DE3133036C2

DE3133036C2 - Motordrehzahl-Steuerschaltung

Info

Publication number: DE3133036C2
Application number: DE3133036A
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Auburn Heights Mich. Iwasaki
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1980-08-29
Filing date: 1981-08-21
Publication date: 1985-09-12
Also published as: DE3133036A1; US4356438A; JPS5771291A

Abstract

Es wird ein Motordrehzahl-Steuersystem angegeben, bei dem ein Impulsleistungs-Steuerelement mit einem Kern aus einem amorphen weichmagnetischen Material verwendet wird, an dem eine erste und eine zweite Wicklung angeordnet sind. An ein Ende der ersten Wicklung wird eine erste Impulsfolge angelegt, während an ein Ende der zweiten Wicklung eine Konstantspannung oder eine zweite Impulsfolge angelegt wird. Von dem anderen Ende der ersten Wicklung werden hinsichtlich des Tastverhältnisses gesteuerte Impulse zur Speisung eines Elektromotors abgegeben. Das andere Ende der zweiten Wicklung ist an einen Strompegelsteuerungs-Transistor angeschlossen, dessen Basis an eine Drehzahleinstelleinrichtung angeschlossen ist. Ein an dem anderen Ende der ersten Wicklung auftretender Ausgangsimpuls hat eine Anstiegsflanke, die gegenüber der Anstiegsflanke eines Impulses der ersten Impulsfolge um eine Verzögerungszeit nacheilt, die von dem Transistor-Leitwert abhängt, welcher durch einen Einstellwert der Drehzahleinstelleinrichtung bestimmt ist; die abfallende Flanke des Ausgangsimpulses ist im wesentlichen mit der abfallenden Flanke des Impulses der ersten Impulsfolge synchron.

Description

Die Erfindung betrifft eine Motordrehzahl-Steuerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus »AEG-Mitteilungen 43 (1953) 3/4«, Seiten 87 bis 89, ist ein<i derartige Motordrehzahl-Steuerschaltung bekannt, bei der die Drehzahl eines Gleichstrommotors durch Regelung des über die Motor-Ankerwicklung fließenden Stroms auf einem vorbestimmten Sollwert gehalten wird. Die Ankerwicklungsstromregelung erfolgt dabei mit Hilfe eines Magnetverstärkers, dessen Sättigungsdrosseln über eine Glättungsdrossel in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet sind, während die aus einer einzigen Spule bestehende Steuerdrossel in einem separaten Schaltkreis angeordnet ist, der aus einer Tachometerwicklung zur Ermittlung der Istdrehzahl, einem veränderbaren Potentiometer zur Vorgabe der Solldrehzahl und der zwischen diese beiden Bauteile geschalteten Steuerdrossel besteht Die Sättigungsdrosseln und der separate Schaltkreis werden hierbei von einer gemeinsamen Wechselspannungsquelle gespeist, die eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt Wie aus Bild 3 ersichtlich, arbeitet das bekannte Regelsystem dabei auf der Basis einer Phasenanschnittsteuerung, wobei die Größe des unterdrückten Phasenteils sowohl von der Motor-Istdrehzahl als auch von der Solldrehzahl abhängt. Allerdings verändert sich aufgrund des sinusförmigen Spannungsverlaufs die dem Motor zugeführte Leistung bei Veränderung des Phasenanschnitipunktes nichtlinear, so daß zur Linearisierung der Kennlinie zusätzliche aufwendige Maßnahmen ergriffen werden müssen. Darüber hinaus sind eine Vielzahl von Verbindungsleitungen und elektrischen Bauteilen, nämlich u.a. acht Dioden, eine zwischen Magnetverstärker und Ankerwicklung geschaltete Glättungsdrossel usw. erforderlich.

