DE3228505C2

DE3228505C2 - Schaltungsanordnung für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE3228505C2
Application number: DE3228505A
Authority: DE
Inventors: Teruo Mitaka Tokio/Tokyo Iwasawa
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1981-08-12
Filing date: 1982-07-30
Publication date: 1984-08-02
Also published as: DE3228505A1; US4510423A; JPS5829385A

Abstract

Bei einer Steueranordnung für einen Motor (10) zur Erzielung einer Rotation mit einem vorgegebenen Drehmoment (T) und einer vorgegebenen Rotationsgeschwindigkeit (N), wobei der Motor (10) eine Gegen-EMK (Ea) erzeugt, deren Größe von der Rotationsgeschwindigkeit (N) abhängt, mit einer mit dem Motor (10) gekoppelten Detektionseinrichtung (22) für die Gegen-EMK (Ea) zur Erzeugung eines ersten Signals (E20), dessen Amplitude der Gegen-EMK (Ea) entspricht, mit einer Detektionseinrichtung (24) für die Rotationsbewegung des Motors (10) zur Erzeugung eines zweiten Signals (Vo), dessen Amplitude der Rotationsbewegung entspricht, mit einer Verknüpfungsschaltung (30) für das erste und zweite Signal (320, Vo) zur Erzeugung eines von dem ersten und zweiten Signal abhängigen dritten Signals (E28) und mit einer Steuerung (18) für den Antriebsstrom (I ↓M) des Motors (10), dessen Größe dem dritten Signal (E28) entspricht, wird ein festes, von der Rotationsgeschwindigkeit des Motors unabhängiges Drehmoment dadurch erzeugt, daß der Motor (10), die Detektionseinrichtung (22), die Detektionseinrichtung (24), die Verknüpfungsschaltung (30) und die Steuerung (18) eine negative Rückkopplungsschleife bilden, die eine Proportionalität des zweiten Signals (Vo) zum Produkt (NT) der Rotationsgeschwindigkeit (N) und des Ausgangs-Drehmoments (T) herstellt und daß die Detektionseinrichtung (24) das zweite Signal (Vo) proportional zur Rotationsgeschwindigkeit (N) ändert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Elektromotor zum Erzielen einer Rotation mit einem vorgegebenen Drehmoment und einer vorgegebenen Drehzahl, mit einer die vom Motor erzeugte Gegen-EMK abtastenden Detektionseinrichtung zum Erzeugen eines der Gcgcn-EMK proportionalen ersten Signals, mit einem Drehzahlfühler zum Erzeugen eines der Drehzahl proportionalen zweiten Signals, mit einer Verknüpfungsschaltung für das erste und zweite Signal zum Erzeugen eines von dem ersten und zweiten Signal abhängigen dritten Signals und mit einer Steuerung für den Aniricbsstrom des Motors, dessen Größe dem dritten Signal entspricht.

Für den Bandtransport bei Bandgeräten ist eine gleichmäßige Rotation mit einer geringen Änderung des Drehmoments erwünscht. Eine Änderung bzw. Wclligkeil des Drehmoments verursacht Gleichlauf — und damit Tonhöherisehwankungcn. Eine geeignete Methode zur Verringerung der Gleichlaufschwankungen besteht in der Verwendung eines Schwungrades mit einer großen trägen Masse. Die Verwendung eines großen Schwungrades verhindert jedoch die Reduktion der Größe und des Gewichtes eines Bandgerätes, verlangsamt die Reaktion auf die Start-/Stop-Funktion und erhöht die Produktionskosten. Daher besteht ein erhebliches Bedürfnis, die gewünschte Gleichlaufcharakterislik mit einem nur kleinen Schwungrad oder, wenn möglich, völlig ohne Schwungrad zu er/iclcn. Der beste Weg, die Welligkeil des Drehmoments des Motors so klein wie möglich zu halten, besteht darin, ein konstantes Drehmoment des Motors zu erzeugen.

bo Die Forderung nach einer Reduktion der Wclligkeit des Drehmomentes ist nicht nur für einen Motor gegeben, der mit einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit, wie beispielsweise ein Capstan-Motor, umläuft. Ein anderer Motor, bei dem die Reduktion der Welligkcil ties Drehmomentes erwünscht ist. ist der Plattenantricb. bei dem die Rotationsgesehwindigkeil nach innen hin zunimmt, so daß die Tangentialgeschwindigkeit konstant ist. Kin derartiger Antrieb wird bei einem optischen Platlcnsystcm zur Aufnahme und Wiedergabe von digitalen

b5 Signalen verwendet, wie es kürzlich auf den Markt gebracht worden ist. I Im eine glatte Rotation in dem System zu erhalten, muß das Drehmoment des Motors unabhängig von der Variation der Kotaiimisgcschwindigkeit konstant gehalten werden. Darüber hinaus wurden Motoren ohne Welligkeiten des Drclimomcnls hiiufig dort erwünscht, wo eine Mehrzahl von konstanten Geschwindigkeiten benötigt werden. Steuersysteme, die die

Wenigkeit des Drehmomentes vermeiden, sind bisher nicht bekanntgeworden.

