DE2933658A1 - Schaltungsanordnung zum regeln der induktion in einem magnetischen kreis - Google Patents
Schaltungsanordnung zum regeln der induktion in einem magnetischen kreisInfo
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Description
SOCIETE INDUSTRIELLE DE SONCEBOZ S.A. Rue Rosselet Challondes, CH-26Q5 Sonceboz
Schweiz
Bernard GIBERT
25,* Rue des ßergeres, F-91440 Les Ullis
Frankreich
Maurice BAR
5, Rue Albert Camus, F-92160 Antony Frankreich
Schaltungsanordnung zum Regeln der Induktion in einem magnetischen Kreis
130013/0310
Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung die für eine von einer Gleichstromquelle ausgehende Speisung
und Kommutierung von Wicklungen, insbesondere den Statorwicklungen von synchronen oder asynchronen elektrischen Schrittmotoren
sorgt.
Bei bekannten Anordnungen dieser Art, die auch als Translatoren bezeichnet werden können, wird der über die Wicklungen
fließende Strom konstant oder gleich Null gehalten, was zu einem unregelmäßigen, stoßweise auftretenden und schwierig zu
beherrschenden Drehfeld sowie zu einem gleichfalls unregelmäßigen Motordrehmoment führt. Die Nachteile eines derart ungleichmäßigen
Drehmoments (insbesondere Schwingungen des Rotors, Resonanzerscheinungen bei bestimmten Frequenzen und die
Unmöglichkeit, den Motor außerhalb von bestimmten Stellungen anzuhalten) sind wohlbekannt; sie stellen ein Hindernis bei
dem Einsatz solcher Motoren für die Feineinstellung der Winkellage dar.
Um ein regelmäßiges Drehen zu erhalten, muß ein konstantes Drehmoment vorhanden sein; dementsprechend muß der Strom in
den Statorwicklungen moduliert werden. Unter den bisher in Betracht gezogenen Verfahren kann dasjenige festgehalten werden,
das darin besteht, einen Begrenzerverstärker zu verwenden. Bekannte Zerhackerverstärker sind jedoch nur mit einem
einzigen Vergleicher mit Hysteresewirkung ausgerüstet und
130013/0310
lassen nur zwei mögliche physikalische Zustände zu, nämlich
zum einen die Übermittlung von Energie von der Stromquelle zu den Wicklungen und zum anderen den Kurzschluß einer der Wicklungen
(Energieerhaltung in der Wicklung mit entsprechenden Verlusten). Weil die Rückführung von Energie des magnetischen
Kreises zu der Stromquelle nicht ohne Umkehrung des Vorzeichens der Ströme erfolgt, ist es nicht möglich, eine gleichmäßige
Verminderung der Energie in dem magnetischen Kreis vorzugeben .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische
Schaltungsanordnung für die Steuerung der Induktion in Wicklungen, insbesondere den Wicklungen von Elektromotoren, zu
schaffen, die diese Mangel vermeidet und die es gestattet, die Wicklungen entsprechend einem vorbestimmten Änderungsgesetz
zu speisen, ohne daß dieses Gesetz während der Verminderung der Energie unberücksichtigt bleibt, die in dem magnetischen
Kreis gespeichert ist.
Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird aufgrund vor, Informationen, die in einer logischen Schaltungsstufe vorliegen,
der Kurzschluß einer Wicklung oder die Energierückgewinnung ausreichend frühzeitig ausgelöst, um den Überstrom
richtig zu korrigieren.
130013/0310
Entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind
die in geradzahliger Anzahl vorhandenen Motorwicklungen paarweise mit einem Mittelabgriff ausgestattet, und die Schaltungsanordnung
weist für jedes Spulenpaar eine Additionsstufe, einen einzelnen Vergleicher für den Höchstwert, einen
einzigen Vergleicher für den Kleinstwert und eine einzige logische Schaltungsstufe auf.
Entsprechend einer zweiten Ausführungsform, die gegebenenfalls
mit der vorstehend geschilderten kombiniert ist, handelt es sich bei den Vergleichern um Vergleicher mit Hysteresewirkung,
die logische Signale mit zwei Pegeln abgeben.
Entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
die gegebenenfalls mit den vorstehend erläuterten Ausführungsformen kombiniert sein kann, wird die logische Schaltungsstufe
von einem ROM-Speicher (Festspeicher) gebildet, der mit einer Rückführung zu sich selbst versehen ist.
Entsprechend einer vierten Ausführungsform der Erfindung, die
gegebenenfalls mit den vorstehend genannten Ausführungsformen
kombiniert ist, wird die einen in Abhängigkeit von der Zeit variablen Sollwert liefernde Anordnung von einem Festspeicher
gebildet, der in numerischer Form mehrere Stromverläufe enthält,
die unterschiedliche optimierte Sollwerte darstellen.
130013/0310 ni
Of*G"^ inspects,
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine Schaltungsanordnung der genannten Art zu schaffen, die es gestattet, das Gesetz
der Ausbildung des Stroms als Funktion der Last des Motors zu variieren, indem die Taktfrequenz beeinflußt wird, die das
Abtasten der ausgewählten Speicheradressen gestattet.
Allgemein liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schaltungsanordnung zu schaffen, die durch Begrenzung
oder Beschneidung das Beeinflussen der Induktion in einem magnetischen Kreis gestattet, der zwei elektromagnetisch
gekoppelte Wicklungen oder eine einzige Wicklung aufweist.
