DE9105279U1

DE9105279U1 - Schaltung zur Steuerung der Drehzahl und der Drehrichtung eines Gleichstrommotors

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Publication number: DE9105279U1
Application number: DE9105279U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-04-29
Filing date: 1991-04-29
Publication date: 1991-06-27
Anticipated expiration: 2001-04-30

Description

91 G 2 9 O 6 DE Siemens Aktiengesellschaft

Schaltung zur Steuerung der Drehzahl und der Drehrichtung eines Gleichstrommotors

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1. Eine derartige Schaltung ist z.B. aus der DE-Zeitschrift Funkschau 11/1981, Seiten 93-96 bekannt.

Kernstück der dort vorgestellten Impulsbreitensteuerung für Modellbahnen ist ein Taktgenerator mit einstellbarem Tastverhältnis. Die Impulsdauer des Taktgenerators ist mit einem Potentiometer von einem minimalen Tastverhältnis von ca. 2 % (Fahrzeugstillstand) bis zu einem maximalen Tastverhältnis von 100 % (volle Fahrt) einstellbar. Die Impulsbreitensteuerung beinhaltet eine Fahrtrichtungsumkehrschaltung. Diese ist so ausgeführt, daß die Umkehr der Fahrtrichtung nur möglich ist, wenn eine Fahrspannungsüberwachung erkennt, daß der zu steuernde Motor keinen oder so gut wie keinen Strom aufnimmt und daraufhin die Umkehrschaltung frei gibt. Zum Umschalten der Fahrrichtung muß zunächst der Fahrtregler in die Haltstellung geführt werden, dann muß die Umschaltung der Fahrrichtung durch Umlegen eines Fahrtrichtungsstellers erfolgen und anschließend kann der Fahrtregler wieder in Fahrtstellung gebracht werden; über einen vom Fahrtrichtungssteiler steuerbaren Polwendeschalter wird dabei die Polarität der dem Motor zugeführten Spannungsimpulse gewechselt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1 anzugeben, die es gestattet, ausgehend von der Mittelstellung eines Fahrtregler-Potentiometers die Drehrichtung und die Drehzahl eines Gleichstrommotors mit zunehmender Auslenkung des Potentiometers aus der Mittelstellung nach der einen oder anderen Seite zu verändern. 35

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Schutzanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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Gi/Jas - 26.04.91

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt:
in Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltung und in den Figuren 2 bis 10 Diagramme für an den in Fig. 1 gekennzeichneten Meßpunkten auftretende Spannungen.

Fig. 1 zeigt einen Gleichstrommotor M, beispielsweise den Antriebsmotor einer Modelleisenbahn, der über die erfindungsgemäße Schaltung zur Steuerung seiner Drehzahl und Drehrichtung an einer Gleichspannung Us liegt. Die Drehzahl des Motors wird durch ein Potentiometer P vorgegeben, das vorzugsweise von Hand einstellbar ist. In der Potentiometermittelstellung ist der Motor stromlos geschaltet; bei Auslenkung des Potentiometers in die eine Richtung werden ihm Spannungsimpulse der einen Polarität und bei Auslenkung des Potentiometers in die andere Richtung Spannungsimpulse der anderen Polarität zugeführt. Mit zunehmender Auslenkung vergrößert sich die Impulsdauer gegenüber den Impulspausen. Zu diesem Zweck steuert das Potentiometerausgangssignal auf noch zu erläuternde Weise einen astabilen Multivibrator MV. Dieser Multivibrator ist so ausgebildet, daß er abhängig von der ihm zugeführten Steuerspannung Rechteckspannungen mit unterschiedlichem Tastverhältnis von nahezu 0 bis 100 % abzugeben vermag. Im unteren Teil der Fig. befindet sich ein ebenfalls vom Potentiometer gesteuerter Polwendeschalter, über den dem Motor die vom Multivibrator abgegebenen Rechtecksignale in der einen oder anderen Polarität zugeführt werden.