Aus der Zeitschrift »CONTROL« Bd. 12, Dezember 1968, Seiten 1037 — 1040, insbesondere Figur 7, ist eine Steueranordnung für einen Elektromotor bekannt, bei dem ein das Drehmoment charakterisierendes Signal als Rückkopplungssignal dient. Dadurch soll die Drehgeschwindigkeit direkt proportional zu der Steuerspannung werden.

Durch die DE-AS 20 21 507 ist es bekannt, zur Regelung auf eine vorgegebene Drehzahl ein erstes Signal, dessen Amplitude derGegen-EMK entspricht, und ein zweites Signal, dessen Amplitude der Rotationsgeschwindigkeil entspricht, zu einem dritten Signal zu verknüpfen und dieses zur Regelung zu benutzen. Diese Verknüpfung ist eine Schutzmaßnahme für den Motor bei Ausfall derTachospannung.

In der DE-AS 20 64 401 ist eine Regelschaltung beschrieben, bei der die vom Rotor erzeugte Gegen-EMK als Meßwert in einer Meßbrücke festgestellt wird. Auch bei dieser Schallung gehl es um die Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art ist in der nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentiiehten JP-OS 57-1 62 990 beschrieben. Mit dieser Schaltungsanordnung soll die Rotation des Motors mit einem vorgegebenen Drehmoment und einer vorgegebenen Drehzahl erreicht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Schaltungsanordnung zu erstellen, durch die der Motor mit einem festen Drehmoment unabhängig von der Drehzahl des Motors betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Motor, die Detektionseinrichtung, der Drehzahlfühler, die Verknüpfungsschaltung und die Steuerung eine Gegenkopplungsschleife bilden, die den Antriebsstrom so steuert, daß das Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment proportional dem zweiten Signal wird.

Bei der erfindungsgemäßen Steueranordnung wird das Produkt NT der Drehzahl N des Motors und des Ausgangs-Drehmoments Tso geregelt, daß es proportional zu einem vorgegebenen Signal Vo ist. Das Signal Vo ist seinerseits proportional zur Drehzahl N(NT = k 1 Vo und N = Ic2 Vo, wobei k 1 und k2 Proportionalitätskonstanten sind; hieraus ergibt sich T= k 1 VoIN = k 1 Vo/k L· Vo = k l/Ar 2). Demgemäß ist das Ausgangs-Drehmoment Γ konstant (k Mk2) und unabhängig von der Drehzahl N. Demzufolge können die Gleichlaufschwankungen ohne Vergrößerung der trägen Masse des rotierenden Systems des Motors vermindert werden. Durch die Erfindung kann der Antrieb klnin und leicht gehalten werden, wobei darüber hinaus ein schnelles Ansprechen auf Start und Stop gewährleistet ist.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt

Fi g. 1 eine schematische Darstellung eines Gleichstrommotors mit einem Anker mit 3 Wicklungen in Sternschaltung.

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, J5

F i g. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel des Drchzahlfühlcrs in der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 2,

F i g. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel des Drchzahlfühlers.

F i g. 5 und 6 Abwandlungen von Schaltungsar.ordnungen gemäß F i g. 2,

F i g. 7 eine grafische Darstellung zur Verdeutlichung der Änderung eines zweiten Signals Vo in Abhängigkeit von einer Belastungsändcrung in der Schaltungsanordnung aus F i g. 6.

Fig. I zeigt einen mit Konstantstem angetriebenen Mf-'.or 10. Der Motor 10 ist als Gleichstrommotor mit einem dreipoligen Anker in Sternschaltung ausgebildet und weist Ankerwicklungen 12| bis 12), Kommutatorlamellen 14| bis 14j und Bürsten 16j und 16? auf. Ein Antriebsstrom Im, der von einer Stromquelle 18 geliefert wird, fließt durch die Bürste I61 und die Lamelle 14i zur Wicklung 12|. Von dort fließt der Strom weiter durch die Wicklung 122, durch die Lamelle 14_>unddie Bürste I62 zur Stromquelle 18 zurück.

Im Ausführungsbeispiel ist di.r Winkel zwischen den Bürsten 16, und I62 180" und das (nicht dargestellte) magnetische Feldsystem ist ein 2-Pol-System aus Nordpol N und Südpol 5. Der Winkel zwischen den in Sternschaltung verbundenen Wicklungen 12i bis 12) beträgt 120°'. Die magnetischen Feldstärken, die durch die jeweiligen angeregten Wicklungen 12| bis 121 erzeugt werden, sind mit H 1 bis H 3 bezeichnet. Zwischen den Bürsten I61 und 16i\.ird eine Gegen-EMK £';i erzeugt, für die die nachstehende Gleichung gilt:

La = KiN(H] + λ/2 + λ/3) ('.)

