DE3013402A1

DE3013402A1 - Verfahren und anordnung zur regelung der drehzahl eines fremderregten gleichstrommotors

Info

Publication number: DE3013402A1
Application number: DE19803013402
Authority: DE
Inventors: Albert 7505 Ettlingen Kießling
Original assignee: Braun GmbH
Current assignee: Braun GmbH
Priority date: 1980-04-05
Filing date: 1980-04-05
Publication date: 1981-10-08

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung der
Drehzahl eines fremderregten Gleichstrommotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der Literaturstelle "Grundlagen der Leistungselektronik" von K. Heumann, Verlag B.G. Teubner Stuttgart, 1975, Seiten 119 - 125 und 194 - 195 sind Gleichstromsteller bekannt, die periodisch im Takt einer bestimmten Schaltfrequenz gezündet und gelöscht werden und mit denen auf diese Weise die Leistungsaufnahme einer Last aus einer Gleichspannungsquelle gesteuert werden kann. Ein Gleichstromsteller kann in Impulsbreitensteuerung, Pulsfolgesteuerung und Zwei-Punkt-Regelung ausgesteuert werden. Bei der Pulsbreiten-Steuerung ist die Periodendauer T konstant und die Einschaltdauer zwischen Zünden und Löschen des Gleichstromstellers wird verändert.
Bei der Pulsfolgesteuerung wird die Einschaltdauer zwischen Zünden und Löschen des Gleichstromstellers konstant gehalten, während die Periodendauer T verändert wird. Weiterhin ist es aus dieser Literaturstelle bekannt, Stromrichter als Leistungsstellglieder in einem Regelkreis für die Drehzahl regelung einer Gleichstrommaschine nach dem Stromleitverfahren einzusetzen, wobei die Drehzahl mit einem Tachometergenerator erfaßt und in einem Drehzahl regler mit der Führungs- oder Sollwertgröße verglichen wird. Der Drehzahlregler wirkt dann auf das Stellglied in der Weise ein, daß die Drehzahl der Gleichstrommaschine durch Variation der Taktimpulsbreite oder Taktimpulsfolge dem eingestellten Drehzahlsollwert entspricht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gleichstromotor, insbesondere für einen batteriebetriebenen Rasierapparat, zur Umgehung ohmscher Verlustleistung durch getakteten Gleichstrom zu betreiben, um ihn an variable Belastungsbedingungen anpassen zu können und mittels der Variation der Taktimpulsfolge oder Taktimpulsbreite eine belastungsunabhängige Drehzahl,konstanz zu erzielen, ohne bei der Drehzahlreglung einen aufwendigen und teuren Tachometergenerator zur Erfassung des Drehzahl-Istwertes vorsehen zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 wiedergegebenen Verfahrensmerkmale gelöst.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ermöglicht, daß batteriebetriebene Geräte, insbesondere Rasierapparate, in denen Gleichstrommotoren angewendet werden, durch getakteten Gleichstrom anzusteuern, um sie an variable Belastungsbedingungen anpassen zu können, ohne für die Drehzahl regelung einen kostenintensiven Tachometergenerator zur Erfassung des Drehzahl Istwertes heranziehen zu müssen.
Anstelle eines Tachometergenerators wird der fremderregte Gleichstrommotor selbst zur Messung der Drehzahl herangezogen. Da fremderregte Gleichstrommotoren auch als Generator betrieben werden können, ist es möglich, in den Impulspausen des Ankerstromes die vom Motor erzeugte Generatorspannung zu messen und als Istwert einem Regelkreis zuzuführen, der die Drehzahl des fremderregten Gleichstrommotors über einen Impulsbreitenmodulator konstant hält.
Eine erste Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch die im Patentanspruch 3 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet.
Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung wird zur Messung der vom fremderregten Gleichstrommotor in den Impulspausen des Ankerstromes erzeugten Generatorspannung ein Abtast-Halteglied (Sample- and Hold-Verstärker) herangezogen.
Eine zweite Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch die im Patentanspruch 4 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet.
Diese Anordnung ermöglicht eine besonders einfache und billige Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Verwendung handelsüblicher und billiger Bauelemente.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll der der Erfindung zugrundliegende Gedanke näher erläutert werden.
Es zeigen: Fig. 1 eine Anordnung mit einem Abtast-Halteglied und einem Impul smodulator Fig. 2 eine vereinfachte Anordnung mit einem Schmitt-Trigger und Fig. 3 eine zeitliche Darstellung der Impulse und Spannungen beim Betrieb einer Anordnung nach Fig. 2 In Figur 1 ist ein fremderregter Gleichstrommotor 1, dessen Erregerwicklung nicht weiter bezeichnet ist, in Reihe zu einer Gleichspannungsquelle Uß und einem Gleichstromsteller 5 geschaltet. Dieser Gleichstromsteller 5 ist in der Figur als Schalter dargestellt und kann in der praktischen Ausführung als zünd- und löschbarer Thyristorschalter gemäß Bild 8.4 auf Seite 119 der obengenannten Literaturstelle beziehungsweise als Gate-Turn-Off-Thyristor oder als Transistorschalter aufgebaut werden. Parallel zu den Ankeranschlüssen des fremderregten Gleichstrommotors 1 ist ein Abtast-Halteglied 2 geschaltet, das in seiner parktischen Ausführung analog zur Schaltung in Abbildung 10.120 beziehungsweise 10.121 auf Seite 295 beziehungsweise 