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Beschreibung
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Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor Die Erfindung
bezieht sich auf eine Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor'insbesondere
für die Regelung niedriger Drehzahlen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Bei der Regelung der Drehzahl eines Gleichstrommotors kann die Drehzahl
des Motors mit der in Fig. 1 dargestellten Schaltung gemessen werden. Gemäß Fig.
1 werden ein zu regelnder Gleichstrommotor 1 sowie Widerstände 2, 3 und 4 zur Bildung
einer Brückenschaltung verwendet. Die Brückenschaltung hat ein Paar von Meßanschlüssen
C und D, die mit dem Emitter eines PNP-Transistors 5 und der Anode einer Diode 6
verbunden sind, deren Kathode mit der Basis des Transistors 5 verbunden ist. Eine
Konstantstromquelle 7 ist zwischen die Basis des Transistors 5 und den negativen
Pol einer Energiequelle 12 geschaltet. Der Kollektor des Transistors 5 ist mit dem
Eingangsanschluß eines Verstärkers 10 verbunden, dessen Ausgangsanschluß mit der
Basis eines Transistors 11 verbunden ist, der so geschaltet ist, daß er die Energieversorgung
der Brückenschaltung steuert. Zwei Widerstände 8 und 9
sind über
die Energiequelle 12 in Serie geschaltet, wobei ihr Verbindungspunkt mit dem Kollektor
des Transistors 5 verbunden ist.
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Zur Analyse dieser Schaltung sollen der äquivalente Innenwiderstand
des Motors mit Ra, die Widerstandswerte der Widerstände 2, 3 und 4 mit R1, R2 bzw.
R3, die an den zwei Zuführungsanschlüssen bzw. Leistungsanschlüssen A und B der
Brückenschaltung anliegende Spannung mit Vo und die elektromotorische Gegenkraft
des Motors mit EM bezeichnet werden.
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Die an den Meßanschlüssen C und D anstehende Spannung Vn kann dann
wie folgt ausgedrückt werden: R3 - Ra Vn = - R3 x Vo - R1 + Ra x(Vo -EM) R1R3 -
R2Ra Ra (R3 + R2)(R1 + Ra) Vo R1 + Ra x EM Wenn die Brücken-Gleichgewichtsbedingung
erfüllt ist: R1 H3 = R2-Ra (1) erhält man: Ra Vn = R1 + Ha x EM Der Spannungsabfall
über die Basis und den Emitter des Widerstands 5 sei VBEI und die Vorwärtsspannung
der Diode 6 VD; Wie man sofort sieht gilt Vn = VD - VBEI Damit erhält man:
Ra
VBEI =VD - R1 + Ra M EM (2) Damit kann die Drehzahl N des Motors wie folgt ausgedrückt
werden: EM = = 1 R1 + Ra (3) Kv Kv Ha (VD - VBEI) (3) Hierbei ist Kv eine Konstante,
die mit der elektromotorischen Gegenkraft des Motors verknüpft isto Wie man ohne
weiteres sieht, bilden der Transistor 5, die Diode 6 und die Konstantstromquelle
7 einen Fehlerverstärker, der die Drehzahl des Motors 1 messen kann. Folglich ist
es dadurch, daß das von dem Fehlerverstärker gemessene Signal zur Regelung der der
Brückenschaltung zugeführten Energie dazu verwendet wird, daß die Größe (VD - VBEI)
konstant gehalten wird, möglich, die Drehzahl des Motors 1 konstant zu halten.
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Zur Aktivierung des Fehlerverstärkers muß der Motor 1 eine Anschlußspannung
Eg haben, die mindestens 0,6 bis 0,7 V ist.
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Wie bekannt ist, kann die Anschlußspannung Eg des Motors wie folgt
ausgedrückt werden: Eo = EM + IMRa = Kv N + Ra-KT T (4) Hierbei sind IM der durch
den Motor fließende Strom, KT eine Drehmomentenkonstante und T das Drehmoment. Nimmt
man an, daß der Motor 1 ohne Last arbeitet, d.h. daß T = O, so erhält man Eo = KvN
(5)
Um einen Wert von Eg zu erhalten, der mindestens gleich 0,6
bis 0,7 V ist, wird die Geschwindigkeit des Motors durch folgende Ungleichung begrenzt:
N > o-6 ^ 0.7 (6) Kv Damit ist bei der herkömmlichen Einrichtung die niedrigstmögliche
Drehzahl begrenzt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den vorstehend beschriebenen Nachteil
zu beseitigen und eine Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor zu schaffen,
die eine Drehzahlregelung insbesondere bei sehr niedrigen Drehzahlen erlaubt.
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Eine diese Aufgabe lösende Drehzahlregeleinrichtung ist mit ihren
Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
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Bei der erfindungsgemäßen Drehzahlregeleinrichtung wird eine Brückenschaltung
von dem Motor und Widerständen gebildet.
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Die Brückenschaltung hat ein Paar von Meßanschlüssen, zwischen denen
ein Fehlerverstärker liegt, der einen NPN-Transistor, eine Diode und eine Konstantstromquelle
aufweist. Der Fehlerverstärker gibt ein Ausgangssignal ab, das über einen invertierenden
Verstärker zur Steuerung einer Zuführungsschaltung, d.h. einer Leistungsschaltung
für die Brückenschaltung angelegt wird. Auf diese Weise ist die Arbeit des Fehlerverstärkers
nicht durch die Anschlußspannung des Motors begrenzt, wodurch es möglich wird, die
Drehzahl des Motors auch bei sehr niedrigen Drehzahlen zu regeln. Auf diese Weise
kann die Drehzahl über einen ausgedehnten Bereich geregelt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeichnung näher
erläutert,in der zeigt:
Fig. 2 einen Schaltplan einer Drehzahlregeleinrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 3 die Strom/Spannung-Kennlinie
der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors und einer Diode.
