DE2730151C3

DE2730151C3 - Drehzahl-Regelschaltung für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE2730151C3
Application number: DE2730151A
Authority: DE
Inventors: Fumio Sakuma
Original assignee: Yamamoto Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Yamamoto Electric Industrial Co Ltd
Priority date: 1976-07-05
Filing date: 1977-07-04
Publication date: 1981-10-22
Also published as: US4168455A; JPS535717A; DE2730151B2; DE2730151A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehzahl-Regelschaltung für einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei bekannten Drehzahl-Regelschaltungen dieser Art besteht beim Auftreten starker Belastungsschwankungen bei niedrigen Motordrehzahlen eine Neigung zu beträchtlichen Drehzahlscnwankungen, die nicht mehr vernachlässigbar sind. Diese Erscheinung tritt in besonders ausgeprägter Form zum Beispiel bei motorbetriebenen Nähmaschinen auf, bei denen ein Mitnehmer oder Nocken zur Herstellung von Nähmustern auf einem Textilstück verwendet wird.

Aus der DE-OS 22 48 914 ist zum Beispiel eine Regelschaltung der vorstehend genannten Art zur Konstanthaltung der Drehzahl eines Universalmotors bekannt, bei der eine den Zündwinkel eines im Erregerkreis des Motors angeordneten Thyristors steuernde Triggerschaltung eine Zenerdiode, einen variablen Stellwiderstand, einen ersten und einen zweiten Transistor, einen Speicherkondensator und eine Zweiweg-Schaltdiode bzw. einen sogenannten Diac aufweist Hierbei wird die von dem Stellwiderstand vorgegebene Spannung der Basis des ersten Transistors zur Steuerung dessen Kollektorstroms zugeführt, über den sodann wiederum der Kollektorstrom des zweiten

ίο Transistors und damit die Aufladung des Speicherkondensators gesteuert werden, so daß die Drehzahlregelung des Motors im wesentlichen durch Steuerung der Leitfähigkeit des ersten Transistors erfolgt Wenn die von dem Stellwiderstand vorgegebene Basisvorspannung einen bestimmten Wert überschreitet, erreicht der erste Transistor jedoch den Sättigungszustand, was eine weitere Regelung verhindert Die Vorverstellung des Thyristor-Zündwinkels wird somit von den Sättigungskennwerten der beiden Transistoren begrenzt D. h, der obere Grenzwert der Motordrehzahl ist von den Transistoren abhängig, was zwangsläufig zu einer Einengung des Drehzahl-Regelbereichs führt Darüber hinaus kann die Drehzahlregelung des Motors in bezug auf die Widerstandsänderung des Stellwiderstands nicht linear erfolgen, da sie durch Änderung der dem ersten Transistor zugeführten Basisvorspannung erzielt wird.

Ferner wird die induzierte Motorspannung bei dieser Drehzahl-kegelschaltung direkt den Emittern der beiden Transistoren zugeführt so daß sich eine einheitliche Rückkopplung über den gesamten Drehzahl-Regelbereich des Motors ergibt Dies ist bei einem solchen Motor insofern nachteilig, als die Motorbelastung insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich starken Änderungen unterworfen ist so daß auch entsprechende Rückkopplungsmaßnahmen insbesondere in diesem Drehzahlbereich wünschenswert sind.

Darüber hinaus ist bei der bekannten Drehzahl-Regelschaltung die Änderung des Kollektorstroms des ersten Transistors dem induzierten Motorstrom umgekehrt proportional, da die induzierte Motorspannung dem Emitter des Transistors zugeführt wird. Damit nun der über den Speicherkondensator fließende Strom der induzierten Motorspannung umgekehrt proportional wird, ist eine Polaritätsumkehr der Ausgangsspannung des ersten Transistors erforderlich, was einen zusätzlichen Inverter in Form des zweiten Transistors erfordert und damit den Gesamtaufbau der Regelschaltung verkompliziert
Aus der US-PS 36 34 874 ist weiterhin ein Motor-Drehzahlregler bekannt, bei dem ein Triac in Abhängigkeit von der induzierten Motorspannung gesteuert wird. Hierbei sind jedoch keinerlei Maßnahmen dahingehend getroffen, daß im niedrigen Drehzahlbereich ein größeres Rückkopplungsverhältnis als im hohen Drehzahlbereich erzielbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drehzahl-Regelschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art derart auszugestalten, daß eine Drehzahlregelung eines Elektromotors über einen weiten Drehzahlbereich erzielbar ist und insbesondere bei starken Belastungsschwankungen im niedrigen Drehzahlbereich von Kleinmotoren stabile Drehzahlen gewährleistet sind.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Erfindungsgemäß umfaßt somit die Triggerschaltung zur Steuerung des Zündwinkels eines steuerbaren Halbleiter-Bauelements ebenfalls einen variablen Stell-

