DE3328216A1

DE3328216A1 - Drehzahlregeleinrichtung fuer einen gleichstrommotor

Info

Publication number: DE3328216A1
Application number: DE19833328216
Authority: DE
Inventors: Fukashi Kamiina Nagano Yoshizawa
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1982-08-24
Filing date: 1983-08-04
Publication date: 1984-03-01
Also published as: JPS5935580A; US4527104A

Description

DIPL.-ING. GERHARD PULS (19J2-I971)

• τ ·

1A-57 285 D-8000 MÜNCHEN 90

Olympus Optical Schweigerstrasse 2

Company Limited, _{teiefon: ( }} ₆₆ Tokyo, Japan

·* ^C TELEGRAMM: PROTECTPATENT

telex: j 24 070

Beschreibung

Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. >

In Fig. 1 ist eine herkömmliche Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor dargestellt. Ein Gleichstrommotor 1 bildet einen Zweig einer Brückenschaltung, deren restliche Zweige von Widerständen 2, 3 und k gebildet werden. Die Brückenschaltung weist ein Paar von Meßanschlüssen A und B auf; eine an diesen Anschlüssen anliegende Spannung kann mit der Spannung einer Referenzspannungsquelle 7 mittels eines Fehlerdetektors verglichen werden, der durch die Kombination eines Transistors 6 und eines Widerstandes 5' gebildet wird. Der Fehlerdetektor erfaßt einen Spannungsunterschied, der zur Steuerung eines Leistungstransistors 8 verwendet werden kann, wodurch die dem Motor zugeführte Leistung gesteuert wird, um somit dessen Drehzahl zu regeln. Bei einer derartigen Anordnung arbeitet der Leistungstransistor 8 in seinem aktiven Bereich; damit ergibt ein Spannungsabfall über den Emitter und den Kollektor einen Joulesehen Verlust, wodurch sich ein verringerter Wirkungsgrad ergibt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den vorstehend beschriebenen Nachteil einer herkömmlichen Drehzahlrgeleinrichtung für einen Gleichstrommotor zu beseitigen und deren Wirkungsgrad zu verbessern.

Eine diese Aufgabe lösende Drehzahlregeleinrichtung ist mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Der Wirkungsgrad wird dadurch verbessert, daß der Joulesche Verlust in einer Leistungssteuerschaltung verringert wird, die man dadurch erhält, daß man das Ausgangssignal eines Fehlerdetektors, der die Drehzahl des Motors mißt, an eine Schmitt-Triggerschaltung anlegt, deren Ausgangsimpuls zur Steuerung der Leistungssteuerschaltung verwendet wird. Erfindungsgemäß arbeitet der Leistungstransistor, der dem Gleichstrommotor Leistung zuführt, zur Steuerung der Drehzahl des Motors als Schalter. Die Verringerung der vom Leistungstransistor entwickelten Wärme erhöht die Freiheit beim Schaltungsentwurf. Die Verwendung einer Schmitt-Triggerschaltung, um den Leistungstransistor als Schalter zu betreiben, ergibt einen stabilen Betriebszustand der Leistungssteuerschaltung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 2 einen Schaltplan einer ersten Ausführungsform der Drehzaghlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor,

Fig.3A einen schematischen Schaltplan zur Erläuterung der

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Arbeitsweise einer Leistungssteuerschaltung, die bei der Drehzahlregeleinrichtung gemäß Fig. 2 verwendet wird,

Fig.3B ein Ersatzschaltbild eines Gleichstrommotors, Fig.3C die Impulsform des Motorstroms,

Fig.4 die Spannungs/Strom-Kennlinie der Basis-Emitterstrecke eines Transistors und die Spannungs/Strom-Kennlinie einer Diode, die beide bei dem Fehlerdetektor verwendet werden, der bei der Einrichtung gemäß Fig. 2 benutzt wird,

Fig.5 einen schematischen Schaltplan zur Erläuterung der Beseitigung der Welligkeit, wie sie bei der Einrichtung gemäß Fig. 2 verwendet wird, und

Fig.6 einen Schaltplan einer Drehzahlregeleinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Fig. 2 zeigt einen Schaltplan einer Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 2 wird eine Brückenschaltung an dem positiven und dem negativen Pol 11 bzw. 12 einer Gleichspannungsquelle durch einen Gleichstrommotor 1? und Widerstände 18, 19 und 20 gebildet. Ein Fehlerverstärker 39 ist zum Messen der Drehzahl des Motors 1? mit einem Paar von Meßanschlüssen A und B der Brückenschaltung verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 39 ist an eine Schmitt-Triggerschaltung 40 angelegt, deren Ausgangssignal an eine Drehzahlregelschaltung ^l angelegt ist, die zur Regelung der dem Motor zugeführten Leistung dient.

