DE4221619C2 - Vorrichtung zur Drehzahlstabilisierung - Google Patents

Vorrichtung zur Drehzahlstabilisierung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Antriebstechnik und betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Drehzahl eines Motors, bestehend aus einem Referenz-Generator zur Erzeugung einer Referenz-Taktfolge, einem Drehzahlge­ ber zur Erzeugung einer Motor-Taktfolge, einem Phasenvergleicher zur Gewin­ nung einer der Phasendifferenz zwischen der Referenz-Taktfolge und der Motor- Taktfolge proportionalen Phasendifferenzspannung mit einem mit dem Referenz- Generator verbundenen ersten Impulsformer, einem an den ersten Impulsformer angeschlossenen Sägezahngenerator zur Gewinnung einer Sägezahnspannung, einem an den Sägezahngenerator angeschlossenen ersten Abtast-Halte-Glied zur Erzeugung einer der Phasendifferenz proportionalen Gleichspannung und mit ei­ nem mit dem Drehzahlgeber und dem ersten Abtast-Halte-Glied verbundenen zweiten Impulsformer zur Erzeugung einer ersten Abtast-Impulsfolge für die Steuerung des ersten Abtast-Halte-Gliedes, einem an den Phasenvergleicher angeschlossenen Regler und aus einer mit dem Regler und dem Motor verbunde­ nen Steuerschaltung für den Motor.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus dem Lehrbuch "Halbleiter- Schaltungstechnik", Tietze/Schenk, Axel Springer Verlag, 9. Auflage, 1991, Seiten 954 bis 959, bekannt. Mit der dort beschriebenen PLL-Regelung ist es möglich, bei Ver­ wendung eines Phasenvergleichers einen Gleichstrommotor phasenstarr an ein Referenzsignal anzukoppeln. Derartige Regelungen besitzen jedoch eine tote Zo­ ne, die einer hochgenauen Regelung entgegensteht. Diese tote Zone resultiert daraus, daß die bekannten Phasenvergleicher lediglich eine Pulsfolge bereitstel­ len, die eine der Phasendifferenz proportionale Pulsweite aufweist. Die Pulsfolge wird in einem nachgeschalteten RC-Glied geglättet, das einen Integrator darstellt. Die Pulsweite kann jedoch nicht beliebig schmal werden und dabei gleichzeitig zur Phasendifferenz proportionale Eigenschaften aufweisen. Aufgrund der Verwen­ dung von nichtidealen Bauelementen und hieraus resultierenden Laufzeiten ist somit eine Mindestbreite der Pulse zu berücksichtigen.
Aus der DE 32 16 027 C2 ist eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung für den An­ triebsmotor eines Videomagnetbandes bekannt, die aus einer ersten Abtastein­ richtung zur Erfassung von Kontrollimpulsen, einem Bezugsimpulsgenerator zur Erzeugung von Bezugsimpulsen, einer Phasenregelschaltung, einer zweiten Ab­ tasteinrichtung zur Erzeugung von Steuerimpulsen und einer Bandgeschwindig­ keits-Steuerschaltung besteht. Die Phasenregelschaltung erzeugt ein erstes Aus­ gangssignal, welches der Phasenverschiebung zwischen den Kontrollimpulsen und den Bezugsimpulsen proportional ist. In der Bandgeschwindigkeits-Steuer­ schaltung wird in Abhängigkeit von dem ersten Ausgangssignal und den Steuer­ impulsen ein zweites Ausgangssignal erzeugt welches der Motorsteuerung als Regelsignal zugeführt wird. Die Phasenregelschaltung und die Bandgeschwindig­ keits-Steuerschaltung weisen jeweils eine Reihenschaltung aus einem Differen­ zierglied, einem Sägezahngenerator und einer Abtast-Halte-Schaltung auf. Es sind keine Maßnahmen zur Verbesserung der Drehzahlstabilisierung angegeben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Stabilisie­ rung der Drehzahl eines Motors derart zu verbessern, daß innerhalb eines großen Regelbereiches eine stabile Drehzahl erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Drehzahlstabilisie­ rung,
Fig. 2 Signalverläufe zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Vorrichtung und
Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel für die Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Stabilisierung der Drehzahl eines Motors (1). Ein Referenzoszillator (2) erzeugt eine Taktfolge TO, die in einem nachgeschalteten Frequenzteiler (3) auf eine Referenz-Taktfolge TREF mit der Referenz-Frequenz fREF heruntergeteilt wird. Die Referenz-Taktfolge TREF wird einem Phasenvergleicher (4) zugeführt. Ein Drehzahlgeber (5), der z. B. als Hall-Sensor ausgebildet ist, erzeugt eine Motor-Taktfolge TMOT, deren Motor-Frequenz fMOT der Ist- Drehzahl des Motors (1) proportional ist. Die Motor-Takt­ folge TMOT wird ebenfalls dem Phasenvergleicher (4) zuge­ führt. Im Phasenvergleicher (4) wird laufend die Phasen­ differenz zwischen der Referenz-Frequenz fREF und der Motor-Frequenz fMOT festgestellt und ein der Phasen­ differenz proportionales Phasendifferenz-Signal UPHA als Ausgangssignal des Phasenvergleichers (4) erzeugt. Das Phasendifferenz-Signal UPHA wird in einem Regler (6) in ein Regelsignal UREG umgewandelt, das einer Leistungs-Stufe (7) zugeführt wird. Der Regler (6) ist vorzugsweise ein PID-Regler. Die Leistungs-Stufe (7) ist im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Kommutierungs-Stufe (8) mit dem Motor (1) verbunden.
