DE3125676A1

DE3125676A1 - Geschwindigkeitsregeleinrichtung fuer einen elektromotor

Info

Publication number: DE3125676A1
Application number: DE19813125676
Authority: DE
Inventors: Robert F. 60181 Villa Park Ill. Contri
Original assignee: Sunbeam Corp
Current assignee: Sunbeam Corp
Priority date: 1980-07-11
Filing date: 1981-06-30
Publication date: 1982-03-18
Also published as: CA1183202A; ZA814306B; GB2079986A; US4326153A; JPS5740388A; GB2079986B; AU540030B2; AU7270681A

Description

D I PL.-I NG. J. RICHTER -_- "_* * ^:./-&_wA ^Τ"?.^,Τ.^Α N W A L T E DIPL.-ING. F. WERDERMANN ZÜGEL. VERTRETER BEIM EPA ■ PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE EPO - MANDATAIRES AGREES PRES L¹OEB

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NEUER WALL

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TELESRAMME: INVENTIUS HAMBURG

TELEX 2163 551 INTU D

UNSER ZEICHEN/OUR FILE S. 4^l65~I

Wdm/le

PATENTANMELDUNG

PRIORITÄT: 11. Juli 198O

(entspr. U.S. Serial No. I67 627)

BEZEICHNUNG: Geschwindigkeitsregeleinrichtung

für einen Elektromotor.

ANMELDER: SUNBEAM CORPORATION

5400 West Roosevelt .Road Chicago, 111. 6O65O V.St.A.

ERFINDER: Robert P. Contri

204 East Wildwood Street Villa Park, 111. 6018I V.St.A.

-Jr-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Geschwindigkeitsregeleinrichtung für einen Elektromotor.

Es ist bekannt, Thyristoren oder Triacs als Geschwindigkeitsregler für Elektromotoren zu verwenden. Die Kombination eines mechanischen Reglers und eines Triac zur Phasenwinkel-Geschwindigkeitsregelung war ausreichend, die Ansprüche zu erfüllen, die an Genauigkeit der Motorgeschwindigkeitsregelung bei Haushaltsgeräten im allgemeinen gestellt wurden. Es wurde jedoch gefunden, dass ein höherer Genauigkeitsgrad der Motorgeschwindigkeit erwünscht sein kann, vor allem bei besonders hochwertigen Geräten.

Eine Schwierigkeit, die bei den Geschwindigkeitsregeleinrichtungen mit mechanischem Regler und Thyristor auftritt, besteht in Ungenauigkeiten oder Fehlern, die beim Triggern des Thyristors auftreten. Da die Drehgeschwindigkeit eines Universal-Reihenschlussinduktionsmotors eine Punktion der zum Drehen einer ausgewählten Last angelegten elektrischen Energie ist, kann bekanntlich die einem Motor zugeführte durchschnittliche Energie oder Leistung durch Schalten eines mit dem Motor in Reihe angeordneten Triacs in den leitenden Zustand bei einem vorgegebenen Phasenwinkel geregelt werden. Gewisse Schwierigkeiten treten aber auf, wenn kleine Energiemengen dem Motor

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-Jh-

zugeführt werden sollen. Dann wird es nämlich erforderlich, den Triac verhältnismässig kurze Zeit vor dem nächsten Wechselstrom-Nulldurchgang oder bei einem verhältnismässig kleinen Phasenanschnittwinkel zu triggern. Es wurde gefunden, dass das Triggern bei sehr kleinen Phasenanschnittwinkeln zur Folge haben kann, dass der Triac für grössere Phasenanschnittwinkel der nächsten Halbwelle leitend wird, als es erforderlich wäre, um die Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Das ist darauf zurückzuführen, dass die Ansprechzeit auf Motorgeschwindigkeitsänderungen wegen der Trägheit der mechanischen Komponenten des Reglers bei den bekannten Einrichtungen verhältnismässig lang dauert. Die dadurch zugeführte unerwünschte zusätzliche Energie trägt die Tendenz in sich, den Motor durchgehen oder seine Geschwindigkeit ändern zu lassen, wenn er bei der vorgegebenen langsameren Geschwindigkeit umläuft.

Ausserdem ist es erwünscht, den Triac oder Motorregler mit einer Rückkopplung durch nicht-bewegliche oder elektronische Bauelemente, die sich nicht abnutzen, zu versehen.

