EP0027856B1

EP0027856B1 - Schaltungsanordnung zur Regelung von Drehzahl und Phasenlage bei Synchronmotoren

Info

Publication number: EP0027856B1
Application number: EP80104425A
Authority: EP
Inventors: Harald Dr. Hoffmann; Dan-Corneliu Raducanu
Original assignee: Braun GmbH
Current assignee: Braun GmbH
Priority date: 1979-09-19
Filing date: 1980-07-28
Publication date: 1984-10-03
Also published as: US4418307A; DE2937838A1; DE2937838C2; JPS5646699A; EP0027856A1; BR8005314A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung 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.
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 Phasenlage 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 verlorener Impuls nicht mehr einzuholen ist. Ein solches System kann die Anzahl der Umdrehungen in einer vorgegebenen Zeitspanne nicht konstant halten.
Durch die DE-OS-2 305 682 ist es bekannt, einen elektronisch gesteuerten Uhrenantrieb mit zwei sich hinsichtlich der Frequenz geringfügig unterscheidenden Antriebsimpulsfolgen zu beaufschlagen, wobei die eine Impulsfolge eine etwas kleinere und die andere Impulsfolge eine etwas grössere Frequenz aufweist, als die von einem Quarzoszillator über einen Frequenzteiler erzeugten Referenzimpulse, deren Impulsfolgefrequenz die Vorgabe für den genauen Gang der Uhr geben (Sollwert). In Abhängigkeit der Anstiegsflanken der Referenzimpulse und der von der tatsächlichen Bewegung des Uhrenantriebs abgeleiteten Impulse (Istwert), die beide an je einem Eingang eines Multivibrators gelegt werden, wird die Einschaltdauer der beiden Antriebsimpulsfolgen geregelt. Dadurch pendelt die Drehzahl des Uhrenantriebs zwischen zwei extremalen Werten, wobei sich im Mittel eine den Referenzimpulsen entsprechende Drehzahl einstellen soll.
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.
Neben dem aus der vorgenannten Literaturstelle bekannten Regelverfahren, gemäss dem eine durch Referenzimpulse vorgegebene Solldrehzahl durch die Modulation der Impulsfolgefrequenz der Antriebsimpulse möglichst genau eingehalten werden soll, ist ein weiteres grundsätzliches, bei Synchronmotoren häufig angewandtes Regelverfahren zur Erzielung einer möglichst guten Drehzahlkonstanz allgemein bekannt. Es besteht darin, dass man eine, eine vorgegebene Synchronfrequenz (Sollwert) aufweisende Impulsfolge mit der Frequenz einer von der Motordrehzahl abgeleiteten Impulsfolge (Sollwert) in einer Phasenvergleichseinrichtung miteinander vergleicht und daraus eine Regelgrösse zum Beschleunigen oder Abbremsen des Synchronmotors ableitet.
So ist beispielsweise aus der CH-A-459 334 eine Schaltungsanordnung zur elektronischen Regelung der Drehzahl einer Antriebsvorrichtung, insbesondere für Magnetspeichergeräte bekannt, der insbesondere die Aufgabenstellung zugrundeliegt, zwei oder mehr verschiedene Geräte zu genau gleichen Drehzahlen zu zwingen, wobei hohe Anforderungen an die Drehzahlkonstanz und Übereinstimmung der Drehzahlen der verschiedenen Antriebsvorrichtungen gestellt werden. Auch bei dieser bekannten Anordnung wird grundsätzlich von dem Prinzip Gebrauch gemacht, einer Phasen- oder Frequenzvergleichsschaltung eine vorgegebene Sollfrequenz für die Drehzahl der Antriebsvorrichtungen und eine von der oder den Motordrehzahlen abgeleitete Frequenz einzugeben. Die konkrete Realisierung dieses Grundprinzips erfolgt jedoch in der Weise, dass die Stromzufuhr der zu regelnden Antriebsvorrichtung von einer Zählschaltung beeinflusst wird, die nur bis zu einem Maximalwert vorwärts und bis zu einem Minimalwert rückwärts zählt. Am Eingang der Zählschaltung liegen die Sollwert-und die von der jeweiligen Istdrehzahl abgeleiteten Istwertimpulse. Innerhalb des festgelegten Zählbereichs wird eine Zahl bestimmt, bei deren Überschreiten die Stromzufuhr zur Antriebsvorrichtung gesperrt und bei deren Unterschreiten die Stromzufuhr zur Antriebsvorrichtung eingeschaltet ist. Jeder der Istdrehzahl der Antriebsvorrichtung entsprechende Impuls bedeutet dabei ein Aufwärtszählen des Zählers, während jeder Sollwertimpuls ein Abwärtszählen des Zählers auslöst.
