DE3318547A1

DE3318547A1 - Motor speed-control device

Info

Publication number: DE3318547A1
Application number: DE19833318547
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Uji Kyoto Hotta
Original assignee: J Morita Manufaturing Corp
Current assignee: J Morita Manufaturing Corp
Priority date: 1982-05-21
Filing date: 1983-05-20
Publication date: 1983-11-24
Also published as: DK214583A; JPS58204789A; DK214583D0

Abstract

A speed-control device for stabilising and controlling the motor speed at a constant value by repeated interruption of the motor drive-voltage supply at short intervals, determining the back-emf during the interruption of the motor drive-voltage supply, and feeding the back-emf back to the control unit. <IMAGE>

Description

Motordrehzahl-Regelvorrichtung Engine speed control device

Die Erfindung betrifft eine Notordrehzahl-Regelvorrichtung, welche die Gegen-EMR (d.h. die gegenelektromotorische Kraft) eines Motors ermittelt, um die Motordrehzahl konstant zu halten.The invention relates to an emergency speed control device which determines the back EMR (i.e. back electromotive force) of a motor in order to keep the engine speed constant.

Mit Hilfe von Mikromotoren angetriebene medizinische Geräte sind in jüngster Zeit kleiner geworden, weil die Mikromotore wesentlich verbessert wurden. Mikromotore hat man auch bei zahlreichen zahnärztlichen Handstücken verwendet. Beim Einsatz von Mikromotoren für zahnärztliche Handstücke ist es jedoch schwierig, eine konstante Drehzahl aufrechtzuerhalten, weil im Falle von zahnärztlichen Handstücken starke Lastschwankungen auftreten. Um diesem Problem zu begegnen9 wurde versucht, einen Drehzahlabfall dadurch zu verhindern, daß die Motordrehzahl ermittelt und das erfaßte Signal zu einer Regeleinheit zurückgeführt wird. In diesem Fall wird zur Drehzahlerfassung in der Regel die Motorantriebsspannung benutzt. Insbesondere wird für eine indirekte Erfassung der Motordrehzahl die in Abhängigkeit von der Motordrehzahl erzeugte Gegen-EMK verwendet. Die Beziehung zwischen der Antriebsspannung (e) und der Gegen-EMK (eM) läßt sich wie folgt ausdrücken: e = eM + im Rm.Medical devices powered by micromotors are in has recently become smaller because the micromotor has been significantly improved. Micromotor has also been used in numerous dental handpieces. At the However, using micromotors for dental handpieces has made it difficult to achieve a Maintain constant speed because in the case of dental handpieces strong load fluctuations occur. To counter this problem9 an attempt was made to to prevent a speed drop in that the engine speed is determined and the detected signal is fed back to a control unit. In this case it will the motor drive voltage is usually used for speed measurement. In particular is used for indirect detection of the engine speed as a function of the Motor speed generated back EMF is used. The relationship between the drive voltage (e) and the back EMF (eM) can be expressed as follows: e = eM + in Rm.

Dabei ist im der Motorstrom, während Rm der Motoreigenwiderstand ist, zu dem der sich temperaturabhängig ändernde Wicklungswiderstand und der Bürstenwiderstand gehört. der sich in Abhängigkeit von den Bürstenkontaktbedingungen ändert. Infolgedessen kann die zweite Größe (im Rm) in welcher der Motorstrom auftritt, Fehler verursachen. Es war daher schwierig, wenn nicht unmöglich, die Gegen-EMK und damit die Motordrehzahl genau zu mess n und für eine stabile Regelung zu sorgen.Im is the motor current, while Rm is the intrinsic motor resistance, to which the temperature-dependent changing winding resistance and the brush resistance heard. which changes depending on the brush contact conditions. Consequently the second magnitude (in Rm) in which the motor current occurs can cause errors. It was therefore difficult, if not impossible, to check the back emf and therefore the motor speed to measure precisely and to ensure stable regulation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Motordrehzahl-Regelvorrichtung zu schaffen, bei welcher die Motordrehzahl auf einfache Weise genau erfaßt und geregelt werden kann.The invention is based on the object of an engine speed control device to create, in which the engine speed is precisely detected and controlled in a simple manner can be.