In diesjr Gleichung (1) bezeichnet Ndie Drehzahl des Motors (10) und K 1 eine Proponionalkonstante. Diese Gleichung ergibt sich aus der Lenz'schcn Regel. Das Ausgangs-Drehmomeni 7"des Motors 10 ergib· sich zu

7= K2 ■ UJHI + H2 + λ/3) (2)

wobei Im ein Ankerstrom und K 2 eine Proporlionalilätskonstantc sind. Diese Gleichung ergibt sich aus der Flemingschen Links-Hand-(3-Finger-)Regcl. In der Gleichung (2) ändern sich die elektromagnetischen Feldstärken λ/1 bis λ/3 mit einer Variation der Magnetisierung des Fcld-Klcktromagneten und mit der Drehwinkelstellung des Ankers. Demzufolge ist das jeweilige Ausgangs-Drchniomcni auch dann nicht kon.sf.nl. wenn der Strom Im konstant ist.

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, mit der die Motor-Ausgangsgröße /VTund das Ausgangs-Drehmoment Tkon&tart gehalten werden. Der Motor 10 ist mit einem Ende 2 über einen Widerstand R 20 geerdet. Das andere Ende 1 des Motors 10 liegt über Widerstand..· R 30 und R 40 an Masse. Der Verbindungspunkt zwischen dem Motor 10 unü dem Widcrsund R 20 ist mit dem invertierenden Eingang eines Verstärkers 20 verbunden. Der Vcrbindungspunki zwischen den Widerstanden R 30 und /?40 liegt am nicht invertierenden Eingang des

Verstärkers 20. Der Ausgang des Verstärkers 20 ist mit dein X-Eingang einer Tcilcrschaltung 26 verbunden. An den V-Eingang der Tcilcrschaltiing 26 ist eine Drehzahl-Meßschaltung 24 angeschlossen. Der Ausgang der Tcilerschaltung 26 ist mit dem invertierenden (Eingang eines Verstärkers 28 verbunden. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 28 ist verbunden mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 20. Der Ausgang des Verstärkers 28 liegt an der Basis eines PNT-Transistors Q 18. An dem Emitter des Transistors ζ) 18, dessen Kollektor mit dem anderen Ende I des Motors IO verbunden !.·.!. liegt eine Spannungsquclle + Vcc.

Für die Funktion der Schaltung ist der Widerstand /wischen den Klemmen 1 und 2 des Motors 10, der mit R 10 bezeichnet ist. von Bedeutung. A? 10 bis λ? 40 sind so dimensioniert, daß sie die Folgende Gleichung erfüllen:

ίο Λ 10 /?40 = R 20 /? 30 (3).

Es wird vorausgesetzt, dali der Eingangswidcrsland der Verstärker 20 und 28 sowie der Kollektor-Ausgangswiderstand des Transistors Q 18 praktisch unendlich sind. Der durch die Gegcn-EMK £;i des Motors 10 durch die Widerstände R 10 bis R 40 fließende Strom la ist:

la - Ei/(7? 10 + R 20 + R 30 + R 40) (4).

Das Poicr.iiii! cisics iiiver'.ier!·»'« Kingarigssignals /·" 10 <lrs Vi-rstärkers 20 und das Potential eines nicht invertierten Eingangssignals £ 12 sind:

£10 = -LiR 20 (5)

E 12 = InR 40 (b).

Die Eingangsspanniing £12 -EIO (l)ifferenzsignal). die auf den Verstärker 20 gelangt, kann von den Gleichungen (4) und (6) abgeleitet werden /u:

£12- £10 = /.IfK 20 + K 40)

= Ea(R 20 + R 40)/(R 10 + R 20 + R 30 + R 40) (7).

Durch Einsetzen der Gleichung (3) ergibt sich aus Gleichung (7):

£12 - £10 = Ea/(\ + K30/K40) = K 3 £;i (8).

H wobei K 3 die Konstante 1/(1 + R 30//? 40) zusammenfaßt.

Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 20 sei A 1. Da das Diffcrcnzsignal E 12 — £ 10 in Gleichung (8) auf den Verstärker 20 gegeben wird, ergibt sich das Ausgangssignal des Verstärkers 20, d. h. ein erstes Signal £20, zu

£20 = A 1 K 3 · Eu (9).

