EP0027856A1 - Schaltungsanordnung zur Regelung von Drehzahl und Phasenlage bei Synchronmotoren - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Regelung von Drehzahl und Phasenlage bei Synchronmotoren Download PDF

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EP0027856A1
EP0027856A1 EP80104425A EP80104425A EP0027856A1 EP 0027856 A1 EP0027856 A1 EP 0027856A1 EP 80104425 A EP80104425 A EP 80104425A EP 80104425 A EP80104425 A EP 80104425A EP 0027856 A1 EP0027856 A1 EP 0027856A1
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EP
European Patent Office
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pulses
sensor
pole
pulse
drive
Prior art date
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EP80104425A
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English (en)
French (fr)
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EP0027856B1 (de
Inventor
Harald Dr. Hoffmann
Dan-Corneliu Raducanu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Braun GmbH
Original Assignee
Braun GmbH
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Publication date
Application filed by Braun GmbH filed Critical Braun GmbH
Publication of EP0027856A1 publication Critical patent/EP0027856A1/de
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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
    • G04C15/00—Clocks driven by synchronous motors
    • G04C15/0009—Clocks driven by synchronous motors without power-reserve
    • G04C15/0036—Clocks driven by synchronous motors without power-reserve provided with means for indicating disturbance

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for controlling the speed and phase position in synchronous motors with a rotor with at least one pole pair and with a stator with at least one spring winding acted upon by drive pulses, in particular in reaction motors of time-keeping devices such as watches, using a pulse generator Generates pulses of constant frequency and width.
  • Deviations in speed and phase are due to both internal and external influences. This includes different load torques, frictional forces and mass forces that can act on a rotating system with the appropriate mass inertia. The latter case is particularly the case with portable watches and, in particular, with wristwatches. Impact sensitivity of the drive systems can lead to permanent deviations which can add up to intolerable display errors over time. Such influences can be counteracted by designing the motor and the control accordingly. However, this is associated with an increased power consumption of the motor, which leads to either frequent battery replacement or large-sized batteries when the battery is driven. Both are undesirable, particularly in the case of watches; Large-volume batteries are unsustainable in wristwatches, especially women's watches.
  • the prior art includes reactive synchronous motors with at least one field winding, to which an alternating voltage is applied, which is synchronous with the rotary movement of the magnetic field generated by the rotor.
  • a motor In addition to high power consumption, such a motor has the disadvantage that a pulse lost due to a pole shift can no longer be obtained. Such a system cannot keep the number of revolutions constant in a given period of time.
  • the disadvantage of the known system is a considerable dead time, since the regulator does not intervene quickly enough in the event of sudden counter-torques. As a result, there is a risk that the speed will drop below a limit, which leads to a lag that can no longer be caught up.
  • the invention has for its object a control method and an to specify order that work without noticeable dead times, react immediately to a jerky counter torque with a corresponding increase in the drive power of the engine and still result in the lowest possible power consumption over time.
  • the pole movement relative to the stator is detected by means of an inductive sensor winding and the sensor signals are converted into corresponding, essentially rectangular sensor pulses by the constant pulses (of the pulse generator) with the sensor pulses compares in length and phase position and generates drive pulses in synchronism with the sensor pulses, the width of which is proportional to the phase shift and the phase position of the poles is selected so that a braking torque is generated when the poles are advanced and an acceleration torque is generated when the poles are lagged Pulse generator, for example in a quartz oscillator, not the actual drive pulses, but only control pulses, which form the basis for comparison.
  • the sensor pulses are measured according to their width and phase position, with the result that an increasing pulse width also signals an increasing phase shift, because the pole movement of the rotor, which is proportional to the number of poles depending on the number of poles, lags behind the pulse frequency or leads it.
  • the width of the drive pulses is proportional to the amount of phase shift. Since the width of the drive pulses also corresponds to the power consumption of the motor, the motor power is immediately, i.e. adapted to the power requirement at the beginning of a phase shift, so that unacceptable phase shifts are corrected immediately.
  • the detection of the phase position of the sensor pulses in relation to the generator pulses also determines the sign of the phase shift and whether the rotor is leading or lagging.
  • the time at which the drive pulses are generated is chosen with respect to the respective pole position so that either a braking or an acceleration effect is exerted on the rotor.
  • a quasi-continuous proportional control is achieved by the specified measures, which has practically no dead time, so that a bump like counter torque extremely short-term, ie can be compensated within one or two work pulses.
  • the power requirement depends exclusively on the external loads; it is a minimum when the system is idle.
  • the control method can bring the motor to maximum power delivery, by means of which the pole shift is reconditioned.
  • this is done by additionally counting the constant impulses (of the generator) and the sensor impulses per unit of time and, in the case of a pole advance, a drive impulse in the full width of the sensor impulse for generating a braking torque and in a pot retardation a drive impulse in the full width of the Sensor pulse for generating an acceleration torque forms.
  • the invention also relates to an arrangement for carrying out the method specified at the beginning.
  • This arrangement initially contains in a conventional manner a synchronous motor, in particular a reaction motor, with a rotor with at least one pole pair and with a stator with at least one field winding, a pulse generator for generating pulses of constant frequency and width, and a device for applying drive pulses to the field winding .
  • Such an arrangement is characterized according to the further invention in that in the stand a sensor winding which can be influenced by the rotor is arranged, the output of which is connected to a comparator for converting the sensor signals into rectangular sensor pulses, that the outputs of the pulse generator and the comparator are connected to a phase comparator, in in which the sensor pulses are comparable with the constant pulses of the pulse generator with regard to the position of the pulse edges and the pulse width, and in which a proportional accelerating drive pulse can be generated in the case of a positive phase shift (pole lag) and this proportional, braking drive pulse in the case of a negative phase shift (pole advance) which drive impulses with the sensor impulses are synchronized, and that the output of the phase comparator of field development is switched on.