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the measures of claim 1.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird die Zufuhr der Motorantriebsspannung in kurzen Intervallen wiederholt unterbrochen. Während der Zeitdauer, während deren die Zufuhr der Antriebsspannung unterbrochen ist, wird die Gegen-EMK erfaßt und zu der Regeleinheit zurückgeführt, um die Motordrehzahl konstant zu halten. Mit anderen Worten, bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird die Gegen-EMK benutzt, während die Anlieferung der Antriebsspannung unterbrochen ist und kein Motorstrom fließt. Infolgedessen wird das Meßergebnis durch den elektrischen Widerstand des Motorreises nicht beeinflußt; die Vorrichtung ist in der Lage, allein die Gegen-EMK zu ermitteln. Daher kann mit der Vorrichtung eine stabile Drehzahlregelung durchgeführt werden, die durch Widerstandsänderungen im Motorkreis unbeeinträchtigt bleibt.In the device according to the invention, the supply of the motor drive voltage interrupted repeatedly at short intervals. During the period during which the supply of the drive voltage is interrupted, the back EMF is detected and fed back to the control unit to keep the engine speed constant. With In other words, in the device of the present invention, the back EMF used while the supply of the drive voltage is interrupted and no Motor current flows. As a result, the measurement result is determined by the electrical resistance of the Motor trip not affected; the device is capable of the back EMF alone to investigate. Therefore, the device can perform stable speed control which remains unaffected by changes in resistance in the motor circuit.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels, und zwar einer Drehzahlregelvorrichtung für den Mikromotor eines zahnärztlichen Handstückes, näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Drehzahlregelvorrichtung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild der Regel vorrichtung nach Fig 1 und Fig. 3 Kennlinien, welche die Beziehung zwischen der Motorlast und der Motordrehzahl für die Vorrichtung nach den Fign. 1 und 2 erkennen lassen.The invention is described below using an exemplary embodiment, namely a speed control device for the micromotor of a dental Handpiece, explained in more detail. In the accompanying drawings: Fig. 1 shows a Block diagram of a speed control device according to an embodiment of the invention, Fig. 2 is a detailed circuit diagram of the control device according to Fig 1 and FIG. 3 are graphs showing the relationship between engine load and engine speed for the device according to FIGS. 1 and 2 can be recognized.

Wie aus Fig. I hervorgeht, ist ein Motor 1 an den Ausgang einer Motortreiberschaltung 2 angeschlossen. Die Motortreiberschaltung 2 ist mit einer Antriebsregelschaltung 3 und einer Schaltstufe 4 verbunden. Eine Gegen-EMK-Meßschaltung 5 dient dem Ermitteln der auftretenden Geger-EMK. Die Stromversorgung der Anordnung ist nicht dargsstellt.As can be seen from Fig. I, a motor 1 is connected to the output of a motor drive circuit 2 connected. The motor drive circuit 2 is provided with a drive control circuit 3 and a switching stage 4 connected. A back EMF measurement circuit 5 is used to determine the opposing EMF that occurs. The power supply of the arrangement is not shown.

Die Motortreiberschaltung 2 stellt die von der Stromversorgung angelieferte Gleichspannung nach Art eines Längs transistors ein. Für diesen Zweck ist die Motortreiberschaltung 2 mit zwei in Darlington-Schaltung liegenden Transistoren TR1 und TR2 versehen, die dem Motor 1 eine vorbestimmte Antriebsspannung zuführen.The motor driver circuit 2 provides that supplied from the power supply DC voltage in the manner of a series transistor. For this purpose is the motor driver circuit 2 provided with two Darlington-connected transistors TR1 and TR2, which supply the motor 1 with a predetermined drive voltage.

Der Basis des Transistors TR1 ist eine Diode D1 vorgeschaltet, die mit dem Ausgang der Schaltstufe 4 sowie über einen Widerstand R2 mit dem Ausgang der Antriebsregelschaltung 3 verbunden ist. Zwischen der Basis des Transistors TR1 und dem Emitter des Transistors TR2 liegt ein Widerstand Rl. Die Transistoren TRl und TR2 werden mittels des Ausgangssignals der Antriebsregelschaltung 3 und des Ausgangssignals der Schaltstufs 4 ein- und ausgeschaltet.The base of the transistor TR1 is preceded by a diode D1, which with the output of switching stage 4 and via a resistor R2 with the output the drive control circuit 3 is connected. Between the base of the transistor TR1 and the emitter of the transistor TR2 is a resistor Rl. The transistors TRl and TR2 are by means of the output signal of the drive control circuit 3 and the Output signal of switching stage 4 switched on and off.