Das Signal £20 wird als Nenner ,V auf die Teilerschaltung 26 geleitet. Das zweite Signal Vo von dem Drehzahlfühler 24 wird als Zähler VdcrTeüersehaltung 26 benutzt. Eine genauere Schaltungsbcschrcibung der Detektorschaltung 24 erfolgt unten. Die Tcilcrschaltung 26 führt die Division Y/X durch und erzeugt ein geteiltes Signal £26. das sich ergibt zu:

£26 = VoZ(A 1 K 3 En) (10).

Die Signale £26 und £10 sind F.ingangssignalc für den Verstärker 28. Der Verstärker 28 verstärkt die Signaldifferenz £ 10 — £26 und erzeugt ein drittes Signal £28. Das dritte Signal £28 gelangt auf die Basis des Transistors Q ίό. Der Transistor Q 18 versorgt den Motor 10 mit einem Antriebsstrom /«. dessen Amplit.de umgekehrt proportional zu dem Potential des Signals £28 ist.

Die Widerstände /?20 bis R 30 und der Verstärker 20 bilden eine erste Schaltung 22 zur Messung der Gegen-EMK Ea des Motors 10 und Erzeugung eines ersten Signals £20. Der Drehzahlfühler 24 bildet eine zweite Schaltung, die die Drehzahl Λ/dcs Motors 10 mißt und ein zweites Signal Vo erzeugt. Die Teilerschaltung 26 und der Verstärker 28 bilden eine dritte Schaltstufe 30, die in Abhängigkeit von den ersten und zweiten Signalen £20 und Vo ein drittes Signal £28 erzeugt. Der Transistor Q 18 bildet eine vierte Schaltstufe 18 zur Steuerung des Antriebsstroms Im für den Motor mit einer Amplitude, die dem dritten Signal £28 entspricht.

Wenn die Drehzahl N des Motors 10 von einem Ausgangsweri ansteigt, erhöht sich auch die Gcgen-EMK Ea (Gleichung (1)). Dadurch wächst das Eingangssignal £ 12 — £ 10 des Verstärkers 20, so daß das erste Signal £20. mi das als Nenner Λ der Teilersehaltung 26 fungiert, ebenfalls anwächst (Gleichungen (8) und (9)). F-s wird vorausgesetzt, daß die Zunahme des ersten Signals £20 beim Anwachsen der Umdrehungsgeschwindigkeit N größer ist als die Zunahme des zweiten Signals Vo. das als Zähler V für die Tcilcrschallung 26, benutzt wird, d. h. dE20/dN > dVo/dN. Mit der Zunahme des Signals £20 nimmt das geteilte Signal £26 ab (Gleichungen (9) und (10)). Dadurch wächst das Eingangssignal £10 — £26 des Verstärkers 28, so daß das Potential des dritten b-'i Signals £28 ansteigt. Beim Ansteigen des Potentials des dritten Signais £28 nimmt der Basisslrom des Transistors Q 18 ab. und der Antriebsstrom la nimmt ebenfalls ab. Durch das Absinken des Stroms Im verringert sich die Drehzahl N des Motors 10. Auf diese Weise wird eine Verschiebung der Drehzahl von einem Au.sgangswert aufgehoben.

Der Motor 10, die Dc'ektionseinrichtung 22. der Dreh/.ahlfühler 24. die Verknüpfungsschaltung 30 und die .Steuerung 18 bilden eine geschlossene negative Rückkopplungsschleife. In der negativen Rückkopplungsschleife wird, wenn der Verstärkungsfaktor des die Differenzschaltung verkörpernden Verstärkers 28 extrem groß ist, die Differenz /:' 10 — /:'26 /wischen dein nicht invertierten Kingangssignal und dem invertierten Eingangssignal des Verstärkers 28 fast auf Null reduziert. (Dies ist eine allgemeine Eigenschaft einer negativen Rückkopplungsschaltung mit einer hohen Rückkopplung.) Daher gilt im wesentlichen:

£10 = £26 (II). \

Die Gleichung (11) wird realisiert, wenn als Verstärker 28 ein Operationsverstärker (der im allgemeinen einen io i Verstärkungsfaktor von 80 dB oder nienr aufweist) verwendet wird. Durch Einsetzen der Gleichung (5) und (10) ί

in die Gleichung (11) ergibt sich: >

-la ■ R20 = Vo/A 1 K 3 En (12).

Bei einer festen Molorbelasiung isi die Amplitude des Aniriebsstroms Im proportional zur Amplitude der Gegen-EMK Ea, und die Amplitude des Stroms In ist proportional zur Amplitude der Gegen-EMK Ea. Daher gilt:

-la = K4 ■ Im (13). :o

wobei K 4 ein konstanter Proportionalfaklcr ist. Das negative Vorzeichen des Stroms In bezeichnet die Richtung der Gegen-EMK.

Bildet man den Quotienten von Gleichung (I) und Gleichung (2). ergibt sich:

Eo_ ₌ _Ä1_ _N_ (Hi +Hl+ H3) ₌ K\_ _N_ !

