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Stand der Technik
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Zur Regelung der Drehzahl von Elektromotoren sind Einrichtungen bekannt,
bei denen die während Unterbrechungen des Motorstroms auftretende Anker-EMK abgetastet
und als Regelgröße für eine Impulsbreitenmodulation des Motorstroms verwendet wird.
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Solche Einrichtungen sind beispielsweise durch die Druckschriften
DE-PS 17 63 006 und DE-PS 25 56 055 bekannt.
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Bei der in der DE-PS 17 63 006 beschriebenen Einrichtung wird im Falle
eines mit Gleichstrom betriebenen Motors ein Schalter (6) im Motorstromkreis mit
der Taktfrequenz eines Multivibrators (8) über eine vom Multivibrator in einen ersten
Zustand gekippte Kippschaltung (14) geöffnet und innerhalb der Periode des Multivibrators
mittels der Kippschaltung wieder geschlossen, sobald ein von der Anker-EMK abhängiges
Signal die Kippschaltung in ihren zweiten Zustand kippt. Dieses von der Anker-EMK
abhängige Signal wird der Kippstufe dabei mittels eines Abtastschalters (11) zugeführt,
der, vom Multivibrator (8) angesteuert, gleichzeitig mit dem öffnen des Schalters
(6) im Motorstromkreis schließt und bei Verschwinden des ihn schließenden vom Multivibrator
zugeführten Signals wieder öffnet, wonach die Kippstufe (14) aus dem nunmehr an
ihrem einen mit einem Ausgangskreis (15, 16) verbundenen Eingang anliegenden EMK-abhängigen
Signal und einer Bezugsspannung am anderen Eingang ein Ausgangs signal zum Schließen
des Schalters (6) im Motorstromkreis bildet.
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Der Motor (1) wird dadurch mit einem im Takt des Multivibrators unterbrochenen
Gleichstrom gespeist, dessen Pausendauer vom Grad der Abweichung der Anker-EMK von
der Bezugsspannung abhängt.
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Bei der in der DE-PS 25 56 055 beschriebenen Einrichtung wird eine
intermittierende Stromversorgung des Motors (11) durch das Puls-Pausenverhältnis
eines Impulsbreitenmodulators (5) gegeben, der durch die rückwärtige Flanke der
Impulse eines Impulsgenerators (a) getaktet und durch einen Spannungsvergleicher
angesteuert
wird, der das den Impulsbreitenmodulator ansteuernde Signal während einer Pulspause
des Motorstroms aus der Abweichung der Anker-EMK des Motors (11) von einer Bezugsspannung
ableitet, wozu der Spannungsvergleicher durch ein vom-Impulsgenerator (a) getaktetes
Verknüpfungsglied dann an die Motorklemmen angeschlossen wird, wenn der Motorstrom
durch ein von einem UND-Glied angesteuertes Schaltglied (9) unterbrochen ist. Diese
Motorstromunterbrechung wird mit Hilfe des UND-Gliedes dadurch bewerkstelligt, daß
an seinen Eingängen einerseits die Ausgangssignale des Impulsbreitenmodulators (5)
und andererseits die invertierten Signale des Impulsgenerators (a) gelegt sind.
Der Motor (11) wird auch hierbei mit einem im Takt eines Taktgebers (Impulsgenerator
(a)) unterbrochenen Gleichstrom gespeist, dessen Pausendauer vom Grad der Abweichung
der Anker-EMK von einer Bezugsspannung athängt.
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In beiden Fällen erfolgt die EMK-Abtastung in jeder Periode des taktgebenden
Gliedes, nämlich des Multivibrators im ersten und des Impulsgenerators im zweiten
Beispiel.
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Damit auswertbare Werte für die Anker-EMK abgetastet werden können,
ist als Abtastdauer eine Zeit anzusetzen, die nicht wesentlich unter 1 ms liegt.
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Bei einer Taktung des Motorstroms mit beispielsweise 500 Hz würde
bei einer Abtastdauer von 1 ms gerade noch 1 ms Pulsdauer für den maximal ausgeregelten
Motorstrom zur Verfügung stehen, so daß der Motor auch bestenfalls nur mit einem
Leistungsdefizit von 50 % gefahren werden könnte.
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Dies ist in der Praxis unerwünscht. Eine derartige Taktfrequenz wird
daher auch nicht angewandt. Bessere Bedingungen für eine ökonomische Ausregelung
eines Motors ergeben sich bei den erläuterten EMK-Abtastverfahren jedoch nur bei
niedrigeren Taktfrequenzen. Hierbei ist das Verhältnis der maximalen Pulslänge des
Motorstroms zur Abtastdauer von 1 ms günstiger im Hinblick
auf die
erreichbare Höchstleistung des Motors, und zwar beispielsweise 7 : 1 bei einer Taktfrequenz
von 125 Hz.
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Ein mit einer der beschriebenen bekannten Einrichtungen und mit einer
Taktfrequenz (des Multivibrators bzw. des Impulsgenerators) in der Größenordnung
von 100 Hz betriebener Motor eignet sich jedoch beispielsweise nicht zum Antrieb
von chirurgischen, zahnärztlichen und zahntechnischen Bohr-, Schleif- und Fräswerkzeugen.