Die Antriebsregelschaltung 3 besteht aus einer Drehzahlstellstufe 31 und einer Fehlerverstärkerschaltung 32. Die Drehzahl-Stellstufe 31 gibt unter Verwendung eines mit einem Widerstand R4 in Reihe liegenden veränderlichen Widerstandes VR1 die Mindestdrehzahl vor, während der Drehzahlsollwert unter Verwendung eines mit einem Widerstand 3 in Reihe liegenden veränderbaren Widerstandes VR2 eingestellt wird. Ein Operationsverstärker ICI dor Stellstuie 31 gestattet eine unabhängigo Linstellung der Mindestdrehzahl. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers IC1 ist an den Schleifer des veränderbaren Widerstandes VRl angeschlossen, während der Ausgang des Operationsverstärkers ICl mit der Reihenschaltung der Widerstände VR2 und R3 verbunden ist Die von der Stellstufe 31 abgegebene Stellspannung wird dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 1C2 der Fehlerverstärkerschaltung 32 zugeführt, während das Ausgangssignal der Gegen-EMK-Meßschaltung 5 über einen Widerstand R5 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1C2 geht. Der Operationsverstärker 1C2 ist über einen Widerstand R6 gegengekoppelt. Mittels des Operationsverstärkers IC2 werden die ihm zugeführten Eingangsspannungen verglichen und verstärkt. Das resultierende Ausgangssignal geht von der Fehlerverstärkerschaltung 32 aus der Motortreiberschaltung 2 als Regelspannung zu.The drive control circuit 3 consists of a speed setting stage 31 and an error amplifier circuit 32. The speed control stage 31 is under Use of a variable resistor in series with a resistor R4 VR1 the minimum speed before, while the speed setpoint using a set with a resistor 3 in series variable resistor VR2 will. An operational amplifier ICI dor Stellstuie 31 allows an independent Setting the minimum speed. The non-inverting one entry of the operational amplifier IC1 is connected to the wiper of the variable resistor VRl connected, while the output of the operational amplifier ICl with the series circuit of the resistors VR2 and R3 is connected. The control voltage output by the control stage 31 becomes the non-inverting input of an operational amplifier 1C2 of the error amplifier circuit 32 supplied, while the output signal of the back EMF measuring circuit 5 via a Resistor R5 goes to the inverting input of operational amplifier 1C2. The operational amplifier 1C2 is fed back via a resistor R6. Means of the operational amplifier IC2, the input voltages supplied to it are compared and reinforced. The resulting output is from the error amplifier circuit 32 from the motor driver circuit 2 as a control voltage.

Die Schaltstufe 4 weist eine Impulsgeneratorschaltung 41 und einen als Schalter wirkenden Transistor TR3 auf. Die Impulsgeneratorschaltung 41 erzeugt unter Verwendung von zwei NEIN-Schaltungen NTl und NT2 ein sich wiederholendes Signal von konstanter Periode. Der Eingang der NEIN-Schaltung NTl ist über einen Widerstand R7 an den Verbindungspunkt zweier miteinander in Reihe liegender Dioden D2, D3 angeschlossen. Ein Widerstand R8 führt vom Ausgang der NEIN-Schaltung NTl zu der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand R7 und den Dioden D2, D3 zurück. Zwischen dieser Verbindungsstelle und dem Ausgang der NEIN-Schaltung NT2 liegt ein Kondensator C1. Das von den NEIN-Schaltungen erzeugte zyklische Signal wird mittels einer Formerschaltung, bestehend aus einer NAND-Schaltung ND1, einer NEIN-Schaltung NT3, NAND-Schaltungen ND2 und ND3 sowie einer NEIN-Schaltung NT4 in Impulse von geringer Breite und konstanter Periode umgeformt. Dabei ist der Ausgang der NEIN-Schaltungen NT3, NT4 über einen Widerstand R9 bzw.The switching stage 4 has a pulse generator circuit 41 and a acting as a switch transistor TR3. The pulse generator circuit 41 generates a repetitive signal using two NO circuits NT1 and NT2 of constant period. The input of the NO circuit NTl is via a resistor R7 connected to the connection point of two diodes D2, D3 lying in series with one another. A resistor R8 leads from the output of the NO circuit NT1 to the connection point between the resistor R7 and the diodes D2, D3. Between this junction and a capacitor C1 is connected to the output of the NO circuit NT2. That of the NO circuits generated cyclic signal is by means of a shaping circuit, consisting of a NAND circuit ND1, a NO circuit NT3, NAND circuits ND2 and ND3 and a NO circuit NT4 in pulses of narrow width and constant Period transformed. The output of the NO circuits NT3, NT4 is via a Resistor R9 resp.