Eine elektronische Schaltungsanordnung zur Speisung und Steuerung der Induktion von Wicklungen, insbesondere Statorwicklungen
von rotierenden Elektromotoren, mit einer Gleichstromquelle und einer Einrichtung zur Rückführung von Energie
an die Stromquelle, während der Strom in einer Wicklung einen Sollwert übersteigt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß zwecks Regelung der Stromstärke in den in Betrieb befindlichen Wicklungen auf einen im wesentlichen variablen
Soliwert und Aufjrechterhaltung der Regelung selbst während der
Verminderung des Sollwertes vor der Umkehr der Stromrichtung eine Einrichtung zum Vergleichen des Stroms mit zwei variablen
Grenzwerten und eine Einrichtung vorgesehen sind, mittels deren entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs zu einem gegebenen
Augenblick und dem Ergebnis des vorausgegangenen Ver-
130013/0310
gleichs gegebenenfalls Energie über eine zugeordnete Wicklung
zu der Quelle zurückführbar oder die in Betrieb befindliche
Wicklung kurzschließbar ist.
Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In den beiliegenden Fign. zeigen:
Fign. la und Ib eine Spulenanordnung und den zu
gehörigen Stromverlauf zur Erläuterung des mit der Erfindung gelösten Problems,
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der
Arbeitsweise der Logikstufe der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer bevor
zugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung,
Fig. 4 ein Beispiel für die Bildung der
Signale in Abhängigkeit von der Zeit zur Erläuterung der Funktionsweise
der Schaltungsanordnung
130013/0310
-Π - ■ ■ ; ;
nach Fig. 3,
Fig. 5 eine erläuternde Schemadarstel
lung,
Fig. 6 eine bevorzugte Ausgestaltung
der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 sowie
Fign. 7a und 7b Aufzeichnungen, die beim Betrieb
eines Schrittmotors mit einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung
erhalten wurden.
In Fig. Ib sind gestrichelt die Ströme I, und I„ dargestellt,
die an die Wicklungen L-, und L« (Fig. la) angelegt werden
sollten, die beispielsweise Teil eines Schrittmotors sind. In dieser Fig. ist die Zeit in Abszissenrichtung aufgetragen,
während die Stromstärken in Ordinatenrichtung verlaufen.
Um eine Drehung und ein Drehmoment von gleichmäßigem Verlauf zu erhalten, müssen diese Ströme variabel sein und eine optimierte
Form haben. Der Einfachheit halber ist in der Fig. davon ausgegangen, daß der Motor nur zwei Wicklungen aufweist
oder daß die dargestellten Wicklungen gemäß Fig. la beispieis-
130013/0310 ...w
weise die erste und die dritte (oder die zweite und die
vierte) Wicklung eines Motors mit vier Wicklungen (Phasenzahl η = 4) sind.
Bei den bekannten Anordnungen, die einen Begrenzerverstörker aufweisen, wird die Wicklung kurzgeschlossen, wenn der Strom
in der Wicklung den Sollwert erreicht. Die durch die Verlagerung des Rotors induzierten Spannungen führen im allgemeinen
zu den in ausgezogenen Linien dargestellten Kurven, die unterhalb der idealen theoretischen Kurve bis zu dem Augenblick
verlaufen, wo die Umkehrung des Vorzeichens des Sollwertes erfolgt, was eine erhebliche Störung hinsichtlich der
Größe des Drehmoments bewirkt. Das in diesem Moment erfolgende Kurzschließen und die sich einstellenden verschiedenen
Energieverluste sollten es erlauben, den Strom auf den Sollwert zurückzubringen. Weil sich jedoch der Sollwert rasch
ändern kann (dies hängt von der Steigung der Sollwertkurve in dem Bereich ab, innerhalb dessen die Unterbrechung erfolgt),
und zwar aufgrund der Wirkung der gegenseitigen Induktivitäten der Wicklungen und der durch die Bewegung des Rotors induzierten
Spannungen, reicht das Kurzschließen der Wicklung, während der Strom in dieser Wicklung über den Sollwert ansteigt,
nicht aus, um den Strompegel auf einen Wert nahe dem Sollwert zurückzubringen. Der Verstärker verliert infolgedessen
die Kontrolle über das Geschehen, wie dies in Fig. Ib zu erkennen ist, wo der Strom I, wieder ansteigt (und zwar wäh-
130013/0310 OHOOlAL INSPECTB»
rend der Periode A, innerhalb deren die in dem magnetischen Kreis gespeicherte Energie zu groß ist, um aufgrund des
Jouleschen Effekts in der Wicklung vernichtet zu werden).In dem Augenblick der Unterbrechung der Speisung der Wicklung L,
macht sich die in dem magnetischen Kreis vorhandene Energie durch das praktisch augenblickliche Auftreten eines Stroms
-Iq in der zugeordneten Wicklung bemerkbar. Weil der Strom
in der zweiten Wicklung negativ ist, gibt diese die gespeicherte Energie an die Zuführung zurück; auf diese Weise erreicht
