DE2750782C3 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstommotors - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines GleichstommotorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine solche Schaltungsanordnung ist bekannt durch die DE-AS 15 63 706,
Figur 3.
Bekannt ist ein selbsttätiges Schaltwerk zum Regeln von Wechselstrombahnmotoren, bei dem eine Regelkurve
verwendet wird, die proportional der Drehzahl ist, wobei der Strom so ausgewählt, daß verhindert wird,
daß die Ausgangsleistung einen vorbestimmten Wert übersteigt (DE-PS 5 64 228).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines
Gleichstrommotors, insbesondere eines Permanentmagnetmotors, zu schaffen, durch die das Auftreten von
Bürstenfeuer vermieden wird. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichens des
Patentanspruchs.
Die Verhinderung von Bürstenfeuer durch die erfindungsgemäßen Merkmale schützt den Gleichstrommotor
und erhöht somit dessen Lebensdauer.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben, es zeigt
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Ausgangskennlinien
eines Gleichstrommotors,
F i g. 2 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,
Fig.3 ein Blockschaltbild eines Leistungsbegrenzungskreises,
Fig.4 eine graphische Darstellung der Ausgangskennlinie
des Leistungsbegrenzungskreises,
F i g. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach der Erfindung
und
Fig.6 ein Schaltbild des Leistungsbegrenzungskreises
in F i g. 3.
Bei einem Gleichstrommotor haben Ausgangsleistung PO, Drehzahl n, Ankerstrom Ia, Feldfluß Φ und
Lastdrehmoment Tzueinander die folgenden Beziehungen
PO = 2πη■T
■ T = k ■ Φ ■ Ic.,
worin k eine Konstante ist Aus den Formeln (1) und (2) folgt
P0 = 2nk<PnIa. (3)
Bei einem Gleichstrommotor, bei dem der Feldfluß durch einen Permanentmagneten erzeugt wird, ist der
Feldfluß Φ konstant, und es ergibt sich folgende Beziehung
PQ= Kn-Ia,
worin K = 2 π k Φ ist
Solange die Last konstant ist, d.h., solange die
Motorausgangsleistung PO konstant ist, stehen demgemäß die Drehzahl und der Ankerstrom im umgekehrten
Verhältnis zueinander, was eine Kennlinie ergibt, die durch die Kurve PO in F i g. 1 angegeben ist
Die Kommutierungsgrenze der Bürsten des Gleichstrommotors ist durch die Kurve P3 in F i g. 1
angegeben. Die Verwendung des Gleichstrommotors in einem Bereich, der die Kommutationsgrenzkurve P3
übersteigt, führt zur Funkenbildung der Bürsten und zur beschleunigten Abnutzung der Bürsten.
In einem als Beispiel gewählten Fall einer Drehbank werden die Tiefe des Schnitts und die anzuweisende
Spindeldrehzahl unter Berücksichtigung eines zulässigen Drehmoments des Schneidwerkzeugs bestimmt,
wobei das Material des Werkstücks, die Schneidleistung, die Motordrehzahl usw. gesteuert werden, um diese an
die angewiesene Spindeldrehzahl anzupassen. Es wird angenommen, daß ein Gleichstrommotor zum Antreiben
der Spindel sich zum Schneiden an einem Arbeitspunkt Q1 auf der Leistungskurve Pl in F i g. 1
dreht, wobei die angewiesene Drehzahl η 1 ist und der Ankerstrom /1 ist Wenn das Schneidwerkzeug einen
härteren Teil des Werkstücks beim Fortschreiten des Schneidvorgangs erreicht, steigt das Drehmoment an
dem Schneidwerkzeug plötzlich an, wodurch die Motordrehzahl verringert wird. Die Spannungsdifferenz
zwischen der angewiesenen Motordrehzahl und der Istdrehzahl steigt dann an, um die Motordrehzahl
konstant zu steuern. In diesem Fall nimmt der ■Vnkerstrom /a mit einem Anstieg der Spannungsdifferenz
zu, und die Motorausgangsleistung steigt von PO nach P3 über die Kommutierungsgrenze Ps hinaus an.
