DE2940973C2 - Schaltungsanordnung zum regeln der drehzahl eines gleichstrommotors - Google Patents

Schaltungsanordnung zum regeln der drehzahl eines gleichstrommotors

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors mit einem Bezugsspannungsanschluß, einem Stromführungsanschluß und einem ersten Widerstandselement, deren eines Ende mit dem Stromzuführungsanschluß verbunden ist, einem Konstantspannungsgenerator, dessen eines Ende mit dem anderen Ende des ersten Widerstandselementes verbunden ist, einer Vergleichsschaltung mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang und einem Ausgang, die die Spannung am anderen Ende des Konstantspannungsgenerators, die dem ersten Eingang zugeführt ist, mit der Spannung am anderen Ende des Motors vergleicht und am Ausgang ein Vergleichsausgangssignal erzeugt, und einem Ausgangsschaltkreis, der dem ersten Widerstandselement und dem Motor jeweils in Abhängigkeit vom Vergleichsspannungsausgangssignal einen ersten bzw. zweiten Ausgangsstrom zuführt.
Durch die JP-OS 54-72 412, offengelegt 9. 6. 1979, ist eine derartige Schaltungsanordnung bekanntgeworden, diese ist in den Fig. 1 und 2 dieser Anmeldung dargestellt. Bei dieser Schaltungsanordnung erfolgt die Drehzahlregelung eines Motors durch Steuern des Stromes mit einer veränderlichen Impedanz, wobei der Motor mit einer Klemme für die Stromzuführung und mit einer Ausgangsklemme einer Regelschaltung und ein Widerstand mit der Stromzuführungsklemme und der Eingangsklemme der Regelschaltung verbunden sind. Eine Klemme der Regelschaltung ist geerdet. In der Fig. 2, die die Regelschaltung 200 von Fig. 1 etwas ausführlicher zeigt, ist die Eingangsklemme 1 mit einer Konstantstromquelle 8, einem Konstantspannungsgenerator 9 und mit einem Ausgangsschaltkreis 11 verbunden. Die Spannung an der Eingangsklemme 1 vermindert um die Größe der Bezugsspannung vom Konstantspannungsgenerator 9, liegt an einem Eingang a einer Vergleichsschaltung 10 an. Die Spannung am Eingang a wird mit der Spannung am Verbindungspunkt 2 verglichen, die am Eingang b anliegt. Das Vergleichsausgangssignal wird dem Ausgangsschaltkreis 11 zugeführt und am Verbindungspunkt 2 wird das Ausgangssignal des Ausgangsschaltkreises 11 dem Motor 100 zugeführt. Im Ausgangschaltkreis 11 ist eine Stromspiegelschaltung aus Transistoren Q₁₁, Q₁₂ und Q₁₃ und Widerständen R₁₄ und R₁₅ so vorgesehen, daß der Kollektorstrom der Transistoren Q₁₁ und Q₁₃ ist.
Wenn sich bei einer derartigen Regelschaltung die Drehzahl des Motors ändert, so ändert sich die gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) des Motors. Die Änderung der Gegen-EMK wird durch die Vergleichsschaltung 10 mit einer Bezugsspannung des Konstantspannungsgenerators 9 verglichen, um die Drehzahl des Motors 100 konstant zu halten. Diese Schaltungsanordnung hat jedoch den Nachteil, daß bei einer Änderung der Spannung des Netzgerätes die Drehzahl des Motors 100 sich ändert. Insbesondere wenn die Netzspannung ansteigt, wird die Spannung zwischen den Klemmen des Motors 100 größer und die Drehzahl nimmt damit zu. Wenn jedoch in der Praxis entsprechend einer solchen Drehzahl-Kompensation der Verstärkungsfaktor der Regelschaltung 200 angehoben wird, so kann nicht nur die Störungsanfälligkeit gegenüber Spannungsänderungen vermindert, sondern auch die Lastkennlinie und die Temperaturkennlinie verbessert werden. Andererseits wird aber die Unstabilität der Betriebsweise erhöht und es können damit Schwingungen (Hochfrequenzschwingungen, Regelschwankungen usw.) des Regelsystems auftreten. Es ist daher schwierig, die von der Änderung der Netzspannung verursachte Änderung der Drehzahl des Motors allein durch Anheben des Verstärkungsfaktors der Regelschaltung 200 zu eliminieren.
