DE1588115A1

DE1588115A1 - Mit Gleichstrom gespeister Verstaerker zur Steuerung von Gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE1588115A1
Application number: DE19661588115
Authority: DE
Inventors: Simpson Robert Grafton
Original assignee: Westinghouse Canada Inc
Current assignee: Westinghouse Canada Inc
Priority date: 1965-04-17
Filing date: 1966-03-29
Publication date: 1970-12-10
Also published as: DE1538390A1; US3479513A; CH455016A; NL6601949A; GB1081735A

Description

fafe*t»nwalt , , _-

Hi. S. WJtovm München, den ■;, Ui. JSSt.

n 23 C 455a - Dr.Hk/cs

WJ4*M»]r«r*tr*·· 4« 1 E O O 1 1 C

TmL±9ot2t 1 5oo I IO

Canadian Westinghouse Company Limited in Hamilton, Ontario,

Kanada

Mit Gleichstrom gespeister Verstärker zur Steuerung von Gleichstrommotoren

Die Erfindung betrifft einen mit Gleichstrom gespeisten Verstärker zur Steuerung von Gleichstrommotoren, insbesondere für Stellmotoren.

Bei Maschinensteuerungen wird häufig die Aufgabe gestellt, daß der Stellmotor auf die von Gebern gelieferten Meßwerte so reagferen soll, daß die von zwei Gebern gelieferten Signale stets einander gleichgemacht werden. Der eine Geber liefert z.B. einen Sollwert und der andere einen Istwert und der Istwert soll stets den Änderungen des Sollwertes folgen.

Ideal soll eine solche Steuerungsvorrichtung kleine Differenzen der beiden Meßwerte rasch ausgleichen, d.h. der Verstärker soll einentohen Verstärkungsfaktor haben, aber gleichzeitig sollen die von großen Unterschieden der Meßwerte hervorgerufenen

000850/0628

Signale nicht zum Pendelnder Steueranordnung führen, d.h. der Verstärker muß stark gedämpft sein.

Diese Forderungen werden z.B. bei Kopiereinrichtungen gestellt, bei denen eine Kurvenlinie photoelektadsch abgetastet wird.

Um diese Aufgabe zu lösen,ist erfindungsgemäß ein mit Gleichstrom gespeister Verstärker zur Steuerung von Gleichstrommotoren dadurch gekennzeichnet, daß an eine diskontinuierliche Stromquelle zwei Reihenschaltungen von je einem gesteuerten Siliziumgleichrichter und einem Leistungstransistor in gleicher Reihenfolge und Polarität angeschlossen sind, daß der Gleichstrommotor zwischen die Verbindungsstellen der gesteuerten Gleichrichter und der Leistungstransistoren geschaltet ist, daß die Zündzeitpunkte der gesteuerten Gleichrichter von den Spannungswerten an getrennten Eingängen des Verstärkers abhängen und daß jeder Leistungstransistor so mit dem Stromkreis des anderen gesteuerten Gleichrichters verbunden ist, daß der betreffende Leistungstransistor leitend wird, wenn der andere gesteuerte Gleichrichter geöffnet wird, so daß der Mittelwert der Stromstärke im Gleichstrommotor eine Funktion des Unterschiedes zwischen den Öffnungszeiten der beiden gesteuerten Gleichrichter ist.

Der diskontinuierliche Strom läßt sich am einfachsten durch Gleichrichten eines Wechselstromes ohne Glättung desselben

009850/0528

gewinnen. Der Gleichstrommotor wird dann erf indungsgemäß^ mit Stromimpulsen versorgt, deren Polarität und Dauer von dem. Unterschied der Steuersignale abhängt. Verschwindet dieser Unterschied, stimmen also Istwert und Sollwert überein, so sind die Motorklemmen praktisch kurzgeschlossen, wodurch eine kräftige Dämpfung erreicht wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind

Fig. 1 ein schematisch.es Schaltbild einer elektronischen Verstärkerschaltung gemäß der Erfindung und

Fig. 2 eine Darstellung des Stromspannungsverlaufes an verschiedenen Stellen der Schaltung nach Fig. 1.

