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Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung von
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Gleichstrom- und Universalmotoren Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Regelung der Drehzahl von Gleichstrom- oder Universalmotoren mit einem Halbleiterschalter
im Hauptstromkreis und einer Steuerschaltung, die in stromlosen Zeitabschnitten
die vom Motor erzeugte Spannung (EMK) als Maß für die Drehzahl bestimmt und den
Halbleiterschalter abhängig von dieser Spannung steuert.
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Bei Universalmotoren, beispielsweise solchen Motoren, die in elektrischen
Handwerkzeugen benutzt werden, ist häufig eine Drehzahlregelung oder -begrenzung
erforderlich. Bei -spielsweise soll für bestimmte Arbeiten mit einem Handwerkzeug
eine optimale Drehzahl auch bei schwankender 13elastung eingehalten oder es muß
das Überschreiten einer Maximaldrehzahl aus Sicherheitsgründen verhindert werden.
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Dieses Problem tritt insbesondere dann auf, wenn ein Motor zur Leistungserhöhung
wicklungsmäßig so ausgelegt.
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wird, daß er bei Nennspannung und im Leerlauf seine maximal zulässige
Drehzahl überschreiten würde.
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Zur Drehzahlregelung oder -begrenzung von Universalmotoren sind mehrere
Verfahren bekannt. So kann ein Fliehkraftspalter vorgesehen sein, der bei einer
bestimmten Drehzahl den Strom unterbricht oder einen Vorwiderstand einschaltet.
Bekannt ist auch die Drehzahlerfassung mittels eines Tachogenerators, der dann über
eine Steuerschaitung und einem im Phasenanschnitt betrieben Thyristor oder Triac
die Drehzahl konstant hält oder begrenzt. Ein solcher Tachogenerator bedingt aber
einen verhältnismäßig hohen Aufwand. Zur Drehzahlregelung eines Kommutatormotors
ist es auch bekannt (DE-OS 20 50 G06), den Motor jeweils nur mit den Halbwellen
einer Polarität eines Wechselstroms zu speisen und die Ankerspannung während
der
Halbwellen der anderen Polarität zur Erfassung der Drehzahl zu messen. Abhängig
von dem gemessenen Wert erfolgt dann die Drehzahlregelung durch eine Phasenanschnittssteuerung.
Die dal)ei entstehenden Störimpulse machen eine aufwendige Funkenstörung erforderlich
und der Motor wird wegen der Unterdrückung der Iialbwel len einer Polarität nur
schlecht ausgenutzt. Es ist auch bereits bekannt (DE-OS 20 41 148), zur Vermeidung
der Nachteile von Phasenanschnittssteuerungen einem Kommutatormotor beispielsweise
die negativen Halbwel len eines Wechselstroms immer.
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und die positiven Ilalbwellen nur je nach Leistungsbedarf zuzuführen.
Die Drehzahl des Motors soll dabei durch eine Messung der Bürstenspannung des Kommutators
odcr der Spannung an einer Feldwicklung während der Stromzuführung erfolgen. Eine
zuverlässige Drehzahlerfassung bei unterschiedlicher Belastung ist auf diese Weise
kaum möglich.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine einfache und
zuverlässige Drehzahlerfassung oder -begrenzung für Gleichstrom- oder Universalmotoren
zu schaffen, die ohne Tachogenerator auskommt und die Nachteile einer Phasenanschnittssteuerung
vermeidet.
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Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung
so ausgelegt ist, daß der Halbleiterschalter mit einem Tastverhältnis von n (n z
1) durchgelassenen zu einer gesperrten Halb- oder Vollwelle der zugeführten Wechselspannung
oder gleichgerichteten Wechselspannung angesteuert wird, und daß das Tastverhältnis
n abhängig von der während der jeweils gesperrten Ilalb- bzw. Vor welle vom Motor
erzeugten Spannung veränderbar st Durch diese Kombination einer Drehzahlerfassung
mittels der vom Anker des Motors erzeugten Spannung mit dem selektiven Sperren des
Stromes für ganze Halb- bzw. Vollwellen
werden die Nachteile der
bekannten Schaltungen vermieden. Insbesondere ist kein Tachogenerator erforderlich
und die fehlende Phasenanschnittssteuerung wereinfacht die Funkentstörung und e
riiöiite die Standzei t der Bürsten des Kommutators. Daneben kann ein höher Leistungsfaktor
und damit besserer Wirkungsgrad verziert werden. Da die Erwärmung geringer ist,
läßt sich für einen vorgegebenen Motor eine höhere I,eistung erzielen.
