DE3151257C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Synchronantrieb, insbesondere für einen Plattenspieler, nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 (DE 29 37 838 A1).

Bei einem Abtastgerät für scheibenförmige Aufzeichnungs­ träger, 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 An­ triebsfrequenz erhalten bleiben muß. Es ist wünschenswert, daß der Antrieb auch sehr schnellen Änderungen der An­ triebsfrequenz in beiden Richtungen synchron folgen kann. Es ist weiterhin wünschenswert, einen möglichst gleich­ mäßigen Lauf zu erhalten, sowie weitgehende Unabhängig­ keit des Antriebsmoments von der Drehzahl.

Es sind zwar phasengeregelte Gleichstrommotoren unter Ver­ wendung 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 Syn­ chronmotor eine starke Neigung zu Pendelungen der Drehzahl.

Aus der DE 29 37 838 A1 ist ein Verfahren zur Regelung von Dreh­ zahl und Phasenlage bei Synchronmotoren mit einem Rotor und min­ destens einem Polpaar und mit einem Stator mit mindestens einer mit Antriebsimpulsen beaufschlagten Feldwicklung bekannt, bei dem die Drehbewegung des Rotors mit Hilfe eines Sensors erfaßt wird und aus einem Vergleich der von dem Sensor erfaßten Winkel­ stellung des Rotors mit einem aus der Antriebsfrequenz abgeleite­ ten Signal der Feldwicklung des Motors Strom - oder Spannungsim­ pulse zugeführt werden, die synchron mit den Sensorimpulsen er­ zeugt werden und deren Breite der Phasenverschiebung proportio­ nal und deren Phasenlage gegenüber den Polen so gewählt ist, daß bei einer Voreilung der Pole ein Bremsmoment und bei einer Nach­ eilung ein Beschleunigungsmoment erzeugt wird. Ein konstantes Antriebsmoment ist dort jedoch nicht erreichbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, für ein derartiges Verfahren ei­ nen Synchronantrieb anzugeben, der eine schnelle Drehzahlanpas­ sung ermöglicht, einen möglichst gleichmäßigen Lauf aufweist, bei dem das Antriebsmoment unabhängig von der Drehzahl ist und wobei weder Kollektoren noch Hilfswicklungen erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen beschrieben.

Es ist auch eine Steuerschaltung für einen im Synchronlauf be­ triebenen kollektorlosen Gleichmotor bekannt (DE-AS 21 56 389), bei der eine Rückstellung des reversiblen Zählers durch Über­ schreiben seines maximalen Zählwerts verhindert wird. Die Aufga­ be, die Steuerung des Motors möglichst schnell an unterschiedli­ che Drehzahlen anzupassen, wird dort nicht behandelt.

Eine Schaltung mit den Merkmalen vorliegender Erfindung ist dort ebenfalls nicht vorgesehen.

Es ist auch eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl ei­ nes Gleichstrommotors bekannt (DE-AS 23 21 650), mit der sich ein gleichmäßiger Motorlauf in der Nähe der Solldrehzahl erzie­ len läßt. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch dort nicht behandelt. Eine Schaltung mit den Merkmalen vorliegen­ der Erfindung ist dort ebenfalls nicht offenbart.

Es ist ferner eine Drehmaschine mit einem Generator zur Erzeu­ gung von Energiesignalen bekannt (DE-OS 25 29 524), bei der eine Einrichtung auf die in Statorwicklungen durch den Rotor der Ma­ schine induzierten Signale anspricht und die Winkellage jedes Energiesignals im Bezug auf den Rotor regelt. Eine Schaltung mit den Merkmalen vorliegender Erfindung ist dort jedoch ebenfalls nicht offenbart.

Ein Synchronantrieb nach der Erfindung benötigt weder einen Kollektor noch eine Hilfswicklung. Die Stromversor­ gung der Wicklungen wird mit einer Elektronikschaltung den jeweiligen Erfordernissen angepaßt. Die Eigenschaften des Antriebs lassen sich mit elektronischen Mitteln optimieren. Auch schnelle Drehzahländerungen werden problemlos ausge­ führt. Pendelungen des Antriebs treten nicht auf.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung 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.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild des Antriebs. In einem Stator mit den drei Wicklungen 1, 2, 3, die jeweils um 120° gegeneinander versetzt sind, befindet sich ein Rotor 4, der als Permanentmagnet ausgebildet ist. Mit 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 gegenüber­ liegt.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung können die einzelnen Wicklungszweige 1, 2, 3 jeweils in zwei diametral gegenüberliegende Hälften aufgeteilt sein, so daß die in radialer Richtung auf den Rotor wirkenden Kräfte einander aufheben.

Die drei Sensoren 5, 6, 7 bilden eine Einheit, deren Winkel­ lage gegenüber dem Stator einstellbar sein kann, um optimale Laufeigenschaften für eine bestimmte Drehrichtung und Belastung zu erzielen.