Im übrigen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Geschwindigkeitsregeleinrichtung mit geschlossener Regelschleife für einen Elektromotor zu schaffen, die eine besonders hohe Genauigkeit aufweist und rasch auf Motorgeschwindigkeitsänderungen anspricht.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist eine Geschwindigkeitsregeleinrichtung für einen elektrischen Motor mit einem magnetischen Tachometer-Rückkopplungssystem. Die Regelschaltung für die Motorgeschwindigkeit enthält einen Rotor oder ein Unterbrecherrad mit einer Vielzahl von Zähnen, gekuppelt mit dem zu regelnden Elektromotor. Einem solchen Rotor ist ein magnetischer Abtaster mit günstiger Verkettung des magnetischen Flusses gegenübergestellt, so dass der magnetische Widerstand des Abtasters, wenn der Rotor in seiner Nachbarschaft umläuft, ein sinus-ähnliches elektrisches Signal hervorbringt, das einem Frequenz/Spannungswandler zugeführt wird. Von dem Frequenz/Spannungswandler wird eine Gleichspannung abgegeben, deren Amplitude direkt proportional der Umlaufgeschwindigkeit des magnetischen Rotors ist. Diese Gleichspannung wird als Geschwindigkeitssignal einem Differentialverstärker zugeführt, der an seiner Ausgangsstufe einen Transistor mit offenem Kollektor aufweist. Eine von dem Benutzer vorgegebene oder vorgewählte Bezugsspannung wird gleichfalls dem Differentialverstärker zugeführt. Der Differentialverstärker gibt dann ein Fehlersignal ab, das direkt proportional dem Unterschied zwischen der das Geschwindigkeit ssignal bildenden Gleichspannung und dem vom Benutzer vorgegebenen Bezugssignal ist. Es wird einem oder zwei Ver-

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gleichern zugeführt.

Ein Nulldurchgangsdetektor empfängt Wechselstrom aus einer äusseren Wechselstromenergiequelle und blockiert eine.relativ hohe Vorspannung eines Sägezahngenerators nahezu ständig, nur dann nicht, wenn das Wechselstrompotential periodisch durch Null geht. Wenn der Nulldurchgang stattfindet sowie für eine kurze Zeitspanne vorher und nachher, wirkt der Nulldurchgangsdetektor als eine Senke; sein Ausgangspotential fällt auf Null bzw. Erd- oder Massepotential ab.

Mit dem Ausgang des Nulldurchgangdetektors ist eine Kombination aus Widerstand und Kondensator mit einer verhältnismässig langen Zeitkonstanten verbunden. Wenn der Wechselstrom durch Null geht, wird der Kondensator über den Nulldurchgangsdetektor entladen und beginnt seine Wiederaufladung so lange nicht, bis der Nulldurchgangsdetektor in den Sperrzustand schaltet. Wenn der Nulldurchgangsdetektor in seinen Sperrzustand schaltet, beginnt sich der Kondensator langsam aufzuladen, so dass ein im wesentlichen linearer sägezahnartiger Spannungsanstieg erfolgt. Der Kondensator lädt sich auf etwa 4 Volt auf .und wird beim nächsten Nulldurchgang rasch entladen. Er wirkt somit als Sägezahngenerator und bringt eine Sägezahnwelle hervor, deren Periode halb so gross ist wie die Periode der Wechselstromenergie. Die Sägezahnwelle wird den gekoppelten Vergleichern zugeführt, die auch das Signal aus dem Arbeitsver-

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stärker empfangen. Wenn das Potential der Sägezahnwelle die Amplitude des Fehlersignals übersteigt, schalten die Vergleicher in einen Sperrzustand und leiten ein Triggersignal zu einem Triac, der in den leitenden Zustand geschaltet wird und Strom durch den Elektromotor fliessen lässt. Da der Kondensator sich mit Bezug auf seine Zeitkonstante sehr langsam auflädt, weist die von dem Kondensator erzeugte Spannung eine im wesentlichen lineare Beziehung zur Zeit auf, da der Kondensator, nur auf eine im Vergleich zu der Speisespannung verhältnismässig niedrige Spannung aufgeladen wird. Die Ladungsfunktion des Kondensators ist eine lineare und keine Exponentialfunktion. Dies hat eine sehr genaue Taktgebung für das Schalten des bzw. der Vergleicher zur Folge und erlaubt das Schalten des Triac in den leitenden Zustand bei dem gewünschten Phasenwinkel mit bedeutend höherer Genauigkeit als es vorher möglich war.

Die Verwendung der Tachometer-Rückkopplung ermöglicht es auch, dass die Schaltung die Zufuhr elektrischer Energie so steuert ₃ dass bei schwankender Last eine äusserst genaue Geschwindigkeitsregelung erfolgt.

Durch die Erfindung wird also vor allem eine Regelschaltung für die Motorgeschwindigkeit geschaffen, die mit sehr genauem Takt schaltet, um für den zur Erlangung einer gewählten Geschwindigkeit erwünschten Phasenanschnittswinkel zu sorgen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Motorregelschaltung geschaffen wird, die ein magnetisches Tachometer-Rückkopplungssystem aufweist, das keine beweglichen Teile ausser dem Motor selbst enthält.

