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Synchronantrieb
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Die Erfindung betrifft einen Synchronantrieb, dessen Drehzahl steuerbar
ist, insbesondere zum Antrieb eines Plattenspielers, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Bei einem Abtastgerät für scheibenförmige Aufzeichnungsträger, deren
Signalspur mit konstanter Geschwindigkeit abgetastet werden soll, ist ein Antrieb
erforderlich, dessen Drehzahl im Verhältnis von mehr als 2:1 veränderbar ist, wobei
der Synchronismus mit der vorgegebenen Antriebsfrequenz erhalten bleiben muß. Es
ist wünschenswert, daß der Antrieb auch sehr schnellen Änderungen der Antriebsfrequenz
in beiden Richtungen synchron folgen kann.
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Es ist weiterhin wünschenswert, einen möglichst gleichmäßigen Lauf
zu erhalten, sowie weitgehende Unabhängigkeit des Antriebsmoments von der Drehzahl.
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Es sind zwar phasengeregelte Gleichstrommotoren unter Verwendung von
Tachogeneratoren bekannt, jedoch sind diese nur für kleinere Drehzahlbereiche geeignet.
Ein üblicher Synchronmotor benötigt eine Hilfswicklung und einen
Kondensator
für einen asynchronen Anlauf, außerdem hat ein Synchronmotor eine starke Neigung
zu Pendelungen der Drehzahl.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Synchronantrieb anzugeben, der
eine schnelle Drehzahlanpassung ermöglicht, einen möglichst gleichmäßigen Lauf aufweist,
bei dem das Antriebsmoment unabhängig von der Drehzahl ist und wobei weder Kollektoren
noch Hilfswicklungen erforderlich sind.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben.
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Ein Synchronantrieb nach der Erfindung benötigt weder einen Kollektor
noch eine Hilf swicklung. Die Stromversorgung der Wicklungen wird mit einer Elektronikschaltung
den jeweiligen Erfordernissen angepaßt. Die Eigenschaften des Antriebs lassen sich
mit elektronischen Mitteln optimieren.
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Auch schnelle Drehzahländerungen werden problemlos ausgeführt. Pendelungen
des Antriebs treten nicht auf.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Sbersichtsdarstellung eines Antriebs, Fig.
2 eine Schaltung zur Erzeugung dreier Steuersignale, Fig. 3 eine Darstellung einer
Steuerschaltung, Fig. 4 ein Impulsdiagramm, Fig. 5 ein weiteres Impulsdiagramm,
Fig. 6 eine Weiterbildung der Erfindung, Fig. 7 eine Ansteuerschaltung der Motorwicklungen,
Fig. 8 ein drittes Impulsdiagramm.
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Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild des Antriebs. In einem Stator mit
den drei Wicklungen 1, 2, 3, die jeweils um
1200 gegeneinander versetzt
sind, befindet sich ein Rotor 4, der als Permanentmagnet ausgebildet ist. Kit Hilfe
der drei Sensoren 5, 6, 7 wird der Drehwinkel des Rotors 4 gegenüber dem Stator
überwacht. Die Sensoren 5, 6, 7 können z.B. optoelektronische Sensoren sein, die
ein Signal abgeben, sobald eine auf dem Rotor 4 angebrachte reflektierende Schicht
8 den Sensoren 5, 6, 7 gegenüberliegt.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung können die einzelnen
Wicklungszweige 1, 2, 3 jeweils in zwei diametral gegenüberliegende Hälften aufgeteilt
sein, so da die in radialer Richtung auf den Rotor wirkenden Kräfte einander aufheben.
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Die drei Sensoren 5, 6, 7 bilden eine Einheit, deren Winkellage gegenüber
dem Stator einstellbar sein kann, um optimale Laufeigenschaften für eine bestimmte
Drehrichtung und Belastung zu erzielen.
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Der auf dem Rotor befindliche reflektierende Belag 8 erstreckt sich
über einen Winkelbereich von 1800 / p, wobei p die Polpaarzahl des Rotors ist. Als
Sensoren können vorzugsweise Fototransistoren verwendet werden.
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Rotor und Stator sind in bekannter Weise vertauschbar. Es müssen dann
allerdings die drei Wicklungsströme dem Rotor über Schleifringe zugeführt werden.
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Die drei den Wicklungen zugeführten Signalgrößen A, B und C werden
in einer elektronischen Schaltung 9 durch Auswertung der Sensorinformationen a,
b und c und der an der klemme 10 anliegenden Antriebsfrequenz f erzeugt.
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Fig. 2 zeigt eine Schaltung zur Erzeugung von drei Mäanderspannungen
i X QB und Q0. Diese Mäanderspannungen sind gegeneinander um 1200 phasenverschoben
und haben eine
Frequenz von 1/6 der Antricbsfrequenz f. Diese spannungen
stellen den Sollzustand dar. Die vom Rotor abgetasteten Größen a, b und c verkörpern
den Istzustand. Die Schaltung zur Erzeugung der Mäanderspannungen enthält die fünf
JK-Flip-Flops 11 bis 15, die nach Fig. 2 derart geschaltet sind, daß die an der
Klemme 10 anliegende Eingangsfrequenz f im Verhältnis 1:6 heruntergeteilt ist und
die Phasen der Mäanderspannungen QA, QB und QC um 120° gegeneinander versetzt sind.