Der auf dem Rotor befindliche reflektierende Belag 8 er­ streckt sich über einen Winkelbereich von 180°/p, wobei p die Polpaarzahl des Rotors ist. Als Sensoren können vorzugsweise Fototransistoren verwendet werden.

Rotor und Stator sind in bekannter Weise vertauschbar. Es müssen dann allerdings die drei Wicklungsströme dem Rotor über Schleifringe zugeführt werden.

Die drei den Wicklungen zugeführten Signalgrößen A, B und C werden in einer elektronischen Schaltung 9 durch Aus­ wertung der Sensorinformationen a, b und c und der an der Klemme 10 anliegenden Antriebsfrequenz f erzeugt.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung zur Erzeugung von drei Mäander­ spannungen Q_A, Q_B und Q_C. Diese Mäanderspannungen sind ge­ geneinander um 120° phasenverschoben und haben eine Frequenz von 1/6 der Antriebsfrequenz 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 Q_A, Q_B und Q_C um 120° gegeneinander ver­ setzt sind.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung zur Erzeugung der Antriebs­ signale A, B, C. Die Sensorinformation a führt auf die Exklusiv-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. Dem zweiten Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 16 wird das Mäandersignal Q_A, dem zweiten Eingang des Exklusiv-ODER- Gatters 18 das Mäandersignal Q_B und dem zweiten Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 20 das Mäandersignal Q_C zugeführt. Das Sensorsignal a führt weiterhin auf den D-Eingang eines D-Flip-Flops 22, das durch das Mäandersignal Q_A jeweils bei der positiven Flanke getriggert wird. Das Ausgangs­ signal Q_S des D-Flip-Flops 22 führt auf die zweiten Ein­ gänge der Exklusiv-ODER-Gatter 17, 19 und 21. Über UND- Gatter 23, 25 und 27 werden Steuersignale für die Schalt­ stufen 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 Betriebs­ spannung an die Ausgangsklemme 35, 36 und 37.

Fig. 4 zeigt die Impulsdiagramme der Steuerschaltung nach Fig. 3. In der ersten Zeile ist die Antriebsfrequenz f dargestellt. Die Mäandersignale Q_A, Q_B und Q_C 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 Dar­ stellung ist der Reseteingang 38 des D-Flip-Flops 22 auf logisch 1 gesetzt, d. h. daß für die Schaltung der einge­ schwungene Zustand erreicht ist. Das dem Eingang 38 zu­ geführte 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 ein­ gestellt. Während einer schnellen Drehzahländerung, z. B. 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 Q_S des D-Flip-Flops 22 das Pegelsignal 0 an.

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. Betriebsspannungsimpulse, die auf die drei Wicklungszweige gegeben werden. Bei a, b und c = logisch 1 entsteht jeweils ein positiver Betriebsspannungsimpuls 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 Q_S=0 ist. Bei Q_S=1 ist die Wirkung der Schaltstufen umgekehrt. Dann erzeugen die Ausgangsgrößen A, B und C ein Bremsmoment (Fig. 5b, rechte Seite).

Aus Fig. 4 ist zu entnehmen, daß jedem Impuls der Antriebs­ frequenz f eine Impulsflanke der Signale A, B und C ent­ spricht. Diese Flanken sind durch Doppelpfeile gekennzeichnet. 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. Damit wird das antreibende Moment verringert und der Rotor wird langsamer.

Bei einer schnellen Frequenzabnahme werden die durch den Doppelpfeil gekennzeichneten Impulsflanken jedoch über die von a, b und c hervorgerufenen Impulsflanken hinweg­ wandern, so daß dann die Impulse A, B und C wieder breiter werden. Ohne besondere Maßnahme würde dies wiederum einen Antrieb bedeuten.

Mit Hilfe des in Fig. 3 dargestellten D-Flip-Flops 22 wird diese Phasenverschiebung erkannt. Entsprechend Fig. 5b kehrt eine derartige Phasenverschiebung das Signal Q_S um. Damit wird auch die Wirkungsweise der Schaltstufen 29 bis 34 umgekehrt. Es entstehen jetzt bremsende Impulse, die für eine schnelle Drehzahlverminderung sorgen. Im Synchron­ betrieb mit wechselnder Antriebsfrequenz überwacht also das D-Flip-Flop 22 die Phasen zwischen den Mäanderspannungen Q_A, Q_B und Q_C und den Sensorsignalen a, b und c und sorgt je nach Bedarf für antreibende oder bremsende Drehmoment­ impulse.

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% 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, daß Gleichgewicht zwischen Antriebs- und Lastmoment herrscht.

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 un­ gleichmäßigen Lauf führen. Andererseits werden infolge der hohen Winkelabhängigkeit des Drehmoments Last- und Frequenzänderungen kaum Pendelungen des Antriebs her­ vorrufen. Durch Erhöhung der Polpaarzahl entsprechend Fig. 6 kann die Anzahl der Drehmomentstöße je Umdrehung erhöht werden, womit die Intensität der Impulse vermindert wird, so daß bessere Laufeigenschaften erzielt werden.

