DE2913454A1

DE2913454A1 - Strombegrenzte motorgeschwindigkeitssteuerung

Info

Publication number: DE2913454A1
Application number: DE19792913454
Authority: DE
Inventors: Bruce E Arnold
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1978-04-04
Filing date: 1979-04-04
Publication date: 1979-10-18
Also published as: JPS54144917A; FR2422284A1; IT1111931B; IT7921598A0; GB2017975A; GB2017975B

Description

WIEGAND NiEMANN KÖHLER GERNHARDT GLAESK₁

PATENTANWÄLTE *

Zugelassen beim Europatschen Patentamt

W. 27826/79 20/de

11. Γ, ff

MDNCHEN DR. E WIEGAND DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT HAMBURG DIPL-ING. J. GlAESER

DIPL-ING. W. NIEMANN OF COUNSEL

KÖNIGSTRASSE 28

D-2000 HAMBURG

TELEFON (040) 381233 TELEGRAMME: KARPATENT TELEX 212979 KARP D

3. April 1979

The Singer Company Elizabeth^ New Jersey (V.St.A»)

Strombegrenzte Mot orgeschxfindigkeits steuerung.

Die Erfindung bezieht sich auf Motorgeschwindigkeitssteuerungen und insbesondere auf ein strombegrenzte Motorgeschwin™ digkeitssteuerung»

Motorgeschwindigkeitssteuerungen sind bekannt ₉ bei x^elchen ein erstes Signal erzeugt i-iird_s vielches der tatsächlichen Motorgeschwindigkeit entspricht j, ein zweites Signal gebildet wird_s xielches der gewünschten Motorgeschwindigkeit entspricht_s und das erste und das zweite Signal verglichen werden., um ein drittes Signal zu erzeugen«, welches zum Antrieb des Motors verwendet wird« Derartige Systeme sind jedoch stör- bzw. versagungsanfälligj, nämlich dann» wenn das erste Signal in einen übergesehwindiglceitsbereich gelangt _s ifodurch der Motor und auch der Antriebs Stromkreis zerstört x-serden können ο Es sind Einrichtungen geschaffen worden/ um eine derartige Zerstörung zu vermeiden. Bei einer bekannten Einrichtung (US-PS 2 940 030) wird die Anker-spannung eines Motors mit gesteuerter Geschwindigkeit auf den .Basisgesehifindigkeitswert begrenzt ₉ wenn eine

Störung im SignalruekkoppeiungsstroKkreio auftritt _s beispielsweise aufgrund eines defekten Tachometer·;;. In einem solchen Fall wird die Steuerung von aer: "iachor^eterrückkoppelungsstroniki^!eis auf den Ankerspannungsrückkoppeiungsstrorikreis übertragen. Eine derartige Einrichtung ist jeuocn aeshalu nachteilige weil sie beispielsweise einen FühlStromkreis und einen Regelstrom-,<.reis benötigt.

Ein Zweck der Erfindung besteht daher darin., eine verbesserte Motorsteuerung zu. schaffen.

Ein weiterer iweck der Erfindung besteht darin, eine i-ictor— geschwindigkeitssteuerung zu schaffen, bei welcher der- Motora'crorn begrenzt ist.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin_a eine Motorgeochv/indigkeitssteuerung mit Jti'üKibegr'eazung su schaffen_aviclche in bezug auf das Signal, welches aer tatsächlichen MotorgescLv;in~ digkeit entspricht, versugungssicner ist. Dies wird erreicht durch eine

MotorgesciiViindigkeitssteueruiig mit einer L'inricntung sum Erzeugen eines erdten der tatsächlichen Motorgsachwindigicöit; entsprechenden JignalSjmit einer Einrichtung „um Erseugen ein^o zweiten einer gewünschten Motorgeochv/indickait entsprechenden Signals ,mit einer vom ersten und zweiten Si-;r-al betätigten Einrichtung sum Erzeugen eines dritten aer Differenz syrischen, aer tatsäciilichen und der gewünscnten MotürgesahwindigKeit entsprechenden Signals und mit einer auf das aritte Jignal ansprechenden Einrichtung aum Anlegen eines Steuersignals sweets Steuerung des Motors j wobei aas Steuersignal eine bekannte Leaithung sum dritten Signal hat, gekennzeichnet durch eine Sperr- bzv.*. ßlockiersehaltung, um zu verhindern. daß das dritte Signal einen veränderbaren Maximalwert überschreitet, ,«'obei dieser eins Punktion des ersten Signals ist.

