DE2935714A1

DE2935714A1 - Gegenwirkleitwerk-servoschaltverstaerker-einrichtung zum strombegrenzenden betrieb von elektromotoren und verfahren zum unabhaengigen einstellen der begrenzungen des maximal- und des durchschnitts-stromwertes

Info

Publication number: DE2935714A1
Application number: DE19792935714
Authority: DE
Inventors: Francis X Bock
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1978-09-11
Filing date: 1979-08-31
Publication date: 1980-03-13
Also published as: GB2030737A; NL7906540A; CH645214A5; DE2935714C2; GB2030737B; FR2435852B1; FR2435852A1; US4234802A

Description

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PFENNING ■ MAAS · MEiNiG · SPOTT Patentanwälte

Patentanwälte Kurfürstendamm 170, 0 1000 Berlin 15

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BERLIN · MÜNCHEN

ί Pfenning. Dipl.-)ng. Berlin Or. I Maas, Dipr.-Chem. München K. H. Mefnig, Dipl-Phys. ■ Beriin Or. G. Spott, Oipl-Chem München

Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt

BÜRO BERLIN:

I Kurfürstendamm 170 D 1000 Beriin 15

Telefon:
030/8812008/8812009

Telegramme:
Seilwehrpatent

Telex: 5215880

Berlin Date

31. August 1979

KOLLMORGEN TECHNOLOGIES CORPORATION

Republic National Bank Building Dallas, Texas 75201, V.St.A.

Gegenwirkleitwert-Servoschaltverstärker-Einrichtung zum strombegrenzenden Betrieb von Elektromotoren und Verfahren zum unabhängigen Einstellen der Begrenzungen des Maximal- und des Durchschnitts-Stromwertes

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum unabhängigen Einstellen der Durchschnitts- und Maximal stromwerte von Transistor-Stromverstärkern, und insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Begrenzen des Stromes für Servoschaltverstärker-Einriehtungen., die beispielsweise zur Versorgung des Antriebs von Gleichstrom-Seromotoren mit + 75V und + 1OA dienen.

Gegenwirkieitwert-Verstärker werden allgemein in Servoschaltverstärker-Einrichtungen benutzt. Der .Gegenwirkl eitwert-Verstärker bewirkt eine direkte Proportionalität zwischen Motorstrom und Eingangsspannung. Zum Schutz des Motors und des Verstärkers wird die Eingangsspannung auf einen bestimmten Maximal wert begrenzt. Ein ganz einfacher Weg zur Begrenzung der Eingangsspannung besteht in der Gegeneinanderschaltung von zwei Serien von Zenerdioden,, die einerseits gegen Erde geschaltet und andererseits mit dem Eingang des Verstärkers verbunden sind. Die Eingangsspannung wird dadurch auf + V begrenzt. V ist die Zener-Zündspannung (unter Vernachlässigung des Durchlaß-Spannungsabfalls). Da der Strom der Eingangsspannung proportional ist, wird dieser somit ebenfalls begrenzt. Dieses Verfahren zur Strombegrenzung hat den Nachteils daß hier kein Unterschied zwischen kurz aufeinanderfolgenden Stromspitzen und solchen, die in großen Abständen aufeinander folgen, gemacht wird.

Zur Erzielung einer hohen Anlaufgeschwindigkeit und optimaler Motorleistung kann es wünschenswert sein, für kurze Zeiträume

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verhältnismäßig hohe Spitzenströme anzuwenden. Gleichstrommotoren mit geringer Induktanz (wie beispielsweise Motoren mit gedruckten Rotoren) können auf sehr kurzfristige, hohe Stromimpulse reagieren. Deshalb werden solche Motoren durch Strombegrenzer, die keine derartigen Spitzenströme gestatten, in ihrer Leistung stark vermindert. Andererseits bewirken Strombegrenzer, die hohe Stromspitzen ohne Rücksicht auf deren Häufigkeit durchlassen und somit länger andauernde hohe Ströme gestatten, überlastung und damit Erhitzung des Motors und ruinieren sowohl diesen als auch den Verstärker.