Ferner hat die Motorregelschaltung gemäss der Erfindung den Vorteil, dass sie über einen breiten Bereich von Geschwindigkeiten und Last zuständen eine gute Stabilität gewährleistet.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschema einer Ausführungsform der Regelschaltung für die Motorgeschwindigkeit gemäss der Erfindung und

Fig. 2 ein mehr ins einzelne gehendes Schaltbild der Regelschaltung von Fig. 1.

Die mit Rückkopplung versehene Geschwindigkeitsregelschaltung gemäss der Erfindung ist in Fig. 1 und 2 mit 10 bezeichnet. Die Schaltung enthält ein Stromversorgungsgerät 12, das über ein Anschlusskabel am Wechselstromnetz liegt. Der Wechselstrom wird durch das Stromversorgungsgerät in eine geregelte Gleichspannung umgeformt. Es erfolgt eine Halbwellengleichrichtung durch eine Diode 16, die über eine Leitung 18 mit dem einen Pol Ik des Anschlusskabels verbunden ist.

Um die so gleichgerichtete Spannung auf eine für die übrigen Teile der Regelschaltung 10 brauchbare Höhe herabzusetzen,, sind ein Widerstand 20 und eine Zenerdiode 22 in Reihe mit der Diode 16 geschaltet. Zur Filterung der gedämpften HaIbwellenspannung ist ein Elektrolytkondensator 24 an die Verbindungsstelle des Widerstands 20 und der Zenerdiode 22 angelegt. Eine Rückleitung wird durch die Erd- oder Masseverbindung von der Zenerdiode 22 und dem Kondensator 24 über eine Leitung 26 gebildet, die wiederum eine der Einzelleitungen des Anschlusskabels 14 bildet. Die Aus- und Einschaltung der Regeleinrichtung geschieht entweder durch einen einpoligen Schalter, insbesondere Kippschalter 28 in der Leitung 26 oder einen Momentkontaktschalter 30 mit Pedervorspannung parallel zu dem Schalter 28.

Der Motor 32 mit dem Anker 34 und den Feldwicklungen 36 und 37, die dazu in Reihe liegen, ist über die Leitung l8 daran angeschlossen. Der Motor 32 ist ein Universalmotor, der sowohl mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom betrieben werden kann. Der Motor kann auch in beiden Richtungen umlaufen. Die den Motor 32 speisende Energie wird durch einen Triac 40 geregelt, der in Reihe mit ihm geschaltet ist. Der Triac 40 ist auch über die geerdete Rückleitung mit der Leitung 26 verbunden. Wenn der Schalter 28 oder der Schalter 30 geschlossen wird, wird die den Motor speisende Energie allein durch einen Triac geregelt.

Zur Steuerung der Schaltvorgänge des Triac 40 ist ein Geschwindigkeitsfühler mit einem Frequenz/Spannungswandler und einem Fehlerverstärker vorgesehen. Eine positive Spannung V mit 22 Volt wird an der Ausgangsleitung 23 des Stromversorgungsgerats 12 zur Verfügung gestellt und einem Widerstandsnetzwerk 42 zugeführt. Dieses enthält einen ersten Festwiderstand 44, einen dazu in Reihe geschalteten Festwiderstand 46 sowie ein in Reihe dazu liegendes Potentiometer 48 mit einem Abgreifer 50. In Reihe zu dem Potentiometer 48 liegt ein Festwiderstand 52. Von diesem führt eine Verbindung über einen veränderlichen Widerstand 5*J zur Erde. Der veränderliche Widerstand 54 hat einen Abgreifer 55, der gleichfalls an Erde liegt. Durch seine Verstellung lässt sich der Spannungsabfall an den Widerständen 44, 46, 48 und 52 verändern. Der Widerstand 5^ ist aus noch zu erläuternden Gründen in der Fabrik eingestellt.

Zur Lieferung eines Rückkopplungssignals, das der Drehgeschwindigkeit des Motors 32 entspricht und dem Motorregelkreis 10 zugeführt wird, ist mit dem Anker J>k des Motors 32 ein Unterbrecherrad 58 aus ferromagnetischem Material, das 24 Zähne aufweist, direkt gekuppelt. Ein magnetischer Abtaster 60 ist in nächster Nachbarschaft der Zähne des Unterbrecherrades so angeordnet, dass, wenn der Motor 32 das Unterbrecherrad dreht, der sich ändernde magnetische Widerstand des Abtasters ein sinusähnliches Signal in den Abtasterwindungen hervorbringt.

Ein Widerstand 62 und ein Kondensator 64 liegen in Reihe zwischen dem magnetischen Abtaster 60 und Erde, um unerwünschte hochfrequente Stosswellen zur Erde abzuleiten.