  • a synchronous motor 1 is shown schematically, which has a rotor 2 and a stator 3, in which a field winding 4 and a sensor winding 5 are housed.
  • the synchronous motor is designed as a reaction motor or reactive motor, ie the rotor 2 contains poles formed by permanent magnets, which are arranged alternately and denoted by N and S.
  • the field winding 4 with pulses, which have a frequency of 16 Hz, for example, the rotor 2 can be brought to a speed corresponding to the number of pole pairs and the frequency, in the case shown, to eight revolutions per second.
  • the run-up of the rotor 2 is made possible by means not shown, which, like the principle of the synchronous motor, are state of the art.
  • the revolutions of the rotor 2 are transmitted via a shaft 6 to a gear 7 and from there via a shaft 8 to a display system 9, which, for example an analog display by means of several hands and a dial enables.
  • the sensor winding 5 is formed by an induction coil which, like the field winding 4, lies in the area of influence of the magnetic lines of the poles N and S of the rotor 2.
  • An output of the sensor winding 5 is at a connection lo of a voltage divider, which consists of the resistors 11 and 12.
  • a tap 13 leads from the resistor 12 to a comparator 14 in the same way as the second output 15 of the sensor winding 5.
  • the comparator 14 which can also be referred to as a pulse shaper, the sensor signal is converted into rectangular pulses, the vertical edges of which lie at the point of the zero crossings of the sensor signal.
  • the square-wave pulses lie at the location of the positive curves of the sensor signal; the intervals between the pulses are located at the location of the negative curves of the sensor signal.
  • the output of the comparator 14 is connected to a debouncing stage 15, which has the task of holding back short interference pulses which arise as a result of interference from the field winding 4 into the sensor winding 5.
  • the debouncing stage 15 contains an inverter 16 and two D flip-flops of the type MC 14 0 13 (all the type designations mentioned here are catalog goods from Motorola / USA).
  • the debouncing stage has two NAND gates 19 and 20 of the type MC 14 0 11 and two NAND gates 21 and 22 of the same type, which form a further flip-flop due to their circuitry.
  • the outputs of the NAND gates 21 and 22 are connected to a common connection 23.
  • the parts mentioned are connected in the manner shown, so that an in-depth textual explanation of the guidance can be dispensed with. Connections 24 and 25 are also important for connection to the subsequent circuits.
  • a pulse generator 26 is also assigned to the entire arrangement has a quartz oscillator 27 and a frequency divider 28 with two outputs, at which square-wave pulses with frequencies of, for example, 16 Hz and 256 Hz are present.
  • the output with the frequency of 256 Hz is connected via a line 29 to the corresponding inputs of the D flip-flops 17 and 18.
  • the output of the frequency divider 28 at which the frequency of 16 Hz is present is connected via a line 3o to a phase comparator 31, specifically there with a D-type flip-flop 32 of type MC 14 0 13.
  • Another D-type flip-flop Flop 33 of the same type is connected via a line 34 to the connection 23 of the debounce stage 15.
  • the phase comparator 31 also includes two NOR gates 35 and 36 of the type MC 14o25 as well as two further NOR gates 37 and 38 of the type MC 14 00 1.
  • the parts of the phase comparator 31 are also connected in the manner shown, that an input of the NOR gate 35 to the terminal 25 and an input of the NOR gate 36 to the terminal 24 of the debounce stage 15 are connected.
  • the output of the NOR gate 38 is connected via a line 39 to the field winding 4, the other side of which is connected to ground.
  • FIG. 1 The mode of operation of the arrangement according to FIG. 1 is explained in more detail in connection with FIGS. 2-7.
  • the letters A, B and C on the right edge of Figures 2-7 refer to the correspondingly marked positions of the line routing in Fig. 1, i.e. at the points in question, under the operating conditions explained below, there are pulses which correspond to the pulses shown in FIGS. 2-7.
  • Fig. 2 the generator pulses are shown with the frequency 16 Hz. This frequency is applied to one input of the D flip-flop 32 of the phase comparator 31.
  • the pulse sequence A in question is compared with the pulse sequence which is induced in the sensor winding 5 due to the rotation of the rotor 2 and which is present at the connection 23 (point B) of the debouncing stage 15 after corresponding signal processing.
  • the two pulse sequences are compared with one another, specifically the output frequency of the pulse generator 26 is the (constant) target frequency and the pulse frequency at point B is the so-called actual frequency. Both frequencies are usually against each other other out of phase.
  • a sequence of drive pulses is formed on line 39 (C), the different appearance of which depends on Operating conditions with reference to Figures 3 to 7 (each lower diagram) is explained in more detail.
  • the drive pulses are formed synchronously with the sensor pulses; however, they only lie within their flanks and do not necessarily extend across the entire width of the sensor pulses.
  • the width of the drive pulses depends both on the phase shift and on the difference between the target frequency and the actual frequency.
  • the position of the drive pulses at the beginning and / or at the end of the sensor pulses depends on the sign of the phase shift or on an advance or lag.
  • Drive impulses are also understood to mean those impulses which bring about a negative drive, that is to say braking.
  • the sensor pulses (B) are out of phase with the generator pulses (A) and wider, which suggests a decreased speed.
  • the runner's lag increases and the positive phase shift increases from ⁇ 1 to T2.
  • this results in a sequence of drive pulses with increasing width, which are proportional to the phase shift.
