Arbeitsweise ist folgendesfestzustellen.

Das vom Tachogenerator SE kommende Signal wird von dem Schmitt-Trigger Sch zu Rechteckimpulsen aufbereitet und zusammen mit dem von dem Taktgeber PKT gelieferten Zähltakt f_t an die logische Verknüpfung G gelegt. Die am Ausgang der logischen Verknüpfung G erscheinende Anzahl von Zähltakten ist direkt proportional der Periodendauer der vom Tachogenerator kommenden Impulse, welche wiederum umgekehrt proportional ihrer Frequenz und damit umgekehrt proportional zur Drehzahl des Motors M ist.

Die von der z.B. als UND-Gatter mit drei Eingängen ausgestatteten logischen Verknüpfung G abgegebenen Impulse werden in die als Zwischenspeicher dienende Zählerkette Z1 gezählt. Die Anzahl der Takte wird als binäres Wort aus der Zählerkette Z1 parallel ausgelesen und an die Adressenleitung des Umsetzspeichers U gelegt. In diesem ROM-Speicher U ist tabellarisch die Umrechnung von Periodendauer zur Frequenz abgespeichert. Am Ausgang dieses Speichers steht somit ein binäres Wort, das der vom Tachogenerator SE gemessenen Frequenz bzw. Drehzahl entspricht. Dieses Wort wird in den Istwertspeieher IWS eingelesen. Anstelle eines ROM-Speichers U könnte auch

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ein Rechenwerk vorgesehen sein, mit dessen Hilfe die Umsetzung von Periodendauer zur Frequenz erfolgt.

Die Auswerte-Steuerlogik ASL setzt zu Beginn Jeder angelegten Halbwelle der den Motor M treibenden Wechselspannung die bisher angesprochenen Speicher und Zählerketten auf den Ausgangszustand zurück und bewirkt, daß die logische Verknüpfung G erst nach der nächsten auf den anhängigen Nulldurchgang der Wechselspannung folgenden Flanke der vom Schmitt-Trigger Sch gelieferten Signale geöffnet werden kann. Weiterhin sperrt sie die logische Verknüpfung G nach Ablauf einer Periodendauer des vom Schmitt-Trigger Sch kommenden Signals bis zum nächsten Nulldurchgang der angelegten Wechselspannung. Hierdurch ist gewährleistet, daß der im Istwertspeicher IWS stehende Wert der Motordrehzahl nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung bis zum nächsten Nulldurchgang erhalten bleibt, so daß eine Einphasung gegeben ist.

Der im Istwertspeicher IWS jeweils stehende Wert der Drehzahl wird in dem Komparator K1 mit dem im Sollwertspeicher SWS stehenden Sollwert verglichen. Dieser Vergleich kann dadurch geschehen, daß beide Werte in einem Rechenwerk (Addierer, Komparator) subtrahiert werden, wobei am Aus-.

gang der Differenzbetrag 4, » also die Regelabweichung einschließlich deren Vorzeichen zur Verfügung gestellt wird. Die Bestimmung der Regelabweichung im Komparator K1 kann alternativ auch dadurch geschehen, daß ein Zähler durch einen der beiden Speicher IWS oder SWS, also entweder durch den Istwert oder durch den Sollwert, gesetzt wird und dann sein Zählerstand mit dem Inhalt des anderen Speichers zurückgezählt wird. Nach Beendigung dieser Operation bleibt im Zähler die Differenz A beider Speicherinhalte stehen.

Der Sollwert kann in den Sollwertspeicher SWS entweder parallel über einen Codierschalter direkt eingegeben wer-

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den oder über einen anderen Schaltertyp geführt sein, dessen Signal über eine geeignete Bedienlogik so aufbereitet wird, daß es dem aus einem Codierschalter erhaltenen Signal entspricht.

Andererseits kann der Sollwertspeicher SWS über einen Bedienschalter mit Takten f^. hochgezählt werden, wobei der Inhalt des Sollwertspeichers SWS und damit der Sollwert der Drehzahl über die Bedienzeit dieses Schalters feinstufig geändert werden kann.