Zur Vorgabe unterschiedlicher Drehzahlen wird die am Potentiometer P jeweils abgreifbare Steuerspannung dem invertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers OPl.1 und dem nicht invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers OPl.2 zugeführt. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers OPl.1 und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OPl.2 liegen über je einen Widerstand an Masse. Diese Operationsverstärker sind so beschaltet, daß sie aus-

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gehend von den Potentiometerendstellungen 0 % bzw. 100 % jeweils bei der Potentiometerstellung 50 % voll durchgesteuert sind. Dies läßt sich erreichen, wenn das Potentiometer mit seinen beiden festen Anschlüssen an der Versorgungsgleichspannung Us der Schaltung liegt und die beiden Operationsverstärker einen Verstärkungsfaktor von 1 : 2 aufweisen. An den durch Kreise gekennzeichneten Meßpunkten 1 und 2 stellen sich dann für unterschiedliche Potentiometerauslenkungen die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Spannungsverläufe ein. Ausgehend von den beiden Potentiometerendstellungen steigt die am Ausgang der Operationsverstärker jeweils abgreifbare Spannung linear an, bis das Potentiometer seine Mittelstellung erreicht hat; ein weiterer Spannungsanstieg ist nicht möglich, weil die Ausgangsspannung der Operationsverstärker durch die anliegende Versorgungsgleichspannung Us begrenzt ist.

Die Ausgänge der beiden Operationsverstärker OPl.1 und OPl.2 sind auf die Anoden nachgeschalteter Dioden Dl und D2 geführt, deren Kathoden mit dem Steuereingang des Multivibrators MV verbunden sind. Dabei stellt sich am Meßpunkt 3 der in Fig. 4 dargestellte Spannungsverlauf ein. Bei einer Potentiometerstellung von beispielsweise 25 % ist am Meßpunkt 2 eine Spannung von etwa 0,5 U/Us abgreifbar, während der Meßpunkt auf maximaler Spannung U/Us liegt. Damit liegen Anode und Kathode der Diode Dl auf gleichem Potential, so daß ein Stromfluß von + Us über diese Diode in Richtung auf den Ausgang des Operationsverstärkers OPl.1 nicht stattfinden kann. Die Anode der Diode D2 liegt dagegen auf der sehr viel niedrigeren Spannung des Meßpunktes 2, so daß ein Steuerstrom von + Us über die Diode D2 zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPl.2 fließen kann. Dieser Steuerstrom zieht den Meßpunkt 3 in etwa auf die am Meßpunkt 2 jeweils abgreifbare Spannung. Die danach auftretende Potentialdifferenz an der Diode Dl verhindert, daß sich die Spannung am Meßpunkt 1 zum Steuereingang des Multivibrators durchsetzen kann. Bei einer Potentiometerstellung von z.B. 75 % verkehren sich die Wirkungsweisen der beiden Operationsverstärker. Dann setzt sich die am Meßpunkt 1 anliegende Spannung zum Steuereingang des

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Multivibrators durch, während die Diode D2 die am Meßpunkt 2 anliegende höhere Spannung sperrt.

Der Multivibrator MV liefert an seinem Ausgang Rechteckspannungen konstanter Amplitude und konstanter, gegebenenfalls einstellbarer Frequenz mit einem in Abhängigkeit von der Potentiometerstellung veränderbaren Impuls/Pausenverhältnis. Bei großer Auslenkung, d.h. kleiner an seinem Eingang anliegenden Steuerspannung, liefert er relativ lang anstehende Spannungsimpulse, die durch kurze Pausen getrennt sind, während er in der Nähe seiner Mittelstellung relativ kurze Spannungsimpulse abgibt, die durch längere Pausen voneinander getrennt sind. Diese Rechteckspannungen sind nun dem Motor M zuzuführen und zwar bei der Potentiometerauslenkung in der einen Richtung in der einen Polarität und bei Potentiometerauslenkung in der anderen Richtung in der anderen Polarität. Diese Polaritätsumschaltung und damit Drehrichtungsumschaltung des Motors wird vom Potentiometer über nachgeschaltete Operationsverstärker 0P2.1 und 0P2.2 veranlaßt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 0P2.1 sowie der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 0P2.2 sind auf den Abgriff des Potentiometers geführt; der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 0P2.1 und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 0P2.2 liegen über den Spannungsteiler aus den Widerständen Rl, R2 und R3 auf unterschiedlichen Potentialen. Diese Potentiale sind so gewählt, daß der Operationsverstärker 0P2.1 bei allen Potentiometerstellungen zwischen 0 % und z.B. 55 % durchgesteuert ist und der Operationsverstärker 0P2.2 bei allen Potentiometerstellungen zwischen z.B. 45 % und 100 % vgl. die an den Meßpunkten 4 und 5 abgreifbaren Spannungen in Fig. 5 und Fig. 6. Die gegenseitige Überlappung der Operationsverstärker-Ausgangssignale im Mittelstellungsbereich des Potentiometers soll bewirken, daß in diesem Bereich überhaupt keine Spannung an der Motorwicklung liegt, der Motor also auch bei ungenauer NuIlstellung des Fahrtreglers stromlos ist. Dies wird erreicht über Transistoren Sl und S2, die bei Beaufschlagung durch die an den Ausgängen der Operationsverstärker 0P2.1 und 0P2.2 abgreifbaren Spannungen vom sperrenden in den leitenden Zustand übergehen. Dabei ziehen sie den invertierenden Eingang eines

