DE3123358A1 - METHOD FOR CONTROLLING THE SPEED OF AN ELECTRIC DC MOTOR AND DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD - Google Patents
METHOD FOR CONTROLLING THE SPEED OF AN ELECTRIC DC MOTOR AND DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHODInfo
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11. Juni 1981 S/st - CDLTZ - 101 -June 11, 1981 S / st - CDLTZ - 101 -
Stephen CudlitzStephen Cudlitz
5 Waldron Court, Marblehead, Massachusetts5 Waldron Court, Marblehead, Massachusetts
USAUnited States
Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit eines elektrischen Gleichstrommotors und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensMethod for controlling the speed of a DC electric motor and device for carrying out the method
Priorität: 13. Juni 19 80 USA Serial No. 159,343Priority: June 13, 19 80 USA Serial No. 159.343
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Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit eines elektrischen Gleichstrommotors und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensMethod for controlling the speed of a DC electric motor and device for carrying out the method
Die Erfindung betrifft Drehzahlsteuereinrichtungen für Elektromotoren und bezieht sich insbesondere auf Drehzahlsteuerungen für Elektromotoren/, insbesondere Serien- bzw. Hauptfeldmotoren, die bei batteriegetriebenen Elektrofahrzeugen benutzt werden.The invention relates to speed control devices for electric motors and particularly relates to speed controls for electric motors /, in particular series or main field motors that are used in battery-powered electric vehicles.
Bislang wurden Motoren, insbesondere Gleichstrommotoren, im allgemeinen durch die Verwendung eines einstellbaren Serienwiderstandes für großen Strom gesteuert. Dieses Verfahren des Steuerns der Drehzahl eines Elektromotors, insbesondere solcher, die zum Antrieb von Elektrofahrzeuge!! benutzt wurden, war im allgemeinen für nicht zufriedenstellend erachtet worden, denn Drehmoment und Drehzahl sind fast ganz gegenseitig abhängig. Diese gegenseitige Abhängigkeit führt zu einer sehr schwachen Drehzahlregullerung. Außerdem waren solche Widerstandssteuereinrichtungen äußerst uneffizient wegen des elektrischen Energieverbrauchs durch die Steuerwiderstandselemente. Dieser Energieverlust verringert bemerkenswert die Lebensdauer der Batterie und die zulässige Zeit zwischen dem Laden und er-Heretofore, motors, especially DC motors, have generally been made through the use of an adjustable series resistor controlled for large current. This method of controlling the speed of an electric motor, especially those those used to drive electric vehicles !! were used was generally considered unsatisfactory because torque and speed are almost entirely interdependent. This interdependence leads to a very weak speed regulation. In addition, such resistance control devices were extremely inefficient because of the electrical energy consumption by the control resistor elements. This loss of energy significantly reduces the life of the battery and the allowable time between charging and
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höht auch die minimal akzeptierbare Anfangsgröße, das Gewicht und die Kosten der Batterie.also increases the minimum acceptable initial size, weight, and cost of the battery.
Ferner führten solche Steuereinrichtungen nicht zu einer vollständigen proportionalen Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitssteuerung, denn häufig müßten sich die Steuereinrichtungen fast in der vollständigen Einschaltposition befinden, bevor ein ausreichendes Drehmoment entwickelt werden konnte, um ein Elektrofahrzeug von einer angehaltenen Stellung zu starten. Die Steuerung mußte dann zurückgefahren werden, um das Drehmoment nach dem Starten der Bewegung zu verringern. Solche Steuerun-. gen führten deshalb zu einem unbeständigen, nicht gleichmäßigen Motorbetrieb, welcher der Bewegung eines Fahrzeuges das Gefühl eines "Ruckes" oder "Sprunges" gab.Furthermore, such control devices did not lead to a complete one proportional speed or speed control, because often the control devices should almost are in the full on position before sufficient torque could be developed to power an electric vehicle start from a stopped position. The control then had to be reduced to the torque decrease after starting the movement. Such tax-. genes therefore led to inconsistent, inconsistent engine operation, which feels like the movement of a vehicle of a "jerk" or "jump".
Vor einiger Zeit sind Versuche unternommen worden, um die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl eines Elektromotors dadurch zu steuern, daß ein Leistungstransistor als ein elektronischer Schalter zwischen der Batterie und dem Motor angeordnet wird und der Transistor dadurch aktiviert wird, daß Stromimpulse zur Transistorbasis geführt werden. Im allgemeinen waren diese Impulse von konstanter Dauer, und die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl wurde nur in einigen wenigen Stufen dadurch gesteuert, daß ein Strom nur bei wenigen unterschiedlichen Drehzahlen oder Geschwindigkeiten zerhackt wurde. Der sich ergebende MotorbetriebSome time ago attempts were made to increase the speed or rotational speed of an electric motor control that a power transistor is placed as an electronic switch between the battery and the motor and the transistor is activated by applying current pulses to the transistor base. In general these were Pulses of constant duration, and the speed or rotational speed was only controlled in a few steps, that a stream was only chopped at a few different speeds or speeds. The resulting engine operation
ist ungleichmäßig, und elektrische Energie geht verloren, weil Strom nur bei wenigen Niveaus zugeführt wird.is uneven and electrical energy is lost because electricity is only supplied at a few levels.