An derartige Antriebe werden nämlich die Anforderungen gestellt, daß sie einerseits
stabiles Drehzahlverhalten bei relativ stark wechselnder Belastung aufweisen und
auf erheblich voneinander abweichende Drehzahlstufen einstellbar sind und andererseits,
daß sie ein Höchstmaß an vibrationsfreiem Rundlauf gewährleisten. Bei den bekannten
Einrichtungen schließen sich jedoch die Forderungen nach Drehzahlstabilität bei
starker Veränderung der Last einerseits und nach vibrationsfreiem Lauf andererseits
gegenseitig aus, da mit zunehmender Taktfrequenz der ausregelbare Wechsellastbereich
immer mehr reduziert wird und mit abnehmender Taktfrequenz die Rundlaufeigenschaften
nicht erfüllbar sind.
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Aufgabe Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Einrichtung zur Regelung der Drehzhal eines Gleichstrommotors nach
dem EMK-Abtastverfahren anzugeben, die einerseits stabiles Drehzahlverhalten des
Motors bei stark wechselnder Belastung und die Einstellbarkeit erheblich voneinander
abweichender Drehzhalstufen und andererseits vibrationsfreien Rundlauf gewährleistet.
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Vorteile Mit der Einrichtung nach der Erfindung sind die Frequenzen
einerseits des Impulsbreitenmodulators und andererseits des Taktgenerators der Abtasteinrichtung
unabhängig voneinander wählbar, so
daß die Möglichkeiten zur gleichzeitigen
Optimierung des Lastverhaltens und des Rundlaufverhaltens nicht durch die Festlegung
des Impulsbreitenmodulators und der Abtasteinrichtung auf ein und dieselbe Frequenz
eingeschränkt sind. Die gegenseitige Unabhängigkeit der beiden genannten Frequenzen
eröffnet darüberhinaus zwei weitere vorteilhafte Möglichkeiten.
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Trotz der für die EMK-Abtastung notwendigen Pulspausen im Motorstromkreis
kann während des Motorbetriebs der Einrichtung die volle Periodendauer des Impulsbreitenmodulators
zur Speisung des Motors ausgenutzt werden. Hierdurch wird die verfügbare Motorleistung
wesentlich vergrößert.
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Außerdem besteht die Möglichkeit, die mittlere Stromaufnahme bei einer
bestimmten Belastung durch ein dem Leistungs-Schalttransistor nachgeschaltetes Glättungsglied
zu vermindern, so daß die mit einer Einrichtung nach der Erfindung geregelten Motoren
kleiner dimensioniert werden können.
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Darstellung der Erfindung Die Erfindung ist nachfolgend an Hand der
Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung und
beinhaltet ein Ausführungsbeispiel für die Schaltglieder S1, S2 und für das Vergleichsglied
VG Fig. 2 veranschaulicht die Ausgangssignale Q und Q am Taktgenerator TG.
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Der Motor M, dessen Drehzahl zu regeln ist, ist über ein aus Glättungskondensator
C und Speicherdrossel SD bestehendes Glättungsglied und einen Leistungs-Schalttransistor
LT an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Ein Oszillator OS taktet einen Impulsbreitenmodulator
IM. Der Leistungs-Schalttransistor LT wird abwechselnd mit der vom Impulsbreitenmodulator
gelieferten Impulsfolge getriggert und mit einem Schaltglied S1 gesperrt.
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Hierzu ist das Schaltglied S1 mit einem Ausgang Q eines Taktgenerators
TG verbunden. Bei fehlendem Signal an diesem Ausgang gelangt die vom Impulsbreitenmodulator
gelieferte Impulsfolge über das Schaltglied S1 zum Leistungs-Schalttransistor. Während
der Dauer eines Signals am Ausgang Q - im ersten Schaltzustand des Taktgenerators
- unterbricht das Schaltglied S1 die Impulsübertragung vom Impulsbreitenmodulator
IM zum Leistungs-Schalttransistor LT. Der Motorstrom wird also über die Dauer eines
Signals am Ausgang Q unterbrochen. Der Motor läuft indessen weiter und erzeugt eine
seiner Drehzahl proportionale Anker-EMK.
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Zum Abgriff dieser Anker-EMK ist eine mit dem Schaltglied S2 unterbrechbare
Verbindung des Motors M mit einem Eingang eines Vergleichsglieds VG vorgesehen.
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Während der Dauer der Motorstromunterbrechung durch das Schaltglied
S1 herrscht am zweiten Ausgang Q des Taktgenerators ein Signalzustand, der das mit
diesem Ausgang Q -verbundene Schaltglied
S2 in der Weise ansteuert,
daß die Verbindung zwischen Motor M und Vergleichsglied VG hergestellt ist.
