DE2558130C3

DE2558130C3 - Schaltungsanordnung zum Steuern der Drehzahl eines gleichstromgespeisten Motors

Info

Publication number: DE2558130C3
Application number: DE2558130A
Authority: DE
Inventors: Claude Boulogne-Billancourt Hauts-De-Seine Leichle (Frankreich)
Original assignee: Automobiles Peugeot SA; Regie Nationale des Usines Renault
Current assignee: Automobiles Peugeot SA; Regie Nationale des Usines Renault
Priority date: 1975-01-20
Filing date: 1975-12-23
Publication date: 1979-05-31
Also published as: US4139809A; FR2298225B1; DE2558130B2; DE2558130A1; FR2298225A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Steuern der Drehzahl eines gleichstromgetpeisten Motors mittels eines EIN-AUS-Steuersignals, mit einem Impulserzeuger, der insbesondere Mittel zum Steuern der Frequenz der das EIN-AUS-Steuersignal bildenden Impulse sowie Mittel zum Bestimmen der Zeitdauer der Stromführung des EIN-AUS-Steuersignals umfaßt.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der österreichischen Patentschrift 2 78 987 bekannt. Bei dieser Anordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors wird der Motorstrom durch ein EIN-AUS-Signal gesteuert. Die Drehzahl des Motors wird durch die Taktfrequenz eines Taktgenerators bestimmt und die Einschaltdauer des EIN-AUS-Signals und damit das Taktverhältnis wird durch einen von der belastungsabhängigen Winkelstellung des Motors abhängigen Impuls bestimmt, der von einem Kontakt am Motor geliefert wird. Zur Vermeidung von Regelschwingungen dient ein Regelglied, das bei Änderung der Einschaltdauer die Taktfrequenz ändert, und zwar in dem Sinn, daß bei zunehmender Einschaltdauer die Taktfrequenz erniedrigt wird und umgekehrt Mit der bekannten Vorrichtung ist es nicht möglich, die Taktfrequenz in einer beliebigen, vorbestimmten Abhängigkeit von dem Taktverhältnis zu variieren.

ίο In Elektronik 1959 Nr. 6, Seiten 179—182, werden zwei übliche Wege beschrieben, um einen gleichstromgespeisten Motor durch Zerhacken des Gleichstromes zu speisen, nämlich die Frequenz konstant zu halten und die Einschaltdauer zu variieren, oder die Einschaltdauer konstant zu halten und die Frequenz zu variieren, wobei eine lineare Beziehung zwischen dem Mittelwert des Motorstromes und dem Taktverhältnis vorausgesetzt wird und eine Führungsgröße dem Taktverhältnis proportional sein soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art zum Steuern der Drehzahl eines gleichstromgespeisten Motors derart auszubilden, daß das Taktverhältnis des EIN-AUS-Steuersignals linear von einer Steuerspannung abhängt und gleichzeitig die Taktfrequenz des EIN-AUS-Steuersignals eine vorbestinwUe, derart gewählte Abhängigkeit von der Steuerspannung aufweist, daß der Motor bei großem als auch bei kleinem Taktverhältnis optimal läuft

in Die Aufgabe wird erfindungsgemäß duch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst Der Anspruch 2 betrifft eine Ausgestaltung der Signalerzeugungseinrichtung.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung

j-, wird die Steuerung durch ein gleichzeitiges Variieren der Frequenz und der Zeitdauer der Strom führung bewerkstelligt, wobei die beiden Variationen derart miteinander in Verbindung stehen, daß die Linearität zwischen der Steuerspannung und dem Taktverhältnis des Stroms, also sein Mittelwert, aufrechterhalten wird.

Die genannte Steuereinrichtung erlaubt es aufgrund

der Möglichkeit der Frequenzvariierung innerhalb eines begrenzten Bereichs die Leistung bei schwachen Strömen zu verbessern und gleichzeitig eine ausreichende Frequenz beizubehalten, um ein flexibleres Funktionieren des Motors zu erzielen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet im Prinzip wie folgt: Die Frequenz F des gehackten Stroms wird durch eine Einrichtung festgelegt, die mit der Steuerspannung in

so Verbindung liegt und deren Frequenzbereich beliebig sein kann. Die der Periodendauer des Stroms entsprechende Zeit wird in N gleiche Teile aufgeteilt. Ein Analog-Digital-Wandler erzeugt aus der Steuerspannung i/eine Zahl n, die dieser proportional ist und deren gesamte Variierungsbreite zwischen 0 und N liegt. Die Leistungselemente werden über eine entsprechende Einrichtung während π der N Teile der Periode des Steuersignals leitend gemacht Als Ergebnis erhält man einen Strom der Frequenz F (diese Frequenz kann als

bo Funktion von U beliebig variieren) mit dem Taktverhältnis "d.h. proportional zu U₁ da N eine Konstante