Der nachstehend beschriebene Verstärker dient beispielsweise zum Betrieb einer photoelektrischen Abtasteinrichtung zum Nachfahren ebener Kurvenlinien. Die von einem Abtastkopf mit den Phototransistoren 1 und 2 gelieferten Signale dienen zur Steuerung des Stellmotors 15 der Antriebsvorrichtung für den Abtastkopf. Der Abtastkopf befindet sich unmittelbar über der nachzufahrenden Linie.

Die Phototransistoren 1 und 2 werden von der Ader 20 über einen Widerstand 31 mit einer Spannung versorgt, die durch eine Zener-

009850/0528

diode 32 stabilisiert ist. Diese Spannung wird den Kollektoren der Transistoren 1 und 2 zugeführt. Die Emitter dieser Transistoren sind über Widerstände 33 und 34 an die beiden Enden eines Potentiometers 35 angeschlossen. Der Schleifkontakt dieses Potentiometers ist geerdet.

Ferner sind die Emitter der Phototransistoren 1 und 2 mit den Basen zweier Transistoren 36 und 37 verbunden. Die Emitter dieser Transistoren sind an entgegengesetzte Enden eines Potentiometers 38 angeschlossen, dessen Schleifkontakt über einen Widerstand 38 a an der negativen Leitung 26 liegt. Die Kollektoren der Transistoren 36 und 37 sind mit zwei Kondensatoren 39 und 40, deren andere Belegungen geerdet sind, verbunden.

Mit der ungeerdeten Seite der Kondensatoren 39 und 40 sind ferner die Emitter zweier Transistoren 41 und 42 verbunden. Die Kollektoren dieser Transistoren sind an die positive Gleichspannungsleitung 20 angeschlossen, während ihre Basen miteinander verbunden sind, und von einer Impulsschaltung gespeist werden. Diese Impulsschaltung besteht aus einer Zenerdiode 43/ die über den Widerstand 44 mit den ungeglätteten gleichgerichteten Impulsen vom Transformator 16 versorgt wird. Die Zenerdiode begrenzt die Amplitude dieser Impulse und gibt die entsprechende Impulsspannung über einen Widerstand 46 auf die Bais eines Transistors 45. Die Basis des Transistors 45 ist ferner über einen Widerstand 47 mit der negativen Leitung 26 verbunden.

009850/0528

Der Emitter des Transistors 45 ist über Widerstand 48 geerdet und sein Kollektor ist über Widerstand 49 an die positive Leitung 20 angeschlossen. Die am Kollektor des Transistors 45 auftretenden Impulse werden auf die Basiselektroden der Transistoren 41 und 42 gegeben.

Die oberen Belegungen der Kondensatoren 39 und 40 sind außerdem über Dioden 50 und 51 mit dem Widerstand 44 verbunden, so daß ihnen die durch die Zenerdiode 43 bestimmte geregelte Spitzenspannung zugeführt wird.

Die antä-en oberen Belegungen der Kondensatoren 39 und 40 auftretenden Spannungen werden den Basiselektroden der Transistoren 52 und 53 zugeführt. Die Kollektoren dieser Transistoren sind unmittelbar an die positive Leitung 20 angeschlossen und ihre Emitter sind über Widerstände 54 und 55 mit Unipolartransistren 56 und 57 verbunden. Die anderen Basisanschlüsse der Unipolartransistoren sind über Widerstände 58 und 59 geerdet. Der Emitter jedes Unipolartransistors wird von einem Spannungsteiler mit einer positiven Spannung versorgt. Im Falle des Unipolar-transistors 56 besteht dieser Spannungsteiler aus dem Widerstand 60 und dem Widerstand 61 , dem ein Kondensator 62 parallel liegt. Im Falle des UnipcQartransistors 57 besteht der Spannungsteiler aus dem Widerstand 63 und der RC-Kombination 64, 65· Die unteren Basisanschlüsse der beiden Unipolartransistoren sind mit den Steuerelektroden der gesteuerten Gleichrichter 66 und 67 über

00 9 3 5·>- «ro 2 8

Widerstände 81 und 82 verbunden. Die Kathoden dieser gesteuerten Siliziumgleichrichter sind geerdet und ihre Anoden dienen zur Speisung des als Gleichstrommotor ausgebildeten Stellmotors 15.

