DE3328250A1

DE3328250A1 - Drehzahlregeleinrichtung fuer einen gleichstrommotor

Info

Publication number: DE3328250A1
Application number: DE19833328250
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: JPS5935579A

Description

Beschreibung
Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor mit verringerter Temperaturabhängigkeit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei der Regelung der Drehzahl eines Gleichstrommotors kann die Drehzahl des Motors mit der in Fig. 1 gezeigten Schaltung gemessen werden. Dabei sind ein zu regelnder Gleichstrommotor 1 und drei Widerstände 2, 3 und 4 in Form einer Brückenschaltung verbunden. Wenn man den äquivalenten Innenwiderstand des Motors 1 mit R a und die Widerstandswerte der Widerstände 2, 3 und 4 mit R1, R2 bzw. R3 bezeichnet, liegt eine Spannung Vn an den beiden Meßanschlüssen C und D der Brücke an, an deren Anschlußpaar A und B eine Spannung V0 anliegt: Hierbei ist EM die elektromotorische Gegenkraft des Motors.
Wenn die Widerstände R1, R2 und R3 so gewählt sind, daß sie die Brücken-Gleichgewichtsbedingung: R1R2 = R3R (2) erfüllen, kann Gleichung (1) wie folgt umgeschrieben werden: Hierbei sind Kv eine Konstante, die mit der elektromotorischen Gegenkraft verknüpft ist, und N die Drehzahl des Motors. Wie man sieht, ist die an den beiden Meßanschlüssen anstehende Spannung Vn lediglich eine Funktion der Drehzahl N, so daß es möglich ist, die Drehzahl durch Messen der Spannung Vn zu bestimmen. Hält man umgekehrt die Spannung Vn konstant, so kann eine Drehzahlregelung erreicht werden, die die Drehzahl N konstant hält.
Wenn gewöhnliche Widerstände, beispielsweise Kohleschichtwiderstände für die Widerstände 2, 3 und 4 verwendet werden, kann die Gleichung (2) nicht bei einer Temperaturänderung erfüllt werden, da der äquivalente Innenwiderstand Ra des Motors 1 einen größeren positiven Temperaturkoeffizienten als die drei anderen Widerstände hat Folglich ist der erste Term in Gleichung (1) nicht länger zu vernachlässigen und der Faktor R1/(Rl+Ra) im zweiten Term variiert mit der Temperatur. Somit kann die Spannung Vn wie folgt ausgedrückt werden: Vn = f(T, Last ) + g(T) EM (4) Damit ist die Spannung Vn nicht länger allein eine Funktion der Drehzahl N, sondern sie ist auch eine Funktion der Temperatur (T) und der Last bzw. des Moments.
Dies bedeutet, daß, wenn die drei Widerstände mit gleichen Temperaturkoeffizienten und der Motor zur Bildung einer Brückenschaltung verwendet werden und eine Drehzahlregelung verwendet wird, die die Spannung Vn konstant hält, die Drehzahl -mit einer Änderung der Temperatur und der Last in der in Fig. 2 dargestellten Weise variiert, so daß keine brauchbare Drehzahlregelung möglich ist.
Um eine verringerte Temperaturabhängigkeit zu erhalten, ist vorgeschlagen worden, einen speziellen Widerstand für den Widerstand 3 zu verwenden, der denselben Temperaturkoeffizient wie der äquivalente Widerstand Ra des Motors hat. Die Herstellung eines derartigen speziellen Widerstands mit dem gewünschten Temperaturkoeffizienten erfordert jedoch, daß die Parameter in einem sehr komplexen Herstellungsprozeß durch Experimente und durch Trial und Error eingestellt werden. Wenn ein derartiger Widerstand produziert wird, kann sein Temperaturkoeffizient während der praktischen Verwendung aufgrund der Wärmeleitung von einem Substrat, auf dem der Widerstand befestigt ist, von mit ihm verbundenen Anschlüssen oder aufgrund von Konvektion in dem Gerät variieren. Um derartige äußere Einflüsse zu verhindern, sind spezielle Betrachtungen erforderlich, mittels denen ein besonderes Gehäuse- bzw. Hüllmaterial, der Aufbau des Gehäuses oder ein besonderes Material für die Leitungsdrähte mit verringerter Wärmeleitung oder eine besondere Befestigungsmethode ausgewählt werden. Wie ohne weiteres ersichtlich ist, führen die Verwendung eines derartigen komplizierten Herstellungsprozesses und die Entwurfsschwierigkeiten bei der Wahl und dem Aufbau des Gehäuses zu erhöhten Kosten für einen derartigen Widerstand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Nachteile herkömmlicher Drehzahlregeleinrichtungen dadurch zu beseitigen, daß eine Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor geschaffen wird, die eine verringerte Temperaturabhängigkeit ohne die Verwendung eines speziellen Widerstandes zeigt.
