DE1099053B - Actuator with a polyphase induction motor - Google Patents

Description

Stellantrieb mit einem Mehrphaseninduktionsmotor Bei zahlreichen Steuer- und Regelaufgaben sind Stellantriebe erforderlich, um einen mechanischen Eingriff in die Steuerkette bzw. den Regelkreis vornehmen zu können. Beispiele hierfür sind Nachlaufregelungen, Registerregelungen für Mehrfarben- Rotationsdruck, Fernsteueranlagen, Verstellung von Drehtransformatoren usw.Actuator with a multi-phase induction motor For numerous control and control tasks, actuators are required for mechanical intervention to be able to make in the control chain or the control loop. examples for this are Follow-up regulations, register regulations for multi-color rotary printing, remote control systems, Adjustment of rotary transformers etc.

Es sind bereits Stellantriebe mit Zweiphaseninduktionsmotoren bekanntge"vorden, die über phasenempfindlich arbeitende Schalttransistoren hinsichtlich Drehzahl und Drehrichtung gesteuert werden. Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, nicht nur den Betrieb des Stellmotors, sondern auch das Einlaufen in die neue Sollstellung zu überwachen.There are already actuators with two-phase induction motors known "before, via phase-sensitive switching transistors with regard to speed and Direction of rotation can be controlled. Based on this state of the art, the The invention is based not only on the operation of the servomotor, but also to monitor the entry into the new debit position.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an einem vom Steuersignal und vom Netz gespeisten Ringmodulator eine Kippstufe zur Umformung der Modulatorausgangsspannung in Rechteckimpulse und an diese zwei Steuersätze für die beiden Drehrichtungen angeschlossen sind, die in Abhängigkeit vom Steuersignal die Phasenwechselspannung des Motors bzw. einen Bremsgleichstrom liefern.This object is achieved in that on one of the Control signal and the ring modulator fed by the mains supply a multivibrator for conversion the modulator output voltage in square-wave pulses and to these two tax rates for the two directions of rotation are connected, depending on the control signal supply the phase alternating voltage of the motor or a DC braking current.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann jeder Steuersatz eine Zwischenstufe in Form einer Kippstufe enthalten, die die Dauer des Bremsvorganges bestimmt.According to another feature of the invention, each tax rate can be one Intermediate stage in the form of a flip-flop stage, the duration of the braking process certainly.

Die Verwendung eines Ringmodulators in Verbindung mit einer nachgeschalteten Kippstufe zur Impulsformung ermöglicht es, beim Einlaufen in die neue Sollstellung, also beim Verschwinden des Steuersignals, selbsttätig Bremsstrom auf die gesteuerten Phasen des Motors zu geben. Die Ableitung des Signals für die Steuersätze aus der Kippstufe führt zu einer betriebssicheren, übersichtlichen und rauansparenden Steuereinrichtung.The use of a ring modulator in conjunction with a downstream Flip-flop for pulse shaping makes it possible, when entering the new target position, So when the control signal disappears, braking current is automatically applied to the controlled one Phases of the motor. The derivation of the signal for the tax rates from the The flip-flop leads to an operationally reliable, clear and space-saving control device.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften des Erfindungsgegenstandes sowie seine Wirkungsweise sollen an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.Further advantageous properties of the subject matter of the invention as well its mode of operation will be explained in more detail with reference to the drawing.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird von einem Zweiphaseninduktionsmotor ausgegangen, welcher in drei Betriebsweisen arbeiten soll, nämlich auf Vorwärts- und auf Rückwärtslauf und der schließlich noch abgebremst werden soll. An Stelle eines Zweiphaseninduktionsmotors kann sinngemäß auch ein anderer Mehrphasenmotor, z. B. ein Dreiphasenmotor, herangezogen werden, wobei sich zwar ein gewisser höherer Aufwand an Schaltmitteln als notwendig erweist, andererseits aber der Wirkungsgrad erheblich günstiger ausfällt. Man wird von Fall zu Fall, vor allem dann, wenn es sich um größere Verstellmotoren handelt und dementsprechend die Verluste gering zu halten sind, sich für einen Dreiphasenmotor entscheiden, während für kleinere Anlagen ein Zweiphasenmotor wegen des geringeren schaltungsmäßigen Aufwandes zu bevorzugen sein wird. Für das Verständnis der Erfindung ist es zweckmäßig, von einem Zweiphaseninduktionsmotor auszugehen, da dann die Verhältnisse wesentlich einfacher liegen, insbesondere dann, wenn die eine Motorwicklung unmittelbar vorn Netz mit Wechselspannung gespeist wird, obgleich es auch möglich wäre, für die beiden um einen Winkel von 90° gegeneinander versetzten Motorwicklungen getrennte Steuergeräte heranzuziehen.In the illustrated embodiment, a two-phase induction motor is used assumed which should work in three modes, namely forward and to reverse and which should finally be braked. Instead of of a two-phase induction motor, another multiphase motor, z. B. a three-phase motor can be used, although a certain higher Expenditure on switching means proves necessary, but on the other hand the efficiency is considerably cheaper. One will be on a case-by-case basis, especially if there is larger variable motors are involved and, accordingly, the losses are low to keep are opting for a three phase motor while opting for smaller ones Systems add a two-phase motor because of the lower circuit complexity will be prefer. For the understanding of the invention, it is useful from a To assume two-phase induction motor, since the relationships are then much simpler lie, especially if the one motor winding is directly in front of the mains AC voltage is fed, although it would also be possible for the two to Separate control units from the motor windings offset by an angle of 90 ° to use.

