DE2935714C2

DE2935714C2 - Schaltungsanordnung zum Regeln des Motorstromes eines impulsgespeisten Gleichstromservomotors

Info

Publication number: DE2935714C2
Application number: DE2935714A
Authority: DE
Inventors: Francis X. New Hyde Park N.Y. Bock
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1978-09-11
Filing date: 1979-08-31
Publication date: 1984-04-19
Also published as: FR2435852B1; GB2030737B; NL7906540A; GB2030737A; US4234802A; CH645214A5; FR2435852A1; DE2935714A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Regeln des Motorstromes eines impulsgespeisten Gleichstromservomotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es wurde bereits vorgeschlagen, zum Schutz von Hochvolt-Schaittransistoren den Augenblickswert des Motorstromes ständig zu überwachen und bein Übersteigen eines oberen Grenzwertes um Ir_ci + ^xh Δ/ den Schalttransistor mittels eines mit Hysteresis ausgestatteten Stromkomparators auszuschalten. Unterschreitet der Strom einen Wert von /«<·/— '2 ΔΙ, so schaltet der Komparator den Schalttransistor wieder ein.

Eine Strom-Istwert-Gegenkopplung bewirkt eine direkte Proportionalität zwischen Motorstrom und Eingangsspannung der Verstärker-Einrichtung. Zum Schutz des Speiseverstärkers und gegebenenfalls des Motors ist es bekannt, die Eingangsspannung auf einen bestimmten Maximalwert zu begrenzen.

Ein zum Stand der Technik zählender Weg zur Begrenzung der Eingangsspannung besteht beispielsweise in der Benutzung von zwei gegeneinander in Serie geschalteten Zenerdioden, die zwischen dem Verstärker-Eingang und Masse liegen. Mit dieser Anordnung wird die Eingangsspannung auf ±V„ der Durchbruchsspannung der Zenerdioden. begrenzt. Da der Ausgangsstrom der Verstärker-Einrichtung proportional der Eingangsspannung ist. wird damit auch der Motorstrom begrenzt.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, mittels Widerständen in den Emittcranschlüsseln von den Motorstrom liefernden Transistoren Signale abzuleiten, die dem Motor-lststromwert entsprechen, und diese einer Klemmschaltung zuzuführen, die beim Erreichen eines vorbestimmten Spitzenv-ertes des Motor-Iststromes dessen Überschreiten unterbinden.
Diese Strombegrenzungen haben jedoch den schwerwiegenden Nachteil, daß sie nicht zwischen Stromspitzen, die zeitlich schnell aufeinander folgen, und solchen, die in zeitlich weiten Abständen voneinander auftreten, unterscheiden.

Um möglichst schnelle Motorbeschleunigung bzw. Betriebszustandsänderungen und maximale Ausnutzung der Leistungscharakteristik des Gleichstrom-Servomotors zu erzielen, ist es erwünscht, für kurze Zeitabschnitte relativ hohe Spitzenströme durch die Motorwicklung zuzulassen. Gleichstrommmotoren mit geringem induktiven Widerstand, und niedrigen mechanischen Zeitkonstanten, beispielsweise nach DE-PS 11 85 280 und DE-PS 12 06 067 können sehr kurzfristig hohe Stromimpulse ohne Schaden verarbeiten und derartigen Steuerstromimpulsen schnell folgen. Strombegrenzende Leistungsschaltverstärker nach dem Stand der Technik, die das Auftreten hoher Stromspitzen für relativ kurze Zeitperieden nicht zulassen, bewirken eine beträchtliche Verschlechterung der Funktionscharakteristik soleher Motoren. Andererseits führt der Betrieb mit strombegrenzenden Schaltverstärkern, die hohe Stromspitzen unabhängig von der Frequenz ihres Auftretens zulassen, zu einer Überlastung des Gleichstrom-Servomotors, insbesondere im Hinblick auf dessen geringe thermische Zeitkonstante und Wärmekapazität der Wicklung, und führt zu dessen Zerstörung. Eine rasche Aufeinanderfolge von Stromspitzen führt bei derartigen Motoren mit ihrer relativ geringen Armaturwärmekapazität zu einem bis zur Zerstörung führenden Aufheizen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Regeln des Motorstroms eines Gleichstromservomotors zu schaffen, durch die eine Überlastung des Gleichstromservomotors ohne