Entsprechend der gestellten Aufgabe und den Anforderungen an die Regelgenauigkeit ist die bekannte Schaltungsanordnung durch die Verwendung mehrerer Kippstufen und Vergleichselemente sehr aufwendig und entsprechend teuer in der Herstellung sowie nicht geeignet, die bei starken Abweichungen der Sollwertimpulse von den Istwertimpulsen eintretenden Polsprünge auszugleichen, da der Zähler nicht in der Lage ist, den festgelegten Zählbereich zu über- oder unterschreiten. Damit aber sind starke Soll-Istwert-Abweichungen nicht erfassbar und demzufolge auch nicht ausregelbar.
Aus der US-A-3 855 781 ist eine Antriebsvorrichtung für den Schrittmotor einer elektronischen Uhr mit einem über ein Getriebe angekoppelten Kalender bekannt, bei der als Sollwertimpulse von einem Oszillator abgegebene Impulse mittels einer Teilerkette heruntergeteilt und einem Antriebssteuer- und regelkreis eingegeben werden, dessen Ausgangsimpulse den Schrittmotor ansteuern. Eine neben der Feldwicklung des Schrittmotors angebrachte Sensorwicklung erfasst im wesentlichen die dem Schrittmotor über die Feldwicklung zugeführten Stromimpulse sowie zusätzlich die Winkelstellung des Rotors in bezug auf den Stator des Schrittmotors. Die Sensorwicklung hat hierbei die Aufgabe, festzustellen, ob sich der Rotor des Schrittmotors bereits in der nächsten stabilen Schrittstellung befindet und somit der Antriebsimpuls beendet werden kann oder nicht. Diese Erfassungsvorrichtung dient damit im wesentlichen der Aufgabe, den Stromverbrauch des Schrittmotors herabzusetzen, was bei batteriebetriebenen Uhren sicherlich von wesentlicher Bedeutung ist. Die jeweils unterschiedliche Belastung des Schrittmotors und damit die Länge des jeweils erforderlichen Antriebsimpulses wird bei dieser bekannten Antriebsvorrichtung durch das angekoppelte Kalenderwerk verursacht, so dass bei Weiterschalten des Kalenderwerkes ein grösseres Antriebsdrehmoment und damit ein grösserer Stromverbrauch erforderlich ist. Im Normalbetrieb dagegen erreicht der Schrittmotor bereits bei geringer Impulslänge den nächsten stabilen Zustand, so dass der Antriebsimpuls unterbrochen werden kann.
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, beispielsweise gemäss der CH-A-459 334, liegt dem Anmeldungsgegenstand die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Drehzahl und Phasenlage eines Synchronmotors, insbesondere für analoganzeigende Uhren, zu schaffen, die sehr schnell, d.h. ohne merkliche Totzeiten arbeitet, auf ein stossartiges Gegendrehmoment oder Beschleunigungsmoment sofort mit einer entsprechenden Erhöhung der Antriebsleistung bzw. Abbremsung des Motors reagiert und insbesondere Polsprünge des Motors ausregelt, die eine geringe Leistungsaufnahme sicherstellt und deren schaltungstechnischer Aufwand gering ist bei voller Einhaltung der Funktionssicherheit der Schaltung.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss dadurch, dass man die Polbewegung gegenüber dem Ständer mittels einer induktiven Sensorwicklung und einem nachgeschalteten Impulsformer erfasst und dass die Phasenvergleichseinrichtung derart geschaltet ist, dass an die Feldwicklung bei gegenüber dem Sensorimpuls voreilendem bzw. nacheilendem Generatorimpuls ein beschleunigender bzw. ein bremsender Antriebsimpuls abgegeben wird, dessen Impulsbreite der Phasenverschiebung zwischen Generatorimpuls und Sensorimpuls proportional ist. 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, d.h., 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.