Durch die GB-PS 11 58 364 ist eine spannungsgesteuerte Regelschaltung für die Drehzahl eines Motors bekannt, bei der zwischen dem Knotenpunkt zwischen zwei Widerständen und einer Klemme der Gleichstromversorgung ein weiterer Widerstand geschaltet ist, um die Drehzahl des Motors unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung konstant zu halten. Dieser zusätzliche Widerstand bewirkt jedoch, daß durch ihn ein Konstantstrom fließt, der zusammen mit den erstgenannten Widerständen und dem zu regelnden Motor eine Brückenschaltung bildet. Die Spannung am Knotenpunkt zwischen den beiden erstgenannten Widerständen wird somit durch den Strom erhöht, der durch den zusätzlichen Widerstand fließt. Somit wird die Drehzahl des Motors nicht allein durch die Brückenwiderstände und den internen Widerstand des Motors bestimmt, sondern es findet eine zusätzliche Beeinflussung durch den zusätzlichen Widerstand statt, so daß ebenfalls keine tatsächliche netzspannungsunabhängige Drehzahlregelung des Motors möglich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors zu schaffen, bei der die Drehzahl des Motors auch bei Änderung der Netzgerätspannung konstant gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung gelöst, die durch die Merkmale des einzigen Patentanspruches gekennzeichnet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Prinzips des Motordrehzahl-Reglers (bereits beschrieben);
Fig. 2 ein Schaltbild eines bekannten Motordrehzahl- Reglers (bereits beschrieben);
Fig. 3 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Motordrehzahl-Reglers;
Fig. 4 ein Kurvenschaubild zur Erläuterung der Betriebsweise der erfindungsgemäßen Schaltung nach Fig. 3 und
Fig. 5 ein Schaltbild eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung liegt zwischen einem Stromzuführungsanschluß V cc und einem Verbindungspunkt 2 einer Regelschaltung 200′ ein Motor mit einem Innenwiderstand R a von 20Ω und einer Gegen-EMK E a und zwischen dem Stromzuführungsanschluß V cc und einer Eingangsklemme 1 der Regelschaltung 200′ ein Widerstand R von 400Ω. Mit der Eingangsklemme 1 sind ebenfalls verbunden, eine Konstantstromquelle 8 und ein Konstantspannungsgenerator 9. Der Konstantspannungsgenerator 9 senkt die Spannung an der Eingangsklemme 1 um 1,2 V ab und ist mit einem Eingang a einer Vergleichsschaltung 10 verbunden. Die Vergleichsschaltung 10 vergleicht die Spannung am Eingang a mit der Ausgangsspannung am Verbindungspunkt 2, die über einen Widerstand R₁₁ einem zweiten Eingang b zugeführt wird. Der Ausgang der Vergleichsschaltung 10 ist mit einem Ausgangsschaltkreis 11 verbunden, der im wesentlichen eine Stromspiegelschaltung aus Transistoren Q₁₁, Q₁₂ und Q₁₃ und Widerständen R₁₄ und R₁₅ darstellt. Außerdem ist ein Verbindungspunkt vom Eingang b der Vergleichsschaltung 10 mit dem Widerstand R₁₁ über einen Widerstand R₁₂ mit einem geerdeten Bezugsspannungsanschluß 3 verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel betragen die Gegen-EMK bzw. die Drehzahl des Motors 100′ 4,5 V bzw. 2200 U/min und der Widerstandwert des Widerstands R₁₁ bzw. R₁₂ 100Ω bzw. 27 kΩ.
Wenn bei der oben beschriebenen Schaltung die Netzspannung V cc ansteigt, so nimmt die Spannung am Widerstand R₁₁ zu, wodurch sich das Ausgangssignal des Ausgangsschaltkreises 11 so ändert, daß sich die Drehzahl des Motors nicht ändert, was im nachfolgenden anhand der Gleichungen erläutert wird.
