DE2916615B2 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche ist bekannt durch die DE-OS 25 Ol 786.
Wenn ein Gleichstrommotor mit einer Feldwicklung zum Antrieb einer Spindel einer Werkzeugmaschine verwendet wird, wird der Motor üblicherweise in dem Bereich, in dem seine Kennlinie der Ausgangsleistung konstant ist, betrieben.
Im Bereich niedriger Drehzahlen hat der Gleichstrommotor eine konstante Drehmomentkennlinie und erzeugt eine der Drehzahl proportionale Ausgangsleistung und im Bereich hoher Drehzahlen zeigt er eine Kennlinie konstanter Ausgangsleistung, wobei unabhängig von der Drehzahl eine konstante Leistung erzeugt wird. Ein Gleichstrommotor mit einer Nennleistung von 15 kW und einer Drehzahl von 3500 U/min hat beispielsweise in einem Drehzahlbereich von 1160 bis 3500 U/min eine Kennlinie konstanter Ausgangsleistung und unterhalb 1160 U/min eine konstante Drehmomentkennlinie, wie F i g. 1 zeigt. Folglich wird der Motor bei Verwendung für den vorerwähnten Spindelantrieb im Bereich von 1160 U/min bis 3500 U/min betrieben.
Für den Spindelantrieb besteht aber die Forderung, -> den Bereich geringer Drehzahlen zu überdecken, und zu diesem Zweck wird eine Einrichtung zur Änderung der Drehzahl mit einem Getriebe, einer Kupplung usw. mit dem Gleichstrommotor gekoppelt, um seine Drehzahl beispielsweise auf 1/3 zu verringern, wodurch der ι μ Bereich konstanter Ausgangsleistung für den Spindelan trieb vergrößert wird. Das heißt, daß der Bereich konstanter Ausgangsleistung, wie durch die gestrichelte Linie in F i g. 1 angedeutet ist, durch die Einrichtung zur Änderung der Drehzahl vergrößert werden kann, um 380 bis 3500 U/min zu überdecken. Die Anordnung einer solchen Einrichtung führt aber zu einer aufwendigen Konstruktion, erfordert zusätzlichen Raum und erhöht die Trägheit der an dem Motor angeschlossenen Last, was seine Ansprechempfindlichkeit verringert.
Zur Vergrößerung des Bereichs konstanter Ausgangsleistung kann der Gleichstrommotor in einer Weise betrieben werden, daß seine Ausgangsleistung 1/2 oder 1/3 seiner Nennleistung beträgt, wie in Fig. 2 gezeigt ist Wenn beispielsweise die Nennleistung eines 2j Gleichstrommotors 15 kW beträgt, wird er derart betrieben, daß er 5kW abgibt, wodurch ein Bereich konstanter Ausgangsleistung von 380 bis 3500 U/min erhalten wird. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil einer geringeren Ansprechempfindlichkeit des Gleich-J(I strormnotors entsprechend der Begrenzung seiner Ausgangsleistung.
Der im Gattungsbegriff gewürdigten Anordnung nach der DE-OS 25 01 786 liegt die Aufgabe zugrunde, Überlastungen zu vermeiden.
ι. Schließlich ist eine Anordnung zur Begrenzung der Beschleunigung eines drehzahl- oder ankerspannungsgeregcltcn Elektromotors bekannt (DE-PS 10 47 912).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die den Bereich konstanter Ausgangsleistung des Gleichstrommotors ohne Anwendung einer Einrichtung zur Änderung der Geschwindigkeit vergrößert und die auch die Ansprechempfindlichkeit des Motors erhöht. Gelöst wird diese Aufgabe 4r> durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert, in der ist
■so F i g. 1 eine Darstellung der Kennlinie der Ausgangsleistung eines Gleichstrommotors und der Vergrößerung seines Bereichs konstanter Ausgangsleistung durch Verwendung einer Einrichtung zum Ändern der Geschwindigkeit,
F i g. 2 eine Darstellung der Vergrößerung des Bereichs konstanter Ausgangsleistung des Gleichstrommotors durch Begrenzung seiner Ausgangsleistung,
F i g. 3 eine Darstellung der der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien,
Fig.4 eine Ankerspannungskennlinie eines erfindungsgemäß geregelten Gleichstrommotors,
Fig.5 eine Ankerstrommotorkennlinie eines erfindungsgemäß geregelten Gleichstrommotors,
F i g. 6 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 7 ein Blockschaltbild, das den wesentlichen Teil des bei der Erfindung verwendeten Beschleunigungs-/ Verzögerungs-Signalgenerators zeigt, und
F i g. 8a bis c die Drehzahl-, Ausgangsleistungs- und Stromkennlinien eines erfindungsgemäß geregelten Gleichstrommotors.