Der Arbeitspunkt passiert die Kommutationsgrenzkurve,
um den Punkt <?3 auf der Kurve P 3 zu erreichen.
Hierbei tritt jedoch, wie oben erwähnt, eine Funkenbildung
auf, wodurch die Eigenschaften der Bürsten verschlechtert werden und eine schnelle Abnutzung
auftritt
Die Funkenbildung kann durch eine solche Steuerung vermieden werden, daß sofort, wenn der Arbeitspunkt
die Kommutierungsgrenze überschreitet, die Drehzahl des Gleichstrommotors abfällt, um die Zeit zu
verringern, während welcher der Arbeitspunkt über der Kommutierungsgrenze liegt
Die Kommutierungsgrenzkurve PZ kann qualitativ in folgender Weise ausgelegt werden. Je mehr der
Ankerstrom ansteigt, desto merklicher wird der Demagnetisierungseffekt und desto mehr verschiebt
sich die neutrale Achse des Gleichstrommotors. Als Ergebnis kreuzt die durch die Bürsten kurzgeschlossene
Wicklung den Feldfluß, wodurch eine Gegen-EMK in der Wicklung erzeugt wird, weshalb ein großer örtlicher
Strom durch die Wicklung fließt, der zu einer Funkenbildung der Bürsten führt
Wenn die Motorgeschwindigkeit ansteigt wird die Stromänderungszeit in der Wicklung, während der sich
die Richtung des Stroms ändert, kurz, wodurch eine große Gegen-EMK (e = L-^) in der Wicklung erzeugt
wird, was die Funkenbildung der Bürsten fördert
Um unter Berücksichtigung der vorstehenden Angaben eine Funkenbildung und eine Abnutzung der
Bürsten zu vermeiden, ist es wünschenswert eine Leistungsgrenzkurve PL einzustellen und den Gleichstrommotor
innerhalb der Grenze der Leistungsgrenzkruve PL zu steuern. In diesem Fall ist es aber nicht
erwünscht daß die Leistungsgrenzkurve PL mit der Kommutierungsgrenzkurve P 3 zusammenfällt da es
Fälle gibt, bei denen der Arbeitspunkt die Kurve P3
übersteigt
In dem Blockschaltbild der Regelungsschaltung des Gleichstrommotors nach F i g. 2 bezeichnen DC den
Gleichstrommotor, 7TG einen Tachogenerator zum Erzeugen einer zur Drehzahl des Gleichstrommotors
proportionalen Spannung, 51 bis 54 im Uhrzeigersinn angeordnete Thyristoren, SV bis 54' entgegen dem
Uhrzeigersinn angeordnete Thyristoren, ID einen Ankerstromdetektor, der beispielsweise durch einen
Widerstand gebildet ist IAC einen Zündwinkelsteuerkreis zum Steuern der Zündwihkel der Thyristoren,
CDC ein Stromrneßglied, das mit dem Ausgang des
Ankerstromdetektors ID verbunden ist, um einen Stromwert festzustellen, A 1 bis A 3 Addiereinrichtungen,
AMPi und AMP 2 Verstärker, CC einen
Stromregelkreis für die Rückkopplung des Ankerstroms, CL einen Strombegrenzungskreis, der verhindert,
daß der Ankerstrom einen vorbestimmten maximalen Wert übersteigt, und der ein Ausgangssignal
erzeugt, wenn der Ankerstrom größer als der maximale Wert wird, und PLC einen Leistungsbegrenzungskreis,
der eine Spannung ep nur dann erzeugt, wenn die
Motorausgangsleistung einen vorbestimmten Wert PL übersteigt
Eine Drehzahlregelspannung ev von dem (nicht dargestellten) Eingang wird an den Zündwinkelsteuerkreis
IAC über die Verstärker AMPi und AMP2
angelegt Beim Anlegen eines Eingangssignals zündet der Zündwinkelsteuerkreis IAC die im Uhrzeigersinn
angeordneten Thyristoren 51 bis 54 und die entgegen dem Uhrzeigersinn angeordneten Thyristoren SV bis
54' zu entsprechenden Zeiten in Abhängigkeit von der befohlenen Richtung der Drehung, wodurch ein Strom
IA dem Gleichstrommotor zugeführt wird, um diesen anzutreiben. Die Drehzahl des Gleichstrommotors wird
durch den Tachogenerator TG festgestellt und eine zu der festgestellten Motordrehzahl proportionale Spannung
ef wird zu der Addiereinrichtung A i zum Vergleich mit der Drehzahlregelspannung evzurückge
koppelt und die Spannungsdifferenz ev- ■ e/wird an den
Verstärker AMPi angelegt Der Zündwinkelsteuerkreis IAC steuert die Zündwinkel der Thyristoren,