Ein Zweiphaseninduktionsmotor mit Kurzschlußläufer, also ohne Bürsten, hat in Zusammenarbeit mit einem ruhenden, insbesondere elektronischen Steuergerät ohne mechanisch bewegte Schaltkontakte den Vorteil, daß keine beweglichen, sich abnutzenden und einer Wartung bedürfenden Teile vorhanden sind, so daß eine große Betriebssicherheit der Anlage gewährleistet ist.A two-phase induction motor with squirrel cage rotor, i.e. without brushes, has in cooperation with a dormant, in particular electronic control unit without mechanically moving switching contacts the advantage that no moving ones wear and maintenance parts are available, so that a large The operational safety of the system is guaranteed.

Der Motor 3T möge einen Widerstandskurzschlußläufer mit Eisenblechpaket enthalten und zwei getrennte Ständerwicklungen aufweisen. Die Wicklung 1 liegt mit ihren Zuleitungen 5 und 6 unmittelbar an der Wechselspannung, während die um 90° versetzte Wicklung 2 in die beiden Teilwicklungen. 2 a und 2 b aufgeteilt ist. Diese Aufteilung der Wicklung 2 dient Zwecken, welche weiter unten erläutert werden sollen.The 3T motor may contain a resistance squirrel-cage rotor with an iron core and two separate stator windings. The winding 1 with its leads 5 and 6 is directly connected to the alternating voltage, while the winding 2, which is offset by 90 °, is in the two partial windings. 2 a and 2 b is divided. This division of the winding 2 serves purposes which are to be explained further below.

Die beiden äußeren Zuleitungen der Wicklung 2 liegen an den Ausgängen der Endstufen 3 a und 3 b der beiden Steuersätze, denen jeweils noch die Zwischenstufen 4a und 4b angehören.The two outer leads of the winding 2 are at the outputs of the output stages 3 a and 3 b of the two tax rates, each of which still has the intermediate stages 4a and 4b belong.

Solange die Schalttransistoren in den Endstufen 3a und 3 b gesperrt sind, sind die Teilwicklungen 2 a und 2 b stromlos, so daß die einphasige Erregung der Wick- Jung 1 kein Anzugsmoment des Motors zu erzeugen vermag. In einer-später näher erläuterten Weise wird nun mit der gleichen Frequenz, die der Strom in der Wicklung 1 besitzt, ein Steuertakt an die Endstufen 3 a und 3 b gegeben. Dadurch werden die S chalttransistoren in diesen Endstufen abwechselnd geöffnet und gesperrt. Die Wicklungen 2 a und 2 b werden dementsprechend von Wechselströmen durchflossen, welche um 90° gegen die die Wicklung 1 durchfließenden Ströme phasenverschoben sind.As long as the switching transistors in the output stages 3a and 3b are blocked are, the partial windings 2 a and 2 b are de-energized, so that the single-phase excitation the wick Jung 1 is unable to generate a starting torque for the motor. In a manner which will be explained in more detail later, the same frequency is used as the the current in the winding 1 has a control clock to the output stages 3 a and 3 b given. As a result, the switching transistors in these output stages alternate open and locked. The windings 2 a and 2 b are accordingly of alternating currents flowed through, which phase shifted by 90 ° against the currents flowing through the winding 1 are.