widerstand, einen Kondensator und eine Zweiweg-Schaltdiode bzw. einen sogenannten Diac, jedoch wird nunmehr die von dem Stellwiderstand vorgegebene Spannung direkt dem Kondensator zugeführt, wodurch das steuerbare Halbleiter-Bauelement mit dem von dem Widerstandswert des Stellwiderstands bestimmten vorgegebenen Zündwinkel gezündet· wird, was eine Drehzahlregelung des Motors über einen sehr weiten Bereich ermöglicht

Insbesondere wird erfindungsgemäß jeaoch die im Motor induzierte Spannung von einer aus Zenerdioden bestehenden Auswerteschaltung erfaßt und die von den Zenerdioden jeweils gebildete Meßspannung an die Basis-Emitter-Strecke des zugehörigen Transistors der Widerstandseinrichtung angelegt, wodurch der Leitfähigkeitszustand des jeweiligen Transistors in direkter Abhängigkeit von der induzierten Motorspannung gesteuert wird. Der zum Kondensator fließende Strom wird hierbei am Kollektor des jeweiligen Transistors geteilt, wodurch der Zündwinkel des steuerbaren Halbleiter-Bauelements entsprechend der induzierten Motorspannung gesteuert wird. Hierbei stellen die Zenerdioden eine auf einer Änderung der Motordrehzahl beruhende Änderung der induzierten Motorspannung nur dann sehr genau fest, wenn diese unter der Durchbruchsspannung bzw. Zenerspannung liegt und damit auch die Motordrehzahl unter einem vorgegebenen Wert liegt, während Änderungen der induzierten Motorspannung nach Überschreiten der Zenerspannung bzw. nach Überschreiten eines vorgegebenen J0 Drehzahlwertes in wesentlich geringerem Maße erfaßt werden. Die Rückkopplung erfolgt daher hauptsächlich im unteren Drehzahlbereich des Motors, wodurch die insbesondere bei niedrigen Drehzahlen verstärkt auftretenden belastungsabhängigen Drehzahlschwankungen minimal gehalten werden, was insbesondere bei zum Beispiel für Nähmaschinen und dgl. verwendeten Kleinmotoren von Vorteil ist, deren Belastung sich vor allem in diesem Drehzahlbereich sehr stark ändert.

Des weiteren ist bei der erfindungsgemäßen Drehzahl-Regelschaltung die Änderung des jeweiligen Kollektorstromes der die Widerstandseinrichtung bildenden beiden Transistoren der induzierten Motorspannung proportional, da diese der jeweiligen Basis-Emitter-Strecke der Transistoren zugeführt wird, so daß die Änderungen des über den Speicherkondensator fließenden Stromes der induzierten Motorspannung und damit der Motordreh *ahl umgekehrt proportional werden und dadurch die Rückkopplung auf sehr einfache Weise ohne aufwendige Schaltungsmaßnahmen erzielbar ist.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung näher beschrieben.

Gemäß der Figur ist ein Endanschluß einer Ankerwicklung 1 eines Hauptschluß-Kommutatormotors mit einem Endanschluß einer Feldwicklung 2 des Motors verbunden, während zwei Gleichrichterdioden, ζ. B. Siliciumdioden 17 und 19 über ihre Kathoden mit dem anderen Endanschluß der Ankerwicklung 1 verbunden sind. Zwei weitere Silicium-Gleichrichterdioden 16 und 18 sind über ihre Anoden mit dem anderen Endanschluß der Feldwicklung 2 verbunden. Die Kathode der Silicium-Gleichrichterdiode 18 und die Anode der Silicium-Gleichrichterdiode 19 sind mit einem Anschluß 9 einer Wediselstromquelle 8 verbunden, während die Anode der Silicium-Gleichrichterdiode 17 und die Kathode der 5iIicium-Gleii;hrichterdiode 16 mit einer zweiten Elektrode eines mit einer Zündelektrode versehenen, in zwei Richtungen steuerbaren Halbleiter-Bauelementes 11 verbunden sind, dessen erste Elektrode mit dem anderen Anschluß 10 der Wechselstromquelle 8 verbunden ist Ein Widerstand 6 ist über einen Endanschluß mit der zweiten Elektrode des steuerbaren Halbleitsr-Bauelementes und über den anderen Endanschluß mit einem Endanschluß eines variablen Stellwiderstandes 5 verbunden. Der Abgriff des Stellwiderstandes 5 ist über einen Kondensator 7 mit der ersten Elektrode des steuerbaren Halbleiter-Bauelementes ti und über eine Zweiweg-Schaltdiode 12, auch Zweirichtungsthyristordiode oder Diac genannt, mit der Zündelektrode des steuerbaren Halbleiter-Bauelementes 11 verbunden. Eine weitere Silicium-Gleichrichterdiode 20 ist über ihre Anode mit dem vorstehend genannten anderen Endanschluß der Feldwicklung 2 verbunden, während ihre Kathode mit dem vorstehend genannten einen Endanschluß der Feldwicklung 2 verbunden ist.