Erfindungsgemäß wird eine Steuerschaltung für die Drehzahl bzw. Geschwindigkeit eines Elektromotors vorgesehen, die im wesentlichen alle vorgenannten Nachteile der bekannten Steuerschaltungen überwindet. Insbesondere ist die Drehzahlsteuerschaltung für den Elektromotor gemäß der Erfindung zwischen dem Motor und einem Netzteil, welches für den Antrieb des Motors ausreicht, angeordnet. Die Drehzahlsteuerschaltung weist mindestens einen Leistungstransistör auf, der über seinen Emitter und Kollektor in Reihe zwischen dem Motor und dem Netzteil angeschlossen ist, um eine Leistungsschaltung derart zu bilden, daß Strom zwischen dem Netzteil und dem Motor durch den Transistor nur dann fließt, wenn ein Signalstrom zur Basis des Transistors augeführt wird. Die Drehzahlsteuerung weist ferner eine Drehzahlsteuereinrichtung bzw. -steuerung auf, die einen veränderbaren Widerstand, eine Induktanz bzw. Induktivität oder Kapazität in einer Steuerschaltung und eine Steuerschaltung vorsieht, welche im wesentlichen einen geringeren Leistungsbedarf hat als der Leistungsbedarf zum Betreiben des Motors, wobei Impulse eines impulsbreitenmodulierten Signalstromes zur Basis des Leistungstransistors zugeführt werden und die Breite des Impulses proportional zur Größe des veränderbaren Widerstandes, der Induktivität oder Kapazität derAccording to the invention, a control circuit for the speed or Speed of an electric motor provided that essentially overcomes all of the aforementioned disadvantages of the known control circuits. In particular, the speed control circuit for the electric motor according to the invention between the motor and a power supply, which is sufficient to drive the motor, arranged. The speed control circuit has at least one power transistor, which via its emitter and Collector connected in series between the motor and the power supply to form a power circuit so that current between the power supply and the motor flows through the transistor only when a signal current to the base of the Transistor is executed. The speed control also has a speed control device which has a variable resistance, an inductance or inductance or provides capacitance in a control circuit and a control circuit which essentially have a lower power requirement has as the power requirement to operate the motor, with pulses of a pulse-width-modulated signal current fed to the base of the power transistor and the width of the pulse proportional to the size of the changeable Resistance, inductance or capacitance of the
Drehzahlsteuerung ist.Speed control is.
Die. Erfindung weist ferner ein Verfahren auf zur Steuerung der Drehzahl eines Elektromotors. Nach dem Verfahren werden der veränderbare Widerstand, die Induktivität oder Kapazität einer Drehzahlsteuerung verändert; ein impulsbreitenmodulierter Signalstrom wird zugeführt mit Impulsbreiten, die proportional zur Größe des veränderbaren Widerstandes, Induktivität oder Kapazität sind, wobei dieser Signalstrom der Basis mindestens eines Leistungstransistors zugeführt wird zur Aktivierung des Transistors, der durch seinen Emitter und Kollektor als ein elektrischer Schalter in Serie zwischen dem Motor und einem Netzteil geschaltet ist.The. The invention also has a method for controlling the speed of an electric motor. According to the procedure, the variable resistance that changes the inductance or capacitance of a speed controller; a pulse width modulated signal stream is supplied with pulse widths proportional to the size of the variable resistance, inductance or Are capacitance, this signal current is fed to the base of at least one power transistor to activate the Transistor, acting through its emitter and collector as an electrical switch in series between the motor and a Power supply is switched.
Die Erfindung weist ferner einen Motor veränderbarer Drehzahl auf, der mit der Steuereinrichtung für die Drehzahl des Elektromotors gemäß der Erfindung verbunden ist und von dieser gesteuert wird, und weist ein elektrisches Fahrzeug auf, welches durch einen Motor angetrieben ist, der durch die erfindungsgemäße Drehzahlsteuerung für den Elektromotor gesteuert ist.The invention further comprises a variable speed motor which is connected to the control device for the speed of the electric motor is connected according to the invention and is controlled by this, and comprises an electric vehicle, which is driven by a motor which is controlled by the inventive speed control for the electric motor.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:Further advantages, features and possible applications of the present invention emerge from the following description in conjunction with the drawings. Show it:
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Fig. 1/ 2 und 3 Diagramme des Verhältnisses zwischen den elektromotorischen Kräften einer elektrischen Spannung proportional zum Widerstand, der Kapazität ader Induktivität einer Drehzahlsteuerung, der elektrischen Spannung einer Vergleichssägezahnwelle, welche durch die Steuerschaltung erzeugt ist, und der elektrischen Span- ■ nung eines impulsmodulierten Ausgangssignals,Fig. 1/2 and 3 diagrams of the relationship between the electromotive Forces of an electrical voltage proportional to the resistance, the capacitance of the inductance a speed control, the electrical voltage of a comparative sawtooth shaft, which is generated by the Control circuit is generated, and the electrical voltage ■ of a pulse-modulated output signal,
Fig, 4 ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitssteuereinrichtung für einen Elektromotor,Figure 4 is a schematic diagram of a preferred embodiment the speed or speed control device according to the invention for an electric motor,
Fig, 5 das Schema eines Versuchslaufes über i/Λ Meile,Fig. 5 shows the scheme of a test run over i / Λ mile,
Fig. 6 eine Leistungskurve zur Darstellung der Leistung, die von einem Golfwagen benötigt wird, der mit einer Festkörpersteuerung gemäß der Erfindung gesteuert wird, sobald sich der Golfwagen um den Versuchsdurchlauf gemäß Fig. 5 bewegt, undFig. 6 is a power curve showing the power that is required by a golf cart that is controlled with a solid-state controller according to the invention, as soon as the golf cart moves around the test run according to FIG. 5, and
Fig. 7 eine Leistungskurve unter Darstellung desselben Golfwagens wie bei Fig. 6, wobei eine Widerstandssteuereinrichtung verwendet wird, wenn der Golfwagen den Prüflauf der Fig. 5 durchläuft?*. FIG. 7 is a performance graph showing the same golf cart as FIG. 6 using a resistance controller when the golf cart is run through the test run of FIG. 5 ? *.
Der von der Geschwind! gkeits*- bzw. Drehzahlsteuerungsschaltung gemäß der Erfindung gesteuerte Elektromotor kann ein beliebiger Elektromotor sein, ist gewöhnlich aber ein Gleichstrommotor, der häufig ein Hauptfeld hat.The one from the speed! keits * or speed control circuit electric motor controlled according to the invention can be any electric motor, but is usually a direct current motor, who often has a main field.
