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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Regelung der Drehzahl eines Elektromotors,
insbesondere eines Motors vom Universaltyp.
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Die
Motoren vom Universaltyp werden zunehmend zur Ausrüstung von
in großen
Serienstückzahlen
hergestellten Geräten,
wie beispielsweise Waschmaschinen, verwendet, da sie gestatten,
mit Hilfe eines einfachen elektronischen Befehls einen großen Bereich
von Drehzahlen zu erhalten, der im Beispiel der Waschmaschinen von
der niedrigen Waschdrehzahl bis zur hohen Trocknungsdrehzahl reicht.
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1 zeigt
eine herkömmliche
Schaltung zur Drehzahlregelung eines Universal-Motors. Der Universal-Motor 10 weist
eine Statorwicklung 10-1 in Reihe mit einer Rotorwicklung 10-2 auf.
Um die Drehzahl des Motors regeln zu können, verwendet man herkömmlicherweise
einen Motor, der mit einem Tachometer 10-3 versehen ist,
wie dies in der Patentanmeldung EP-A-0 564 378 sowie in dem in ,ELEKTRONIK', Vol. 35, Nr. 14,
pp. 73–78,
erschienenen Artikel von H. Sax beschrieben ist.
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Der
Motor 10 wird allgemein ausgehend von der Netzspannung
VAC gespeist, über
ein Triac 12. Ein Mikrocontroller bzw. eine Kleingerätesteuerung 14 erhält die Drehzahlinformation ω des Tachometers 10-3 und
einen Drehzahl-Sollwert ωc
zugeführt.
In Abhängigkeit
von der Differenz zwischen der gemessenen Drehzahl ω und der
Soll-Drehzahl ωc
korrigiert der Mikrocontroller den Leitungs- oder Stromflusswinkel α des Triacs 12 im
Sinne einer Annäherung von ω an ωc.
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Außerdem überwacht
der Mikrocontroller 14 den Strom I des Motors, der an den
Anschlüssen
eines in Reihe mit dem Triac 12 geschalteten Nebenschlusswiderstands 16 gemessen
wird. Diese Stromüberwachung
ist notwendig, um eine Zerstörung
des Motors zu vermeiden, wenn sein Lastdrehmoment zu groß wird,
oder auch bei Ausfall des Tachometers 10-3.
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2 zeigt
den Verlauf der Spannung Vm an den Anschlüssen des Motors 10 und
den Verlauf des ihn durchfließenden
Stroms I im Verlauf einer normalen Arbeits- bzw. Betriebsphase.
Bei jedem Stromwechsel der Netzspannung VAC gelangt das Triac 12 während eines
Zeitintervalls in den leitenden Zustand, das nach dem Beginn des
Netzstromwechsels beginnt und endet, sobald der Strom I in dem Triac von
sich aus Null wird, in einem Zeitpunkt, der von der Strom/Spannungs-Phasenversetzung
in der Schaltung abhängt.
Mit Stromwinkel α bezeichnet man
die Dauer, welche diese Leitungsphase besäße, wenn die Strom/Spannungs-Phasenversetzung
Null wäre.
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Diese
Motorsteuerung mit Hilfe eines Triacs mit veränderlichem Leitungs- bzw. Stromflusswinkel besitzt
den Vorteil der Einfachheit und Billigkeit. Jedoch erzeugt sie parasitäre Impulse
am Netz.
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3 veranschaulicht
eine Motorsteuerung, die weniger parasitäre Effekte erzeugt. Hier ist
die dem Motor zugeführte Spannung
mit einer konstanten hohen Frequenz l/T zerhackt und man lässt den Arbeitszyklus
bzw. das Taktverhältnis
dieser Zerhackung variieren. Die ebenfalls mit α bezeichneten Zeitintervalle,
während
welchen der Motor 10 gespeist ist, sind mit den Leitungs-
bzw. Stromflusswinkeln α von 2 äquivalent.
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In
Massenherstellungsverfahren, wie im Falle von Waschmaschinen, sucht
man unter allen Umständen
die Kosten zu verringern, ohne jedoch die Qualität in wahrnehmbarer Weise zu
beeinträchtigen.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Drehzahlregelung,
die mit Hilfe einer besonders kostengünstigen Schaltung durchführbar ist.