Die erfindungsgemäße Lösung sowie Ausgestaltungen und Weiterbildungen hiervon sind in den Ansprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird die verringerte Temperaturabhängigkeit ohne Verwendung eines speziellen Widerstandes dadurch erreicht, daß ein Brückenzweig, der nicht direkt mit dem Motor verbunden ist, mit einem Widerstandsnetzwerk versehen wird, das einen Thermistor aufweist.
Erfindungsgemäß weist die Brückenschaltung, die aus dem Gleichstrommotor und den Widerständen besteht, zwei in Serie geschaltete Widerstände auf, von denen einer mit einem Thermistor parallelgeschaltet ist. Mit dieser einfachen Schaltung kann die Temperaturabhängigkeit der Drehzahlregeleinrichtung ohne die Verwendung spezieller Materialien verbessert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen: Fig. 3 einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drehzahlregeleinrichtung, und Fig. 4 und 5 die Temperatur- und Lastabhängigkeit des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels.
Fig. 3 zeigt eine Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Eine Brückenschaltung besteht aus einem zu regelnden Gleichstrommotor und Widerständen 2 und 3, von denen jeder einen Zweig der Brücke bildet. Der restliche, d.h. der vierte Zweig der Brücke besteht aus einer Serienschaltung von Widerständen 4 und 8, von denen der Widerstand 8 mit einem Thermistor 9 mit negativem Temperaturkoeffizient parallelgeschaltet ist. Es ist zu beachten, daß der Zweig, der den Thermistor aufweist, gegenüber dem Zweig angeordnet ist, den der Motor 1 bildet. Eine Drehzahlmeßeinrichtung 5 ist zwischen zwei Meßanschlüsse geschaltet, die durch den Verbindungspunkt C zwischen dem Motor 1 und dem Widerstand 2 und dem weiteren Verbindungspunkt D zwischen den Widerständen 3 und 4 gebildet werden, um eine Änderung in der zwischen den Verbindungspunkten C und D entwickelten Spannung zu erfassen und um diese Änderung zu verstärken. Das Ausgangssignal der Drehzahlmeßeinrichtung 5 liegt an einer Zuführungs- bzw. Leistungsschaltung an, die so geschaltet ist, daß sie der Brückenschaltung über zwei Leistungsanschlüsse A und B Leistung von einer Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsquelle 7 zuführt.
Wenn der Widerstand bzw. die Impedanz des Zweigs, der die Widerstände 4 und 8 sowie den Thermistor 9 umfaßt, Z3, der äquivalente Innenwiderstand des Motors 1 R und der Widera standswert der Widerstände 2 und 3 R1 und R2 ist, ist die Spannung Vn zwischen den Verbindungspunkten C und D in Analogie zu der Ableitung bei der Schaltung gemäß Fig. 1: Bezeichnet man den äquivalenten Innenwiderstand des Motors 1, den Widerstandswert des Widerstands 2 und 3 und die Impedanz des Zweiges mit dem Thermistor 9 bei der Temperatur T1 mit Ra1, R11, R21 und Z31 sowie die entsprechenden Werte bei der Temperatur T2 mit Ra2, R12, R22 und Z32, so erhält man: R12 = (T2 - T1).γ.R11 + R11 = (1 + #T.γ).R11 (6) R22 = (T2 - T1).γ.R21 + R21 = (1 + #T.γ).R21 (7) Ra2 = (T2 - T1).ß.Ra1 + Ra1 = (1 + #T.ß).Ra1 (8) Z = (T2 - T1).α.Z31 + Z31 = (1 + #T.α).Z31 (9) Hierbei ist # T = T2 - T1, wobei α, ß und γ die Temperaturkoeffizienten der Impedanz Z3, des äquivalenten Innenwiderstandes R bzw. der Widerstände R1 und R sind.
a 1 2 Aus Gleichung (5) erhält man als Brücken-Gleichgewichtsbedingung: Ra1.Z31 = R11.R21 (bei der Temperatur T1) (10) Ra2.Z32 = R12.R22 (bei der Temperatur T2) (11) Der Temperaturkoeffizient Y der Widerstände 2 und 3 ist im allgemeinen vernachlässigbar klein verglichen mit dem Temperaturkoeffizienten ß des äquivalenten Innenwiderstands des Motors; anders ausgedrückt ist y < 1, so daß der Temperaturkoeffizient vernachlässigt werden kann. Hieraus folgt, daß gilt R11 = R12 und R21 = R22. Aus den Gleichungen (10) und (11) erhält man dann: Ra1.Z31 = Ra2.Z32 (12) Wenn diese Bedingung erfüllt ist, folgt, daß der erste Term in Gleichung (5) unabhängig von der Temperatur auf Null gehalten wird und die Temperaturabhängigkeit der Drehzahl verringert sowie die Lastabhängigkeit der Drehzahl zum Verschwinden gebracht werden können, wenn die Drehzahl auf der Basis der Spannung Vn geregelt wird.