Um die Frequenz des magnetischen Abtastsignals in eine Spannung umzuwandeln, welche linear auf die Geschwindigkeit des Unterbrecherrades bezogen ist, ist ein Frequenz/Spannungswandler 65 vorgesehen, der eine handelsübliche integrierte Schaltung sein kann (erhältlich beispielsweise als Typ LM2917N-8 der National Semiconductor Company). Eine solche integrierte Schaltung kann als Paket mit acht Anschlußstiften ausgeführt sein, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit den Ziffern 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78 und 80 bezeichnet sind. Das Sinussignal wird über den Anschlußstift 66 dem nicht invertierenden Eingang 82 eines Arbeitsverstärkers 84 zugeführt. Der Arbeitsverstärker 84 hat ausserdem einen invertierenden Eingang, der über den Anschlußstift 80 sowohl mit der inneren Erde als auch der äusseren Erde bzw. Masse verbunden ist. Der Arbeitsverstärker 84 wird als Vergleicher betrieben und liefert an seiner Ausgangsklemme 86 eine Rechteckwelle. Die Rechteckwelle hat eine Frequenz, die der Frequenz des magnetischen Abtastsignales gleich ist. Die Rechteckwelle wird einer Ladepumpe 88 zugeführt, die über einen Anschlußstift 68 mit einem geerdeten Kondensator 90 und über eine leitende Verbindung 92 mit dem nicht invertierenden Eingang 94 eines Arbeitsverstärkers 96 verbunden ist. Der Arbeitsverstärker 96 ist auch

- Ver-

als Differentialverstärker geschaltet. Er hat einen über den Anschlußstift 78 mit dem invertierenden Eingang 100 verbundenen Widerstand 98. Der Widerstand 98 ist mit dem Abgreifer 50 des Potentiometers 48 verbunden. Der nicht invertierende Eingang des Arbeitsverstärkers 96 ist auch mit dem Anschlußstift 70 verbunden, der in Reihe über einen Widerstand 104 und einen zur Einstellung der veränderlichen Geschwindigkeit dienenden Widerstand 106 mit Erde verbunden ist. Der über die Ladepumpe 88 gelieferte Strom erzeugt eine Spannung längs der Widerstände 104 und 106, die durch die Eingangsklemme 94 des Pehlerverstärkers 96 abgefühlt wird. Ein Filterkondensator 108 liegt in Parallelschaltung zu den Widerständen 104 und I06 an Erde und dient zur Beseitigung eines Teils der Wechselstromkomponente aus dem sinusähnlichen Signal j das von dem magnetischen Abtaster 60 geliefert wird.

Die Ladepumpe 88 lädt den Kondensator 90 aus einer über den Anschlußstift 74 an eine Zenerdiode 110 gelieferte geregelte Spannung. Diese liefert an die Eingangsklemme 94 eine Gleichspannung, welche linear proportional der durch den Abtaster erzeugten Signalfrequenz ist.

Der Benutzer kann die Geschwindigkeit des Elektromotors 32 dadurch steuern, dass er eine bestimmte Stellung des Abgreifarms 50 auswählt. Die gewählte Abgreifarmstellung bestimmt eine geregelte Bezugsspannung, die dem invertierenden Eingang 100

des Arbeitsverstärkers 96 zugeführt wird. Die der Geschwindigkeit entsprechende Gleichspannung an der invertierenden Klemme 94 wird zu der inversen, vom Benutzer gewählten Bezugsspannung an dem Anschlußstift 100 zugesetzt und ein Fehlersignal wird der Basis 114 eines Transistors 112 zugeführt. Der Emitter 116 des Transistors 112 ist mit dem Stift zur Ausgabe einer Spannung verbunden, die linear proportional der Differenz zwischen dem Geschwindigkeits-Gleichspannungspotential und dem vom Benutzer gewählten Bezugspotential ist.

Die mittels des Abgreifers 50 abgegriffene Bezugsspannung wird über den Widerstand 98, bei diesem Ausführungsbeispiel ein Widerstand von 47 Kiloohm. Ein Widerstand 120 liegt in der Rückkopplungsschleife zwischen dem Stift 100 und dem Emitter Der Widerstand 120 hat einen Widerstandswert von 10 Megohm. Ein Widerstand 122 liegt zwischen dem Widerstand 120 und Erde. Ein Kondensator 124, dessen Kapazität 0,0015 Mikrofarad betragen kann, liegt parallel zu dem Widerstand 120. Eine RC-Reihenschaltung, die einen nicht-polaren Elektrolytkondensator mit einer Kapazität von 0,47 Mikrofarad und einen Widerstand 128 mit einem Widerstand von 470 Kiloohm umfasst, ist parallel zu dem Widerstand 120 geschaltet. Der Widerstand 120, die Kondensatoren 124 und 126 und der Widerstand 128 bilden einen Rückkopplungskreis 129 zwischen dem Emitter 116 und dem Anschlußstift 100.