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Fig. 2 zeigt eine Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ein zu regelnder Motor 21 bildet zusammen mit Widerständen 22, 23
und 24 in ähnlicher Weise wie in Fig. 1 eine Brückenschaltung. Die Brückenschaltung
hat ein Paar von Meßanschlüssen, die durch den Verbindungspunkt C zwischen dem Widerstand
22 und dem Motor 21 und dem anderen Verbindungspunkt D zwischen den Widerständen
23 und 24 gebildet werden. Der Emitter eines NPN-Transistors 25 ist mit dem Anschluß
C und die Basis dieses Transistors mit der Anode einer Diode 26 verbunden, deren
Kathode mit dem Anschluß D verbunden ist.
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Der Kollektor des Transistors 25 ist über einen Widerstand 28 mit
dem positiven Pol einer Gleichstromquelle bzw. . einer Gleichspannungsquelle 31
verbunden. Eine Konstantstromquelle 27 ist so geschaltet 7 daß ihr Strom über den
Verbindungspunkt zwischen der Basis des Transistors 25 und der Anode der Diode 26
fließt. Der Transistor 25, die Diode 26, die Konstantstromquelle 27 und der Widerstand
28 bilden einen Fehlerverstärker, dessen Ausgangssignal am Kollektor des Transistors
25 ansteht. Dieses Ausgangssignal wird an einen invertierenden Verstärker 29 angelegt,
dessen Ausgangssignal an der Basis eines Zuführungstransistors, d.h. eines Leistungstransistors
30 anliegt, so daß die der Brückenschaltung zugeführte Energie geregelt wird.
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Wenn die Brücken-Gleichgewichtsbedingung erfüllt ist: R21 R22 = H23
Ha (7)
wobei R21, R22 und R23 die Widerstandswerte der Widerstände
22, 23 bzw. 24 und Ra der äquivalente Innenwiderstand des Motors 21 sind, kann die
Spannung VBEI über die Basis und den Emitter des Transistors 25 wie folgt ausgedrückt
werden: H21 VBEI R21 + Ra M D VD (8) Hierbei ist EM die elektromotorische Gegenkraft
des Motors 21 und VD die Vorwärtsspannung der Diode 26. Folglich erhält man als
Drehzahl N des Motors: N = - R21 + Ha Kv Kv H21 (VBEI - VD) (9) Hierbei ist Kv eine
Konstante, die mit der elektromotorischen Gegenkraft des Motors zusammenhängt.
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Nimmt man an, daß die Drehzahl des Motors ansteigt, so nimmt das Ausgangssignal
des Fehlerverstärkers bzw. das Potential am Punkt E ab; ferner verringert das Ausgangssignal
des invertierenden Verstärkers 29 den dem Leistungstransistor 30 zugeführten Basisstrom,
wodurch sich die dem Motor 21 zugeführte Leistung und damit die Drehzahl verringern.
Umgekehrt bewirkt eine Verringerung der Drehzahl des Motors ein erhöhtes Potential
am Punkt E und das resultierende Ausgangssignal des invertierenden Verstärkers 29
erhöht den dem Leistungstransistor30 zugeführten Basisstrom, wodurch die dem Motor
21 zugeführte Leistung und damit dessen Drehzahl ansteigen. Auf diese Weise arbeitet
die gezeigte Schaltung derart, daß sie die durch Gleichung (9) bestimmte Drehzahl
dadurch
konstant hält, daß sie die Größe (VBEI - VD) konstant
hält. Somit bildet erfindungsgemäß die Kombination des Transistors 25, der Diode
26 und der Konstantstromquelle 27 einen Fehlerverstärker, der dazu dient, die gemäß
einer Fehlerspannung (VBEI - VD) zugeführte Leistung zu regeln, und der deshalb
mit einer Anschlußspannung Eo des Motors arbeiten kann, die kleiner als 0,6 V ist.
Damit ist die Schaltung anders als die herkömmliche Schaltung nicht durch die Anschlußspannung
des Gleichstrommotors beschränkt.
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Dies bedeutet, daß die erfindungsgemäße Einrichtung die Drehzahl des
Gleichstrommotors auf niedrigere Drehzahlen regeln kann, als sie bislang mit herkömmlichen
Schaltungen möglich waren.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltung kann die Drehzahl dadurch gewählt
werden, daß die Differenz zwischen der Strom/ Spannung-Kennlinie der Basis-Emitter-Strecke
des Transistors 25 und der Strom/Spannung-Kennlinie der Diode 26 gewählt wird. Insbesondere
ist es möglich, einen Transistor, der die in Fig. 3 durch die Kurve (a) dargestellte
Strom/Spannung-Kennlinie der Basis-Emitter-Strecke hat, und eine Diode zu wählen,
die die durch die Kurve (b) in Fig. 3 dargestellte Strom/Spannung-Kennlinie hat.
Der Wert (VBEI - VD) ist durch die Größen der entsprechenden Ströme und damit durch
den Stromfluß von der Konstantstromquelle 27 bestimmt. Folglich wird der Motor 21
so geregelt, daß er sich mit der durch Gleichung (9) gegebenen konstanten Drehzahl
dreht.
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