In ähnlicher Weise befaßt sich auch »BBC Nachrichten«, Janijuni 56, Seiten 3 bis 18, unter anderem mit der Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors mit Hilfe eines zweistufigen Rücklauf-Magnetverstärkers, wobei die Motor-Istdrehzahl über einen Tachogenerator gemessen wird, dessen Ausgangsspannung mit einer den Sollwert darstellenden Gleichspannung verglichen wird. Die Differenz wird dem Magnetverstärker als Eingangssignal zugeführt. Weiterhin können die die einzelnen Wicklungen tragenden Kerne aus weichmagnetischem Material gefertigt werden, das als dünnes Band aufgewickelt und anschließend einem Glühprozeß unterworfen wird, bei dem sich die Achsen aller Metallkristallite in Richtung des Ringumfanges ausrichten. Auch hier ist der benötigte schaltungstechnische Aufwand relativ groß.

Darüber hinaus ist aus der DE-OS 21 24 836 eine Drehzahlregelschaltung zum Regeln der Drehzahl eines Ventilators bekannt, bei der die Erregung des Ventilatormotors durch einen mit diesem in Reihe geschalteten Triac gesteuert wird. Zur Temperaturkonstanthaltung wird dabei der Temperatur-Istwert mittels eines temperaturabhängigen Widerstands ermittelt, während der Temperatur-Sollwert über einen einstellbaren Widerstand vorgegeben wird. Die Differenz zwischen diesen beiden Werten wird über einen Differenzverstärker und weitere elektrische Zwischenglieder einem Eingang eines Vergleichers zugeführt, an dessen anderem Eingang die am Triac auftretende Spannung anliegt. Der Vergleicher vergleicht die beiden anliegenden Spannungen und gibt entsprechend üem Vergleicherergebnis Zündimpulse an den Triac ab, woraufhin dieser bis zum nächsten Spannungsnulldurchgang in den leitenden Zustand gebracht wird. Die Verwendung eines Magnetverstärkers ist nicht vorgesehen.

Ebenso erfolgt auch beim Gegenstand des DE-GMs 17 04 096 die dort vorgesehene Motordrehzahlregelung lediglich über einen mit dem Motor in Reihe geschalteten temperaturabhängigen Widerstand, der entsprechend der gewünschten Motorleistung gekühlt wird. Eine derartige Drehzahlregelung ist allerdings unpräzise und störanfällig, so daß der Einsatzbereich der bekannten Vorrichtung beschränkt ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Motordrehzahl-Steuersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit einfachen Mitteln derart auszugestalten, daß der benötigte schaltungstechnische Aufwand möglichst gering ist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Steuersystems ist, wie aus F i g. 1 ersichtlich, der erforderliche schaltungstechnische Aufwand drastisch verringert, ohne daß die Leistungsfähigkeit des Steuersystems beeinträchtigt ist Darüber hinaus ist auch d\ß Fehleranfälligkeit des erfindungsgemäßen Steuersystems wegen der verringerten Anzahl erforderlicher Bauteile erheblich vermindert, während die Steuerwirkving der Steuerwicklungen aufgrund ihrer gezielten Verschaltung, d h. der gev/ährleisteten Sicherstellung einer bezüglich der zugeordneten Sättigungswicklung stets um 180° verschobenen Rechteckspannungsspeisung, sowie der Verwendung von amorphem weichmagnetischem Kernmaterial, erheblich verbessert ist

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Motordrehzahl-Steuerschaltung,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils des in F i g. 1 gezeigten Magnetverstärkers,

F i g. 3 Kurvenformen von Signalen a bis c, die an verschiedenen Stellen in der Schaltung nach F i g. 1 auftreten,

F i g. 4 eine Blockdarstellung eines in einem Fahrzeug angebrachten Gebläsekühlsystems, in dem die in F i g. 1 gezeigte Motordrehzahl-Steuerschaltung eingebaut ist

F i g. 5 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, bei der zur Bestimmung der Magnetverstärkereigenschaften der Motordrehzahl-Steuerschaltung narh F i g. 1 der Motor durch einen 10-Ohm-Widerstand ersetzt ist

F i g. 6 graphisch mit der Schaltungsanordnung nach F i g. 5 erzielte Versuchsdaten,

F i g. 7 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Motordrehzahl-Steuerschaltung, die einer Scheibsnwischanlage eines Fahrzeugs zugeordnet ist und

F i g. 8 ein Schaltbild einer Abwandlung des in F i g. 2 gezeigten Magnetverstärkers.