  • These drive pulses occur at the end of each sensor pulse, which also indicates the position of the pole in question, which generates the sensor pulse, in relation to the field winding 4. This is due to the spatial position of field winding 4 and sensor winding 5 relative to one another shown in FIG. 1, which are arranged in a common plane running radially to rotor 2.
  • Fig. 4 also shows a sequence of sensor pulses (B) lagging the generator pulses (A), i.e. the phase shift is positive and progressive. This is a sign that the actual frequency deviates much more from the target frequency, a process that can occur due to a particularly strong shock-like torque.
  • drive pulses (C) are formed, which are correspondingly wider, as indicated by the hatched pulse in FIG. 4.
  • the drive pulse in question generates a much stronger accelerating torque in order to reduce the phase shift again.
  • the accelerating effect of the drive pulse is caused by the relative position to the sensor pulse or the pole.
  • Fig. 5 shows a sequence of sensor pulses (B) which leads the generator pulses (A), i.e. the phase shift is negative. Due to the comparison described, a sequence of drive pulses (C) is now generated in the phase comparator 31, which have such a position relative to the sensor pulses or poles that a braking torque is generated. This is indicated by a "-”. These braking or negative drive impulses largely restore the correspondence between generator and sensor impulses.
  • FIGS. 3, 4 and 5 show conditions in which no pole jump " ⁇ " has yet occurred, which is defined as the rotation deviation: pole pair spacing, in each case given in angular degrees.
  • the rotation deviation pole pair spacing, in each case given in angular degrees.
  • a count of generator and sensor pulses leads to an agreement of the pulse numbers.
  • the aim should be to prevent the pole jump E from becoming greater than 1, in particular if a pole lag is to be eliminated.
  • the arrangement according to FIG. 1 can be constructed for battery voltages above 3 volts using conventional CMOS circuits (Complementary Metal Oxide Semiconductor Circuits).
  • CMOS circuits Complementary Metal Oxide Semiconductor Circuits.
  • the connection of the battery to the arrangement according to FIG. 1 is not particularly shown, but only by " "shown.

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Abstract

Ein Verfahren zur Regelung von Drehzahl- und Phasenlage bei Synchronmotoren, insbesondere für Reaktionsmotoren von Uhren, soll ohne merkliche Totzeiten arbeiten, auf ein stoßartiges Gegendrehmoment sofort mit einer entsprechenden Erhöhung der Antriebsleistung reagieren und dennoch im zeitlichen Mittel eine geringstmögliche Leistungsaufnahme ergeben. Die Bewegung des Läufers (2) gegenüber dem Ständer (3) wird mittels einer induktiven Sensorwicklung (5) erfaßt und die Sensorsignale in entsprechende, im wesentlichen rechteckige Sensorimpulse umgesetzt, die von einem Impulsgenerator (26) erzeugten konstanten Impulse (A) mit den Sensorimpulsen (B) nach Breite und Phasenlage verglichen und synchron mit den Sensorimpulsen Antriebsimpulse (C) erzeugt, deren Breite der Phasenverschiebung proportional und deren Phasenlage gegenüber den Polen so gewählt ist, daß bei einer Voreilung der Pole ein Bremsmoment und bei einer Nacheilung ein Beschleunigungsmoment erzeugt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung von Drehzahl und Phasenlage bei Synchronmotoren mit einem Läufer mit mindestens einem Polpaar und mit einem Ständer mit mindestens einer mit Antriebsimpulsen beaufschlagten Fedlwicklung, insbesondere bei Reaktionsmotoren von zeithaltenden Geräten wie Uhren, unter Verwendung eines Impulsgenerators, der Impulse konstanter Frequenz und Breite erzeugt.
  • Bei Synchronmotoren, insbesondere bei solchen auf dem Gebiet der Feinwerktechnik ist es häufig erforderlich, eine möglichst konstante Drehzahl und/ oder eine möglichst konstante Anzahl von Umdrehungen in einer angegebenen Zeitspanne einzuhalten. Bei impulsgetriebenen Synchronmotoren ist es zusätzlich wünschenswert, auch die Phasenlager der Läuferpole zu den Impulsen, mit der die Feldwicklung beaufschlagt wird, möglichst konstant zu halten, zumal eine zu starke Phasenverschiebung häufig der Anfang einer bleibenden Drehzahlabweichung ist, wenn zum Beispiel die Antriebsimpulse die Pole des Läufers um ganzzahlige Vielfache "überholen", ein Vorgang, den man auch als Polsprung bezeichnen kann.
  • Abweichungen hinsichtlich Drehzahl und Phasenlage sind sowohl auf innere wie auf äußere Einflüsse zurückzuführen. Hierzu gehören unterschiedliche Lastmomente, Reibungskräfte und Massekräfte, die auf ein rotierendes System mit entsprechender Massenträgheit einwirken können. Der zuletzt genannte Fall ist insbesondere bei transportablen Uhren und darunter wieder insbesondere bei Armbanduhren gegeben. Eine Stoßempfindlichkeit des Antriebssystems kann zu bleibenden Standabweichungen führen, die sich im Laufe der Zeit zu untragbaren Anzeigefehlern addieren können. Man kann solchen Einflüssen durch eine entsprechende Auslegung des Motors und der Regelung entgegenwirken. Hiermit ist jedoch eine erhöhte Leistungsaufnahme des Motors verbunden, die bei Batterieantrieb entweder zu einem häufigen Batteriewechsel oder zu großdimensionierten Batterien führt. Beides ist insbesondere bei Uhren unerwünscht; großvolumige Batterien sind bei Armbanduhren, insbesondere bei Damenuhren untragbar.