Der Phasenvergleicher (4) besteht aus einem Impulsformer (9), der beispielsweise als Monoflop ausgebildet ist und von der Referenz-Taktfolge TREF getriggert wird. Der Impulsformer (9) erzeugt eine modifizierte Referenz-Takt­ folge T′REF mit einer vorgebbaren, konstanten Impulsdauer. Über die jeweilige Periode der modifizierten Referenz- Taktfolge T′REF wird die Drehzahl des Motors (1) vorge­ geben. Aus der modifizierten Referenz-Taktfolge T′REF des Impulsformers (9) wird in einem nachgeschalteten Signal­ generator (10), der beispielsweise als Sägezahn-Generator ausgebildet ist, eine Sägezahn-Spannung USÄG generiert. Die Sägezahn-Spannung USÄG beaufschlagt ein erstes Abtast- Halte-Glied (11). Das erste Abtast-Halte-Glied (11) wird von einer ersten Abtast-Impulsfolge T′ABT getriggert, die in einem Abtast-Impulsformer (12), beispielsweise in Form eines Monoflops, aus der Motor-Taktfolge TMOT abgeleitet wird. Das Ausgangssignal des ersten Abtast-Halte-Gliedes (11) ist eine Gleichspannung UGLE, die bereits der Phasen­ differenz der zu vergleichenden Frequenzen (fREF; fMOT) proportional ist, aber noch Signalstörungen aufweist. Diese Signalstörungen werden in einem dem ersten Abtast-Halte- Glied (11) nachgeschalteten zweiten Abtast-Halte-Glied (13) geglättet bzw. ausgesiebt. Das zweite Abtast-Halte-Glied (13) wird von einer zweiten Abtast-Impulsfolge T′′ABT getriggert, die in einer mit dem Abtast-Impulsformer (12) verbundenen Ansteuerschaltung (14) gewonnen wird. Die Aus­ gangsspannung des zweiten Abtast-Halte-Gliedes (13) ist das Phasendifferenz-Signal UPHA des Phasenvergleichers (4).
Abtast-Halte-Glieder (11; 13) werden beispielsweise im Lehr­ buch "Halbleiter-Schaltungen", Tietze/Schenk, Axel Springer Verlag, 9. Auflage, Seiten 954 bis 959, beschrieben.
Die Kommutierungs-Stufe (8) ist z. B. als elektronische Korn­ mutierung ausgebildet, die von dem Drehzahlgeber (5) ge­ steuert wird, wodurch dieser in vorteilhafter Weise sowohl zur Kommutierung als auch zur Erzeugung der Motor-Taktfolge TMOT verwendet wird. Zur elektronischen Kommutierung kann beispielsweise ein IC-Baustein vom Typ MC 33034-120 der Fa. Motorola in Verbindung mit einer Power-MOS FET-Endstufe verwendet werden, die über geschaltete Stromquellen ange­ steuert wird. Die Verwendung einer Kommutierung, insbe­ sondere einer elektronischen Kommutierung, hat den Vorteil, daß die Laufruhe des Motors (1) verbessert wird. Die Kommu­ tierungs-Stufe (8) kann aber auch bei geringeren Anforde­ rungen entfallen.
Der Motor (1) ist z. B. ein Gleichspannungsmotor. Es kann jeder Motor eingesetzt werden, dessen Drehzahl von der jeweiligen Speisespannung abhängig ist.
