DE4100584A1 - Sensor fuer die drehzahlregelung von kleinmotoren mit kollektor - Google Patents

Description

Zweck der Erfindung ist die automatische Regelung der Drehzahl von Kollektor- Kleinmotoren in der Weise, daß diese bei Änderung des Lastdrehmomentes auf ggf. mehreren eingebbaren Sollwerten konstant bleibt. Dafür ist ein Drehzahlsensor erforderlich, der nach bekanntem Stand der Technik als Tachometergenerator, als magnetischer, induktiver oder optischer Geber ausgeführt wird. Der Kosten- und Raumaufwand für diese üblichen Sensoren ist etwa ebenso groß wie für einen zu regelnden Kleinmotor im Leistungsbereich 1-10 W.

Der Strom von Kollektormotoren enthält einen Wechselstromanteil, der durch den Kommutierungsvorgang entsteht, weil die Bürsten zeitweise voll auf einer Kollektorlamelle stehen, zeitweise den Isolierspalt zwischen zwei Lamellen überbrücken. Unabhängig von einer sich lastabhängig ändernden Kurvenform ist die Grundfrequenz des Wechselstroms proportional der Drehzahl des Motors. Durch Entnahme desselben steht ein elektrischer Drehzahlmeßwert zur Verfügung, der Motor selbst übernimmt die Funktion des Drehzahlsensors. Als weiterer Vorteil ergibt sich dabei, daß für diesen Sensor keine zusätzlichen Leitungen erforderlich sind. Der genannte Wechselstromanteil kann auch an einer vom Motor entfernten Stelle abgenommen werden, beispielsweise in seinem Stromversorgungsgerät. Dies ist wichtig, wenn der Motor beweglich ist und seine Zuleitungen über zweipolige Drehkupplungen mit Schleifringen oder Schleifschienen geführt werden müssen.

Weiterhin gibt es Anwendungen, bei denen mehrere Kleinmotore gemeinsam über zweipolige Drehkupplungen oder Schleifschienen gespeist und voneinander unabhängig auf verschiedene Drehzahlen lastunabhängig geregelt werden sollen. Da kein besonderer Drehzahlsensor erforderlich ist und der Regler räumlich klein ausgeführt werden kann, ist dessen Unterbringung in unmittelbarer Nähe des Motors möglich.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung. Darin ist 1 der Anker des Reihenschluß-Kollektormotors, 2 seine Feldwicklung. Sie besteht aus zwei Teilen, von denen je nach Polarität an den Klemmen 3/4 wegen der unterschiedlichen Durchlaßrichtungen der Dioden 5 und 6 einer in Betrieb ist. Zwischen den Klemmen 3/4 und den Anschlüssen 7/8 des Polwenders 9 liegt die nach dem Zweck der Erfindung zweipolige Leitung L1/L2 zum Motor. Der Polwender 9 kann, wie dargestellt, als Relais mit zwei Umschaltkontakten 7 und 8 oder als Halbleiteranordnung gleicher Funktion ausgeführt sein. Aus der Sollwerteingabe 21 wird damit die Drehrichtung des Motors bestimmt.

Die Speisung des Motors erfolgt über den als Regler wirkenden Leistungstransistor 10 aus einer Gleichspannungsquelle an den Anschlüssen 11 und 12.

Über den Transformator 13 zur Gleichstromtrennung wird der Wechselstromanteil des Motorstroms als Regelgröße gewonnen. Aus dessen Frequenz wird mittels der an sich bekannten Schaltung aus den Kondensatoren 14, 15 und den Dioden 16, 17 eine frequenzabhängige Gleichspannung erzeugt. Je nach der Genauigkeitsanforderung können für die Frequenzmessung und die nachfolgende Gewinnung des Meßergebnisses andere Anordnungen gewählt werden. Beispielhaft hierfür ist ein digitaler Frequenzähler mit nachgeschaltetem Digital-/Analog-Umsetzer zu nennen.

Der Sollwert der Regelgröße, das ist die Motordrehzahl, wird durch eine der Z-Dioden 19 vorgegeben. Diese haben in ihrem Sperrbereich unterhalb der für sie charakteristischen Durchbruchspannung einen hohen Sperrwiderstand. Überschreitet die Spannung an Pkt.18 diesen Wert, so erscheint an Pkt. 20 eine mit der Spannung an 18 linear steigende Ausgangsspannung abzüglich der Durchbruchspannung der Z- Dioden. Durch Umschalten der Z-Dioden aus dem Sollwertgeber 21 wird diejenige Drehzahl, die lastunabhängig gehalten werden soll, bestimmt. Im einfachsten Fall besteht der Sollwertgeber 21 aus einem Stufenschalter für die Einschaltung der Z- Dioden und einem Schalter für das Polwenderrelais 9. Die Spannung am Ausgang wird durch den Gleichspannungsverstärker 22 soweit verstärkt, daß über den Transistor 10 und die Spannung 3/4 die Drehzahl bei veränderlichem Last-Drehmoment entsprechend der Verstärkung des Regelkreises konstant gehalten wird. Innerhalb gewisser Grenzen werden weiterhin Schwankungen der Speisespannung 11/12 in bezug auf die Drehzahl ausgeglichen.

