DE3208276A1 - Drehzahlregelanordnung fuer gleichstrommotor - Google Patents

Drehzahlregelanordnung fuer gleichstrommotor

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Description

s * no
Drehzahlregelanordnung für Gleichstrommotor
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Drehzahlregelanordnung für einen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Zum elektrischen Regeln beziehungsweise Einstellen der Drehzahl eines Gleichstrommotors kann die Gegen-EMK des zu regelnden Gleichstrommotors ausgenutzt werden, Diese Gegen-EMK wird in die Ankerwicklung induziert und ist proportional zur Drehzahl. Figur 1 zeigt ein praktisches Beispiel einer derartigen herkömmlichen Anordnung.
In Figur 1 bildet ein Ersatzinnenwiderstand R eines zu regelnden Gleichstrommotors 1, ein Widerstand 2 des Widerstandswertes R1, der in Reihe mit dem Gleichstrommotor 1 liegt, und Widerstände 3 und 4 eines Widerstandswertes R2 beziehungsweise R_, die in Reihe zueinander geschaltet sind, eine Brückenschaltung. Bei Gleichgewicht der Brücke, das
heißt, wenn R1-R0 = R,.R erfüllt ist, spricht die Spannung ι ^ j a
an den Fühlerausgangsanschlüssen "a" und "b" lediglich auf die Drehzahl des Gleichstrommotors 1 an udn hängt nicht vom Lastdrehmoment oder vom Ankerstrom des Gleichstrommotors 1 ab. Indem.daher eine Differenzspannung zwischen einer zur Gegen-EMK des Gleichstrommotors 1 proportionalen Spannung und einer Bezugsspannung erhalten wird, die gewählt ist, um eine Soll-Drehzahl festzulegen, indem die Differenzspannung durch einen Differenzverstärker verstärkt und ein verstärktes Ausgangssignal an einen Ansteuertransistor 5 abgegeben wird, indem so ein Stromsteuertransistor 7 angesteuert wird und indem der Strom zum Gleichstrommotor 1 erhöht oder verringert wird, wenn die Ist-Drehzahl kleiner oder größer als der voreingestellte beziehungsweise Soll-Wert ist, kann die Drehzahl
des Gleichstrommotors 1 nahezu auf den voreingestellten oder Soll-Wert geregelt beziehungsweise gesteuert werden. Ein Strom wird über einen Widerstand 9 zu einer Diode 8 gespeist, um die Soll-Bezugsspannung zu liefern. Der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung der Diode 8, der nahezu konstant ist, wird durch ein Dividiernetzwerk aus Widerständen 10 und 11 geteilt, und die Bezugsspannung wird an den Widerstand 11 gelegt. Der Teilungspunkt des Dividiernetzwerkes aus den Widerständen 10 und 11 ist mit der Basis eines Transistors eines Differenzverstärkers verbunden, und der Anschluß "b", das heißt, der Verbundungspunkt der Widerstände 3 und 4, ist an die Basis eines anderen Transistors 13 des Differenzverstärkers angeschlossen. Der Widerstand 11 liegt zwischen dem Anschluß "a" und der Basis des Transistors 12, die einen Eingangsanschluß "c" des Differenzverstärkers bildet. Ein Strom wird vom positiven Anschluß der Gleichstromquelle 6 zum Differenzverstärker aus den Transistoren 12 und 13 über einen Widerstand 14 gespeist. Ein Kondensator 15 verhindert eine unerwünschte Schwingung. Bei der herkömmlichen Drehzahlregelanordnung von Figur 1 wird die eingestellte Drehzahl durch Änderungen oder Schwankungen der Spannung der Stromquelle 6 wie folgt beeinflußt:
Bei dieser Anordnung wird die Bezugsspannung, die eine gewählte oder Soll-Drehzahl festlegt, an den Widerstand 11 als eine Spannung gelegt, die erzeugt wird, indem ein Strom von der Stromquelle 6 in die Reihenschaltung aus dem Widerstand 9, der Diode 8 und dem Widerstand 2 gespeist und indem der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung an der Diode 8 als eine Konstantspannungseinrichtung durch das Dividiernetzwerk aus den Widerständen 10 und 11 geteilt wird. Wenn daher die Spannung der Stromquelle 6 abfällt / nimmt der Strom der Reihenschaltung aus dem Widerstand 9, der Diode 8 und dem Widerstand 2 zu, und der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung an der Diode 8 wächst, um dadurch die Spannung am Widerstand 11 zu erhöhen. Mit abnehmender Spannung am Widerstand 11 steigert sich die Drehzahl des Gleichstrommotors 1. Wenn
dagegen die Spannung der Stromquelle 6 kleiner wird, nimmt der Strom in der Diode 8 ab, um die Durchlaßspannung am Widerstand 11 zu verringern. Mit abnehmender Spannung am Widerstand 11 nimmt die Drehzahl des Gleichstrommotors 1 ab. Wie oben erläutert wurde, tritt bei der herkömmlichen Drehzahlregelanordnung von Figur 1 das Problem auf, daß sich mit Schwankungen der Spannung der Stromquelle die Drehzahl des Gleichstrommotors 1 beträchtlich verändert.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine von den oben aufgezeigten Problemen freie Drehzahlregelanordnurig zu schaffen, mit der die Motordrehzahl unabhängig von Schwankungen der Spannung der Stromquelle konstant gesteuert werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer Drehzahlregelanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.