  • Zum Stand der Technik gehören reaktive Synchronmotoren mit mindestens einer Feldwicklung, die mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird, die synchron zur rotatorischen Bewegung des durch den Läufer erzeugten magnetischen Feldes ist. Neben einer hohen Leistungsaufnahme hat ein solcher Motor den Nachteil, daß ein durch einen Polsprung verlorerner Impuls nicht mehr einzuholen ist. Ein solches System kann die Anzahl der Umdrehungen in einer vorgegebenen Zeitspanne nicht konstant halten.
  • Durch die DE-OS 23 o5 682 ist es bekannt, einen Uhrenantrieb mit zwei sich hinsichtlich der Frequenz geringfügig unterscheidenden Impulsfolgen untereinander gleicher Impulsbreite zu beaufschlagen, von denen die eine Impulsfolge eine kleinere und die andere Impulsfolge eine größere Frequenz aufweist, als dies theoretisch für eine absolute Ganggenauigkeit erforderlich wäre. Durch geregelte, unterschiedliche relative Einschaltdauer der beiden Impulsfolgen über eine längere Zeitspanne pendelt die Antriebsdrehzahl um einen mittleren Wert. Soweit ein Antrieb durch einen Synchronmotor erwähnt ist, soll die Drehzahländerung des Motors durch Änderung der zugeführten Energie erfolgen, wobei offenbar an zwei unterschiedliche, mittlere, aber in sich konstante Energiepegel gedacht ist. Man kann ein derartiges Regelsystem mit einem Zweipunktregler vergleichen. Der Nachteil des bekannten Systems liegt in einer erheblichen Totzeit, da der Regler bei stoßartigen Gegendrehmomenten nicht schnell genug eingreift. Dadurch besteht die Gefahr, daß die Drehzahl unter eine Grenze absinkt, die zu einer nicht mehr aufzuholenden Nacheilung führt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren und eine Anordnung anzugeben, die ohne merkliche Totzeiten arbeiten, auf ein stoßartiges Gegendrehmoment sofort mit einer entsprechenden Erhöhung der Antriebsleistung des Motors reagieren und dennoch im zeitlichen Mittel eine geringstmögliche Leistungsaufnahme mit sich bringen.
  • Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Regelverfahren erfindungsgemäß dadurch, daß man die Polbewegung gegenüber dem Ständer mittels einer induktiven Sensorwicklung erfaßt und die Sensorsignale in entsprechende, im wesentlichen rechteckige Sensorimpulse umsetzt, daß man die konstanten Impulse (des Impulsgenerators) mit den Sensorimpulsen nach Länge und Phasenlage vergleicht und synchron mit den Sensorimpulsen Antriebsimpulse erzeugt, deren Breite der Phasenverschiebung proportional und deren Phasenlage gegenüber den Polen so gewählt ist, daß bei einer Voreilung der Pole ein Bremsmoment und bei einer Nacheilung ein Beschleunigungsmoment erzeugt wird.Beim Erfindungsgegenstand liefert also der Impulsgenerator, beispielsweise in Quarzoszillator, nicht die eigentlichen Antriebsimpulse, sondern nur Steuerimpulse, welche die Vergleichsgrundlage bilden. Hieran werden die Sensorimpulse nach Breite und Phasenlage gemessen, wobei es sich ergibt, daß eine zunehmende Impulsbreite auch eine zunehmende Phasenverschiebung signalisiert, weil nämlich die Polbewegung des Läufers, die je nach Polzahl der Drehzahl proportional ist, hinter der Impulsfrequenz zurückbleibt oder ihr vorauseilt. Die Breite der Antriebsimpulse ist dabei dem Maß der Phasenverschiebung proportional. Da die Breite der Antriebsimpulse auch der Leistungsaufnahme des Motors entspricht, wird hierdurch die Motorleistung unverzüglich, d.h. bei Beginn einer Phasenverschiebung dem Leistungsbedarf angepaßt, so daß unvertretbare Phasenverschiebungen sofort ausgeregelt werden. Durch die Erfassung der Phasenlage der Sensorimpulse gegenüber den Generatorimpulsen wird ausserdem festgestellt, welches Vorzeichen die Phasenverschiebung hat, bzw., ob der Läufer vor-oder nacheilt. Der Zeitpunkt der Erzeugung der Antriebsimpulse wird dabei gegenüber der jeweiligen Polstellung so gewählt, daß entweder eine Brems-oder eine Beschleunigungswirkung auf den Läufer ausgeübt wird.
  • Durch die angegebenen Maßnahmen wird eine quasi-kontinuierliche Proportionalregelung erzielt, die praktisch keine Totzeit besitzt, so daß ein stoßartiges Gegendrehmoment äußerst kurzfristig, d.h. innerhalb von einem oder zwei Arbeitsimpulsen ausgeglichen werden kann. Der Leistungsbedarf richtet sich dabei ausschließlich nach den äußeren Belastungen; er ist im Ruhezustand des Systems ein Minimum.
  • Für den Fall, daß durch ein übergroßes stoßartiges Drehmoment doch einmal ein oder mehrere Impulse nicht zu dem gewünschten Polwechsel führen, also einen Polsprung zur Folge haben, kann das Regelverfahren den Motor zur maximalen Leistungsentfaltung bringen, durch welche der Polsprung wieder aufgearbeitet wird. Dies geschieht gemäß der weiteren Erfindung dadurch, daß man zusätzlich die konstanten Impulse (des Generators) und die Sensorimpulse pro Zeiteinheit zählt und bei einer Polvorteilung einen Antriebsimpuls in voller'Breite des Sensorimpulses zur Erzeugung eines Bremsmoments und bei einer Potnacheilung einen Antriebsimpuls in voller Breite des Sensorimpulses zur Erzeugung eines Beschleunigungsmoments bildet.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Anordnung zur Durchführung des eingangs angebenen Verfahrens. Diese Anordnung enthält zunächst in herkömmlicher Weise einen Synchronmotor, insbesondere einen Reaktionsmotor, mit einem Läufer mit mindestens einem Polpaar und mit einem Ständer mit mindestens einer Feldwicklung, einen Impulsgenerator für die Erzeugung von Impulsen konstanter Frequenz und Breite sowie eine Einrichtung zur Beaufschlagung der Feldwicklung mit Antriebsimpulsen.