In der Zeichnung sind durchgehend bei allen Darstellungen identische oder einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet In F i g. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Motordrehzahl-Steuerschaltung mit einem Impulsgenerator PGE aus einem Multivibrator MB, der mit einer Frequenz von 5 kHz schwingt und einem Impulstransformator PT gezeigt An den Ausgangsanschlüssen des Impulsgenerators PGE, nämlich den beiden Enden der Sekundärwicklung des Impulstransformators PT werden zwei Folgen bipolarer Impulse a und b erzeugt die zwischen positiven und negativen Polaritäten wechseln (siehe Fig.3). Diese Impulse a und b werden an ein Impulsleistungs-Steuersystem PDC angelegt das zwei einen Magnetverstärker bildenden Impulsleistungs- bzw. Tastverhältnis-3teuerelement 1 und 2, Dioden 4, 5, 7 und 8 und einen NPN-Transistor 6 aufweist der einen Strompegel steuert Das eine Impulsleistungs-Steuerelement 1 ist in vergrößerter perspektivischer Ansicht in Fig.2 gezeigt Das Steuerelement hat einen Ringkern la, der durch eine Spiralwicklung eines dünnen Blatts aus einem amorphen weichmagnetischen Material gebildet ist und eine erste sowie eine zweite elektrische Wicklung ti» bzw. Ic, die an dem Ringkern la angebracht sind.

Die erste elektrische Wicklung \b des Steuerelements 1 ist an einem Ende an denjenigen Ausgangsanschluß des Impulsgenerators PGE angeschlossen, an dem die erste Impulsfolge a erzeugt wird, und an dem anderen Ende über die Diode 4 mit einem Ausgangsanschluß 3 verbunden, an dem hinsichtlich der Leistung bzw. des Tastverhältnisses gesteuerte Impulse erzeugt werden. Die zweite elektrische Wicklung Ic ist an einem Ende an denjenigen Ausgangsanschluß des Impulsgenerators PGE angeschlossen, an dem die zweite Impulsfolge b erzeugt wird, und über ihr anderes Ende über die Diode 8 mit dem Kollektor des Transistors 6 verbunden. Wenn folglich bei dieser Schaltung an das eine Ende der ersten Wicklung 1 b eine positive Spannung der Impulse a angelegt wird, liegt an dem einen Ende der zweiten Wicklung Ic eine negative Spannung der Impulse b an. Da jedoch hierbei die Diode 8 in Sperrichtung vorgespannt ist, fließt kein Strom über die zweite Wicklung Ic. Sobald jedoch eine negative Spannung der Impulse a an das eine Ende der ersten Wicklung Ib angelegt wird, wird die Diode 4 gesperrt so daß ein Stromfluß über die erste Wicklung \b verhindert ist. Wenn andererseits eine positive Spannung der Impulse b an das eine Ende der zweiten Wicklung Ic angelegt wird und der Transistor 6 leitend ist fließt Strom über die zweite Wicklung Ic. Somit fließt zusammenfassend Strom abwechselnd synchron mit den Impulsen a und 0 über die erste bzw. die zweite elektrische Wicklung. Da die erste und die zweite elektrische Wicklung in einander entgegengesetzten Richtungen erregt werden, wird ein magnetischer Fluß (bzw. eine Magnetisierung), der durch die Erregung der ersten Wicklung hervorgerufen wird, bei der Erregung der zweiten Wicklung verringert oder aufgehoben bzw. umgekehrt. In Abhängigkeit von dem Leitwert des Transistors 6 ändert sich der Pegel des über die zweite Wicklung Ic fließenden Stroms und damit die Verringerung des magnetischen Flusses. Das Zeitintervall von dem Anstieg eines Eingangsimpulses a bis zu dem Anstieg eines Ausgangsimpulses c bzw. die Verzögerungszeit oc—β (siehe F i g. 3) des Anstiegs des Impulses c in Bezug auf den Impuls a hängt von der Flußverminderung ab. Die Verzögerungszeit tx—β ist bei hoher Leitfähigkeit des Transistors 6 länger und bei niedriger Leitfähigkeit kürzer. Damit hängt das Impulstastverhältnis ßla von der Leitfähigkeit das Transistors 6 ab. Die Ausgangsimpulse des Impulsleistungs-Steuerelements 1 entsprechen den in F i g. 3 strichliert dargestellten Impulsen c.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine zweite Impulsleistungs-Steuereinrichtung durch das zweite Impulsleistungs-Steuerelement die Dioden 5 und 7 und den gemeinsamen Transistor 6 gebildet Bei dieser Steuereinrichtung werden die Impulse b an die erste Wicklung des Steuerelements 2 angelegt, während die Impulse a an die zweite Wicklung angelegt werden. Demzufolge erscheinen an der Kathode der Diode 5 diejenigen in F i g. 3 gezeigten Impulse c, die nicht strichlier» dargestellt sind. Damit erzeugen das erste und das zweite Impulsleistungs-Steuerelement 1 und 2 am Ausgangsanschluß 3 auftretende Impulse, die die gleiche Periode wie die Eingangsimpulse a haben, hinsichtlich ihres Tastverhältnisses aber gesteuert und gegeneinander um 180° phasenverschoben sind. Damit werden an dem Ausgangsanschluß 3 die in der F i g. 3 gezeigten Impulse c, die die doppelte Frequenz der Eingangsimpulse a (5 kHz) haben, mit einem Impulstastverhältnis ßla erzielt,