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. 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 Siebkonden­ sator 49. Die Spannung an dem Kondensator 49 stellt sich etwa auf die halbe Betriebsspannung ein.

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 Strom­ impulse den Stromflußwinkel herabzusetzen, so daß durch die damit verbundene Erhöhung der Regelsteilheit der Synchronis­ mus auch während der Frequenzänderung erhalten bleibt. Nach Erreichen der neuen Antriebsfrequenz kann dann der Strom­ flußwinkel wieder auf den für den optimalen Lauf erforder­ lichen Wert eingestellt werden.

Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit 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 Strom­ flußwinkels auf z. B. ⟂=60° bei einer zweipoligen Maschine (p=1) kann ein völlig konstantes Antriebsmoment und damit ein sehr gleichmäßiger Lauf des Antriebs einge­ stellt werden.

Claims (8)

1. Synchronantrieb, insbesondere für einen Plattenspieler oder Magnetbandrecorder, dessen Drehzahl durch eine An­ triebsfrequenz (f) mit Hilfe einer Steuerschaltung (9) steuerbar ist, aufweisend einen m-phasigen, d. h. mehr­ phasigen Motor mit einem Rotor (4) und einem Stator, wobei mit Hilfe von Sensoren (5, 6, 7) pro Phase ein der Winkelstellung des Rotors (4) entsprechendes Ist-Si­ gnal (a, b, c) erzeugt wird, das mit einem aus der An­ triebsfrequenz (f) abgeleiteten Sollsignal (QA, QB, QC) nach Dauer und Phasenlage verglichen wird, und wobei aus diesem Vergleich den Wicklungen des Motors (1-3, 45-47) pro Phase ein Betriebsimpuls (A-C, IA-IC) zugeführt wird, dessen Impulsdauer (α ) der Phasenver­ schiebung proportional und dessen Phasenlage gegenüber dem Rotor so gewählt ist, daß bei einer Voreilung der Rotorpole ein Bremsmoment und bei einer Nacheilung ein Beschleunigungsmoment erzeugt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß pro Phase eine erste und eine zweite Schaltstu­ fe (29, 31, 32; 30, 32, 34) ein erstes und ein zweites Exklusiv-ODER-Gatter (16, 18, 20; 17, 19, 21) und ein erstes und ein zweites UND-Gatter (23, 25, 27; 24, 26, 28), sowie ein für alle Phasen gemeinsames D-Flip- Flop (22) vorgesehen ist, wobei das Soll- (QA, QB, QC) und das Istsignal (a, b, c) pro Phase dem ersten Exklu­ siv-Gatter (16, 18, 29), das Ausgangssignal (Qs) des D-Flip-Flops (22) und das Istsignal (a, b, c) pro Phase dem zweiten Exklusiv-ODER-Gatter (17, 19, 21), das Aus­ gangssignal des ersten Exklusiv-ODER-Gatters (16, 18, 20) und das Ausgangssignal des zweiten Exklusiv-ODER- Gatters (17, 19, 21) pro Phase dem ersten UND-Gatter (23, 25, 27), das Ausgangssignal des ersten Exklusiv- ODER-Gatters (16, 18, 20) und das invertierte Ausgangs­ signal des zweiten Exklusiv-ODER-Gatters (17, 19, 21) pro Phase dem zweiten UND-Gatter (24, 26, 28) und das Ausgangssignal (U_A1) des ersten UND-Gatters (23, 25, 27) der ersten Schaltstufe (29, 31, 33) und das Aus­ gangssignal (U_A2) des zweiten UND-Gatters (24, 26, 28) der zweiten Schaltstufe (30, 32, 34) zugeführt werden, wodurch die erste Schaltstufe (29, 31, 33) einen Wick­ lungsstrom in der einen Richtung und die zweite Schalt­ stufe (30, 32, 34) einen Wicklungsstrom in der entgegen­ gesetzten Richtung bewirkt, und wobei das Istsignal der ersten Phase (a) dem D-Eingang des D-Flip-Flops (22) zugeführt wird, das durch das Sollsignal (QA) der er­ sten Phase jeweils bei der positiven Flanke getriggert wird.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklung (1-3) in zwei dem Rotor (4) gegenüber­ liegende Hälften aufgeteilt ist.

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Sensoren (5-7) gleich der Anzahl der Phasen ist.

4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Erzeugung der m Sollsignale (QA, QB, QC) die Antriebsfrequenz zweimal durch die Zahl der Pha­ sen geteilt ist.

5. Antrieb nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Sensoren (5-7) optische Sensoren verwendet sind.

6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während des asynchronen Anlaufs unabhängig von der Phasenlage zwischen den Istsignalen und Sollsi­ gnalen nur antreibende Stromimpulse auf die Wicklungen gegeben werden (S=0).

7. Antrieb nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Gegenkopplungssignal vom Verbindungs­ punkt (48) der Wicklungen auf die Schaltstufen (39-44) vorhanden ist.

8. Antrieb nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Amplitude der Stromimpulse einstell­ bar ist.