  • Eine solche Anordnung ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß im Ständer eine vom Läufer beeinflußbare Sensorwicklung angeordnet ist, deren Ausgang einem Komparator zur Umsetzung der Sensorsignale in rechteckige Sensorimpulse aufgeschaltet ist, daß die Ausgänge des Impulsgenerators und des Komparators einem Phasenvergleicher aufgeschaltet sind, in dem die Sensorimpulse hinsichtlich der Lage der Impulsflanken und der Impulsbreite mit den konstanten Impulsen des Impulsgenerators vergleichbar sind, und in dem bei einer positiven Phasenverschiebung (Polnacheilung) dieser proportionale beschleunigende Antriebsimpulse und bei einer negativen Phasenverschiebung (Polvoreilung) dieser proportionale, bremsende Antriebsimpulse erzeugbar sind, welche Antriebsimpulse mit den Sensorimpulsen synchronisiert sind, und daß der Ausgang des Phasenvergleichers der Feldentwicklung aufgeschaltet ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wirkungsweise werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 7 näher beschrieben.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Synchronmotors mit der gesamten Regelanordnung,
    • Fig. 2 eine Impulsfolge des Impulsgenerators,
    • Fig. 3 - 7 jeweils im oberen Diagramm die Sensorimpulse und im unteren Diagramm die sich aus dem Vergleich mit den Generatorimpulsen gemäß Fig. 2 ergebenden Antriebsimpulse für unterschiedliche Phasen- und Drehzahlabweichungen bzw. Polsprünge.
  • In Fig. 1 ist schematisch ein Synchronmotor 1 dargestellt, der einen Läufer 2 und einen Ständer 3 aufweist, in dem eine Feldwicklung 4 und eine Sensorwicklung 5 untergebracht sind. Der Synchronmotor ist als Reaktionsmotor oder reaktiver Motor ausgebildet, d.h. der Läufer 2 enthält durch Permanentmagnete gebildete Pole, die abwechselnd angeordnet und mit N und S bezeichnet sind. Durch Beaufschlagung der Feldwicklung 4 mit Impulsen, die beispielsweise eine Frequenz von 16 Hz aufweisen, läßt sich der Läufer 2 auf eine der Polpaarzahl und der Frequenz entsprechende Drehzahl bringen, im dargestellten Falle also auf acht Umdrehungen pro Sekunde. Der Anlauf des Läufers 2 wird durch nicht dargestellte Hilfsmittel ermöglicht, die ebenso wie das Prinzip des Synchronmotors Stand der Technik sind. Die Umdrehungen des Läufers 2 werden über eine Welle 6 auf ein Getriebe 7 und von diesem über eine Welle 8 auf ein Anzeigesystem 9 übertragen, welches beispielsweise eine Analoganzeige mittels mehrerer Zeiger und einem Ziffernblatt ermöglicht.
  • Die Sensorwicklung 5 wird durch eine Induktionsspule gebildet, die ebenso wie die Feldwicklung 4 im Einflußbereich der Magnetlinien der Pole N und S des Läufers 2 liegt. Ein Ausgang der Sensorwicklung 5 liegt an einem Anschluß lo eines Spannungsteilers, der aus den Widerständen 11 und 12 besteht. Vom Widerstand 12 führt ein Abgriff 13 in gleicher Weise zu einem Komparator 14 wie der zweite Ausgang 15 der Sensorwicklung 5.
  • Bei der Rotation des Läufers 2 schneiden die Magnetfeldlinien der Pole N und S periodisch die Sensorwicklung 5, wodurch am Eingang des Komparators 14 eine sinusförmige Spannung mit Nulldurchgängen, das sogenannte Sensorsignal, erzeugt wird. Im Komparator 14, der auch als Impulsformer bezeichnet werden kann, wird das Sensorsignal in Rechteckimpulse umgesetzt, deren senkrechte Flanken an der Stelle der Nulldurchgänge des Sensorsignals liegen. An der Stelle der positiven Kurvenzüge des Sensorsignals liegen die Rechteckimpulse; an der Stelle der negativen Kurvenzüge des Sensorsignals befinden sich die Intervalle zwischen den Impulsen.
  • Der Ausgang des Komparators 14 ist einer Entprellstufe 15 aufgeschaltet, welches die Aufgabe hat, kurze Störimpulse, die durch eine Einstreuung aus der Feldwicklung 4 in die Sensorwicklung 5 entstehen, zurückzuhalten. Die Entprellstufe 15 enthält einen Inverter 16 und zwei D-Flip-Flops vom Typ MC 14013 (sämtliche hier genannten Typenbezeichnungen sind Katalogware der Firma Motorola/USA). Außerdem besitzt die Entprellstufe zwei NAND-Gatter 19 und 2o des Typs MC 14011 und zwei NAND-Gatter 21 und 22 des gleichen Typs, die aufgrund ihrer Schaltung ein weiteres Flip-Flop bilden. Die Ausgänge der NAND-Gatter 21 und 22 sind an einen gemeinsamen Anschluß 23 gelegt. Die genannten Teile sind auf die gezeigte Weise geschaltet, so daß auf eine eingehende textliche Erläuterung der Leitunsführung verzichtet werden kann. Von Bedeutung sind noch die Anschlüsse 24 und 25 für die Verbindung mit den nachfolgenden Schaltkreisen.
