DE2046309A1 - Gleichstrom Motor mit Geschwmdigkeits steuerung - Google Patents
Gleichstrom Motor mit Geschwmdigkeits steuerungInfo
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- H02P7/291—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only using pulse modulation with on-off control between two set points, e.g. controlling by hysteresis
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- Control Of Direct Current Motors (AREA)
Description
Hamburg, den I7. September I970
Priorität: 19„ September 1969, Japan, Pat.-Anm. 74428/1969
Anmelder :
Akai Electric Co., Ltd,
12-14, 2-chome, Higashikojiya,
Ohta-ku, Tokyo/Japan
12-14, 2-chome, Higashikojiya,
Ohta-ku, Tokyo/Japan
Gleichstrom-Motor mit Geschwindigkeitssteuerung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung für einen Gleichstrom-Elektromotor.
Es sind bereits elektronische Geschwindigkeitssteuerungen für Gleichstrom-Motoren bekannt, die einen Abtastkopf benutzen
und in der Weise arbeiten, daß eine veränderliche große Anzahl von Impulsen pro Umdrehung des Motors in Abhängigkeit von
dessen jeweiliger tatsächlicher Geschwindigkeit erzeugt wird. Diese drehzahlabhängigen Impulse werden elektronisch weiterbehandelt
und aus ihnen ein Steuersignal abgeleitet, das zur Steuerung des Antriebsstromes für den Motor benutzt wird·
Der Gesamtaufbau dieser bekannten Steuerungsvorrichtungen ist jedoch sehr komplizierte Außerdem ist es äußerst schwierig,
die Bezugs- oder Soll-Geschwindigkeit bei gelegentlichen Änderungen während der praktischen Benutzung des
Motors einzustellenβ
109816/U80
Das Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung einer Steuerungseinrichtung,
die auf einfache Weise eine gelegentliche Änderung der Motorbezugsdrehzahl ermöglichte Die Erfindung bezweckt
weiter die Schaffung einer Geschwindigkeitssteuerungsvorrichtung,
welche verhältnismäßig einfach gebaut ist und eine sehr genaue Drehzahlsteuerung ermöglichte
Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und
den Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist»
Es zeigen :
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Drehzahlsteuerungsvorrichtung,
Fig. 2 eine Übersicht über mehrere Wellenreihen,
die an verschiedenen Stellen in einer Einrichtung nach Fig. 1 auftreten,
Fig. 3 eine genauere Darstellung einzelner Teile
der erfindungsgemäßen Schaltung, und
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Gleichstrom-Motor,
der mit einem ImpulsSignalgenerator
ausgestattet ist, welcher eine Reihe von Signalpulsen in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit
des Läufers des Motors abgibt ο
In Fig. 1 ist ein Gleichstrom-Motor 10 vereinfacht durch einen Kreis dargestellt. Ein Abtast-Magnetkopf 11 üblicher
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Bauart ist eng benachbart zum Läufer des Motors 10 oder auf
dem Läufer angeordnet, wie auch noch mit Bezug auf Fig. 4-beschrieben
wird, Z.B. kann der Abtast-Kopf an dem nicht dargestellten Motorgehäuse angeordnet sein, so daß er die
Läufer-Umdrehungen in Gestalt einer Reihe von Spannungsimpulsen aufnimmt. Dieser Abtast-Kopf 11 erzeugt fortlaufend
Impulsreihen als Funktion der Umdrehungsgeschwindigkeit der in Fig. 1 nicht dargestellten Motorwelle. Z.B. erzeugt er
einen Impuls pro vollständige Umdrehung des Motors, z„B. mit
einer Frequenz von 30 Hz, siehe Fig. 2Ae
Die Impulsreihe wird durch eine Leitung 20 einem üblichen Verstärker 12 zugeführt, der als einfacher Block dargestellt
ist, dann durch eine weitere Leitung 21 einem ersten monostabilen Multivibrator 13 üblicher Bauarte Der Multivibrator
wird jedesmal durch Empfang eines Impulses vom Verstärker
ausgelöst und gibt einen Rechteckimpuls ab, der in Fige 2B
vereinfacht dargestellt ist und eine vorbestimmte konstante Dauer hat. Diese erste Reihe Rechteck-Wellenimpulse wird
über Leitungen 22 und 23 einem Sägezahn-Signal-Generator üblicher Bauart und gleichzeitig über die Leitungen 22 und
24- einem zweiten monostabilen Multivibrator 15 üblicher Bauart
zugeführt, in welchem eine zweite Reihe Rechteck-Wellen-, impulse mit jeweils vorbestimmter konstanter Periodendauer
erzeugt wird, siehe Fig. 2De Die im Generator 14 erzeugten
Sägezahn-Impulse mit konstanter Dauer sind in Figo 2C dargestellt. Die zweite Reihe Rechteck-Impulse D ist im wesentlichen
in Phase mit der ersten Reihe B, wenn nur ihre
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Zeitbeziehung betrachtet wird, wobei die Absolutwerte jedoch gewömiiich voneinander verschieden sindo Fig. 2B und D zeigen,
daß die Pulsendpunkte in beiden Reihen koinzident sind« Die vordere oder abfallende Kante jedes Impulses der zweiten
Reihe D liegt im wesentlichen in der Mitte des ansteigenden Astes eines entsprechenden Sägezahn-Impulses der Reihe C.