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Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
So wird der Maximalwert für das Tastverhältnis n, also die Zahl der durchgelassenen
Halb- oder Vollwellen bis zur Sperrung einer i-Ialb- bzw. Vollwelle zweckmäßig so
gewählt, daß die Zeit für n halb- bzw. Vollwellen # 1/10 der Hochlaufzeit des Motors
ist. Dann besteht nicht die Gefahr, daß der Motor bei Zuführung von n halb-oder
Vollwellen nach Messung der Drehzahl während einer gesperrten iialb- bzw. Vollwelle
die zulässige Drehzahl übersteigt, wenn die zuletzt gemessene Dreh zahl dicht; unter
der einzustellenden Drehzahl lag. Für übliche KoInmutatormotoren von Handwerkzeugen
liegt das Tastverhältnis n zweckmäßig zwischen 5 und 10 und vorzugsweise bei 7.
Die höheren Werte gelten für Motoren mit größerer Ankermasse und daher größerer
Trägheit und größerer ilochlaufzeit.
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Die Veränderung des Tastverhältni sses durch die Steuerschaltung kann
zweckmäßig durch Umschalten zwischen zwei Werten, beispielsweise 1 und 7 erfolgen.
Dann wird die Steuerschaltung besonders einfach.
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Nachfolgeiid wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen.
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Fig. 1 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 2 Einzelheiten der Schatungsanordnung nach Fig. 1;
Fig. 3 Impulsdiagramme
zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels nach Fig.1 und 2.
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Ein Universalmotor 1, also ein Kommutatormotor mit Feldwicklung erhält
seine Betriebsspannung über einen Triac 2, und der aus dem Motor 1 und dem Triac
2 gebildete hauptstromkreis Ii liegt mit Anschlüssen 3, 3' an einem Wechselstromnetz
mit einer Spannung von beispielsweise 220V und einer Frequenz von beispielsweise
50Hz. Der Triac 2 wird über einen Optokoppler 4 angesteuert, der zur Potentialtrennung
dient und in bekannter Weise eine Leuchtdiode 4' und einen lichtgesteuerten Triac
4" enthält. Die Ansteuerung des Optokopplers 4 und damit die Einschaltung des Triacs
2 erfolgt jeweils im Nulldurchgang der Netzspannung. Dabei werden, wie noch im einzelnen
erläutert werden soll, Halbwellen ausgelassen, so daß der Motor 1 mit kleinerer
Effektivspannung betrieben wird. In den spannungsfreien Halbwelle wird die vom Motor
durch Drehung seines Ankers im Remanenzmagnetfeld des Stators im Anker erzeugte
Spannung (EMK) gemessen. Dazu richtet ein Gleichrichter 5 diese Spannung gleich
und ein Schalter 6 legt sie in den spannungsfreien Zeiten an einen Komparator 7
an. Dort wird die Spannung mit einer einstellbaren, von einer Quelle 8 zugeführten
Referenzspannung URef verglichen. Die Einstellung der Referenzspannung ermögli cht
eine Anpassung an unterschiedliche Motoren. Das Ausgangssignäl des Komparators 7
gelangt zu einer Steuerschaltung, die die Logikschaltung zum netzsynchronen Einschalten
des Triacs 2 und zur 03ctätigung des Schalters 6 enthält. Eine weitere Logikschaltung
verändert in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Komparators 7 das Tastverhältnis
n des Einschaltsignals fiir den Triac 2. Unter Tastverhältnis n wird dabei die Zahl
der durchgelassenen Halbwellen mit Bezug auf eine gesperrte Halbwelle verstanden.
Für n = 7 werden beispielsweise 7 Halbwellen durchgelassen, bevor eine Halbwelle
gesperrt wird. Ein Stromversorgungsgerät 10 führt der Steuerschaltung 9 und dem
Komparator 7 die erfor(lrrlicll(ll 13etriebsspannungen zu.
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Zur Drehzahlregelung schaltet die Steuerschaltung 9 das Tastverhältnis
n bei zu langsam laufendem Motor 1 auf einen größeren Wert um, beispielsweise von
1 auf 7. Dann erhält der Motor 1 eine höhere Effektivspannung und versucht eine
höhere Drehzahl zu erreichen. Bei der nächsten gesperrten Halbwelle, d.h., nach
7 durchgelassenen Halbwellen wird das Komparatorausgangssignal durch die Steuerschaltung
wieder daraufhin geprüft, ob das Tastverhältnis beibehalten oder wieder von 7 auf
1 geändert werden soll. Auf diese Weise kann eine feste Drehzahl, die etwa bei 75%
der Leerlaufdrehzahl des Motors 1 liegt, stabil gehalten werden, ohne daß ein Tachogenerator
erforderlich ist. In Fig. 2 ist das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 genauer dargestellt.