Die erfindungsgemässe Phasenvergleichseinrichtung ist weiterhin derart geschaltet, dass, wenn die Sensorimpulse den Generatorimpulsen um ein ganzzahliges Vielfaches voreilen bzw. nacheilen, an die Feldwicklung bremsende bzw. beschleunigende Antriebsimpulse abgegeben werden, deren Impulsbreite der Lücke zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sensorimpulsen bzw. der lmpulsbreite des betreffenden Sensorimpulses entspricht.
Vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemässen Lösung sind den 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 Generatoriumpulsen 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 nichtdargestellte 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 Zifferblatt 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 10 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 40 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, welche 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 20 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 Leitungsführung 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 30 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 14025 sowie zwei weitere NOR-Gatter 37 und 38 des Typs 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 Fig. 2-7 näher erläutert. Die Buchstaben A, B und C am rechten Rand der Fig. 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 Fig. 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 vorgegebenen Zeitraum wird eine Folge von Antriebsimpulsen auf der Leitung 39 gebildet (C), deren unterschiedliches Aussehen in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen anhand der Fig. 3-7 (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 Dauer 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, zu ϕ₂ 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 Generatorimpulses 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 auf 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 Istfrequenz 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 cp₂ wieder zu verringern. Auch hier wird die beschleunigende Wirkung des Antriebsimpulses durch die relative Lage zum Sensorimpuls bezw. 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 Fig. 3, 4 und 5 sind Verhältnisse dargestellt, bei denen noch kein Polsprung «ε» stattgefunden hat, der als Umdrehungsabweichung : Polpaarabstand, jeweils in Winkelgraden angegeben, definiert wird. Mit anderen Worten: eine Zählung von Generator- und Sensorimpulsen führt zu einer Übereinstimmung 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 oder gleich ist als ganzzahlige Vielfache des Polpaarabstandes. Dies bedeutet, dass entweder die Generatorimpulse die Sensorimpulse und damit die Pole «überholt» haben (Polnacheilung), oder umgekehrt (Polvoreilung). Dieser Zustand wäre durch eine einfache Proportionalregelung, wie sie anhand der Fig. 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 s = -1, - 2, - 3, ...) bremsende Antriebsimpulse in voller Breite der Sensorimpulse und synchron mit diesen, und bei einer Polnacheilung grösser als ganzzahlige Vielfache des Polabstandes (Polsprung s = 1, 2, 3, ...) beschleunigende Antriebsimpulse in voller Breite der Sensorimpulse und synchron mit diesen erzeugbar sind.
Die betreffenden Vorgänge sind in den Fig. 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 ein 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 «⊕» dargestellt.
Mit der dargestellten Anordnung sind nur einfache Polsprünge (s = ± 1) erfassbar. Sofern mehrfache Polsprünge (s = ± 2, 3, ....) ausgeregelt werden sollen, sind die Flip-Flops 32 und 33 durch Auf-Abwärtszähler oder durch Rechts-Links-Schieberegister zu ersetzen.