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" BAD

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung einer bekannten Motorgesehwinaigkeitssteuerung.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung einer verbesserten bekannten i'iotorgescnwindigkeitssteuerungo

Fig. 3 zeigt eine Schaltung einer Hotorgeschwindigkeitssteuerung gemäS der Erfindung»

Fig. 4a und 4b dienen zur Erlauterdung einiger Teile der Steuerung gemäß der Erfindung.

Fig. 5 zeigt eine Schaltung einer Hotorgeschv/indigkeitssteuerung gemäß der Erfindung., wobei die Schaltungen nach Fig. 4a und 4b berücksichtigt worden sind.

Fig. 6 zeigt eine Darstellung des Stromes in Abhängigkeit von der Zeit, und zwar mit und ohne Strombegrenzung.

Die Geschwindigkeit des in Fig. 1 gezeigten Motors ?/ird über die Spannung V gesteuert, welche an den Motor über eine Leitung 12 angelegt wird. Die Leitung 12 ist .die Ausgangsleitung eines VerstärKers 14, eier seinen Eingang über eine Leitung l6 von einem Summierer Ib erhält. Der Motor lü ist mit einem Tachometer 20 verbunden., so wie dies durch eine unterbrocheneLinie in der Fig. 1 gezeigt ist. Die Tachometerausgangs spannung V, wird über eine Leitung 22 an einen VJancilev c.^L\ angelegt, dessen Ausgang auf einer Leitung 2b eine konstante Vielfache K, der Taenometerspannung V_ ist. Das Signal auf der Leitung 26 ist für die tatsächliche Motorgeochwindigkeit repräsentativ und wird zu einem unikehrenden Eingang des Summierers 18 geführt. Der nicht-umkehrende Eingang des SuKinierer-s \st mit einer Leitung 28 verbunden/ an welche ein Signal angelegt wird, welches der gewünschten Motorgeschwindigkeit entspricht. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist zu diesem Zweck die Leitung 28 mit einem Potentiometer 30 verbunden, um eine veränderliche Spannung über die Leitung 28 zum nieht-umkehrenden Eingangsansehluß des Summierers Ib zu schicken. i'^as Potentiometer 30 kann beispielsweise in einem

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BADORlGtINAL

iedal für eine Nämr.aschir.e untergebracht sein, welches aur steuerung der Geschwindigkeit äea iJähnaschirienearitriebsmotors durch die rsedienur:gsperson betätigt '..'Ird.

Die in Fig. 2 gezeigte Scualtung weist eine zusätzliche Rückkoppelangsschieife auf, welche dein Zweck dient _s eine bekannte öeziehung zwischen aer Spannung für die Steuerung der Moturgeschwir. .:igiceit V, und der Servospannung V., festzulegen, welche für den Unterschied zwischen der tatsächlichen una der gewünschten Mutorgesehwiuuigkeit repräsentativ ist. Die Servosparmuag V ist der Ausgang eines Verstärkers j>2,

und zwar auf einer zeitung 34. Der üingang deo Verstärkers wird über die Leitung Ib ernaiten₅ weiche rüit dem Ausgang des Summierers Io verbunden ist» Die ijervobpannung V₁, auf der Leitung 3^ wird an den nicht-umkenrsriuen Eingang des Summierern :>5 angelegt» Der Ausgang des Sununiersro ^o auf einer zeitung wird als Eingang zum Verstärker 4o geführt, dessen Ausgang auf der Leitung 42 die Steuerspannung V₁ ist., die an aen Motor angelegt wird. Die Motürupannung V,. wird au:i>eruei,i an einen Kultiplizierstromki-eis -'44 angelegt, aeasen Ausgang auf der Leitung 46 ein konstanter VIelfaoner *-.., aer i-'.otoi"-pannung V. ist. Die Besiehung av/isehen eier Hotorspannai-g V_ri tuui der Jervo-

syannung V, Kann wie folgt erhalten worden: s

wobei A axe VerstärKung des Verstärket^": 40 itit. Daher ist

(2) V= AV /(i+Ar.. J.

Γί: S J.

Unter der Annahme, aaß die Verstärkung A c'eo Ver'soärkerr· 40 sehr hoch ist, i.'"jt Αλ viel großer alö 1 urüi daher .^.iit

(3) V= AV^/AK = Y„/K,
als eine bekannte Beziehung.