Es ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die oben angeführten Nachteile beider Verfahren durch Schaffung einer Strombegrenzungsd nrichtung, die eine regelbare Begrenzung des Spitzenstromes und des Durchschnittsstromes ermöglicht, zu vermeiden. Dies geschieht, indem der dem Motor zugeführte Strom überwacht wird. Ist der Durchschnittsstrom niedrig, so werden die hohen Spitzenströme begrenzt. In jedem Fall aber ist der Maximal-Strom begrenzt.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gegenwirkleitwert-Servoschaltverstärker-Einrichtung zum strombegrenzenden Betrieb von Elektromotoren, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie die voneinander unabhängige Begrenzung des Spitzenstromwertes und des Durchschnittsstromwertes durch einen angeschlossenen Verbraucher mittels entsprechender Pegelfestsetzung der Eingangsspannung des Schaltverstärkers bewirkt, und aus den folgenden Bauelementen besteht:

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a) einer Einrichtung zum regelbaren Einstellen des einem Maximalstrom-Grenzwert entsprechenden Pegels der Eingangsspannung; und

b) einer zweiten Einrichtung zum regelbaren Einstellen des dem zugelassenen Durchschnittsstromwert entsprechenden Pegels der Eingangsspannung·, und

c) einer Einrichtung zur Mittelwertbildung eines dem jeweiligen Durchschnittswert des vom Schaltverstärker an den Verbraucher gelieferten Stromes entsprechenden Spannungswertes; und

d) einer Einrichtung zur Pegelfestsetzung in Abhängigkeit vom Ausgangspegel der Einrichtung zum Einstellen des Maximalstromwertes, und weiterhin der Ausgangsspannung der zweiten Einrichtung zum regelbaren Einstellen des Durchschnittsstromwertes zum Festhalten der Eingangsspannung des Schaltverstärkers auf den entsprechenden Wert;, wenn immer die Eingangsspannung die -festzuhaltenden Eingangsspannungswerte übersteigen würde.

Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum unabhängigen Begrenzen sowohl der Spitzenstromstärke als auch des Durchschnittstromwertes eines Gegenwirkleitwert-Servoschaltverstärkers vermittels Pegelfestsetzung der Eingangsspannung des Schaltverstärkers, gekennzeichnet durch die Ausbildung eines einstellbaren Spannungspegels, der dem gewählten Spitzenstromwert entspricht; sowie dem Ausbilden eines einstellbaren Spannungspegelwertes., der dem gewählten Durchschnittsstromgrenzwert entspricht; und Ausbilden eines Spannungspegels, der dem Mittelwert des vom Verstärker gelieferten

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Stromes entspricht, und dem Festhalten der Schaltverstärker-Eingangsspannung, sobald diese den Spannungspegel* der dem Spitzenstromwert entspricht, oder den Spannungspegel, der dem Mittelstromgrenzwert entspricht, übersteigen würde.

Die beigefügte Abbildung ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Strombegrenzers. Sie zeigt beispielhaft ein Positions-Servosystem. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf Positions-Servosysteme begrenzt, sondern ebenfalls auf andere Arten von Servosystemen anwendbar.

Der Positions-Servo besteht aus einem Fehlerschaltkreis 10, einem Strombegrenzer 12, einem Gegenwirkleitwert-Verstärker 14, dem Motor 16, dem Tachometer 18 und dem Positionsmeßwert-Umwandler 20. Der Motor 16, der Tachometer 18 und der Positionsmeßwert-Umwandler 20 sind mechanisch miteinander verbunden.

Der Fehlbetragstromkreis 10 hat drei sich addierende Eingangswiderstände 22, 24 und 26, welche die Tachometer-Ausgangsspannung addieren; eine Referenzspannung zeigt die erwünschte Position an, und die tatsächliche Position wird durch die Ausgangsspannung des Positionsmeßwert-Umwandlers angezeigt. Die Ausgangsspannung der Widerstände 22, 24 und 26 wird dem Funktionsverstärker 28 zugeführt. Der Widerstand 30 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 28 in Serie geschaltet. Die Rückkopplung erfolgt über den Widerstand 32.