Claims

1.Schaltungsanordnung zur Regelung der Drehzahl und Phasenlage eines Synchronmotors mit einem Läufer (2) mit mindestens einem Polpaar und einem Ständer (3) mit mindestens einer mit Antriebsimpulsen beaufschlagten Feldwicklung (4), mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von Impulsen, deren Frequenz der Läuferdrehzahl proportional ist, und einem Impulsgenerator (26) zur Erzeugung von Soll-Impulsen (A) mit einer konstanten Frequenz und Breite sowie einer Phasenvergleichseinrichtung (31), an deren beiden Eingängen die beiden Impulsarten anstehen und die nach Breite und Phasenlage miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung zur Erzeugung der der Läuferdrehzahl proportionalen Impulse eine im Feldbereich angeordnete Sensorwicklung (5) mit nachgeschaltetem, Sensorimpulse (B) abgebenden Impulsformer (11-14) vorgesehen ist und dass die Phasenvergleichseinrichtung (31) derart geschaltet ist, dass

a) bei voreilendem Generatorimpuls (A) mit der abfallenden Flanke des Generatorimpulses (A) die ansteigende Flanke eines beschleunigenden Antriebsimpulses (C) erzeugt wird, der mit der abfallenden Flanke des nacheilenden Sensorimpulses (B) abfällt,

b) bei nacheilendem Generatorimpuls (A) mit der abfallenden Flanke des Sensorimpulses (B) die ansteigende Flanke eines bremsenden Antriebsimpulses (C) erzeugt wird, der mit der abfallenden Flanke des nacheilenden Generatorimpulses (A) abfällt,

c) wenn die Sensorimpulse den Generatorimpulsen um ein ganzzahliges Vielfaches voreilen (Anzahl der Polsprünge ε = 1,2,3...), die Phasenvergleichseinrichtung (31) an die Feldwicklung (4) bremsende Antriebsimpulse abgibt, deren Impulsbreite durch die abfallende Flanke des entsprechenden und die ansteigende Flanke des unmittelbar nachfolgenden Sensorimpulses bestimmt wird (Fig. 7),

d) wenn die Generatorimpulse den Sensorimpulsen um ein ganzzahliges Vielfaches nacheilen (Anzahl der Polsprünge s = -1, -2, -3...), die Phasenvergleichseinrichtung (31) beschleunigende Antriebsimpulse mit der Impulsbreite der Sensorimpulse an die Feldwicklung (4) abgibt (Fig. 6).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Ausregelung einfacher Polsprünge (s = ± 1) geeignete Phasenvergleichseinrichtung (31) ein erstes, eingangsseitig mit den Generatorimpulsen (A) beaufschlagtes D-Flip Flop (32) und ein zweites, mit den vom Impulsformer (11-14) gebildeten, rechteckförmigen Sensorimpulsen (B) beaufschlagtes D-Flip Flop (33) enthält, deren Ausgänge zum einen mit den Eingängen eines ersten und zweiten NOR-Gatters (35 bzw. 36) sowie mit den Eingängen eines dritten NOR-Gatters (37) verbunden sind, wobei der Ausgang des dritten NOR-Gatters (37) mit den Rücksetz-Eingängen der D-Flip Flops (32, 33) verbunden ist und ein weiterer Eingang des ersten NOR-Gatters (35) mit dem Ausgang eines Komparators (14) und ein weiterer Eingang des zweiten NOR-Gatters (36) mit dem Ausgang eines dem Komparator (14) nachgeschalteten Inverters (16) verbunden ist und dass die Ausgänge des ersten und zweiten NOR-Gatters (35, 36) mit den beiden Eingängen eines vierten NOR-Gatters (38) verbunden sind, dessen Ausgang mit einem Wicklungsende der Feldwicklung (4) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausregelung mehrfacher Polsprünge (s. = ± 2, ± 3, ...) die Phasenvergleichseinrichtung (31) anstelle des ersten D-Flip Flops (32) und des zweiten D-Flip Flops (33) je einen Auf-Abwärtszähler oder je ein Rechts-Links-Schieberegister aufweist.