der Strom I? rasch den Sollwert (Periode B). Dies geschieht
jedoch zu spät, um den Überstrom in der ersten Wicklung zu kompensieren, wo der Strom den Wert In erreicht, bevor
er auf Null abfällt. Um den bei der Unterbrechung in dieser
Spule auftretenden Strom besser zu steuern, muß der beschriebene Prozeß frühzeitiger ausgelöst werden. Damit dies
möglich ist, muß eine zusätzliche Information vorhanden sein, bei der es sich um die Richtung oder das Vorzeichen der Entwicklung
des Effektivstroms mit Bezug auf den Sollwert oder
besser um die Richtung der Entwicklung des Stroms mit Bezug auf eine Abweichung von dem Sollwert nach der einen und der
undsren Seite handelt. Genau dies wird mit der nachstehend
erläuterten Schaltungsanordnung erreicht, die eine Logikstufe aufweist, welche in jedem Augenblick die Informationen bezüglich
der Lage des Stroms innerhalb dieses Abweichungsbereichs aufnimmt und, falls notwendig, die augenblickliche Lage mit
der vorausgehenden Lage vergleicht. Dies ist in Fig. 2 sehr
130013/0310
schematisch dargestellt, wo wiederum die Zeit in Abszissenrichtung
und die Stromstärke in Ordinatenrichtung aufgetragen ist. Die Kurve e stellt den Sollwert des Stroms dar. Die
Kurven e+a und e-a geben die Grenzwerte des zulässigen Abweichungsbereichs wieder, wobei α der Absolutwert der Toleranz
ist. Während beispielsweise die Punkte B und D beide innerhalb der Begrenzungen des Abweichungsbereichs liegende
Ströme representieren, entsprechen sie unterschiedlichen Situationen, weil der Punkt B auf einen Wert (Punkt A) folgt,
der einer unzureichenden Induktion entspricht, während der Punkt D auf eine Situation (Punkt C) folgt, die einer übermäßigen
Induktion entspricht. Die Punkte A und C sind Fälle, die sich bei normaler Funktion nur einstellen, wenn der Strom
in einer Wicklung eingeschaltet oder unterbrochen wird und wenn der Motor Laständerungen erfährt.
Es ist leicht einzusehen, daß die auszuübende Wirkung nicht
die gleiche ist, je nach dem ob man in den Abweichungsbereich nach einer Vergrößerung oder einer Verminderung der Induktion
eintritt. Die logische Schaltungsstufe zeigt durch Vergleich der aktuellen Information mit der vorausgegangenen Information
an, in welcher Situation man sich befindet. Dies ist nachstehend anhand des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 im einzelnen
erläutert.
130013/0310 OniGiNAL .NSPECTTSD
In dieser Fig. sind mit 11 und 12 zwei gegenphasige Wicklungen des Stators eines Elektromotors bezeichnet. Diese beiden
Wicklungen sind beim Einbau in den Motor magnetisch gekoppelt. Sie sind vorliegend über ein gemeinsames Ende (Mittelabgriff)
mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle 10 über einen Transistor 1 verbunden, zwischen dessen Anschlüssen
eine gegenpolig geschaltete Diode 4 liegt. Die zweiten
Enden der Wicklungen 11 und 12 sind mit dem negativen Pol
der Stromquelle 10 über einen Transistor 2 und eine zu dessen Anschlüssen gegenpolig geschaltete Diode 5 bzw. einen
Transistor 3 und eine zu dessen Anschlüssen gegenpolig geschaltete Diode 6 verbunden. Die in diesen Wicklungen fliessenden Ströme I,, I« werden mit Hilfe von zugehörigen Widerständen 8 und 9 gemessen, die in Reihe mit den Wicklungen
liegen. Die an den Anschlüssen dieser Widerstände auftretenden, den betreffenden Strömen proportionalen Spannungen bilden die Eingangssignale c und d eines Verstärkers 13 mit der Übertragungsfunktion
Enden der Wicklungen 11 und 12 sind mit dem negativen Pol
der Stromquelle 10 über einen Transistor 2 und eine zu dessen Anschlüssen gegenpolig geschaltete Diode 5 bzw. einen
Transistor 3 und eine zu dessen Anschlüssen gegenpolig geschaltete Diode 6 verbunden. Die in diesen Wicklungen fliessenden Ströme I,, I« werden mit Hilfe von zugehörigen Widerständen 8 und 9 gemessen, die in Reihe mit den Wicklungen
liegen. Die an den Anschlüssen dieser Widerstände auftretenden, den betreffenden Strömen proportionalen Spannungen bilden die Eingangssignale c und d eines Verstärkers 13 mit der Übertragungsfunktion
b = kc - kd
wobei k innerhalb des ausgenutzten Arbeitsbereichs als
Konstante betrachtet wird.
Konstante betrachtet wird.
Der Verstärker 13 liefert ein Signal b, das der Differenz
der Ströme in den Wicklungen, d.h. dem Wert der in dem magnetischen Kreis vorhandenen Induktion, unmittelbar proportional ist, falls das Material nicht gesättigt ist.
der Ströme in den Wicklungen, d.h. dem Wert der in dem magnetischen Kreis vorhandenen Induktion, unmittelbar proportional ist, falls das Material nicht gesättigt ist.