T Kl Iu (H\ +Hl+ //3) Kl I_M ' ^[

Daraus ergibt sich: f

Ea = (KUK 2)NT/h, (14). ^;j

Durch Kombination der Gleichung (13) und (14) mit Gleichung (12) ergibt sich nach geeigneter Umformung: j,

Vo = A\ ■ R 20(K 1 K 3 ■ K4IK 2)NT %

= K 5 ■ NT (15). 'ξ

wobei/C 5 die Konstante A 1 · R20(k\ ■ K 3 · K 4IK 2) bezeichnet. g

Die Gleichung (15) zeigt, daß die negative Rückkopplungsschleifedas Produkt NTdcr Umdrehungsgeschwin- S>

digkeit N und des Ausgangs-Drehmoments 7"proportional zum /weiten Signal Vo macht. Da das Produkt NT jS

die von dem Motor 10 erhaltene Ausgangsgröße angibt, wird die Ausgangsgröße NTucs Motors 10 automatisch ·ίι

auf der Basis des zweiten Signals Vo geregelt. 45 $

Wenn der Drehzahlfühler 24 das zweite Signal Vo proportional /ur Drehzahl Λ/des Motors 10 erzeugt, gilt:

Vo= K 6 /V (16),

wobei K 6 ein konstanter Proportionalfaktor ist. Durch Einsetzen der Gleichung (Ib) in Gleichung (15) ergibt sich:

K 6 N = K 5 · NT.

und somit:

T= K6/K5 (17).

Gleichung (17) ergibt, daß das Ausgangs-Drehmoment Γ unabhängig von der Drehzahl N konstant ist. Mit anderen Worten rotiert der Motor stetig und schwankungsfrei bei jeder Rotationsgeschwindigkeit. bo

Voraussetzung für die Gleichung (17) ist die Gültigkeit der Gleichung (Ib). Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, mit dem die Gültigkeit der Gleichung (16). d. h. eine lineare Proportionalität zwischen Vo und N, erfüllt wird. Der Motor 10 ist hier mit einem Frcquenzgeneraior FG 24i gekoppelt. Ein Ausgangssignal £30 des Frequenzgenerators FG 24i gelangt auf einen Frequcnz-Spannungs-Konverier (oder Digital-Analog-Konverter) 242. Ein Ausgäügssignai £32 des Konverters 24_. wird mit einem veränderbaren Widerstand VT? 24 span- b5 nungsgeteilt und stellt das zweite Signal Vo dar. Da der Frequenzgenerator FG 24! ein Ausgangssignal £30 mit einer Frequenz, die proportional zu der Drehzahl N des Motors IO ist. erzeugt, ist das zweite Signal Vo proportional zur Drehzahl N. Der veränderbare Widerstand VR 24 beeinflußt die Amplitude des zweiten Signals

Vo. Demzufolge kann der Ausgangswert NT des Motors 10 mil Hilfe dir* veränderbaren Widerstands W? 24 eingestellt werden, wie der Gleichung (15) zu entnehmen ist.

Wenn das Ausgangs-Drehmoment Tdcs Motors 10 delektiert wird, um das /weite Signal Vo zu bilden, gilt die folgende Relation:

Vo-Kl T (IbA),

wobei K 7 tki konstanter Proportionalitätsfaktor ist. Durch Einsetzen der Gleichung (16A) in Gleichung (15) ergibt sich:

K 7 · T - K 5 · NT, und somit: N- K7/K5 (17A).

Die Gleichung (17A) zeigt, daß die Drehzahl N unabhängig von dem Ausgangs-Drchmomcnt Tfestgelegt ist. Wenn also das zweite Signal Vo proportional zum Ausgangs-Drehmomeni Tist, wird eine festgelegte Drehzahl des Motors 10 erhalten, die in geeigneter Weise geändert werden kann.

Fig.4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel zur Erfüllung der Gleichung (Ib). Die Ausgangsklcmme des Verstärkers 20 ist über einen veränderbaren Widerstand VR 24 mil dem V-Eingang der Tcilerschaltung verbunden. Das erste Signal E20 dieses Verstärkers 20 ist proportional zur Gcgen-EMK. Ea des Motors 10 (Gleichung (9)). Die Gegen-EMK Ea ist proportional zur Drehzahl N des Motors 10 (Gleichung (I)). Ein zweites Signal Vo. das von dem Abgriff des variablen Widerstands VR 24 abgenommen wird, ist proportional zur Drehzahl N (Gleichung(16)).

Das Ausgangs-Drehmoment T(oder der Ausgangswcrl NT) des Motors 10 kann in geeigneter Weise durch den variablen Widerstand VR 24 eingestellt werden.

