DE3231259C2

DE3231259C2 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlüberwachung

Info

Publication number: DE3231259C2
Application number: DE3231259A
Authority: DE
Inventors: Helmut Ing Grad Moosmann; Rolf Dr Ing Mueller
Original assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG; Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1981-08-26
Filing date: 1982-08-23
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2002-08-24
Also published as: FR2513379A1; USRE33167E; US4544852A; DE3231259A1; FR2513379B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlüberwachung, insbeson dere für Lüfterantriebe, mit einer Erfassungseinrichtung zum Erzeugen einer Eingangs signalfolge, die eine drehzahlabhängige Folgefrequenz hat, einer durch die Eingangs signalfolge angesteuerten Signalverarbeitungsschaltung, welche die Eingangssignalfolge in ein Sägezahnsignal umsetzt und mit einem Bezugswert vergleicht, und einer Auswer teschaltung, welche das Ausgangssignal der Signalverarbeitungsschaltung auswertet.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art (DE 28 38 489 A1) wird die Dreh zahl eines Gleichstrommotors auf einen fest vorgegebenen Wert geregelt. Dabei wird eine von der Erfassungseinrichtung erzeugte sinusförmige Eingangssignalfolge, die eine der Motordrehzahl entsprechende Frequenz hat, über einen Begrenzerverstärker in eine Rechteckspannung umgesetzt. Die Rechteckspannung geht unmittelbar an eine erste Differenzierschaltung, und sie wird außerdem einer zweiten Differenzierschaltung über eine Verzögerungsschaltung zugeführt. Dadurch werden zwei Signalfolgen erzeugt, die um eine Verzögerungszeitspanne gegeneinander versetzt sind und die jeweils einem von zwei Eingängen eines Frequenz/Spannungs-Umsetzers zugehen. Der Fre quenz/Spannungs-Umsetzer weist einen über einen Widerstand aufladbaren Kondensa tor auf, dem ein Transistor parallelgeschaltet ist. Der Transistor wird abhängig von je dem Impuls der verzögerten Impulsfolge durchgeschaltet. Wenn der Transistor gesperrt ist, wird der Kondensator von der Stromversorgung über den Widerstand aufgeladen, und der Kondensator wird plötzlich entladen, wenn der Transistor durchgeschaltet wird. Folglich wird über den Kondensator eine Sägezahnspannung mit einer Frequenz er zeugt, die gleich der Wiederholfrequenz der von den Differenzierschaltungen gebildeten Impulsfolgen ist. Unmittelbar bevor die Sägezahnspannung in jedem Zyklus einen Ma ximalwert erreicht, wird über einen Impuls der nichtverzögerten Impulsfolge eine Ab tast- und Halteschaltung veranlaßt, die Sägezahnspannung abzutasten und den abgeta steten Wert in einem weiteren Kondensator zu speichern. Der abgetastete Wert wird mit dem Bezugswert verglichen. Abhängig von dem Vergleichsergebnis wird eine Mo tor-Ansteuerschaltung im Sinne einer Konstanthaltung der Motordrehzahl wirksam ge macht.

Des weiteren ist eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlüberwachung bekannt (US 39 31 557), die mit einer Erfassungseinrichtung zum Erzeugen einer Eingangssignalfolge versehen ist, die eine drehzahlabhängige Folgefrequenz hat. Die bekannte Schaltungs anordnung weist ferner eine durch die Eingangssignalfolge getriggerte monostabile Kippschaltung und eine Auswerteschaltung auf, welche über Zwischenstufen das Aus gangssignal der monostabilen Kippschaltung auswertet. Die Kippschaltung ist dabei derart ausgelegt, daß sie eine Folge von Ausgangssignalen erzeugt, die im wesentlichen Rechteckform, eine konstante Impulsbreite und eine Wiederholfrequenz haben, welche der Drehzahl des Motors unmittelbar proportional ist. Bei der monostabilen Kippschal tung handelt es sich um eine nicht nachtriggerbare Kippschaltung, deren Ausgangssignal in einer nachgeschalteten Motorblockier-Schutzschaltung bezüglich seines Impulspausenverhältnisses ausgewertet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Drehzahl überwachung zu schaffen, die relativ einfach aufgebaut ist und hohe Funktionssicherheit hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Schaltungsanord nung der eingangs genannten Art die Signalverarbeitungsschaltung als durch die Ein gangssignalfolge getriggerte, nachtriggerbare monostabile Kippschaltung ausgelegt ist, und daß zur Erkennung, ob die überwachte Drehzahl innerhalb oder außerhalb eines normalen Drehzahlbereichs liegt, am Ausgang der monostabilen Kippschaltung ein über eine Ladestrecke aus einer Gleichspannungsquelle aufladbarer Ladungsspeicher wäh rend der Zeitspannen entladbar ist, während denen die Amplitude des Sägezahnsignals einen den Bezugswert darstellenden, vorbestimmten Schwellwert übersteigt.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung läßt Drehzahlen sicher erkennen, die oberhalb oder unterhalb einer vorbestimmten Mindestdrehzahl oder einer vorgegebe nen Höchstdrehzahl liegen. Ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel ist die Unterschrei tung einer kritischen Mindestdrehzahl bei einem Lüfterantrieb. Der Schaltungsaufwand läßt sich gleichwohl relativ niedrig halten.

Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü chen.

Für viele praktische Anwendungen ist es von besonderem Vorteil, wenn die Auswerte schaltung eine vorgegebene Ansprechverzögerung hat. Es wird dadurch möglich, kurz zeitige Drehzahlunterschreitungen oder -überschreitungen von der Erfassung auszu schließen. Beispielsweise läßt sich auf diese Weise einfach verhindern, daß eine für die Erkennung des Unterschreitens einer Mindestdrehzahl ausgelegte Schaltungsanordnung bereits beim Hochlauf unerwünscht anspricht.

Wichtig ist es auch häufig, daß die Auswerteschaltung eine Latch-Funktion, d. h. eine Speicher- oder Verriegelungswirkung, hat und mit einem rücksetzbaren Digitalspeicher zum Speichern der Anzeige der Drehzahlunter- oder -überschreitung versehen ist. Auf diese Weise können erkannte Drehzahlüberschreitungen oder -unterschreitungen ge speichert werden. Zweckmäßig weist dabei der rücksetzbare Digitalspeicher einen Komparator mit einer Rückführung auf, über die sich der Komparator nach dem Setzen im Setzzustand selbst verriegelt und nur durch externen Eingriff wieder zu entriegeln ist. Durch die Verriegelung wird bei unerwünschtem Drehzahlabfall ein insbesondere als Alarm- oder Schaltsignal nutzbares Ausgangssignal erzwungen. Es läßt sich eine beson dere Sicherung der Anzeige gegen unbeabsichtigtes Löschen erreichen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist nachstehend anhand der beiliegen den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Drehzahlüberwachungs schaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 Impulsdiagramme für die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 während des Anlaufvorgangs,

Fig. 3 Impulsdiagramme entsprechend Fig. 2 für den Fall, daß die über wachte Anordnung mit normaler Drehzahl läuft,

Fig. 4 Impulsdiagramme entsprechend Fig. 2 für den Fall, daß die über wachte Anordnung mit Unterdrehzahl läuft,

Fig. 5 in Prinzipdarstellung den Sensor eines überwachten Gleichstrommo tors mit zusätzlich aufgebrachter Sensorspule, und

Fig. 6 schematisch eine abgewandelte Ausführungsform der Sensoranord nung.