Durch den Rückkopplungskreis 129 werden zwei Verstärkungsbereiche über den Pehlerverstärker 96 gebildet. Wenn der Motor mit einer Geschwindigkeit läuft, die dicht an der gewünschten Arbeitsgeschwindigkeit liegt, ist die Impedanz über den Kondensator 126 verhältnismässig hoch, so dass die Rückkopplungsschleife eine Impedanz von etwa 10 Megohm hat, wie sie durch den Widerstand 120 bestimmt ist. Der Kondensator 124 wirkt als Integrationskondensator zur Beseitigung etwaiger Restwellungen aus dem Fehlersignal.

Da die hier beschriebene Geschwindigkeitsregelschaltung hauptsächlich dafür gedacht ist, in einem Haushaltsgerät, wie z.B. einem Gerät zur Verarbeitung von Nahrungsmitteln verwendet zu werden, bei dem der Motor abrupt eingeschaltet wird, ist es von Vorteil, den verhältnismässig hohen Verstärkungsgrad des Fehlerverstärkers, wie er durch die Rückkopplungsschleife über den Widerstand 120 bestimmt wird, beim Einschalten stark herabzusetzen, um eine grössere Stabilität des Stromkreises zu erhalten. Dies wird durch eine parallele Rückkopplungsschleife mit dem Kondensator 126 und dem Widerstand 128 erreicht. Da der Motor, wenn er eingeschaltet wird, tatsächlich ein stufenartiges Signal an den Fehlerverstärker 96 liefert, findet das sich rasch ändernde Signal einen Rückkopplungsweg verhältnismässig niedrigen Widerstandes über den Kondensator 126 und den Widerstand 128 vor. Der Stromweg niedriger Impedanz vermindert die Verstärkung mittels des Fehlerverstärkers 196

beträchtlich und macht die Schaltung stabiler, wenn die Umlaufgeschwindigkeit des Motors abrupt geändert wird.

Die Hinzufügung von zuviel Kapazität an einem einzelnen Punkt der Fehlerverstärkerschaltung bewirkt eine Vergrösserung der Ansprechzeit des Stromkreises, d.h. sie macht den Stromkreis träge. Um für eine angemessene Filterung zu sorgen, dabei aber die richtige Ansprechzeit beizubehalten, wird ein Teil der verbleibenden Wechselstromkomponente aus dem sinusähnlichen Signal, das durch den magnetischen Abtastkopf 60 geliefert wird, mittels des Kondensators 108 entfernt, während eine zusätzliche Filterung durch den Integrationskondensator 124 bewirkt wird.

Um den Punkt zeitlich genau festzulegen, an dem der Triac 40 in den leitenden Zustand umschaltet, um Energie durch den Motor 32 fliessen zu lassen, ist ein Nulldurchgangsdetektor vorgesehen. Da die Energiemenge, die der Motor empfängt, von dem Punkt in dem Wechselstromleistungskreis abhängig ist, an dem der Triac 40 für jeweils eine Halbperiode des Netzwechselstroms einschaltet, bemisst der Nulldurchgangsdetektor die Eigenschaften des Netzwechselstromes so, dass das Schaltsignal genau mit dem Nulldurchgangspunkt synchronisiert wird. Wechselstromenergie mit 120 Volt Effektivwert wird einer Eingangsklemme 132 des Nulldurchgangsdetektors 130 zugeführt. Um zu ermöglichen, dass elektronische Festkörperbauelemente die

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erforderlichen Funktionen des Taktgebens und Abfühlens bewirken, wird das Wechselstromnetzsignal durch einen mit der Eingangsklemme 132 verbundenen Widerstand 134 im Verhältnis 1:12 gedämpft. Spitzenwerte, Stosswellen oder andere Signale mit einer anderen Frequenz als die Grundfrequenz des Netzes werden durch einen Kondensator 136 zur Erde abgeleitet. Infolgedessen ist ein Signal mit einer Wellenform vorhanden, das mit der Energie aus dem Netz grössen- und phasengleich ist, aber eine Spitzenspannung von etwa 15 Volt an der Verbindungsstelle des Widerstandes 134 und des Kondensators 136 aufweist.

