DE3221093A1

DE3221093A1 - Anordnung fuer eine getaktete spannungsverstellung

Info

Publication number: DE3221093A1
Application number: DE19823221093
Authority: DE
Inventors: Winfried 6900 Heidelberg Beulen
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1982-06-04
Filing date: 1982-06-04
Publication date: 1983-12-08

Description

Anordnung für eine getaktete Spannungsverstellung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für eine getaktete Spannungsverstellung und wird in der Leistungselektronik vorwiegend bei Motor-Drehzahlregelge resten eingesetzt.
Zur Drehzahlregelung von Motoren wird allgemein eine elektronische Schaltung verwendet, bei der über Leistungstransistoren die Speisespannung für den Motor verändert wird. Auch eine unterlagerte Stromregelung wird vielfach eingesetzt. Bekannte Regelschaltungen arbeiten mit einem gesteuerten Langstransistor, der die Spannung linear regelt. Dazu werden von einem Tachogenerator (Drehzahlerfassungsgerät) Spannungswerte abgenommen und damit eine flegelelektronik zur Steuerung des Langstransistors gespeist. Diese Schaltungsanordnungen weisen allerdings eine hohe Verlustleistung auf.
Auch digitale Drehzahlregelungen sind bekannt. Ein Schalttransistor wird durch ein pulsdauer-moduliertes Signal getaktet, so daß sich am Ausgang der Schaltung ein Spannungsmittelwert einstellt, der die Drehzahl de Motors bestimmt. Das Prinzip dieser getakteten Regel.-schaltung, wie es beispielsweIse auch bei NetzgerSten angewendet wird, ist bekannt aus dem Buch von Fr. Bergtold: Schaltungen mit Operationsverstrkern, Bd. II, 2. Auflage 197, Seite 17. Bei sehr genauen Motorregelungen und sehr großem Regelbereich, beispielsweise bei Werkzeugmaschinensteuerungen, ergeben sich im unteren Drehzahlbereich sehr kurze Impulse, die mit den verwendeten Transistoren nicht mehr einwandfrei und stabil erzeugt werden können. Bei der Frequenzregelung können sich in großen Drehzahlbereichen durch die Induktivitten unangenehme Töne im hörbaren Niederfrequenzbereich ergeben. Im mittleren Drehzahl bereich, bei dem die Motorspannung etwa gleich der halben Versorgungsspannung ist, treten hohe Eisenverluste in der Glättungsinduktivität auf.
Aufgabe der Erfindung war es deshalb, eine Anordnung filr eine Spannungsverstei lung, beispielsweise eine Drehzahlregelanordnung für Motoren aufzuzeigen, bei der mit einfachen Mitteln auch sehr geringe und genaue Dreh7ahlen erreichbar sind.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 erzielt.
Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist besonders die genaue Regelung - 0,1% Abweichung - in einem sehr großen Regelbereich, hervorgerufen durch eine Frequenzmodulation im unteren Drebzahlbereich und eine PDM-Modulation im mittleren und oberen Drehzahl bereich.
Dabei wird im unteren Drebzahlbereich die Einschaltdauer des Leistungstransistors konstant und die Ausschal tdauer (Pausenzeit) variabel gehalten. Vorteilhaft ist weiter, daR die verwendete Drossel, weil. sie nler mit einer festen Maximal frequenz heaufschlagt wird, sehr klein aufgebaut werden kann und dadurch geringe thermische Verluste entstehen.
Ein Ausffihrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung wird nachstehend anhand der Zeichnung naher erläutert.
Ein Motor 1 mit mechanisch gekoppeltem Tachogenerator 2 soll in seiner Drehzahl sehr genau geregelt werden.
Durch den Tachogenerator 2 wird der Istwert der Drehzahl abgenommen und als nist einem Drehzahlregler 3 (Pl-Regler) zugeführt. Hier wird in Abhängigkeit von der Ist-und Sollwertdrehzahlsdifferenz ein analoger Stromsollwert 1soll gebildet. Der Drehzahlsollwert nsoll wird dabei durch einen Einstellregler (Potentiometer) von außen vorgegeben.
Dem Drehzahlregler 3 ist ein Stromregler 4 nadhgeschaltet, der den Stromsollwert 15011 mit einem Stromistwert Iist vergleicht. Dem Stromregler 4 folgt ein Pulsdauermodulator 5, der von einem Oszillator 6 gesteuert wird.