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Zur
Erreichung dieses Ziels sieht die vorliegende Erfindung die Schaffung
einer Regelung der Drehzahl eines Motors, insbesondere eines Universal-Motors,
vor, der kein Tachometer benötigt.
Hierzu ist ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl eines Elektromotors
durch Änderung
der Strombeaufschlagungs- bzw.
Speisedauer des Motors vorgesehen, mit den Verfahrensstufen bzw.
Schritten: vorhergehendes Speichern, für eine gewünschte konstante Drehzahl,
der Stromkurve des Motors als Funktion der Strombeaufschlagungs-
bzw. Speisedauer; Wählen
einer Strombeaufschlagungs- bzw. Speisedauer; Messen des resultierenden
Motorstroms; sowie Korrektur der Strombeaufschlagungs- bzw. Speisedauer derart,
dass der durch die Strombeaufschlagungsdauer und den resultierenden
gemessenen Strom definierte Punkt auf die Kurve konvergiert.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine auf die Strombeaufschlagungs-
bzw. Speisedauer angewandte Korrektur größer als der Abstand, bei konstantem
Strom, zwischen der Kurve und dem genannten Punkt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der gemessene Strom als Funktion
der Zufuhr- bzw. Speisespannung des Motors korrigiert, bevor er
mit der Kurve verglichen wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden verschiedene, unterschiedlichen
Zufuhr- bzw. Speisespannungen entsprechende Kurven für die gewünschte Drehzahl
gespeichert, wobei eine dieser Kurven in Abhängigkeit von einem gemessenen
Wert der Zufuhr- bzw. Speisespannung ausgewählt wird.
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Diese
und weitere Ziele, Gegenstände,
Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden in der folgenden, nicht-einschränkenden Beschreibung spezieller
Ausführungsbeispiele
im einzelnen auseinandergesetzt, unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungsfiguren;
in diesen zeigen:
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die
zuvor beschriebene 1 eine herkömmliche Schaltung zur Drehzahlregelung
eines Motors vom Universaltyp,
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die 2 und 3 zwei
herkömmliche Steuerarten
des Motors,
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4 eine
gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgestellte Gruppe bzw. Familie von Kurven zur Erzielung
einer Drehzahlregelung gemäß der Erfindung,
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5 ein
Beispiel zur Verwendung einer dieser Kurven von 4 für die Erzielung
einer Drehzahlregelung gemäß der Erfindung,
sowie
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6 eine
Ausführungsform
einer Regelschaltung, welche die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
gestattet.
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Um
die Gestehungskosten eines Systems zur Regelung der Drehzahl eines
Motors, insbesondere eines Universal-Motors, zu verringern, sieht
die vorliegende Erfindung vor, einen herkömmlicherweise verwendeten Drehzahl-Messfühler bzw.
-aufnehmer, wie beispielsweise das Tachometer 10-3 in 1,
zu erübrigen,
bei gleichzeitiger Gewährleistung
einer Drehzahlregelung angemessener Qualität.
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Es
existieren Systeme zur Drehzahlregelung ohne einen Messfühler, welche
die elektromotorische Gegenkraft des Motors, die eine direkte Anzeige
der Drehzahl ist, ausnutzen. So wird in dem Artikel von T. Castagnet:
,Commande économique
de moteur par un microcontrôleur' in der REVUE GENERALE D'ELECTRICITE, Nr.
1, Paris (FR), pp. 24–27,
eine Drehzahlregelung ohne Messfühler
bzw. Messwertaufnehmer beschrieben, welche die elektromotorische
Gegenkraft des Motors zur Berechnung der jeweiligen aktuellen Drehzahl
des Motors verwendet, um sie mit einem Sollwert zu vergleichen.
Während die
elektromotorische Gegenkraft in Motoren mit magnetisiertem Rotor
(wie beispielsweise den Synchronmotoren oder Reihenschlussmotoren
mit Permanentmagnet) gemessen werden kann, kann sie hingegen in
den Universal-Motoren, die kein magnetisiertes Element aufweisen,
nicht gemessen werden.