Setzt man die Gleichungen (8) und (9) in die Gleichung (12) ein, so erhält man: Ra1.Z31 = {(1 + #T.ß).Ra1}.{(1 + #T.α).Z31} Und hieraus als Lösung für X da AT B « 1, erhält man α # -ß (13) Dadurch, daß für den Brückenzweig "gegenüber" dem Motor die Widerstände 4 und 8 sowie der Thermistor 9 verwendet und diese Bauteile so gewählt werden, daß sie einen Temperaturkoeffizient haben, der entgegengesetzt gleich dem des äquivalenten Innenwiderstands Ra des Motors (d.h. einen negativen Temperaturkoeffizienten mit einem Absolutwert, der gleich dem des Widerstands Ra ist) haben, kann die Temperaturabhängigkeit der Drehzahl verringert und die Lastabhängigkeit der Drehzahl zum Verschwinden gebracht werden, wenn die Drehzahl auf der Basis der gemessenen Spannung Vn geregelt wird. Der erste Term in Gleichung (5) kann vernachlässigt werden, der zweite Term hat jedoch eine Temperaturabhängigkeit. Wenn die Temperaturkoeffizienten der Widerstände 2 und 3 gleich Null sind und ihr Widerstandswert R1 bzw. R2 ist, kann die Gleichung (5) wie folgt umgeschrieben werden: (bei der Temperatur T1) (14) (bei der Temperatur T2) (15) Durch Konstanthalten von Vn steigt die Drehzahl bei einem Temperaturanstieg an, wie dies graphisch in Fig. 4 dargestellt ist.
Eine kleinere Temperaturabhängigkeit als in den Fig. 2 und 4 dargestellt kann jedoch dadurch erhalten werden (siehe Fig. 5), daß der negative Temperaturkoeffizient der Impedanz des Zweiges mit dem Thermistor 9 nicht genau gleich, sondern etwas unterschiedlich von den Temperaturkoeffizienten des äquivalenten Innenwiderstands Ra des Motors gewählt wird, so daß eine gewisse Lastabhängigkeit in der Spannung Vn verbleibt.
Beim tatsächlichen Entwurf einer Schaltung kann der Temperaturkoeffizient der Impedanz Z3 so gewählt werden, daß ein Punkt E, an dem die Temperaturabhängigkeit minimal ist (vergleiche Fig. 5) an den Spezifikationswert der mit dem Motor verbundenen Last gesetzt wird, wodurch eine wesentliche Verbesserung der Temperaturabhängigkeit der Drehzahl erzielt wird. Anstelle der Verwendung eines Widerstandspaars 4 und 8 in Kombination mit einem Thermistor 9, kann der Thermistor mit einem einzelnen Widerstand oder einer'Vielzahl von Widerständen kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche 1. Drehzahlregeleinrichtung für einen Gleichstrommotor, bei dem der Motor zusammen mit einer Vielzahl von Widerständen eine Brückenschaltung bildet, deren Ausgangssignal zur Steuerung der Drehzahl des Motors gemessen wird, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, daß ein Zweig der Brückenschaltung, der "gegenüber" dem von dem Motor (1) gebildeten Zweig angeordnet ist, von einem Widerstandsnetzwerk mit einem Temperaturkoeffizienten gebildet wird, dessen Absolutwert im wesentlichen gleich und dessen Vorzeichen umgekehrt dem Temperaturkoeffizienten des äquivalenten Innenwiderstands des Motors ist.
2. Drehzahlregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Widerstandsnetzwerk einen Thermistor (9) und mindestens einen Widerstand aufweist.
3. Drehzahlregeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Drehzahlmeßeinrichtung (5) mit zwei Ausgangsanschlüssen (C, D) der Brückenschaltung zur Abgabe eines Signals verbunden ist, das an eine Leistungsschaltung (6) angelegt ist, um die Energieversorgung der Brückenschaltung zu regeln.
4. Drehzahlregeleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Widerstandsnetzwerk zwei in Serie geschaltete Widerstände (4, 8) und einen Thermistor (9) aufweist, der parallel zu einem der Widerstände geschaltet ist.
5. Drehzahlregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Temperaturkoeffizient des Widerstandsnetzwerks entsprechend dem Spezifikationswert der Last gewählt ist, die mit dem Motor (1) verbunden ist.