Die aus dem Komparator K1 gewonnene Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert ist ein direktes Maß für die RegelabweichungΔ . Aus ihr wird in der Korrekturschaltung KR die Nachführgröße für das Stellglied St gewonnen. Außerdem wird die das Vorzeichen der Regelabweichung Δ betreffende Information vom Komparator K1 an den Stellzähler SZ gegeben und damit dessen Zählrichtung festgelegt. Die zwischen der Korrekturschaltung KR und dem Stellglied St vorgesehene und durch die Elemente SZ, UZ und K2 gegebene Ansteuerschaltung liefert den zur Steuerung des z.B. als Triac ausgebildeten Stellglieds St zu einem nach Maßgabe der Regelabweichung 4 einstellbaren Phasenwinkel inbezug auf die am Motor M und der PLL-Schaltung PKT angelegte Wechselspannung erforderlichen Stellwert.

Der in der Ansteuerschaltung vorgesehene Umlaufzähler UZ wird beim Nulldurchgang der am Motor M liegenden Wechselspannung zurückgesetzt und mit entsprechenden zur Wechselspannung synchronen Takten f^ während einer Halbwelle hochgezählt, derart, daß der Zählstand dieses Zählers UZ am Ende jeder Wechselspannungshalbwelle seinen maximalen Wert erhält.

Der ebenfalls zur Ansteuerschaltung, gehörende Stellzähler SZ wird durch die Korrekturschaltung KR beaufschlagt

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und sein Speicherinhalt in einem weiteren Komparator K2 mit dem Inhalt des UmlaufZählers UZ verglichen. Stimmen die Inhalte der beiden Zähler SZ und UZ überein, so gibt der Komparator K2 ein Signal ab, das - nach entsprechender Verstärkung durch einen (nicht dargestellten) Verstärker - als Zündimpuls an die Steuerelektrode des Stellgliedes St gegeben wird. Der Inhalt des Stellzählers SZ bestimmt also den Zündzeitpunkt und damit den jeweiligen Phasenanschnittswinkel zur Einschaltung der anhängigen Halbwelle der den Motor M betreibenden Wechselspannung.

Die aus der Korrekturschaltung KR zu gewinnende Nachführgröße muß also aus Takten bestehen, mit denen der Stellzähler SZ sowohl herauf als auch herabgezählt werden kann. Die Zahl dieser Takte bestimmt im Zusammenhang mit der Länge des Stellzählers (Anzahl der den Zähler bildenden Speicherzellen, Bitzahl) das jeweilige Ausmaß der Verstellung des Stellzählers SZ.

Die beschriebene Anordnung benötigt zu ihrer Funktion Takte f_t mit ggf. unterschiedlichen Frequenzen, die auf die den Motor M betreibende Wechselspannung synchronisiert sind, was durch die PLL-Schaltung PKT erreicht wird.

Ersichtlich wird das Regelverhalten der in Fig. 1 dargestellten Anlage durch die Korrekturschaltung KR bestimmt. Diese kann so ausgestaltet werden, daß die Gesamtanlage als Integralregler wirkt,nämlich dann, wenn die aus Fig.

ersichtliche Ausgestaltung verwendet ist. Eine Ausgestaltung des Korrekturgliedes KR entsprechend Fig. 3 führt zu einem Proportionalzähler und eine Ausgestaltung gemäß Fig. 4 zu einem Differentialzähler.

Hinsichtlich einer Ausgestaltung der Korrekturschaltung entsprechend Fig. 2 ist festzustellen, daß sowohl der Signalausgang des Sollwertspeichers SWS als auch der die Regelabweichung λ liefernde Signalausgang des Kompara-

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tors K1 an die Eingänge eines Korrektur-ROM-Speichers K-ROH gelegt sind,der seinerseits auf den durch den Takt f+ gesteuerten Digitalzähler 22 geschaltet ist. Der Ausgang dieses Zählers liegt am Signaleingang des Stellzählers SZ.