Das Netzteil ist ein beliebiges Gerät, welches für den Antrieb des Motors ausreicht, und für einen Gleichstrommotor ist ein Gleichstromnetzgerät vorgesehen, welches eine gleichmäßige oder veränderbare elektromotorische Kraft hat. Das Netzteil istrgewöhnlich eine Batterie zweckmäßiger Art mit einer oder mehreren Batteriegruppen in Serie oder parallel. Geeignete Batterien sind Wiederaufladebatterien, wie beispielsweise Bleisäurebatterien; Nickelcadmiumbatterien oder die neueren Lithiumchloridbatterien .The power supply is any device that is sufficient to drive the motor, and for a DC motor is a Direct current power supply provided, which has a uniform or variable electromotive force. The power adapter is common an expedient type of battery with one or more groups of batteries in series or in parallel. Suitable batteries are rechargeable batteries such as lead-acid batteries; Nickel cadmium batteries or the newer lithium chloride batteries .
Wie oben ausgeführt., weist die Drehzahlsteuerschaltung mindestens einen Leistungstransistor auf, der über seinen Emitter und Kollektor in Reihe zwischen den Motor und das Netzteil zur Bildung einer Leistungsschaltung derart geschaltet ist, daß der Strom durch den Transistor aus dem Netzteil zum Motor nur dann fließt, wenn ein Signalstrom der Basis des Transistors zugeführt wird.As stated above., The speed control circuit at least a power transistor that has its emitter and Collector is connected in series between the motor and the power supply to form a power circuit such that the Current flows through the transistor from the power supply to the motor only when a signal current is fed to the base of the transistor will.
Der Leistungstransistor ist ein einziger Transistor oder besteht aus gekoppelten Transistoren, die wie ein einziger Transistor arbeiten. Der Leistungstransistor ist erwünschtenfalls ein bistabiler Transistor, d. h. ein Transistor, dessen Basisstrom sowohl das Ein- als auch das Ausschalten steuert, aber unter gewissen Umständen kann er ein Thyristor oder im Falle eines Wechselstromes ein Triac sein. Beispiele von Leistungs-The power transistor is a single transistor or consists of coupled transistors that act like a single transistor work. The power transistor is if desired a bistable transistor, d. H. a transistor whose base current controls both switching on and off, but under certain circumstances it can be a thyristor or, in the case of an alternating current, a triac. Examples of performance
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transistoren sind die Power Darlington connected transistors. Beispiele geeigneter spezieller Transistoren sind die von Motorola MJ 11028 Darlington und von RCA die Reihen SK 3570 bis SK 3582.transistors are the Power Darlington connected transistors. Examples of suitable special transistors are those of Motorola MJ 11028 Darlington and from RCA the series SK 3570 to SK 3582.
Eine Vielzahl solcher Leistungstransistoren kann parallel benutzt werden, um die den Strom führende Leistungsfähigkeit der Schaltung zu erhöhen.A large number of such power transistors can be used in parallel in order to achieve the current carrying capacity to increase the circuit.
Die Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlsteuerung, die gewöhnlich von Hand betätigt wird, d. h. durch die Tätigkeit eines Menschen, wie z. B. mit einem Fußpedal oder eine Art Handgashebel, sorgt für einen veränderbaren Widerstand bzw. eine Resistanz, Induktivität bzw. Induktanz oder Kapazität bzw. Kapazitanz innerhalb der Steuerschaltung. Die Drehzahlsteuerung sorgt gewöhnlich für einen veränderbaren Widerstand innerhalb der Schaltung mittels eines Rheostaten.The speed control, which is usually operated by hand, i.e. H. through the activity of a person, such as B. with a foot pedal or a kind of hand throttle, provides a variable resistance or a resistance, Inductance or inductance or capacitance or capacitance within the control circuit. The speed control ensures usually for a variable resistance within the circuit by means of a rheostat.
Die dargestellte Steuerschaltung hat einen Kraft- bzw. Leistungsbedarf, der im wesentlichen niedriger als derjenige liegt, um den Motor zu betreiben. Die Steuerschaltung erfordert gewöhnlich weniger als 10 und vorzugsweise weniger als 5 % des Kraftbedarfs des Motors. Die Steuerschaltung liefert Impulse eines impulsbreitenmodulierten Signalstromes zur Basis des Leistungstransistors oder der Transistoren, wobei dieThe control circuit shown has a power or power requirement, which is substantially lower than that to operate the engine. The control circuit requires usually less than 10 and preferably less than 5% of the engine's power requirement. The control circuit supplies Pulses of a pulse-width-modulated signal current to the base of the power transistor or the transistors, the
Breite des Impulses proportional zur Größe des veränderbaren Widerstandes bzw. der Resistanz, der Induktivität bzw. der Induktanz oder der Kapazität bzw. der Kapazitanz der Drehzahlsteuerung ist.Width of the pulse proportional to the size of the variable resistance or the resistance, the inductance or the Inductance or the capacitance or the capacitance of the speed control is.
Die Impulsbreitenmodulation (PWM) ist auch bekannt als Impulsdauermodulation (PDM) oder Impulslängenmodulation (PLM). Im Allgemeinen ist die Impulsbreitenmodulation jene Modulation eines Signals bei einer im wesentlichen konstanten Frequenz, wo eine Zeitlänge oder Breite der Impulse eines Signales konstanter elektromotorischer Kraft im Verhältnis zu einem Eingangssignal variiert wird. Je länger die Breite der Modulation, um so mehr Strom wird mit dem Signal zugeführt, und je kürzer die Breite der Modulation ist, um so weniger Strom wird mit dem Signal zugeführt.Pulse width modulation (PWM) is also known as pulse width modulation (PDM) or Pulse Length Modulation (PLM). In general, pulse width modulation is that modulation of a signal at a substantially constant frequency where a time length or width of the pulses of a signal is more constant electromotive force is varied in proportion to an input signal. The longer the width of the modulation, around the more current is supplied with the signal, and the shorter the width of the modulation, the less current is carried with it fed to the signal.