Diese Anordnung ist weiterhin erfindungsgemäß funktionsfähig, wenn anstelle des Reihenschlußmotors ein Permanentmagnetmotor verwendet wird, weil dessen Motorstrom ebenso den in seiner Frequenz drehzahlabhängigen Wechselstromanteil enthält.

Eine Anordnung ohne Transformator 13 ist in Fig. 2 beschrieben. Die Auskopplung des Wechselstromanteils aus dem Strom des Motors 1 mit seiner zweiteiligen Feldwicklung 2 erfolgt erfindungsgemäß über eine zweite Wicklung 3, die auf den Ständerpolen des Motors zusammen mit der Feldwicklung untergebracht ist. Der Ständer mit diesen beiden Wicklungen übernimmt dadurch die Funktion des Transformators. Die Wechselspannung des Anschlusses Y in Fig. 2 wird an der in Fig. 1 mit Y bezeichneten Stelle dem Kondensator 14 zugeführt, daraus in gleicher Weise wie Fig. 1 die Regelspannung gewonnen und an der in beiden Figuren mit X bezeichneten Stelle dem Transistor 10 zugeführt.

Die Speisung der Anordnung erfolgt von den Anschlüssen 31 und 32 über die nach dem Zweck der Erfindung zweipolige Leitung L1/L2 zu den Anschlüssen 33 und 34. Die Steuerung der Drehzahl und Drehrichtung des Motors erfolgt in an sich bekannter Weise über L1/L2 durch serielles Umtasten der Speisespannung an 31/32, so daß beispielsweise Plus eine 0, Minus eine 1 überträgt. Diese Spannung wird über 33 dem Dekoder 35 zugeführt. Durch den Brückengleichrichter 36 wird erreicht, daß die Polarität der Speisespannung für den Motor, den Regler zwischen X und Y und den Dekoder unabhängig von der Tastung an 31/32 die gleiche bleibt.

Eine Weiterbildung der Fig. 2 gegenüber Fig. 1 ist, daß an die Klemmen 33/34 mehrere Motoren (beispielhaft 16) mit jeweils eigener Drehzahlregelung angeschlossen werden können. Der von einer Zentrale über die Leitung L1/L2 zu allen Motoren gelangende, laufend wiederholte Datenblock enthält daher in seinen Bits 1 bis 4 die Adresse des Motors, dessen Drehzahl auf einen von 4 lastunabhängig zu regelnden Drehzahlwert gesteuert werden soll. Welcher von den vieren, wird durch die Bits 5 und 6 bestimmt. Über den Anschluß Z wird die dazu gehörige Z-Diode ausgewählt. Als einfachste Lösung sind dafür anstelle des Schalters 20 vier Relais vorstellbar, aus Kosten- und Platzgründen wird man jedoch eine funktional entsprechende Halbleiteranordnung wählen. Die Drehrichtung wird durch Einschalten der entsprechenden Hälfte der Feldwicklung 2 über Transistor 37 oder 38 durch Bit 7 aus dem Dekoder bestimmt.

Die gesamte Anordnung nach Fig. 2 kann außer dem Motor und den Kondensatoren 14 und 15 je nach Wirtschaftlichkeit in einem oder mehreren integrierten Siliziumschaltkreisen untergebracht werden. Durch Wahl eines anderen Frequenzdemodulators können auch die Kondensatoren vermieden werden. Der Raumbedarf der integrierten Ausführung wird selbst bei Kleinmotoren von nur einigen Watt Leistung kleiner als diese selbst sein.

Alternativ zur Wicklung 3 kann der Wechselstromanteil des Motorstroms über den Kondensator 40 als Spannungsabfall am induktiven Blindwiderstand der Reihenschlußwicklung 2 entnommen und bei Y dem Regler zugeführt werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn serienmäßige Kleinmotoren (d. h. ohne die Wicklung 3) verwendet werden sollen oder der Platzbedarf für den Kondensator 40 vorhanden und dieser kostengünstiger als die Wicklung 3 ist.

Claims (6)

1. Anordnung zur Messung der Drehzahl eines Gleichstrom-Reihenschluß- oder Permanentmagnetmotors, dessen Drehzahl lastunabhängig auf einen einstellbaren Wert geregelt werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß der im Motorstrom infolge der Kommutation enthaltene, in seiner Frequenz der Drehzahl linearproportionale Wechselstromanteil als Regelkriterium verwendet wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromanteil des Motorstroms bei Verwendung eines Gleichstromreihenschlußmotors über eine weitere mit der Feldwicklung auf den Ständerpolen transformatorisch gekoppelte Wicklung als Drehzahlregelkriterium entnommen wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Wechselstromanteil als Spannungabfall an der Feldwicklung des Gleichstrom- Reihenschlußmotors entnommen wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des genannten Wechselstroms in an sich bekannter Weise gemessen und daraus eine Gleichspannung zur Regelung der Motorspannung über einen Leistungsverstärker gewonnen wird.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Schwellenschaltung für die Gleichspannung nach Anspruch 2, z. B. eines Satzes umschaltbarer Z-Dioden, die Höhe der konstant zu haltenden Drehzahl eingestellt wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung des Motors durch Umpolen der beiden Motorzuleitungen in an sich bekannter Weise unter Verwendung einer doppelten Feldwicklung mit je einer Diode schaltbar ist.