^if> störende Beeinträchtigung seines Steuerverhaltens in allen Betriebszuständen vermieden wird, indem sowohl der maxi:na!e Spitzenstrom als auch der Durchschnittsstrom unabhängig voneinander und einstellbar begrenzt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Der Motor-lststromwert wird dergestalt überwacht, daß bei niedrigen Durchschnitts-Iststromwerten hohe Stromspitzen, ausgelöst durch entsprechende Eingangssignale, zugelassen werden, während andererseits bei hohen mittleren Motor-Iststromwerten die Höhe des Motorstrom-Sollwertes auf einen den Motor nicht mehr gefährdenden Wert reduziert und begrenzt wird.

Unabhängig davon wird nach der Erfindung der Spitzenwert des Motorstrom-Sollwertes auf einen vorher bestimmten zulässigen Wert begrenzt. Damit wird erreicht, daß die Motorstrombegrenzung im Betrieb nur dann den Durchlaß von hohen Steuerim-

^w) pulsströmen verhindert, wenn — bedingt durch beispielsweise eine Vielzahl von schnell aufeinanderfolgenden Schaltimpulsen mit hohen Motorstrom-Istwerten in dem davorliegcndcri Zeitraum — die weitere Strombelastung durch einen Stromimpuls die Wicklung

^h' thermisch überlasten würde.

F.rfindungsgemäß wird erreicht, daß die Schaltungsanordnung sowohl eine einstellbare Begrenzung des maximal zulässigen Spitzen-Sollstromcs als auch.

unabhängig davon, eine getrennt einstellbare Begrenzung des Maximalwertes für den Durchschnitts-Motor-Iststrom bewirkt Letzterer bedingt einerseits einen sicheren Schutz des Motors von thermisciier Überlastung, wenn immer Steuerstromimpuke entsprechend hohen Pegels in zeitlich unzulässig schneller Aufeinanderfolge durch die Eingangssignale bewirkt würden, während andererseits der Durchlaß entsprechender hoher Steuerstromimpulse immer dann zugelassen wird, wenn dies ohne unzulässige thermische Belastung für den Motor bleibt

Damit wird die erfindungsgemäße Aufgabensteilung des sicheren Überlastungsschutzes für den Motor praktisch ohne Beeinträchtigung des Steuerverhaltens in allen Betriebszuständen erzielt

Die Abbildung ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausführung der Schaltanordnung nach der Erfindung zum Betrieb eines Servo-Stellantriebes.

Im folgenden soll die beispielhafte Ausführung der Erfindung anhand der Darstellung näher erläutert werden.

Der dargestellte Servo-Stellantrieb mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung besteht aus einem Sollwertfehlbetrag-Schaltkreis 10, einer Strombegrenzer- und Klemmschaltungs-Anordnung 12, einem Strom-Istwert-gegengekoppelten Leistungsschaltverstärker 14, einem Gleichstrom-Servomotor 16, einem Tachometer 18 und einem Positionsmeßwert-Geber 20. Motor 16, Tachometer 18 und Meßwert-Geber 20 sind miteinander mechanisch verbunden.

Der Sollwert-Fehlbetrag-Schaltkreis 10 weist drei Summier-Eingangswiderstände 22, 24 und 26 auf. Die Tachometer-Ausgangsspannung wird Widerstand 22 und das Positionsgebersignal Widerstand 26 zugeführt, während Widerstand 24 mit dem Referenz-Steuersignal beaufschlagt wird. Der Ausgang der Widerstände 22,24 und 26 ist mit dem Funktionsverstärker 28 verbunden. Am Ausgang des Verstärkers 28 liegt Widerstand 30.

Die Gegenkopplung erfolgt über den Widerstand 32.