Fig.3 erläutert die Prinzipien der Erfindung. Ein Gleichstrom-Motor mit einer Nennleistung von 15 kW s wird derart betrieben, daß in einer Beschleunigungs- oder Verzögerungsperiode die Leistung von 15 kW und in einer Periode stationären Zustanas eine begrenzte Leistung von beispielsweise 5 kW erzielt wird. In der Periode stationären Zustands wird die Leistung begrenzt, um den Bereich konstanter Leistung zu vergrößern, und in der Beschleunigungs- oder Verzögerungsperiode wird der Motor so betrieben, daß die Nennleistung erzeugt wird, wodurch eine erhöhte AnsprechempFindlichkeit des Gleichstrom-Motors er- μ zielt wird.
Fig.4 zeigt eine Ankerspannungs-Kennlinie und Fig.5 eine Ankerstrom-Kennlinie. In der Beschleunigi'ngsperiode erhält der Motor unbeachtlich seiner Drehzahl Nennstrom, und in der stationären Antriebsperiode erhält er in dem Drehzahlbereich, in welchem eine konstante Leistungscharakteristik geliefert wird, einen kleineren Strom. Das heißt, daß das Feld derart gesteuert wird, daß die Ankerspannung, wie in F i g. 4 gezeigt, konstant ist, und daß, in Abhängigkeit davon, ob 2r> der Motor in seiner Beschleunigungs- oder seiner stationären Periode ist, wie in F i g. 5 gezeigt, der Ankerstrom gesteuert wird.
Fig.6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockschaltbild. Ein Kommandosignal CW für Umdrehung im Uhrzeigersinn oder ein Kommandosignal CCWfür Umdrehung im Gegenuhrzeigersinn v,ird an eine Drehzahlkommando-Steuerschaltung 1 gelegt zur Versorgung einer Einrichtung zum Feststellen des Ansteigens oder Abfallens des Drehzahl-Sollwertsi- i=> gnals 2 (im folgenden als ACC/DES-Ein-) Signalgenerator abgekürzt) und eines Digital-Analog-( im folgenden abgekürzt DA-) Wandlers 3 mit einem Signal, welches dem Drehrichtungs-Kommandosignal CW oder CCW entspricht. Ein digitales Kommandosignal S für die 4» Drehzahl wird durch den DA-Wandler 3 entsprechend dem an den Wandler 3 gegebenen Drehrichtungs-Kommandosignal in eine positive oder eine negative Spannung umgesetzt, die an einen analogen Drehzahlkommando-Spannungsgenerator 4 geführt wird. Der Ausgang des analogen Drehzahlkommando-Spannungsgenerators 4 ist an den ACC/DEC-Ein-Signalgenerator 2 gelegt, der e:ne Änderung in der analogen Drehzahlkommsndo-Spannung wahrnimmt zur Erzeugung eines ACC/DEC-Ein-Signals als Eingangsgröße für eine Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7.
Der Addierer 5 liefert ein Drehzahl-Fehlersignal entsprechend einer Differenz zwischen der analogen Drehzahlkommando-Spannung und einer Drehzahl-Rückführspannung, die von einem Tachogenerator 19 abgeleitet wird. Das Drehzahl-Fehlersignal ist an einen Fehler-Verstärker 6 gelegt. Die Ausgänge des Fehler-Verstärkers 6 und der Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7 gelangen auf einen Eingang eines Addierers 8. Der Strom eines Ankers 17 eines Gleichspannungs-Motors wird durch einen Stromdetektor 20 ermittelt und die ermittelte Größe gelangt über eine Strom-Rückkopplungsschaltung 21 an den anderen Eingang des Addierers 8.