  • Der gesamten Anordnung ist noch ein Impulsgenerator 26 zugeordnet, der einen Quarzoszillator 27 und einen Frequenzteiler 28 mit zwei Ausgängen aufweist, an denen Rechteckimpulse mit Frequenzen von beispielsweise 16 Hz und 256 Hz anstehen. Der Ausgang mit der Frequenz von 256 Hz ist über eine Leitung 29 mit den entsprechenden Eingängen der D-Flip-Flops 17 und 18 verbunden.
  • Derjenige Ausgang des Frequenzteilers 28, an dem die Frequenz von 16 Hz ansteht, ist über eine Leitung 3o mit einem Phasenvergleicher 31 verbunden, und zwar dort mit einem D-Flip-Flop 32 des Typs MC 14013. Ein weiterer D-Flip-Flop 33 des gleichen Typs ist über eine Leitung 34 mit dem Anschluß 23 der Entprellstufe 15 verbunden. Zum Phasenvergleicher 31 gehören noch zwei NOR-Gatter 35 und 36 des Typs MC 14o25 sowie zwei weitere NOR-Gatter 37 und 38 des Typs MC 14001. Auch die Teile des Phasenvergleichers 31 sind auf die gezeigte Weise geschaltet, wobei noch erwähnenswert ist, daß ein Eingang des NOR-Gatters 35 mit dem Anschluß 25 und ein Eingang des NOR-Gatters 36 mit dem Anschluß 24 der.Entprellstufe 15 verbunden sind. Der Ausgang des NOR-Gatters 38 ist über eine Leitung 39 mit der Feldwicklung 4 verbunden, deren andere Seite an Masse gelegt ist.
  • Die Wirkungsweise der Anordnung gemäß Fig. 1 wird im Zusammenhang mit den Figuren 2 - 7 näher erläutert. Die Buchstaben A, B und C am rechten Rand der Figuren 2 - 7 beziehen sich auf die entsprechend gekennzeichneten Stellen der Leitungsführung in Fig. 1, d.h. an den betreffenden Stellen stehen unter den nachfolgend erläuterten Betriebsbedingungen Impulse an, die den in den Figuren 2 - 7 dargestellten Impulsen entsprechen.
  • In Fig. 2 sind die Generatorimpulse mit der Frequenz 16 Hz dargestellt. Mit dieser Frequenz wird der eine Eingang des D-Flip-Flops 32 des Phasenvergleichers 31 beaufschlagt. Die betreffende Impulsfolge A wird mit der Impulsfolge verglichen, die aufgrund der Rotation des Läufers 2 in der Sensorwicklung 5 induziert und nach entsprechender Signalverarbeitung am Anschluß 23 (Stelle B) der Entprellstufe 15 ansteht. Die beiden Impulsfolgen werden miteinander verglichen, und zwar ist die Ausgangsfrequenz des Impulsgenerators 26 die (konstante) Sollfrequenz und die Impulsfrequenz an der Stelle B die sogenannte Istfrequenz. Beide Frequenzen sind im Normalfall gegeneinander phasenverschoben. Abhängig von der Phasenverschiebung zwischen den beiden Frequenzen bzw. der Differenz zwischen der Anzahl der Generatorimpulse (a) und der Sensorimpulse (B) über einen vorgebenen Zeitraum wird eine Folge von Antriebsimpulsen auf der Leitung 39 gebildet (C), deren unterschiedliches Aussehen in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen anhand der Figuren 3 bis 7 (jeweils unteres Diagramm) näher erläutert wird. Die Antriebsimpulse werden dabei synchron mit den Sensorimpulsen gebildet; sie liegen aber nur innerhalb deren Flanken und erstrecken sich nicht notwendigerweise über die gesamte Breite der Sensorimpulse. Die Breite der Antriebsimpulse ist dabei sowohl von der Phasenverschiebung als auch von der Differenz zwischen der Sollfrequenz und der Istfrequenz abhängig. Die Lage der Antriebsimpulse am Anfang und/oder am Ende der Sensorimpulse ist dabei abhängig vom Vorzeichen der Phasenverschiebung bzw. von einer Voreilung oder Nacheilung. Je nach der relativen Lage der Antriebsimpulse zu den Sensorimpulsen wird ein bremsendes oder beschleunigendes Drehmoment erzeugt, dessen Größe wiederum proportional der Phasenverschiebung und der Frequenzdifferenz ist. Unter "Antriebsimpulse" werden auch solche Impulse verstanden, die einen negativen Antrieb, d.h. eine Abbremsung bewirken.
  • In Fig. 3 sind die Sensorimpulse (B) gegenüber den Generatorimpulsen (A) phasenverschoben und breiter, was auf eine abgesunkene Drehzahl schließen läßt. Die Nacheilung des Läufers nimmt zu, und die positive Phasenverschiebung nimmt von ϕ1 zuT2 zu. Aufgrund des Vergleichs im Phasenvergleicher 31 entsteht dadurch eine Folge von Antriebsimpulsen mit zunehmender Breite, die der Phasenverschiebung proportional sind. Diese Antriebsimpulse treten am Ende eines jeden Sensorimpulses auf, der ja auch die Lage des betreffenden Pols, der den Sensorimpuls erzeugt, zur Feldwicklung 4 anzeigt. Dies geschieht aufgrund der in Fig. 1 gezeigten räumlichen Lage von Feldwicklung 4 und Sensorwicklung 5 zueinander, die in einer gemeinsamen, radial zum Läufer 2 verlaufenden Ebene angeordnet sind. Dies kann besonders zweckmäßig in der Weise geschehen, daß die Achsen von Feldwicklung 4 und Sensorwicklung 5 koaxial zueinander ausgerichtet sind und mit einem Radius des Läufers 2 übereinstimmen. Durch die Lage der Antriebsimpulse zu den Sensorimpulsen und damit zu den Polen wird ein.beschleunigender Antriebsimpuls erzeugt, was symbolisch durch ein "+" angedeutet ist. Diese Impulse haben die Wirkung, die Phasenverschiebung kleinstmöglich zu machen, d.h. auf einen Wert zu bringen, der durch die stationären Antriebsverluste bis zum Anzeigesystem 9 bedingt ist.