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanb5 ordnung sind verschiedener Art:

— die Variierung der Stromfrequenz kann unabhängig von der tatsächlichen Variation des Stroms selbst

bestimmt werden, wodurch die Dynamik der Frequenzschwankungen niedriger gehalten werden kann als diejenige der Stromschwankungen. Dadurch verbessert sich die Leistung, da bei schwachem Ankerstrom die Frequenz vermindert wird; > die bisher bei schwachem Strom auftretenden Probleme werden somit ausgeschaltet, da die Frequenz nicht so schnell absinkt als der Strom und bei Nullwert des Stroms immer noch einen endlichen Wert Aufweist

— ebenso kann man auch dafür sorgen, daß die Frequenz nicht mehr abhängig vom Sollwert des Stroms gesteuert wird, sondern vielmehr in Abhängigkeit von der tatsächlichen Geschwindigkeit des Motors, wodurch eine optimale Funktion in jedem ι > Punkt erreicht wird.

— in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die Variation des Taktverhältnisses des Stroms als Funktion der Spannung U linear, so daß die Vorrichtung in eine geschlossene Schleife eingebaut >o werden kann (mit Messung des tatsächlichen Stroms und Rückkopplung), ohne die von nichtlinearen Vorrichtungen herrührenden Stabilitätsschwankungen befürchten zu müssen.

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Der infolge der numerischen Informationsverarbeitung intermittierende bzw. pulsierende Fluß des Motorstromes gestattet es, die Genauigkeit ihrer Einstellung der erwünschten Präzision des Systems anzupassen, zu welchem der Motor gehört

Je höher nämlich die Zahl N liegt, um so geringer ist die Differentialerhöhung der Variation des Taktverhältnisses und um so größer ist die Feinheit der Regelung. Da die Komplexität und damit die Herstellungskosten des Systems von der Zahl N abhängen, kann man ein r> optimales Preis/Leistungsverhältnis erzielen.

Aufgrund der numerischen Steuerung ist es auch möglich, eine Massenproduktion in integrierter Form ins Auge zu fassen, wodurch die Zuverlässigkeit gesteigert sowie die Herstellungskosten verringert <tö werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in jenen Bereichen zur Anwendung kommen, in denen eine Regelung des Funktionierens eines von einer Gleichstromquelle gespeisten Elektromotors erforderlich is; Insbesondere können Motoren elektrisch betriebener Fahrzeuge mit einer solchen Schaltungsanordnung ausgestattet werden.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung so beschrieben und näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Steuerkette für einen Motor, in der die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eingegliedert ist,

F i g. 2 eine detaillierte Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers gemäß F i g. 2,

Fig.4 ein Ausführungsbeispiel eines Analog-Digital-Wandlers gemäß F i g. 2,

F i g. 5 die Chronogramme für die im Analog-Digital-Wandler nach F i g. 4 vorkommenden Impulse,

F i g. 6 die Chronogramme für die in der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung vorkommenden Impulse.

In F i g. 1 wird ein Motor 1 über einen Zerhacker 2 durch einen Akkumulator 3 gespeist. Im Hauptstromkreis befindet sich ein Shunt 4 zur Messung des im Motor umlaufenden Stroms /. Ein Steuerelement 5 dient zum Einstellen eines Sollwerts des Stroms /und erzeugt eine Spannung Uc, die diesem proportional ist Die Spannung Uc sowie eine Spannung Ui sind an eine Vergleichsschaltung 6 angelegt Die Spannung Ui wird am Ausgang eines Tiefpaßfilters 7 abgenommen, das seinerseits über den Shunt 4 gespeist wird. Die Spannung Ui ist also ein Abbild aes tatsächlichen Stroms /. Die Spannung i/am Ausgang der Vergleichsschaltung 6 wird der erfindungsgemäßen Anordnung 8 zugeführt die ihrerseits ein Steuersignal S für den Zerhacker 2 erzeugt, das ein »Ein-Aus«-Signal mit einer bestimmten Frequenz und einem bestimmten Taktverhältnisist

Nach Fig.2, die ein Ausführungsbeispiel der Anordnung 8 zeigt, wird die Spannung U einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 9 zugeführt der ein Signal der Frequenz Fl liefert Dieselbe Spannung U wird einem Analog-Digitalwandler 10 zugeführt der eine U proportionale Binärzahl »a« in paralleler Form über seine Ausgangsbits liefert In der beschriebenen Ausführung umfaßt die Zahl a acht Bits, was daher rührt daß der Wandler über acht ansteuerbare Augänge 11—0 bis 11—7 verfügt Diese Zahl n wird auf die prädeterminierten Eingänge 12—0 bis 12—7 eines Impulszählers 13 gegeben.