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jeweils nachgeschalteten Operationverstärkers 0P3.1 bzw. 0P3.2 auf Masse. Die nichtinvertierenden Eingänge dieser Operationsverstärker liegen auf einem festen Bezugspotential. Bei einer Potentiometerstellung von z.B. 25 % ist der Operationsverstärker 0P2.1 durchgesteuert und legt über den Transistor Sl Bezugspotential an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 0P3.1; dieser Operationsverstärker schaltet daraufhin Bezugspotential auf seinen Ausgang. Gleichzeitig liegen vom Multivibrator her die von diesem abgegebenen Spannungsimpulse am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 0P3.2 an und steuern diesen im Rythmus der Spannungsimpulse durch. Diese Spannungsimpulse veranlassen einen Stromfluß über den Motor zum Ausgang des Operationsverstärkers 0P3.1. Mit zunehmendem Ausstellwinkel des Potentiometers vergrößert sich die zeitliche Dauer der vom Multivibrator gelieferten Spannungssignale bei gleichzeitiger Verkürzung der zwischen ihnen liegenden Impulspausen. Bei einem vorgegebenen Impulspausenverhältnis von z.B. 2 % beginnt der Motor ruckfrei zu laufen und zwar um so schneller, je weiter sich der Potiometerabgriff der Potentiometerendstellung nähert. Dann nämlich ist die zeitliche Dauer der am Meßpunkt 6 abgreifbaren Impulse sehr viel größer als die der Impulspausen, so daß dem Motor sehr viel mehr Energie zugeführt wird als im umgekehrten Fall bei langen Impulspausen und nur kurzen Spannungsimpulsen. Diese Zusammenhänge sind in den Figuren 7 und 8 für unterschiedliche Potentiometerstellungen im Bereich von 0 % bis 45 % verdeutlicht.

Bei einer Potentiometerstellung zwischen 55 % und 100 % kehrt sich die Drehrichtung des Motors um, weil die vom Multivibrator stammenden Rechtecksignale dem Motor nunmehr in der anderen Polarität zugeführt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel veranlaßt bei einer Potentiometerstellung zwischen 45 % und 100 % die dort abgreifbare Steuerspannung über den Operationsverstärker 0P2.2 das Durchsteuern des Transistors S2 und damit das Sperren des Operationsverstärkers 0P3.2. Die Multivibratorausgangssignale am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 0P3.1 steuern diesen durch und treiben einen Strom über die Motorwicklung zum Ausgang des Operationsverstär-

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kers 0&Rgr;3.2. Der Motor läuft nun in der anderen Drehrichtung und zwar wiederum abhängig von der jeweiligen Potentiometerstellung um so schneller, je weiter sich diese Potentiometerstellung der 100 %-Grenze nähert. Mit zunehmender Auslenkung vergrößert sich die zeitliche Dauer der vom Multivibrator gelieferten Rechtecksignale gegenüber den zwischen ihnen liegenden Impulspausen, was dazu führt, daß der Operationsverstärker 0P3.2 den Motor M jeweils länger an Spannung legt als bei niedrigerer Potentiometerauslenkung, vgl. Spannungsverläufe in Fig. 9 und Fig. 10. 10

Anstelle von npn-Transistoren als Steller zum Steuern der Operationsverstärker können bei entsprechender Beschaltung auch pnp-Transistoren verwendet sein.