Durch die Kombination des Impulsformers (9) mit dem die Sägezahn-Spannung USÄG erzeugenden Signalgenerator (10) sowie der Kopplung mit dem ersten Abtast-Halte-Glied (11) wird erreicht, daß Arbeitspunkt-Verschiebungen des Motors (1) zu einer Veränderung der zeitlichen Abtastlage im Bereich des Ausgangssignals des Signalgenerators (10) führen, woraus eine konstante Drehzahl des Motors (1) resultiert. Insbesondere führen kleine Drehmomentschwan­ kungen nur zu geringen Verschiebungen der Abtastlage, da das Drehmoment im wesentlichen proportional zum Motorstrom ist. Es wird somit ein Phasenvergleicher mit einer linearen Übertragungs-Kennlinie ohne tote Zone realisiert.
Bei Verwendung einer Sägezahn-Spannung USÄG ist der Anstieg derart zu wählen, daß sowohl eine aus einer zu groben Stei­ gung resultierende Empfindlichkeit als auch eine aus einer zu geringen Steigung der Sägezahn-Spannung USÄG resul­ tierende zu lose Kopplung des Motors (1) an die Referenz- Taktfolge TREF vermieden wird.
Wird durch den Phasenvergleicher (4) eine lineare Über­ tragungs-Kennlinie realisiert, so ist es möglich, für den geschlossenen Regelkreis eine konstante Schleifenver­ stärkung und eine konstante Bandbreite vorzugeben.
In Abhängigkeit von der Dimensionierung des Phasenver­ gleichers (4) ist es insbesondere möglich, der Regelung eine Charakteristik eines Tiefpasses zweiter Ordnung zu verleihen. Hieraus resultiert eine geringe Empfindlichkeit gegenüber von Bauelementtoleranzen. Die Dämpfung des Tiefpasses ist über die Dimensionierung einstellbar.
Durch die Ansteuerschaltung (14) kann die Übertragungs- Kennlinie des Phasenvergleichers (4) in einem sehr weiten Bereich verändert werden. Beispielsweise ermöglicht eine grobe Steilheit der Übertragungs-Kennlinie im Arbeitspunkt eine stationär genaue Drehzahl-Regelung. Grundsätzlich sind aber durch die Wahl geeigneter Parameter auch definierte nichtlineare Übertragungs-Kennlinien vorgebbar.
Die im Phasenvergleicher (4) ermittelte Phasendifferenz korreliert zum Arbeitspunkt des Motors (1). Es wird somit ein frequenzstarrer Phasenvergleicher realisiert, der eine bleibende Phasendifferenz aufweist, deren tatsächliche Größe vom jeweiligen Arbeitspunkt des Motors (1) abhängt. Eine Verschiebung findet somit beispielsweise in Abhängig­ keit von einer sich ändernden Arbeitstemperatur oder sich ändernden Drehmomentverhältnissen statt.
Durch die Glättung bzw. Siebung mit Hilfe des zweiten Abtast-Halte-Gliedes (13) wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß der Motor (1) und damit auch die angekoppelte Last einen ruhigen Lauf ohne Drehjitter-Störungen aufweist.
Die Verwendung eines Reglers (6) mit PID-Verhalten hat den Vorteil, daß er ein wesentlich schnelleres Ansprechver­ halten als ein reiner Integralregler aufweist, aber die Oberwellen der Motor-Frequenz aufgrund eines Integralan­ teils ausreichend dämpft.
Fig. 2 zeigt Signalverläufe in einer graphischen Dar­ stellung zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Vorrichtung nach Fig. 1.
Graph A) zeigt die am Ausgang des Frequenzteilers (3) an­ stehende Referenz-Taktfolge TREF. Im Graph B) ist die im Referenztakt-Impulsformer (9) gewonnene modifizierte Referenz-Taktfolge T′REF mit konstanter Impulsdauer darge­ stellt. Graph C) zeigt die aus der modifizierten Referenz- Taktfolge T′REF abgeleitete Sägezahn-Spannung USÄG am Ausgang des Signalgenerators (10). Graph D) veranschaulicht die aus der Motor-Taktfolge TMOT abgeleitete erste Abtast- Impulsfolge T′ABT am Ausgang des Motortakt-Impulsformers (12). Graph E) zeigt die am Ausgang des ersten Abtast- Halte-Gliedes (11) erscheinende Gleichspannung UGLE und Graph F) das geglättete Phasendifferenz-Signal UPHA am Ausgang des zweiten Abtast-Halte-Gliedes (13) bzw. am Ausgang des Phasenvergleichers (4).
Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Drehzahlstabilisierung mit einer modifizierten Anordnung zur Erfassung der Drehzahl des Motors (1) in einer ausschnittsweisen Darstellung.