Die Drehzahlüberwachungsanordnung nach Fig. 1 weist vier Komparatoren 210, 211, 212, 213 auf, die zweckmäßig Teil einer integrierten Vierfachkomparatorschaltung (beispielsweise vom Typ 2901N, National Semiconductor) sind. Der erste Komparator 210 bildet eine Impulsformerstufe, an deren Eingang A eine Sensorspule 215 ange schlossen ist. Über Widerstände 221, 222 ist der Komparator 210 gegengekoppelt, um jeder Schwingneigung entgegenzuwirken. Der Ausgang des Komparators 210 steht über einen Arbeitswiderstand 223 und eine Leitung 216 mit der Betriebsspannung +U_B in Verbindung. An den Ausgang B der vom Komparator 210 gebildeten Impulsformerstufe ist eine Differenzierstufe bestehend aus einem Kondensator 224 und einem Widerstand 225 angeschlossen. Auf die Differenzierstufe 224, 225 folgt ein Signalumsetzer, zu dem die beiden Komparatoren 211 und 212 gehören und der eine nachtriggerbare monosta bile Kippschaltung darstellt. Die invertierenden Eingänge der Komparatoren 211 und 213 sowie der nichtinvertierende Eingang des Komparators 212 sind über einen von Wi derständen 230, 231 gebildeten Spannungsteiler an eine feste Bezugs- oder Schwell spannung, im vorliegenden Ausführungsbeispiel zweckmäßig die Hälfte der Betriebs spannung +U_B, gelegt. Zwischen der die positive Betriebsspannung +U_B führenden Leitung 216 und einer Masseleitung 217 liegt eine Reihenschaltung aus einem Wider stand 228 und einem Kondensator 229, denen verstellbare Widerstände 226 bzw. 227 parallelgeschaltet sind. Der Verbindungspunkt von Widerstand 228 und Kondensator 229 steht mit dem Ausgang D des Komparators 211 in Verbindung, der an den invertie renden Eingang des Komparators 212 angeschlossen ist. Der Ausgang E des Kompara tors 212 steht mit dem Verbindungspunkt eines Widerstandes 232 und eines Kondensa tors 233 in Verbindung, die in Reihe zwischen den Leitungen 216, 217 liegen. Der Aus gang E des Komparators 212 ist des weiteren über einen Widerstand 234 mit dem nich tinvertierenden Eingang des ein Schwellwertglied bildenden Komparators 213 verbun den. Dem Widerstand 234 ist ein verstellbarer Widerstand 235 parallelgeschaltet. Zwi schen der Leitung 216 und dem Ausgang F des Komparators 213 liegt eine Reihenschal tung aus Widerständen 237, 238. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 237, 238 steht über einen Kondensator 236 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 213 in Verbindung. Zwischen die Ausgänge E, F der Komparatoren 212, 213 ist eine Diode 239 geschaltet. Der Ausgang der Drehzahlüberwachungsanordnung ist mit 241 bezeichnet. Zwischen diesen Ausgang 241 und die Leitung 216 kann, wie ge strichelt angedeutet ist, beispielsweise eine lichtemittierende Diode 242 mit Vorwider stand 243 geschaltet sein.

Fig. 5 zeigt schematisch den Stator 244 eines Lüfterantriebsmotors mit vier ausgepräg ten Polen 245, 246, 247, 248, die die Statorwicklung 249 tragen. Bei dem Motor kann es sich beispielsweise um einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit elektronischer Kommutierung handeln, der einen (nicht dargestellten) dauermagnetischen Außenläu fer aufweist. Auf dem einen Pol 245 sitzt zusätzlich die Sensorspule 215.

Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen jeweils die Signale, die an den mit gleichen Buchstaben be zeichneten Punkten der Schaltung gemäß Fig. 1 auftreten.

Wird der Lüftermotor eingeschaltet und beginnt der Rotor hochzulaufen, erscheint am Eingang A der Fig. 1 eine Eingangssignalfolge 251 gemäß Fig. 2A. Der als Impulsformer wirkende Komparator 210 wertet die Nulldurchgänge der Eingangssignalfolge 251 aus, und am Ausgang B des Komparators 210 tritt eine Rechteckimpulsspannung 252 gemäß Fig. 2B auf. Die Rechteckimpulse 252 werden von der Differenzierstufe 224, 225 diffe renziert, so daß am Signaleingang C des Komparators 211 eine Nadelimpulsfolge 253 gemäß Fig. 2C erscheint. In dem Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden negati ven Impulsen 253 wird der Kondensator 229 über den Widerstand 228 (und gegebenen falls 226) aufgeladen. Bei jedem negativen Impuls 253 schaltet der Komparator 211 an seinem Ausgang D nach Masse durch. Der Kondensator 229 wird entladen. Auf die po sitiven Nadelimpulse der Impulsfolge 253 spricht der Komparator 211 nicht an. Am Ausgang D des Komparators 211 erscheint ein Sägezahnsignal 254 gemäß Fig. 2D. Die Sägezahnspannung 254 wird auf den invertierenden Eingang des Komparators 212 gege ben und dort wiederum mit der von den Widerständen 230, 231 bestimmten Bezugs spannung U_B/2 verglichen. Überschreitet die Sägezahnspannung 254 die Schwellspan nung U_S = U_B/2 (Fig. 2D), schaltet der Komparator 212 an seinem Ausgang E nach Masse durch, wodurch der sich über den Widerstand 232 aufladende Kondensator 233 entladen wird. Am Ausgang E des Komparators 212 tritt daher ein Spannungssignal 255 gemäß Fig. 2E auf. Wie die Fig. 2 erkennen läßt, überschreitet die Sägezahnspannung 254 den Schwellwert U_S nur bei niedriger Drehzahl. Sobald sich die Drehzahl der nor malen Betriebsdrehzahl entsprechend dem rechten Teil der Fig. 2 nähert, wird der Schwellwert U_S am invertierenden Eingang des Komparators 212 nicht mehr erreicht. Die Entladung des Kondensators 233 über den Ausgangskreis des Komparators 212 un terbleibt. Der Kondensator 233 lädt sich auf die volle Spannung +U_B auf (Fig. 2E).