Bei Verwendung von Operationsverstärkern als Leistungsschalter zum Betrieb eines zu steuernden Gleichstrommotors ist es von Vorteil, die Ausgänge dieser Operationsverstärker an die Wechselspannungseingänge einer Diodenbrückenschaltung GB anzuschließen, deren Gleichspannungsausgänge an der Versorgungsspannung liegen. Diese Diodenbrückenschaltung dient dazu, die bei der Impulssteuerung des Motors in den Motorwicklungen induzierten Spannungsspitzen vom Ausgang der Operationsverstärker fernzuhalten und so die Operationsverstärker vor Überspannungen zu sichern. Ein dem Motor parallelgeschaltetes RC-Glied dient in Verbindung mit einem Vorschaltwiderstand R der Strombegrenzung der Operationsverstärker und der Vermeidung von Schwingvorgängen beim Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltung.

Die erfindungsgemäße Schaltung läßt sich zum Steuern beliebig leistungsstarker Gleichstrommotoren für beliebige Anwendungen verwenden.

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Claims

91 G 2 9 &Pgr; 6 DE Schutzansprüche

1. Schaltung zur Steuerung der Drehzahl und der Drehrichtung eines Gleichstrommotors (M) unter Verwendung eines Potentiometers (P) für die Drehzahlvorgabe und eines vom Potentiometer steuerbaren Multivibrators (MV) mit in Abhängigkeit von der Potentiometerstellung einstellbarem Tastverhältnis zur mittelbaren Stromversorgung des Motors sowie eines Polwendeschalters (0P2.1, 0P2.2) zur Drehrichtungsvorgabe, dadurch gekennzeichnet,

- daß zwei erste Operationsverstärker (OPl.1, OPl.2) vorgesehen sind, die ausgehend von den Potentiometerstellungen 0 % bzw. 100 % bei der Potentiometerstellung 50 % jeweils voll durchgesteuert sind,

- daß die Ausgänge dieser Operationsverstärker auf die Anoden nachgeschalteter Dioden (Dl, D2) geführt sind, deren Kathoden mit dem Steuereingang des Multivibrators (MV) verbunden sind,

- daß der Multivibrator mit zunehmender Amplitude der ihm von den ersten Operationsverstärkern zugeführten Steuerspannung Ausgangssignale mit abnehmendem Impuls/Pausenverhältnis (z.B. 1 : 10) liefert,

- daß zwei zweite Operationsverstärker (0P2.1, 0P2.2) vorgesehen sind, von denen der eine bei einer Potentiometerstellung 0 % bis höchstens/mindestens 50 % und der andere bei einer Potentiometerstellung von mindestens/höchstens 50 % bis 100 % je einen nachgeordneten Schalter (Sl, S2) einstellt/sperrt,

- daß diese Schalter die Multivibratorausgangssignale dem Steuereingang einer jeweils nachgeschalteten Leistungsschaltung (0P3.1, 0P3.2) zuführen,

- und daß an die Ausgänge dieser Leistungsschalter der Motor angeschlossen ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,

daß das Potentiometer mit seinen beiden festen Anschlüssen an der Versorgungsgleichspannung (Us) der Schaltung liegt und daß die beiden ersten Operationsverstärker (OPl.1, OPl.2) einen Verstärkungsfaktor 1:2 aufweisen.

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3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zweiten Operationsverstärker (0P2.1, 0P2.2) ihre Referenzspannung an unterschiedlichen Abgriffen eines Spannungsteilers (Rl, R2, R3) abgreifen, die so gewählt sind, daß in einem Potentiometerstellungsbereich 50 % +_ maximal 10 % beide Operationsverstärker über die ihnen zugeordneten Schalter (Sl, S2) die Leistungsschalter (0P3.1, 0P3.2) sperren.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Leistungsschalter als Operationsverstärker (0P3.1, 0P3.2) ausgeführt sind und daß die Ausgänge dieser Operationsverstärker an die Wechsel-Spannungseingänge einer Diodenbrückenschaltung (GB) angeschlossen sind, deren Gleichspannungsausgänge an der Versorgungsgleichspannung (Us) liegen.

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