296 der Literaturstelle "Halbleiter-Schaltungstechnik" (U. Tietze, Ch. Schenk), Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, dritte Auflage, 1976, aus einem Feldeffekt-Transistor, einem Kondensator, und einem nachgeschalteten Verstärker aufgebaut werden kann. Dieses Abtast-Halteglied 2 mißt in den Taktimpulsen des vom Gleichstromsteller 5 getakteten Ankerstromes die vom fremderregten Gleichstrommotor 1 erzeugte Generatorspannung und führt diese als Drehzahl-lstwert n st dem negativen Eingang eines nachgeschalteten Regelverstärkers 3 zu. Der positive Eingang dieses Regelverstärkers 3 ist mit dem Drehzahl-Sollwertn .1 beaufschlagt. Der Ausgang des Regelberstärkers 3 gibt eine der Drehzahl-Abweichung d n entsprechende Größe an einen nachgeschalteten Impulsbreiten- oder Impulsfolgemodulator je nach Größe der Drehzahl-Regelabweichung verändert der Modulator 4 die dem fremderregten Gleichstrommotor 1 zugeführte Taktimpulsbreite oder Taktimpulsfolge durch entsprechendes öffnen und Schließen des Gleichstromstellers 5. Zur Synchronisation mit den Impulspausen des getakteten Ankerstromes wird der Ausgang des Modulators 4 zugleich auf den Steuereingang des Abtast-Haltegliedes 2 geführt, was beispielsweise durch Verbinden des Ausgangs des Modulators 4 mit dem Gate des in dem Abtast-Halteglied 2 verwendeten Feldeffekt-Transistors praktisch ausgeführt werden kann.
Die in Figur 2 dargestelle Anordnung weist in der Verbindung der Gleichspannungsquelle UB mit dem fremderregten Gleichstrommotor 1 einen weiteren Schalter 7 auf. Parallel zum fremderregten Gleichstrommotor 1 ist die Reihenschaltung eines Kondensators 8 mit einem Ladewiderstand 9 angeordnet, wobei der Ladewiderstand entweder aus einem einzigen Widerstand oder aus einer Dioden-Widerstands-Kombination mit zwei anti-parallel geschalteten Dioden 93 und 94 und je einem den Dioden in Reihe geschalteten Widerstand 91 und 92 bestehen kann. An die Verbindung des Kondensators 8 mit dem Ladewiderstand 9 ist der Eingang eines nachgeschalteten Schmitt-Triggers 6 angeschlossen. Ein Schmitt-Trigger der verwendeten Art ist beispielsweise aus der Literaturstelle Tietze-Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik", dritte Auflage, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1976, Seite 299 ff bekannt, und besteht aus einem Differenzverstärker 61 sowie zwei Widerständen 62 und 63. An dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 61 ist die Verbindung des Kondensators 8 mit dem Ladewiderstand 9 angeschlossen, während an den positiven Eingang beide Widerstände 62 und 63 angeschlossen sind, wobei der eine Widerstand 62 mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 61 und der andere Widerstand 63 mit der Spannungsquelle zug UB verbunden ist. Der Ausgang des Schmitt-Triggers 6 ist an den Steuereingang des Gleichstromstellers 5 angeschlossen.
Anhand der zeitlichen Darstellung der Spannung Uc am Kondensator 8 und der Ausgangsimpulse UA des Schmitt-Triggers 6 in Figur 3 soll die Funktionsweise der Anordnung nach Figur 2 näher erläutert werden: Beim Einschalten des weiteren Schalters 7 schaltet auch der Gleichstromsteller 5 ein. Der fremderregte Gleichstrommotor 1 läuft, da er an die Spannungsquelle UB angeschlossen ist, an und der Kondensator 8 wird über die Reihenschaltung des einen Widerstandes 91 und der einen Diode 93 aufgeladen. Erreicht die Kondensatorspannung die untere Triggerschwelle U1 des Schmitt-Triggers 6, so verschwindet das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 6 und der Gleichstromsteller 5 wird abegeschaltet (Zeitpunkt t1). Anschließend wird der Kondensator 8 über die Reihenschaltung der anderen Diode 94 und des anderen Widerstandes 92 mit der Generatorspannung des fremderregten Gleichstrommotors 1 entladen solange bis die obere Triggerschwelle (U2) des Schmitt-Triggers erreicht ist (Zeitpunkt t2). Zu diesem Zeitpunkt wird vom Schmitt-Trigger 6 wieder ein Ausgangsimpuls uA abgegeben, so daß der Gleichstromsteller 5 wieder eingeschaltet wird. Da die Entladung des Kondensators 8 von der Generatorspannung und damit von der Drehzahl des fremderregten Gleichstrommotors 1 abhängig ist, entsteht am Gleichstromsteller 5 ein von der Belastung abhängiges Puls-Pausenverhältnis, so daß mit dieser Anordnung eine einfache Drehzahiregelung des fremderregten Gleichstrommotors 1 möglich ist.
Wird die Belastung des fremderregten Gleichstrommotors 1 zum Beispiel erhöht, so wird der Kondensator 8 über die Reihenschaltung der Diode 94 und den Widerstand 92 mit der Generatorspannung des fremderregten Gleichstrommotors 1 schneller entladen, so daß die obere Triggerschwelle U2 des Schmitt-Triggers bereits zu einem Zeitpunkt t3 erreicht ist und der Gleichstromsteller 5 bereits zu diesem Zeitpunkt einschaltet. Aus dieser zeitlichen Darstellung für eine geringe Belastung (durchgezogene Linien) und für eine starke Belastung (gestrichelte Linien) des fremderregten Gleichstrommotors wird deutlich wie das Puls-Pausenverhältnis des Gleichstromstellers von der Belastung, d.h. von der in den Impulspausen vom fremderregten Gleichstrommotor 1 abgegebenen Generatorspannung und damit von der Drehzahl des fremderregten Gleichstrommotors abhängig ist.