Die Ausgangsspannung des Fehlbetragstromkreises 10 ist Vj, welche dem Eingang des Summieranschlusses 34 im Gegenwirkleitwert-

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Verstärker 14 zugeführt wird» Die andere Eingangsspannung des Summieranschlusses 34 ist dem momentanen Strom im Motor 16 proportional und wird über den Strommeßwiderstand 36 erzeugt. Die Ausgangsleistung des Summieranschlusses 34 wird vermittels des Leistungsverstärkers 38 verstärkt« Der Leistungsverstärker 38 besteht üblicherweise aus vier Leistungsschalttransistoren., die in einer H- oder Brückenkonfiguration geschaltet sind. (Vergl. hierzu beispielsweise "Drive Servos With A Switching Amplifier";, Electronic Design 26, Dezember 2O₉ 1977, S. 142-145).

Wie bereits zuvor betont, besteht die vorliegende Erfindung aus zwei wesentlichen Merkmalen, von denen das eine die Begrenzung des Spitzenstromes, das andere die Begrenzung des Durchschnittsstromes ist. Beide Merkmale werden nachfolgend beschrieben»

Die am Widerstand 36 entwickelte Spannung ist dem Motorstrom direkt proportional. Diese Spannung zeigt gewöhnlich eine gewisse Welligkeit (beispielsweise'bei 5 KHz)₀ verursacht durch die Schaltelemente im Gegenwirkleitwert-Verstärker 14. Wird die Spannung über den Widerstand 36 dem Strombegrenzer 12 zugeführt, wird sie zuvor vermittels des Widerstandes 40 und der Kapazität 42 gefiltert. Nach dem Filtern wird die Spannung dem Funktionsverstärker 44 zugeführt, welcher mit den weiteren, ihm zugeordneten Bauteilen ein Umkehrelement bildet. Die Ausgangsleistung des Unkehrelementes, die immer negativ ist, wird dem Durchschnittsstromkreis., der aus dem Widerstand 46 und der Kapazität 48 besteht» zugeführt. Die Ausgangsleistung

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des Durchschnittsstromkreises wird dem Eingang des Verstärkers 50 zugeführt.

Die andere Eingangsspannung am Verstärker 50 wird bestimmt durch den Widerstand 52 (wobei der Durchschnittstrom geringer ist als die Durchschnittsstrombegrenzung). Die Ausgangsspannung des Verstärkers 50 ist positiv gesättigt und die Steuerelektrode der Diode 54 ist auf Sperrspannung geschaltet.

Der regelbare Widerstand 56 bestimmt die Eingangsspannung am Arbeitsverstärker 58 und die Begrenzung des Spitzenstromes. Mit der Sperrspannung an der Steuerelektrode der Diode 54 ist der Verstärker 58 über die Diode 62 und den Widerstand 60 als Spannungsfolgeverstärker geschaltet.

Auf diese Weise folgt die Spannung an der Kathode der Diode V_c der durch den Widerstand 52 bestimmten Spannung.

Die Blockierschaltung als Teil des FeIbetragstromkreises besteht aus den Arbeitsverstärkern 64 und 66 gemeinsam mit den diese begleitenden Bauteilen und dem Widerstand 30. Solange Vj zwischen V und -V liegt, ist die Blockierschaltung wirkungslos und V, wird direkt dem Gegenwirkleitwert-Verstärker 14 zugeführt. Sobald aber V_T die Werte + V übersteigt, wird Vj auf den Wert + V reduziert.

Angenommen, Vj versucht, Vq zu übersteigen, so wird die Aus-, gangsspannung am Verstärker 64 beginnen, negativ zu werden und dadurch die Steuerelektrode der Diode 68 auf Durchlaßspannung schalten.. Mit der auf Durchlaß geschalteten Diode 68 wird der

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Verstärker 64 zum einfachen Spannungsnachfolger und V, ist gezwungen, zu folgen und wird reduziert zu Vp. Der resultierende Stromfluß vom Widerstand 30 über die Diode 68 hält die Diode 68 auf Durchlaßspannung. Da beide Spannungen, V, und Vp, positive Spannungen sind, ist die Eingangsspannung am Verstärker 66 stark positiv. Die Ausgangsspannung am Verstärker 66 ist stark negativ und die Diode 70 ist auf Sperrspannung

geschaltet. So wird der Verstärker 66 von Vj isoliert und bleibt somit wirkungslos.