Zur Erläuterung der Betriebsweise werden außerdem die Impulsdiagramme gemäß Fig.
3 herangezogen. Soweit möglich, werden in Fig. 2 die gleichen Bezugszeichen wie
in Fig. 1 benutzt. Eine gestrichelte Linie macht die Bestandteile der Steuerschaltung
9 in Fig. 1 kenntlich.
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Die Anschaltung des Universalmotors 1 über einen Triac 2 an die Netzanschlüsse
3, 3' entspricht der Schaltung in Fig. 1. Der Gleichrichter 5 in Fig. 1 , der i
im stromlosen Zustand, also bei gesperrter Iialbwell e die vom Motor erzeugte Spannung
gleichrichtet, wird in der Schaltung nach Fig. 2 durch einen Brückengleichrichter
11 mit einem nachgeschalteten Siebkondensator 12 und Vorwiderstand 13 gebildet.
Ein aus Widerständen 14 und 15 gebildeter Spannungsteiler führt einen festen Bruchteil
der am Kondensator 12 anstehenden Spannung über einen Widerstand 16 dem nicht nicht
invertierenden Eingang des Komparators 7 zu. Am invertierenden Eingang des Komparators
7 liegt. über einen Widerstand 17 die Bezugsspannung URef an, die mitteils eines
zwischen die Betriebsspannung ll-X- und di e gemeinsame Bezugsspannung (Masse) geschalteten
Spannungsteiler 18 einstellbar ist.
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Die Betriebsspannung U+.wird über einen Brückengleichrichter 19 mit
nachgeschalteter Entkopplungsdiode 20 und einem Siebkondensator 21 aus der Netzspannung
abgeleitet.
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Zur Stabilisierung der Betriebsspannung U+ auf einen Wert von beispielsweise
.5V dient eine Zenerdiode 22 mit einem Vorwiderstand 23. Die Eingangsanschlüsse
24 und 24' des J3riickenglei cllrichters 19 sind entweder über einen Vorwiderstand
(ni.cht: gezeigt) an das Netz angeschaltet, d.h., mit. den Anschlüssen 3, 3' verbunden,
oder sie liegen über einen kleinen Transformator (nicht gezeigt) am Netz. Im letztgenannten
Fall kann wegen der durch den Transformator bewirkten Potentialtrennung der Optokoppler
5 entfallen.
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Zur Gewinnung der in der obersten Zeile in Fig. 3 dargestellten Taktimpulse
Cl, die die Nullkreuzungen der Wechselspannung (Zeile N in rig. 3) markieren, ist
ein Transistor 25 vorgesehen, dessen Ko lektor über einen Widerstand 26 an der Betriebsspannung
U+ liegt und dessen Basis die gleichgerichtete Wechselspannung am Ausgang des Brückengleichrichters
19 iiber einen Widerstand 27 zugeführt wird. Ein Basiswi derstand 28 vervollständigt
die Schaltung. Der Transistor 25 ist. praktisch während der gesamten positiven Halbperioden
der Wechselspannung eingeschaltet und sein Kollektor liegt dann an Masse. Nur während
einer sehr kurzen Zeitspanne, wenn die gleichgerichtete Wechselspannung sich dem
Wert Null nähert, schaltot der Transistor 25 aus. Es entstehen dann die kurzen Taktimpulse.
Cl In der Steuerschatung 9 ist ein 4-Bit-Zähler 29 vorgesehen, dessen Eingang die
Taktimpulse C1 zugeführt werden. Der Zähler 29 kann beispielsweise ein TTL-Baustein
74293 sein-. .Seine Ausgänge A, B und C liefern die in den entsprechend bezeichneten
Zeilen in Fig. 3 dargestellten Impulse. Der Ausgang D bleibt unbenutzt. Die Zusammenfassung
der Ausgangsimpulse A, 13 und C mittels eines
UND-Gliedes 30 liefert
dann die Impulsfolge E, wie sich leicht anhand von Fig. 3 verfolgen läßt. Die Smpulsfolgen
A und E führen zu einer Auswahlschaltung, die durch zwei UND-Glieder 31, 32 und
ein zusammenfassendes N0k-Glied 33 gebildet wird. Die UND-Glieder 30, 31 und 32
können Bestandteil eines TTL-Bausteins vom Typ 7411 sein, wobci die freien Eingänge
der UND-Glieder 31 und 32 jeweils mit einem der anderen Eingänge verbunden sind.