Das Ausgangssignal des Sollwert-Fehlbetrag-Schaltkreises 10, V/, wird dem Summierpunkt 34 des Leistungsschaltverstärkers 14 zugeführt. Weiters wird dem Summieranschluß 34 die dem momentanen Motorstrom proportionale Signalspannung, die am Strommeßwiderstand 36 abgenommen wird, zugeführt. Das Summensignal in 34 wird im Leistungsverstärker 38 verstärkt. Typisch enthält Leistungsverstärker 38 vier Leistungs-Transistoren, die in H- oder Brückenschaltung betrieben werden. (Vergl. hierzu beispielsweise »Drive Servos With A Switching Amplifier«, Elektronic Design 26,20. Dezember 1977,S. 142-145.)

Die am Widerstand 36 aufgebaute Spannung ist dem Motorstrom direkt proportional. Typischerweise enthält diese Spannung eine gewisse Welligkeit (beispielsweise von 5 kHz), verursacht durch die Leistungsschalt-Bauteile im Verstärker 14. Bevor diese Spannung der Strombegrenzer-Schaltungsanordnung 12 zugeführt wird, wird sie mittels Widerstand 40 und Kondensator 42 gefiltert. Die geglättete Spannung wird dem Funktionsverstärker 44 zugeführt, der zusammen mit den ihm zugeordneten Bauteilen einen Absolutwert-I'nischalikreis bildet. Das Ausgangssignal dieses Schaltkreises, das immer negativ ist. wird dem zur Mittelwertbildung dienenden Schaltkreis, bestehend aus Widerstand 46 und Kondensator 48. zugeführt. Dessen Ausgang ist mit einem Hinging des Verstärkers 50 verbunden. Das andere Eingangssignal vom Verstärker

50 wird vom einstellbaren Widerstand 52 bestimmt, der die Begrenzung für den mittleren Motorstrom auf einen wählbaren Wert bewirkt Für den Fall, daß das Ausgangssignal des Mittelwert-bildenden Schaltkreises mehr positiv ist, als die mit dem Widerstand 52 eingestellte Spannung, also der gemittelte Motorstrom geringer ist, als der Grenzwert für diesen, geht Verstärker 50 in positive Sättigung und Diode 54 ist gesperrt

Der einstellbare Widerstand 56, der den Pegel der Spannung am Eingang des Funktionsverstärkers 58 bestimmt bestimmt damit den Wert der maximalen Motorstromspitzen. Mit der Diode 54 im Sperrzustand ist Verstärker 58 über Widerstand 60 und Diode 62 als Spannungsfolge-Verstärker geschaltet. Damit folgt die Spannung einer Kathode von Diode 62, V₀ der Spannung, die durch den Widerstand 52 gegeben ist.

Der Klemm-Schaltkreis enthält die Funktionsverstärker 64 und 66 mit den zugehörigen Bauelementen sowie Widerstand 30, der Teil des Sollwertfehlbetrag-Schaltkreises 10 ist. Solange V/ zwischen V_c und — V_c liegt, bleibt die Klemmschaltung wirkungslos und Vi wird direkt dem Leistungsschaltverstärker 14 zugeführt. Sobald aber das Signal V/ den Wert ± V_c übersteigt, wird sein Pegel mittels der Klemmschaltung auf den Wert + bzw. — V_c reduziert

Wenn immer das Eingangssignal Vi versucht, den Klemmwert V_c zu übersteigen, wird der Ausgang des Verstärkers 64 negativ, wodurch die Diode 68 auf Durchlaß geschaltet wird. Damit wird Verstärker 64 zum einfachen Spannungsfolge-Verstärker und V/ auf den Wert V_c reduziert bzw. auf diesem Pegel als Höchstwert festgehalten. In Erfüllung der Gegenkopplungsbedingung des Verstärkers 28 steigt dessen Ausgang bis zur positiven Sättigung. Am Widerstand 30 bildet sich damit eine Spannung aus, die einmal zu der der positiven Sättigung entsprechenden Spannung strebt, und zum anderen auf den Wert V^ der Klemmspannung, festgehalten wird. Der resultierende Stromfluß vom Widerstand 30 über die Diode 68 hält diese im Durchlaßzustand. Da beide Spannungen, V/und V_rt positiv sind, ist die Eingangsspannung am Verstärker 66 stark positiv. Damit wird der Ausgang von Verstärker 66 stark negativ und Piode 70 gesperrt. Dies bedingt, daß Verstärker 66 vom Signal Vi isoliert und damit wirkungslos wird.