Eine Gleichspannung muss zu dem gedämpften Wechselspannungssignal hinzugefügt werden, um die Höhenlage des Wechselstromsignals genügend zu verschieben, so dass kein Teil des in seiner Höhe verschobenen Signals unterhalb von Null Volt liegt. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Widerstandsnetzwerk 138 mit der Ausgangsklemme 23 der geregelten Speisespannung verbunden wird, um von da +22 Volt aufzunehmen. Das Widerstandsnetzwerk besteht aus mehreren Widerständen 14O, 142, 144, 146, die zwischen die Ausgangsklemme 23 der Speisespannung und Erde geschaltet sind. Die Widerstandswerte sind so gewählt, dass das Gleichspannungspotential an der Verbindung der Widerstände l40 und 142 etwa 11,32 Volt beträgt, während das Gleiehspannungspotential an der Verbindungsstelle der Widerstände 142 und 144 etwa 11 Volt beträgt. Das

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Gleichspannungspotential an der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 144 und 146 beträgt 10,68 Volt. Ein Widerstand 148 und ein Elektrolytkondensator 150 liegen in Reihe zwischen den Verbindungsstellen der Widerstände 142 und 144 sowie des Widerstandes 134 und des Kondensators 136. Die Verbindungsstelle der Widerstände 142, ikk und 1^8 ist praktisch ein Wechselstromerdungspunkt. Somit werden das gedämpfte Wechselstromsignal und das 11 Volt Gleichstromsignal addiert, so dass ein in der Höhe verschobenes Wechselstromsignal vorhanden ist, das zwischen +3₃5 und +18_s5 Volt in Phase mit der Netzspannung an der Verbindungsstelle des Widerstands l48 und des Kondensators 150 vorhanden ist. Die in der Höhe verschobene Spannung wird zwei Vergleichern 152, 154 an deren nicht-invertierenden Eingängen I56 bzw. I58 zugeleitet. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Vergleicher 152 und 154 Verstärker vom Typ LM 339 der Herstellerfirma National Semiconductor. Der Vergleicher empfängt ferner an seinem invertierenden Eingang 160 das 10,68 Volt betragende Gleichspannungspotential von der Verbindungsstelle der Widerstände 144 und 146. In entsprechender Weise empfängt der Vergleicher 154 an seinem invertierenden Eingang 162 über einen Widerstand 164 das 11,32 Volt betragende Gleichspannungspotential. Ein Elektrolytkondensator 166 ist zwischen die Verbindungsstelle der Widerstände l40 und 142 und Erde geschaltet, um etwaige an dem Spannungsteilernetz-

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werk 138 noch vorhandene Wechselspannungskomponenten aus dem Netzanschlussgerät 12 und der Eingangsklemme 132 von den Vergleichern 152 und 154 abzuleiten.

Um ein Taktsignal für alle Teile während der Wechselstromperiode zu schaffen, ist es erforderlich, dass einer der Vergleicher den negativen Teil und der andere den positiven Teil der Wechselspannung verarbeitet. Eine Ausgangsklemme des Vergleichers 154 verbleibt aufgrund der Ausbildung mit offenem Kollektor im geerdeten Zustand, bis die höhenverschobene Wechselspannung den Betrag von 11,32 Volt übersteigt. An diesem Punkt schaltet die Ausgangsklemme 17Ο in den Sperrzustand und ermöglicht es, dass ein synchroner Sägezahngenerator 171 mit Kondensator 172 über einen Widerstand 174 aufgeladen wird, der so geschaltet ist, dass er die positive geregelte Spannung von 11,32 Volt aus der Verbindungsstelle der Widerstände l40 und 142 empfängt.

Die Zeitkonstante des Kondensators 172 und des Widerstandes 174 ist so gewählt, dass für den Intervall, in dem die Ausgangsklemme 170 gesperrt bleibt, der Kondensator 172 sich linear auflädt und eine Sägezahnrampenspannung mit linearem zeitlichem Verlauf bildet. Die Rampenspannung hat einen Kleinstwert von Null Volt, wenn der Kondensator sich aufzuladen beginnt und einen Maximalwert von etwa 4 Volt, der zur gleichen Zeit erreicht wird, wo das höhenverschobene

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Wechselspannungspotential unter 11,32 Volt abfällt. Wenn das höhenverschobene Wechselspannungspotential zwischen 10,68 Volt und 11,32 Volt beträgt, wird die Ausgangsklemme 170 des Arbeitsverstärkers 154 mit Erde verbunden, wobei der Kondensator 172 rasch entladen wird. Wenn die höhenverschobene Spannung unter 10,68 Volt abfällt, wird eine Ausgangsklemme 180 des Arbeitsverstärkers 152 geerdet, was zur Folge hat, dass die nicht-invertierende Klemme 162 des Arbeitsverstärkers 154 geerdet und die Ausgangsklemme wieder in den Sperrzustand geschaltet wird, so dass sich der Kondensator 172 erneut aufladen kann.