Durch die Erfindung können so unerwünschte Änderungen der Drehzahl des Motors aufgrund von Schwankungen der Spannung der Stromquelle sehr klein gemacht werden, und außerdem kann die Drehzahlregelanordnung auf einfache Weise als integrierte Halbleiterschaltung verwirklicht werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild der herkömmlichen Drehzahlregelanordnung für einen Gleichstrommotor,
Fig. 2 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Drehzahlregelanordnung für einen Gleichstrommotor,
Fig. 3 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Drehzahlregelan-
Ordnung für einen Gleichstrommotor.
Figur 2 zeigt ein ersten Ausführungsbeispiel der Drehzahlregel anordnung für einen Gleichstrommotor nach der Erfindung, wobei ein Gleichstrommotor 1 mit einem Ersatzinnenwiderstands-
wert R und Widerstände 2, 3 und 4 mit Widerstandswerten a
R^, R2 beziehungsweise R^ eine Brückenschaltung bilden, deren Gleichgewichtsbedingung ist:
Die Brückenschaltung hat Stromspeiseanschlüsse "d" und "e" sowie Fühlerausgangsanschlüsse "a" und "b". Eine Gleichstromquelle 6 ist so geschaltet, daß sie Strom über einen Stromsteuertransistor 7 zur Brückenschaltung durch die Speiseanschlüsse "d" und "e" abgibt. Transistoren 16, 17 und 18, die eine Stromspiegelschaltung bilden, sind mit ihren Basisanschlüssen zusammerogeschaltet und mit ihren Emittern gemeinsam an eine positive Klemme "f" der Gleichstromquelle 6 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 16 ist mit dessen Basis verbunden und über eine Konstantstromschaltung 19 an eine negat;"-ve Klemme "g" der Gleichstromquelle 6 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 17 ist über eine Konstantstromschaltung 20 an den Fühleranschluß "a" der Brückenschaltung angeschlossen. Ein Spannungsteilernetzwerk aus in Reihe geschalteten Widerständen 21 und 22 liegt an der Konstantstromschaltung 20. Der Kollektor des Transistors 18 ist mit einem Speiseanschluß "h" eines Differenzverstärkers aus Transistoren 23 und 2 4 verbunden, und die Eingangsanschlüsse des Differenzverstärkers, das heißt, die Basisanschlüsse der Transistoren 23 und 24, sind an den Zwischenverbindungspunkt "c" zwischen dem Widerstand 21 und dem Widerstand 22 des Teilernetzwerkes beziehungsweise an den Fühlerausgangsanschluß "b" angeschaltet, so daß die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen "c" und "b" verstärkt wird. Eine voreingestellte beziehungsweise Soll-Bezugsspannung liegt am Widerstand 22. Die Kollektoren der Transistoren 23 und 24 sind jeweils an die Kollektoren der Transistoren 25 und 26 als
Last angeschlossen, und die Emitter der Lasttransistoren 25 und 26 sind mit der negativen Klemme "g" der Gleichstromquelle verbunden; die Basisanschlüsse der Transistoren 25 und 26 sind gemeinsam mit dem Kollektor des Transistors 25 verbunden, während der Verbindungspunkt "k" der Kollektoren der Transistoren 24 und 25 an die Basis eines Ansteuertransistors 5 angeschlossen ist, welcher durch seinen Kollektor mit der Basis des Stromsteuertransistors 7 und durch seinen Emitter mit der negativen Klemme "g" der Gleichstromquelle 6 verbunden ist.
Die Drehzahlregelung, die von der Bezugsspannung abhängt, die durch die Konstantspannungsschaltung 20 in der Schaltung von Figur 2 gegeben ist, ist im wesentlichen die gleiche wie diejenige der Schaltung von Figur 1.