F i g. 5 zeigt eine Modifikation des AusfUhrungsbeispicls aus F i g. 2. Der Ausgang des Verstärkers 20 ist mit

dem X-Eingang einer Multiplizierstufe 27 verbunden. Der V-Eingang der Multiplizierstufc 27 ist an den invertie renden Eingang des Verstärkers 20 angeschlossen, und sein Ausgang ist mit dem invertierenden Eingang des

Verstärkers 28 verbunden. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 28 ist über einen veränderbaren Widerstand VR 24 mit dem Ausgang des Verstärkers 20 verbunden.

Das erste und zweite Signal E 20 und E10 wird jeweils auf einen der Eingänge der Multiplizierstufc 27 geleitet. Die Multiplizierstufe 27 erzeugt ein Signal F27.

E27 - ElO · E20 (18)

Aus den Gleichungen (5) und (13) folgt:

EiO-KA-RTO-U, (19).

Weiterhin ergibt sich aus den Gleichungen (9) und (14):

E20 - Al(Ki K 3/K 2)NT/lu (20).

Durch Einsetzen der Gleichungen (19) und (20) in Gleichung (18) ergibt sich das multiplizierte Signal E27 zu E 27 - A 1 · R 20(K 1 · K 3 · K AIK I)NT

- K 8 · NT (21).

Die anhand der F i g. 2 erwähnte negative Rückkopplungsschleife existiert auch in der in F i g. 5 dargestellten Schaltung. Durch die Wirkung der negativen Rückkopplung nähert sich die Signaldiffcrenz Vo- E27 infinitesimal an Null an. Daher gilt dann:

Vo « E 27 (22).

Durch Einsatz der Gleichung (21) in Gleichung (22) ergibt sich:

Vo=Ki NT (23).

Gleichung (23) weist eine identische Form mit Gleichung (15) auf. Demzufolge kann auch in der Anordnung

der F i g. 5 der Ausgangswert NT des Motors 10 durch das /weile Signal Vo geregelt werden. In der in F i g. 5 dargestellten Anordnung ist — ebenso wie in der Anordnung in 1·" i g. 4 — das zweite Signal Vo proportional zur

Drehzahl Λ/des Motors. Daher ist die Gleichung (16) erfüllt, und das Ausgangs-Drehmoment Γ des Motors 10

b5 kann unabhängig von der Drehzahl festgelegt werden.

Die bisherigen Überlegungen beziehen sich auf den Fall, daß keine Bclaslungsändcrung für den Motor becücksichtigt wird. Wenn die Belastung fest ist. kann der Motor-Ausgangswert NT, der für eine gewünschte Rotationsgeschwindigkeit N erforderlich ist. konstant sein. Um eine feste Drehzahl N unabhängig von einer

?elaslungsvarialion zu erhalten, ist die Änderung des Ajsgangswerls NTmW der ßelasiungsvarialion erforderich. Demzufolge ist es notwendig, das zweite Signal Vo entsprechend der Bclastungsvariation für die Geschwin-Jigkeitskcntrolle des Motors zu verändern, wie Gleichung (15) zn entnehmen ist. Dies kann durch Drehen des variablen Widerstands VR 24 entsprechend der Belaslungsvariation oder durch F.rsei/.en des Widerstands VR 24 jurch eine automatische VeislärkungsregelunpSschaltung gesehclien. wenn die automatische Verstä'rktingsrcgc· -> ungsschi'.ltung (AGCyentsprechcnd der Bclastungsvariation gesteuert wird.

l^: i g. b zeigt eine Anordnung zur Änderung des /weiten Signals Vo entsprechend der Belastungsvariation für den Motor 10. Das Ende 2 des Motors IO ist mit dem nicht invertierten Eingang eines Verstärkers 32 über eine Referenzspannung V_|V für die Geschwindigkeitsregulicrung verbunden. An den nicht invertierten Eingang des Verstärkers 32 ist die andere Klemme 1 des Motors 10 über einen Widerstand R 15 angeschlossen. Dieser Eingang ist über einen Widerstand R 60 an Masse gelegt. Ein Filicrkondensator 34 zur Glätlung von Welligkeitcn liegt zwischen dem Anschluß 2 des Motors 10 und einem Verbindungspunki der Widerstünde R 50 und R 60. Der (niederohmige) Ausgang des Verstärkers 32 ist über Widerstünde R 70 und R 80 mit einer niederohmigen KonstantspannungsqucHe Vr verbunden. Das zweite Signal Vo ist am Verbindungspunkt zwischen den Widerstanden R 70 und R 80 abnehmbar. ι j