das von dem Leitwert des Transistors 6 abhängt.

Nach F i g. 1 werden die Ausgangsimpulse c am Ausgangsanschluß 3 des Impulsleistungs-Steuersystems PDC an eine Feldwicklung eines Gleichstrom-Motors 10 angelegt. An der Basis des Transistors 6 liegt als Steuersignal eine Drehzahl-Spannung einer Drehzahl-Einstellschaltung 20 an. Die Einstellschaltung 20 weist einen Widerstand 21 und einen Thermistor 22 mit negativer Temperaturcharakteristik auf. Ist die Temperatur des Thermistors 22 hoch, so ist die Basisspannung bzw. Drehzahl-Spannung an dem Transistor 6 niedrig und damit der Leitwert des Transistors 6 gering. Dadurch wird die Flußverminderung an den Steuerelementen 1 und 2 verkleinert, so daß das Impulsleistungs-Steuersystem PDC Impulse C mit großem Taktverhältnis ßla an die Feldwicklung des Motors 10 abgibt Wenn die Temperatur des Thermistors 22 gering ist, ist die Drehzahl-Spannung angehoben, so daß das Steuersystem PDC an die Feldwicklung des Motors 10 Impulse c mit einem kleineren Tastverhältis β/Λ abgibt Demzufolge läuft bei einer höheren bzw. einer niedrigeren Temperatur des Thermistors 22 der Motor 10 mit einer höheren bzw. einer niedrigeren Drehzahl.

Die in F i g. 1 gezeigte Motordrehzahl-Steuerschaltung wird gemäß der Darstellung in F i g. 4 an die Feldwicklung eines Kühlgebläsemotors 10 an einem Kühler 30 eines Fahrzeugs angeschlossen. Der Thermistor 22 der Drehzahl-Einstellschaltung 20 ist in das Kühlwasser im Kühler 30 eingetaucht um dessen Temperatur zu ermitteln.