Damit ergibt sich folgendes Verhalten: Das aus dem Komparator K1 kommende binäre Differenzwort Δ wird als Adresse an das Korrektur-ROM K-ROM gelegt. Da die dynamischen Eigenschaften des Motors M drehzahlabhängig sind, wird das Adreßwort Δ um zusätzliche Bits erweitert, die die eingestellte Sollwertdrehzahl bzw. den angestrebten Sollwertbereich angeben. Der Korrekturspeicher K-ROM wird so programmiert, daß für jede derartige Adresse ein Ausgangswort zur Verfügung steht, welches der Anzahl der Verstelltakte entspricht, um die der Stellzähler SZ bei jeder Halbwelle der den Motor M betreibenden Wechselspannung zu verstellen ist, damit der Motor den Sollwert der Drehzahl erreicht. Dieses Ausgangswort wird vom Zähler Z2 übernommen, welcher darauf mit dem Takt f^. zurückgezählt wird. Die hierzu erforderlichen Impulse werden gleichzeitig zur Verstellung des Stellzählers SZ verwendet.

Der Proportionalregler unterscheidet sich vom Integralregler dadurch, daß das Korrektur-ROM K-ROM bei einer bestimmten Regelabweichung Δ ein Ausgangswort liefert, derart, daß eine einmalige Verstellung des StellZählers SZ ausreicht. Dabei wird durch eine - z.B. durch einen taktgesteuerten Digitalzähler realisierbare - Zeitsperr· ZSP erreicht, daß nach der durch das Auftreten einer Regelabweichung -i ausgelösten Verstellung des Stellzählers SZ weitere Verstellungen für eine der Zeitkonstanten des Motors entsprechenden Zeitspanne ausgeblendet werden.

Die zugehörige Ausbildung der Korrekturschaltung KR ist in Fig. 3 dargestellt. Sie unterscheidet sich von der Ausgestaltung gemäß Fig. 2 dadurch, daß bei ihr zwischen

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- dem Ausgang des Zählers Z2 und dem Eingang des Stellzählers SZ die Zeitsperre SZ liegt, die z.B. durch Zähler-Flip-Flops realisiert sein kann.

Bei einem Differentialzähler ist die Beeinflussung der Stellgröße verhältnisgleich zu der Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung A . Hierzu wird diese zunächst in einen ersten Zwischenspeicher ZW1 geschrieben und mit der in einem zweiten Zwischenspeicher ZW2 gespeicherten und von einem etwas früheren Zeitpunkt herrührenden Regelabweichung verglichen. Demzufolge weist die Ausgestaltung des Korrekturgliedes KR gemäß Fig. 4 einen ersten Zwischenspeicher ZW1 und einen zweiten Zwischenspeicher ZW2 auf, deren Signalausgänge an je einen Eingang eines Komparators K3 geschaltet sind und die durch einen Takt f+ gesteuert sind. Die jeweils vom Komparator K1 der Istwert-Sollwert-Vergleichsstufe abgegebenen Werte A der Regelabweichung gelangen mit dem zugehörigen Sollwert an den ersten Zwischenspeicher ZW1 und werden nach erfolgtem Vergleich auf den zweiten Zwischenspeicher ZW2 umgeladen, worauf dann der erste Zwischenspeicher SW1 für die Aufnahme des nachfolgenden Wertes der Regelabweichung bereit ist.

Der Ausgang des Komparators K3 liefert somit ein Signal, das der jeweiligen Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung Λ entspricht und das dann als Adresse an das Korrektur-ROM K-ROM gelegt wird. Ebenso wie bei der in Fig. 2 gezeigten Ausbildung ist durch den Korrekturspeieher K-ROM ein vor dem Stellzähler SZ liegender Zwischenzähler Z2 beaufschlagt.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausbildung des Korrekturgliedes KR läßt sich auch derart ausgestalten, daß abwechselnd die beiden Zwischenspeicher ZW1 und ZW2 durch die Istwert-Sollwert-Vergleichsstufe (z.B. unter Anwendung eines Multiplexers) beaufschlagt werden. Die jeweils eingespeieher-

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VPA 78 P ι π 5 BRD te Information bleibt dann für die Dauer zweier Vergleiche in dem betreffenden Zwischenspeicher und wird dann jeweils vor dem dritten Vergleich gelöscht, so daß der betreffende Zwischenspeicher für die Aufnahme eines neuen Wertes der Regelabweichung Δ zur Verfügung steht. Damit entfällt die Umladung vom Zwischenspeicher ZW.1 in den Zwischenspeicher ZW2.