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Fig. 3 zeigt eine Schaltung zur Erzeugung der Antriebssignale A, B,
C. Die Sensorinformation a führt auf die EDcklusiv-ODER-Gatter 16 und 17, die Sensorinformation
b führt auf die Exklusiv-ODER-Gatter 18 und 19 sowie die Sensorinformation c auf
die Exklusiv-ODER-Gatter 20 und 21.
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Dem zweiten Eingang des Exklusiv-0DEi?-Gatters 16 wird das Mäandersignal
qA dem zweiten Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 18 das Mäandersignal QB und dem
zweiten Eingang des Exklusiv-ODEH-Gatters 20 das Mäandersignal QC zugeführt.
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Das Sensorsignal a führt weiterhin auf den D-Eingang eines D-Flip-Flops
22, das durch das Mäandersignal QA jeweils bei der positiven Flanke getriggert wird.
Das ausgangssignal QS des D-Flip-Flops 22 führt auf die zweiten Eingänge der Exklusilr-ODE2-Gatter
17, 19 und 21. Über UND-Gatter 23, 25 und 27 werden Steuersignale für die Schaltstufen
29, 31 und 33 erzeugt. Den Schaltstufen 30, 32 und 34 werden ebenfalls über UND-Gatter
24, 26 und 28, die von den Exklusiv-ODER-Gattern 16 - 21 Steuersignale erhalten,
zugeführt. Die Schaltstufen 29, 31 und 33 schalten jeweils die positive Betriebsspannung
auf die Klemmen 35, 36 und 37, die Schaltstufen 30, 32 und 34 die negative Betriebsspannung
an die Ausgangsklemme 35, 36 und 37.
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Fig. 4 zeigt die Impulsdiagramme der Steuerschaltung nach Fig. 3.
In der ersten Zeile ist die Antriebsfrequenz f dargestellt. Die Maandersignale QA,
QB und QC werden mit den Sensorsignalen a, b und c verglichen. Am Ausgang der
Schaltung
nach Fig. 3 sind an der Klemme 35 ein Signal A entsprechend der drittletzten Zeile
der Fig. 4, an der Klemme 36 ein Signal B entsprechend der vorletzten Zeile der
Fig. 4 und an der Klemme 37 ein Signal entsprechend der letzten Zeile der Fig. 4
vorhanden. In dieser Darstellung ist der Reseteingang 38 des D-Flip-Flops 22 auf
logisch 1 gesetzt, d.h. da für die Schaltung der eingeschwungene Zustand erreicht
ist. Das dem Eingang 38 zugeführte Signal S kann z.B. aus dem von einer Platte empfangenen
Signal ausgewertet werden und dann logisch 1 gesetzt werden, wenn das Taktsignal
in den eingerasteten Zustand gelangt ist. Es ist dann der Synchronantrieb eingestellt.
Während einer schnellen Drehzahländerung, z.B.
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dem asynchronen Hochlauf, wird das Steuersignal S an der Klemme 38
des D-Flip-Flops 22 auf Null gesetzt. In diesem Zustand liegt am Ausgang QS des
3-Flip-Flops 22 das Pegel signal O an.
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Mit Hilfe der Signale a, b und c werden die Schaltstufen 29 bis 34
so gesteuert, daß die in Fig. 4 dargestellten Ausgangsgrößen A, B und C entstehen.
Die Signale A, B und C sind z.B. Betriebsspanntlngsimpulse, die auf die drei Wicklungszweige
gegeben werden. Bei a, b und c = logisch 1 entsteht jeweils ein positiver Betriebsspannungsiinpuls
und bei a, b und c = logisch 0 ein negativer Impuls. Die Zuordnung ist so festgelegt,
daß diese Impulse jeweils eine antreibende Wirkung haben, wenn Q5 = 0 ist. Bei Q5
= 1 ist die Wirkung der Schaltstufen umgekehrt. Dann erzeugen die ausgangsgröBen
A, B und C ein Bremsmoment (Fig. 5b, rechte Seite).
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Aus Fig. 4 ist zu entnehmen, daß jedem Impuls der Antriebsfrequenz
f eine Impulsflanke der signale A, B und C entspricht. Diese Flanken sind durch
Doppelpfeile gekennzeichnet.
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Bei einer Erhöhung der Frequenz f verschieben sich diese Flanken nach
links. Die Impulse A, B und C werden dadurch breiter, d.h., das antreibende Moment
nimmt zu, der Rotor
des Antriebs erhält eine Winkelbeschleunigung.
Bei einer Verminderung der Antriebsfrequenz f verschieben sich die durch den Doppelpfeil
gekennzeichneten Impulsflanken nach rechts, d.h. die Impulse A, B und C werden zunächst
schmaler.