Claims

Verfahren und Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines fremderregten Gleichstrommotors Patentansprüche f? Verfahren zur Regelung der Drehzahl eines fremderregten Gleichstrommotors, dessen Ankerstrom mit einem in Reihe zum Gleichstrommotor und zu einer speisenden Gleichspannungsquelle geschalteten Gleichstromstellers in Pulsbreiten- oder Pulsfolgesteuerung getaktet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den impulspausen des getakteten Ankerstromes die vom fremderregten Gleichstrommotor (1) abgegebene Generatorspannung gemessen wird und als Maß für den Drehzahl-lstwert (n St) des fremderregten Gleichstrommotors (1) dem Regelkreis zur Steuerung des Gleichstromstellers (5) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorspannung als Drehzahl-lstwert (nj st einem Regelverstärker (3) zugeführt wird, dessen aus der Differenz des zugeführten Drehzahl-Sollwertes (n soll) und des Istwertes (n. ist gebildete Regelabweichung («cSn) einen den Gleichstromsteller (5) ansteuernden Impulsbreiten-oder Impulsfolgemodulator (4) zugeführt wird.
3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge des Regelverstärkers (3) mit dem Drehzahl-Sollwert (soll) und dem Ausgang eines parallel zur Ankerstrecke des fremderregten Gleichstrommotors (1) geschalteten Abtast-Haltegliedes (2) beaufschlagt sind und daß der Ausgn3 des Regelverstärkerc '3) sowohl mit dem Eingang des dem Gleichstrommotor (1) in Reih geschalteten Gleichstromstellers (5) als auch dem Eingang des das Abtast-Halteglied (2) ansteuernden Impulsbreiten-oder tmpulsfolgemodulators (4) verbunden ist.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum fremderregten Gleichstrom (1) die Reihenschaltung eines Kondensators (8) und eines Ladewiderstandes (9) geschaltet ist, deren Verbindung an den Eingang eines Schmitt-Triggers (6) gelegt ist, daß der Ausgang des Schmitt-Triggers (6) den Gleichstromsteller (5) ansteuert und daß in die Verbindung der Gleichspannungsquelle (ruß) zum fremderregten Gleichstrommotor (1) ein weiterer Schalter (7) angeordnet ist
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladewiderstand (9) aus einem Widerstand oder der Antiparallelschaltung zweier Dioden (93, 94) mit einem in Reihe geschalteten Widerstand (91, 92) besteht.