DE2747036C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen drehzahlgeregelten kollektorlo­ sen Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor mit mindestens einer Wicklung, mit Mitteln, um eine zur Drehzahl des Motors proportionale gleichgerichtete Wechselspannung bzw. Signalspannung von einem Geber abzunehmen und mit weite­ ren Mitteln, über die die gleichgerichtete Wechselspannung bzw. Signalspannung einem Glied zugeführt ist, um ein Dreh­ zahlistwertsignal in Form einer Gleichspannung mit einer überlagerten Welligkeit vorgebbarer Phasenlage und Amplitude zu erzeugen, wobei die weiteren Mittel darin bestehen, daß mit der gleichgerichteten Wechselspannung über ein Anpas­ sungsnetzwerk Impulse mit auf den Drehzahlsollwert abge­ stimmter Zeitdauer getriggert werden und der Trigger-Zeit­ punkt durch das Anpassungsnetzwerk auf einen bestimmten Pha­ senwinkel nach dem Nulldurchgang der abgenommenen Spannung festgelegt wird und daß diese Impulse im Glied mittels eines Phasenschiebers und eines Integrators hinsichtlich ihrer Phase verschoben und geglättet werden oder, d. h. bzw., die Signalspannung aus Triggerimpulsen besteht und daß die wei­ teren Mittel darin bestehen, daß mit der Signalspannung Im­ pulse durch auf den Drehzahlsollwert abgestimmter Zeitdauer getriggert werden, wobei diese Impulse im Glied mittels eines Phasenschiebers und eines Integrators hinsichtlich ihrer Pha­ se verschoben und geglättet werden, nach Patent 26 16 044.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Motor nach dem Hauptpatent die elektronische Schaltung zur Dreh­ zahlregelung in möglichst einfacher Weise so zu ergänzen, daß das Einschwingverhalten verbessert wird.

In vielen Anwendungsfällen drehzahlgeregelter Motoren wird zu diesem Zweck verlangt, daß der Motor bei Überschreitung der Solldrehzahl gebremst wird. Diese Forderung kann z. B. auch schon dann auftreten, wenn der Motor bei mehreren verschiede­ nen Drehzahlen arbeiten soll und beim Umschalten von einer höheren zu einer niedrigeren Drehzahl die neue Solldrehzahl möglichst rasch erreichen soll.

Es ist bekannt, bei Elektromotoren anderer Gattung Motordreh­ zahlen manuell abzusenken bzw. auf null herunterzufahren. Die wichtigsten beruhen auf einer Kommutierungsweise, die ein rücktreibendes Motor-Drehmoment erzeugen und nach Erreichen des Motorstillstandes eine rückläufige Drehbewegung bewirken. Weitere beruhen auf der Möglichkeit, bei passenden Voraus­ setzungen den Motor als Generator zu schalten und entstehende elektrische Energie über einen Widerstand in Wärme überzufüh­ ren.

Ähnliche Verfahren werden bei Motoren eingesetzt, bei denen statt der manuellen Drehzahlbeeinflussung eine automatische Drehzahlregelung auf einen Sollwert erfolgen soll.

So ist es z. B. aus der DE-OS 23 40 984 bekannt, ebenfalls elektrische Energie über externe Widerstände in Wärme umzu­ wandeln und eine Drehzahlminderung herbeizuführen.

Die verwendeten Widerstände besitzen den Vorteil der Strombe­ grenzung, so daß beteiligte Schaltelemente wie auch die Motorwicklungen vor Überlast geschützt sind. Gleichzeitig wird aber auch das prinzipiell erreichbare bremsende Moment reduziert, so daß neben dem Nachteil zusätzlich erforderli­ cher Bauelemente auch die Geschwindigkeit der Regelung zu wünschen übrig läßt.

Die gleiche Zielsetzung wird in DE-OS 22 37 870 verfolgt, jedoch mit anderen schaltungstechnischen Mitteln. Ein mit Bremsstrom zu beaufschlagender Widerstand wird bei normaler Betriebsweise überbrückt und begrenzt im Falle der Motor­ bremsung ebenfalls den generierten Strom. Durch die Verwen­ dung eines variablen Widerstandes kann dabei das Strom­ Maximum noch variiert werden. Nachteilig ist jedoch, daß neben dem variablen Widerstandselement noch ein zusätzlicher Schalter erforderlich ist.