Der Impulszähler 13, in den die Zahl a eingeschrieben wild, umfaßt einen Takt-Eingang 14, auf welchen das vom Umsetzer 9 kommende Signal der Frequenz Fl gegeben wird, einen Lade-Eingang 15, sowie einen sogenannten »Halte«-Ausgang 16. Empfängt der Eingang 15 einen Impuls, so wird die Zahl a ^;n den Abzähler eingeschrieben. Sobald von diesem Augenblick an a Impulse der auf 14 gegebenen Impulsfolge gezählt sind, erscheint ein Impuls am Halte-Ausgang 16.

Das vom Umsetzer 9 abgegebene Signal F1 gelangt an einen Frequenzteiler 17, der an seinem Ausgang ein Signal der Frequenz Fl IA liefert wobei A der von a angenommene Maximalwert während der Variation von U ist. Dieses Signal wird über einen monostabilen Multivibrator 18 an den Lade-Eingang 15 des Impulszählers 13 geführt Das vom monostabilen Multivibrator kommende Signal wird außerdem auf den Eingang einer bistabilen Kippschaltung 19 gegeben, deren Ausgang 2υ dadurch aktiviert wird. Diese Kippschaltung besitzt auch einen Nullstell-Eingang 21, dem das vom Impulszähler 13 abgegebene Signal zugeführt wird.

Die F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Umsetzers 9. In diesem wird die Spannung U an den Eingang einer Integrierschaltung angelegt, die aus einem Widerstand 22, einem Kondensator 23 und einem Operations-Verstärker 24 besteht. Die Spannung am Ausgang 25 hat einen Verlauf, der in Abhängigkeit von der Neigung proportional zu t/ist. Diese Spannung wird dem invertierenden Eingang 26 einer Vergleichsschaltung 27 zugeführt, die umkippt, sobald diese Spannung einen Wert erreicht hat, der mindestens dem Sollwert der an seinem nicht-invertierenden Eingang 28 anliegenden Spannung U_nt entspricht. Das Umkippen der Vergleichsschaltung 27 veranlaßt das Erscheinen eines Impulses am Ausgang eines monostabilen Multivibrators 29, mit dem sie verbunden ist. Dieser im Verstärker 30 verstärkte Impuls wird über eine Diode 31 und einen dieser parallelgeschalteten Kondensator 32 an einen Feldeffekt-Transistor 33 weitergegeben, der den Kondensator 23 kurzschließt, womit der Zyklus von vorne beginnen kann. Die Frequenz F der Impulse arn Ausgang 5c des monostabilen Multivibrators 29 steht in

umgekehrtem Verhältnis zur Aufladezeit des Kondensators 23, d. h.

F = U χ

U_ri.j CR

In der Gleichung ist U der Wert der Eingangsspannung, L'ref der Wert der am Eingang 28 der Vergleichsschaltung anliegenden Spannung, Cder Wert des Kondensators 23 und R derjenige des Widerstandes 22. Das arn Ausgang des monostabilen Multivibrators 29 i< > erhaltene Signal Sc weist also eine der Eingangsspannung proportionale Frequenz auf.