130013/0310
ORiGiNAL INSPECTED
Dieses Signal b wird zwei algebraischen Summierstufen (einer Additionsstufe und einer Subtraktionsstufe) 17 und 18 zugeführt,
denen außerdem ein Sollwertsignal α zugeht, das die zulässige Toleranz bezüglich des Wertes des Stroms in den
Wicklungen darstellt. Die algebraischen Summierstufen 17 und 18 liefern Signale b+a bzw. b-a, die Vergleichern 15 und 16
zugeführt werden, denen außerdem der Stromsollwert e zugeht, der von einem Sollwertsignalgenerator 14 geliefert wird und
der das Abbild des Induktionspegels darstellt, der in dem magnetischen Kreis aufrechterhalten werden soll.
Bei den Vergleichern 15 und 16 handelt es sich bei diesem Ausführungsbeispiel
um Vergleicher mit Hystereseverhalten, was
von zweifachem Vorteil ist, weil sie selbsttätig für eine gewisse Dämpfung sorgen und weil sie binäre Ausgangssignale f/
g liefern, die aufgrund ihrer Form und ihrer Dämpfung unmittelbar, ohne vorausgehende Umformung oder dergleichen den Eingängen
19.1 und 19.2 einer numerischen Logikstufe 19 zugeführt werden können, der außerdem über einen Eingang 19.3 vom Generator
14 unmittelbar ein Binärsignal zugeht, das kennzeichnend für das Vorzeichen des Sollwertes e ist. Die Logikstufe 19 bildet
aufgrund dieser drei Eingangsinformationen und des Vergleichs dieser Informationen mit dem Wert der betreffenden
Informationen im vorausgegangenen Augenblick binäre Steuersignale h, i, j für die Basen der Transistoren 1, 2 und 3. Die
Logikstufe 19 liefert ferner zwei Hilfssignale 1 und m, die
130013/0310 ORIGINAL INSPECTED
nachstehend näher erläutert sind und die benutzt werden/ um gegebenenfalls den Sollwert e zu modifizieren.
Die Leitung 19.4 (Signal k) stellt eine Rückführung der Logikstufe zu sich selbst dar und soll die Auswertung von
Informationen, die zu zwei aufeinanderfolgenden Augenblikken
empfangen werden, Hurch die Logikstufe darstellen. Entsprechend der Art der Logikstufe, deren praktische Ausführung
sich für den Fachmann von selbst versteht, gestattet diese "Speicherung" eine sequentielle Dekodierung, die sich
leicht an die Ausdehnung des Prinzips anpassen läßt.
Die Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:
Die Kombination aus den algebraischen Summierstufen und den
Vergleichern 15, 16 bildet Vergleicheranordnungen für den
Strom und damit für die Induktion mit den Grenzwerten e+a und e-a, wobei e der Sollwert und α die Toleranz ist, so
daß der gemessene Strom in den wie folgt definierten Grenzen liegt:
Es gilt die Beziehung
e - a <, b <C. e + a
was die Signale S = b+a und D = b-a am Ausgang der algebraischen Su.Timierstufen zur Folge hat, wobei
130013/0310
S ^ e D -e^ e
und was zu den beiden logischen Signalen f und g am Eingang der Logikstufe 19 führt:
f = 1
g = 0.
Wenn die Induktion übermäßig groß wird (entsprechend einem
Strom derart, daß die Spannung an den Anschlüssen der Widerstände 8 oder 9 größer wird als die Summe des Absolutwertes
des Sollwertes e und der Toleranz, also |b - a I *>
IeI ) so folgt, daß e">0 oder ""CO, d.h. daß η = 1 oder 0 und damit
eine der nachstehend genannten Gruppen von Signalen:
η = 1 b-α ^> e (und folglich auch b+a >
e) sowie f=l
9=1
η = 0 b-ϊ-α <. e (und folglich auch b-a <L e)
f = 0 g=0
Wenn umgekehrt die Induktion unzureichend, d.h. Ib+a |·<
ist, ergibt sich für η = 1 (e positiv)
f = 0
g = 0
130013/0310
für η = O (e negativ)
f = 1
9 = 1
Es ist festzuhalten, daß vorliegend unter "e positiv" und
unter "e negativ" der Fall verstanden wird, daß der Sollwert unter oder über einem P°zugspegel liegt, welcher die Symmetrieachse
der Änderungskurve von e darstellt. In einem praktischen Beispiel hat man als maximale Amplitude von e 2,5 V
bei einer Toleranz α von einigen Zehn Millivolt gewählt. Der Übersichtlichkeit der Fign. halber ist die Toleranz immer
relativ viel zu stark, dargestellt. Dies gilt insbesondere auch für die Fig. 4, die ein Beispiel für die Entwicklung der
Signale b-a und b+a zeigt. Diese Fig. veranschaulicht das zeitabhängige Betriebsverhalten der Vorrichtung nach Fig. 3.
Die Signale b+a und b-a, die von dem Verstärker 13 und den Summierstufen 17 und 18 gebildet werden, sind mit gestrichelten
Linien dargestellt, während das Sollwertsignal e in ausgezogener Linie veranschaulicht ist. Die für das Signal e
gezeigten Diskontinuitäten beruhen auf den Kommutierungen der Vergleicher 15 und 16 und spielen bei der Betriebsweise
der Vorrichtung eine wesentliche Rolle, denn sie begrenzen die Kommutierungsfrequenz der Transistoren 1, 2 und 3 in dem
FaIl7 wo die Vergleicher 15 und 16 nicht wechselweise umschalten.
130013/0310
293365a
In Fig. 4 ist dieser Fall durch die Abfolge der Punkte 25 bis 28 dargestellt.