Die Anwendung eines entgegengesetzten Drehmomentes auch zu Regelungszwecken wird in DE PS 16 13 438 gezeigt. Der Vorteil dieser Betriebsweise ist darin zu sehen, daß durch die ge­ nannte gegenläufige Kommutierung eine besonders schnelle Bremsung bzw. Drehrichtungsumkehr erfolgt. Nachteilig ist jedoch, daß die verwendeten Schaltelemente sowie der Motor für diese Aufgabe geeignet sein müssen, was in der Regel zusätzliche Gestehungskosten verursacht. Die Nichtbeachtung dieses Zusammenhanges führt des öfteren zu Zerstörung der Schaltelemente, infolgedessen auch der Motor zerstört wird.

Die zugrundegelegte, o. a. Aufgabe wird durch eine Bremsschaltung gemäß der kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Die Bremsschaltung ist auch an solchen Motoren anwendbar, die keinen besonderen Tachogenerator aufweisen, sondern bei denen ein der Drehzahl proportionales Signal aus den in den Motor­ wicklungen induzierten Spannungen erzeugt wird, die während des Bremsvorganges allerdings nicht nutzbar sind. Entspre­ chend einer vorteilhaften Ausgestaltung wird während des Bremsvorgangs ein der Drehzahl proportionales Signal erzeugt, damit die Bremsung bei Erreichung der Solldrehzahl beendet werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Übersichtsschaltbild eines erfindungsgemäßen Motors, teilweise als Blockschaltbild dargestellt,

Fig. 2 ein ausführliches Schaltbild der Regelschaltung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt den elektrischen Aufbau eines Motors, wie er im Hauptpatent oder auch in der DAS 23 46 380 näher dargestellt und beschrieben ist.

Der Motor 10 hat einen symbolisch angedeuteten Permanentmagneten 11 und zwei Statorwicklungen 12 und 13, welche im Betrieb ein elektromagnetisches Wechselfeld, also kein Drehfeld, erzeugen. Beide Wicklungen sind über eine Leitung F und über einen Wider­ stand 14 mit einer Plusleitung E verbunden. Ihre anderen An­ schlüsse 15 und 16 sind jeweils mit dem Kollektor eines npn- Transistors 17 bzw. 18, der Kathode einer Diode 19 bzw. 20 und dem einen Anschluß eines Widerstands 23 bzw. 24 verbunden, welch letztere miteinander und über eine Leitung B mit dem einen Ein­ gang eines Verstärkers 25 verbunden sind. Ebenso sind die Anoden der Dioden 19 und 20 miteinander und über eine Leitung H mit dem einen Anschluß eines Potentiometers 26 verbunden, dessen anderer Anschluß an E liegt und dessen Abgriff über eine Leitung A mit dem anderen Eingang von 25 verbunden ist. Der Verstärker 25 liegt an einer durch eine Zenerdiode 27 stabilisierten Spannung; die Z-Diode 27 liegt zwischen den Leitungen D und E, und zwischen der Leitung D und dem 0-Anschluß des Motors liegt ein Vorwiderstand 28 der Z-Diode 27.

Die Basen der Transistoren 17 und 18 sind jeweils mit dem Ausgang eines Hallgenerators 31 verbunden, während ihre Emitter mitein­ ander und über einen Widerstand 32 mit dem Anschluß 0 verbunden sind, an den auch über einen Widerstand 33 der eine Stromanschluß des Hallgenerators 31 angeschlossen ist, dessen anderer Stroman­ schluß mit dem Emitter eines Regeltransistors 34 (npn) verbunden ist, dessen Kollektor über einen Widerstand 35 mit der Leitung F verbunden ist.