Unter Einsatz einer in F i g. 5 gezeigten Versuchsschaltung, bei der der Motor 10 nach F i g. i durch einen Widerstand mit einem Widerstandswert von 10 Ohm und der Thermistor 22 durch einen veränderbaren Widerstand 9 ersetzt sind, wurde das Tastverhältnis ßl« von an den 10 Ohm-Widerstand angelegten Impulsen c bei verändertem Widerstandswert des veränderbaren Widerstands 9 gemessen. Das Material und die Abmessungen der verwendeten Impulsleistungs-Steuerelemente 1 und 2 sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben, während die erzielten Daten in F i g. 6 dargestellt sind.

Tabelle 1 Steuerelemente 1 und 2

Kern la Material

Form

Wicklung \b

Wicklung ic

Amorphe Legierung Fe₄ONi₃₈Mo₄Bi₈ (Atom Gew.-%), Blattdichte=0,050 mm

Geschichteter Ringkern aus
110 Blättern (F ig. 2a)
Di=6mm,Do = 12mm, H=2 mm

50 Windungen 40 Windungen

Wie aus F i g. 6 ersichtlich ist erlaubt die in F i g. 5 gezeigte Versuchsschaltung eine Steuerung des Tastverhältnisses ßla zwischen 0 und 100%. Demgemäß kann die Drehzahl des Motors über einen Bereich gesteuert werden.

F i g. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Motordrehzahl-Steuerschaltung, bei der die Drehzahl eines Scheibenwischer-Motors 10 über einen von Hand einstellbaren veränderbaren Widerstand 23 vorgewählt wird. Wenn ein Scheibenwischer-Schalter geschlossen wird, läuft der Scheibenwischer-Motor 10 entsprechend dem mittels des veränderbaren Widerstands 23 eingestellten Wert um, nämlich mit niedriger Drehzahl bei hohem Widerstand und mit hoher Drehzahl bei niedrigem Widerstand. Der Fahrer des Fahrzeugs kann die Scheibenwischergeschwindigkeit kontinuierlich durch Einstellen des Widerstands 23 verändern.

Es ist ersichtlich, daß die Motordrehzahl-Steuerschaltung gleichermaßen zur Drehzahlsteuerung anderer Motoren verwendet werden kann, wie beispielsweise eines Gebläsemotors einer Klimaanlage. Zur Drehzahlsteuerung kann das Motordrehzahl-Steuersystem auch den Ankerstrom eines Motors steuern. Wenn entweder der Feldstrom oder der Ankerstrom gesteuert wird, wird entsprechend dem Strombereich die Stromleistungsfähigkeit des Impulsgenerators PG£und des Impulsleistungs-Steuersystems PDC gewählt Die Belastungsfähigkeit der Impulsleistungs-Steuerelemente 1 und 2 kann verhältnismäßig drei durch geeignete Wahl der Kernabmessungen, der Durchmesser der für die Wicklungen verwendeten Drähte und der Windungsanzahlen bestimmt werdea

Fig.8 zeigt eine Abwandlung des !mpuls!eistungs-Steuersystems der Motordrehzahl-Steuerschaltung. In diesem Fall werden an das eine Ende der ersten Wicklung 1 b einpolige Impulse angelegt (die zwischen positivem Pegel und Massepegel wechseln), während die zweite Wicklung mit einer Konstantspannungsquelle 30 verbunden wird, wobei der Erregungsstrom der zweiten Wicklung mittels des Transistors 6 gesteuert wird. Der Pegel des über die zweite Wicklung fließenden Stroms wird so gewählt, daß er in einem Bereich im wesentlichen unterhalb des Pegels des Impulsstroms liegt, der über die erste Wicklung fließt; dadurch wird sowohl während des Intervalls positiven Pegels aus auch während des Intervalls des Massepegels der Eingangsimpulse eine Verringerung des mittels der ersten Wicklung hervorgerufenen Flusses erzielt Diese Art der Steuerung des Impulstastverhältnisses durch Steuerung des Pegels des Stroms, der normalerweise über die zweite Wicklung fließt, ist auch bei der in der Fig. 1 gezeigten Schaltung anwendbar. Beispielsweise können die mit dem Impulsgenerator PGE verbundenen Anschlüsse der zweiten Wicklungen der in Fig. 1 gezeigten Impulsleistungs-Steuerelemente 1 und 2 von dem Impulsgenerator getrennt und an eine Konstantspannungsquelle angeschlossen werden.