Der Betrieb des Ausführungsbeispiels von Figur 2 läuft bei Schwankungen der Spannung der Gleichstromquelle 6 wie folgt ab: -
da der Transistor 17 ein Stromspiegelpaar mit dem Transistor 16 bildet, der in Reihe mit der Konstantstromschaltung 19 verbunden ist, wird der Kollektorstrom des Transistors 17 und damit der Strom zur Konstantspannungsschaltung 20 im wesentlichen unabhängig von der Spannungsänderung der Stromquelle 6 auf einen konstanten Wert gesteuert, um dadurch ein sehr genaues Konstanthalten der Spannung der Schaltung 20 zu erzielen. Selbst bei einer beträchtlichen Änderung der Spannung der Stromquelle 6 wird daher die Spannung V - der Konstantspannungsquelle und damit die Bezugsspannung E am Widerstand 22 konstant gehalten. Selbst wenn die Spannung der Gleichstromquelle 6 schwankt, wird daher die Drehzahl des Gleichstrommotors 1 im wesentlichen konstant gehalten und die Stabilität der Drehzahl wird im Vergleich mit der herkömmlichen Drehzahlregelanordnung für Gleichstrommotoren entsprechend dem Beispiel von Figur 1 verbessert.
Wenn jedoch eine weitere sehr genaue Regelung der Drehzahl erforderlich ist, tritt ein anderes Problem auf. Das heißt, wenn sich die Spannung der Gleichstromquelle 6 beträchtlich ändert obwohl sich die Emitter-Kollektor-Spannung des Transistors 16 nicht ändert, ändert sich die Emitter-Kollektor-Spannung des Transistors 17. Demgemäß ändert sich durch den voreilenden Einfluß des Transistors, das heißt durch die Basisbreitenmodulation der Kollektorstrom des Transistors 17 in einem gewissen Ausmaß. Als Ergebnis ändert sich der Eingangsstrom zur Konstantspannungsschaltung 20 in einem gewissen Ausmaß, und die Bezugsspannung E ändert.sich, um dadurch die Motordrehzahl in einem gewissen Ausmaß zu ändern. Da die Änderung der Bezugsspannung E als Ergebnis des voreilenden Einflusses klein ist, wird die unerwünschte Änderung der Motordrehzahl dadurch klein. Für eine sehr genau arbeitende Maschine ist jedoch eine solche kleine Änderung noch problematisch. Daher erfolgt eine weitere Verbesserung durch das in Figur 3 gezeigte Ausführungsbeispiel, bei dem nahezu alle Teile ähnlich wie diejenigen des Ausführungsbeispiels von Figur 2 angeordnet sind, und einander entsprechende Bauteile werden mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein Hauptmerkmal der Anordnung von Figur 3 liegt im Vergleich zur Anordnung von Figur 2 darin, daß Widerstände 27 und 28 zwischen die Emitter der Transistoren 25 und 26 und jeweils die negativen Klemmen der Gleichstromquelle 6 eingeschaltet sind. Die Widerstände 27 und 28 sind so gewählt, daß sie zueinander verschiedene Widerstandswerte haben.
Wenn angenommen wird, daß die Eingangsimpedanzen des Differenzverstärkers aus den Transistoren 23 und 24 sehr groß sind und daher der Eingangsstrom vernachlässigbar klein wird, und wenn die Transistoren 23 und 24 dieses Differenzverstärkers und die Transistoren 5 und 7 große Verstärkungsfaktoren haben, dann ergibt sich mit
V = Spannung der Gleichstromquelle 6,
Ea = Gegen-EMK des Gleichstrommotors 1, I = Ankerstrom des Gleichstrommotors 1,
I = Kollektorstrom des Transistors 17, R, = Widerstandswert des Widerstandes 21 , Rg = Widerstandswert des Widerstandes 22,
K = Konstante für die Strom- beziehungsweise Spannungsera
zeugung,
V .p = durch die Konstantspannungsschaltung erzeugte konstante Spannung,
E = über dem Widerstand 22 erzeugte Sezugsspannung, und
V = Eingangsverschiebespannung des DifferenzVerstärkers
aus den Transistoren 23 und 24, die erhalten wird, indem die Widerstandswerte der Widerstände 27 und 28 verschieden voneinander gewählt werden,
für die Drehzahl N des Gleichstrommotors 1 die folgende •Gleichung (2) :
ι Ri'R? Rl'R2
N - iT {(-ΊΓ Ra)Ja + R- r
T
a
'-V )} os
i 1.1 5 γ V
R R4+R5 ref os
R-R
Wenn die Brücke so aufgebaut ist, daß die Gleichgewichtsbedingung der Gleichung (1) mit
erfüllt ist, dann kann aus den Gleichungen (1) und (2) die Drehzahl N wie folgt dargestellt werden;
Die Gleichung (3) zeigt, daß die Drehzahl N nicht wesentlich für den Ankerstrom I ist, der proportional zum Lastdrehmoment ist.