wodurch die Spannungsdifferenz ev—ef auf Null gebracht wird. Der Zündwinkelsteuerkreis IAC dient
somit dazu, das Zünden der Thyristoren in Abhängigkeit davon zu beschleunigen oder zu verzögern, ob die
Motordrehzahl niedriger oder höher als die Solldrehzahl ist wodurch die an den Motor angelegte Spannung
konstant gemacht wird und letztlich die Motordrehzahl mit der Solldrehzahl, bei welcher der Motor angetrieben
wird, in Übereinstimmung gebracht wird. Mit der Solldrehzahl π i und dem Lastdrehmoment 7*1 wird die
Motorausgangsleistung Pi zu
2n ■ ni ■ Π (kW).
Nachfolgend wird die Wirkung der Erfindung in Verbindung mit einer Drehzahlregelung für einen
Gleichstrommotor beschrieben, die bei einer Drehbank angewendet wird. Es wird angenommen, daß ein
Werkstück durch ein Schneidwerkzeug geschnitten wird, während dieses durch den Motor angetrieben
wird, der sich mit einer Drehzahl η 1 dreht um eine Ausgangsleistung P1 zu erzeugen. Wenn der Schneidvorgang
zu einem härteren Teil des Werkstücks gelangt, steigt das Drehmoment am Schneidwerkzeug an,
wodurch die Motordrehzahl verringert wird, und die Ausgangsspannung e/des Tachogenerators wird niedriger.
Folglich steigt die Spannungsdifferenz ev— ef an und der Zündwinkelsteuerkreis IAC arbeitet, um das
Zünden der Thyristoren zu beschleunigen, wodurch die Spannung an dem Motor ansteigt und daraufhin die
Motordrehzahl zu der Solldrehzahl zurückkehrt. Andererseits beginnt aufgrund der Verringerung der
Motordrehzahl und des Anstiegs der an den Motor angelegten Spannung der Ankerstrom Ia anzusteigen.
Da die Motorausgangsleistung durch das Produkt der Gegen-EMK E und des Ankerstroms Ia gegeben ist,
übersteigt die Motorausgangsleistung die Leistungsgrenze PL früher oder später.
Wenn die Motorausgangsleistung den vorbestimmten Wert PL übersteigt greift der Leistungsbegrenzungskreis
PLC ein, wodurch die Spannung ep erzeugt wird. Das bedeutet, daß, wie unten beschrieben wird, der
Leistungsbegrenzungskreis PLC von dem Ankerstrom Ia und der Ausgangsspannung e/des Tachogenerators
gespeist wird und davon die Motorausgangsleistung berechnet und eine solche Spannung ep erzeugt, wie sie
in Fig.4 gezeigt ist wenn die Motorausgangsleistung
die Leistungsgrenze PL übersteigt Die Ausgangsspannung ep wird an die Addiereinrichtung A 3 angelegt. Als
Ergebnis gibt die Addiereinrichtung A 3 eine Ausgangsspannung (ev-ep)-ef ab, um einen Zustand zu
erzeugen, der äquivalent zu dem Zustand ist, bei dem die Solldrehzahl verringert worden ist, und das Zünden der
Thyristoren beginnt sich zu verzögern, was zu einem Abfall der Spannung V führt, die an den Motor angelegt
ist. Andererseits steigt der Betrag des Ankerstroms Ia aufgrund der Verringerung der Motordrehzahl an und
übersteigt den Betrag des vorangehenden Abfalls aufgrund der Verringerung der angelegten Spannung V,
so daß der Ankerstrom la ansteigt Somit verschiebt sich der Arbeitspunkt von Ql nach Q2, wie in Fig.5
gezeigt ist. Das bedeutet, daß am Arbeitspunkt Q 2 ein Drehmoment Ar Φ /2 durch den Ankerstrom 12 erzeugt
wird und daß dieses Drehmoment mit dem von dem Schneidwerkzeug geforderten Drehmoment übereinstimmt
Wenn die Motorausgangsleistung den vorbestimmten Wert PL überschreitet, arbeitet auf diese Weise die
Schaltung, um die Motordrehzahl zwangsläufig zu verringern, so daß die Zeit, bei welcher die Motorausgangsleistung den vorbestimmten Wert PL übersteigt,
sehr kurz ist und keine Funkenbildung an den Bürsten auftritt
Da der vorbestimmte Wert PL so ausgewählt ist, daß
er etwas niedriger als die Kommutationsgrenze Ps ist
übersteigt bei der Erfindung die Motorausgangsleistung nicht die Kommutationsgrenze Ps, was einen sehr guten
Motorantrieb sicherstellt.