Nimmt man nun an, daß V₁ -Vp zu übersteigen versucht (V_c selbst ist immer eine positive Spannung), so ist die Umkehr-Eingangsspannung am Verstärker 66 negativ. Die Ausgangsspannung am Verstärker 66 ist positiv und damit erhält die Steuerelektrode der Diode 70 eine Durchlaßspannung. Der Verstärker 66 wird zum Umkehr-Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor 1. Der Verstärkungsfaktor 1 wird bedingt durch die gleich großen Widerstände 72 und 74, wobei 72 der Rückkopplungs- und 74 der Eingangswiderstand ist. Die Eingangsspannung am Verstärker 66 ist Vq und die Ausgangsspannung -Vp. So wird Vj zu -Vp reduziert.

Entsprechend den Rückkopplungsbedingungen sinkt die Ausgangsspannung am Verstärker 28 auf die negative Sättigungsgrenze. Daraufhin entwickelt sich eine Spannung am Widerstand 30; der eine Eingang liegt auf der negativen Sättigungsspannung des Verstärkers 28, und der andere Eingang auf V«. Der resultierende Strom fl ießt vom Verstärker 66 durch die Diode 7O₉ und der Widerstand 30 hält die Durchlaßspannung für die Diode

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Ist Vj zwischen V_c und -V^, so ist die Ausgangsspannung des Verstärkers 64 positiv gesättigt und die Steuerelektrode der Diode 68 hat eine Sperrspannung. Der Ausgang des Verstärkers 66 ist negativ gesättigt und die Steuerelektrode der Diode liegt somit ebenfalls auf Sperrspannung. Deshalb bleibt für der Blockierkreis wirkungslos.

Wenden wir uns nun der Beschreibung der Begrenzung der Durchschnittsspannung zu. Die Spannung an der Kapazität 48 ist proportional dem Absolutwert des Durchschnitts-Motorstromes. Ist dieser niedriger als die Dauerstrombegrenzung, so wird die Spannung an der Kapazität 48 positiver als die Spannung am Widerstand 52, die Ausgangsspannung am Verstärker 50 ist positiv gesättigt, die Steuerelektrode der Diode 54 liegt auf Sperrspannung und der Widerstand 56 bestimmt V~.

Wirddie Spannung an der Kapazität 46 niedriger als die Eingangsspannung am Verstärker 50 (was bedeutet, daß der Durchschnittstrom über der Durchscnittsstromgrenze liegt), so sinkt die Ausgangsspannung am Verstärker 50 und die Steuerelektroden der Dioden 54 und 62 werden auf Durchlaßspannung geschaltet. Die Ausgangsspannung am Verstärker 58 steigt an bis zur positiven Sättigungsgrenze und Vj wird zu V_c reduziert.

Das Zusammenwirken des Widerstandes 46 mit der Kapazität 48 verzögert die Aktion des Durchschnittsstrombegrenzers, so daß Stromspitzen auftreten können. Wenn immer die Spannung an der Kapazität 48 die durch den Widerstand 52 gesetzte Begrenzung übersteigt, tritt der Durchschnittsstrombegrenzer in Kraft. Dies kann entweder durch eine Vielzahl von Strom-

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- xar-

spitzen oder durch eine andauernde^zu große Stromentnahme ausgelöst werden.

Zusaram fassend kann gesagt werden,, daß die Spitzenstrombegrenzung sofort eintritt, während die Durchschnittsstrombegrenzung verzögert eintritt., und zwar entsprechend der Zeitkonstante;, die durch den Widerstand 46 und die Kapazität 48 gebildet wird. Die Ladung an der Kapazität 48 ist eine Funktion des Absolut-Wertes des Motorstromes. Läuft der Motor für eine gewisse Zeit unter Bedingungen-, die nahe der Begrenzung liegen, oder folgen eine Vielzahl von Spitzenstrom™ entnahmen in sehr kurzen Zeitabständen, so wird die Kapazität 48 weitgehend geladen und nach einer weiteren Stromspitze wird diese so weit geladen sein,, daß der Verstärker 50 aktiviert wird. Ist aber die Kapazität 48 aufgrund geringer Stromentnahmen und weniger Stromspitzen weitgehend ungeladen_s so wird eine Vielzahl von Spitzenstromentnahmen zugelassen, ehe die Kapazität 48 so weit geladen ist, daß.sie den Verstärker 50 in Aktion setzt.