R10 jeweils an den einen der beiden Eingänge der NAND-Schaltungen NDl bzw. ND2 angeschlossen. Dies Eingänge liegen über einen Kondensator C2 bzw. C3 an Masse. Das Impulssignal am Ausgang der Formerschaltung ist beispielsweise so eingestellt, daß es eine Periode von 10 ms und eine Impulsbreite von 0,5 ms hat. Der Transistor TR3 wird mittels dieses Ausgangsimpulssignals über einen Widerstand Rll stromführend gemacht und leitet dann die Regelspannung nach Masse ab, welche der Motortreiberschaltung 2 von der Antriebsregelschal tung 3 zugeht. Die Transistoren TRl und TR2 der Motortreiberschaltung 2 werden auf diese Weise gesperrt, und die dem Motor 1 zugehende Antriebsspannung wird mit einer Periode von 10 ms für 0,5 ms unterbrochen.R10 to one of the two inputs of the NAND circuits NDl or ND2 connected. These inputs are connected to a capacitor C2 or C3 to ground. The pulse signal at the output of the shaper is for example set to have a period of 10 ms and a pulse width of 0.5 ms. The transistor TR3 is switched by means of this output pulse signal through a resistor Rll made live and then derives the control voltage to ground, which the motor driver circuit 2 from the drive control circuit 3 is received. The transistors TRl and TR2 of the motor driver circuit 2 are blocked in this way, and the The drive voltage supplied to the motor 1 is set at a period of 10 ms for 0.5 ms interrupted.

Die Gegen-EMK-Neßschaltung 5 besteht aus einer Spannungs detektorschaltung 51 und einer Abtast- und Halteschaltung 52. Die Klemmenspannung des Motors 1 wird mittels einer Diode D4 der Spannungsdetektorschaltung 51 erfaßt. Die Diode D4 ist mit entgegengesetzter Polarität parallel zu dem Motor 1 geschaltet. Parallel zu der Diode D4 liegt eine Reihenschaitung aus Widerständen R12 und R13.The back EMF measuring circuit 5 consists of a voltage detector circuit 51 and a sample and hold circuit 52. The terminal voltage of the motor 1 becomes detected by means of a diode D4 of the voltage detector circuit 51. The diode D4 is connected in parallel with motor 1 with opposite polarity. Parallel to the diode D4 is connected in series with resistors R12 and R13.

Von der Verbindungsstel1e der Widerstände R12, R13 aus geht die ermittelte Klemmenspannung des Motors an einen Operationsverstärker 1C3 der Abtast- und Halteschaltung 52. Andererseits wird dem Operationsverstärker 1C3 ein impulsförmiges Synchronisiersignal von einer NEIN-Schaltung NT5 der Impulsgeneratorschaltung 41 über einen Widerstand R15 zugeführt. Dieses Synchronisiersignal tritt synchron mit dem Impulssignal auf, das den Transistor TR3 einschaltets es ist beispielsweise auf eine Periode von 10 ms und eine Impulsbreite von 0,1 ms eingestellt. Ein weiterer Anschluß des Operationsverstärkers 1C3 ist mit einer Reihenschaltung aus einem Widerstand R14 und einem Kondensator C4 verbunden. Der Operationsverstärker 1C3 tastet das von der Spannungsdetektorschaltung 51 kommende Eingangssignal ab, wenn der Synchronisierimpuls zugeführt wird, und hält dann dieses Signal. Mit Hilfe des Operationsverstärkers IC3 wird also die Gegen-EMK des Motors 1, die auftritt, wenn der Motorstrom nicht fließt, abgetastet und dem Operationsverstärker IC2 der Fehlerverstärkerschaltung 32 zugeführt. Die Antriebsregelschaltung 3 steuert den EIN/AUS-Betrieb der Transistoren TRl und TR2 der Motortreiberschaltung 2 unter Verwendung der Regelspannung, die erhalten wird, indem die mittels des veränderbaren Widerstandes VR2 eingestellte Spannung beispielsweise alle 10 ms modifiziert wird, und zwar unter Heranziehung der der Drehzahl des Motors 1 entsprechenden Gegen-EMK.From the connection point of the resistors R12, R13 the determined Terminal voltage of the motor to an operational amplifier 1C3 of the sample and hold circuit 52. On the other hand, the operational amplifier 1C3 becomes a impulsive Synchronizing signal from a NO circuit NT5 of the pulse generator circuit 41 fed through a resistor R15. This synchronization signal occurs synchronously with the pulse signal that turns on the transistor TR3 is for example set to a period of 10 ms and a pulse width of 0.1 ms. Another Connection of the operational amplifier 1C3 is with a series circuit of a resistor R14 and a capacitor C4 connected. The operational amplifier 1C3 senses that from the voltage detection circuit 51 when the sync pulse and then holds this signal. With the help of the operational amplifier So IC3 becomes the back EMF of motor 1 that occurs when the motor current is not flows, sampled and the operational amplifier IC2 of the error amplifier circuit 32 supplied. The drive control circuit 3 controls the ON / OFF operation of the transistors TRl and TR2 of the motor driver circuit 2 using the control voltage that is obtained by setting the value set by means of the variable resistor VR2 Voltage is modified every 10 ms, for example, using the back EMF corresponding to the speed of the motor 1.