Wie der Figur ferner zu entnehmen ist, ist ein Konstant-Spannungselement. z. B. eine Zenerdiode 23, über ihre Anode mit der Anode der Silicium-Gleichrichterdiode 18 verbunden, während ihre Kathode über einen Widerstand 36 mit der Anode eines weiteren Konstantspannungselementes wie etwa einer Zenerdiode 24 verbunden ist. Die Kathode der Zenerdiode 24 ist mit der Kathode der Silicium-Gleichrichterdiode 19 verbunden. Die Anode der Zenerdiode 23 ist außerdem mit einem Endanschluß eines Kondensators 27 sowie mit einer veränderbaren Widerstandseinrichtung wie z. B. dem Emitter eines NPN-Transistors 21 verbunden. Die Kathode der Zenerdiode 23 ist außerdem mit dem anderen Endanschluß des Kondensators 27 sowie über einen Widerstand 25 mit der Basis des Transistors 2i verbunden. Die Anode der Zenerdiode 24 ist ferner mit einem Endanschluß eines Kondensators 28 sowie über einen Widerstand 26 mit einer weiteren automatisch veränderbaren Widerstandseinrichtung wie z. B. der Basis eines PNP-Transistors 22 verbunden. Die Kathode der Zenerdiode 24 ist außerdem mit dem anderen Endanschluß des Kondensators 28 sowie mit dem Emitter des Transistors 22 verbunden. Der Kollektor des Transistors 22 ist über einen Widerstand 32 mit der Anode einer Silicium-Gleichrichterdiode 30 verbunden, während der Kollektor des Transistors 21 über einen Widerstand 31 mit der Kathode einer Silicium-Gleichrichterdiode 29 verbunden ist. Die Kathode der Silicium-Gleichrichterdiode 30 ist über einen variablen Stellwiderstand 33 mit der Anode der Silicium-Gleichrichterdiode 29 verbunden. Der Abgriff des Stellwiderstandes 33 ist über einen Semi-Festwiderstand 34 (z. B. einen Trimmer) mit einem Endanschluß des Stellwiderstandes 5 verbunden, während der andere Endanschluß des Stellwiderstandes 5 über einen weiteren Semi-Festwiderstand 35 (z. B. einen Trimmer) mit dem Abgriff des Stellwiderstandes 5 verbunden ist.

Die Zenerdioden 23 und 24 dienen zum Aufspalten bzw. Begrenzen der Versorgungsspannung zur Verringerung der Differenz zwischen der Versorgungsspannung und der im Motor induzierten Spannung, so daß die Erfassung der im Motor induzierten Spannung erleichtert wird, da die im Motor induzierte Spannung verglichen mit der während des leitenden Zustandes des steuerbaren Halbleiter-Bauelementes 11 am Motor anliegenden Versorgungsspannung niedrig ist. Die Zenerdioden 23 und 24 wirken somit als Auswerteschal-

tung zur Feststellung der induzierten Motorspannung. Die Kondensatoren 27 und 28 dienen zur Beseitigung bzw. Ausfilterung von in der im Motor induzierten Spannung enthaltenen Störanteilen, so daß eine versehentliche Betätigung bzw. ein fehlerhafter Betrieb der Transistoren 21 und 22 verhindert wird. Der Stellwiderstand 33 dient zur Einstellung des Betriebszustandes der Transistoren 21 und 22. Der Semi-Festwiderstand 34 wirkt mit den Transistoren 21 und 22 zur Einstellung des Rückkopplungsbetrages des Motordrehzahl-Istwertes zusammen und dient zur Feineinstellung der stromleitenden Phase des steuerbaren Halbleiter-Bauelementes 11.