Jede Zustandsänderung eines der Vergleicher 15 oder 16 führt zu einer neuen Situation, die mittels der Logikstufe 19 interpretiert
wird, welche die am besten geeignete Energieübertragung auswählt.
Beispielsweise ist der Bereich 22 durch den Sättigungszustand der einzelnen Transistoren 1 und 2 und folglich durch
die Zufuhr von Energie zu dem magnetischen Kreis gekennzeichnet. Der Bereich 21 ist durch den Sättigungszustand des einzelnen
Transistors 2 und folglich durch die Energieerhaltung mittels des magnetischen Kreises aufgrund eines Stromes gekennzeichnet,
der über die Wicklung 11, den Transistor 2 und die Diode 7 kreist. Der Bereich 20 ist durch die Sperrung
der Transistoren 1, 2 und 3 und folglich durch die Rückführung von Energie zu der Stromquelle durch einen
Strom gekennzeichnet, der über die Dioden 4 und 6 und die Wicklung 12 läuft. Zusammenfassend ist festzuhalten, daß
die Funktionsweise richtig ist, wenn die Kurve e zwischen den beiden gestrichelt eingezeichneten Kurven (b+a und b-a)
liegt. Eine übermäßige Induktion liegt vor, wenn sich diese beiden Kurven über der Kurve e befinden. Im entgegengesetzten
Fall ist die Induktion zu klein. Die oben genannte Transistorkommutierung ist im folgenden im einzelnen er-
130013/0310
ORIGINAL INSPECTED
läutert:
Wenn die Induktion zu klein ist (logischer Zustand 1), liegt
das Signal h auf dem logischen Pegel 1, was die Sättigung des Transistors 1 bewirkt. Wenn η = 1, wird der Transistor 2
durch das Signal i = 1 gesättigt, und der Transistor 3 wird durch das Signal j = 0 gesperrt. Der Strom kreist dann in
der normalen Weise in aer Wicklung 11.
Wenn η = 0, wird der Transistor 3 durch j = 1 gesättigt, und
der Transistor 2 wird aufgrund von i = 0 gesperrt.
Weil die Funktionsweise vollkommen symmetrisch ist, beschränkt sich die folgende Erläuterung auf den Fall wo η = 1
Wenn die Induktion zu groß ist (logischer Zustand 3 gilt
h = 0 i = 0 und j=0.
Die drei Transistoren sind gesperrt und die Rückführung von Energie zu der Stromquelle erfolgt, wie oben genannt, über
den KiOis: Diode 6, Wicklung 12, Diode 4.
In den beiden vorangehenden Fällen arbeitet die logische Schaltung in Abhängigkeit von momentanen Daten (f, g, n),
ohne vorhergehende Daten zu berücksichtigen, d.h. das Signal k ist noch ohne Einfluß auf die Ausgangssignale h bis m.
130013/0310
Es sei daran erinnert, daß das Signal k nicht notwendigerweise ein am Ausgang zur Verfügung stehendes Signal ist,
sondern den Zustand der Kombination der Signale f, g und f_] , g_] kennzeichnet, d.h. der Werte von f und g im vorhergehenden
Augenblick.
Um den Gedanken festzuhalten, sei im folgenden angenommen:
h = 0, wenn die Induktion zuvor zu stark war und k = 1, wenn sie zuvor zu schwach war.
Wenn die Induktion den richtigen Wert hat (f = 1, g = 0), vergleicht die logische Schaltung den momentanen logischen
Zustand mit dem vorangegangenen Zustand.
Wenn die Induktion zuvor zu schwach war (logischer Zustand 2), bleiben die Transistoren 1 und 2 gesättigt; der Transistor
3 sperrt.
Wenn die Induktion zuvor zu stark war, werden die Transistoren 1 und 3 gesperrt; nur der Transistor 2 bleibt stromführend.
Die Wicklung 11 ist daher, wie oben erläutert, über den Transistor 2 und die Diode 7 kurzgeschlossen. Dies
führt zu einem inversen Strom, der den Strom der Wicklung rasch auf den gewünschten Wert zurückführt.
In der Fig. 5 sind diese möglichen aufeinanderfolgenden lo-
130013/0310
C '~:i\L INSPECTED
gischen Zustände zusammen mit ihrer möglichen Reihenfolge rekapituliert. Aus der nachstehenden Tabelle ergibt sich
die Funktionsweise der erläuterten Schaltungsanordnung in allen Fällen e>0, η = 1 (Wicklung Π im Betrieb) und e<0,
η = 0 (Wicklung 12 im Betrieb).
Aufgrund der dauernden Wirkungsweise des logischen Systems
sind in der Praxis, wenn der magnetische Kreis keinen starken Störungen unterworfen wird, die logischen Zustände 2 und
2' am häufigsten anzutreffen; sie haben eine erhebliche Dauer, Die Fälle 1 und 3 sind wesentlich kürzer. Wenn man die Fälle
1 und 3 dekodiert, ist das zyklische Verhältnis der erhaltenen Signale nahezu gleich Null, wenn der Motor keinen Lastschwankungen
ausgesetzt ist, oder wenn der Sollwert sich nicht plötzlich ändert.
Wenn jedoch in dem magnetischen Kreis Störungen auftreten, verlängert sich die Dauer eines der Zustände 1 oder 3; sein
Mittelwert vergrößert sich. Die Information, die aus diesem Phänomen abgeleitet werden kann, ist von hervorragender Bedeutung.