Das Ausgangssignal des zweiten Multivibrators 15 geht über
eine Leitung 25 auf einen Impulseinenger 16 üblicher Bauart,
in dem eine dritte Reihe erheblich eingeengter Rechteck-Impulse E oder Prüf-Impulse erzeugt wird. Jeder dieser Impulse
liegt, wenn seine zeitliche Einordnung betrachtet wird, im wesentlichen in der Mitte des ansteigenden Astes eines entsprechenden
Impulses der Signalreihe C, wie durch Vergleich der beiden Reihen C und E in Fig. 2 ersichtlich ist. Diese
gegenseitige Phasenbeziehung ist in Fig. 2F noch einmal dargestellt, um außerdem den PrüfVorgang der elektronischen
Steuerung zu veranschaulichen«
Der Sägezahn-Generator 14- bildet, siehe Fig. 3, eine Art von
Bootstrap-Schaltung, die die Transistoren Tr^ und Tr2 und
einen Emitterfolger Tr, aufweist«
Eine Diode D^, ein Widerstand R^ und ein Kondensator C, liegen
in Reihe zwischen einem positiven Leiter 40, der an die positive Seite +B einer nicht dargestellten Batterie anschließt,
und der Erde. Ein Verzweigungspunkt 41 ist zwischen dem Widerstand R^ und dem Kondensator (^vorgesehen und mit dem
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Kollektor des Transistors Tr^ und der Basis des Transistors
Tr2 verbundene Der Emitter des Transistors Tr^ ist mit der
Erde verbunden, während die Basis dieses Transistors über einen Anschlußpunkt 42 und den Vorspannwiderstand R2 mit dem
positiven Leiter 40 verbunden ist. Der Punkt 42 ist außerdem
über den Kondensator C2 und den Anschluß 43 mit der Leitung
23 verbundene
Der Transistor Tr2 ist über seinen Kollektor und die Leitung
44 mit dem positiven Leiter 40 verbunden, während sein Emitter über den Emitter-Widerstand R-, mit der Erde verbunden ist
und dadurch einen Emitter-Folger bildet. Der Ausgang dieses Emitter-Folgers ist durch die Leitung 45 und die Rückkopplung
skapazität Gy, mit einem Punkt 46 verbunden, der zwischen
der Diode D^ und dem Widerstand R^ liegt·
Der Emitter-Folger Tr, ist durch seinen Kollektor und eine
Leitung 47 mit dem positiven Leiter 40 verbunden, während
sein Emitter über den Widerstand R^ mit der Erde und seine
Basis mit dem Emitter des Transistors Tr2 verbunden ist·
Der Transistor Tr,- ist gewöhnlich leitend, während der Transjsbor
Tr2 gewöhnlich im gesperrten Zustand iste
Der Kondensator Gy, ist gewöhnlich im entladenen Zustand aufgrund
des Kollektor-Emitter-Weges des Transistors Trx., so
daß die Spannung über diesen Kondensator gewöhnlich Null ist·
- 6 ~ 109816/U80
Wenn vom ersten monostabilen Multivibrator 13 über die Leitung 23 und den Anschlußpunkt 43 ein negativ gehender Impuls,
siehe Fig. 2B, anliegt, geht der Transistor Tr,- in seinen Sperrzustand über, während der Transistor Tr2 leitend wird.