In dieser Schaltung.ist das Verhältnis beziehungsweise AN/AVcc der Drehzahl bezüglich der Änderung der Spannung der Gleichstromquelle 6 wie folgt aus der Gleichung (3) gegeben:
AN _" AN . , , AN . + /AN . (4)
i^-'iV1^ VVr=£ AVccV°s
, ΔΝ > __1_.V^L.Ül (5),
ITUTJlx- Ka R3 AVcc '·· *
AN
AN
R4+R5AVcc
R3 AVcc
Wie oben erläutert wurde, bilden in dieser Anordnung der Transistor 17 zum Einspeisen des Stromes I in die Konstantspannungsschaltung 20 und der Transistor 18 zum Einspeisen des Stromes in den Differenzverstärker aus den Transistoren 23 und 24 Stromspiegelschaltungen mit dem Transistor 16, dessen Strom durch die Konstantstromschaltung 19 gesteuert wird.
Wenn sich die Spannung der Gleichstromquelle 6 ändert, ändern sich die Emitter-Kollektor-Spannungen der Transistoren 17 und·18 in einem gewissen Ausmaß. Als Ergebnis ändern sich durch den voreilenden Einfluß der Transistoren 17 und 18 deren Kollektorströme in einem gewissen Ausmaß, und demgemäß ändern sich die Bezugsspannung V , der Konstantspannungsschaltung 20 und die Verschiebespannung V des Differenz-
OS
Verstärkers aus den Transistoren 23 und 24. Wenn demgemäß
die Anordnung so aufgebaut wird, daß die Änderung der durch die Gleichung (5) angegebenen Drehzahl aufgrund der Änderungen des zur Konstantspannungsschaltung 20 gespeisten Stromes I und die Änderung der durch die Gleichung (6) angegebenen Drehzahl aufgrund der Änderung der Bezugsspannung V f durch die Änderung der Drehzahl aufgrund der Änderung der Verschiebespannung V kompensiert werden, dann kann die Änderung der durch die Gleichung (7) angegebenen Drehzahl aufgrund der Änderung der Spannung der Gleichstromquelle 6 ausgeschlossen oder eliminiert werden. Um für diesen Zweck die Bedingung
ΛΝ =0 (8),
nVcc
zu erfüllen, muß die folgende Bedingung vorliegen: ΔΙ Rr AV^0.= AV
Daher werden die Widerstände 27 und 28 so gewählt, daß sie die Bedingung der Gleichung (9) erfüllen. Durch einen solchen Aufbau kann die Drehzahl des Gleichstrommotors 1 sehr genau unabhängig von Schwankungen oder Änderungen der Spannung der Gleichstromquelle gesteuert beziehungsweise gespiegelt werden.
In einem tatsächlichen Beispiel für Figur 3 betragen die Widerstandswerte der Widerstände 27 und 28 jeweils 170il und 100 Xi, , und für die Schaltung werden die folgenden Daten und Ergebnisse erhalten:
Nennwert der Spannung V 3 V,
Nennwert des Kollektorstromes
des Transistors 16 150 juA,
Nennwert des Kollektorstromes
des Transistors 17 900 pA,
Nennwert des Kollektorstromes
des Transistors 18 500 μΑ,
Widerstandswert des Widerstandes 27 17oJl,
Widerstandswert des Widerstandes 28 100Λ,
(1) Wenn dann die Spannung V auf 1,8 V verringert wird,
CC
dann nimmt die Spannung V den Wert 20,00 mV an, und die
2 2.0ο os
Drehzahl beträgt i£-OO0r U/min.
(2) Wenn die Spannung V__ auf 4 V erhöht wird, dann nimmt die
CC
Spannung V„ 20,o5 mV an, und die Drehzahl beträgt os
2 201 U/min.
Demgemäß beträgt in diesem Beispiel der Nennwert der Drehzahländerung in Prozent je Volt 0,02 %/V.
Wenn dagegen die Widerstandswerte der Widerstände 27 und 28 auf Null eingestellt werden, das heißt, im Falle des Ausführungsbeispiels von Figur 2 mit den gleichen Daten wie im oben erläuterten Fall von Figur 3 mit Ausnahme der Widerstandswerte der Widerstände 27 und 28, werden die folgenden Ergebnisse erhalten:
(1) Wenn die Spannung V auf 1,8 V verringert wird, dann
CC
beträgt die Drehzahl 2 200 U/min.