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Gemäß der Erfindung
geht man von der Hypothese aus, dass der in dem Motor fließende Strom I
ausgedrückt
wird durch: I = f(α, ω, V),worin f eine unbekannte
Funktion, α die
Speise- bzw. Stromversorgungsdauer des Motors (im wesentlichen der
Leitungs- bzw. Stromflusswinkel
im Fall von 1), ω die Rotationsdrehzahl des
Motors und V die an den Motor angelegte Spannung sind. Die Variablen
I und V können
Scheitelwerte, Mittelwerte oder anderweitig definierte Werte sein.
Vorzugsweise werden die Scheitelwerte verwendet, die sich rasch ändern und
leichter zu messen sind.
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Das
Regelverfahren gemäß der Erfindung umfasst
eine vorläufige
oder einleitende Stufe, die darin besteht, dass jeweils für jede Drehzahl,
auf welche man den Motor regeln möchte, der Strom I als Funktion
der Strombeaufschlagungs- bzw. Speisedauer α aufgezeichnet wird, unter der
Annahme, dass die Beaufschlagungs- bzw. Speisespannung V konstant
und gleich ihrem Nennwert ist.
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Diese
Kurven werden in experimenteller Weise erhalten, indem man α variiert
und den Strom I für
jeden Wert von α misst,
während
die Motordrehzahl mit Hilfe einer Bremse konstant auf dem gewünschten
Wert gehalten wird.
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4 veranschaulicht
eine Gruppe oder Familie von vier so erhaltenen schematischen Kurven ω1 bis ω4, wobei
diese Kurven zunehmenden Drehzahlen entsprechen. Je größer die
Drehzahl, um so niedriger ist der Strom I.
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Jeder
Motortyp kann wohlgemerkt eine unterschiedliche Gruppe oder Familie
von Kurven besitzen. In den Fällen
von Massen fabrikaten in großer Serie,
insbesondere für
Waschmaschinen, haben die Motoren jedoch eine konstante Eigenschaft
und die Kurvenfamilie variiert nur in wenig bedeutsamer Weise von
einem Motor zum anderen.
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Nachdem
die Kurvenfamilie auf experimentellem Wege bestimmt wurde, werden
die Kurven gespeichert, beispielsweise im ROM-Speicher eines Mikrocontrollers. Hierfür richtet
man beispielsweise eine Aufeinanderfolge von Werten α ein, die
in dem Verfahren benutzt werden sollen, und für jeden dieser Werte α speichert
man die entsprechenden Werte des Stroms I gemäß den Kurven der betreffenden
Familie.
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Bei
einem nachstehend im einzelnen beschriebenen Verfahren zur Drehzahlregelung
gemäß der Erfindung
dient der Drehzahl-Sollwert zur Wahl einer Kurve der Familie mit
der Beaufschlagungsdauer α als
Steuervariablen, und dem Meßwert
des Motorstroms I als der variablen Gegenkraft-Reaktion.
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5 soll
das erfindungsgemäße Verfahren zur
Regelung der Motordrehzahl auf einen Wert ωc erläutern. Der Wert ωc wird als
Drehzahl-Sollwert zugeführt,
beispielsweise einem Mikrocontroller, und wählt eine entsprechende Kurve ωc der gespeicherten
Kurvenfamilie aus. Man beginnt mit der Vorgabe eines Anfangswerts
von α, wobei
dieser Wert willkürlich
oder ein Schätzwert
ist. Der dann gemessene Strom I, in Zuordnung zu dem Winkel α, der ihn
erzeugt hat, liefert einen Punkt P1, der beispielsweise unterhalb
der Sollwert-Kurve ωc
liegt, d. h. bei einer über
dem Sollwert liegenden Drehzahl. Durch Analyse des Abstands bestimmt
man dann eine Verringerung Δα des Leitungs-
bzw. Stromflusswinkels des Triacs, um durch Reduktion des Stroms
I die Drehzahl zu verringern. Offensichtlich können die Servosteuerungsgesetzmäßigkeiten
von α und
von I, um auf dem Drehzahl-Sollwert zu bleiben, von unterschiedlicher
Natur sein, um mehr oder weniger rasch auf den Sollwert zu konvergieren.