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BAD ORIGINAL

Gemäß der Erfindung ist es erwünscht, den Motorstrom zu begrenzen. Zur gleichen Zeit ist es jedoch auch erwünscht, eine Versagungssicherheit in dem Fall zu erhalten, wo eine Stromkreisunterbrechung in dem Tachometcrrückkoppelungsstromkreis auftritt. Um diese vorgenannten Ziele zu erreichen, muß eine Beziehung zwischen dem Motorstrom und der Tachometerspannung hergeleitet werden. Die Spannung V , um den Motor 10 anzutreiben, ist gleich dem Spannungsabfall über den Motorwindungen plus der Gegen-£MK_S Vielehe durch den Motor erzeugt wird. Die Gegen-EMK ist eine lineare Funktion K der Motorgeschwindigkeit S, Daher gilt

(JJ) V= IR+K So
m e

Jedoch ist die Spannung auf der Leitung 2ö_s närnlica K. V ,
eine lineare Funktion K der Motorgeschwindigkeit S.

(5) K_fcV_t = KS=

Es ist außerdem aus den verschiedenen Ableitungen her bekannt, daß

(6) v_m = V₃ZK₁

ist.
Daher gilt

^Vm = V^K1 ⁼

(8) V = K₁IRtK₁(K /K)K. V. .

S 1 J. θ ' υ u

In der bevorzugten Ausführungsform und für die spezielle Motorsteuerung und das Servosystem ist K₁=O₃OSjR=O₅Si K /K=IO und das Maximum des gewünschten Motorstroms 1=40, Daher gilt

(9) V_s =

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Es wird bemerkt, daß in der Gleichung (S) die speziellen Zahlen sich nur auf aie speziellen Parameter beziehen, aie oben der Diskussion zugrunde lagen. Für andere Bemessungen eines Motors una eines Servosystem würden eich diese Zahleriwerte verwenden, oogleien die Linearität gewahrt bleibt.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung, welcher der oben genannten Gleichung gerecht wird, d.h. diese Schaltung erbringt eine Strombegrenzung und auch eine Versagungssicherheit. In Fig. ist eine Sperr- bzw. blockierscaaitung 50 gezeigt, welche zwischen aen Leitungen 26 und $k angeschlossen ist. Die Schaltung 50 verwendet die auf der Leitung üö auftretende Spannung, um sicherzustellen, da/i die Servo spannung V_ auf

der Leitung 34 niemals über den Spannungswert hinausgeht, der durch die Gleicnung (9) spezifiziert worden ist. Aus der Gleichung ist ersichtlich, αα:Ό i:.; Falle einer¹ Stromkreisunterbrechung in der Täuhoiaöterrückr.oppelur.güscrileife uie Spannung V, auf einen festen v/ert gehalten wird, n&ulich auf 1 y. Die Schaltung 50 kann so, wie in aer- Fig. -iA gezeigt, ausgeführt sein. Diese Schaltung weist einen ersten Widerstand 52, einen zweiten v/iderstanä 5^i; una eirer. arittea Widerstand 56 auf, Vielehe alle mit jeweils einen: ihrer Enden an einen gemeinsamen Punkt 5b verbunden sina. Das anaere Ende des ersten Widerstandes ist mit ue? ersten festen Spannut einer Spannungsquelle 60 verbunaen« i;as unaere Lade asu sKeite^ Widerstandes ist an Erde gelegt. Das freie Ende des ür-itT-en Widerstandes ist mit einem EingangsanschiuS oi v«rbunaen, (In der in Fig. 3 gezeigten Schaltun|ⁿSpricht iio Eingang™ spannung V. der Tachometerrückkoppeiungsspannung K^V₊. .}

in <s :j

Ziiischen dem Verbindungspunkt 5Ö uric: oinsra AuiigangaanscalUil ο der Sperr- bzw. blockierschaltung 5ü befindet sich ei:*^ iaea.le Diode 66. Unter der Vlirkung dieser Diode kann die opaariung a:a Anschluß 64 niemals über die Spannung am Anschluß 50 tiinau;:.-gehen» (In der in Fig. 3 gezeigten Schaltung ist die Aus^uigs-

spannung V . am Anschluß 64 die Servospannung V^ auf der out " 3

Leitung 34.) Die Spannung am Verbindungspunkt 5<> kann durch Summieren der Ströme durch die Widerstände 52_a p4 und ^C errechnet werden., wobei dieser Gesamtstrom durch die Summe der

