DE3123186C2 - Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Elektromotors - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Steuern der Drehzahl eines Motors mit einer Einrichtung (11) zum Erzeugen eines Ausgangsimpulssignals, das der Drehzahl des Motors (10) entspricht, mit einer Einrichtung (12), die synchron mit dem Ausgangsimpulssignal ein sägezahnförmiges Ausgangssignal erzeugt, mit einer Einrichtung (16) zum Erzeugen einer Vergleichsspannung, mit einem Stromspiegellastdifferentialverstärker (15), der ein erstes Verstärkerelement mit einer ersten Stromspiegelschaltung, die als Last geschaltet ist und mit dem sägezahnförmigen Ausgangssignal versorgt wird, und ein zweites Verstär ker element mit einer zweiten Stromspiegelschaltung aufweist, die als Last geschaltet ist und mit der Vergleichsspannung versorgt wird, wobei die erste oder die zweite Stromspiegelschaltung nach Maßgabe des Vergleichsergebnisses zwischen der Vergleichsspannung und dem sägezahnförmigen Ausgangssignal mit Strom versorgt wird, mit einer Integrationsschaltung (18), die durch den Ladestrom, der in der ersten oder der zweiten Stromspiegelschaltung fließt, aufgeladen oder entladen wird, und mit einer Einrichtung (19), die den Motor (10) über das Ausgangssignal der Integrationsschaltung (18) betreibt. Die Vorrichtung eignet sich für elektronische Geräte, wie beispielsweise Magnetbandgeräte.

Description

stimmten Wert zu regeln.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Erfindung wird ferner erreicht, daß die Schaltungsanordnung eine weitgehende Unabhängigkeit gegen Temperaturschwankungen aufweist

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung verwendet im Komparator als Lastelemente sogenannte Stromspiegelschaltungen, wie sie an sich aus dem Buch von Tietze und Schenk »Halbleiter-Schaltungstechnik« Springer Verlag 1974, Seite 173 bereits bekannt sind.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung;

F i g. 2 ein Zeitdiagramm der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1;

F i g. 3 ein Schaltbild des Hauptbestandteils des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1;

Fig.4 die Übertragungscharakteristik eines Stromspiegellast-Komparators bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3;

F i g. 5 ein Kennliniendiagramm zur Darstellung der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3;

F i g. 6 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform des Hauptbestandteils des Ausführungsbeispiels nach

Fig.7 das Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels des !Comparators und

F i g. 8 das Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels des Komparators.

In F i g. 1 ist der Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Erfindung schematisch dargestellt, wobei der zu steuernde Motor mit 10 bezeichnet ist Ein Tachometergenerator 11 ist mit der Motorwelle verbunden. Seine Ausgangsspannung ist einer wellenformenden Schaltung 12 zugeführt, die die beispielsweise sinusförmige Generatorspannung in eine Rechteckwellenspannung umformt Der Ausgang der Schaltung 12 ist über einen Rücksetzimpulsgenerator 13 und einen Sägezahngenerator 14 mit dePi einen Eingang eines als Komparator arbeitenden StiOmspiegellast-Differenzverstärkers 15 verbunden. Dir andere Eingang dieses Komparators 15 liegt am Ausgalg einer Sollspannungsquelle 16. Der Ausgang des Komparators 15 ist über einen Lade/Entlade-Umschaltkreis 17, eine Integrationsschaltung 18 und eine Treiberschaltung 19 mit dem Motor 10 verbunden.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Anordnung zur Drehzahlregelung beschrieben. Der Tachometergenerator 11 erzeugt eine Wechselspannung mit einer Frequenz, die proportional zur Drehzahl des Motors 10 ist, wie es in F i g. 2a dargestellt ist. Die Wechselspannung wird durch die Schaltung 12 in ein Signal mit Rechteckwellenform umgewandelt, das in Fig.2b dargestellt ist und anschließend am Rücksetzimpulsgenerator 13 liegt. Entsprechend der vorderen oder der hinteren Flanke der Rechteckwelle wird das in Fig.2c dargestellte Tr if gersignal erzeugt Durch den Sägezahngenerator 14 wird synchron mit dem Triggersignal das Sägezahnsignal nach F i g. 2d erzeugt. Das Sägezahnsignal und die Vergleichsspannung aus der Sollspannungsquelle 16 liegen an den Eingängen des Komparators 15. Der Lade/Entlade-'Jmschaltkreis 17 spricht auf das Ausgangssignal des Krraparators 15 an und ändert den Lade- oder Entladezustand der Integratorschaltung 18 in analoger Weise bei einem Wert nahezu gleich der Vergleichsspannung, so daß das in F i g. 2e dargestellte Frequenz/Spannungsumwandlungsausgangssignal erhalten wird. Das Umwandlungsausgangssignal wird durch die Treiberschaltung 19 auf eine zum Antrieb des Motors 10 ausreichende Leistung verstärkt Die Drehzahl des Motors 10 wird durch das Treiberausgangssignal gesteuert und unter Verwendung einer Gegenkopplung im Regelsystem konstant gehalten.