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Damit wird das antreibende Moment verringert und der Rotor wird langsamer.
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Bei einer schnellen Frequenzabnahme werden die durch den Doppelpfeil
gekennzeichneten Impulsflanken jedoch über die von a, b und c hervorgerufenen Impulsflanken
hinwegwandern, so daß dann die Impulse A, B und C wieder breiter werden. Ohne besondere
Maßnahme würde dies wiederum einen Antrieb bedeuten.
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Mit Hilfe des in Fig. 3 dargestellten D-Flip-Flops 22 wirddiese Phasenverschiebung
erkannt. Entsprechend Fig. 5b kehrt eine derartige Phasenverschiebung das signal
Q5 um.
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Damit wird auch die Wirkungsweise der Schaltstufen 29 bis 34 umgekehrt.
Es entstehen jetzt bremsende Impulse, die für eine schnelle Drehzahlverminderung
sorgen. Im Synchronbetrieb mit wechselnder lintriebsfrequenz überwacht also das
D-Flip-Flop 22 die Phasen zwischen den äanderspannungen QA 5 RB und QC und den Sensorsignalen
a, b und c und sorgt je nach Bedarf für antreibende oder bremsende Drehmomentimpulse.
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Für den asynchronen Hochlauf muß dagegen das D-Flip-Flop 22 entsprechend
Fig. 5a so gesetzt werden, daß nur antreibende Impulse entstehen können. Solange
der Synchronbetrieb nicht erreicht ist, ist im Mittel je Wicklungszweig über 50°oó
der Zeit ein antreibendes Moment vorhanden, so daß ein schneller Hochlauf möglich
ist. Sobald der Synchronzustand erreicht ist, stellt sich dann die Dauer der Impulse
A, B und C so ein, das Gleichgewicht zwischen Antriebs- und Lastmoment herrscht.
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Bei einem Plattenspielerantrieb, der praktisch im Leerlauf
arbeitet,
fließen bei entsprechend hoher Betriebsspannung nur relativ kurze Stromimpulse durch
die Wicklungen 1, 2, 3. Bei zu geringer Schwungmasse kann dies zu einem ungleichmäßigen
Lauf führen. Andererseits werden infolge der hohen Winkelabhängigkeit des Drehmoments
Last- und Frequenzänderungen kaum Pendelungen des Antriebs hervorrufen. Durch Erhöhung
der Polpaarzahl entsprechend Fig. 6 kann die Anzahl der Drehmomentstöße je Umdrehung
erhöht werden, womit die Intensität der Impulse vermindert wird, so dai3 bessere
Laufeigenschaften erzielt werden.
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Wenn in einem sehr weiten Drehzahlbereich ein konstantes Antriebsmoment
erwünscht ist, ist es vorteilhafter, den Wicklungen anstelle von Spannungsimpulsen
Stromimpulse einer bestimmten Amplitude zuzuführen. Fig. 7 zeigt eine derartige
Ansteuerschaltung. Die Schaltstufen 29 bis 34 sind mit stromgegengekoppelten Transistoren
39 bis 44 aufgebaut.
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Damit die Summe der im Sternpunkt 48 durch die Wicklungen 45 bis 47
zusammenfließenden Stromimpulse 0 ist, ist vom Sternpunkt 48 eine Gegenkopplung
auf die Eingänge der Schalttransistoren 39 bis 44 geführt. Am Sternpunkt liegt zur
Glättung der Gegenkopplungsspannung ein Siebkondensator 49. Die Spannung an dem
Kondensator 49 stellt sich etwa auf die halbe Betriebsspannung ein.
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Die Stromamplitude läßt sich mit Hilfe einer an eine Klemme 50 angelegten
Steuerspannung, die über die Transistoren 51, 52 und 53 auf die stromgegengekoppelten
Transistoren wirkt, einstellen. Für schnelle Änderungen der Antriebsfrequenz ist
es zweckmäßig, durch Erhöhung der Amplitude der Stromimpulse den Stromflußwinkel
herabzusetzen, so daß durch die damit verbundene Erhöhung der Regelsteilheit der
Synchronismus auch während der Frequenzänderung erhalten bleibt. Nach Erreichen
der neuen Antriebsfrequenz kann dann der Stromflußwinkel wieder auf den für den
optimalen Lauf erforderlichen Wert eingestellt werden.
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Fig. 8 zeigt die Abhänglgkeit des Stromflußwinkels α von der
Stromamplitude für ein bestimmtes Drehmoment. Die Größe der Flächen 54 und 55 ist
gleich, es ist lediglich ein anderer Stromflußwinkel bei gegensetzlich veränderter
Stromamplitude vorhanden. Durch Einstellung des Stronflul3winkels auf z.B. α
= 60° bei einer zweipoligen Maschine (p = 1) kann ein völlig konstantes Antriebsmoment
und daliit ein sehr gleichmäßiger Lauf des Antriebs eingestellt werden.