Im Betrieb wird ein Hauptschalter 3 zum Antrieb des Motors mit der von der Einstellung des Stellwiderstandes 5 bestimmten Drehzahl geschlossen. Es sei nun angenommen, daß das steuerbare Halbleiter-Bauelement 11 in beiden Richtungen sperrt und eine negative Halbperiode bzw. Halbwelle der Versorgungsspannung der Wechselstromquelle 8 einsetzt. Der von der Wechselstromquelle 8 zugeführte Strom fließt dann über den Anschluß 10, den Hauptschalter 3, den Widerstand 6, den Stellwiderstand 5, den Semi-Festwiderstand 35, den Kondensator 7, die Silicium-Gleichrichterdiode 17 und den Anker 1 in dieser Reihenfolge in die Feldwicklung 2. Bei dieser negativen Halbperiode bzw. Halbwelle wird die in dem Motor induzierte Spannung über die Zenerdiode 24 und den Widerstand 36 der Zenerdiode 23 zugeführt, während die Klemmspannung der Zenerdiode 23 über den Vorspannungswiderstand 25 der Basis des Transisotrs 21 zur Durchschaltung des Transistors 21 zugeführt wird. Der von der Wechselstromquelle 8 zugeführte Strom fließt daher andererseits über den Stellwiderstand 5, den Semi-Festwiderstand 34, den Stellwiderstand 33, die Silicium-Gleichrichterdiode 29 und den Widerstand 31 in dieser Reihenfolge zu dem Transistor 21. Dies bedeutet, daß eine aus dem Stellwiderstand 5, dem Semi-Festwiderstand 34, dem Stellwiderstand 33, dem Widerstand 31 und dem Transistor 21 bestehende Reihenschaltung dem Kondensator 7 parallelgeschaltet ist, und daß das steuerbare Haibieiter-Baueiement 11 durchgeschaltet wird, wobei die stromleitende Phase von der Klemmspannung der aus der Reihenschaltung und dem Kondensator 7 bestehenden Parallelschaltung bestimmt wird.

Während der dieser negativen Halbwelle folgenden positiven Halbwelle fließt der von der Wechselstromquelle 8 zugeführte Strom über den Anschluß 9, die Silicium-Gleichrichterdiode 19, den Anker 1, die Feldwicklung 2 und die Silicium-Gleichrichterdiode 16 in dieser Reihenfolge zu dem Kondensator 7 Während dieser positiven Halbwelle wird die im Motor induzierte Spannung der Zenerdiode 24 zugeführt, während die Klemmenspannung der Zenerdiode 24 über den Vorspannungswiderstand 26 der Basis des Transtistors 22 zur Durchschaltung des Transistors 22 zugeführt wird. Der von der Wechselstromquelle 8 zugeführte Strom fließt andererseits über die Silicium-Gleichrichterdiode 19, den Transistor 22, den Widerstand 32, die Silicium-Gleichrichterdiode 30, den Stellwiderstand 33 und den Semi-Festwiderstand 34 in dieser Reihenfol

ge zu dem Stellwiderstand 5. Dies bedeutet, daß eine aus dem Transistor 22, dem Widerstand 32, dem Stellwiderstand 33, dem Semi-Festwiderstand 34 und dem Stellwiderstand 5 bestehende Reihenschaltung dem Kondensator 7 parallelgeschaltet ist. Das steuerbare Halbleiter-Bauelement 11 wird daher durchgeschaltet, wobei die stromleitende Phase von der Klemmenspannung der aus dieser Reihenschaltung und dem Kondensator 7 bestehenden Parallelschaltung bestimmt wird.

Die Drehzahl des Motors, bei der sich ein stabiler Betrieb mit konstanter Drehzahl bei einer einen bestimmten Betrag aufweisenden Belastung ergibt, nimmt ab, wenn der Betrag der Belastung ansteigt. In einem solchen Falle wird die im Motor induzierte