Ferner sind mit den Anoden der gesteuerten Gleichrichter die Kollektoren zweier Transistoren 68 und 69 verbunden. Die Emitter dieser Transistoren sind miteinander verbunden und über einen Widerstand 70 an die positive Gleichspannungsleitung 23 angeschlossen. Die Basiselektroden dieser Transistoren sind über Widerstände 71 und 72 mit der gleichen Spannung verbunden und ferner über Widerstände 73 und 74 jeweils mit dem Kollektor des anderen Transistors verbunden. Schließlich sind die beiden Klemmen des Motors 15 über Dioden 76 und 77 mit Erde verbunden.

Arbeitsweise

Die Leitfähigkeit der Phototransistoren 1 und 2 hängt von ihrer Belichtung ab. Erfassen ihre Gesichtsfelder gleiche Stücke der abgetasteten Linie, so haben sie gleiche Leitfähigkeit _f während sie bei ungleicher Stellung zu der Linie verschieden leiten. Die verschiedenen Schwingungsformen in Pig. entsprechen den Stromspannungsverhältnissen an verschiedenen Stellen der Schaltung nach Fig. 1. Die Schwingungsformen A bis F beziehen sich auf Spannungen, die Schwingungsformen G, PI und I

ORIGINAL

f\ π Q P in / η c. ■> q

auf Ströme. Alle Zeitachsen haben den gleichen Maßstab. Die Kurve A stellt die Netzspannung dar, die als Zeitmaßstab verwendet wird. Kurve B zeigt die ungesiebte gleichgerichtete Spannung, die z.B. auf der Ader 23 auftritt. Kurve C zeigt die auf einen bestimmten Höchstwert begrenzte Spannung an der Verbindungsstelle der Zenerdiode 43 und des Widerstandes 44· Hieraus macht der Transistor 45 Rechteckimpulse gemäß Kurve D.

Es sei zunächst angenommen, daß die Phototransistoren 1 und gleich stark belichtet sind und gleiche Leitfähigkeit zeigai. Dies kann durch Nachstellen des Schleifkontaktes von Potentiometer 35 erreicht werden. Bei jedem am Kollektor des Transistors 45 auftretenden Impuls werden die Transistoren 41 und 42 geöffnet. Im geöffneten Zustand laden sie die Kondensatoren 39 und 40 aus der positiven Leitung 20 auf. Sobald sie gesperrt werden, beginnen die Kondensatoren sich über die Transistoren 36 und 37 zu ^entladen. Die Zeitkonstante der Entladung ist eine Funktion des durch Kollektor und Emitter dieser Transistoren fließenden Stromes. Da ihr Basispotential eine Funktion der Leitfähigkeit der Phototransistoren ist, hängt somit die Entladekonstante der Kondensatoren von der Belichtung der Phototransistoren ab.

Wie Kurve E in Fig. 2 zeigt,'laden sich die Kondensatoren auf ein gegebenes Potential auf und beginnen sich dann zu entladen, wenn der üfinungsimpuls beispielsweise für den Transistor 41

BAD ORiQ_iNAL 009850/0528

aufhört. Diese allmählich absinkende Spannung wird den Transistoren 52 und 53 zugeführt. Die Transistoren 52 und 53 verstärken die Spannung linear und geben sie in gleicher Weise auf die Unipolartransistoren 56 und 57. Die Unipolartransistoren werden gemäß ihrer Eigenheit an einer Stelle leitend, die durch die Vorspannung ihrer Emitterelektrode gegeben ist. An dieser Stelle geben sie Impulse gemäß Kurve F in Fig. 2 auf die Steuerelektroden der Gleichrichter 66 und 67» und zwar über die Begrenzungswiderstände 81 und 82. Dadurch wird der gesteuerte Gleichrichter 66 gemäß Kurve G und der gesteuerte Gleichrichter 67 gemäß Kurve H in Fig. 2 geöffnet. Wenn beide Gleichrichter 66 und 67 leitend geworden sind, werden die Klemmen des Motors 15 kurzgeschlossen und es kann kein Strom im Motor fließen. Dies ist für den ersten Impuls links in Fig. 2 der Fall.