ίο Der Hauptteil des Regelsystems ist in der in F i g. 3 dargestellten Weise aufgebaut wobei Bauteile, die den Bauteilen in F i g. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Sägezahngenerator 14, der mit dem Rücksetzimpulsgenerator 13 verbunden ist umfaßt einen Transistor Qu, einen Widerstand Ru und einen Kondensator Cu- Der Transistor Qu dient dazu, den Kondensator Cu zu entladen und, die Ausgangsspannung rückzusetzen. Nach dem Rücksetzen steigt die Ausgangsspannung exponentiell mit der Zeitkonstante des Kondensators C\ \ und des Widerstandes R\ \ in Richtung auf die Versorgungsspanii^ng Vcc an. Die Sollspannungsquelle 16 umfaßt eine Reihenschaltung aus Widerständen Rn und An und erzeugt die folgende Vergleichsspannung Vref, wenn die Versorgungsspannung gleich Vcc ist:

Vref

Rn +

Vtc

Der Komparator 15, mit dem der Sägezahngenerator 14 und die Sollspannungsquelle 16 verbunden sind, umfaßt Transistoren Q12, Q13, Q14, Q\s, Qie, Qm und eine Konstantstroffischaltung /5. Stromspiegelschaltungen werden jeweils von den Transistoren Qm und Qi 5 und Qi β und Qi 7 gebildet Der Tra/isistor Qi 2 bildet ein Verstärkerelemont mit den Transistoren Q₁* und Qi₅ als Last, der Transistor Qn bildet ein weiteres Verstärkerelement mit den Transistoren Qi β und Qi 7 als Last Der Komparator 15 weist die Übertragungscharakteristik auf, die in F i g. 4 dargestellt ist

lint"X der Annahme, daß die Transistoren Qn und Qi 3 ein passendes Paar bilden, wenn das Basispotential VbQ₁ des Transistors Qi 2 verglichen mit der Vergleichsspannung Vre/ausreichend niedrig ist, so sind der Kcüektorstrom ICq₁ des Transistors Qn und der Kc'lektorsirom ICq₂ des Transistors Qi₂ durch die folgenden Gleichungen bestimmt:

ICq₁ = (X IEE

ICq₁ = 0

wobei ar der Stromverstärkungsfaktor des Transistors ist Uiid iee einen Stromwert in der Konstantstromschaltung /5 bezeichnet Das heißt, daß unter dieser Umständen ein Strom nur durch den Kollektor des Transistors Qi 3 fließt

Wenn im Gegensatz dazu das Basispotential VbQ₁ des Transistors Q12 verg!^;:hen mit der Vergleichsspannung Vre/ausreichend groß ist, sind die Ströme ICq₁ und Icq, durch die folgenden Gleichungen bestimmt:

Icq, = 0
Icq, = a Iee

Unter diesen Umständen fließt ein Strom nur durch den Kollektor des Transistors Qu.

Es sei im folgenden angenommen, daß die Temperaturspannung Vj gegeben ist durch

V_T - -^f-

kT

(6)

wobei k die Boltzmann-Konstante ist, T die absolute Temperatur bezeichnet und q die Elementarladung ist, und daß der Spannungsunterschied Vid zwischen dem Basispotential VbQ₁ des Transistors Qu und dem Basispotential VbQ₁ des Transistors Qi 3 gegeben ist durch

Vid

VbQ-VbQ,

Wenn I Vid\ < 4 Vt,d. h. der Unterschied zwischen dem Basispotential des Transistors Qi2 und dem Basispoten- '.'.2] des Transistor Q: 2 kleiner oder eleich 4 Vt ist (etwa 0,1 V bei normaler Temperatur), ergibt sich eine Charakteristik des Kollektorstromes Icq, des Transistors IcQ_t

Qu und des Kollektorstromes Icq, des Transistors Qi 3, wie sie durch ausgezogene Linien in F i g. 5 wiedergegeben ist. Das heißt, daß bei dieser Spannung analog gearbeitet wird. Wenn die Beziehung des Sättigungsstromes Isq,, Isq, der Transistoren Qu und Qu gegeben ist durch Isq, " Isq, und wenn die Beziehung der Basisemitterspannung VbeQj, Vbeo, gegeben ist durch VbeQ,, Vbeot > Kr werden die folgenden Beziehungen aus den Ebers-Moll-Gleichungen abgeleitet:

Lade/Entlade-Stromverhältnis nicht besonders betrachtet wurde, kann der Verstärkungsfaktor des Regelsystems durch eine Vergrößerung des Lade/Entladestromverhältnisses erhöht werden. Das erfolgt über eine Änderung des Emitterbereichs des Transistors, der die Stromspiegelschaltung im Komparator 15 bildet, wie es in F i g. 6 dargestellt ist. Dort haben die Transistoren Qm und Qi5 als Last des Transistors Qi 2 gleiche Emitterflächen und daher einen gleichen Kollektorstrom. Das Verhältnis des Emitterbereiches der Transistoren Q\t> und Qi 7 als Last des Transistors Qu beträgt 3 :1, so daß der Kollektorstrom des Transistors Qn ein Drittel des Kollektorstromes des Transistors Qie beträgt. Die übrigen Bauteile in Fig.6 sind die gleichen wie in Fig.3. (7) 15 Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben.

Wenn Vid > 4 Vr ist und der Transistor Q\₂ durchgeschaltet ist, wird der Kollektorstrom Icq_a des Transistors Qm gleich

ach

EE

Wenn Vid < —4 Vr ist und der Transistor Qu durchgeschaltet ist, wird der Kollektorstrom Icq, des Transistors Q\ 7 gleich

al,

EE

1 +exp (-

(8) Am Lade/Entlade-Änderungspunkt, d. h. dann, wenn IcQ_t = ICq₁ ist, wird die Beziehung des Kollektorstromes ICq₅ des Transistors Qi₅ und des Kollektorstromes IcQf, des Transistors Q\e gleich

35

a IEE

und ist daher

1 + exp

Icq,

40

Der durch die Gleichung (8) wiedergegebene Kollektorstrom des Transistors Q12 dient als Entiadestrom des Kondensators Ci 2, der die Integratorschaltung 18 bildet, während der durch die Gleichung (9) dargestellte Kotlektorstrom des Transistors Qu als Ladestrom des Kondensators Q₂ dient. Der Lade/Entlade-Umschaltkreis 17 wird von der Stromspiegelschaltung aus den Transistoren Qi β, Q19 gebildet.

Bei einem derartigen Aufbau erfolgt das Laden oder Entladen des Kondensators in der Integratorschaltung entsprechend dem Vergleichsergebnis zwischen dem Sägezahnsignal, das in seiner Frequenz proportional zur Drehzahl des Motors ist, mit der Vergieichsspannung, wobei das Laden oder Entladen des Kondensators stabiler als bei einer herkömmlichen Zeitgeberschaltung mit einem monostabilen Multivibrator erfolgen kann, so daß eine gute Regelfunktion der Drehzahl des Motors erwartet werden kann. Das oben beschriebene analoge Arbeiten hat den Vorteil einer kleineren Anzahl von Bauelementen bei der Ausbildung in Form einer integrierten Schaltung, wodurch der Schaltungsaufbau vereinfacht wird- Eine Verteilung des Spannungsabfalls derart, daß eine Basisemitterspannung Vbe festliegt und die anderen der Kollektor-Erniticrspannung Vce des Transistors geliefert werden, erlaubt ein Arbeiten bei niedriger Spannung.

Obwohl bei der obigen Beschreibung der F i g. 3 das Wenn die Transistoren Q12 und Qu gleiche Emitterbereiche haben, ergibt ein Einsetzen der Gleichung (12) in die Gleichungen (8) und (9) die folgende Beziehung:

Vid = -VrIn 3,

45 so daß dann, wenn VbQ₁ um VrIn 3 kleiner als VbQ, ist, der Lade- oder Entladezustand geändert wird. Da V_T jedoch eine Funktion der Temperatur ist, führen gleiche

so Emitterbereiche der Transistoren Qu und Qu zu einer Änderung des erwarteten Wertes der Steuerung in Abhängigkeit von der Temperatur.

Um diesen Mangel auszuschließen, wird der Emitterbereich des Transistors Qu dreimal so groß wie der des Transistors Qu gemacht. Dieser Aufbau des Komparators ist in F i g. 7 dargestellt

Die Gleichstromcharakteristiken dieses Komparators für Isq, = 3JSq₁ ergeben sich aus den Ebers-Moll-GIeichungen

" j·

1 + exp

-(Vid -K₇-In3)

65 1 + exp

K/</-K_rln3
Vt

7 8

Die Kollektorströme der Gleichungen (13) und (14)

sind durch strichpunktierte Linien in Fig.5 wiederge- ι

geben und ergeben sich aus den obigen Gleichungen (8) und (9) durch eine parallele Verschiebung in Richtung

der Achse Vid um VVIn 3. Ein Einsetzen der Gleichung 5 )/\

(12) für die Lade/Entlade-Umschaltbedingung in die H

Gleichungen (13) und (14) ergibt f!