Gellt man nun davon aus, daß V₁ den Wert — V₁- zu übersteigen versucht (V_c selbst ist immer eine positive Spannung), so wird die Spannung am Eingang des Umkehrverstärkers 66 negativ. Die Ausgangsspannung am Verstärker 66 wird damit positiv und Diode 70 auf Durchlaß geschaltet. Verstärker 66 wi>xl so zum Umkehrverstärker mit Verstärkungsfaktor 1. Der Verstärkungsfaktor 1 ist die Folge davon, daß die Widerstände 72 und 74 gleiche Größe aufweisen, wobei 72 der Gegenkopplungs- und 74 der Eingangswiderstand ist. Die Eingangsspannung am Verstärker 66 beträgt so V₁. und die Ausgangsspannung — V,-, womit Vi auf — V₁ reduziert bzw. auf diesem Wert als Maximalwert festgehalten wird.

Um die Gegenkopplungsbedingungen von Verstärker 28 zu erfüllen, sinkt dessen Ausgangsspannung auf den negi.;!ven .Sättigungsgrenzwert. Als Folge entwickelt sich eine Spannung am Widerstand 30, die einerseits zur negativen Sättigungsbegrenzungsspannung des Verstärkers 28 tendiert, und andererseits auf dem Kiemmwert V₁ als Maximalwert festgehalten wird. Der resultierende Strom fließt vom Verstärker 66 durch die

Diode 70 und den Widerstand 30 und halt Diode 70 in ihrem Durchlaß/.ustand.

Ist der Pegel von V/ zwischen V₁. und — V,, so befindet sich der Ausgang des Verstärkers 64 in seinem positiven Sältigungs/.ustand und die Diode 68 im Sperr/ustand. Der Ausgang des Verstärkers 66 entspricht dem negativen Sättigungsgrcn/wert und Diode 70 ist damit gleichfalls gesperrt. Damit bleibt für — V₁- > V/ > V, die Klemmschaltung ohne Wirkung.

Im folgenden wird die Funktion der Mittelwert-Strombegrenzung beschrieben. Die Spannung am Kondensator 48 ist proportional dem Absolutwert des Durchschnitts-Motoriststroms. Solange dieser niedriger ist als der Grenzwert für die Dauerstrombelastung des Motors, ist die Spannung am Widerstand 48 positiv gegenüber der mit dem Widerstand 52 vorgewählten Spannung; der Ausgang von Verstärker 50 befindet sich im positiven Sättigungszustand, die Diode 54 ist gesperrt und die Klemmspannung V₁ wird durch Widerstand 56 bestimmt.

Wird die Spannung am Kondensator 46 mehr negativ als die Eingangsspannung am negativen Eingang von Verstärker 50, gleichbedeutend damit, daß der tatsächliche mittlere Motorstrom den Grenzwert für den Mittelwert des Motorstrom-Istwertes überschritten hat, so fällt der Ausgang des Verstärkers 50 und damit werden Diode 54 und Diode 62 auf Durchlaß geschaltet. Der Ausgang von Verstärker 58 steigt damit bis zum positiven Sättigungsgrenzwert an und V/ wird auf die Klemmspannung V₁.als Maximalwert reduziert.