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Scheinleiuwerte der* Widerstände 52, p4 und ^lja geteilt werden muß. Ist die fest» Spannung bO bekannt, und berücksichtigt man die Tatsache, daß der V/iderstaiia ^ an seinem zweiten Ende auf Erde liegt, und aie gewünschte Beziehung zwiscnen der Spannung am Punkt t>ü und 62 bekannt ist, können die Widerstandswerte berechnet werden, beispielsweise soll die feste Spannung 60 12 V betragen und die Gleichung (9) berücksichtigt werden, so erhält man für den Wiüerstandsv/ert des Widerstands 600 kOiim, für aen zweiten Widerstand bM. 120 kOlim und den dritten Widerstand t>6 lOOkOhm.

liei der vorangehenden Betrachtung ist unterstellt worden, daß eine ideale Diode 66 vorhanden ist. Tatsächlich gibt es jedoch kein einzelnes Element, welches wie eine ideale Diode wirkt. In der in Fig. MB gezeigten Schaltung wird Jedoch eine Charakteristik erreicht, Vielehe derjenigen einer idealen Diode sehr nahe kommt und daher für praktische Fälle als solche eingesetzt werden kann. Der Stromkreis 06 weist einen Operationsverstärker 68 auf, dessen nicht -umkehrender Eingang mit üe;n Anschluß 5Ö über eine Leitung 70 verbunden ist* Der Ausgang des Operationsverstärkers 66 ist mit dem Ausgangsansehluß aH _a und zwar über eine Diode 72 verbunden, wobei/die Diode 72 mit ihrer Anode an den Ausgangsanschluß 0¹I und mit ihrer Kathode an den Ausgang des Operationsverstärkern bö angeschlossen iat. Der umkehrende Eingang des Operationsverstärkers 6ö ist über eine Leitung 7^ raifc dem ersten Anschluß eines Widerstandes '(6 verbunden, dessen zweiter Anschliu?; "mit dem Ausgangsanacnluia bh verbunden ist. Der umkehrende Eingang aes üperationsverstärkerc cc ist außerdem über die Leitung Jh mit der Kathode einer Dioae 7Ö verbunden, dessen Anode mit dem Auügangsanschluß des Oporationaverstärkers 68 verbunden ist» Ein üperationsvorstäi'ker in Rüctckoppelungsanordnung, so wie dies in Fig. k'u gezeigt ist-, wirkt dahingehend, die Ströme, welche in seinen nieht-uiakehrenden und seinen umkehrenden Eingang hineinfließen, einander gleichzumachen. Falls daher die Spannung am Anschluß 6*i versucht, über die Spannung am Anschluß 5ö hinauszugehen, wirkt der Operationsverstärker 68 als Stroaiaenke und verringert entsprechend die

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Spannung am Anschluß 64. Demzufolge wirkt die in Fig. k'a gezeigte Schaltung wie eine ideale Dioae.

In Fig. i> sine, die Teilschaltungen nach Fig. *»A und h^ berücksichtigt worden. Aus üen Fig. j ur.ci ρ ist ersichtlich, daß der in Fig. b gezeigte Operationsverstärker cO eine Kombination des Suirjni-.rez^s lö und dos Verstärkers 3^ nach Pig. j> darstellt. In entsprechender V/eise ist J.er Operationsverstärker in-Fig. 5 eine Kombination des Summierers _5o und des Verstärkers 40 nach Fig. j.

In Fig. 6 sind uie Ströme in Abhängigkeit von der Zeit, und zwar mit unu ohne Strombegrenzung gezeigt. Die ausgezogene Kurve zeigt den Stromverlauf des Motors während aea Anlaufens.., und zwar ohne Strombegrenzung» üs ist ersichtlich, daß der Strom einen relativ hohen Spitzenwert, a stimmt und dann abfällt, wenn sich der Motor becchlouaigt, und zvi&r etvie. bis aura Zeitpunkt T , wo der Motor seinu Arbeitsgeschwindigkeit erreicht hat una uer Strom auf einen niedrigen Gieichgt;y.^ricfitastromwert verringert wurde. Die uiitertrcchens Linie in Fig. υ zeigt den Strom de^ Motors, v/enn eir.e; otroüibc-grenr.'ang im üervosystem vorhanden ist. I¹Js Ist ersiciitiichj, daß der Jtrcm ira wesentlichen konstant bleibt_s una zvizr bin surn Zeitpunkt T-., dem Zeitpunkt nänlich, v/o der Motor seine Lauf- bzw. Arbeitsgeschwindigkeit erreicnt, wobei an diusera iiei'cpankt der ötroia ivibder verringert i^ird. Es wird bewerbt,, aaii r:iit der ei trombe ~ grenzung ei::e längere ^eir- für den Mc^or notv.'e.'idig ist, ura seine Arbeitsgeschwindigkeit su erreichen, jedoch ist cie Möglichkeit wesentlich verringert- _s daii ccv Motor durchbronn-an könnte.