Die Wicklungsdurchflutung mit diesen Wechselflüssen entwickelt ein Anzugsmoment in einer bestimmten Drehrichtung. Durch Umpolen der Steuergröße in einer noch näher zu schildernden Weise wird der Steuertakt der Endstufe um einen Winkel von 180° in der Phase gedreht, und es entsteht dann ein Drehmoment im umgekehrten Richtungssinn. Geht der Steuerbefehl auf Null zurück, so bleibt in einer der beiden Endstufen 3 a oder 3 b der Schalttransistor noch eine gewisse Zeit durchlässig. Es fließt dann über eine der Teilwicklungen 2 a oder 2 b eine gewisse Zeit ein Gleichstrom, der den Motor abbremst. Die Zeitdauer dieses Bremsimpulses läßt sich leicht so abstimmen, daß der Motor innerhalb dieser Zeitspanne mit Sicherheit zum Stillstand gelangt. Nach Beendigung dieser vorbestimmten Zeit wird dann auch der zuletzt in geöffneter Stellung gehaltene Schalttransistor gesperrt. Dies erfolgt durch ein Koppel- bzw. Entkoppelglied, welches weiter unten noch näher behandelt werden soll, in den Zwischenstufen 4a und 4 b.The winding flow with these alternating fluxes develops a Tightening torque in a specific direction of rotation. By reversing the control variable in In a way to be described in more detail, the control cycle of the output stage is increased by one Angle of 180 ° rotated in phase, and there is then a torque in the opposite direction Sense of direction. If the control command goes back to zero, one of the two remains Output stages 3 a or 3 b of the switching transistor still permeable for a certain time. A direct current then flows through one of the partial windings 2 a or 2 b for a certain time, which brakes the engine. The duration of this braking pulse can easily be adjusted so that that the motor will certainly come to a standstill within this period of time. After the end of this predetermined time, the last one will also be open Switching transistor held in position blocked. This is done by a coupling resp. Decoupling element, which will be dealt with in more detail below, in the intermediate stages 4a and 4 b.

Den beiden Zwischenstufen 4 a und 4 b ist eine Kippstufe 7 und ein Modulator 8 vorgeschaltet. Der Modulator 8 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Ringmodulator ausgebildet, bei dem eine dem Wechselspannungsnetz entnommene Spannung mit ,einem Gleichspannungssignal moduliert wird. Die Modulationswechselspannung wird an den Klemmen 9 und 10 zugeführt, während der Steuereingang für das Gleichstromsignal an den Klemmen 11 und 12 liegt. Ist das Gleichspannungssignal positiv, so ist die Ausgangsspannung praktisch in Phase mit der Modulationswechselspannung. Ist das Signal negativ, so ist die Ausgangsspannung um einen Winkel von 180° gegen die Modulationswechselspannung verschoben.The two intermediate stages 4 a and 4 b is a flip-flop 7 and a Modulator 8 connected upstream. The modulator 8 is in the illustrated embodiment designed as a ring modulator, in which one is taken from the AC voltage network Voltage is modulated with a DC voltage signal. The modulation alternating voltage is fed to terminals 9 and 10, while the control input for the direct current signal at terminals 11 and 12. If the DC voltage signal is positive, the Output voltage practically in phase with the modulation AC voltage. Is this If the signal is negative, the output voltage is at an angle of 180 ° with respect to the modulation alternating voltage postponed.

Die Kippstufe 7, die mit zwei Transistoren 13 und 14 ausgerüstet ist, hat die Aufgabe, die sinusförmige Wechselspannung in eine Rechteckspannung umzubilden. Dadurch ist es möglich, sämtliche Transistoren, welche in den Zwischen- und Endstufen nachfolgen, als Schalttransistoren zu betreiben. Die Spannungen an den Ausgangsleitungen 15 a und 15 b der Kippstufe sind stets einander entgegengesetzt. Bleibt das Steuersignal aus, so verharrt die Kippstufe in ihrer letzten Stellung. Dann liegt an der einen der beiden Ausgangsleitungen 15 a und 15 b die Betriebsspannung, vermindert um den Spannungsabfall am Transistorwiderstand, während am anderen Ausgang keine Spannung vorhanden ist. Infolgedessen führt jetzt die eine der beiden Endstufen den Bremsgleichstrom.The flip-flop 7, which is equipped with two transistors 13 and 14, has the task of converting the sinusoidal alternating voltage into a square-wave voltage. This makes it possible to operate all transistors that follow in the intermediate and output stages as switching transistors. The voltages on the output lines 15 a and 15 b of the flip-flop are always opposite to each other. If there is no control signal, the flip-flop remains in its last position. The operating voltage is then applied to one of the two output lines 15 a and 15 b , reduced by the voltage drop across the transistor resistor, while no voltage is present at the other output. As a result, one of the two output stages now carries the DC braking current.