Die Zeitkonstante der Kombination aus Widerstand 46 und Kondensator 48 verzögert jedoch diese Wirkung des Mittelstrombegrenzers, so daß zunächst Stromspitzen, die entsprechenden Eingangssignalen entsprechen, durchgelassen werden. Erst wenn die Spannung am Kondensator 48 den vermittels Widerstand 52 vorbestimmten Grenzwert übersteigt, tritt die Mittelstromwertbegrenzung ein. Dies mag bedingt sein durch eine rasch aufeinanderfolgende Zahl von Stromspitzen, oder aber als Folge davon eintreten, daß der Dauerstrommotor einen zu hohen Wert angenommen hat.

Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung iritt die maximale Spitzensollstrombegrenzung praktisch verzögerungsfrei ein, während die Mittelwert-Sollstrombegrenzung erst mit einer Verzögerung wirkt, die sich aus der Zeitkonstante des von Widerstand 46 und Kondensator 48 gebildeten Kreises ergibt. Die Ladung des Kondensators 48 ist eine Funktion des Absolutwertes des gemittelten Motorstromes. Würde der Motor unter Bedingungen, die nahe seiner Dauerbelastungsgrenze liegen, betrieben, oder einer hohen Frequenz von Spitzenstrombelastungcn ausgesetzt, so lädt sich der Kondensator 48 weitgehend auf. Nach dem Auftreten einer weiteren kurzen Stromspitze wird er dann so weit aufgeladen sein, daß Verstärker 50 und damit die Klemmschaltung »aktiviert« wird. Ist iedoch der Kondensator 48 aufgrund geringerer Motorstromwerte und damit Stromentnahme und weniger häufigen Stromspitzen in der vorausliegenden Zeit weitgehend ungeladen, so wird eine Mehrzahl von Spitzenstromimpulsen beträchtlicher Länge zugelassen, ehe der Kondensator 48 sich soweit auflädt, daß der Verstärker 50 und damit die Klemmschaltung in Aktion tritt.

Zahlreiche und verschiedenartige Überlast-Situationen für den Gleichstrom-Servomotor werden so mittels der erfindungsgemäßen Schaltanordnung vermieden. Mehrere aufeinanderfolgende Motorspitzenstrombelastungen führen, wenn diese dicht beeinander liegen, zur Aktivierung der Klemmschaltung, während die gleichen Stromspitzen, wenn sie in größeren Abständen erfolgen, von der erfindungsgemäßen Schaltanordnung zugelassen werden. Unabhängig davon ist die verzögerungsfreie Auslösung der Klemmschaltung bei einer unzulässig hohen Spitze des Motorstrom-Istwertes. Damit gestattet die erfindungsgemäße Schaltanordnung den sicheren Überlastungsschutz des Impuls-gesteuerten Gleichstrommotors während sie gleichzeitig dessen Belastungsgrenze voll ausnützt und das Steuerverhalten in allen Betriebszuständen erhält; damit wird ein Überdimensionieren von Motor und Leistungsschaltverstärker überflüssig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Regeln des Motorstromes eines impulsgespeisten Gleichstromservomotors mit niedriger mechanischer Zeitkonstante und geringer Wärmekapazität mit einer eine Eingangsspannung, welche ein Maß für den Stromsollwert ist, begrenzenden Klemmschaltung (66, 64, 30,68,70), dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Begrenzerschaltung (56, 58, 54, 62) eine die Spitze des Motorstromistwerte*; darstellende Spannung mit einem vorbestimmten Wert verglichen wird, in einer zweiten Begrenzerschaltung (46, 48, 50, 52) eine den Mittelwert des Motorstromistwertes darstellende Spannung mit einem hierfür bestimmten Wert verglichen wird und daß die Aüsgangssignale der ersten Begrenzerschaltii.ng unverzögert und die der zweiten Begrenzerschaltung verzögert die Klemmschaltung den Stromsollwert begrenzen lassen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Begrenzerschaltung je ein Potentiometer (52, 54) aufweist, wobei mit dem Abgriff des Potentiometers (52) der Mittelstrom und dem Abgriff des Potentiometers (56) die Spitze des Motoristwertes voneinander einstellbar sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwert der dem Mittelwert des Motorstromistwertes entsprechenden Spannung den Grenzwert für den Mittelwert des Motorstromsollwertes bestimmt.