Im Beispielsfall der 5 ist das Servokontrollsystem
vom iterativen Typ und bewirkt eine Oszillation der realen Drehzahl
um den Sollwert ωc.
Man könnte
andere Servosteuerungsgesetzlichkeiten auswählen, um eine Konvergenz durch
regelmäßige Erhöhung oder
Verringerung auf den Sollwert ωc
zu ermöglichen.
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Wohlgemerkt
erfordert das Verfahren gemäß der Erfindung
die Verwendung einer Kurve für
jede Drehzahl, auf welche man den Motor regeln möchte. In zahlreichen Fällen, wie
bei den Waschmaschinen, ist die Zahl von Drehzahlen begrenzt und
die Speicherung sämtlicher
Kurven bereitet keine Schwierigkeiten. In anderen Fällen können bestimmte
Kurven, die verwendet werden sollen, zwischen zwei gespeicherten
Kurven interpoliert werden. In anderen Fällen können mehrere Punkte ein und
derselben Kurve interpoliert werden. In noch anderen Fällen können die Kurven
mathematisch nachgebildet werden.
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Wie
weiter oben erwähnt,
wird die Kurvenfamilie konstanter Drehzahl ausgehend von einer konstanten
Speisespannung erstellt gleich ihrem Nominalwert. Jedoch kann diese
Spannung, insbesondere wenn sie die Netzspannung ist, innerhalb
bestimmter Grenzen variieren, die einen nicht vernachlässigbaren
Einfluss auf die Kurvenfamilie haben. Man kann annehmen, dass die
Kurven ω durch
die Schwankungen der Speisespannung wahrnehmbar beeinflusst werden.
Die Messung der Speisespannung ermöglicht daher eine Anpassung
der Kurven ω an Schwankungen
der Netzspannung. Die Lage der Sollwert-Kurven ωc wird daher, wie in 4 gestrichelt
angedeutet, so korrigiert, dass sie dem tatsächlichen Verlauf der Netzspannung
Rechnung trägt. Diese
Sollwert-Kurve ωc
verschiebt sich daher im Falle einer Verringerung der Netzspannung
V in Richtung zur horizontalen Achse, und umgekehrt. Diese Korrektur
der Kurve ωc ändert die
weiter oben erwähnten
Servogesetzlichkeiten in keiner Weise.
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6 zeigt
eine Ausführungsform
einer Regelschaltung, welche die Durchführung des eben beschriebenen
Verfahrens gestattet. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen
wie in 1 bezeichnet. Diese Schaltung unterscheidet sich
von der herkömmlichen
Schaltung nach 1 durch die Tatsache, dass der
Motor 10 kein mit dem Mikrocontroller 14 verbundenes
Tachometer aufweist. Dieser Mikrocontroller 14 erhält weiterhin
eine an den Anschlüssen
des Shunt-Widerstands 16 abgenommene Information über den
Strom I und liefert den Leitungs- bzw. Stromflusswinkel α des Triacs 12.
Die Gegenvariable ist nicht mehr der von dem Tachometer von 1 gelieferte
Messwert der Drehzahl ω,
sondern der Motorstrom I. Der Mikrocontroller 14 hat in
seinem ROM-Speicher die Kurvenfamilie gespeichert, wobei eine dieser
Kurven durch den Drehzahl-Sollwert ωc ausgewählt wird. Des weiteren erhält der Mikrocontroller 14 eine
Anzeige V für
die Netzspannung, über
eine Widerstandsbrücke 18, 19,
zur Vornahme einer der oben erwähnten
Korrekturen, um Schwankungen des Scheitelwerts der Netzspannung Rechnung
zu tragen. Selbstverständlich
führt das Programm
des Mikrocontrollers das in Verbindung mit 5 beschriebene
Regelverfahren aus.
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Zwar
wurde die Erfindung in Verbindung mit einem durch ein Triac gesteuerten
Motor vom Universaltyp beschrieben, jedoch eignet sie sich zur Anwendung
bei jedem Motortyp und jedem Steuerungstyp mit Steuerung der variablen
Speisedauer. Der Fachmann erkennt, dass die vorliegende Erfindung
auch mit einer elektronischen Analogschaltung ausgeführt werden
könnte.