Beim zweiten Impuls wurde dagegen angenommen, daß die Leitfähigkeit eines der beiden Transistoren 36 und 37 sich in Folge einer Belichtungsänderung des einen Phototransistors geändert hat. Die Belichtung des Phototransistors 1 soll geringer geworden sein, wodurch der Kollektor-Emitter-Strom des Transistors 36 abgenommen hat und die Spannung am Kondensator 39 langsamer als die Spannung am Kondensator 40 absinkt. Dieses langsamere Absinken ist im zweiten Impuls bei E in Fig. 2 dargestellt. Wegen dieses langsameren Potentialabfalls wird de vorgegebene Üffnungsspannung des Unipolartransistors 56 später erreicht. Deshalb erscheint der zweite Impuls bei F in Fig. 2 zu einem

009850/0528

späteren Zeitpunkt der Periode, die durch die Bezugsschwingung A gegeben ist. Infolgedessen beginnt der gesteuerte Gleichrichter 56 später zu leiten als im zuerst betrachteten Fall. Wenn die Belichtung des Phototransistors 1 sich verringert "hat, so muß die Belichtung des Phototransistors 2 zugenommen haben. An der Basis des Transistors 53 muß deshalb die Spannung schneller abfjinken, so daß der Unipolartransistor 57 ütiher anspricht. Infolgedessen wird auch der gesteuerte Gleichrichter 57 früher geöffnet, wie der zweite Impuls bei H in Fig. 2 zeigt.

Der im Motor 15 fließende Strom wird durch die Differenz zwischen den Öffnungszeiten der beiden gesteuerten Gleichrichter bestimmt. Wenn z.U. der Gleichrichter 67 zuerst zu leiten beginnt, wird hierdurch das Potential an der Basis des Transistors 68 verringert, wodurch dieser Transistor geöffnet wird und ein Strom von der Ader 23 über Widerstand 70 und Transistor 68 in den Motor 15 und über Gleichrichter 67 zur firde fließt. \Jenn später der Gleichrichter 66 ebenfalls geöffnet wird, sinkt die Spannung an der Basis des Transistors 69, so daß nunmehr Transistor 69 geöffnet wird. Infolgedessen fließt der Strom von der Ader 23 über den Widerstand 70 und über beide Transistoren 68 und 69, sowie über beide gesteuerte Gleichrichter 66 und 67. Da diese einen erheblich geringeren Widerstand haben ala die Wicklung den Motors 15, wird Motor Y.'-it·?,·; -j-.'h l">-.ji;t;n und mit hohem P-impfan jliu )iiie;tiL ?; t. i 1.1. jeset /, t.

BADORIQINAL 009050/0528

Der dritte bei E in Fig. 2 gezeigte Impuls gilt für den Fall, daß die Belichtung des Phototransistors 1 noch stärker abgenommen hat:, so daß die Zündung des gesteuerten Oleichrichters noch spater einsetzt und der Motor 15 einen noch stärkeren Stromimpuls erhalt, wie bei I in Fig. 2 gezeigt. Der vierte Impuls ent9.ρfLcIil: atwa dem zweiten Impuls, während der fünfte Enipuls dan F'aLl darstellt, daß der Motor in Ruhe bleibt, weil beide geheuerten Gleichrichter gleichzeitig gezündet werden. Der sechste Impuls gilt/für den umgekehrten Fall, daß der gesteuerte Gleichrichter 66 vor dem gesteuerten Gleichrichter gezündet: wird und der siebte Impuls zeigt eine noch stärkere Ausbildung dieses Falls.

Selbstverständlich v/erden die gesteuerten Gleichrichter jeweils gesperrt, venn die an ihren Anoden angelegten Spannungen gemäß Kurve B in Fig. 2 den Nullpunkt erreichen, und sie werden erst wieder geöffnet, wenn sie durch einen Impuls von den Unipolartransistoren gezündet werden.

Die verschiedenen bei E in Fig. 2 dargestellten Fälle entsprechen einem typischen üetriebsablauf, beicfem der Abtastkopf zuerst auf der Linie zentriert ist, dann nach einer Seite derselben au3w uidert, wieder zurückkehrt und schließlich um einen etwa gleichen Betrag auf die andere Seite der Linie auswandert. Die jeweilige» Rinschal tdauer des Stellmotors ist also eine l-'unkl. ion der Abweichung des Abtastkopfoa von der Linienmitte

009850/0528 BADORIGINAL

und die Stronirichtung im Nachdrehmotor ist eine Funktion der Abweichungsri chtung.