Es sind zahlreiche Verfahren bekannt, um ein impulsbreitenmoduliertes Signal zu erzeugen, denn die Signale sind im elektronischen Fernmeldewesen und in geringerem Maße bei elektronischen Steuereinrichtungen bei anderen Anwendungen geprüft worden (siehe die Bezugsstellen auf den Seiten 14-51 des Handbuches für den Elektronikingenieur.,herausgegeben von Donald G. Fink, veröffentlicht durch McGraw-Hill, 19 75).Numerous methods are known for producing a pulse width modulated Generate signal, because the signals are in electronic telecommunications and to a lesser extent in electronic Control devices in other applications have been tested (see the references on pages 14-51 of the Handbook for the Electronics Engineer., Edited by Donald G. Fink, published by McGraw-Hill, 1975).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist dieIn a preferred embodiment of the invention, the
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Steuerschaltung eine Einrichtung auf zur Erzeugung einer elektrischen Spannungswellenform konstanter Frequenz, die so vorgespannt ist, daß die niedrigste Spannung der Welle größer als Null ist; eine Einrichtung zur Erzeugung einer Spannung proportional zu dem veränderbaren Widerstand (Resistanz), Induktivität (Induktanz) oder Kapazität (Kapazitanz) der Drehzahlsteuerung sowie eine Einrichtung zum Vergleichen der Spannung der Wellenform mit der erzeugten proportionalen Spannung und zum Ausgeben eines impulsbreitenmodulierten Signals zur Basis des Leistungstransistors, wenn die erzeugte Proportionalspannung größer ist als die Spannung der elektrischen Wellenform. Die elektrische Wellenform konstanter Frequenz ist in erwünschter Weise eine Sägeζahnwellenform, so daß die Längen der ausgegebenen Signalimpulse direkt proportional sind zur erzeugten Proportionalspannung, obwohl andere Wellenformen mit konstanter Frequenz benutzt werden können, so daß andere Proportionalverhältnisse erhalten werden können zwischen der erzeugten Proportionalspannung und den Längen der ausgegebenen Signalimpulse. Control circuit a device for generating an electrical Constant frequency voltage waveform that is so biased is that the lowest voltage on the shaft is greater than zero; means for generating a voltage proportional to the variable resistance (resistance), inductance (inductance) or capacitance (capacitance) of the speed control and means for comparing the voltage of the waveform with the generated proportional voltage and for outputting a pulse width modulated signal to the base of the power transistor when the generated proportional voltage is greater than the voltage of the electrical waveform. The constant frequency electrical waveform is more desirable Way a sawtooth waveform so that the lengths of the output Signal pulses are directly proportional to the generated proportional voltage, although other waveforms are more constant Frequency can be used so that other proportional relationships can be obtained between the proportional voltage generated and the lengths of the output signal pulses.
Der hier benutzte Begriff "proportional" bedeutet das gleiche oder ein konstantes Verhältnis oder ein Verhältnis, welches gemäß einer eingesetzten mathematischen Funktion variiert. Im allgemeinen ist das proportionale Verhältnis gemäß der bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung eine direkte Proportion und fakultativ eine Proportion, die exponentiell ., logarithmischThe term "proportional" as used herein means the same or a constant ratio or a ratio which varies according to an inserted mathematical function. In general, the proportional ratio is according to the preferred one Embodiment of the invention a direct proportion and optionally a proportion that is exponential., logarithmic
oder trigonometrisch variiert.or varied trigonometrically.
Figur 1 zeigt eine Grafik der Spannung gegen die Zeit für eine elektrische Spannungswelle mit Sägezahnform und konstanter Frequenz, (a), eine Spannung, die zu dem veränderbaren Widerstand proportional ist, wenn der Widerstand äußerst hoch ist, wodurch eine proportionale Spannung (b) erzeugt wird, die niedriger ist als die niedrigste Spannung der elektrischen Spannungswelle (a) konstanter Frequenz und der sich ergebenden, ausgegebenen impulsbreitenmodulierten Welle (c), die keine Impulse hat (Impulsbreite Null), da zu keiner Zeit die erzeugte Proportionalspannung größer ist als die Spannung der elektrischen Spannungswelle mit konstanter Frequenz.Figure 1 shows a graph of voltage versus time for a electric voltage wave with sawtooth shape and constant frequency, (a), a voltage that leads to the variable resistance is proportional when the resistance is extremely high, creating a proportional voltage (b) which is lower than the lowest voltage of the electric voltage wave (a) of constant frequency and the resulting, output pulse-width modulated wave (c), which has no pulses (pulse width zero), because at no time the generated one Proportional voltage is greater than the voltage of the electric voltage wave with constant frequency.
Figur 2 zeigt im wesentlichen dieselbe Kurve wie Figur 1, außer daß die Proportionalspannung (b) manchmal größer und manchmal kleiner ist als die Spannung der elektrischen Spannungswelle (a) konstanter Frequenz, die zu Impulsen (x) führt, welche zur Basis des Leistungstransistors in Originalform oder in verstärkter Form ausgegeben werden, wobei die Länge des Impulses (x) den Stromfluß zur Basis des Transistors darstellt. Die Breite des Impulses (x·) der Welle (c) wird bestimmt durch die Zeitlänge, um welche die Proportionalspannung größer ist als die Spannung der elektrischen Spannungswellenform mit konstanter Frequenz. Figur 3 wiederum zeigt im wesentlichen dasselbeFigure 2 shows essentially the same curve as Figure 1 except that the proportional voltage (b) is sometimes larger and sometimes smaller than the voltage of the electric voltage wave (a) constant frequency, which leads to pulses (x) which go to the base of the power transistor in its original form or in amplified form, where the length of the pulse (x) represents the current flow to the base of the transistor. The width of the pulse (x ·) of the wave (c) is determined by the length of time by which the proportional voltage is greater as the voltage of the constant frequency electric voltage waveform. FIG. 3 in turn shows essentially the same thing
Verhältnis mit der Ausnahme, daß die erzeugte Proportionalspannung (b) immer größer ist als die Spannung der elektrischen Spannungswellenform (a) konstanter Frequenz, wodurch die erzeugten Stromimpulse (x) der Welle (c) im wesentlichen in einen konstanten hohen Stromfluß zur Basis des Leistungstransistors hin eingemündet bzw. zusammengeflossen sind.Ratio with the exception that the generated proportional voltage (b) is always greater than the voltage of the electrical voltage waveform (a) constant frequency, thereby generating the Current pulses (x) of wave (c) essentially result in a constant high current flow to the base of the power transistor emptied out or converged.