Der Fehlerverstärker 39 weist einen NPN-Transistor 21, des-

sen Emitter mit dem Anschluß A der Brückenschaltung verbunden ist, eine Diode 22, deren Kathode mit dem Anschluß B der Brückenschaltung und deren Anode mit der Basis des Transistors 21 verbunden ist, eine Konstantstromquelle 38, deren einer Anschluß mit dem Verbindungspunkt zwischen der Basis des Transistors 21 und der Anode der Diode 22 verbunden ist, einen Widerstand 25» der mit dem Kollektor des Transistors 21 verbunden ist, einen PNP-Transistor 28, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors 21 verbunden ist, einen Widerstand 27» der mit dem Emitter des Transistors 28 verbunden ist, und einen weiteren Widerstand 29 auf, der mit dem Kollektor des Transistors 28 verbunden ist. Die Konstantstromquelle 38 weist einen N-Kanal Feldeffekttransistor 24 und einen variablen Widerstand 23 auf, der zwischen der Source und dem Gate des Feldeffekttransistors 24 liegt.

Die Schmitt-Triggerschaltung 4o weist einen Widerstand 30, dessen einer Anschluß mit dem Kollektor des Transistors 28 verbunden ist, der den Ausgangsanschluß des Fehlerverstärkers 39 ist, einen NPN-Transistor 32, dessen Basis mit dem anderen Anschluß des Widerstands 30 verbunden ist, einen Widerstand 31, der mit dem Kollektor des Transistors 32 verbunden ist, einen Widerstand 33» dessen einer Anschluß mit dem Kollektor des Transistors 32 verbunden ist, einen NPN-Transistor 36, dessen Basis mit dem anderen Anschluß des Widerstands 33 und dessen Emitter mit dem Emitter des Transistors 32 verbunden ist, einen Widerstand 35» dessen einer Anschluß mit dem Kollektor des Transistors 36 verbunden ist, einen Widerstand 34, dessen einer Anschluß mit dem anderen Anschluß des Widerstands 35 und dessen anderer Anschluß mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist, und einen Widerstand 37 auf, dessen einer Anschluß mit den Emittern der Transistoren 32 und J6 und dessen anderer Anschluß mit dem negativen Pol 12 der Gleich-

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Spannungsquelle verbunden ist.

Die Leistungssteuerschaltung ^l weist einen PNP-Leistungstransistor Ik auf, dessen Emitter mit dem positiven Pol 11 der Gleichspannungsquelle und dessen Basis mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 35 und Jk der Schmitt-Triggerschaltung ^O verbunden ist, so daß deren Ausgangssignal an seinem Eingangsanschluß anliegt, eine Spule 15t deren einer Anschluß mit dem Kollektor des Transistors I^ und deren anderer Anschluß mit dem Leistungsanschluß C der Brückenschaltung verbunden ist, und eine Diode 13 auf, deren Kathode mit dem Verbindungspunkt des Kollektors des Transistors Ik und der Spule 15 und derenoAnode mit dem negativen Pol 12 der Gleichspannungsquelle verbunden ist.

Ein Kondensator 16 ist im Nebenschluß mit der Brückenschaltung verbunden und bildet zusammen mit der Spule 15 ein Tiefpaßfilter. Ein Kondensator 26 ist mit dem Leistungsanschluß C der Brückenschaltung und dem Kollektor des Transistors 28 in dem Fehlerverstärker 39 verbunden, um die Welligkeit zu verringern, die das Eingangssignal der Schmitt-Triggerschaltung 4o infolge des Gleitkontakts zwischen einer Bürste und einem Kommutator des Gleichstrommotors enthalten kann.