Die zwischen der Kippstufe 7 und den Endstufen 3 a und 3 b befindlichen Zwischenstufen 4 ca und 4 b haben außer einer zusätzlichen Verstärkung die Aufgabe, nach einer vorgegebenen Zeit den Bremsbefehl für die Endstufe zu beenden und die Endstufe zu sperren. Hierfür sind die Koppelkondensatoren 16 ca und 16 b von Bedeutung, wobei in Zusammenwirken mit einer nachfolgenden weiteren Kippstufe bewirkt wird, daß der Sperrbefehl für die Endstufe in jedem Falle stoßartig erfolgt, da auch die Endstufe im Schaltbetrieb arbeitet. Die Endstufe selbst besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus mehreren in Verbund geschalteten Leistungstransistoren. Je nach Höhe der erforderlichen Schaltleistung und Leistungsaufnahme des Motors sowie der zur Verfügung stehenden Transistortypen wird man eine mehr oder weniger große Anzahl von Schalttransistoren in den Endstufen verwenden. Bei Verwendung von Transistoren höherer Belastbarkeit wird man in vielen Fällen mit einem einzigen Transistor auskommen können.The located between the flip-flop 7 and the output stages 3 a and 3 b Intermediate levels 4 ca and 4 b have, apart from an additional reinforcement, the task of to terminate the braking command for the output stage after a specified time and the To lock the output stage. The coupling capacitors 16 ca and 16 b are important for this, being effected in cooperation with a subsequent further tilting stage, that the locking command for the output stage occurs abruptly in each case, since the Output stage works in switching mode. The output stage itself consists of the one shown Embodiment made up of several interconnected power transistors. Depending on the required switching capacity and power consumption of the motor as well as the available transistor types one becomes one more or less Use a large number of switching transistors in the output stages. When using In many cases, transistors with a higher load capacity can be used with a single Transistor can get by.

Der Modulator 8, der als Ringmodulator aufgebaut ist, enthält als wesentliches Bauelement eine Gleichrichterschaltung mit vier Dioden 17, 18, 19 und 20. Wird an die Klemmen 11 und 12 kein Gleichstromsignal angelegt, fließt also dementsprechend kein Steuergleichstrom, so ist nur die an den Klemmen 9 und 10 angelegte Wechselspannung wirksam. Die Potentiale an den Ausgangsleitungen 21 und 22 sind dann stets gleich groß und auch richtungsmäßig gleich. Dementsprechend ist die Differenz Null, und die Kippstufe, welche nur auf die Differenz dieser Spannungen anspricht, wird nicht beeinflußt, so daß auch an die nachfolgenden Stufen kein Signal weitergeleitet wird.The modulator 8, which is constructed as a ring modulator, contains as essential component is a rectifier circuit with four diodes 17, 18, 19 and 20. If no DC signal is applied to terminals 11 and 12, it flows accordingly no control direct current, then only the alternating voltage applied to terminals 9 and 10 is effective. The potentials on the output lines 21 and 22 are then always the same large and also in the same direction. Accordingly, the difference is zero, and the trigger stage, which only responds to the difference between these voltages, will not influenced so that no signal is passed on to the following stages.

Wird nun ein Steuergleichstrom in den Eingang gegeben, so tritt zwischen den Leitungen 21 und 22 eine Differenzspannung auf, die im Takt der Wechselspannung ihr Vorzeichen wechselt. Wird der Steuergleichstrom an den Klemmen 11 und 12 umgepolt, so wird die Stromführung jeweils durch andere Dioden übernommen, so daß das Ausgangssignal an den Leitungen 21 und 22 in seiner Phase um einen Winkel von 180° verdreht ist. Die Kippstufe und die nachfolgende Stufe werden im Takt der Potentialdifferenzen gesteuert, sofern der Ansprechwert der Kippstufe überschritten wird. Erhält die Kippstufe kein Signal oder wird der Ansprechwert unterschritten, so behält sie ihre letzte Lage bei.If a control direct current is now fed into the input, then occurs between the lines 21 and 22 have a differential voltage that is in time with the alternating voltage its sign changes. If the polarity of the DC control current is reversed at terminals 11 and 12, the current flow is taken over by other diodes, so that the output signal on the lines 21 and 22 is rotated in its phase by an angle of 180 °. The trigger stage and the following stage are in time with the potential differences controlled if the response value of the multivibrator is exceeded. Receives the Flip-flop has no signal or if the response value is not reached, it retains its last layer at.