Die entsprechenden, auf den Motor 15 gegebenen Impulse bewirken eine Drehunn desselben mit einer Drehzahl und einer Drehrichtung, die von Dauer und Richtung der Impulse abhängen. Dadurch wird die Antriebsvorrichtung des Abtastkopfes derart verdreht, daß sie die Abweichung von der Linienmitte zu verkleinern sucht. Der Stellmotor 15 wird also stillgesetzt, wenn die Belichtung der beiden Phototransistoren im wesentlichen übereinstimmt.

Die Dio'den 76 und 77 haben zwei Aufgaben. Sie schützen nämlich die gesteuerte Siliziumgleichrichter gegen Spannungen in Rückw?rtsrichtur.(T und bewirken außerdem eine zusätzliche Dämpfung, wenn die gesteuerten Gleichrichter gesperrt sind.

Die Anordnung, hat einerseits einen hohen Verstärkungsgi^ad, d.h. bereits eine kleine Abweichung der Linienrichtung von der Bahn der Phototransistoren führt zu einer raschen Drehung des Stellmotors, aber gleichzeitig ist die Motordämpfung umgekehrt proportional zur Abweichung des Abtastkopfes von der Linienmitte . Diese Beziehung zwischen Kegelabweichung und Dämpfung ist bei jede? Steuer- und Regelvorrichtung sehr erwünscht, da hierdurch eine hohe Pegel geschwindigkeit und Stabilität erzielbar ist.

BAD ORIGINAL

009850/0 5 28

Die Potentiometer 35 und 38 dienen zur Anfangseichung der Anordnung in folgender Weise:

Bei eingeschalteter, aber vom Abtasttisch freier Abtastvorrichtung und unbelichteten Photozellen, indem beispielsweise der Abtastkopf vom Papier abgehoben wurde, wird der Schieber des Potentiometers 38 solange verstellt, bis der Motor sich weder in der einen, noch in der anderen Richtung dreht. Nachdem so die Dunkelströme abgeglichen wurden, werden die beiden Phototransistoren gleichmäßig beleuchtet, indem der Abtastkopf auf ein weißes Papierblatt aufgesetzt wird. Nun wird der Schieber des Potentiometers 35 so eingestellt, daß Motor 15 wieder stationär bleibt. Damit sind die Phototransistoren auch für Belichtung abgeglichen.

009850/0528

Claims

DipL-In«. ». V iiifWÜSen München, den ^4. Okt. 1967

Mein;*. - .82 c 455a - Dr.Hk/CS _{n Q Q} _Λ

WJdtHmayer>tr»et -Jf I ü O O i

Canadian Westinghouse Company Limited in Hamilton, Ontario,

Kanada

Patentansprüche

Mit Gleichstrom gespeister Verstärker zur Steuerung von Gleichstrommotoren, dadurch gekennzeichnet, daß an eine diskontinuierliche Stromquelle (23) zwei Reihenschaltungen von je einem gesteuerten Siliziumgleichrichter {66, 67) und einem Leistungstransistor (68, 69) in gleicher Reihenfolge und Polarität angeschlossen sind, daß der Gleichstrommotor (15) zwischen die Verbindungsstellen der gesteuerten Gleichrichter und der Leistungstransistoren geschaltet ist, daß die Zündzeitpunkte der gesteuerten Gleichrichter von den Spannungswerten an getrennten Eingängen des Verstärkers abhängen und^aß jeder Leistungstransistor so mit dem Stromkreis des anderen gesteuerten Gleichrichters verbunden ist, daß der betreffende Leistungstransistor leitend wird, wenn der andere gesteuerte Gleichrichter geöffnet wird, 50 daß der Mittelwert der Strom-StMrke im Gleichstrommotor eine Punktion des Unterschiedes zwischen den ÖfFnungszeiten der beiden gesteuerten Gleichrichter ist.

00 98 50/0 628
orjq/_Nal
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die diskontinuierliche Stromquelle (23) gleichgerichteten, aber nicht geglätteten Wechselstrom führt.
3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet:, daß zur Zündung der beiden gesteuerten Gleichrichter Unipolartransistoren (56, 57) dienen, denen Bezugsspannungen und von den Eingangsspannungen abhängige Sägezahnspannungen (tf) zugeführt werden.

009860/0623

Leerseite