An ein Ende der ersten Wicklung Xb wird somit eine erste Impulsfolge angelegt, während an ein Ende der zweiten Wicklung ic eine Konstantspannung oder eine zweite Impulsfolge angelegt wird. Von dem anderen Ende der ersten Wicklung werden hinsichtlich des Tastverhältnisses gesteuerte Impulse zur Speisung eines Elektromotors abgegeben, während das andere Ende der zweiten Wicklung mit dem Strompegelsteuerungs-

Transistor verbunden ist, dessen Basis an eine Drehzahleinstelleinrichtung angeschlossen ist. Die Anstiegsflanken der an dem anderen Ende der ersten Wicklung auftretenden Ausgangsimpulse eilen gegenüber den Anstiegsflanken der Impulse der ersten Impulsfolge um eine Verzögerungszeit nach, die von dem Transistor-Leitwert abhängt, welcher durch einen Einstellwert der Drehzahleinstelleinrichtung bestimmt ist. Die abfallenden
Flanken der Ausgangsimpulse sind im wesentlichen mit den abfallenden Flanken der Impulse der ersten Impulsfolge synchron.

Das für die Kerne verwendete amorphe weichmagnetische Material erleichtert die Herstellung des Steuerelements, das darüber hinaus hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen bzw. Vibrationen und Stößen
erhält. Weiterhin ermöglicht das Leistungs-Steuerelement durch geeignete Wahl seiner Abmessungen eine
Steuerung jedes beliebigen Leistungspegels, wobei das Ausgangssignal des Steuerelements direkt zur Speisung
der Feldwicklung oder Ankerwicklung des Motors verwendet werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Motordrehzahl-Steuerschaltung mit einem Magnetverstärker, der von einer Wechselspannungsquelle gespeist ist und zwei Sättigungswicklungen sowie eine den Sättigungswicklungen zugeordnete Steuerwick-

lungsanordnung aufweist, wobei die Sättigungswickiungen mit Gleichrichtern zum Gleichrichten des durch sie fließenden Stroms verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle (PGE) zwei Rechteckspannungen erzeugt, die gegeneinander um 180° phasenverschoben sind und von denen jede jeweils einer der beiden Sättigungswicklungen (Ib, 2b), zugeführt wird, daß die Steuerwicklungsanordnung aus zwei voneinander unabhängigen Steuerwicklungen (Ic, 2c) besteht, die mit ihrem einen Anschluß mit dem der Wechselspannungsquelle verbundenen Anschluß der jeweils anderen Sättigungswicklung oder mit einer Konstantspannimgsquelle (F i g. 8) und mit ihrem anderen Anschluß über Dioden (7,8) mit einem Transistor (6) verbunden sind, dessen Leitwert entsprechend der gewünschten Motordrehzahl veränderbar ist, daß die Sättigungswicklungen und die ihnen jeweils zugeordneten Steuerwicklungen auf jeweils einen Kern (la, 2a) aus amorphem weichmagnetischem Material aufgewickelt sind, und daß die Sättigungswicklungen (1 b, 2b) mit der Motor-Erregerwicklung (10) verbunden sind.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (la, 2a) jeweils ringförmige Schichtkerne, bestehend aus einer Spiralwicklung eines dünnen Blatts aus amorphem weichmagnetischem Material, ausgebildet sind.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (6) mit dem Abgriff eines als Motordrehzahl-Einstelleinrichtung (20) dienenden, zwischen die beiden Anschlüsse einer Spannungsquelle geschalteten Spannungsteilers aus einem festen Widerstand (21) und einem Potentiometer (23) oder einem Thermistor (22) verbunden ist