Um den Phasenanschnittwinkel des Triac zu wählen, ist es erforderlich, sowohl das Sägezahntaktbezugssignal als auch das Pehlersignal zu behandeln. Das Fehlersignal wird einem Ausgangsvergleicher 199 zugeführt, der aus zwei Arbeitsverstärker-Vergleichern vom Typ LM 339 besteht, deren invertierende Eingänge 204 und 206 das Fehlersignal zugeführt erhalten. Das Sägezahntaktbezugssignal wird den Vergleichern 200 und 202 an deren nicht-invertierenden Klemmen 208 und 210 zugeführt» Zwei Ausgangsklemmen 212 und 214 der Vergleicher 200 und 202 sind mit einem Widerstand 216 verbunden, der das bereits früher erwähnte positive 22 Volt betragende Bezugssignal aus der Ausgangsklemme 23 des geregelten Netzanschlussgerätes 12 empfängt. Die Vergleicher 200 und 202 sind identisch gleich den Vergleichern 152 und 154. Dies bedeutet, dass, solange das

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Potential an der invertierenden Klemme kleiner ist als das Potential an der nicht-invertierenden Klemme, die Ausgangsklemme im Sperrzustand verbleibt. Diese Zweistufigkeit dient dazu, ein Triggersignal für den Triae HO zu regeln oder zu steuern. An demjenigen Punkt während jeder Halbwelle, an dem das Taktbezugssignal das Fehlersignal aus dem Verstärker übersteigt, schalten die Vergleicher-Ausgangsklemmen 212 und 214 in den Sperrzustand, wodurch ein Gleichstrom-Triggersignal über einen Widerstand 220 an eine Diode 218 und an ein Gatter 222 des Triac 40 gelegt wird. Der Triac kO schaltet dann in den leitenden Zustand, welcher die Stromzufuhr zu dem Motor 32 zulässt. Ein Widerstand 223 ist mit der Verbindungsstelle des Widerstands 220 und des Gatters 222 sowie mit Erde verbunden, um ein falsches Triggern des Triacs kO zu verhindern.

Das Gleichstrom-Triggersignal ist besonders vorteilhaft, da die durch die Bürstenprellung verursachte Unterbrechung des Motorströmes den Triac nicht zum Schalten in den nicht-leitenden Zustand veranlasst, wie dies bei früher bekannten Schaltungen vergleichbarer Art vorkam, bei denen den Triacgattern Triggerimpulse zugeführt wurden.

Da das Pehlerverstärkersignal proportional dem Betrag.an Energie ist, den der Motor aufnehmen muss, um bei einer ausgewählten Geschwindigkeit umzulaufen, und da die Amplitude

4 β · · n 4

«» β «ο« a.

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des Taktsignals ebenfalls im wesentlichen linear mit Bezug auf· die Zeit verläuft, ergibt die Kombination beider eine sehr genaue Taktgebung des Zeitschaltpunkts des Triacs 40. Ein Abweisnetzwerk, bestehend aus einem Kondensator 224 und einem Paar parallel zueinander angeordneter Widerstände 226 und 228 liegt zwischen einer ersten Hauptklemme 230 des Triac 40 und Erde, um den Triac während des Schaltens vor in dem Motor erzeugten induktiven Lasten zu schützen, während eine zweite Hauptklemme 232 des Triac 40 zwecks Rückleitung an Erde liegt.

Durch die Erfindung wird eine höchst genaue Geschwindigkeitsregelung für einen Elektromotor an einem elektrischen Gerät geschaffen. Der magnetische Abtaster 60 liefert ein sinusähnliches Signal, das der Drehgeschwindigkeit des Motors 40 proportional ist, an einen Frequenz/Spannungsumformer. Der Frequenz/Spannungsumformer bildet eine Gleichspannung, die proportional der Umlaufgeschwindigkeit des Motors ist und liefert diese zu einem Differentialverstärker·, der ein Bezugssignal, das vom Benutzer nach dessen Wahl eingestellt sein kann, mit dem Gleichspannungsgeschwindigkeitssignal, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Ein Nulldurchgangsdetektor und Sägezahngenerator 130 erzeugt eine Sägezahnwelle mit der zweifachen Frequenz gegenüber derjenigen der Netzspannung im Synchronismus mit dem Netzwechselstrom, die mit der Fehler-

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spannung verglichen wird, um den SchaltZeitpunkt des Triac 40 genau zu steuern.

Ein besonderer Vorteil der Schaltung besteht auch darin, dass sie rasch und leicht vor dem Zusammenbau mit dem Elektromotor 22 eichbar bzw. justierbar ist. Die Eichung bzw. Justierung geschieht durch Speisung mit einem geregelten positiven Gleichspannungspotential am Verbindungspunkt 23. Ein gewöhnlicher Signalgenerator, der ein sinus förmiges Signal veränderlicher Frequenz erzeugt, ist mit dem Widerstand 62 verbunden.