Im Eingangskreis für die an die Klemmen 9 und 10 angelegte Wechselspannung liegt ein Widerstand 23 und ein Kondensator 24 zum Zwecke einer gewissen Phasenkorrektur. Da nämlich die Kippstufe nicht bei Stromnulldurchgang, sondern erst später umschlägt, würde eine kleine Phasenverschiebung auftreten, wenn man dieses RC-Glied wegließe.In the input circuit for the alternating voltage applied to terminals 9 and 10 there is a resistor 23 and a capacitor 24 for the purpose of a certain phase correction. Since the flip-flop does not change when the current passes through zero, but only later, a small phase shift would occur if this RC element were left out.

Die Kippstufe 7 mit den Transistoren 13 und 14 ist so aufgebaut, daß sie nur auf Spannungsdifferenzen an ihren Eingangsleitungen 21 und 22 anspricht. Wichtig ist hierbei, daß für die beiden Transistoren 13 und 14 ein gemeinsamer Emitterwiderstand 15 vorgesehen wird. Dieser Widerstand sorgt für diese Arbeitsweise. Werden nämlich die beiden Basisanschlüsse der Transistoren 13 und 14 in gleicher Weise ins negative Gebiet angehoben, so werden beide Transistoren nur wenig durchlässig. Das Emitterpotential folgt dem Basispotential, da der gemeinsame Emitterwiderstand 25 mehr Strom erhält. Die steuernde Spannung zwischen Basis und Emitter ändert sich aber praktisch nicht. Der Widerstand 25 wird so bemessen, daß die Emitter nahezu auf Erdpotential liegen. Die Wirkungsweise der Kippstufe bedingt, daß jeweils nur einer der Transistoren 13 oder 14 durchlässig ist. Der Widerstand 25 führt dann den Strom eines der beiden Transistoren. Der Rückkoppelstrom fließt über die Widerstände 26 und 27.The flip-flop 7 with the transistors 13 and 14 is constructed so that it only responds to voltage differences on its input lines 21 and 22. It is important here that the two transistors 13 and 14 have a common emitter resistance 15 is provided. This resistance makes this way of working. Namely the two base connections of the transistors 13 and 14 in the same way into the negative Raised area, both transistors are only slightly permeable. The emitter potential follows the base potential, since the common emitter resistor 25 receives more current. The controlling voltage between the base and emitter practically does not change. The resistor 25 is dimensioned so that the emitters are almost at ground potential. The operation of the trigger stage requires that only one of the transistors 13 or 14 is permeable. The resistor 25 then carries the current of one of the two Transistors. The feedback current flows through resistors 26 and 27.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE: 1. Stellantrieb mit einem Mehrphaseninduktionsmotor, von dessen Phasen zwecks Drehzahlsteuerung und Drehrichtungsumkehr mindestens eine über phasenempfindlich arbeitende Schalttransistoren gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß an einen vom Steuersignal und vom Netz gespeisten Ringmodulator eine Kippstufe zur Umformung der Modulatorausgangsspannung in Rechteckimpulse und an diese zwei Steuersätze für die beiden Drehrichtungen angeschlossen sind, die in Abhängigkeit vom Steuersignal die Phasenwechselspannung des Motors bzw. einen Bremsgleichstrom liefern. PATENT CLAIMS: 1. Actuator with a multi-phase induction motor, at least one of its phases for the purpose of speed control and reversal of the direction of rotation is fed via phase-sensitive switching transistors, characterized in that that to a ring modulator fed by the control signal and the mains a multivibrator for converting the modulator output voltage into square-wave pulses and are connected to these two tax rates for the two directions of rotation that Depending on the control signal, the phase alternating voltage of the motor or a Supply DC braking current. 2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steuersatz eine Zwischenstufe in Form einer Kippschaltung enthält, die die Dauer des Bremsvorganges bestimmt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 021025; USA.-Patentschriften Nr. 2 783 423, 2 813 247; Zeitschrift »Regelungstechnik«, 1957, Heft 10, S.345.2. Actuator according to claim 1, characterized in that each tax rate contains an intermediate stage in the form of a flip-flop which determines the duration of the braking process. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1 021 025; U.S. Patent Nos. 2,783,423, 2,813,247; Journal of Control Engineering, 1957, Issue 10, Page 345.