Infolgedessen erfolgt eine genaue Regelung des Motors 1 anhand der Gegen-EMK; diese Regelung ist frei von Fehlern, die auf den Widerstand des Motorreises zurückgehen. Auf diese Weise werden Drehzahl änderungen in Abhängigkeit von Lastschwankungen verhindert. Die mittels der Abtast- und Halteschaltung 52 abgetastete Gegen-EMK kann, wie in Fig. 1 veranschaulicht, einer Drehzahlanzeigeschaltung 6 zugeführt werden, um die Motordrehzahl anzuzeigen. Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Motorlast und der Motordrehzahl bei Durchführung der oben erläuterten Regelung. Die Kennlinien lassen erkennen, daß die Drehzahl bei jedem Drehzahl pegel bis zu einem gewissen Lastbetrag nahezu konstant gehalten wird. Dies zeigt, daß eine stabile Regelung vorliegt.As a result, the engine 1 is precisely controlled on the basis of Back emf; this scheme is free from errors affecting the resistance of the motor circuit go back. In this way, speed changes are dependent on load fluctuations prevented. The sampled by means of the sample and hold circuit 52 Back EMF can, as illustrated in FIG. 1, be fed to a speed display circuit 6 to display the engine speed. Fig. 3 shows the relationship between the Engine load and engine speed when performing the control explained above. The characteristics show that the speed at each speed level up to is kept almost constant for a certain amount of load. This shows that a stable Regulation exists.

Mit der geschilderten Vorrichtung wird also die Motordrehzahl auf einen konstanten Wert geregelt, indem die Zufuhr der Motorantriebsspannung in kurzen Intervallen wiederholt unterbrochen wird, die Gegen-EMK bei unterbrochener Zufuhr der Antriebsspannung ermittelt wird und die Gegen-EMK zu der Regeleinheit zurückgeführt wird. Auf diese Weise läßt sich eine stabile Regelung erreichen, die durch den Widerstand des Motorkreises nicht beeinflußt wird. Die beschriebene Vorrichtung hat besonderen Vorteil bei der Erzielung einer stabilen Drehzahl für zahnärztliche Handstücke und dergleichen Vorrichtungen.With the device described, the engine speed is increased regulated a constant value by supplying the motor drive voltage in short Repeatedly interrupted at intervals, the back EMF when the supply is interrupted the drive voltage is determined and the back EMF fed back to the control unit will. In this way, stable regulation can be achieved through the resistance the motor circuit is not influenced. The device described has special features Advantage in achieving a stable speed for dental handpieces and like devices.

Claims

A n s p r ü c h e 1. Speed control device for electric motors, characterized by a drive control circuit (3) which provides a speed control voltage generated, a motor driver circuit (2), which is one of the output signal of the drive control circuit corresponding driver voltage supplies, a switching stage (4), which the delivery of the drive voltage from the motor drive circuit is repeated at short intervals interrupts, and a back-EMF-Meßschaitung (5) for detecting the from the motor (1) generated back EMF9 being the output of the back EMF measuring circuit for the purpose of Regulation of the engine speed to a constant value to the drive control circuit is returned.

2 speed control device according to claim 1, characterized in that that the drive control circuit (3) has a speed setting stage (31) with actuators (VRlp VR2) for specifying the target speed and for specifying a Has minimum speed.

3. Speed control device according to claim 1 or 2, characterized in that that the back EMF measuring circuit (5) is a voltage detector circuit connected to the motor (1) (51) and a sample and hold circuit (52) connected downstream of this.

4. Speed control device according to claim 3, characterized in that that the sample and hold circuit (52) with one of the switching stage (4) coming Synchronization signal is applied.

5. Speed control device according to claim 4, characterized in that that the synchronization signal with the locking signal generated by the switching stage (4) is synchronized to interrupt the delivery of the driver voltage.

6. Speed control device according to claim 5, characterized in that that the pulse width of the synchronizing signal is smaller than the pulse width of the locking signal is.

7. Speed control device according to one of claims 4 to 6, characterized characterized in that the switching stage (4, with a pulse generator circuit (41) for generating both the locking signal and the synchronizing signal is.

8. rehzah1rege1vorrichtung according to claim 7, characterized in that that the pulse generator circuit (41) of logic gates (NT1 to NT5, ND1 to ND3).