Die relevanten mathematischen Gleichungen lauten wie folgt:
R = k · R a , I₂ = k · I c (1)
V cc = (I c + I cc + I s ) R + V ref + Δ V + I₃R₁₂ (2)
V cc = V M + I₃ (R₁₁ + R₁₂) (3)
V M = E a + R a I M (4)
I M = I₂ + I₃ (5)
Dabei ist:
R: Widerstand zwischen Stromzuführungsanschluß V cc und Eingangsklemme der Regelungsschaltung 200′,
R a :Innenwiderstand des Motors,I₂:Summe der Kollektorströme der Transistoren Q₁₁ und Q₁₃ in der Ausgangsschaltung 11, I c :Kollektorstrom des Transistors Q₁₂, I cc :Eingangsstrom des Konstantspannungsgenerators 9, I s :Strom der Konstantstromquelle 8, V ref :Am Konstantspannungsgenerator 9 erzeugte Konstantspannung, Δ V:Spannungsdifferenz zwischen Eingang a und b der Vergleichsschaltung 10, I₃:Durch die Widerstände R₁₁ und R₁₂ fließender Strom, V M :Spannung zwischen den beiden Klemmen des Motors, E a :Gegen EMK im Motor und I M :Eingangsstrom des Motors.
Aus den Gleichungen (1) bis (5) ergibt sich die Gegen EMK E a im Motor 100′ zu:
E a = (I s + I cc ) k R a + V ref + Δ V - I₃ (R₁₁ + R a ) (6)
Dabei ist k ein konstanter Faktor und R a , I s , I cc und V ref haben konstante Werte. Wenn damit der dritte und vierte Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (6), d. h. Δ V - I₃ (R₁₁ + R a ) gleich Null sind, so wird die Gegen EMK E a im Motor unabhängig von der Netzgerätspannung V cc . Da die Gegen EMK E a im Motor proportional zur Drehzahl des Motors ist, bedeutet die Möglichkeit der Konstanthaltung der Gegen EMK E a , daß die Drehzahl des Motors konstant gehalten werden kann.
Anhand von Fig. 4 wird nun die Beziehung zwischen der Gegen EMK E a und dem Ausdruck I₃(R₁₁ + R a ) für den Fall erläutert, daß der Innenwiderstand R a des Motors und der Widerstandswert des Widerstands R₁₂ 5Ω bzw. 25 kΩ betragen. Wenn sich die Netzgerätspannung V cc von 5 V auf 15 V ändert, so wird zwischen den Eingängen a und b die Differenzspannung ΔV von 44 mV erzeugt. Da der Widerstandswert des Widerstands R₁₁ so gewählt werden kann, daß er ausreichend klein gegenüber dem Widerstand R₁₂ ist, kann der Strom I₃ durch den Ausdruck
bestimmt werden, der im wesentlichen durch den Widerstand R₁₂ bestimmt wird. Wenn der Widerstand R₁₁ mit 45Ω, der Ausdruck I₃(R₁₁ + R a ) mit 22 mV gewählt wird, so ist die Differenzspannung Δ V gleich dem Ausdruck I₃(R₁₁ + R a ). In diesem Fall ändert sich die Drehzahl des Motors entsprechend der Linie 1 in Fig. 4. Wenn der Widerstand R₁₁ mit 195Ω, der Ausdruck I₃(R₁₁ + R a ) mit 88 mV gewählt wird, so ist die Differenzspannung Δ V kleiner als der Ausdruck I₃(R₁₁ + R a ). In diesem Fall vermindert sich die Drehzahl des Motors entsprechend der Linie 3 in der gleichen Figur bei höherer Netzspannung. Wenn der Widerstand R₁₁ mit 95Ω und der Ausdruck I₃(R₁₁ + R a ) mit 44 mV wie die Differenzspannung Δ V gewählt werden, so ist die Drehzahl des Motors konstant, unabhängig von der Änderung der Netzspannung, wie es durch die Linie 2 in der gleichen Figur dargestellt ist.
Wenn der Widerstandswert der Widerstände R₁₁ und R₁₂, was bereits oben beschrieben wurde, so gewählt werden, daß die Gleichungen
erfüllt werden, so kann die Drehzahl konstant gehalten werden, unabhängig von der Veränderung der Netzspannung V cc .