4 Figuren

18 Patentansprüche

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Claims

Patentansp rüche

ί 1J Halbleiterschaltung zur Drehzahlregelung eines Elektromotors, bei der eine vom Istwert der Drehzahl abhängige elektrische Spannung mittels eines Sensors erzeugt und zur Steuerung eines die Drehzahl im Sinne einer gegenkopplung über den den Motor speisenden Strom beeinflussenden Stellgliedes eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Elektromotors (M) über einen zwischen dem Sensor (SE) und dem Stellglied (St) vorgesehenen Analog-Digitalwandler (Sch, G, Z1) erfolgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Sensor (SE) über den Analog-Digitalwandler gelieferten Istwertsignale mit den von einem Sollwertgeber (SWS) in digitaler Form vorgegebenen Sollwerten für die Drehzahl in einem Komparator (K1) verglichen, die Regelabweichung (Λ ) hierdurch in digitaler Form festgestellt und zur Erzeugung eines Stellwertes zur Beaufschlagung des den den Motor (M) treibenden Strom steuernden Stellgliedes (St) im Sinne einer Gegenkopplung verwendet ist.
3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor (SE) ein mit der Achse des Motors (M) gekoppelter Tachometer verwendet ist, der entweder auf optoelektronischer Grundlage oder auf Grundlage eines sich mit der Umdrehung der Motorachse am Ort eines Hallgeneratοrs bzw. einer Feldplatte bzw. einer Induktionsspule ändernden Magnetfeldes arbeitet.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, als Stellglied (St) ein den Elektromotor (M) Über den ihn speisenden Strom beeinflussender elektronisch gesteuerter Schalter, insbesondere ein Triac, verwendet ist.

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5* Vorrichtlang nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die von dem Sensor (SE) gelieferten Signale über einen Schmitt-Trigger (Sch) an einen Signaleingang einer taktgesteuerten logischen Verknüpfung, z.B. eines UND-Gatters (G) gelegt und der Ausgang der logischen Verknüpfung zur Beaufschlagung eines Istwertspeichers (IWS) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Istwerte vor dem Einspeichern in den Istwertspeicher (IWS) über einen programmierbaren Festwertspeicher (U) zwecks Umformung der Periodendauer an die Frequenz und Anpassung an die Leistungszufuhr-Drehzahlcharakteristik des zu regelnden Motors (M), insbesondere eines Wechselstrom-Universalmotors, geführt und die durch den Festwertspeicher (U) umgeformten Istwertsignale an die Signaleingänge des Istwertspeichers (IWS) gelegt sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Schmitt-Trigger (Sch) an die logische Verknüpfung (G) gelieferten Signale auch den Eingang einer getakteten Auswerte-Steuerlogik (ASL) mit zwei - jeweils ein besonderes Signal abgebenden - Ausgängen mit Informationssignalen versorgen, daß ein ein erstes Signal liefernder Ausgang der Auswerte-Steuerlogik (ASL) an einen dritten Signaleingang der logischen Verknüpfung (G) und ein ein zweites Signal liefernder Ausgang der Auswerte-Steuerlogik (ASL) zur Steuerung des Iswertspeichers (IWS) als auch zur Steuerung eines zwischen dem Ausgang der logischen Verknüpfung (G) und dem programmierten Festwertspeicher (U) liegenden Digitalzählers (Z1) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Istwertspeicher (IWS) auf einen Komparator (K1) geschaltet 1st, daß ferner ein Sollwert-