Dos NOR-Glied 33 ist in einem TTL-Baustein von Typ 7402 enthalten. Die Auswahlscllaltung
wird von einem D-Flipflop 34 vom TTL-Typ 7474 gesteuert. Am Dateneiiigang des Flipflops
34 liegt das Ausgangssignal des Komparators 7, das in Zeile K in Fig. 3 gezeigt
ist. Die Spannungen an den Ausgängen Q und Q des Flipflops 34, die ebenfalls in
Fig. 3 gezeigt sind, liegen an den freien Eingängen der UND-Glieder 31 bzw. 32.
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Das Ausgangssignal des NOR-Gliedes 33 steuert den Optokopp ler 5 an.
Gleichzeitig dient es als Taktsignal für das Flipflop 34 und als Steuersignal für
einen Transistor 35, der den Schalter 8 in Fig. 1 darstellt.
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Nimmt man zur Erläuterung an, daß die Drehzahl des Motors 1 kleiner
als die Solldrehzahl ist, so liefert der Motor über den Brückengleichrichter 11
eine am Kondensator 12 anstehende Gleichspannung, die nach Teilung durch den Spannungsteiler
mit den Widerständen 14, 15 kleiner ist als die Bezugsspannung URef. Die Ausgangsspannung
des Komparators 7 ist dann gemäß Zeile K in Fig. 3 auf nied riger Spannung, nachfolgend
auch L genannt. Die vom Motor 1 über den Brückengleichrichter 11 gelieferte Spannung
kommt am Komparator 7 nur dann zur Wirkung, wenn der Transistor 35 ausgeschai tet
ist, also die am Widerstand 15 anstehende Spannung nicht kurzschließt. Da an der
Basis des Transistors 35 die gleiche Spannung wie am Optokoppler 5 anliegt (Zeile
T in Fig. 3) ist der Transo tor 35 immer dann ausgeschaltet, wenn der Triac 2 nicht
gezündet wird, also dem Motor für eine Halbwelle keine Spannung zugeführt wird.
Das Flipflop 34 bleibt beim Auf-
treten seines Taktsignals, nämlich
der ansteigenden Flanke der Impulsspannung gemäß Zeile T in Fig. 3 im zurückgestellten
Zustand, weil , wie angenommen, das Ausgangssignal K des Komparators 7 auf L ist.
Der Ausgang Q des Flipflops 34 liegt dann auf niedriger Spannung L und der Ausgang
(2 entsprechend auf hoher Spannung, die im folgenden auch mit II bezeichnet wird.
Die beiden Ausgangsspannungen sind im linken Teil der cntsprechend bezeichneten
Zeilen in Fig. 3 dargestellt.
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Da der Ausgang Q des Flipflops 34 unter den angenommenen Bedingungen
auf L ist, liegt auch der Ausgang des UND-Gliedes 31 der Auswahlschaltung immer
auf L und hat keinen Einfluß. Dagegen ändert sich das, Ausgangssignal des UND-Gliedes
32 entsprechend den vom UND-Glied 30 gelieferten Ausgangssignals E, so daß nach
Invertierung durch das NOR-Glied 33 das Ansteuersignal T für den Optokoppler 5 und
den Transistor 35 jeweils fiir 7 Halbperioden der Netzspannung (Zeile N) auf H und
dann für eine Halbperiode auf L ist. Der Motor 1 erhält dann seine maximale Leistung,
weil nur jeweils jede aci-it.e Halbperiode zur Drehzahlmessung gesperrt wird.
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Wenn beim Hochlaufen des Motors 1 während einer gesptrten Halbperiode
eine Spannung am nicht invertierenden Eingang des Komparators 7 auftritt, die größer
ist als die Bezugsspannung URef, so geht der Ausgang des Komparators entsprechend
dem rechten Teil der Zeile K in Fig 3 auf II. Die nächste ansteigende Ilaluke des
Ansteuersignals T für den Optokoppler 5, das gleichzeitig das Taktsignal für das
Flipflop 34 ist, stellt dann das Flipflop ein, so daß sein Ausgang Q auf 1-1 geht.
Dann liefcrt das UND-Glied 31 ütcr das NOR-Glied 33 das Ansteuersignals T entsprechend
dem rechten Teil in Fig. 3. Dieses Signal ist aus den Impulsen am Ausgang A des
Zählers 29 abgeleitet, wodurch jede zweite Halbwelle (alle negativen Halbwellen)
der Netzwechselspannung gespertt werden, der
Motor 1 also nur mit
den positiven Halbwellen läuft. Die dadurch verringerte Leistung bewirkt ein Absinken
der Drehzahl. Insgesamt stellt sich dann durch das jeweilige Umschalten des Flipflops
34 die gewünschte Solldrehzahl ein.
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