Im Kondensator C, beginnt sich dann eine Ladung durch die
Diode D^, und den Widerstand R^. bis zur Höhe der Batteriespannung
+B zu sammeln,,
Die am Kondensator C^ auftretende Spannung wird zum Emitter-FoIger-Verstärker
Tr2 zur Verstärkung übertragen und dann über die Kapazität C, auf den Verbindungspunkt 46 rückgekoppelte
Da der Spannungsverstärkungsfaktor des Emitter-Folgers Tr2 als eins gewählt worden ist, ist die Spannung am
Widerstand R,j im wesentlichen konstant* Daher wird der durch
den Widerstand R,, fließende Strom oder insbesondere der
Ladestrom für den Kondensator C^ im wesentlichen auf einem
konstanten Wert gehaltene Deshalb wird unter diesen Umständen die Spannung am Kondensator C,, im wesentlichen linear in
Richtung auf die Batteriespannung +B vergrößert»
Wenn der am Eingangsanschluß 43 anliegende Impuls auf Null
zurückgeht, kehren die Transistoren Tr^ und Tr2 in ihre
jeweiligen Normalzustände zurück, so daß der erste leitend und der zweite nicht leitend wird. Die Ladung des Kondensators
C1 wird dann über den Kollektor-Emitter-Weg des Transistors
Tr2 entladen, wodurch die Spannung in diesem
Kondensator schließlich auf Null verringert wird«
• — 9 ·.
109816/U80
Die Ausgangsspannung des Transistors T^ in Gestalt einer
Reihe von Sägezahn-Spannungswellen, siehe Fig. 20, wird über
den Emitter-Polger Tr^ und die Leitung 48 einem Phasen-Vergleicher
17 zugeführt, der als Prüfvorrichtung arbeitete
Die Impuls-Einengungsschaltung 16, die als Prüfsignalformer
arbeitet, weist eine Differenzierschaltung auf, die einen Widerstand Rr, eine Kapazität G^ und einen Transistor
enthält. Der Kollektor des Transistors Tr^ ist über die Belastungswiderstände
Rg und Rr7 mit einem positiven Leiter 55
verbunden, auf dem die Batterie spannung +B liegt«,
Wenn das Ausgangssignal, siehe Fig. 2D, des zweiten monostabilen
Multivibrators 15 über die Leitung 25 auf den Eingangsanschluß JO gegeben wird, wird das Signal in der Differenzierschaltung
differenziert und dann durch den Transistor Tr^
verstärkt, wodurch eine Reihe entsprechender, aber erheblich eingeengter Impulssignale gebildet wird, siehe Fig. 2E0
Jeder dieser Impulse E erscheint, bezogen auf seine zeitliche Zuordnung, am Mittelpunkt des ansteigenden Astes des jeweils
entsprechenden Sägezahn-Signal-Pulses C. Die Dauer jedes dieser eingeengten Impulse E wird bestimmt durch die. Zeitkonstante,
die durch den Widerstand R^ und die Kapazität C^
gegeben wird0
Die Phasen-Vergleichs schaltung 1? weist die Transistoren Tr,-
und Tr6 und die Dioden D2, D,, D^ und Dr auf, welche eine
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Brückenschaltung bilden, siehe Figo 3.
Die Basis des Transistors Tr1- ist mit einem Anschlußpunkt 4-9
zwischen den Widerstand Rg und R1-, verbunden, während der
Kollektor des Transistors über den Belastungswiderstand Rg
mit der Erde und sein Emitter über den Widerstand Rg mit dem
positiven Leiter 35 verbunden ist. Der Transistor Tr1- dient
dazu, eine Phasenumkehr der Eingangssignal-Impulse herzustellen, die vom Phasen-Einenger 16 abgegeben werden.
Die Brückenschaltung besteht aus einer Parallelverbindung
einer Reihe, die von den in derselben Richtung liegenden Dioden D2 und D^ gebildet wird, mit einer Reihe, die von den
in derselben Richtung liegenden Dioden D^ und D,- gebildet
wird.