Wie man aus diesen Figuren sieht, wird der Stromfluß zur Basis des Transistors proportional variiert in Abhängigkeit zu der Proportionalspannung, die in Abhängigkeit von dem Widerstand bzw. der Rektanz der Induktivität bzw. der Induktanz oder der Kapazität bzw. Kapazitanz der Drehzahlsteuerung erzeugt ist, wodurch auch der Stromfluß zur Basis des Leistungstransistors konstant im Verhältnis zu dem veränderbaren Widerstand, der Induktivität oder Kapazität verändert wird und als Ergebnis auch der Stromfluß aus dem Netzteil über den Leistungstransistor zum Motor hin konstant variiert wird im Verhältnis zum Widerstand, der Induktivität oder Kapazität der Drehzahlsteuerung.As you can see from these figures, the flow of electricity becomes the basis of the transistor varies proportionally depending on the proportional voltage that varies depending on the resistance or the rectance of the inductance or the inductance or the capacitance or capacitance of the speed control is generated, whereby the current flow to the base of the power transistor is constant in relation to the variable resistance, the Inductance or capacitance is changed and, as a result, the current flow from the power supply unit via the power transistor towards the motor is constantly varied in relation to the resistance, inductance or capacitance of the speed control.
Die ^Drehzahlsteuerung verändert deshalb den Stromfluß zum Motor über die Motorsteuerschaltung und hat im wesentlichen keine Wirkung auf die Spannung, die während der Stromimpulse auf den Motor gegeben wird.The ^ speed control therefore changes the current flow to the motor via the motor control circuit and has essentially no effect on the voltage generated during the current pulses is given to the engine.
Dies gewünschte Ergebnis steht im Gegensatz zu den Ergebnissen;.This desired result is in contrast to the results.
die man bei der Benutzung bekannter elektronischer Motorsteuerschaltungen erhielt.which one would encounter when using known electronic motor control circuits received.
In erwünschter Weise ist eine Einrichtung vorgesehen für das Anhalten von zur Verfügung stehender Signalströme zur Basis des Leistungstransistors dann, wenn der durch die Leistungsschaltung fließende Strom größer als ein maximal gewünschtes Niveau ist, und zum Zurückstellen bzw. wieder in die Ausgangslage Führen zur Verfugung stehender Signalströme, wenn der durch die Leistungsschaltung strömende Strom sich wieder unter dem maximalen, gewünschten Niveau befindet. Diese Einrichtung ist in erwünschter Weise vorhanden, um das überlasten der Leistungsschaltung zu verhindern. Irgendwelche bekannte Einrichtungen zum Erfassen der Stromüberlast und Drosseln eines Signals in Abhängigkeit einer solchen Peststellung kann verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird eine Gleichstrom-EMK ausgewählt, die über einen Operationsverstärker abnimmt, sobald Strom durch ein kalibriertes Teil des Kabels aus einem Gleichstromnetz ansteigt. Wenn die ausgewählte EMK auf ein hinreichend niedriges Niveau reduziert ist, schaltet ein anderer Operationsverstärker ein, der das Ausschalten eines dritten Operationsverstärkers erzwingt, der seinerseits die erzeugte Spannung festlegt bzw. festklemmt, welche proportional ist zu dem variablen Widerstand, der Induktivität oder Kapazität, und zwar auf einDesirably, a device is provided for stopping available signal currents to the base of the power transistor when the current flowing through the power circuit is greater than a maximum desired Level is, and to reset or return to the starting position lead available signal currents, if the Current flowing through the power circuit is again below the maximum desired level. This facility is desirably present to prevent overloading of the power circuit. Any known facilities for detecting the current overload and throttling a signal depending on such a position can be used will. In a preferred embodiment of the invention a DC EMF is selected that has a Operational amplifier decreases as soon as current increases through a calibrated part of the cable from a direct current network. When the selected emf is reduced to a sufficiently low level, another operational amplifier switches on, which forces the switching off of a third operational amplifier, which in turn determines or responds to the generated voltage. clamps, which is proportional to the variable resistance, inductance or capacitance, on a
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Niveau unter die unterste Spannung der Sägezahn- oder Dreieckwellenform. Das führt dazu, daß keine Impulse zur Basis des Leistungstransistors geschickt werden, wodurch der Stromfluß durch den Motor in wirksamer Weise angehalten wird.Level below the lowest voltage of the sawtooth or triangle waveform. As a result, no pulses are sent to the base of the power transistor, which causes the current to flow is effectively stopped by the motor.