Gemäil' Fig.4, die ein Ausführungsbeispiel des Analog-Eüigital-Wandlers 10 zeigt, wird die Spannung U, deren Wert in eine Binärzahl umzuwandeln ist, an π den Eingang eines dem in F i g. 3 analogen Spannungs-Frequenz -Umsetzers 34 angelegt. Dieser Umsetzer gibt an seinen'! Ausgang 35 ein Signal der Frequenz F2 ab, so daß F2 ■■·= kU, wobei k ein konstanter Koeffizient ist. Dieses Signal wird über ein UND-Gatter 38 auf den Zähler-Eingang 36 eines Binärzählers 37 gegeben. Der Zähler ki nn aus bistabilen Kippgliedern aufgebaut sein, z. B. kann ein für die erfindungsgemäße Vorrichtung erfordert eher Zähler mit 256 Stellen aufgebaut werden (d. h. achi Binär-Ausgänge von 39—0 bis 39—7). Diese 2'> acht Ausgänge werden jeder für sich mit dem entsprechenden Eingang einer bistabilen Speicher-Kippschaltung verbunden. Solche zu Registern zusammengefaßten bistabilen Kippschaltungen sind im Handel erhäli lieh. Das im Ausführungsbeispiel verwendete «1 Register 10 umfaßt also acht Dateneingänge; dadurch verfügt man an den acht Ausgängen 41—0 bis 41 — 7 immer über die auf die Eingänge gegebene Binärzahl, wenn ein Impuls auf den Einschreib-Eingang 4 trifft. Eine Taktuhr besteht aus den folgenden Teilen: ein r> Kondensator 43 und ein Widerstand 44 sind zwischen Erde und der positiven Klemme einer Spannungsquelle in Reihe geschaltet. Der dem Widerstand 44 und dem Kondensator 43 gemeinsame Punkt ist mit dem Emitter eines Einifläche-Transistors 45 verbunden, von dem eine Basis an der positiven Klemme der Spannungsquelle über einen Widerstand 46 angeschlossen und eine zweite Basis über einen Widerstand 47 geerdet ist. Die Spannung wird an einer Klemme des Widerstandes 47 abgenommen und über einen Widerstand 48 der Basis 4 -, eines Transistors 49 zugeführt, dessen Emitter geerdet ist und dessen Kollektor mit der positiven Klemme der Stromquelle über einen Widerstand 50 verbunden ist. Auf diese Weise erhält man einen Impulsgenerator, dessen Impulsfolgefrequenz in Verbindung mit den 3» Werten am Kondensator 43 und am Widerstand 44 steht. Diese Impulse sind an dem Widerstand 50 und dem Transistor 49 gemeinsamen Punkt 51 verfügbar und werden einerseits an einen monostabilen Multivibrator 52 gegeben, der in 53 einen Impuls der Dauer D erzeugt, und zwar von der ansteigenden Flanke des Steuerimpulses an, und andererseits über die Invertierschaltung 55 an den Nullstell-Eingang 54 des Binärzähiers 57. Der Impuls am Ausgang 53 des monostabilen Multivibrators 52 wird dem zweiten Eingang des mi UND-Gatters 38 zugeführt, sowie einem zweiten monostabilen Multivibrator 56, der an der abfallenden Flanke des Steuerimpulses einen Impuls kurzer Dauer liefert, welcher an den Einschreib-Eingang 42 des Speicherregisters 40 weitergegeben wird. es

Das Funktionieren des Analog-Digital-Wandlers der F i g. 4 wird mit Hilfe der in F i g. 5 dargestellten Signale veranschaulicht

Für jeden an 51 (F i g. 5— 1) auftretenden Impuls wire der Binärzähler 37 auf Null zurückgestellt. Dei Ausgangsimpuls des monostabilen Multivibrators 5ί entsteht an der ansteigenden Flanke des Impulses bei 51 und hat eine Dauer D(Fig.5-2). Das UND-Gatter 3t gestattet während dieser Dauer den Durchlaß des votr Wandler 34 kommenden Signals FI, was den Zähler 33 zum Zählen veranlaßt. Bei Beendigung des Zählvorganges, d. h. an der absteigenden Flanke des bei 53 auftretenden Impulses, erzeugt der monostabile Multivibrator 56 einen in Fig.5—3 dargestellten Impuls, dei das Einspeichern des Zählergebnisses im Register 4C und seine Verfügbarkeit an den Ausgängen 41—0 bis 41-7 veranlaßt. Diese Zahl hat als Wert das Produki aus Frequenz und Dauer des Zählvorgangs, d. h. invorliegenden Fall ist F2 χ D ebenfalls gleich k χ Ux D. Da k und D Konstanten sind, ist diese Zah proportional zu U. Sie ist am Ausgang dauernd verfügbar, außer während dem kurzen Einschreib-Im· puls ins Register 40.

Nun kann das Funktionieren der erfindungsgemäßer Vorrichtung, die in Fig.2 schematisch dargestellt ist erklärt werden, mit Hilfe der Chronogramme dei Fig.6, weiche die an den wichtigsten Punkten der Vorrichtung auftretenden Signale darstellt. Die Spannung U liefert nämlich zwei Größen: einmal über der Umsetzer 9 ein Signal Fl, welches im beschriebener Anwendungsfall in linearer Funktion zu Uvariiert, sonsi aber auf beliebige Weise variieren kann, ohne der Charakter der Vorrichtung zu verändern, und zurr andern über den Wandler 10 eine Binärzahl a. Diese Zahl a variiert zwischen Null (wenn U seiner Minimalwert hat) und A ( wenn Il seinen Maximalwert aufweist).