(2) Wenn die Spannung V auf 4 V erhöht wird, dann beträgt
CC
die Drehzahl 2 215 u/min.
Demgemäß ist in diesem Beispiel von Figur 2 der Nennwert der Drehzahländerung in Prozent je Volt gegeben durch o,31 %/V.
Das heißt, durch Einfügen der geeigneten Widerstände 27 und 2 8 in die Emitterstrecken der aktiven Lasttransistoren 25 und 26 wird die Änderungsrate der Drehzahl des Motors um 0,29 %/V verbessert.
Im allgemeinen streuen in integrierten Halbleiterschaltungen
die Absolutwerte von darauf vorgesehenen Widerständen an sich in einem beträchtlich weiten Bereich. Es ist jedoch nicht so schwierig, das Streuen von Verhältnissen von Widerstandswerten der Widerstände in einem monolithischen Halbleiterchip möglichst klein zu machen, indem genau das Verhältnis der Widerstandswerte ausgelegt wird, und weiterhin ist das Streuen der Temperatureigenschaften der Bauelemente auf einem monolithischen Halbleitersubstrat relativ; gering. Indem daher genau die Widerstandswerte der Widerstände 27 und 28 und außerdem der Widerstände 3 und 4 zusammen mit den anderen Bauteilen der Anordnung auf dem gleichen monolithischen Substrat der integrierten Schaltung ausgelegt werden, kann eine Drehzahlregelanordnung mit hoher Genauigkeit und Stabilität für Gleichstrommotoren erhalten werden.
AH
Leerseite

Claims (3)

  1. Patentansprüche
    Drehzahlregelanordnung für Gleichstrommotor mit
    (a) einer Brückenschaltung, in deren einem Arm der Gleichstrommotor liegt, um an ihren Fühleranschlüssen eine Spannung proportional zur Gegen-EMK des Gleichstrommotors zu erzeugen,
    (b) einer Bezugsspannungseinrichtung zum Erzeugen einer Bezugsspannung, durch die die Drehzahl des Gleichstrommotors gesteuert ist,
    (c) einem Differenzverstärker zum Verstärken der Signaldifferenz zwischen der Bezugsspannung und einer drehzahlabhängigen Spannung,
    (d) einer Stromsteuereinrichtung zwischen der Gleichstromquelle und der Brückenschaltung zum Steuern des Stromes des Gleichstrommotors aufgrund eines Ausgangssignales des Differenzverstärkers ,
    gekennzeichnet durch
    (e) einen ersten Transistor (16), einen zweiten
    Transistor (17) und einen dritten Transistor (18), von denen der zweite und der dritte Transistor (17, 18) Stromspiegeltransistoren bezüglich des ersten Transistors (16) bilden, wobei der zweite Transistor (17) zwischen der Gleichstromquelle (6) und der Bezugsspannungseinrichtung (20) und der dritte Transistor (18) zwischen der Gleichstromquelle (6) und dem Differenzverstärker (23, 24) liegen, und (f) eine Konstantstromeinrichtung (19) zwischen der Gleichstromquelle (6) und dem ersten Transistor (16), um dessen KoIlektorstrom auf einen konstanten Wert zu steuern.
  2. 2. Drehzahlregelanordnung für Gleichstrommotoren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verschiebespannungsgeneratoreinrichtung (27, 28) zum Anlegen einer auf einer Änderung der Spannung der Gleichstromquelle (6) beruhenden' Verschiebespannung an den Differenzverstärker (23, 24), um dadurch eine Drift der Drehzahl durch eine Änderung der Spannung der Gleichstromquelle (6) zu kompensieren.
  3. 3. Drehzahlregelanordnung für Gleichstrommotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vierten Transistor (25) und einen fünften Transistor (26) , die mit ihren Kollektoren jeweils an die Kollektoren von Transistoren des Differenzverstärkers (23, 24) angeschlossen sind, wobei die Basisanschlüsse des vierten und des fünften Transistors (25, 26) jeweils am Kollektor des vierten Transistors (25) liegen, und
    einem ersten Widerstand (27) und einem zweiten Widerstand (28), die zwischen den Emittern des vierten Transistors (25) und des fünften Transistors (26) und der negativen Klemme (g) der Gleichstromquelle (6) liegen, wobei der erste Widerstand (26) und der zweite Widerstand (28) voneinander verschiedene Widerstandswerte haben.
DE3208276A 1981-03-18 1982-03-08 Drehzahlregelanordnung für einen Gleichstrommotor Expired DE3208276C2 (de)

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