μ g [ j

niedriger, so daß die Klemmenspannung der Zenerdioden 23 und 24 und damit die den Transistoren 21 und 22 zugeführte Vorspannung entsprechend absinkt. Der Kollektorstrom nimmt somit ab, was einem Anstieg des Widerstandswertes der Transistoren 21 und 22 entspricht. Dies hat zur Folge, daß die stromleitende Phase des steuerbaren Halbleiter-Bauelementes 11 zur Steigerung der Drehzahl des Motors vorverstellt bzw. verkürzt wird. Andererseits steigt die Drehzahl des Motors bei einer Verringerung des Belastungsbetrages an, wobei sich die im Motor induzierte Spannung proportional zu der Drehzahl des Motors erhöht. Die den Transistoren 21 und 22 zugeführte Vorspannung wird daher entsprechend erhöht, was einer Verringerung des Widerstandswertes der Transistoren 21 und 22 entspricht. Dies hat wiederum zur Folge, daß die stromleitende Phase des steuerbaren Halbleiter-Bauelementes 11 zur Verringerung der Drehzahl des Motors verzögert wird. Es ist somit ersichtlich, daß die im Motor induzierte Spannung, die in Abhängigkeit von der Belastungsänderung variabel ist, zu dem steuerbaren Halbleiter-Bauelement 11 als Drehzahl-Istwert rückgekoppelt wird, so daß der erwünschte Betrieb des Motors mit konstanter Drehzahl auf sehr stabile und zuverlässige Weise erzielbar ist. Der Rückkopplungsbetrag des Drehzahi-istwertes relativ zu der Änderung der im Motor induzierten Spannung läßt sich durch geeignete Wahl der Zener-Durchbruchsspannungswerte der Zenerdioden 23 und 24, der Widerstandswerte der Vorspannungswiderstände 25 und 26 sowie des Widerstandswertes des die Rückkopplung steuernden Semi-Festwiderstandes 34 beliebig einstellen.

Zur Steuerung des dem Motor zugeführten Stromes kann anstelle des in zwei Richtungen steuerbaren Halbleiter-Bauelementes gemäß der Figur auch ein Thyristor verwendet werden. Außerdem können anstelle der beschriebenen Zenerdioden zur Feststellung der induzierten Motorspannung auch Neon-Entladungsröhren oder dergL Verwendung finden, während als Schalteinrichtung Thyristoren oder dergL anstelle der beschriebenen Transistoren verwendet werden können. Modifikationen, die unter Verwendung dieser Bauelemente vorgenommen werden, sind zum Ausgleich von Belastungsschwankungen in gleichem Maße wirksam, wie das vorstehend beschriebene spezifische Ausführungsbeispiel.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehzahl-Regelschaltung für einen Elektromotor, mit einem Speisestromkreis, der dem Motor über ein mit einer Zündelektrode versehenes steuerbares Halbleiter-Bauelement Strom von einer Wechselstromquelle zuführt, mit einer Triggerschaltung, die der Zündelektrode des Halbleiter-Bauelements eine Zündspannung zuführt, mit einer Auswerteschaltung zur Feststellung der induzierten Motorspannung und mit einer Widerstandseinrichtung, deren Widerstandswert sich automatisch in Abhängigkeit von der festgestellten Motorspannung ändert, wobei die von der Triggerschaltung abgegebene Zündspannung in Abhängigkeit von der Widerstandsänderung der Widerstandseinrichtung änderbar und der Zündwinkel des Halbleiter-Bauelements in Abhängigkeit von dem Anstieg oder Abfall der festgestellten Motorspannung zeitlich rück- oder vorverstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung dem Motor (1, 2) paralielgeschaltete Konstantspannungselemente (23,24) aufweist und daß die Widerstandseinrichtung Transistoren (21, 22) aufweist, deren Basis-Emitter-Kreise jeweils einem der Konstantspannungselemente parallelgeschaltet sind, während die Kollektoren der Transistoren mit der Triggerschaltung (5,7,12) verbunden sind.

2. Drehzahl-Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantspannungselemente jeweils aus einer Zenerdiode (23,24) bestehen.

3. Drehzahl-Regelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Triggerschaltung einen Kondensator und eine zwischen den Kondensator und die Zündelektrode des Halbleiter-Bauelementes geschaltete Zweiweg-Schaltdiode aufweist, die bei Erreichen einer vorgegebenen Ladespannung des Kondensators durchschaltet und dadurch die Zündspannung der Zündelektrode des Halbleiter-Bauelementes zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerschaltung einen variablen Stellwiderstand (5), dessen einer Endanschluß mit der Wechselstromquelle (8) verbunden und dessen anderer Endanschluß mit dem jeweiligen Kollektor der Transistoren (21, 22) gekoppelt sind, und eine Verbindung vom Abgriff des variablen Stellwiderstandes zu dem Kondensator (7) aufweist.