Der zwischen den Dioden Do und D^ liegende Anschlußpunkt 31
ist mit dem Kollektor des Transistors Tr^ des Impuls-Einengers
über einen Widerstand R10 verbunden» Der gegenüberliegende
Anschlußpunkt 32 ist über den Widerstand R11 mit dem Kollektor
eines Transistors Tr,- verbunden. Die Anschlüsse 31 und 32
nehmen die Ausgangspulsreihe E der Impuls-Einengungsschaltung 16 und eine Pulsreihe auf, die mit Bezug auf die Reihe E
umgekehrte Phase, jedoch dieselbe Amplitude hat. Der Anschluß 33 zwischen den Dioden D2 und D, empfängt das Sägezahn-Signal
C vom Generator 14 über einen Leiter 48,
Der Anschluß 34- zwischen den Dioden D^ und Dr ist über die
Kapazität C,- geerdet und gleichzeitig mit der Basis des
109816/U80 - 9 -
Emitter-Folgers Tr^ verbunden*
Der Kollektor dieses Transistors Tr,- ist mit dem positiven
Leiter 35 und sein Emitter über den Belastungswiderstand
mit der Erde verbunden«
Wenn die Anschlüsse 31 und 32 von den Kollektoren der Transistoren
Tr^ und Tr1- mit zwei Pulsreihen gespeist werden, die
gleiche Amplitude und entgegengesetzte Phase haben, und der Anschluß 33 eine Sägezahn-Pulsreihe C vom Generator 14 zugeführt
erhält, erscheint am Anschluß 34- eine besondere Pulsreihe,
die in Fig. 2 bei G dargestellt ist. Das obere Ende jedes dieser Pulse endet durch den Schnitt mit dem ansteigenden
Ast des entsprechenden Sägezahn-Impulses, wie durch Fig.2F veranschaulicht wird.
Dieses Ausgangssignal wird einem Glättungsvorgang unterworfen. Dadurch erscheint das beispielsweise in Fig. 2G gezeigte
Gleichstrom-Signal amEmitter des Emitter-Folgers Tr^. Dieses
Ausgangssignal wird durch die Leitung 51 einem Motorverstärker
19 zugeführt, wo es verstärkt und die Phase umgekehrt wird. Die Ausgangsleistung des Motorverstärkers wird dem Motor 10
zum Antrieb zugeführt. Wenn die Motordrehzahl von einer bestimmten Größe abfallen sollte, wird die Pulsreihe A entsprechend
verzögert, wie durch die punktiert gezeichneten Pulse angedeutet ist» Entsprechende Verzögerungen erscheinen
in den Reihen B und E in Fig. 2, ebenfalls durch entsprechend punktierte Linien angedeutet. In der Rechteck-Pulsreihe D
beträgt die Verzögerung etwa bis zu einer Periode. Die Lage
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jedes eingeengten Pulses der Reihe E in der Mitte einer ansteigenden
Kante jeweils eines entsprechenden Sägezahn-Pulses wird beträchtlich modifiziert, wodurch die eingeengten Pulse
unter den geneigten Kanten untertauchen, siehe Fig. 2F.
Die Amplitude der herausgeschnittenen, eingeengten Impulse wird allmählich kleiner, siehe Fig. 2H, und die Spannung des
Ausgangsstromes vom Motorverstärker 19 an den. Motor wird entsprechend erhöht, so daß der Motor in Richtung auf eine
Drehzahlerhöhung gesteuert wird bzw. umgekehrt.
Eine bevorzugte Anordnung des Abtast-Kopfes 11, der an dem in seiner Geschwindigkeit zu regelnden Motor 10 angebracht
ist und eine von der Motordrehzahl abhängige Impulsreihe, siehe Fig. 2A, erzeugen kann, ist beispielsweise in Fig. 4-dargestellt.
Der Motor 10 weist ein stationäres Gehäuse 10c auf, das in üblicher Weise eine Stator-Spule 1Od und eine
Stator-Anordnung 1Oe enthält. Der Motor 10 weist ferner w eine drehbare Welle 10b auf, auf der fest ein Rotor 10a angeordnet
ist, wie an sich bekannt· Die Läuferwelle 10b trägt eine starr mit ihr verbundene Scheibe 52 aus unmagnetischem
Material, z.B. aus Messing. Ein Magnetstück 55» vorzugsweise
in Gestalt einer nach innen vorspringenden Platte, ist auf dem Randbereich der Scheibe befestigt, siehe Fig. Der Abtast-Kopf
11 1st fest auf einem Ende des Gehäuses 10c derart angeordnet, daß der Kopf 11 bei entsprechender Drehstellung
der Scheibe 52 auf die Platte 53 ausgerichtet ist und mit
dieser elektromagnetisch zusammenarbeiten kann· Aufgrund
109816/U80 - 11 -
it
dieser Anordnung wird bei jeder Umdrehung des Läufers 10a ein Impuls abgegebene
Falls erforderlich, kann ein weiteres Magnetstück, wie durch die punktierte Linie 53 a angedeutet, auf der Scheibe 52
diametral gegenüber dem ersten Stück 53 angeordnet seine
Bei dieser Abwandlungsform werden zwei Impulse bei jeder vollständigen Umdrehung des Läufers 10a abgegeben. Die Scheibe
52, das Magnetstück bzw. die Stücke 53, 53a und der
Abtast-Kopf 11 können innerhalb des Innenraumes des Motorgehäuses 10c anstelle der hier gezeigten äußeren Anordnung
angeordnet sein.