Im Folgenden soll die Arbeitsweise der Drehzahlregelvorrichtung beschrieben werden. Wenn man annimmt, daß der äquivalente innere Widerstand des Gleichstrommotors 17 R und die Widerstandswerte der Widerstände 18, 19 und 2 0 R,q, R,Q und R₂₀ sind, so erzeugt die Brückenschaltung, wenn an ihr eine Spannung V- anliegt, an den Meßanschlüssen A und B eine Spannung

_ ^R20'^Ra - ^R18'^R19

R₁₈ + R_a

Hierbei ist E_M die elektromotorische Gegenkraft des Motors 17. Wenn die Gleichgewichtsbedingung für die Brückenschaltung R_&. R₂₀ = R₁Q. R₁₉ erfüllt ist, erhält man aus Gleichung (1) :

R-] ρ R-. ο

Hierbei ist Kv eine Konstante, die mit der elektromotorischen Gegenkraft des Motors zusammenhängt und N die Drehzahl des Motors. Aus Gleichung (2) sieht man, daß die Spannung V._B ausschließlich von der Drehzahl abhängt und unabhängig von der Größe des Moments ist.

Folglich erzeugt der Fehlerverstärker 39» an dessen Eingangsanschluß die Spannung V._B der Brückenschaltung anliegt, ein Ausgangssignal bzw. ein Potential am Punkt E, das in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors 17 variiert. Damit sinkt, wenn die Drehzahl des Motors 17 ansteigt, das Potential am Punkt D in dem Fehlerverstärker 39» da das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 39 bzw. das Potential am Punkt E ansteigt.

Wenn das Potential am Punkt E, das das Eingangssignal der Schmitt-Triggerschaltung kO ist, einen Wert erreicht, der eine Schwellenspannung übersteigt, die die obere Grenze der Triggerschaltung kO darstellt, nimmt das Ausgangssignal bzw. das Potential am Punkt F hohen Pegel an, so daß der Transistor Ik sperrt. Hierdurch wird die Energieversorgung für den Motor 17 unterbrochen. Wenn die Energieversorgung unterbrochen ist, verringert sich die Drehzahl des Motors, wodurch das Potential am Punkt D in dem Fehlerverstärker 39 ansteigt, während sich das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers bzw. das Potential am Punkt E verringert. Wenn das Potential am Punkt E unter eine Schwellenspannung sinkt,

-ψ-Ά»

die die obere Grenze der Triggerschaltung 4-0 darstellt, ändert sich das Ausgangssignal der Triggerschaltung bzw. das Potential am Punkt F auf niedrigen Pegel, so daß der Transistor Ik durchgeschaltet wird, wodurch die Energieversorgung für den Motor 17 wieder aufgenommen wird. Der Motor 17 wird durch die Wiederholung der vorstehend beschriebenen Vorgänge angetrieben.

Wenn die Last am Motor 17 ansteigt, verringert sich nicht unmittelbar die Drehzahl, wenn der Leistungstransistör 14 durchgeschaltet ist. Andererseits verringert sich die Drehzahl schnell, wenn der Leistungstransistor I^ sperrt. Auf diese Weise vergrößert sich das Zeitintervall, während dem der Motor 17 mit Energie versorgt wird, während sich das Zeitintervall verringert, während dem die Energieversorgung für den Motor unterbrochen ist. Wenn die Last verringert wird, ergibt sich die gegenteilige Sachlage. Da eine konstante Drehzahlregelung des Motors 17 durch die Schaltsteuerung des Leistungstransistors erreicht wird, wird der in dem Transistor erzeugte Joulesche Verlust (Wärmeverlust) verringert, wodurch sich der Energieverbrauch verkleinert.