Wenn die Belastung des Motors 10 ansteigt und die Drehzahl abnimmt, nimmt auch die Gegen-EMK Ea des Motors ab und das Potential des Signals F. 10 steigt (Gleichungen (1), (4) und (5)). Dadurch nimmt die positive Eingangsspannung des Verstärkers 32 zu, so daß die Ausgangsspannung Vs hochgeht. Ein Ansteigen der Ausgaiigs.spa'iiiuiig V* füiiii ?.ü einem Ansteigen des Signals Vo, das als Zähler des Quo.icr.icrs Y/X fungiert. Dadurch steigt das Potential des dividierten Signals £26 an, wodurch das dritte Signal £28 abfällt. Daraus 2» resultiert ein Ansteigen des Antriebsstroms Im. und das Ausgangs-Drehmoment T wächst (Gleichung (2)). Der Ausgangswert /vTdes Motors wird daher groß. Das Ansteigen des Ausgangswertes kompensiert das Absinken der Drehzahl Ndurch das Ansteigen der Belastung. Beim Starten des Motors 10. wenn N klein (fast Null) ist, ist Ks groß. Wenn umgekehrt der Motorausgangswert NT/u groß ist. ist Kv klein.

Bezeichnet man den Strom,der von dem Verstärker32zu den Widerständen R 70 und R 80 fließt, mit /r.gilt:

Vs = Vo+ Ir- R 70 (24)

Ir = (Vs- Vr)Z(R 70 ^ Riß) (25).

Durch Einsetzung der Gleichung (25) in Gleichung (24) und geeigneter Umformung ergibt sich:

Die grafische Darstellung der Gleichung (2b) ist in F i g. 7 durch eine durchgezogene Linie dargestellt. Diese Linie verschiebt sich in Richtung der gestrichelten Linie, wenn das zweite Signal Vo ansteigt, wobei eine feste Steigung —R70IR80beibehalten wird.

Wenn in F i g. 6 R 30 = R 50. R 40 = R 60 und V_n = 0 ist. ist das Eingangs- Differcnzsignal des Verstärkers 20 gleich dem Eingangs-Differenzsignal des Verstärkers 32.

Daraus ist erkennbar, daß die Amplitude des Ausgangssignals Ks des Verstärkers 32 proportional zum Ausgangssignal £20 des Verstärkers 20 ist. also | Vs] prop. |£20|. Aus den Gleichungen (1) und (9) ergibt sich dann:

£20= AXKX- K3/H 1 + Hl + //3)A/prop. N (27).

Dementsprechend ist:

Ks = K9- N [IZ).

wobei K 9 eine Proportionalitätskonstante mit der Größe

AX ■ KX ■ K3(HX + Hl + H3)

in Gleichung (27) ist

In der Anordnung der F i g. 6 ist gleichzeitig eine Detektionsschaltung für den Motor-Ausgangswert in Form bo der Widerstände R 20 bis R 40 und des Verstärkers 20 und eine Detektionsschaltung für die Motorgeschwindigkeit mit den Widerständen R 20, R 50 bis R 80 und dem Verstärker 32 enthalten. Ein Anteil der Motor-Ausgangsregelung zu der Motor-Geschwindigkeitsrcgelung ist durch die Widerstände R 70 und R 80 und die Spannung Vr bestimmt. Wenn beispielsweise R 70/R 80 unendlich ist, gilt

Vr= Vo= KS- A/7(Gleichung(15)),
und die Ausgangsregelung wird durchgeführt. Wenn R 70/R SO = 0 gilt, ist

30

35

Vo = Vs = K 9 · /V(Gleichung(28)).

und es findet eine Geschwindigkeitsregelung statt. Wenn 0 < R 70/R 80 < <», ist Vo eine Funktion der Parame- _;;

ler N und NT. y

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Der Motor 10 ^

muß nicht ein Gleichstrommotor mit Anker in Sternschaltung sein, grundsätzlich ist für die Erfindung jeder ^

Motor verwendbar, dessen Gegen-EMK Ea durch die Rotation des Rotors gebildet wird und dessen Ausgangs- Sf

Drehmoment Tproportional zum Antriebsstrom hi ist. Während in den dargestellten Ausführungsbeispielen die ψ-

vierte Schaltungsstufe 18 durch eine Konstantstromquelle mit einem Kollektoranschluß gebüdet ist, kann g

grundsätzlich als vierte Schaltstufe jede Schaltung benutzt werden, die den Antriebsstrom Im mit einer Amplitu- f

de, die dem dritten Signal £28 entspricht, auf den Motor leitet. Eine Brückcnschaitung, die den Motor 10 zur ';

Ermittlung der Gegen-EMK Ea des Motors enthält, kann durch jede andere Anordnung ersetzt werden. In "--

F i g. 3 kann beispielsweise ein der Gegen-EMK Ea entsprechendes Signal vom Ausgang £30 des Frequenz-Generators FG7A\ abgenommen werden. Die Drehgeschwindigkeit des Motors kann unter Verwendung eines Hall-Elements, das auf eine durch die Rotation des Motors bedingte Veränderung des magnetischen Feldes reagiert, gemessen werden.