Der gesamte Regler ist an die geregelte Spannung zwischen den Leitungen D und E angeschlossen. Dargestellt ist dies in Fig. 1 nur für den Verstärker 25. Das Ausgangssignal des Verstärkers 25 wird einem Anpassungsnetzwerk 38 zugeführt, dessen Ausgangs­ signal zur Triggerung eines monostabilen Multivibrators 39 dient, an dessen Ausgang eine Integrator-und Phasenschieber­ schaltung 40 angeschlossen ist, an deren Ausgang ein Drehzahl- Istwertsignal in Form einer Gleichspannung auftritt, der eine Welligkeit gewünschter Phasenlage und Amplitude überlagert ist, und dieses kombinierte Signal wird einem Vergleicher 42 zuge­ führt, dessen anderem Eingang 43 eine Führungsgröße (Drehzahl- Sollwert, überlagert mit motorstromabhängiger Gegenkopplung) zu­ geführt wird. Zur Erzeugung der Führungsgröße dient ein Span­ nungsteiler mit einem ersten Widerstand 44 zwischen der Leitung D und 43, einem zweiten Widerstand 45 zwischen 43 und F und dem Widerstand 14 zwischen F und E. Wenn kein Motorstrom fließt, bestimmt sich die Höhe der Führungsgröße an 43 einfach durch das Verhältnis (R 14 + R 45) : (R 14 + R 45 + R 44), und da dieser Span­ nungsteiler an der durch die Z-Diode 27 stabilisierten Spannung liegt, ist bei stromlosem Motor auch die Führungsgröße an 43 festgelegt. Fließt dagegen ein Strom im Motor 10 und damit durch den Widerstand 14, so entsteht an diesem ein Spannungsabfall und das Potential der Leitung F sinkt, so daß auch das Potential an 43 sinkt. Mit zunehmendem Motorstrom wird also die Führungs­ größe kleiner, und dies bewirkt eine Gegenkopplung, welche die Kreisverstärkung des Regelkreises verringert und dadurch den Regler stabilisiert. Diese Gegenkopplung ist in sehr einfacher Weise durch Wahl des Widerstandes 14 einstellbar. Obwohl also der Motor 10 an der ungeregelten Spannung zwischen E und O liegt, liegt der Spannungsteiler R 14 - R 45 - R 44 an der geregelten Span­ nung zwischen E und D, und an diesem Spannungsteiler wirkt eine motorstromabhängige Teilspannung, welche die Gegenkopplung be­ wirkt. Es wird dies in erfindungsgemäßer Weise dadurch ermöglicht, daß der Vorwiderstand 28 der Z-Diode 27 in der Minusleitung, der Widerstand 14 für die Gegenkopplung dagegen an der Plusleitung E liegt. Hierdurch wird ein direkles Einführen der Gegenkopplungs­ spannung in den Regelkreis ermöglicht.

Das Ausgangssignal des Vergleichers 42 wird über eine Leitung C der Basis des Transistors 34 zugeführt -. Wird die Motordrehzahl zu hoch, so wird auch das Ausgangssignal des Integrators 40 groß, der Vergleicher 42 gibt ein großes Signal ab und dieses sperrt den Transistor 34 fast durchgehend, so daß der Hallgenerator 31 nur wenig oder gar keinen Strom erhält und der Motor weitgehend stromlos wird.

Zur Umschaltung der geregelten Motordrehzahl, z. B. von 300 auf 600 U/min., dient eine elektronische Drehzahlumschaltung 41, welche kontaktlos sowohl den Monoflop 39 wie den lntegrator und Phasenschieber 40 umschaltet.

In Fig. 2 ist der Motor 10 nicht nochmals dargestellt, sondern es sind nur die zu ihm führenden Leitungen B, C, D, E, F, H, I gezeigt, die mit den gleich bezeichneten Leitungen der Fig. 1 Übereinstimmen. Ebenso wie in Figur 1 ist auch in Fig. 2 das Anpassungsnetzwerk mit 38, der Monoflop mit 39, der Integrator und Phasenschieber mit 40, die elektronische Drehzahlumschaltung mit 41 und der Vergleicher mit 42 bezeichnet. Ferner sind auch die Widerstände 44 und 45 sowie ihr Abgriff 43 für die Erzeugung der Führungsgröße dargestellt.

Der Monoflop 39 enthält zwei npn-Transistoren 66 und 67, deren Emitter jeweils mit D verbunden sind. 65 ist mit der Basis von 66 verbunden; der Kollektor von 66 ist über einen Widerstand 68 mit E, über einen Widerstand 69 mit D und über einen Kondensator 72 mit der Basis von 67 verbunden, dessen Kollektor mit dem Aus­ gang 73 des Monoflops, über einen Widerstand 74 mit 65 und über einen Widerstand 70 mit E verbunden ist. Ferner ist die Basis von 67 über ein Potentiometer 75 und einen Widerstand 76 mit E verbun­ den. Die Basis von 67 ist über ein Potentiometer 77 und einen Widerstand 78 mit dem Kollektor eines pnp-Transistors 79 verbunden, dessen Emitter an E liegt. Ist 79 gesperrt, so sind 75 und 76 die Ladewiderslände für den Kondensator 72, und es ergibt sich eine relativ lange Ladezeit und dadurch eine lange lmpulsdauer des Monoflops 39, wie sie bei niederen Drehzahlen erforderlich ist.