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Im zweiten Schaltzustand des Taktgenerators TG ist die am Motor liegende
Spannung durch das Schaltglied S2 vom Vergleichsglied abgekoppelt, während das Schaltglied
S1 in diesem zweiten Schaltzustand des Taktgenerators die Verbindung zum Triggern
des Leistungs-Schalttransistors LT mit der vom Impulsbreitenmodulator IM gelieferten
Impulsfolge herstellt.
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Der Taktgenerator TG und die von diesem angesteuerten Schaltglieder
S1 und S2 stellen somit eine Abtasteinrichtung AT dar, an deren Ausgang die der
Motordrehzhal proportionale Anker-EMK abgreifbar ist, wenn der Taktgenerator seinen
ersten Schaltzustand einnimmt.
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Die zur Drehzahlregelung notwendige Stellgröße ist in Form einer den
Impulsbreitenmodulator ansteuernden Regel spannung am Ausgang des Vergleichsglieds
verfügbar.
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Stellvertretend für die bekannten Ausführungen eines verstellbaren
Sollwertgebers für die Vergleichs spannung ist ein Potentiometer P dargestellt.
Die hieran abgegriffene, ein Maß für den Drehzahl-Sollwert darstellende Vergleichs
spannung und die Anker-EMK werden je einem Eingang des Vergleichsglieds VG zugeführt.
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In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Vergleichsglieds VG wiedergegeben,
an dessen Ausgang eine den Impulsbreitenmodulator IM ansteuernde Regelspannung verfügbar
ist, die der Abweichung der Anker-EMK von der am Potentiometer P abgegriffenen Vergleichsspannung
proportional ist.
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Ein erster Eingang des Vergleichsgliedes VG wird dargestellt durch
den Eingang eines Impedanzwandlers IW für die am Potentiometer abgegriffene Vergleichsspannung.
Über den zweiten Eingang des Vergleichsglieds wird diesem die Anker-EMK zugeführt.
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Dieser zweite Eingang wird dargestellt vom invertierenden Eingang
einer
Verstärkerstufe VS, welche PI-Verhalten aufweist und die ihr in Form einer Signalfolge
angebotene Anker-EMK zur einer stetigen, die Regelgröße darstellenden Spannung aufbereitet.
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Die entsprechende Führungsgröße wird in Form der am Ausgang des Impedanzwandlers
IW abgreifbaren Spannung erhalten.
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Uber eine Widerstandsanordnung Rl, R2 sind die Ausgangspotentiale
von Impedanzwandler und Verstärkerstufe zu einer Regelspannung zusammengefaßt, die
am Ausgang des Vergleichsglieds abgreifbar ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird diese Regelspannung
dem Impulsbreitenmodulator über einen Regelschleifenverstärker RV zugeführt, mit
welchem unerwünschte Einschwingvorgänge auf einen stationären Motorbetrieb vermindert
werden können.
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Im Falle einer Änderung der an das Potentiometer P gelegten Spannung
ist zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Drehzahl die Potentiometereinstellung
entsprechend zu verändern. Bei direkter Verknüpfung der am Potentiometer abgegriffenen
Spannung mit dem Ausgangspotential der Verstärkerstufe VS über die Widerstandsanordnung
Rl, R2 würde sich eine auch von der jeweiligen Größe des Potentiometerwiderstandes
abhängige Regelspannung ergeben.
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Zur Beseitigung dieser Unwägbarkeit ist in vorteilhafter Ausgestaltung
der Erfindung der Impedanzwandler IW zwischen den Potentiometerabgriff und die Widerstandsanordnung
Rl, R2 eingeschaltet.
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Die Signalflußunterbrechung vom Impulsbreitenmodulator IM zum Leistungs-Schalttransistor
LT bzw. von der Abtasteinrichtung AT zum Vergleichsglied VG wird in vorteilhafter
Weise mit den Transistoren T1 bzw. T2 der Schaltglieder S1 bzw. S2 bewerkstelligt.
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Der Transistor T1 wird vom Ausgangs signal Q des Taktgenerators angesteuert
und legt im ersten Schalt zustand des Taktgenerators TG das Ausgangspotential des
Impulsbreitenmodulators IM auf Null, wodurch der Leistungs-Schalttransistor LT gesperrt
wird.
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Der Transistor T2 wird vom Ausgangssignal Q des Taktgenerators angesteuert
und legt im zweiten Schaltzustand des Taktgenerators TG den Ausgang der Abtasteinrichtung
AT auf Nullpotential.
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Ein für den Benutzer als stetig empfundenes Drehzahlverhalten, also
insbesondere ein von störenden Vibrationen freier Lauf des Motors kann mit der Erfindung
über das wählbare Puls-Pausenverhältnis zur Ansteuerung der Schaltglieder S1 und
S2 erreicht werden. Hierbei hat sich als günstig erwiesen, daß der Taktgenerator
TG seinen ersten Schaltzustand über eine Zeitdauer t1 (Fig. 2) von etwa 1 ms und
seinen zweiten Schaltzustand über eine Zeitdauer t2 von etwa 50 bis 100 ms beibehält.
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- L e e r s e i t e -