Die Wirkungsweise der Drehzahlregelschaltung ^l soll unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben werden. Fig. 3A verdeutlicht den Stromweg durch den Gleichstrommotor 17t wenn der Leistungstransistor Ik durchgeschaltet ist bzw. sperrt, während Fig. 3B die Ersatzschaltung des Gleichstrommotors zeigt. Wenn der Leistungstransistor Ik durchgeschaltet ist, fließt der Strom I_M vom positiven Pol 11 der Stromquelle über einen Weg, der den Leistungstransistor Ik, die Spule 15i den Motor 17 und den Widerstand 18 einschließt, zum negativen Pol 12 der Stromquelle; dieser Weg ist in Fig. 3A mit durchgezogenen Pfeilen dargestellt. Wenn der Transistor I^ vom durchgeschalteten in den sperrenden Zustand umgeschaltet wird, halt die in der Spule 15 gespeicherte elek-

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tromagnetische Energie sowie die innere Induktivität La des Motors 17 einen Stromfluß in einem geschlossenen Weg aufrecht, der die Spule 15, den Motor 17, den Widerstand 18 und die Diode 13 einschließt; dieser Weg ist in Fig. 3A mit gestrichelten Pfeilen dargestellt. Auf diese Weise wird ein Stromfluß durch den Motor 17 aufrechterhalten, sogar wenn der Leistungstransistor 14 wiederholt schaltet , wodurch sich eine pulsierende Wellenform des Stroms ergibt, die in Fig. 3C gezeigt ist, so daß die Dreh zahl des Motors 17 stabilisiert wird. Die Kombination der Spule 15 und des Kondensators l6 bildet ein Tiefpaßfilter, das das Potential am Anschluß C der Brückenschaltung auf einem Pegel hält, der angenähert konstant ist. Der Kondensator l6 unterdrückt parasitäre Schwingungen, so daß sich ein stabiler Betriebszustand ergibt. Der Leistungstransistor kann mit einer variablen Schaltfrequenz arbeiten, die durch die Zeitkonstante des Stromwegs einschließlich des Motors 17, wie vorstehend beschrieben worden ist, und die Größe der Hysterese der Schmitt-Triggerschaltung ^O bestimmt ist.

Die Drehzahl N des Motors 17 wird entsprechend Gleichung (2) wie folgt bestimmt:

η R-, Q + R

N = —1 1° a_._v

Kv R₁₈ AB

R, ρ + R

1°

- ν

Kv R₁₈ ^VVBE21 ^VD22

Hierbei ist V_ßE21 die Spannung über den Emitter und die Basis des Transistors 21 und ^V _{D 22} die Vorwärtsspannung der Diode 22. Auf diese Weise kann die Drehzahl N durch den Ausdruck (^V _BE21 - ^V _D£2^ ^bes'^fci^mm'fc werden, der dadurch ein-

gestellt werden-kann, daß die Größe des Stroms der Konstant stromquelle 38 geändert wird, wobei der Unterschied in der Strom/Spannung-Kennlinie zwischen der Emitter/Basis-Strecke des Transistors 21 und der Diode 22 (Kurven (a) und (b) in Fig. k) verwendet wird. Durch Verändern des Widerstandswerts des variablen Widerstands 23 kann die Größe dieses Stroms geeignet gewählt werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 soll im Folgenden die Funktion des Kondensators 26 beschrieben werden. Welligkeiten, die durch den Gleitkontakt zwischen einer Bürste und einem Kommutator des Motors 17 hervorgerufen werden, stehen am Leistungsanschluß C und am Meßanschluß A der Brückenschaltung an. Da sie kein direktes Maß für die elektromotorische Rückwärtskraft oder die Drehzahl des Motors sind, würde, wenn sie von dem Verstärker 39 verstärkt werden und als Eingangssignale an die Schmitt-Triggerschaltung ^O gelangen könnten, ein stabiler Schaltvorgang verhindert, der lediglich von der Drehzahl des Motors 17 abhängt. Wenn jedoch der Kondensator 26 mit dem Leistungsanschluß C der Brückenschaltung und dem Ausgangsanschluß E des Verstärkers 39 verbunden ist, werden Welligkeiten, die über den Kondensator 26 eingekoppelt werden und dieselbe Phase wie die Welligkeiten am Punkt C haben, den Welligkeiten überlagert, die an den Anschluß E über den Verstärker 39 eingekoppelt werden und die entgegengesetzte Phase zu denen am Punkt C haben, so daß sich eine Verringerung der Welligkeiten ergibt, wodurch ein stabiler Schaltvorgang sichergestellt wird.

Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Brückenschaltung, die den Motor 17 und die Widerstände 18, 19 und 20 umfaßt, geringfügig dadurch modifiziert ist, daß die Stelle geändert ist, an der der Motor 17 verbunden ist, wobei die Ausbildung des Fehlerverstärkers

der mit dem Meßanschlußpaar der Brückenschaltung verbunden ist, zum Teil geändert worden ist. Dabei tragen Teile, die denen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, dieselben Bezugszeichen. Das zweite Ausführungsbeispiel arbeitet in ähnlicher Weise wie das erste Ausführungsbeispiel und soll deshalb nicht im einzelnen beschrieben werden. In gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel kann die Verlustwärme in dem Leistungstransistor verringert werden, wodurch sich eine wirksame Drehzahlregeleinrichtung ergibt.

-/It-

Leerseite

Claims

WUESTHOFF-v. PECHMANN-BEHRENS-GOETZ ™·-»"-™^* ^u«™«* (.

1A-57 285

Olympus Optical ^D-⁸⁰⁰⁰ MÜNCHEN 90

Company Limited, Schweigerstrasse2

Tokyo, Japan telefon: (089)662051

telegramm: protectpatent telex: 524070

Ansprüche:

(lj Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor mit einer Brückenschaltung, die der zu regelnde Gleichstrommotor und eine Mehrzahl von Widerständen bilden und die ein Meßanschlußpaar hat, an dem eine Spannung zum Vergleich mit einer Referenzspannung ansteht, so daß eine Differenzspannung zum Regeln der Drehzahl des Motors entsteht, gekennzeichnet durch einen Fehlerverstärker (39f 39A) der mit dem Paar von Meßanschlüssen (A, B) der Brückenschaltung (17, 18, 19, 20) zum Verstärken der Differenzspannung verbunden ist, eine Schmitt-Triggerschaltung (^J-O), an der das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers anliegt, und eine Leistungssteuerschaltung (41), die auf das Ausgangssignal der Schmitt-Triggerschaltung zum Regeln der Energieversorgung des Gleichstrommotors anspricht.
2. Drehzahlregeleinrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerverstärker (39, 39A) einen Transistor (21) und eine Diode (22), die in Serie zwischen dem Paar von .'!Meßanschlüssen (A, B) liegen, und eine Konstantstromquelle (38) aufweist, die mit dem Verbindungspunkt des Transistors und der Diode verbunden ist.
3. Drehzahlregeleinrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Konstant-

y-\"''. --ο-.:-· 3328215

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stromquelle (38) einen N-Kanal Feldeffekttransistor (24) und einen variablen Widerstand (23) aufweist, der mit dem Source und dem Gate des Feldeffekttransistors (24) verbunden ist.
4. Drehzahlregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1

bis 3.

dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteuerschaltung (41) einen Leistungstransistor (14), der in dem Stromweg zur Energieversorgung von der Energiequelle zur Brückenschaltung liegt und so ausgebildet ist, daß er ansprechend auf das Ausgangssignal der Schmitt-Triggerschaltung (40) ein- und ausgeschaltet wird, eine Spule (15)i die mit dem Leistungstransistor und einem der Leistungsanschlüsse der Brückenschaltung verbunden ist, und eine Diode (13) aufweist, die im Nebenschluß mit einer Serienschaltung aus der Spule und der Brückenschaltung verbunden ist.
5. Drehzahlregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 2

bis 5,

dadurch gekennz eic hnet, daß die Konstantstromquelle (38) Strom variabler Stärke abgeben kann, so daß die Drehzahl des Gleichstrommotors gewählt werden'kann.
6. Drehzahlregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeic hnet, daß ein erster Kondensator (16) zwischen das Paar von Leistungsanschlüssen der Brückenschaltung geschaltet ist, um parasitäre Schwingungen der gesamten Einrichtung zur Stabilisierung ihrer Arbeitsweise zu unterdrücken, wobei der erste Kondensator zusammen mit einer Spule (I5) ein Tiefpaßfilter bildet.
7. Drehzahlregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Kondensator (26) mit der Brückenschaltung und der Schmitt-Triggerschaltung (4-0) zur Verringerung von Welligkeiten verbunden ist, die durch den Gleitkontakt zwischen einer Bürste und einem Kommutator des Motors erzeugt werden.