Ist 79 leitend, so wird der Ladewiderstand für 72 kleiner, und die Impulsdauer wird kürzer, wie das bei einer höheren Drehzahl erforderlich ist.

73 ist mit dem Eingang des Phasenschiebers und lntegrators 40 verbunden, und zwar führt von 73 ein Widerstand 82 zu einem Kno­ tenpunkt 83, der seinerseits über einen Kondensator 84 mit dem Abgriff 43 und über einen Widerstand 85 mit der Basis eines pnp- Vergleichertransistors 86 verbunden ist. Zwischen dieser Basis und 43 liegt ein Kondensator 87, und ein Kondensator 88 liegt zwischen dieser Basis und dem Kollektor eines npn-Schalttransi­ stors 89, dessen Emitter ebenso wie der von 86 mit 43 verbunden ist. Die Basis von 89 ist über einen Widerstand 92 mit D und über einen Widerstand 93 mit dem Kollektor eines pnp-Schalttransistors 94 verbunden, der seinerseits über einen Widerstand 95 mit der Basis von 79 verbunden ist, während sein Emitter an E liegt und seine Basis über einen Widerstand 96 mit einem Steuereingang 97 verbunden ist.

Die Transistoren 79, 89 und 94 gehören zur elektronischen Dreh­ zahlumschaltung 41. Wenn 94 an seinem Eingang ein negatives Po­ tential erhält, wird er leitend und sperrt dadurch 79, so daß, wie bereits erläutert, der Monoflop 39 auf eine lange Impulsdauer umgeschaltet wird. Ferner wird dann 89 leitend und schaltet da­ durch den Kondensator 88 (groß) parallel zum Kondensator 87 (klein) und paßt dadurch den Phasenschieber 40 an die niedrige Frequenz der vom Monoflop 39 abgegebenen Impulse und deren ver­ längerte Zeitdauer an. Umgekehrt werden bei positivem Potential am Steuereingang 97 die Transistoren 94 und 89 gesperrt, während der Transistor 79 leitend wird und dadurch die Impulsdauer des Monoflops 39 verkürzt.

Die Bremsschaltung ist so aufgebaut, daß ein Vergleichstransistor 101 mit seiner Basis am Ausgang des Filters 40, welches eine wel­ lige, der Ist-Drehzahl proportionale Spannung liefert und mit seinem Emitter an einem Spannungsteiler 44, 45, 102, welcher eine der Soll-Drehzahl proportionale Spannung liefert, verbunden ist und dessen Kollektor mit der Basis eines weiteren Transistors 100, Fig. 1, verbunden ist, dessen Emitter mit der positiven Leitung E der Versorgungsspannung und dessen Kollektor über zwei Dioden 19, 20, welche für den Kollektorstrom des Transistors 100 in Flußrichtung geschaltet sind, mit den Anschlüssen der Motor­ wicklung 15 und 16 verbunden ist.

Die Bremsschaltung arbeitet wie folgt:

Tritt eine Überschreitung der Ist-Drehzahl über die Soll-Drehzahl ein, so wird, wie bei jedem proportional wirkenden Drehzahlreg­ ler, zunächst der Motorstrom unterbrochen. Dies geschieht da­ durch, daß die Basis des pnp-Transistors 86 positiver wird als dessen Emitter, wodurch über den verstärkenden Transistor 34 der Steuerstrom des Hallgenerators 31 und damit der Motorstrom in den Endstufentransistoren 17 und 18 unterbrochen wird.