Obwohl die Widerstände R₁₁ und R₁₂ hinsichtlich der Kennlinien der Regelschaltung 200′ und des Motors 100′ optimal gewählt werden, liegt doch die Spannungsabhängigkeit der Drehzahl üblicherweise bei etwa 1%. Damit liegt die Differenzspannung Δ V etwa bei einem Mehrfachen von 10 mV. Da der Eingangsstrom des Motors I M gleich der Summe des durch den Ausgangsschaltkreis 11 fließenden Stroms I₂ und des durch den Widerstand R₁₁ fließenden Stroms I₃ ist, wird der durch den Ausgangsschaltkreis 11 fließende Strom I₂ kleiner, wenn der Strom I₃ groß ist. Damit wird der vom Transistor Q₁₃ zugeführte Regelstrom kleiner, daß das ausreichende Drehmoment nicht erhalten werden kann. Da dieser Strom I₃ im wesentlichen vom Widerstand R₁₂ bestimmt wird, sollte der Widerstandswert des Widerstands R₁₂ im Bereich von 1 bis 300 kΩ gewählt werden. Wenn demzufolge der Widerstandswert des Widerstands R₁₁ im Bereich von 10Ω bis 5 kΩ gewählt wird, so können die Gleichungen
erfüllt werden. In diesem Fall kann die Differenzspannung Δ V und der Innenwiderstand R a des Motors leicht gemessen werden.
Anhand von Fig. 5 wird nun ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Der Motor 100′ und die Reihenschaltung aus dem Widerstand R und den Eingangs- und Ausgangsklemmen 1 und 2 der Regelschaltung 350 sind parallel geschaltet zur Netzspannung V cc und zum Verbindungspunkt 2. Die Regelschaltung 350 weist im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Regelschaltung 200′ in Fig. 3 auf. Sie ist allerdings insofern unterschiedlich, als ein Widerstand R₃₁ zwischen dem Verbindungspunkt 2 und dem Eingang b eingefügt ist und daß die beiden Anschlüsse des Widerstands R₃₁ mit der aus einem Transistor Q₃₄ und Widerständen R₃₆, R₃₇ und R₃₈ bestehenden Stromspiegelschaltung verbunden sind.
Wenn ein Motor sich bei einer Drehzahl von 2200 U/min mit einer Last von 8 gcm mit einer Netzspannung von 12 V dreht, so haben die konstanten Faktoren der Schaltung die in der folgenden Tabelle dargestellten Werte:
In diesem Fall sind die Basis-Emitter-Übergangszonen der Transistoren Q₃₄ und Q₃₅ gleich und der Strom I s beträgt 6,3 mA, der Strom I cc 15 mA und der Strom I M 100 mA.
Im nachfolgenden wird die Betriebsweise des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Verwendung der gleichen Veränderlichen wie im ersten Ausführungsbeispiel erläutert.
R = K · R a (7)
I₂ = K · I c (8)
V cc = (I c + I cc + I s ) R + V ref + Δ V - i₅R₃₁ + V₂ (9)
V cc + V M + V₂ (10)
V M = E a + R a I M (11)
Dabei ist:
I₅:Durch den Widerstand R₃₁ fließender Strom R₃₁:Widerstandswert des Widerstands R₃₁ V₂:Spannung am Verbindungspunkt 2
Aus den Gleichungen (10) und (11) ergibt sich:
V cc = E a + R a I M + V₂ (12)
Damit ergibt sich aus den Gleichungen (12) und (9):
E a = (I c + I cc + I s ) R + V ref + Δ V - i₅R₃₁ - RaI M (13)
Es wurde nun angenommen, daß die Summe der durch die Widerstände R₃₁ bzw. R₃₈ fließenden Ströme i₅ bzw. i₃ vernachlässigbar klein ist im Vergleich zum Strom I₂ und der Strom I M etwa gleich dem Strom I₂ ist, so ergibt die Gleichung (13) unter Verwendung der Gleichungen (1) und (8):
E a = (I cc + I s ) R + V ref + Δ V - i₅R₃₁ (14)
Mit den Widerstandswerten R₃₇ bzw. R₃₈ der Widerstände R₃₇ bzw. R₃₈ und der Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors Q₃₅ von V be 35 ergibt sich die folgende Gleichung:
Mit dem Widerstandswert R₃₆ des Widerstands R₃₆ ergibt sich:
Damit ist:
Wenn damit, wie bereits oben beschrieben wurde, die Gleichungen
erfüllt werden, so wird die Gegen EMK E a im Motor unabhängig von der Netzspannung V cc . Damit bleibt die Drehzahl des Motors unabhängig von den Änderungen der Netzspannung konstant.