Zahlreiche über!ast-Situationen werden vermittels der erfindungsgemäßen Einrichtung vermieden. Mehrere aufeinanderfolgende Spitzenstromentnahmen., wenn diese zu dicht beieinander liegen, aktivieren den Durchschn.ittsstrombegrenzer., während die gleichen Stromentnahmespitzen in größeren Abständen automatisch zugelassen werden« In allen Fällen arbeitet der Spitzenstrombegrenzer unabhängig vom Durchschnittsstrombegrenzer.,

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Leerseite

Claims

Patentansprüche:

ι 1„ Gegenwirkleitwert-Servoschal tverstärker-Einrichtung zum strombegrenzenden Betrieb von Elektromotoren, dadurch gekennzei chnet, daß die Einrichtung die voneinander unabhängige Begrenzung sowohl des Spitzenstromwertes als auch des Durchschnittsstromwertes durch einen angeschlossenen Verbraucher mittels entsprechender Pegelfestsetzung der Eingangsspannung des Schaltverstärkers bewirkt und aus den folgenden Bauelementen besteht:

a) einer Einrichtung zum regelbaren Einstellen des einem Maximal Stromgrenzwert entsprechenden Pegels der Eingangsspannung·,

b) einer zweiten Einrichtung zum regelbaren Einstellen des dem zugelassenen Durchschnittsstromwert entsprechenden Pegels der Eingangsspannung;

c) einer Einrichtung zur Mittelwertbildung eines dem jeweiligen Durchschnittswert des vom Schaltverstärker an den Verbraucher gelieferten Stromes entsprechenden Spannungswertes; und

d) einer Einrichtung zur Pegelfestsetzung in Abhängigkeit vom Ausgangspegel der Einrichtung zum Einstellen des Maximal stromes und weiterhin der Ausgangsspannung der zweiten Einrichtung zum regelbaren Einstellen des Durchschnittsstromwertes zum Festhalten der Eingangsspannung des Schaltverstärkers auf den entsprechenden Wert,, wenn immer die Eingangsspannung die festzuhaltenden Eingangsspannungswerte übersteigen würde.

INSPECTED

~²~ 2-93571*
2. Gegenwirkleitwert-Servoschaltverstärker-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltverstärker seinen Schaltzustand in Abhängigkeit vom überschreiten des festzuhaltenden Pegels ändert.
3. Schaltverstärker-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bilden des Mittelwertes eine Vorrichtung zum Feststellen des Absolutwertes der Spannung, die dem vom Schaltverstärker gelieferten Strom entspricht, enthält.
4. Verfahren zum unabhängigen Begrenzen sowohl der Spitzen· Stromstärke als auch des Durchschnittsstromwertes eines Gegenwirkleitwert-Servoschaltverstärkers vermittels Pegelfestsetzung der Eingangsspannung des Schaltverstärkers, gekennzeichnet durch die Ausbildung eines einstellbaren Spannungspegels, der dem gewählten Spitzenstromwert entspricht; sowie dem Ausbilden eines einstellbaren Spannungspegel wertes, der dem gewählten Durchschnittsstromgrenzwert entspricht; und dem Ausbilden eines Spannungspegels, der dem Mittelwert des vom Verstärker gelieferten Stromes entspricht; und dem Festhalten der Schaltungsverstärker-Eingangsspannung, sobald diese den Spannungspegel, der dem Spitzenstromwert entspricht, oder den Spannungspegel, der dem Mittelstromgrenzwert entspricht, übersteigen würde.

ORIGINAL

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5. Verfahren nach Anspruch 4₉ dadurch gekennzeichnet daß die Vorrichtung einen Schaltkreis zum Ableiten des Absolutwertes der Spannung, die dem durch den Verstärker fließenden Strom entspricht, enthält«

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