Wird die Ist-Drehzahl weiter erhöht, so daß die der Ist-Drehzahl entsprechende Spannung um ca. 0,6 Volt positiver wird als die der Soll-Drehzahl entsprechende Spannung am Punkt 104 des Spannungs­ teilers 44, 45, 102, so wird der Vergleichstransistor 101 lei­ tend, dessen Kollektorstrom seinerseits den Transitor 100 leitend macht. Dadurch werden über die Dioden 19 bzw. 20 diejenigen in den Motorwicklungen 12 und 13 induzierten Spannungshalbwellen annähernd kurzgeschlossen, die die gleiche Polarität wie die an der Schaltung anliegende Betriebsspannung aufweisen.

Die dadurch in den Motorwicklungen 12 und 13 fließenden Ströme bewirken ein bremsendes Drehmoment.

Eine wesentliche Eigenschaft der Bremsschaltung ist, daß die in den Motorwicklungen 12 und 13 fließenden Ströme von den Wider­ ständen 23 und 24 gemessen werden und da sie den in den Wicklun­ gen induzierten Spannungen proportional sind, als Ersatz für die fehlenden, im Normalbetrieb von den Dioden 19 und 20 ausgekoppel­ ten Spannungshalbwellen dienen können, d. h. die Triggerung der Monoflop-Schaltung übernehmen können. Damit ist gewährleistet, daß auch im gebremsten Zustand des Motors dem Regler ein der Ist-Drehzahl proportionales Signal zur Verfügung steht. Zur Vervollständigung der Beschreibung wird ausdrücklich auf das Hauptpatent hingewiesen.

Claims (6)

1. Drehzahlgeregelter kollektorloser Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor, mit mindestens einer Wicklung, mit Mitteln, um eine zur Drehzahl des Motors proportionale gleichgerichtete Wechselspannung bzw. Signalspannung von einem Geber abzunehmen und mit weiteren Mitteln, über die die gleichgerichtete Wechselspannung bzw. Signalspannung einem Glied zugeführt ist, um ein Drehzahlistwertsignal in Form einer Gleichspannung mit einer überlagerten Welligkeit vorgebbarer Phasenlage und Amplitude zu erzeugen, wobei die weiteren Mittel darin bestehen, daß mit der gleichgerich­ teten Wechselspannung über ein Anpassungsnetzwerk Impulse mit auf den Drehzahlsollwert abgestimmter Zeitdauer ge­ triggert werden und der Trigger-Zeitpunkt durch das An­ passungsnetzwerk auf einen bestimmten Phasenwinkel nach dem Nulldurchgang der abgenommenen Spannung festgelegt wird und daß diese Impulse im Glied mittels eines Phasenschiebers und eines Integrators hinsichtlich ihrer Phase verschoben und geglättet werden oder, d. h. bzw., die Signalspannung aus Triggerimpulsen besteht und daß die weiteren Mittel darin bestehen, daß mit der Signalspannung Impulse durch auf den Drehzahlsollwert abgestimmter Zeitdauer getriggert werden, wobei diese Impulse im Glied mittels eines Phasen­ schiebers und eines Integrators hinsichtlich ihrer Phase verschoben und geglättet werden, nach Patent 26 16 044, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreitung der Soll- Drehzahl um einen geringen Betrag eine elektrisch wirkende Bremseinrichtung den Motor dadurch bremst, daß die Bremsung durch Kurzschließen der Wicklungen (12 und 13) erfolgt.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschließung der Wicklungen durch Halbleiter (19, 20) erfolgt.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschließung der Wicklungen jeweils nur während einer Spannungshalbwelle der in den Wicklungen (12 und 13) induzierten Spannungen erfolgt.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschließung während derjenigen Spannungshalbwellen erfolgt, die die gleiche Polarität wie die an den Wick­ lungen anliegende Betriebsspannung haben.

5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschließung durch zwei Dioden (19, 20), deren Kathoden an den Anschlüssen (15, 16) der Motorwicklungen (12, 13) und deren Anoden gemeinsam an den Kollektor eines Transi­ stors (100) angeschlossen sind, dessen Emitter mit der Be­ triebsspannungszuleitung E und mit den anderen Anschlüssen der Wicklungen (12, 13) verbunden ist, durch Einschalten des Transistors (100) erfolgt.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Dioden (19, 20) zwei in Reihe geschaltete Widerstände (23, 24) parallel geschaltet sind und daß zwischen dem Verbin­ dungspunkt der Dioden und dem Verbindungspunkt der Wider­ stände die abgenommene Spannung abgreifbar ist.