Im Falle, daß die Ströme I₁ und I₂ sehr viel größer sind, wird der durch den Ausgangsschaltkreis 11 fließende Strom I₂ und der vom Transistor Q₁₃ zugeführte Regelstrom klein, was zu einem unzureichenden Drehmoment führt. Damit kann die Summe der Widerstandswerte der Widerstände R₃₇ und R₃₈ nicht extrem klein gemacht werden, was aus Gleichung (15) hervorgeht. Da andererseits das Verhältnis der Ströme i₁ und i₂ vorzugsweise mit 5 bis 1/5 gewählt wird, kann das Widerstandsverhältnis der Widerstände R₃₆ und R₃₇ nicht übermäßig groß gemacht werden. Es ist daher wünschenswert, die Ströme i₁ und i₂ durch den Widerstandswert des Widerstands R₃₈ zu bestimmen. Aus diesem Grund wird der Widerstandswert des Widerstands R₃₈ vorzugsweise im Bereich von 1 bis 300 kΩ gewählt und die Widerstandswerte der anderen Widerstände R₃₁, R₃₆ und R₃₇ werden im Bereich von 100Ω bis 500 kΩ gewählt, so daß die Gleichungen
erfüllt sind.
Es ist hier anzumerken, daß in der obigen Gleichung (16) das Verhältnis der Ströme i₁ und i₂ durch das Verhältnis der Widerstände R₃₆ und R₃₇ bestimmt wird, daß es aber auch durch das Verhältnis der Basis-Emitter-Übergangszonen der Transistoren Q₃₄ und Q₃₅ bestimmt werden kann. Dieses Verhältnis wird gewählt mit 5 bis 1/5. Darüber hinaus kann dieses Verhältnis sowohl durch das Verhältnis der Basis-Emitter-Übergangszonen der Transistoren Q₃₄ und Q₃₅ und das der Widerstände R₃₆ und R₃₇ bestimmt werden.
Die erfindungsgemäße Regelschaltung für die Netzspannungs- Drehzahl-Kennlinie hat nicht nur den Vorteil, daß Regelschwankungen und Hochfrequenzschwingungen infolge eines hohen Verstärkungsfaktors des Fehlerverstärkers unterdrückt werden können, sondern auch den zusätzlichen Vorteil, daß im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem die Lastkennlinie und die Spannungsverminderungskennlinie eng miteinander korrelieren, lediglich die Spannungsverminderungskennlinie durch Einstellen der Bauelemente frei verändert werden kann. Da darüber hinaus die Bauelemente lediglich aus Transistoren oder Widerständen bestehen, kann die erfindungsgemäße Schaltung leicht als integrierte Schaltung ausgebildet werden.

Claims (1)

  1. Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors (100′) mit einem Bezugsspannungsanschluß (3), einem Stromzuführungsanschluß (Vcc) und einem ersten Widerstandselement (R), deren eines Ende mit dem Stromzuführungsanschluß (Vcc) verbunden ist, einem Konstantspannungsgenerator (9), dessen eines Ende mit dem anderen Ende des ersten Widerstandselementes (R) verbunden ist, einer Vergleichsschaltung (1 c) mit einem ersten Eingang (a), einem zweiten Eingang (b) und einem Ausgang, der die Spannung am anderen Ende des Konstantspannungsgenerators, die dem ersten Eingang (a) zugeführt ist, mit der Spannung am anderen Ende des Motors vergleicht und am Ausgang ein Vergleichsausgangssignal erzeugt, und einem Ausgangsschaltkreis (11), der dem ersten Widerstandselement (R) und dem Motor (100′) jeweils in Abhängigkeit vom Vergleichsausgangssignal einen ersten (Ic) bzw. zweiten Ausgangsstrom (Im) zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Widerstandselement (R₁₁) zwischen dem zweiten Eingang (b) der Vergleichsspannung (10) und dem Verbindungspunkt (2) zwischen dem anderen Ende des Motors (100′) und dem Ausgangsschaltkreis (11) eingefügt ist, und daß zwischen dem zweiten Eingang (b) und dem Bezugsspannungsanschluß (3) ein Stromweg (R₁₂; C₃₄; R₃₆) vorgesehen ist, wobei das zweite Widerstandselement (R₁₁) einen Spannungsabfall erzeugt, der Spannungsänderungen zwischen dem ersten und zweiten Eingang (a) und (b) der Vergleichsschaltung (10), die von Spannungsänderungen am Stromzuführungsanschluß (V CC ) verursacht werden, kompensiert.
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