Im beschriebenen Anwendungsfall ist A = 100, seir Wert kann jedoch beliebig sein. Es ist dieser Wert, dei die Präzision der Vorrichtung bestimmt. Das Frequenz signal Fi gibt über den Frequenzteiler 17 und der monostabilen Multivibrator 18 jedesmal dann einer Impuls ab. wenn A Impulse der Frequenz Fl erzeug! worden sind. Dieses Signal ist in der F i g. 6-A ir Übereinstimmung mit dem Signal von 6—B dargestellt Jeder vom monostabilen Multivibrator 18 abgegeben

Impuls des Signals aktiviert die bistabile Kippschaltung 19 und veranlaßt das Einspeichern der vom Wandler 10 abgegebenen Zahl a in den Impulszähler 13 Dieser Zähler zählt nun a Impulse des am Takt-Eingang 14 eintretenden Signals Fl ab und erzeugt am Ende des Zählvorgangs einen Impuls am Halte-Ausgang 16 Dieser in F i g. 6 - C dargestellte Impuls dient zurr Nullstellen der Kippschaltung 19, deren Ausgangssignal in F i g. 6 - C dargestellt ist Eben dieses Signal dient zum Steuern des Hauptstromkreises über den Zerhakker 2, der den Motor 1 der F i g. 1 steuert

Es ist aufzuzeigen, daß das Tastverhältnis dieses Signals für jeden beliebigen Wert von Fl proportional U ist Die Frequenz des Ausgangssignals wird von dem die Kippschaltung 19 aktivierenden Signal bestimmt, sie

beträgt also . . Seine Periode ist demnach

T =

Fl

Die Erregungsdauer der Kippschaltung 19 ist abhängig von der Zeit, welche der Zähler 13 benötigt um a Frequenzimpulse Fl zu zählen. Diese Dauei

entspricht = Λ Diese Dauer im Verhältnis zur

Periode des Ausgangssignals ergibt dann das Taktverhätnis R,d. h.:

Fl

Der Wert von Fl kommt im Ausdruck dieses Verhältnisses nicht vor. Da a proportional zur angelegten Spannung U ist und A eine Konstante darstellt, hängt das Taktverhältnis R einzig von U ab, was ja das gesetzte Ziel war.

Hierzu 6 KIaIt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Steuern der Drehzahl eines gleichstromgespeisten Motors mittels eines EIN-AUS-Steuersignals, mit einem Impulserzeuger, der insbesondere Mittel zum Steuern der Frequenz der das EIN-AUS-Steuersignal bildenden Impulse sowie Mittel zum Bestimmen der Zeitdauer der Stromführung des EIN-AUS-Steuersignals umfaßt, gekennzeichnet durch einen mit einer von außen vorgebbaren Steuerspannung (U) gesteuerten Spannungs-Frequenz-Umsetzer (9), durch eine mit dessen Ausgang verbundene Signalerzeugungseinrichtung (17,18), deren Ausgangssignal eine der Frequenz des Signals am Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (9) proportionale Frequenz aufweist, durch einen eingangsseitig dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (9) parallel geschalteten Analog-Digital-Wandler (10), dessen Ausgänge (11.0—11.7) mit entsprechenden Vorbestimmungseingängen (12.0—12.7) eines Impulszählers (13) verbunden sind, wobei der Impulszähler (13) ferner einen mit dem Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (9) verbundenen Takteingang (14), einen mit dem Ausgang der Signalerzeugungseinrichtung (17,18) verbundenen Ladeeingang (ISI) und einen Halteausgang (16) aufweist, und durch eine bistabile Kippschaltung (19), die einen mit dem Halteausgang (16) des Impulszählers (13) verbundenen Nullstelleingang (21), einen mit dem Ausgang der Signalerzeugungseinrichtung (17,18) verbundenen Aktivierungseingang suwie einen Ausgang (20) zur Abgabe des EIN-AUS-Steuersignals aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungseinrichtung eine Reihenschaltung eines mit dem Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (9) verbundenen Frequenzteilers (17) und eines monostabilen Multivibrators (18) umfaßt, dessen Ausgang mit dem Ladeeingang (15) des Impulszählers (13) und mit dem Aktivierungseingang der bistabilen Kippschaltung (19) verbunden ist.