  • Auch Fig. 4 zeigt eine Folge von Sensorimpulsen (B), die den Generatorimpulsen (A) nacheilen, d.h., die Phasenverschiebung ist positiv und progressiv. Dies ist ein Zeichen dafür, daß die Istfreuqenz sehr viel stärker von der Sollfrequenz abweicht, ein Vorgang, der durch ein besonders starkes stoßartiges Drehmoment eintreten kann. Aufgrund eines Vergleichs der Sensorimpulse (B) mit den Generatorimpulsen (A) im Phasenvergleicher 31 werden Antriebsimpulse (C) gebildet, die entsprechend breiter sind, wie dies durch den schraffierten Impuls in Fig. 4 angedeutet ist. Der betreffende Antriebsimpuls erzeugt ein sehr viel stärkeres beschleunigendes Drehmoment, um die Phasenverschiebung wieder zu verringern. Auch hier die beschleunigende Wirkung des Antriebsimpulses durch die relative Lage zum Sensorimpuls bzw. zum Pol bedingt.
  • Fig. 5 zeigt eine Folge von Sensorimpulsen (B) die gegenüber den Generatorimpulsen (A) voreilt, d.h. die Phasenverschiebung ist negativ. Durch den beschriebenen Vergleich wird nunmehr im Phasenvergleicher 31 eine Folge von Antriebsimpulsen (C) erzeugt, die eine solche Lage zu den Sensorimpulsen bzw. Polen haben, daß ein bremsendes Drehmoment erzeugt wird. Dies ist durch ein "-" angedeutet. Diese bremsenden oder negativen Antriebsimpulse erzeugen eine weitgehende Wiederherstellung der übereinstimmung von Generator- und Sensorimpulsen.
  • In den Figuren 3,4 und 5 sind Verhältnisse dargestellt, bei denen noch kein Polsprung "ε" stattgefunden hat, der als Umdrehungsabweichung : Polpaarabstand, jeweils in Winkelgranden angegeben, definiert wird. Mit anderen Worten: eine Zählung von Generator- und Sensorimpulsen führt zu einer Obereinstimmung der Impulszahlen.
  • Anders ist dies in dem anhand von Fig. 6 und 7 erläuterten Fall. Hierbei wurde durch den Phasenvergleicher festgestellt, daß z.B. aufgrund extrem starker;.äußerer stoßartiger Drehmomente eine Polvoreilung oder Polnacheilung eingeleitet worden ist, die größer ist als ganzzahlige Vielfache des Polabstandes. Dies bedeutet, daß entweder die Generatorimpulse die Sensorimpulse und damit die Pole "überholt" haben (Polnacheilung), oder umgekehrt (Polvoreilung). Dieser Zustand wäre durch eine einfache Porportionalregelung, wie sie anhand der Figuren 3, 4 und 5 erläutert wurde nicht wieder zu beseitigen, da eine derartige einfache Regelung einen Polsprung nicht feststellen kann. Diesen Umstand beseitigt jedoch die besondere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, wonach der Phasenvergleicher 31 in der Weise ausgelegt ist, daß bei einer Polvoreilung größer als ganzzahlige Vielfache des Polabstandes (Polsprung E = -1, -2, -3, ...) bremsende Antriebsimpulse in voller Breite der Sensorimpulse und synchron mit diesen, und bei einerPolnacheilung größer als ganzzahlige Vielfache des Polabstandes (Polsprung ε = 1, 2, 3, ...) beschleunigende Antriebsimpulse in voller Breite der Sensorimpulse und synchron mit diesen erzeugbar sind.
  • Die betreffenden Vorgänge sind in den Figuren 6 und 7 dargestellt.
  • Bei dem Betriebszustand, dessen Auswirkungen in Fig. 6 dargestellt sind, liegt ein Polsprung in Form einer Polnacheilung um ein ganzzahliges Vielfaches vor, d.h. die Folge der Generatorimpulse hat die Folge der Sensorimpulse überholt. In diesem Fall wird ein Antriebsimpuls (C) in voller Breite des Sensorimpulses und synchron mit diesem erzeugt, der aufgrund seines hohen Drehmoments die Polnacheilung wieder aufhebt, d.h. der Läufer 2 wird kurzzeitig so stark beschleunigt, daß der Polsprung zu Null wird.
  • Bei dem Betriebszustand gemäß Fig. 7, liegt ein Polsprung in Form einer Polvoreilung vor, d.h. die Folge der Sensorimpulse hat die Folge der Generatorimpulse überholt. Im Phasenvergleicher 31 werden nunmehr durch den bereits beschriebenen Vergleich Antriebsmomente mit starker bremsender Wirkung erzeugt, die den Polsprung wieder aufheben.