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speicher (SWS) zur weiteren Beaufschlagung des Komparators (K1) vorgesehen ist, und daß außerdem eine die Charakteristik des Regelkreises bestimmende Korrekturschaltung (KR) vorgesehen und einerseits durch die vom Kompa- -5 rator (K1) gelieferte Regelabweichung ( Ά )» andererseits durch die vom Sollwertspeicher (SWS) gelieferten und zur jeweiligen Regelabweichung (Δ ) gehörenden Sollwerte beaufschlagt ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der das Stellglied (St) steuernden Stellwerte ein taktgesteuerter Umlaufzähler (UZ), ein durch die taktgesteuerte Korrekturschaltung (KR) sowie ggf. durch das vom Komparator (K1) gelieferte Vorzeichen der Regelabweichung (Δ) beaufschlagter Stellzähler und ein sowohl vom Umlaufzähler (U) als auch vom Stellzähler (SZ) beaufschlagter Komparator (Kg) vorgesehen und daß der Ausgang dieses Komparators (Kg) ggf. über einen Verstärker an die Steuerelektrode des Stellgliedes (St) geschaltet ist.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die den Motor (M) speisende und über . das Stellglied (St) geführte Wechselspannung an eine PLL-Anlage mit nachgeschalteter Teilerkette (PKT) zur Erzeugung von Taktsignalen - ggf. mit unterschiedlichen Frequenzen - gelegt ist, und daß die von der PLL-Anlage (PKT) gelieferten Takte (f+) zur Versorgung der logischen Verknüpfung (G), der Korrekturschaltung (KR), der Auswerte-Steuerlogik (ASL), des UmlaufZählers (U) und einer Ablaufsteuerung (AS) vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Ablaufsteuerung (AS) zur Beaufschlagung des Festwertspeichers (U), des Sollwertspeichers (SWS) vorgesehen und durch - insbesondere von einer PLL-Anlage (PKT) gelieferte - Signale (f^) ge-

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taktet ist.

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12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß das Korrekturglied (KR) einen sowohl durch die vom Komparator (K1) gelieferte Regelabweichung (/j ) als auch durch die vom Sollwertspeicher (SWS) gelieferten Sollwerte beaufschlagten programmierbaren Festwertspeicher (K-ROM) als auch einen - insbesondere durch eine PLL-Anlage (PKT) taktgesteuerten Digitalzähler (Z2) enthält.
13· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Festwertspeicher (K-ROM) an den taktgesteuerten Digitalzähler (Z2) und dieser an den Setzeingang des der Stellwerterzeugung dienenden Stellzählers (SZ) gelegt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Festwertspeicher (K-ROM) an den taktgesteuerten Zähler (Z2) und dessen Ausgang an eine Zeitsperre (ZSP) und über diese an den Setzeingang des der Stellwerterzeugung dienenden Stellzählers (SZ) gelegt ist.
15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein taktgesteuerter und vom Sollwertspeicher (SWS) und der vom Komparator (K1) gelieferten Regelabweichung (/\ ) beaufschlagter erster Zwischenspeicher (ZW1) mit einem zweiten Zwischenspeicher (ZW2) und einem Komparator (K3) derart kombiniert ist, daß sowohl eine Umladung der im ersten Zwischenspeicher (SW1) gespeicherten Information in den zweiten Zwischenspeicher (SW2) als auch ein Vergleich der in den zwei Zwischenspeichern (SW1, SW2) jeweils liegenden digitalen Informationen mittels des Komparators (K3) gegeben ist, daß ferner der Ausgang des Komparators (K3) mit dem Signaleingang eines programmierten Festwertspeichers

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- 5 - vp_A 78 P 1 η 5 BRO (K-ROM) verbunden und dessen Signalausgang an einen taktgesteuerten Zähler (Z2) und dieser an den Setzeingang des der Stellwerterzeugung dienenden Stellzählers (SZ) geschaltet ist.
16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß der die jeweilige Regelabweichung (A ) liefernde Komparator (K1) zur zusätzlichen Beaufschlagung des der Stellwerterzeugung dienenden Stellzählers (SZ) mit dem Vorzeichen der jeweiligen Regelabweichung abseits, vom Korrekturglied (KR) befähigt ist.
17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Istwertspeicher (IWS) als auch der Sollwertspeicher (SWS) als Digitalzähler ausgebildet ist, daß ferner einer dieser beiden Speicher zugleich den Komparator (K1) für die Ermittlung der Regelabweichung (Δ) bildet und daß hierzu sein Speicherinhalt mit dem Speicherinhalt des anderen Speichers rückzählbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (K1) für die Ermittlung der Regelabweichung (Δ) als Rechenwerk (Central-Processor-Unity (CPU)) ausgeführt ist.

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