Gemäß der Erfindung kann, wenn die Motorausgangsleistung den vorbestimmten Wert PL übersteigt
die Motordrehzahl nicht mehr mit der Solldrehzahl in Übereinstimmung gebracht werden, vielmehr ist es
unter dem Gesichtspunkt der Verhinderung eines Bruchs des Schneidwerkzeugs erwünscht, eine solche
Steuerung anzuwenden, daß die Motordrehzahl geringer als die Solldrehzahl ist Der Grund besteht darin,
daß das maximale, für das Schneidwerkzeug zulässige Drehmoment durch sein Material u. a. bestimmt ist Das
tatsächlich an das Schneidwerkzeug angelegte Drehmoment ist abhängig von der Schnittiefe, der Drehzahl,
dem Material des Werkstücks usw. Demgemäß ist es beim Schneiden eines harten Teils des Werkstücks
erforderlich, daß die Drehzahl der Spindel, d.h. des Werkstücks, verringert wird. Wenn die Drehzahl immer
unabhängig von der Härte des Werkstücks konstant gehalten wird, übersteigt das Drehmoment an dem
Schneidwerkzeug seinen zulässigen maximalen Wert, was zu einem Bruch des Schneidwerkzeugs führt
Deshalb wird es bevorzugt um eine Funkenbildung und einen Bruch des Schneidwerkzeugs zu verhindern, die
Motordrehzahl zu verringern, wenn die Motorausgangsleistung die Leistungsgrenze übersteigt falls das
Schneiden eines harten Teils des Werkstücks erfolgt
F i g. 3 zeigt im einzelnen den Leistungsbegrenzungskreis PLC nach Fig.2. MPL bezeichnet einen
Multiplizierer, COM bezeichnet einen Komparator und AMP bezeichnet einen Verstärker. Die anderen
Bezugszeichen entsprechen den in Fig.2 gezeigten
Teilen.
Der Multiplizierer MPL führt eine Multiplikation der Ausgangsspannung e/des Tachogenerators TG und der
Ausgangsspannung / des Strombegrenzungskreises CL aus, um die Motorausgangsleistung zu berechnen.
gen V = £ + Ra- Ia
PO E ■ Ia,
worin £"die Gegen-EMK des Motors ist, die gleich Jt Φ η
ist, und PO die Motorausgangsleistung ist Deshalb gilt folgendes
PO = Ατ
ίο Die Motorausgangsleistung PO ist proportional zum
Produkt der Drehzahl π und des Ankerstroms la. Die
Motorausgangsleistung PO wird am Ausgang des Multiplizierers MPL erzeugt Die Motorausgangsleistung PO wird durch den Komparator COM mit der
Leistungsgrenze PL verglichen. Wenn P0>PL ist,
erzeugt der Komparator COM eine konstante Spannung ep, wie in F i g. 4 gezeigt ist Diese Spannung wird
an den Addierer A3 über den Verstärker AMP angelegt woraufhin der oben bei F i g. 2 beschriebene
F i g. 6 zeigt im einzelnen den in F i g. 3 angegebenen Leistungsbegrenzungs kreis.