Wenn sich der Rotor des Motors nicht auf der "günstigen" Drehzahl befindet, induziert er in den Wicklungen
nicht die "günstigen" Spannungen; er wirkt dann auf die Dauer der Zustände 1 und 3 ein, deren Aufgabe es ist, den
Strom auf seinen Nennwert zurückzuführen.
130013/0310 CRiGlNAL INSPECTED
Eingänge 19 Ausgang/ Eingang
Ausgänge 1?
logischer Induktion Zustand
Bemerkungen
η | f | g | k | h | i | j | 1 | m | 1 | unzurei chend |
Transistoren 1 und 2 gesättigt, 3 gesperrt, 11 gespeist, m kann 14 regeln, um e zu verkleinern. |
|
n>0 (Wicklung 11 in Betrieb) b + a-< e b - a < e |
1 | 0 | 0 | 1 oder 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 2 | zuvor aus reichend unzureichend |
Transistoren 1 und 2 gesättigt; 3 gesperrt. 11 gespeist |
b-a ■<- e < b+a | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | V | zuvor aus reichend zu stark |
Transistoren 1 und 3 gesperrt. 2 gesättigt. 11 kurzgeschlossen. |
b+a "^e b-a ^ e |
1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | • 3 | zu stark | alle Transistoren ge sperrt. Rückführung von Energie zur Quelle über 12. L kann 14 regeln, um e zu vergrößern. |
n-=:.O (Wicklung 12 in Betrieb) b + α -<.e b - a -<. e |
0 | 0 | 0 | 1 oder 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 3 | zu stark | alle Transistoren ge sperrt. Rückführung von Energie zur Quelle über 11. L kann 14 regeln, um e zu verkleinern. |
1 oder 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | |||||||
CO CO CO
co
O CD
co
Ei η |
0 | -lgJr f |
1 | ige g |
1 | 19 Ausgang/ Eingang k |
h | Aus i |
gän j |
ge 1 |
19 m |
logischer Zustand |
Induktion | Bemerkungen | |
b-α <e< b+a | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 I |
0 | 2 | zuvor aus reichend unzureichend |
Transistoren 1 und 3 gesättigt. 2 gesperrt. 12 gespeist. |
|||
b + a ^?- e b - a ;>.e |
0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | V | zuvor aus reichend zu stark |
Transistoren 1 und 2 gesperrt. 3 gesättigt.12 kurzgeschlossen. |
||||||
1 oder 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | unzureichend | Transistoren 1 und 3 gesättigt. 2 gesperrt. 12 gespeist, m kann 14 regeln, um e zu verkleinern. |
NJ
N) CD OJ OJ
cn
cn
OO
Es ist auf diese Weise möglich festzustellen, ob der Rotor
dem Drehfeld folgt oder außer Tritt gefallen ist, ob er um das Drehfeld oszilliert oder ob sich das Widerstandsmoment
ändert.
Auf diese Weise kann auf eine solche Information dadurch beantwortet
werden, daß beispielsweise:
- das Drehfeld verzögert wird, wenn das geforderte Drehmoment zu stark anwächst, oder daß die Amplitude des Sollwerts
und damit des Stromes und des Drehmoments erhöht wird,
- das Drehfeld vorgestellt wird, wenn beispielsweise eine träge Masse ohne Verlust der Winkelstellung abgebremst
wird, oder daß die Amplitude des Sollwerts vergrößert wird.
Dieser zweite Aspekt des Prozesses führt zu einer erhöhten Funktionssicherheit bei Regelungen mit einem Schrittmotor mit
offener Schleife, wodurch auf diese Weise der größte Nachteil dieser Art von Regelung vermindert wird.
Die Verarbeitung der Impulse 1 und 3 gestattet eine Regelung des Funktionsgenerators 14, beispielsweise die Erhöhung der
Lese-Takt-Frequenz, wenn der Generator von einem Speicher und einem Lese-Takt-Geber für diesen Speicher gebildet wird, wie
dies beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 der Fall ist, wo
der Generator 14~von einem programmierbaren Festspeicher (ROM)
130013/0310
141 gebildet wird, der mittels eines Taktgebers 200 synchronisiert
ist und einen Ausgang "Vorzeichen von e" (oder Ausgang η) 141.α aufweist, der mit dem Eingang 19.3 der Logikstufe
verbunden ist. Der Festspeicher 141 ist ferner mit einem Ausgang
141.b ausgestattet, der mit dem erstgenannten synchronisiert
ist und der das Signal e an einen Digital/Analog-Wandler
300 liefert, der an die Eingänge der Vergleicher 15 und Io mit Hysteresewirkung angeschlossen ist. Diese Vergleicher
liefern logische Signale, die den Eingängen 19.1 und 19.2 der Logikstufe 19 unmittelbar zugeführt werden können.
Diese kann vorteilhaft gleichfalls einfach von einem Festspeicher gebildet sein, der so viele Speicherplätze hat, wie
mögliche logische Kombinationen der Eingangssignale f, g, η zu einem gegebenen Augenblick und zu dem vorhergehenden Augenblick
vorhanden sind. Nach den vorangehenden Ausführungen muß der Speicher damit auf vier logische Zustände der Kombinationen
der Eingangssignale antworten können, und zwar die Zustände 1, 2, 21 und 3.