In erwünschter Weise ist auch eine Einrichtung vorgesehen für das Anhalten von zur Verfügung stehender Signalströme zur Basis des Leistungstransistors, wenn die Batteriespannung unter die gewünschte Minimalspannung für den Motorantrieb abfällt, und eine Einrichtung zum Zurücksetzen oder wieder in den Anfangszustand Sringen von zur Verfügung stehenden Signalströmen, wenn sich die Batteriespannung wieder oberhalb.der minimalen erwünschten Spannung für den Motorantrieb befindet. Wieder können beliebige, dem Fachmann bekannte Einrichtungen benutzt werden, um den Spannungsabfall zu erfassen und ein Signal zur Basis des Transistors als Ergebnis einer solchen Erfassung oder Feststellung anzuhalten. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung 'läßt man einen Operationsverstärker sich einschalten, falls die Spannung unter ein bestimmtes Niveau abfällt. Wenn der Operationsverstärker eingeschaltet ist, wird die erzeugte Proportionalspannung wieder unter das unterste Spannungsniveau der Dreieckwellenform festgelegt, wobei wiederum der Ausgang zur Basis des Leistungstransistors auf Null gebracht oder mindestens auf einen zu niedrigen Wert gebracht wird, um den Transistor zu aktivieren.Desirably, a device is also provided for stopping available signal currents to the base of the power transistor when the battery voltage drops below the desired minimum voltage for the motor drive, and a device for resetting or jumping back to the initial state of available signal streams, when the battery voltage is above the minimum again desired voltage for the motor drive is. Again, any means known to those skilled in the art can be used to detect the voltage drop and send a signal to the base of the transistor as a result of such detection or determination to stop. In the preferred embodiment of the invention, an operational amplifier is left behind switch on if the voltage drops below a certain level. When the op amp is on, the generated proportional voltage is again below the lowest Voltage level of the triangle waveform set, again being the output to the base of the power transistor brought to zero or at least brought to a value that is too low to activate the transistor.
Gleiche oder ähnliche Schaltungen können auch als Fehlermechanismen verwendet werden, um den Leistungstransistör abzuschalten, wenn die Bedingungen des offenen Schaltkreises oder des Kurzschlusses festgestellt werden.The same or similar circuits can also be used as error mechanisms can be used to switch off the power transistor, when the open circuit or short circuit conditions are detected.
Die Frequenz der Sägezahn- oder Dreieckwellenform und die Frequenz des impulsbreitenmodulierten Signals werden in erwünschter Weise so ausgewählt, daß sie mit den Motorbetriebseigenschaften kompatibel bzw. verträglich sind.The frequency of the sawtooth or triangle waveform and the frequency of the pulse width modulated signal are desirably selected to be compatible with engine operating characteristics are compatible or compatible.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Steuerung der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl eines Elektromotors umfaßt das Verändern des Widerstandes bzw. der Resistanz, der Induktivität oder Induktanz oder Kapazität bzw. Kapazitanz einer Drehzahlsteuerung, vorzugsweise von Hand, sowie das Zuführen eines impulsbreitenmodulierten Signalstromes mit Impulsbreiten, die proportional zur Größe des veränderbaren Widerstandes, der Kapazität oder Induktivität zur Basis mindestens eines Leistungstransistors sind, um den Transistor zu aktivieren bzw. durchzuschalten, der durch seinen Emitter und Kollektor als elektrischer Schalter in Serie zwischen dem Motor und dem Netzteil angeschlossen ist.The method according to the invention for controlling the speed or speed of an electric motor includes changing the resistance or the resistance, the inductance or Inductance or capacitance or capacitance of a speed control, preferably by hand, as well as the supply of a pulse width modulated Signal current with pulse widths that are proportional to the size of the variable resistance, the capacitance or inductance to the base of at least one power transistor in order to activate or switch the transistor through, which by its emitter and collector as an electrical switch in series between the motor and the power supply connected.
Die Steuereinrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung sind wirksamer und besser zur Steuerung der Drehzahl einesThe control device and method according to the invention are more effective and better for controlling the speed of a
ο ι L ο ο υ οο ι L ο ο υ ο
Gleichstrommotors und sind beim Steuern der Drehzahl eines Wechselstrommotors sogar noch wirksamer, wenn ein Triac als Leistungstransistor verwendet wird. Der Schaltkreis hat nicht den Leistungsverlust, der zu einer Steuerschaltung gehört, die Widerstände zerhackt oder Stoßimpulse verwendet, welche nicht impulsbreitenmoduliert sind. Im Gegensatz zu den mit bekannten Steuereinrichtungen erhaltenen Ergebnissen schafft die Steuereinrichtung gemäß der Erfindung eine variable Stromzufuhr in Abhängigkeit vom Strombedarf des Motors in Abhängigkeit sowohl von den Motoreigenschaften als auch dem veränderlichen Widerstand, der Induktivität oder der Kapazität der Drehzahlsteuerung. Ferner können die Impulsbreiten des Signals zur Basis des Leistungstransistors oder den Transistoren direkt proportional gemacht werden zur Veränderung des Widerstandes, der Induktivität oder Kapazität der Drehzahlsteuerung. Das Ergebnis ist ein gleichmäßig arbeitender Motor, der weniger Strom braucht als bei der Verwendung bekannter Steuereinrichtungsschaltungen möglich war, und mit weniger "Rucken" der Motoren in Abhängigkeit von Stromstößen, die von bekannten SteuerSchaltungen geschaffen werden, wobei das "Rucken" für einen gleichmäßigen Betrieb, eine gute Motorleistung und guten Motorabrieb unerwünscht ist.DC motor and are in controlling the speed of a AC motor is even more efficient when a triac is used as a power transistor. The circuit has not the power dissipation associated with a control circuit that chops resistors or uses shock pulses which are not pulse width modulated. In contrast to the results obtained with known control devices the control device according to the invention, a variable power supply depending on the power requirement of the motor both on the motor characteristics and the variable resistance, inductance or capacitance of the Speed control. Furthermore, the pulse widths of the signal can be direct to the base of the power transistor or the transistors can be made proportional to the change in resistance, inductance or capacitance of the speed control. The result is a smoothly operating motor that uses less power than using known controller circuits was possible and with less "jerking" of the motors in response to power surges known from Control circuits are created, the "jerking" for smooth operation, good engine performance, and good engine wear are undesirable.
Ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Steuerschaltung gemäß der Erfindung ist in Figur 4 gezeigt. Die DarstellungA schematic diagram of a preferred control circuit according to the invention is shown in FIG. The representation
der Figur 4 ist durch gestrichelte Kästen in verschiedene Schaltungskomponenten aufgeteilt worden, damit man sie leichter erklären kann. Der gestrichelte Kasten A ist die Leistungsschaltung, in welcher elektrischer Strom aus der Batterie 10 durch Leistungstransistoren 12 zum Motor 14 über den Wendeschalter 16 fließt. Eine Umpolungsdiode 18 (free wheeling diode) ist vorgesehen, die einen Strompfad für elektrische Ströme vorsieht, welche durch die Motordrehung hervorgerufen sind, die durch Fahren bzw. Schieben des Motors und der mit dem Motor verbundenen Vorrichtung hervorgerufen wird.of FIG. 4 has been divided into various circuit components by dashed boxes to make them easier to find can explain. The dashed box A is the power circuit, in which electric power from the battery 10 through power transistors 12 to motor 14 via the reversing switch 16 flows. A polarity reversal diode 18 (free wheeling diode) is provided, which provides a current path for electrical Provides currents, which are caused by the motor rotation, by driving or pushing the motor and the with the device connected to the engine is caused.
Die Leχstungstransistoren 12 wirken als elektronische Schalter, die durch ein zu den Transistorbasen 12 A vorgesehenes Signal eingeschaltet werden. Ein Signal ist eine Wellenform, die impulsbreitenmoduliert ist, proportional zu einem veränderbaren Widerstand, der von Hand geändert wird, wie in Form eines Rheostaten, der in dem gestrichelten Kasten B in Figur 4 dargestellt ist. Der Rheostat wird im Falle eines Elektrowagens gewöhnlich mittels eines Fußpedales geändert.The power transistors 12 act as electronic switches, which are switched on by a signal provided to the transistor bases 12 A. A signal is a waveform that is pulse width modulated is proportional to a variable resistance that is changed by hand, such as in the form of a Rheostat, shown in the dashed box B in Figure 4 is. The rheostat is usually changed by means of a foot pedal in the case of an electric car.
Um das impulsbreitenmodulierte Signal zu erzeugen, wird eine Sägezahnwellenform mittels der durch den gestrichelten Kasten C dargestellten Schaltung erzeugt. Die dreieckförmigen Schaltungskomponenten 1-8 gemäß Fig. 4 sind Operationsverstärker, welche diskrete bzw. getrennte Bestandteile sein können.To generate the pulse width modulated signal, a sawtooth waveform is used by means of the dashed box C generated circuit shown. The triangular circuit components 1-8 according to FIG. 4 are operational amplifiers which can be discrete or separate components.
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Es können aber auch ein oder mehrere Verstärker in einem einzigen elektronischen Paket kombiniert sein. Die bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform benutzten Betriebsverstärker sind National quad Betriebsverstärker LM.324N, wobei jedes in Figur 4 gezeigte Dreieck ein Viertel des quad-Operationsverstärkerpaketes darstellt.However, one or more amplifiers can also be combined in a single electronic package. The in Fig. 4 shown embodiment used operational amplifiers are National quad operational amplifiers LM.324N, each triangle shown in Figure 4 being a quarter of the quad operational amplifier package represents.
Die Frequenz der Dreieck- oder Sägezahnwellenform, welche durch eine Schaltung erzeugt ist, die in dem gestrichelten Kasten C eingeschlossen ist, kann durch Verändern der Werte des Widerstandes R1 und/oder der Kapazität C1 verändert werden. Die Dreieckwellenform ist gegen Erde vorzugsweise um etwa 5,5 Volt verschoben mit einer Schwingung von 13 Volt Spitze zu Spitze.The frequency of the triangle or sawtooth waveform generated by circuitry shown in dashed box C. is included, can be changed by changing the values of the resistor R1 and / or the capacitance C1. the Triangle waveform is preferably about 5.5 volts offset from ground with a 13 volt peak to peak swing.
Die durch den gestrichelten Kasten D dargestellte Schaltung erzeugt eine EMK, die direkt proportional zum Wert bzw. der Größe des Rheostaten 20 ist . Das Signal aus der Schaltung B wird zu der in dem gestrichelten Kasten E dargestellten Schaltung vorgesehen, welche das Signal aus der Schaltung D mit der Dreieckwellenform aus der Schaltung C vergleicht. Wenn die Spannung des Signals aus der Schaltung D größer ist als die Spannung der Dreieckwellenform aus der Schaltung C, wird ein Stromimpuls aus der Schaltung E in die Schaltung F geführt, welche den Impuls verstärkt und den verstärkten Impuls zu den Basen der Leistungstransistoren 12 führt, wodurch dieThe circuit shown by the dashed box D generates an EMF that is directly proportional to the value or the Size of the rheostat 20 is. The signal from circuit B becomes the circuit shown in the dashed box E which compares the signal from circuit D with the triangular waveform from circuit C. if the voltage of the signal from circuit D is greater than the voltage of the triangular waveform from circuit C a current pulse from circuit E into circuit F, which amplifies the pulse and the amplified pulse leads to the bases of the power transistors 12, whereby the
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Leistungstransistoren eingeschaltet werden und den Stromfluß aus der Batterie 10 zum Motor 14 erlauben. Wie oben in Eezug auf die Figuren 1-3 ausgeführt war, hängt die Länge des Stromimpulses zu den Basen der Transistoren 12 aus den Schaltungen E und F von der Spannung eines Signals aus der Schaltung D in Abhängigkeit von dem veränderbaren Widerstand der Schaltung B ab.Power transistors are turned on and allow the flow of current from the battery 10 to the motor 14. As in relation to above Was executed on Figures 1-3, the length of the current pulse to the bases of the transistors 12 depends on the circuits E and F from the voltage of a signal from the circuit D as a function of the variable resistance of the Circuit B.