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Claims

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Patentans ρ r ü c h e

/ 1.)Geschwindigkeitsregeleinrichtung für einen Elektromotor j gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines der Umlaufgeschwindigkeit entsprechenden Geschwindigkeit ssignalSj das zu einem Fehlersignal verarbeitet wird, eine Einrichtung zur Erzeugung eines periodischen, mit der Wechselstromenergiequelle synchronisierten Taktsignals, eine Einrichtung zum Erzeugen eines Triggersignals, sobald das Pehlersignal und das Taktsignal in einer vorbestimmten Beziehung zueinander stehen und eine dem Motor in Abhängigkeit von dem Triggersignal elektrische Energie zuführende Einrichtung.
2. Geschwindigkeitsregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung

des periodischen Taktsignals einen Nulldurchgangsdetektor enthält, der nach jeder Halbwelle der Wechselstromenergiequelle das Potential des periodischen Taktsignals auf Null zurückstellt.
3. Geschwindigkeitsregeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nulldurchgangsdetektor einen ersten Vergleicher enthält, der im Synchronismus mit jedem Nulldurchgang des Potentials der Wechselstromenergiequelle entweder in den Leitzustand oder in den Sperrzustand gebracht wird.
4. Geschwindigkeitsregeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem ersten Vergleicher gesteuerter Sägezahngenerator vorgesehen ist, von dem ein im wesentlichen lineares Sägezahn-Zeitsignal im Synchronismus mit der Wechselstromenergiequelle erzeugt wird.
5. Geschwindigkeitsregeleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der das Fehlersignal empfangenden Einrichtung erzeugte Triggersignal ein Gleichstromsignal ist.
6. Geschwindigkeitsregeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur

wahlweisen Einstellung der Geschwindigkeit des Motors auf einen beliebigen Wert ausgebildet ist und eine Einrichtung zur Bildung eines der Umlaufgeschwindigkeit des Motors proportionalen Geschwindigkeitssignals, eine Einrichtung zur Bildung eines Bezugssignals, dessen Amplitude proportional einem gewünschten Wert der Geschwindigkeit ist, eine Einrichtung zum Vergleichen des Geschwindigkeitssignals und des Bezugssignals, welche ein Fehlersignal bildet, eine Einrichtung zur Erzeugung eines periodischen Taktsignals mit einer Frequenz, die derjenigen der Wechselstromenergiequelle entspricht und mit ihr synchronisiert ist, eine Einrichtung zum Empfangen des Fehlersignals und des Taktsignals, die ein mit dem Taktsignal und dem Nulldurchgang der Wechselstromenergiequelle synchronisiertes Triggersignal bildet, und eine Einrichtung, die dem Elektromotor in Abhängigkeit von dem Triggersignal Energie zuführt, enthält.
7. Geschwindigkeitsregeleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines periodischen Taktsignals ein Potential aus der Wechselstromenergiequelle empfängt und zu diesem ein Gleichstrompotential addiert, so dass eine Höhenverschiebung des Signals erhalten wird.
8. Geschwindigkeitsregeleinrichtung nach Anspruch J₃ dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Erzeugen des

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periodischen Taktsignals einen Nulldurchgangsdetektor enthält, der bei jeder Halbwelle der Wechselstromenergiequelle das Potential des periodischen Taktsignals auf Null zurückstellt.
9. Geschwindigkeitsregeleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das von der das Pehlersignal empfangenden Einrichtung erzeugte Triggersignal ein Gleichstromsignal ist.
10. Geschwindigkeitsregeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Vereinigung der folgenden Merkmale:

(a) ein Tachometer zur Erzeugung eines pulsierenden Geschwindigkeitssigrials, dessen Frequenz der tatsächlichen Umlaufgeschwindigkeit des Elektromotors proportional ist;

(b) ein Geschwindigkeitswähler, der so einstellbar ist, dass er ein Bezugssignal erzeugt, dessen Grosse der Höhe der gewählten Geschwindigkeit proportional ist;

(c) ein Vergleicher zum Vergleichen des Geschwindigkeitssignals des Bezugssignals, der ein Pehlersignal bildet, das der Differenz zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit und der gewählten Sollgeschwindigkeit entspricht;

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(d) ein Taktgeber, der im Synchronismus mit der Wechselstromenergiequelle ein Taktsignal bildet;

(e) eine das Pehlersignal und das Taktsignal aufnehmende und ein Triggersignal in einer vorgewählten Beziehung zueinander erzeugende Einrichtung; und

(f) ein Thyristor, der in Abhängigkeit von dem Triggersignal dem Motor elektrische Energie zuführt.