Ohne besondere Vorkehrungen würde während des in Fig. 2 veranschaulichten Anlaufs am Ausgang 241 der Drehzahlüberwachungsanordnung ein Alarm- oder Schaltsignal ausgelöst werden, sobald das Sägezahnsignal 254 den Schwellwert U_S übersteigt (Fig. 2D, linke Hälfte) und der Kondensator 233 entladen wird, bzw. bevor der Kondensator 233 auf +U_B aufgeladen ist. Ein solches unerwünschtes Ansprechen beim Hochlauf wird durch das Verzögerungsglied 234, 235, 236 verhindert, weil mittels des Kondensa tors 236 der nichtinvertierende Eingang des Komparators 213 zunächst auf einer über der Schwellspannung U_S liegenden Spannung gehalten wird. Mit anderen Worten, das Zeitglied 234, 235, 236 unterdrückt für eine vorgegebene, mittels des Widerstands 235 einstellbare Zeitspanne von beispielsweise 10 s die Ansteuerung des Komparators 213 durch den Komparator 212. Das von dem Komparator 213 gebildete Schwellwertglied bleibt während dieser Anlaufphase nicht durchgeschaltet. Am Ausgang F des Kompara tors 213 erscheint kein Alarmsignal; d. h. es liegt dort ununterbrochen die Spannung +U_B an (Fig. 2F).

Beim Lauf mit normaler Drehzahl stellen sich die in Fig. 3 veranschaulichten Signal verläufe ein. Wie aus Fig. 3D folgt, überschreitet die Sägezahnspannung 254 zu keinem Zeitpunkt die Schwellspannung U_S. Der Komparator 212 wird nicht durchgeschaltet. Der Kondensator 233 bleibt ständig auf die Spannung +U_B geladen. Der Ausgang F des Schwellwertgliedes 213 liegt ebenso wie der Ausgang E des Komparators 212 auf +U_B. Am Ausgang 241 tritt kein Signal auf.

Sinkt jedoch die überwachte Drehzahl unter den vorbestimmten Mindestwert (Fig. 4), steigt die Spannung am Ausgang des Komparators 211 intermittierend über den Schwellwert U_S an (Fig. 4D). Der Komparator 212 wird dann durchgeschaltet, um den Kondensator 233 zu entladen (Fig. 4E). Das Eingangssignal am nichtinvertierenden Eingang des Komparators 213 sinkt unter den Schwellwert. Der Komparator 213 schal tet um. Der Ausgang F des Komparators wird durch die (im einzelnen nicht darge stellte) Endstufe, z. B. in Form eines Transistors, des Komparators 213 auf Massepoten tial gezogen. Alarm wird ausgelöst (Fig. 4F). Der negative Sprung am Ausgang F über trägt sich über den Kondensator 236 momentan auf den nichtinvertierenden Eingang des Komparators 213. Die auf diese Weise erzielte positive Rückkopplung sorgt für ein sicheres Umschalten des Komparators 213. Wenn das Potential am Ausgang F fällt, wird über die Diode 239 der Ausgang des Komparators 212 auf Masse heruntergezogen, so daß der Widerstand 232 den Kondensator 233 nicht mehr aufladen kann. Dies sorgt für die Latch-Funktion. Der vom Komparator 213 gebildete Schwellwertschalter wird im Alarmzustand verriegelt. Er bleibt in dieser Stellung verriegelt, bis durch einen externen Eingriff die Speisespannung abgeschaltet wird.