Zur Erzeugung eines Impulses für je zwei oder mehr Umdrehungen des Motorläufers 10a kann die Scheibe 52 durch ein
geeignetes Untersetzungsgetriebe über die Läuferwelle 10b
angetrieben werden. Die Benutzung eines einzelnen Magnetstückes 53 bietet die einfachste Steuerungsanordnung, welche
die gewünschte genaue Steuerung und Regelung ermöglicht« Die Motorgeschwindigkeit kann fortlaufend abgeändert werden,
indem eine variable Zeitkonstante benutzt wird, die von dem monostabilen Multivibrator 13 oder 15 geliefert wird.
Durch Stabilisierung der Impulsbreite im Ausgang dieser MuIt!vibratoren wird eine äußerst stabilisierte Motordrehzahlsteuerung
auch gegenüber möglicherweise auftretenden verschiedenen äußeren Störeinflüssen verwirklicht, die in
äußeren Temperaturänderungen, Schwankungen in der Spannungs-
109816/U80
— 12 ··
quelle und/oder ähnlichen Vorgängen bestehen.
In dem erläuterten Beispiel wurde eine Verzögerung von im
wesentlichen einer vollständigen Periode für die Impulse E gegenüber den Sägezahn-Impulsen C verwendet. Es ist stattdessen auch möglich, mit einer Periode der Sägezahn-Impulse gegenüber der Irapulsreihe E zu arbeiten. Die Verzögerungen können, falls erforderlich, auch mit zwei oder mehr Perioden gewählt werden.
wesentlichen einer vollständigen Periode für die Impulse E gegenüber den Sägezahn-Impulsen C verwendet. Es ist stattdessen auch möglich, mit einer Periode der Sägezahn-Impulse gegenüber der Irapulsreihe E zu arbeiten. Die Verzögerungen können, falls erforderlich, auch mit zwei oder mehr Perioden gewählt werden.
- PATENTANSPRÜCHE -
109816/ U 8 0
Claims (1)
- PATENTANSPRÜCHEGeschwindigkeitssteuerung für einen Gleichstrom-Motor mit elektronischen Mitteln zur Steuerung des Motorantriebsstromes, gekennzeichnet durch Schaltungsmittel (12, 13, 14-) zur Erzeugung einer Reihe von Sägezahn-Impulsen (Fig. 2C) mit einer vorbestimmten Dauer der Signallänge und in Abhängigkeit von der Motordrehzahl veränderlichen Impulsintervallen, und einer elektronischen Prüfeinrichtung (16, 17) zur Erzeugung einer Reihe von Prüfimpulsen, von denen jeder eine konstante Zeitverzögerung gegenüber einem bestimmten vorhergehenden Impuls der Sägezahn-Impulse hat und mit diesen zur Erzeugung einer Steuersignal-Impulsreihe für die Steuerung des Motorströmes verglichen wird.2e Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die momentane Geschwindigkeit des Motors darstellende Signal durch einen an den Abtast-Kopf (11) angeschlossenen Verstärker (12) und nachfolgenden monostabilen Multivibrator (13) in eine Reihe Rechteck-Signale (Fig. 2B) umgeformt wird, die einerseits in einen Sägezahn-Generator (14·) und andererseits über einen weiteren monostabilen Multivibrator (15) einem Impuls-Einenger (16) zugeführt werden, dessen Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal des Sägezahn-Generators in einem Phasen-Vergleicher (17) zur Ableitung des den Motorstrom steuernden Signals kombiniert wird.109816/U80
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