Die Tfcilerstufe 26 und die Multiplizierstufc 27 können sowohl digital als auch analog arbeiten. Da die Arbeitsgenauigkeit der Teilerstufc im praktischen Gebrauch nicht so streng genommen werden muß, kann eine analoge Teilerstufe (oder Multiplizierstufe) mit einem einfachen logarithmi.schen Wandler, einer Subtrahierstufe (oder Addierstufe) und einem exponentiellcn Wandler verwendet werden. Der veränderbare Widerstand VR 24. der in F i g. 3 dargestellt ist, kann beispielsweise durch eirse elektronische Därnpfschalfjng mit einem Feldeffekttransistor FET oder einem Fotokoppler ersetzt werden, der durch eine Leuchtdiode LED und einer CdS-ZeIIe gebildet ist, deren Innenwiderstand durch ein aui die LDS geleitetes Regclsignal gesteuert wird.

Hier/.u 5 Blatt Zeichnungen

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Claims

Paicntansprüchc:

1. Schaltungsanordnung für einen Elektromotor (10) zum Erzielen einer Rotation mit einem vorgegebenen Drehmoment (T) und einer vorgegebenen Drehzahl (N), mit einer die vom Motor (10) erzeugte Gegen-EMK (Ea) abtastenden Detektionseinrichtung (22) zum Erzeugen eines der Gegen-EMK (Ea) proportionalen ersten Signals (£20). mit einem Drch/ahlfühler'(24) zum Erzeugen eines der Drehzahl proportionalen zweiten Signals (Vo). mit einer Verknüpfungsschaltung (30) für das erste und zweite Signal (£20, Vo) zum Erzeugen eines von dem ersten und zweiten Signal abhängigen dritten Signals (£28) und mit einer Stev°rung (18) für den Antriebsstrom (Im) des Motors (10). dessen Größe dem dritten Signal (£28) entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10). die Dcickiionseinrichtung (22), der Drehzahlfühler (24), die Verknüpfungsschallung (30) und die Steuerung (18) eine Gegenkopplungsschlcifc bilden, die den Antriebsstrom so steuert, daß das Produkt (NT) aus der Drehzahl (N) und dem Drehmoment (T) proportional dem zweiten Signal (Vo) wird.

2. Schallungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungsschaltung (30) eine Teilerstufe (26) zur Teilung des zweiten Signals (Vo: Y) durch das erste Signal (£20, X) und Bildung eines Signals (£26). das dem Quotienten Y/X entspricht und eine Diffcrcnzschaltung (28) enthält, die mit dem Motor (10) und der Teilcrstufe (26) zur Bildung eines dritten Signals (£28) verbunden ist, dessen Amplitude der Potentialdiffercnz (£ 10 — £26)/wischen dem die Gegen-EMK (Ea) repräsentierenden Potential (£10) und dem Potential des Quotienten-Signals (£26) entspricht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungsschaltung eine Multiplizierstufe (27) zur Bildung eines Produktsignals (£27) aus dem ersten Signal (£20) und dem zweiten Signal (Vo) und eine Differenzschaltung (28) enthält, die mit dem Drehzahlfühlcr (24) und der Multiplizierstufe (27) zur Bildung des dritten Signals (£28) verbunden ist. dessen Größe der Potcntialdiffcrenz (Vo — £26) zwischen dem Potential des zweiten Signals (Vo) und dem Potential des Produktsignals (£27) entspricht.

4. Schallungsanordnung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) ein Gleichstrommotor ist. dessen Anker drei miteinander im Stern geschaltete Wicklungen aufweist

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (18) für den Antriebsstrom (Im) eine von dem dritten Signal (£28) abhängige Konsiantstromquellc (Q 18) aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionseinrichtung (22) einen mit einem ersten Anschluß (I) des Motors (10) verbundenen Widerstand (Ä30), einen mit dem zweiten Anschluß (2) des Motors (10) verbundenen zweiten Widerstand (RTXi) und einen dritten Widerstand (R 40) iiufweis:. der zwischen das andere linde des ersten Widerstandes (R 30) und dem anderen Ende des zweiten WUcstands (R 20) geschaltet ist. wobei von der Gcgcn-EMK (Eo) abhängige Ströme (la) durch die drei Widerstände{.,^: 20. R 30. R 40) fließen und ein erstes Potential (F. 12) am Verbindungspunki des ersten und dritten Widerstands (/?30. K40) und ein /.weites Potential (£10) am Verbindungspunkt des zweiten Widerstands (R 20) mit dem Motor erzeugt und daß mit den beiden Vcrbindungspunktcn eine Differcnzsehaltung (20) verbunden ist. die das erste Signal (£20) mit einer Größe erzeugt, die von der Potentialdiffcrenz (E 12 — E 10) /wischen dem ersten Potential (£20) und dem zweiten Potential (10) abhängt.