Fig. 6 zeigt schematisch eine abgewandelte Ausführungsform für die Gewinnung der Eingangssignalfolge (entsprechend den Fig. 2A, 3A und 4A). Der Sensorspule 215 ist dabei ein Sensormagnet 218 zugeordnet, und an der Kombination von Sensorspule 215 und Sensormagnet 218 läuft im Takt der zu überwachenden Drehzahl ein ferromagneti sches Bauteil 219, beispielsweise ein aus Stahlblech bestehender Flügel eines Lüfters, vorbei.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die in den Fig. 5 und 6 skizzierte Art der Gewinnung der Eingangssignalfolge beschränkt ist. Bei dieser Eingangssignalfolge kann es sich grundsätzlich um ein auf beliebige Weise abgeleitetes, in seiner Frequenz von der zu überwachenden Drehzahl abhängiges Signal handeln. Des weiteren kann es zweckmäßig sein, die Auswerteschaltung (mit den Schaltungskomponenten 213 und 232 bis 239) an den Ausgang der nachtriggerbaren monostabilen Kippschaltung (Komparatoren 211, 212) über einen optoelektronischen Koppler anzuschließen.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Drehzahlüberwachung, insbesondere für Lüfterantriebe, mit einer Erfassungseinrichtung (210, 215) zum Erzeugen einer Eingangssignalfolge (253), die eine drehzahlabhängige Folgefrequenz hat, einer durch die Eingangssignalfolge angesteuerten Signalverarbeitungsschaltung (211, 212), welche die Eingangssignalfolge (253) in ein Sägezahnsignal (254) umsetzt und mit einem Bezugswert (U_S) vergleicht, und einer Auswerteschaltung (213, 232 bis 239), welche das Ausgangssignal der Signalverarbeitungsschaltung auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung als durch die Eingangssignalfolge (253) getriggerte, nachtriggerbare monostabile Kippschaltung (211, 212) ausgelegt ist, und daß zur Erkennung, ob die überwachte Drehzahl innerhalb oder außerhalb eines normalen Drehzahlbereichs liegt, am Ausgang der monostabilen Kippschaltung (211, 212) ein über eine Ladestrecke (232) aus einer Gleichspannungsquelle aufladbarer Ladungsspeicher (233) während der Zeitspannen entladbar ist, während denen die Amplitude des Sägezahnsignals (254) einen den Bezugswert darstellenden, vorbestimmten Schwellwert (U_S) übersteigt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte schaltung (213, 232 bis 239) eine vorgegebene Ansprechverzögerung hat.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte schaltung (213, 232 bis 239) mit einer Verzögerungsstufe mit einem RC-Glied (234, 235, 236) versehen ist, das eine zwischen den Ausgang der nachtriggerbaren mono stabilen Kippschaltung (211, 212) und den Signaleingang eines Schwellwertgliedes (213) der Auswerteschaltung geschaltete Ohm′sche Komponente (234, 235) und eine auf ihrer einen Seite mit dem Signaleingang des Schwellwertgliedes verbun dene Kapazität (236) aufweist, die erst nach Aufladung auf einen vorbestimmten Wert das Schwellwertglied zum Ansprechen freigibt, wobei das Schwellwertglied (213) mit einer positiven Rückkopplung (236) versehen ist und die andere Seite der Kapazität (236) mit einem Teil des Ausgangssignals des Schwellwertgliedes (213) beaufschlagt ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Auswerteschaltung (213, 232 bis 239) eine Latch-Funktion hat und mit einem rücksetzbaren Digitalspeicher (213) zum Speichern der Anzeige der Drehzahlunter- oder -überschreitung versehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der rücksetz bare Digitalspeicher einen Komparator (213) mit einer Rückführung (239) aufweist, über die sich der Komparator nach dem Setzen im Setzzustand selbst verriegelt und nur durch externen Eingriff wieder zu entriegeln ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwell wertglied (213) selbst als Speicherglied ausgebildet ist und dem Schwellwertglied (213) eine nur durch externen Eingriff entriegelbare Verriegelungsanordnung (239) mit einer zwischen die Ausgänge der nachtriggerbaren monostabilen Kippschaltung (211, 212) und des Schwellwertgliedes (213) geschalteten Diode (239) zugeordnet ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Auswerteschaltung (213, 232 bis 239) an den Ausgang der nach triggerbaren monostabilen Kippschaltung (211, 212) über einen optoelektronischen Koppler angeschlossen ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (210, 215) eine Impulsformerstufe (210) aufweist, die als Eingangssignalfolge eine Folge von Rechteckimpulsen erzeugt, und daß die ak tiven Komponenten der Impulsformerstufe (210), der nachtriggerbaren monostabi len Kippschaltung (211, 212) und der Auswerteschaltung (213, 232 bis 239) von ei ner integrierten Vierfach-Komparatorschaltung (210, 211, 212, 213) gebildet sind.