ν../ = 0 J

Der Ladezustand wird daher geändert, wenn Vbo, ΐ'

gleich VbQ₁ 'st. Der erwartete Wert der Steuerung ändert sich daher nicht in Abhängigkeit von der Tempera- .' tür.

Damit das Lade/Entladeverhältnis gleich N ist, ist der 15 ■ ■

Emitterbereich des Transistors Qm ΛΖ-mal so groß wie der des Transistors Qu, was zu einer Lade/Entlade-Änderung führte, wenn Vid gleich — V_T InA/ ist, wobei der

Emitterbereich des Transistors Qn A/-mal so groß wie ~

der des Transistors Qn ist, um die Spannungsänderung 20 von Vid in Abhängigkeit von der Temperatur zu unterdrücken. Der erwartete Wert der Steuerung ändert sich

daher nicht in Abhängigkeit von der Temperatur, so daß i

eine gute Steuerung der Drehzahl des Motors erhalten ^;!

wird. 25 ■:

Wie es in F i g. 8 dargestellt ist, kann die Vorrichtung j

statt aus Transistoren auch unter Verwendung von MOSIC-Bauelementen aufgebaut sein. In Fig.8 sind die den Bauteilen in F i g. 6 entsprechenden Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. 30 '■

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

40

so

65

Claims (3)

1 2 triebsbedingungen, beispielsweise infolge der Änderung Patentansprüche: des Bandzuges oder des Ladezustandes der Zellen, ist eine Regelung der Drehzahl des treibenden Elektromo-

1. Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl tors unerläßlich.

eines Elektromotors, enthaltend einen Tachogenera- 5 Bei der Schaltungsanordnung nach der US-PS tor, der eine Wechselspannung mit einer der Ist- 41 53 864 wird von den Setzimpulsen ein Monoflop ge-Drehzahl des Motors proportionalen Frequenz er- triggert, der ein Ausgangssignal erzeugt das eine vorbezeugt, einen Rechteckwellengenerator, der die stimmte Zeitlänge hat und dessen Frequenz von der Wechselspannung des Tachogenerators in eine Frequenz der Triggerimpuise und somit der Drehzahl Rechteckwellenspannung gleicher Frequenz um- io des Elektromotors abhängt Die Ausgangsimpulse des formt einen Impulsgenerator, der von der Vorder- Monoflops werden integriert und es entsteht daraus ei- oder Hinterflanke der Rechteckwellenspannung ne Gleichspannung, die sich mit der Drehzahl des Mo-Setzimpulse ableitet einen Sägezahngenerator zum tors ändert Diese Gleichspannung wird in einem Kom-Erzeugen einer Sägezahnspannung, einen erste und parator mit einer Sägezahnspannung verglichen, die in zweite Verstärkerelemente aufweisenden Kompara- is Abhängigkeit von einer Soll-Drehzahl vorgegeben ist tor, der die Sägezahnspannung mit einer Gleich- Das Komparatorausgangssignal gelangt in einen Treispannung vergleicht und einen den Motor speisen- berkreis für den Elektromotor.