Der Ausgang des Addierers 8 wird durch einen Stromfehler-Verstärker 9 verstärkt und an eine Phasen-Steuerschaltung 10 geliefert zur Steuerung der Torschaltungen 11 und 12, wodurch Signale für die Steuerelektroden der Thyrittorschaitungen 13 und 14 erzielt werden. Ein durch die Thyristorschaltungen 13 und 14 gesteuerter Strom einer Leistungsschaltung 15 gelangt an den Anker 17, und durch einen Widerstand 22 wird eine Ankerspannung festgestellt und einer Steuerschaltung 16 für das Feld zugeleitet, durch welche ein Strom für eine Feldwicklung 18 gesteuert wird, um die Ankerspannung konstant zu halten.
Der ACC/DEC-Ein-Signalgenerator 2 ist beispielsweise wie in F i g. 7 gezeigt konstruiert, in welcher die Drehzahlkommando-Analogspannung des Drehzahlkommando-Analogspannungs-Generators 4 an eine Eingangsklemme Ein geliefert wird. Ein Kondensator Cl, Widerstände R 1 bis R 5 und Dioden D 1 und D 2 bilden eine Differenzierschaltung, deren Ausgangsgröße einem Pufferverstärker BA zugeführt wird. Die Bezagszeichen C2 und R6 bezeichnen einen Kondensator und einen Widerstand für Rückkopplungszwecke. Kumparatoren COMP 1 und COMP 2 werden mit durch Widerstände R 7 bis R10 entsprechend geteilte Bezugsspannungen versorgt und jeder derselben vergleicht die BezL-gsspannung und die Ausgangsspannung des Pufferverstärkers BA. Der Pufferverstärker BA und die Komparatoren COAfPl und COMP2 bilden einen Pegel-Komparator. Durch die vorerwähnte Differenzierschaltung werden der Anstieg und der Abfall der analogen Geschwindigkeitskommando-Spannung festgestellt, und durch den Pegel-Komparator wird ermittelt, ob sich der Pegel des Ausgangs der Differenzierschaltung oberhalb eines vorbestimmten Werts befindet oder nicht, wodurch einer Fehlfunktion durch Störungen od. dgl. vorgebeugt wird. Wenn die positive oder negative differenzierte Ausgangsgröße die Bezugsspannung des Komparators COMPX bzw. des Komparators COMP2 übersteigt, wird von dem Komparator COWl oder dem Komparator COMP2 ein BeschleunigungS'/Verzogerungs-Start-Triggerimpuls abgeleitet, um einen Zeitgeber TIM zu starten. Der Ausgang des Zeitgebers TIM gelangt als das vorerwähnte ACC/DEC-Ein-Signal von einer Ausgangsklemme Aus an die Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7.
Die Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7 ist eine Art Funktionsgenerator und hat eine Ausgangscharakteristik, wie sie in F i g. 5 dargestellt ist. Wenn sie ein ACC/DEC-Ein-Signal erhält, erzeugt die Strombegrenzungs-Einsteilschaltung 7 unbeachtlich der Drehzahl-Rückführspannung des Tachogenerators 19 ein Maximalstrom-Signal. In Abwesenheit eines ACC/DEC-Ein-Signals bringt die Schaltung 7 ein Signal hervor, welches einen Strom abfallen läßt bei einem Anstieg in der Drehzahl-RückfQhrspannung, das heißt einem Anstieg der Drehzahl des Gleichstrom-Motors, und liefert einen begrenzten Strom, wenn die Drehzahl des Gleichstrom-Motors einen vorgegebenen Wert überschreitet. Die Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7 kann beispielsweise aus einem Widerstand und einem Schalterelement gebildet sein.