Bei diesem Ausführungsbeispiel (aus einem Festspeicher bestehende
Logikstufe) stellt k ein logisches Ausgangssignal dar, das wieder in den Speicher eingegeben wird.
Das Signal k entspricht der logischen Kombination f = 1,
f_, = 0, falls η positiv ist und g = 1, g_, = 0, falls η ne-
130013/0310
gativ ist, wobei f , und g , die Werte von f und g bei der
vorausgehenden Messung sind.
Die aus der oben stehenden Tabelle folgenden logischen Beziehungen
werden bei der Auslegung des Speichers berücksichtigt. Ihre Kenntnis ist daher für die Anwendung der Schaltungsanordnung
nicht unbedingt notwendig; sie können jedoch herangezogen werden, falls eine andere Technologie eingesetzt
werden soll, bei der an Stelle eines vorprogrammierten Festspeichers Kombinationen von elementaren logischen Schaltungen
vorgesehen sind.
Im Falle eines Motors mit ρ Wicklungspaaren umfaßt die vollständige
Anordnung ρ Schaltungen der vorstehend beschriebenen Art, die vorzugsweise über einen einzigen Haupttaktgeber
200 synchronisiert sind.
Die Fign. 7a und 7b zeigen Aufzeichnungen der Ströme, die bei
einem Schrittmotor auftraten, der in der vorliegend erläuterten Weise gespeist wurde und mit einem Widerstandsmoment arbeitete
(Fig. 7a) bzw. leer lief (Fig. 7b). Dabei ist die Zeit in Abszissenrichtung aufgetragen, während die Ströme
(am Ausgang des Verstärkers 13) in Ordinatenrichtung wiedergegeben
sind.
130013/0310 ORIGINAL INSPECTED
Es ist festzustellen (unterbrochene Kurve), daß die Häufigkeit
der Energierückführung von der Wicklung 11 zur Zuführung
relativ klein ist; die Kommutierungspunkte sind unterhalb der Aufzeichnung wiedergegeben.
Beim Leerlauf ist die Impulshäufigkeit stark erhöht.
Die praktische Ausführung der Komponenten der beschriebenen Schaltungsanordnung ist nur angegeben, um daran zu erinnern,
daß diese Komponenten in Abhängigkeit von der beabsichtigten Anwendung auf zahlreiche Weise variiert werden können. Allgemein
kann die erläuterte Vorrichtung überall dort eingesetzt werden, wo eine Feinsteuerung der magnetischen Induktion
durchgeführt werden muß, um eine Regelung der Arbeitsgeschwindigkeit und der Positionierung auf sehr genaue Weise zuzulassen
(Ausführung von Mikroschritten - größere Auflösung im Falle von Schrittmotoren), wobei die Energieverluste weitestgehend
vermindert werden.
Wenn der zu steuernde magnetische Kreis Teil eines Motors mit
Drehfeld oder Translationsfeld ist, erlaubt es die beschriebene
Anordnung, Synchronmotoren, Asynchronmotoren oder Schrittmotoren, unabhängig davon, ob es sich um rotierende Motoren
oder Linearmotoren handelt, mit variabler Geschwindigkeit, stoßfrei und ausgehend von einer Gleichspannungsquelle
zu betreiben. Dies ist insbesondere bei Präzisionsregelungen
130013/0310
von Interesse, wie sie beispielsweise bei Werkzeugmaschinen oder den Peripheriegeräten von Rechnern angetroffen
werden, sowie bei Transportanlagen, wo die Möglichkeit
einer Variation der Geschwindigkeit und der Leistung Auswahlkriterien darstellen.
werden, sowie bei Transportanlagen, wo die Möglichkeit
einer Variation der Geschwindigkeit und der Leistung Auswahlkriterien darstellen.
ORIGINAL INSPECTED 130013/0310
Leerseite
Claims (7)
1. j Elektronische Schaltungsanordnung zur Speisung und
Steuerung der Induktion von magnetisch gekoppelten Wicklungen,
insbesondere Statorwicklungen von Elektromotoren, mit einer Gleichstromquelle und einer Einrichtung zur
Rückführung von Energie an die Stromquelle, wenn der Strom in einer Wicklung einen Sollwert übersteigt, dadurch gekennzeichnet,
daß zwecks Regelung der Stromstärke in den in Betrieb befindlichen Wicklungen auf einen im wesentlichen
variablen Sollwert und Aufrechterhaltung der Regelung
selbst im Augenblick der Unterbrechung der Speisung der Wicklung eine Einrichtung zum Vergleichen des Stromes
mit zwei variablen Grenzwerten und eine Einrichtung vorgesehen sind, mittels deren entsprechend dem Ergebnis des
Vergleichs zu einem gegebenen Augenblick und dem Ergebnis des vorausgegangenen Vergleichs gegebenenfalls Strom
über eine zugeordnete Wicklung zur Stromquelle zurückführbar oder die in Betrieb befindliche Wicklung kurzschließbajt
ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, zur Anwendung bei einem Motor, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Optimierung
des Betriebsverhaltens des Motors in Abhängigkeit von der
13 0.013/0310
Last eine Einrichtung zum Regeln des Sollwerts als Funktion der Vergleichsergebnisse vorgesehen ist.
3. Schaltungsnordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der in Reihe
mit jeder Wicklung ein Steuertrareistor und eine Diode liegen, die zu den Transistoranschlüssen gegenpolig geschaltet
ist, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Wicklungspaar des Motors Mittel zur magnetischen Kopplung zwischen
den beiden Wicklungen jedes Wicklungspaares des Motors, ein gemeinsamer Steuertranistor für die Speisung jedes Wicklungspaars, der zwischen die Stromzuführung die Wicklungen geschaltet
ist, eine zu den Transistoranschlüssen gegenpolig geschaltete Diode, eine zwischen den Wicklungen und Masse
liegende Diode, ein erster Geber zur Anlieferung eines zeitlich variablen Sollwertes, ein zweiter Geber zur Regelung
eines Sollwertes, der von der zulässigen Toleranz der Stromregelung und der zulässigen Häufigkeit der für die Regelung
erforderlichen Kommutierungen bestimmt ist, eine mit
dem ersten und dem zweiten Sollwertgeber sowie mit den Wicklungen verbundene erste Vergleicheranordnung, die den Strom
in jeder der Wicklungen mit dem von dem variablen ersten Sollwert und dem zweiten Sollwert bestimmten zulässigen
Höchstwert vergleicht, eine mit dem ersten und dem zweiten Sollwertgeber sowie mit den Wicklungen verbundene zweite Vergleicheranordnung,
die den Strom in jeder der Wicklungen mit dem von dem variablen ersten Sollwert und dem zweiten Sollwert be
1300 13/03 10 PY
ORIGINAL INSPECTED
stimmten Kleinstwert vergleicht, sowie eine Logikstufe vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen
der ersten und der zweiten Vergleicheranordnung und von dem Zustand der Stufe vor dem Empfang
dieser Signale ständig Steuersignale für die betreffenden Steuertransistoren der Wicklungen und den gemeinsamen
Steuertransistor sowie Signale für die Modifikation des Änderungsgesetzes der angelieferten Sollwerte
als Funktion der Zeit bildet, um die Drehzahl oder das Drehmoment des Motors in Abhängigkeit von der Last
variieren zu lassen.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und
ein zweiter Vergleicher vorgesehen sind, denen einerseits der variable Sollwert und andererseits die Ausgangssignale
einer Additionsstufe und einer Subtraktionsstufe zugehen und die vorzugsweise als Vergleicher
mit Hystereseverhalten ausgebildet sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikstufe einen Dekodierspeicher
mit Rückführung zu sich selbst sowie Adressier eingängen bzw. einem Eingang für das Vorzeichen (n) des
variablen Sollwerts und einen Eingang für das Ausgangssignal (f, g) jedes der Vergleicher, und Ausgänge
13 0 0 1 3/031 0
(h, χ, j) aufweist, die jeweils mit den Basen der Transistoren
verbunden sind.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher zusätzlich
mit Ausgängen versehen ist, die gegebenenfalls an den Geber für den variablen Sollwert angeschlossen sind.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher Ausgänge
aufweist, die gegebenenfalls mit dem Verstärker verbunden
sind, um den Sollwert hinsichtlich der Frequenz und/oder der Amplitude zu regeln.
130013/0310
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR7920647A FR2463537A1 (fr) | 1979-08-14 | 1979-08-14 | Systeme permettant l'asservissement de l'induction par decoupage dans un circuit magnetique |
DE19792933658 DE2933658A1 (de) | 1979-08-14 | 1979-08-20 | Schaltungsanordnung zum regeln der induktion in einem magnetischen kreis |
GB7929935A GB2057714A (en) | 1979-08-14 | 1979-08-29 | A system permitting the control of the induction by chopping in a magnetic circuit |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR7920647A FR2463537A1 (fr) | 1979-08-14 | 1979-08-14 | Systeme permettant l'asservissement de l'induction par decoupage dans un circuit magnetique |
DE19792933658 DE2933658A1 (de) | 1979-08-14 | 1979-08-20 | Schaltungsanordnung zum regeln der induktion in einem magnetischen kreis |
GB7929935A GB2057714A (en) | 1979-08-14 | 1979-08-29 | A system permitting the control of the induction by chopping in a magnetic circuit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2933658A1 true DE2933658A1 (de) | 1981-03-26 |
Family
ID=27188174
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19792933658 Withdrawn DE2933658A1 (de) | 1979-08-14 | 1979-08-20 | Schaltungsanordnung zum regeln der induktion in einem magnetischen kreis |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2933658A1 (de) |
FR (1) | FR2463537A1 (de) |
GB (1) | GB2057714A (de) |
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EP0155932A2 (de) * | 1984-03-20 | 1985-09-25 | VOEST-ALPINE AUTOMOTIVE Gesellschaft m.b.H. | Schaltungsanordnung |
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-
1979
- 1979-08-14 FR FR7920647A patent/FR2463537A1/fr not_active Withdrawn
- 1979-08-20 DE DE19792933658 patent/DE2933658A1/de not_active Withdrawn
- 1979-08-29 GB GB7929935A patent/GB2057714A/en not_active Withdrawn
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EP0155932A2 (de) * | 1984-03-20 | 1985-09-25 | VOEST-ALPINE AUTOMOTIVE Gesellschaft m.b.H. | Schaltungsanordnung |
EP0155932A3 (en) * | 1984-03-20 | 1986-09-03 | Voest-Alpine-Friedmann Gesellschaft M.B.H. | Circuit arrangement |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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GB2057714A (en) | 1981-04-01 |
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