  • Es ist dabei anzustreben, den Polsprung E nicht größer als 1 werden zu lassen insbesondere dann, wenn eine Polnacheilung beseitigt werden soll. Für den Fall einer Polvoreilung kann es jedoch zur Verminderung der elektrischen Antriebsleistung zweckmäßig sein, größere Polsprünge zuzulassen und diese sukzessive auszuregeln, da eine Abbremsung des Läufers 2 durch die Reibungskräfte ohnehin erfolgt.
  • Die Anordnung gemäß Fig. 1 kann für Batteriespannungen über 3 Volt mit herkömmlichen CMOS-Schaltkreisen aufgebaut werden (Complementary Metal Oxide Semiconductor-Circuits). Die Verbindung der Batterie mit der Anordnung gemäß Fig. 1 ist nicht besonders dargestellt, sondern nur durch "
    Figure imgb0001
    " dargestellt.
  • Mit der dargestellten Anordnung sind nur einfache Polsprünge (ε= 7 1) 1) erfaßbar. Sofern mehrfache Polsprünge (C = 4 2, 3, ....) ausgeregelt werden sollen, sind die Flip-Flops 32 und 33 durch Auf-Abwärts-Zähler oder durch Rechts-Links-Schieberegister zu ersetzen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Regelung von Drehzahl und Phasenlage bei Synchronmotoren mit einem Läufer mit mindestens einem Polpaar und mit einem Ständer mit mindestens einer mit Antriebsimpulsen beaufschlagten Feldwicklung, insbesondere bei Reaktionsmotoren von zeithaltenden Geräten wie Uhren, unter Verwendung eines Impulsgenerators, der Impulse konstanter Frequenz und Breite erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Polbewegung gegenüber dem Ständer mittels einer induktiven Sensorwicklung erfaßt und die Sensorsignale in entsprechende, im wesentlichen rechteckige Sensorimpulse umsetzt, daß man die konstanten Impulse mit den Sensorimpulsen nach Breite und Phasenlage vergleicht und synchron mit den Sensorimpulsen Antriebsimpulse erzeugt, deren Breite der Phasenverschiebung proportional und deren Phasenlage gegenüber den Polen so gewählt ist, daß bei einer Voreilung der Pole ein Bremsmoment und bei einer Nacheilung ein Beschleunigungsmoment erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich die konstanten Impulse und die Sensorimpulse pro Zeiteinheit zählt und bei einer Polvoreilung einen Antriebsimpuls in voller Breite des Sensorimpulses zur Erzeugung eines Bremsmoments und bei einer Polnacheilung einen Antriebsimpuls in voller Breite des Sensorimpulses zur Erzeugung eines Beschleunigungsmoments bildet.
3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, enthaltend einen Synchronmotor, insbesondere einen Reaktionsmotor, mit einem Läufer mit mindestens einem Polpaar und mit einem Ständer mit mindestens einer Feldwicklung, einen Impulsgenerator für die Erzeugung von Impulsen konstanter Frequenz und Breite sowie eine Einrichtung zur Beaufschlagung der Feldwicklung mit Antriebsimpulsen, dadurch gekennzeichnet, daß im Ständer (3) eine vom Läufer (2) beeinflußbare Sensorwicklung (5) angeordnet ist, deren Ausgang einem Komparator (14) zur Umsetzung der Sensorsignale in rechteckige Sensorimpulse aufgeschaltet ist, daß die Ausgänge des Impulsgenerators (26) und des Komparators (14) einem Phasenvergleicher (31) aufgeschaltet sind, und in dem Sensorimpulse hinsichtlich der Lage der Impulsflanken und der Impulsbreite mit den konstanten Impulse des Impulsgenerators vergleichbar sind, und in dem bei einer positiven Phasenverschiebung (Polnacheilung) dieser proportional, beschleunigende An-. triebsimpulse und bei einer negativen Phasenverschiebung (Polvoreilung) dieser proportionale, bremsende Antriebsimpulse erzeugbar sind, welche Antriebsimpulse mit den Sensorimpulsen synchronisiert sind, und daß der Ausgang des Phasenvergleichers der Feldwicklung (4) aufgeschaltet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleicher (31) in der Weise ausgelegt ist, daß bei einer Polvoreilung größer als ganzzahlige Vielfache des Polabstandes (Polsprung t= -1, -2, -3, ...) bremsende Antriebsimpulse in voller Breite der Sensorimpulse und synchron mit diesen, und bei einer Polnacheilung größer als ganzzahlige Vielfache des Polabstandes (Poksprung C-= 1, 2, 3, ...) beschleunigende Antriebsimpulse in voller Breite der Sensorimpulse und synchron mit diesen erzeugbar sind.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 3 und 4,dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleicher (31) aus zwei D-Flip-Flops (32, 33) und vier NOR-Gattern (35, 36, 37, 38) besteht, die in der in Fig. gezeigten Weise geschaltet sind.
6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Konverters (14) und dem Phasenvergleicher (31) eine Entprellstufe (15) für die Abtrennung von Störimpulsen angeordnet ist, welche durch induktive Ankopplung der Sensorwicklung (5) an die Feldwicklung (4) in der Sensorwicklung entstehen.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entprellstufe (15) aus zwei D-Flip-Flops (17, 18), zwei NAND-Gattern (19,2o) und zwei NAND-Gattern (21, 22) in Flip-Flop-Schaltung besteht, die in der der in Fig. 1 gezeigten Weise geschaltet sind, wobei den D-Flip-Flops (17, 18) ein Ausgang des Impulsgenerators (26) aufgeschaltet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Feldwicklung (4) und Sensorwicklung (5) in einer gemeinsamen, radial zum Läufer (2) verlaufenden Ebene angeordnet sind.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen von Feldwicklung (4) und Sensorwicklung (5) miteinander und mit einem Radius des Läufers (2) übereinstimmen.
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