Bei Anwendung der Drehzahl-Kommandosignale CW und CCW und des Drehzahl-Kommandosignals S an der Drehzahlkommando-Schaltung ermittelt der ACC/DEC-Ein-Signalgenerator 2 den Anstieg der analogen Drehzahlkommando-Spannung von dem analogen Drehzahlkommando-Spannungsgenerator zum Anlegen des ACC/DEC-Ein-Signals an die Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7. Da die Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7 die Ausgangsgröße des Drehzahlfehler-Verstärkers 6 nicht unterdrückt, wird dem Anker 17 über die Thyristor-Schaltungen 13 und 14
ein Strom einer bemessenen Ausgangsgröße geliefert, um den Gleichstrom-Motor mit einem Signal zur Erzeugung der bemessenen Ausgangsleistung zu starten.
Der ACC/DEC-Ein-Signalgenerator 2 erzeugt das ACC/DEC-Ein-Signal beispielsweise für eine durch den vorerwähnten Zeitgeber TIM bestimmte Zeitperiode und wenn das ACC/DEC-Ein-Signal abgeschaltet wird, erzeugt die Strombegrenzungs-Einstellschaltung 7 ein Sirombegrenzungs-Signal, welches der Drehzahlrück- ι führ-Spannung folgt zur Unterdrückung der Ausgangsgröße des Fehler-Verstärkers 6. Als Folge wird die Ausgangsgröße des Addierers 8 auf Null reduziert, wenn das Rückführungsstrom-Signal unterhalb eines bemessenen Werts ist, so daß der Strom des Ankers 17 ι begrenzt ist.
Die F i g. 8a bis c zeigen die Drehzahl-Charakteristik, die Leistungs-Charakterislik und die Strom-Charakteristik des Gleichstrom-Motors für den Fall, daß seine
■ Nennleistung 15KW und seine Drehzahl 3500 U/min beträgt. Weil der Gleichstrom-Motor gesteuert wird, um für die durch den Zeitgeber TIM bestimmte Zeitspanne Γ die Nennleistung abzugeben, wird er zur Zeit des Startens rapide beschleunigt. Zur Zeit des
ι Anhaltens wird, weil regeneratives Bremsen vorliegt, die Stromrichtung umgepolt und in diesem Fall wird der Strom gesteuert, ein Strom zur Abgabe der Nennleistung zu sein, was ein rapides Abbremsen des Motors zur Folge hat.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors mit unterlagerter Stromregelung, die zur Erzielung von Rückkopplungs-Signalen zum Vergleich mit Führungsgrößen einen Ankerstrom-Istwert und einen Drehzahl-Istwert des Motors ermittelt und entsprechend den Ergebnissen des Vergleichs mit den Führungsgrößen den Motor zu seinem Antrieb bei einem Drehzahl-Sollwert steuert, mit einer Strombegrenzungseinrichtung, wobei der Motor in einem Beschleunigungs- oder Verzögerungsbereich zur Erzeugung einer ersten höheren Leistung gespeist wird, während die Begrenzungseinrichtung nicht eingreift, und wobei der Motor zur Erzeugung einer Ausgangsleistung von etwa 1/2 — 1/3 der ersten höheren Leistung gespeist wird, wenn der Motor nach dem Anlauf von einem Beschleunigungszustand in einen Stationärzustand geschaltet wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (2) zum Feststellen des Ansteigens und Abfallens des Drehzahl-Sollwertsignals zur Erzeugung eines BeschleunigungS'/Verzögerungssignals, zum Steuern der Strombegrenzungseinrichtung, wobei die höhere Leistungsstufe die Nennleistung des Motors ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Zeitgeber, der durch Signale, die das Ansteigen oder Abfallen des Drehzall-Sollwertsignals feststellen, getriggert wird und dessen Ausgangssignal als das Beschleunigungs-ZVerzögerungs-Signal dient
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Strombegrenzungs-Signals so ausgebildet ist, daß bei Empfang des Beschleunigungs-ZVerzögerungs-Signals ein Maximalstrom-Signal zur Regelung des Motors zum Erzeugen der Nennleistung und bei Nichtempfang des Beschleunigungs-ZVerzögerungs-Signals ein Stromregelsignal erzeugt wird, das den Strom des Motors bei einem Ansteigen der Rückkopplungs-Signale der festgestellten Drehzahl des Motors absenkt.
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