In F i g. 6 bezeichneten Ti und T2 Eingangsanschlüsse, an welche die festgestellten Werte der Tachogenera-
torspannung N und des Ankerstroms la angelegt werden. Γ3 bezeichnet einen Ausgangsanschluß, der
mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers AMP2 in F i g. 2 verbunden ist Wenn der festgestellte Wert
N ■ Ia eine Spannung übersteigt die durch eine
Leistungsbegrenzungseinstelleinrichtung RPL eingestellt worden ist die durch einen variablen Widerstand
gebildet wird, wird die Spannung an dem Anschluß T3
festgehalten. Al bis Ä20 bezeichnen Widerstände,
OA 1 bis OA 3 bezeichnen Operationsverstärker, AB 1
und AB2 bezeichnen Absolutwertkreise, MPL bezeichnet einen Multiplizierer, D1 bis D 4 bezeichnen Dioden
und TR bezeichnet einen Transistor.
Eine \N\ darstellende Spannung wird an dem Ausgangspunkt Pl des Absolutwertkreises ABi
erzeugt und eine \Ia | darstellende Spannung wird an dem Ausgangspunkt P2 des Absolutwertkreises AB 2
erzeugt Diese Spannungen werden in dem Multiplizierer MPL multipliziert woraufhin an seinem Ausgangspunkt P 3 eine Spannung abgegeben wird, die ein Maß
für |iV · Ia I ist
Mit der Erfindung ist es möglich, eine Funkenbildung
der Bürsten und einen Bruch des Schneidwerkzeuges zu verhindern, was zu einem optimalen Gleichstrommotorantrieb führt
so Die Erfindung ist vorstehend im Zusammenhang mit dem Fall beschrieben worden, bei dem die Ausgangsleistungsgrenze derart ist, wie sie in F i g. 4 gezeigt ist Es
können bei der Erfindung aber auch Abwandlungen angewendet werden, beispielsweise eine Hysteresis
kennlinie, wie sie durch gestrichelte Linien in Fig.4
angegeben ist
Claims (1)
- Patentanspruch:Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, insbesondere eines Permanentmagnetmotors, mit einem Tachogenerator, mit einem den Motor speisenden Thyristorkreis, mit einer ersten Addiereinrichtung zum Addieren einer Drehzahlsollwertspannung und einer Rückkopplungsspannung von dem Tachogenerator, mit einem Zündwinkelsteuerkreis zum Steuern des Zündwinkels der Thyristoren in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Addiereinrichtung, mit einem unterlagerten Stromregelkreis, der eine zweite Addiereinrichtung enthält, die zwischen der ersten Addiereinrichtung und dem Zündwinkelsteuerkreis angeordnet ist, und mit einem den Ankerstrom des Motors messenden Strommeßglied sowie mit ainer Einrichtung, die abhängig von Ankerstrom und Rückkopplungsspannung die Eingangsspannung des Zündwinkelsteuerkreises herabsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtung aus einem Leistungsbegrenzungskreis (PLC) besteht, dem eine Stromistwertspannung von dem Strommeßglied (CDC) und die Rückkopplungsspannung zugeführt sind, dessen Ausgangsspannung an einen negierten Eingang einer dritten zwischen Stromregler und Zündwinkelsteuerkreis angeordneten Addiereinrichtung (A3) angelegt wird, wobei der Leistungsbegrenzungskreis einen Komparator (COM) aufweist, um die tatsächliche Leistung (P0) des Motors, die aus dem Produkt der Rückkopplungsspannung und der Stromistwertspannung erhalten wird, mit einem von der Kommutationsgrenze der Motorbürste vorbestimmten Wert (Pl) zu vergleichen, und wobei der Leistungsbegrenzungskreis, wenn die tatsächliche Leistung Po den vorbestimmten Wert übersteigt, die dem Zündwinkelsteuerkreis (IAC) zugeführte Eingangsspannung im gleichen Sinne wie eine Herabsetzung der Drehzahlsollwertspannung steuert.
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