den Treiberkreis, dadurch gekennzeich- Wenn die Drehzahl des Motors über eine vorgegebene t, daß die Sägezahnspannung von den Setzim- ne Soll-Drehzahl ansteigt dann steigt die Ausgangspulsen (Rücksetzimpulsen) des Impulsgenerators 20 spannung des Integrators an, so daß das Leitfähigkeits-(Rücksetzinipulsgenerator 13) getaktet und die dem Intervall des Ausgangstransistors des !Comparators kür-Komparator (15) zugeführte Gleichspannung von ei- zer wird, so daß db Erregerzeit in einem Schaltzyklus ner Sollspannungsquelle (16) geliefert wird, daß die des Motors entsprechend kürzer wird und die Drehzahl Verstärkerelemente (Qn, Qn) des Komparators (15) des Motors wieder abfällt Entsprechendes vollzieht sich eine erste bzw. eine zweite Stromspiegelschaltung 25 mit umgekehrtem Vorzeichen, wenn die Drehzahl des (Q\a, Q15 bzw. <?i6> Qn) als Last aufweisen, und daß Motors unter einen vorgegebenen Sollwert abfällt zwischen den Ausgang des !Comparators (15) und Bei dieser Schalung ist jedoch der Fangbereich infolden Treiberkreis (19) eine Integratorschaltung (18) ge der fest vorgegebenen Rückkippzeit des Monoflops angeordnet ist deren Kondensator (Q₂) von dem eingeschränkt. Wenn die Soll-Drehzahl zu hoch ist, dann durch die eine Stromspiegelschaltung (Qi₆, Qn) flie- 30 kann das zur Verfügung stehende Intervall für die fest ßenden Strom geladen und von dem durch die ande- vorgegebene Rückkippzeit des Monoflops zu kurz sein, re Stromspiegelschaltung (Qu, Qi 5) fließenden Die Schaltungsanordnung ist dann nicht in der Lage, Strom entladen wird. ordnungsgemäß zu arbeiten.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei Aus der DE-AS 26 47 999 ist eine Schaltungsanord-Transistoren für das erste und zv iite Verstärkerele- 35 nung zum Regeln der Drehzahl bekannt, umfassend eiment des Komparators vorgesehen sind, dadurch ge- nen Tachometergenerator, der direkt mit der Welle des kennzeichnet daß beim zweiten Verstärkerelement zu regelnden Motors verbunden ist und eine sinusiörrnider Emitterbereich des Transistors (Q13) mehrfach ge Wechselspannung mit einer Frequenz erzeugt, die (A/-mal) so groß wie der des Transistors (Qi₂) beim proportional der Drehzahl des Motors ist Die Sinusersten Verstärkerelement ist und daß die zweite 40 wechselspannung wird in eine Recm.äckwechselspan-Stromspiegelschaltung des Komparators (15) aus nung umgewandelt und anschließend an einen Triggerzwei Transistoren CQi & Qi 7) besteht, wobei der Emit- impulsgenerator gelegt Ein Triggersignal wird jeweils terbereich des einen Transistors (Qiö) mehrfach (N- an der vorderen oder hinteren Flanke der Rechteckwelmal) so groß wie der des anderen Transistors (Qi₇) Ie erzeugt. Von dem Triggersignal wird ein Monoflop ist und das Größenverhältnis der Emitterbereiche 45 angestoßen, der eine der Vergleichsdrehzahl des Modasselbe ist, wie bei den Transistoren (Qi₂, Qi 3) der tors entsprechende Rückkippzeit aufweist Das Ausbeiden Verstärkerelemente. gangssignal des Monoflops wird invertiert so daß sich

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, da- Impulse ergeben, die sich als Subtraktion der Rückkippdurch gekennzeichnet daß die betreffenden Emit- zeit des Monoflops -.on der Schwingungsdauer des aus terbereiche dreimal (N= 3) größer sind. 50 der Ist-Motordrehzahl abgeleiteten Frequenzsignals

darstellen. Diese Impulse weisen eine der Motordreh-

zahl entsprechende Frequenz auf, und jeder Impuls hat

eine Dauer, die ebenfalls drehzahlabhängig ist. Die Impulse werden in einem Niederfrequenzfilter integriert

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum 55 und zur Drehzahlsteuerung des Motors herangezogen. Regeln der Drehzahl eines Elektromotors nach dem Wie schon bei der zuvor beschriebenen Schaltungs-

Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche ist aus anordnung muß auch hier die Rückkippzeit des Monoder US-PS 41 53 864 bekannt. flops kürzer sein, als die kürzest mögliche Periodendau-

Motorgetriebene elektronische Geräte, wie beispiels- er, die sich aus der Drehzahl des Motors ergibt, damit weise Magnetbandgeräte, sind in den letzten Jahren 60 die Anordnung fehlerfrei arbeiten kann. Bei übergroßen weitgehend miniaturisiert worden. Einhergehend hier- Drehzahlen, die eine übermäßige Verkürzung der Pemit konnte auch ihr Stromverbrauch stark vermindert riodendauer der vom Tachogenerator erzeugten Wechwerden. Dies hat die Verwendung von Niederspan- selspannung zur Folge haben, ist auch diese Anordnung nungsquellen, wie handelsüblichen Monozellen, als An- daher nicht in der Lage, einwandfrei zu regeln, triebsenergiequelle möglich gemacht. 65 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Von Antrieben für derartige Magnetbandgeräte wird Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so eine höchstmögliche Konstanz der Drehzahl verlangt. auszugestalten, daß sie in der Lage ist, auch bei hohen Aufgrund der sich bei solchen Geräten ändernden Be- Drehzahlen die Drehzahl des Motors auf den vorbe-