Bei der in Figur 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind auch Sicherheitsschaltungen vorgesehen. Die durch die gestrichelten Kästen G und H dargestellten Schaltungen setzen das Signal zu den Basen 12 A der Leistungstransistoren 12 still, wenn der Strom durch die Leistungsschaltung A zu hoch wird. Ebenso lagt die Schaltung I das Signal zu den Basen 12A der Leistungstransistoren 12 still, wenn ein Dunkelzustand (brownout condition) oder Zustand niedriger Spannung vorliegt.In the preferred embodiment shown in FIG safety circuits are also provided. The ones indicated by the dashed Boxes G and H circuits shown shut down the signal to the bases 12 A of the power transistors 12, when the current through the power circuit A becomes too high. Likewise, the circuit I pauses the signal to the bases 12A of the power transistors 12 when a dark state (brownout condition) or low voltage condition.
Es versteht sich, daß das Schemadiagramm der Figur 4 nur eine von vielen möglichen Schaltungsanordnungen gemäß der Erfindung darstellt und sogar im Schemadiagramm der Figur 4 Schaltungskomponenten, wie z. B. Widerstände, verändert werden können, um die Schaltung für Eigenschaften etwas unterschiedlicher Motoren, Batterien, Widerstände, Kondensatoren, Drehzahlsteuerungen, Regulatoren, Transistoren, Dioden und Operationsverstärker auszugleichen. Andere aber ähnliche Komponenten könnenIt is understood that the schematic diagram of Figure 4 is only one of many possible circuit arrangements according to the invention and even in the schematic diagram of FIG. B. resistors, can be changed, to set up the circuit for properties of slightly different motors, batteries, resistors, capacitors, speed controls, Balance regulators, transistors, diodes and operational amplifiers. Other but similar components can
O I Z.0 OÜOO I Z.0 OÜO
deshalb in der Schaltung mit entsprechend geeigneten Änderungen bei anderen Bestandteilen ersetzt werden.therefore be replaced in the circuit with appropriate changes to other components.
Erwünschtenfalls kann ferner eine kapazitive oder induktive Reaktanz parallel zu dem impulsbreitenmodulierten Signal in einer beliebigen Steuerschaltung der Erfindung hinzugefügt werden, um einen gleichmäßigeren Übergang in der Signal-EMK und/oder dem Strom zur Basis des Leistungstransistors zu erzeugen, oder, falls die Kapazitanz oder Induktanz groß genug ist, kann sogar die Reaktanz parallel zur Leistungsschaltung hingefügt werden. Die Motorwicklungen selbst fügen eine vernünftig große Induktanz zur Leistungsschaltung hinzu, um Signaländerungen zu glätten oder gleichmäßiger zu machen.If desired, a capacitive or inductive Reactance added in parallel to the pulse width modulated signal in any control circuit of the invention to get a smoother transition in the signal emf and / or to generate the current to the base of the power transistor, or if the capacitance or inductance is large enough even the reactance can be added in parallel with the power circuit. The motor windings themselves add a reasonable amount add large inductance to the power circuit to smooth or make signal changes more uniform.
Eine Steuerschaltung, wie sie im wesentlichen in Figur 4 gezeigt war, wurde in einen Golfwagen von Melex mit einem Bruttogewicht von 1,615 Pfund (einschließlich des Wagengewichts) eingebaut. Der Golfwagen mit der Drehzahlsteuerschaltung für den Elektromotor gemäß der Erfindung fuhr über 30 Meilen mit wiederholten Totalstillständen und nachfolgender normaler Beschleunigung, und am Ende der 30 Meilen waren die Batterien noch ausreichend geladen, um den Golfwagen zu fahren.A control circuit as shown essentially in FIG was placed in a Melex golf cart weighing 1,615 pounds gross (including cart weight) built-in. The golf cart with the speed control circuit for the electric motor according to the invention traveled over 30 miles repeated total stops followed by normal acceleration, and at the end of the 30 miles the batteries were gone still charged enough to drive the golf cart.
Bei einem Test für normalen Betrieb war ein Golfwagen Melex mit einem Bruttogewicht von 1,496 Pfund unter Steuerung mitIn a test for normal operation a golf cart Melex with a gross weight of 1,496 pounds was under control with
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einer Drehzahlsteuerschaltung für einen Elektromotor gemäß der Erfindung in der Lage, über sechsunddreißig Löcher auf einen hügeligen Golfplatz mit weniger als 50 % Batterieentladung zu fahren.a speed control circuit for an electric motor according to the invention capable of over thirty-six holes Driving a hilly golf course with less than 50% battery discharge.
Bei einem Vergleichstest wurde ein Melex-Golfwagen mit einem Bruttogewicht von 1,615 Pfund mit einem bekannten Widerstandsmotorsteuerungsgerät und der Drehzahlsteuerschaltung für den Motor gemäß der Erfindung bei einem Einviertel-Meilen-Test-Lauf geprüft, dessen Form in Figur 5 gezeigt ist. Der relative Leistungsbedarf und Leistungsverbrauch zwischen dem Golfwagen mit der Steuereinrichtung gemäß der Erfindung und..dem-GoIfwagen mit dem Widerstandssteuergerät finden sich in den Figuren 6 und 7. Der Vergleich dieser Figuren zeigt klar, daß an verschiedenen Stillständen an den Positionen 1,2, 3 und 4 der Stromverbrauch unter Verwendung der Drehzahlsteuereinrichtung für den Elektromotor gemäß der Erfindung übereinstimmend geringer ist und ferner die Höchstgeschwindigkeit höher als bei jenen Golfwagen ist, in welchen das bekannte Widerstandssteuergerät verwendet wird.In a comparison test, a Melex golf cart with a Gross weight of 1,615 pounds with a known resistance motor control device and the speed control circuit for the engine of the invention on a quarter mile test run checked, the shape of which is shown in FIG. The relative power requirement and power consumption between the golf cart using the control device according to the invention and .. the GoIfwagen with the resistance control device can be found in Figures 6 and 7. The comparison of these figures clearly shows that at different Standstills at positions 1, 2, 3 and 4, the power consumption using the speed control device for the electric motor according to the invention is consistently lower and furthermore the maximum speed is higher than at is those golf carts in which the known resistance control device is used.
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