Uie vorangehende Analyse basiert auf eier idealen Situab;".Oi:₅ wobei diese durch die Gleichung (y) repräsentiert ist.

Durch Experimentieren konnte jeuoch gefunden v/eraen. daä zufolge von höhergerauigen oyster.! - Yerütärkungsveränderunger: die Beschleunigung bei hohen Geschwindigkeiten bei Näherung an die gewünschte Motorlaufgeschwindigkeit leicht abfällt.

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BAD OFUQiNAL

Demzufolge ist ein Korrekturfaktor von 15 % angebracht, so daß die Gleichung (9) in die nachfolgende Gleichung übergeht

(10) V_s = l+O,58K_tV_t.

Mit dieser Beziehung erhalten die Widerstandsv/erte in der Sperr- bzw. Blockierschaltung 50 aufgrund erneuter Berechnung folgende Werte, nämlich für den Widerstand 52 IMOhm, für den Widerstand 5** 2^3kOhm und für den Widerstand 56 1^3k0hm. Es ist gefunden worden, daß die beschleunigung des Motors im wesentlichen linear bis auf die gewünschte Motorgeschwindigkeit ist, wenn diese Widerstandswerte berücksichtigt x<rerden.

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Claims

P at e nt ans ρ r u c h e

1.JMotorgescnwindigkeitssteuerung rait einer Einrichtung zum if/eugen eines ersten der tatsächlichen Motorgeschwindigkeit entsprechenden SignalSj mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines zweiten einer gewünschten Motorgeschwindigkeit entsprechenden Signalsj mit einer vom ersten und zweiten Signal betätigten Einrichtung zum Erzeugen eines dritten der Differenz zwischen der tatsächlichen und der gewünschten Motorgeschwindigkeit entsprechenden Signals und mit einer auf das dritte Signal ansprechenden Einrichtung zum Anlegen eines Steuersignals zwecks Steuerung des Motors, wobei das Steuersignal eine bekannte Beziehung zum dritten Signal hat, gekennzeichnet durch eine Sperr- bzw. Blockierschaltung, um zu verhindern, daß das dritte Signal einen veränderbaren Maximalwert überschreitet, wobei dieser eine Punktion des ersten Signals ist.

2. Motorgeschwindigkeitssteuerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines Sperr- bzw. Blockiersignals, welches eine lineare Funktion des ersten Signals istjund durch eine Sperr-Blockierschaltung, um den Maximalwert des dritten Signals auf das Sperr- bzw. Blockiersignal festzulegen.

3· Motorgeschwindigkeitssteuerung nach Anspruch 2_S gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Sperr- bzw. Blockiersignals, welches eine lineare Funktion aus einem konstanten Wert und einem konstanten Vielfachen des dritten Signals ist.

²J. Motorgesehwindigkeitssteuerung nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet» daß die Einrichtung zum Erzeugen des Sperr- bzw. Blockiersignals einen ersten Widerstand, dessen eines Ende an einer ersten Bezugsspannung liegt und dessen zweites Ende mit einem Yerbindungspunkt verbunden ist_s einen zweiten Widerstand,dessen erstes Ende auf einer zweiten öezugsspannung liegt und dessen zweites Ende mit dem Verbindungspunkt verbunden ist, und einen dritten Widerstand aufweist_a dessen

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erstes Ende mit dem ersten Signal gespeist wird und dessen zweites Ende mit dem Verbindungspunkt verbunden ist, wobei die Widerstandswerte der Widerstände so gewählt sind, daß sie einer linearen Punktion entsprechen.

5. Motorgeschwindigkeitssteuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperr- bzi*. Blockierschaltung eine ideale Diode aufweist, deren Kathode mit dem Verbindungspunkt und deren Anode mit dem Ausgang der Einrichtung zum Erzeugen des dritten Signals verbunden ist.

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