Diese Vorrichtung zur Drehzahlstabilisierung kann mit Vor­ teil bei Abtast- und Aufzeichnungsgeräten in der Reproduk­ tionstechnik Verwendung finden, da dort hochgenaue und störungsunempfindliche Motor-Antriebe für Drehbewegungen und/oder Linearbewegungen benötigt werden. Über einen Umschalter (16) kann wahlweise entweder ein Signal des Drehzahlgebers (5) oder eines Wandlers (17) ausgewertet werden. Dem Wandler (17) wird über einen Drehspiegel (18), der durch eine Welle (19) an den Motor (1) angekoppelt ist, ein Hilfsstrahl (20) zugeführt. Der Hilfsstrahl (20) wird von einem Abtaststrahl (21) eines nicht näher dargestellten Abtast- oder Aufzeichnungsgerätes abgeleitet, mit dem eine Vorlage bzw. ein Aufzeichnungsmaterial punkt- und zeilen­ weise abgetastet wird. Insbesondere ist daran gedacht, von dem Abtaststrahl (21) einen Zeilenstartimpuls abzuleiten. Durch die Ableitung der Drehzahlinformation aus dem Hilfsstrahl (20) statt aus den Meßwerten des Drehzahlgebers (5) kann das Auftreten von Gleichlaufschwankungen weiter reduziert werden. Eine zusätzliche Verbesserung der Laufruhe kann durch die Verwendung von gleichlaufschwan­ kungsarmen Lagern, vorzugsweise von Luftlagern, erreicht werden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Stabilisierung der Drehzahl eines Motors, bestehend aus
  • - einem Referenz-Generator (2, 3) zur Erzeugung einer Referenz-Taktfolge (TREF), deren Frequenz (fREF) ein Maß für die Soll-Drehzahl des Motors (1) ist,
  • - einem Drehzahlgeber (5) zur Erzeugung einer Motor-Taktfolge (TMOT), deren Frequenz (fMOT) ein Maß für die Ist-Drehzahl des Motors (1) ist,
  • - einem Phasenvergleicher (4) zur Gewinnung eine der Phasendifferenz zwischen der Referenz-Taktfolge (TREF) und der Motor-Taktfolge (TMOT) proportionalen Phasendifferenzspannung mit einem mit dem Referenz- Generator (2, 3) verbundenen ersten Impulsformer (9), einem an den ersten Impulsformer (9) angeschlossenen Sägezahngenerator (10) zur Gewinnung einer Sägezahnspannung (USÄG), einem an den Sägezahngenerator (10) angeschlossenen ersten Abtast-Halte-Glied (11) zur Erzeugung einer der Phasendifferenz proportionalen Gleichspannung (UGLE) und einem mit dem Drehzahlgeber (5) und dem ersten Abtast-Halte-Glied (11) verbun­ denen zweiten Impulsformer (12) zur Erzeugung einer ersten Abtast-Impuls­ folge (T′ABT) für die Steuerung des ersten Abtast-Halte-Gliedes (11),
  • - einem an den Phasenvergleicher (4) angeschlossenen Regler (6) und
  • - einer mit dem Regler (6) und dem Motor (1) verbundenen Steuerschaltung (7, 8) für den Motor (1), dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Drehzahlstabilisierung
  • - dem ersten Abtast-Halte-Glied (11) ein zweites Abtast-Halte-Glied (13) zur Glättung der Gleichspannung (UGLE) nachgeschaltet ist, dessen Aus­ gangsspannung der Phasendifferenzspannung (UPHA) des Phasenver­ gleichers (4) entspricht und
  • - an den zweiten Impulsformer (12) und das zweite Abtast-Halte-Glied (13) eine Ansteuerschaltung (14) angeschlossen ist, die aus der ersten Abtast-Impulsfolge (T′ABT) eine zweite Abtast-Impulsfolge (T′′ABT) zur Steuerung des zweiten Abtast-Halte-Gliedes (13) erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impuls­ former (9, 12) als monostabile Kippstufen mit einstellbarer Impulsbreite ausge­ bildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenz-Generator (2, 3) aus einem Oszillator und einem nachgeschal­ teten Frequenzteiler (3) besteht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleicher (4) eine lineare Übertragungs-Kennlinie aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlgeber (5) als Hall-Sensor ausgebildet ist, der das Magnetfeld des Motors (1) auswertet.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlgeber (5) als optoelektronischer Wandler (17) ausgebildet ist, der mit einem drehzahlabhängigen Lichtstrahl beaufschlagt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (6) ein PID-Regler ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (7, 8) eine elektronische Kommutierungs-Stufe (8) zur Durchführung einer Kommutierung des Motors (1) enthält.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der als Drehzahlgeber (5) ausgebildete Hall-Sensor gleichzeitig die Kommutierung steuert.
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