Dem PD-Modulator 5 ist ein monostabiles Kippglied 7 nachgeschaltet, dessen Ausgang wiederum auf einen Vorverstärker 8 geführt ist. Zwischen Kippglied 7 und dem Vorverstärker 8 wird ein Signal zur Beeinflussung des Oszillators 6 abgenommen. Der Vorverstärker 8 steuert einen Leistungstransistor 9 an, der mit seinem Kollektor an Versorgungsspannung UV und seinem Emitter an einen Widerstand 13 (Shunt) und an die Elektronik-Masse geschaltet ist. Von dem Emitter des Leistungstransistors 9 (Elektronik-Masse) ist zusätlich noch eine Freilaufdiode 11 gegen -Uv (negative Versorgungsspannung) geschaltet. In Reihe zu dem Widerstand 13 ist eine Speicherdrossel 10 geschaltet. Zwischen Widerstand 13 und Speicherdrossel 10 wird weiterhin noch fieber ein GlAttungsglied 12 (Tiefpaß) der Stromregler 4 mit dem Stromistwert 1ist angesteuert.
Diese Anordnung arbeitet wie folgt.
Von einem nicht gezeigten Potentiometer aus wird ein analoger Drehzahlsollwert nsoll vorgegeben. Der analoge Drehzahlistwert nutzt des Motors 1 wird über den Tachogenerator 2 abgenommen und in dem Drehzahlregler 3, beispielsweise einem als Pl-Regler geschalteten Operationsverstärker, mit dem Sollwert ns,ll verglichen. Der Regler 3 gibt dem Stromregler 4 einen Stromsollwert Isoll vor. In dem Stromregler Lt wird der Stromsollwert Isoll mit einem Stromistwert 1ist verglichen. Als Ergebnis erscheint eine Spannung, die im eingeschwungenen Zustand sich zum Maximalwert des Oszillators verhält wie die Motorspannung zur Versorgu1gsspannung. Diese .Spannung steuert das TastverhSltnis des nachgeschalteten Pulsdauermodulators (PDM) 5.
Im Oszillator 6 wird eine Dreieck- bzw. Sägezahnspannung mit konstanter Amplitude erzeugt, die auf den Modulator 5 geführt ist. Am Ausgang des Modulators 5 erscheint ein pulsdauermoduliertes Signal, dessen Tastverhältnis proportional dem Verhältnis der Versorgungsspannung UV zur Motorspannung ist. Die Breite des pulsdauermodulierten Signals entspricht der Einschaltdauer des Transistors 9; jeder Impuls steuert den Transistor 9 über das Kippglied 7 und den Vorverstärker 8 auf und zu.
Das digitale Signal aus dem Modulator 5 weist also Impulse unterschiedlicher Breite auf. Dabei entspricht die Breite der Impulse der Einschaltdauer des Transistors 9 bzw. der Spannung am Motor, während die Pausendauer der Impulse der Versorgungsspannung UV abzüglich Motorspannung entspricht.
Um den Transistor 9 auch dann sauber durchzuschalten, wenn die Impulse aus dem Modulator E sehr schmal sind, ist ein Kippglied 7 vorgesehen. Dieses monostabile retriggerbare Kippglied dient nur zur Erhöhung der Störsicherheit durch Vergrößerung der extrem kurzen Einu schalt impulse und gibt ein in der Dauer definiertes Mindestsignal an den Vorverstärker 8 weiter. Durch die verlängerten Einschaltimpulse für den Transistor 9 ist aber die Spannungsverstellung zu kleinen Werten hin begrenzt. Deshalb werden die Ausgangsimpulse des Kippgliedes 7 noch einmal auf den Dreieck-Oszillator 6 rückgeführt und beeinflussen hier den Oszillator in seiner Frequenz und damit den PDM-Modulator 5. Diese Korrektur der Impulse am Modulator 5 bewirkt, daß am Kippglied 7 Impulse anstehen, die in Abhängigkeit von der Motorspannung in ihrer Breite schwanken, aber in ihrer kleinsten Breite den Leistungstransistor 9 immer noch störungsfrei ansteuern.
Der Vorverstärker 8 dient nur zur Signalspannungsanhebung für die Basis des Endtransistors q Der Endtransistor 9 schaltet durch, worauf ein Strom vom Kollektor über Emitter,Widerstand 13,Drossel 12 und Motor 1 nach Minus-Potential-Uv fließt. Die Drossel 10 begrenzt dabei den Stromanstieg durch Transistor und Motorwicklung und nimmt gleichzeitig die Differenz zwischen der Versorgungsspannung + UV und der Motorspannung auf. Bei abgeschaltetem Transistor 9 fließt der Freilaufstrom der Drossel 10 Uber die Freilaufdiode 11 gegen Minus-Potential. Dies dient in vorteilhafter Weise dem Schutz des Transistors 9 vor zu hohen Spannungsspitzen.
Da der Stromregler mit einem glatten Sollwertstrom angesteuert wird, der über den Widerstand 13 (Shunt) abgenommene Istwertstrom aber durch die geschaltete Regelung sehr wellig ist, wird ein Glattungsglied 12, z.B. ein RC-Tiefpaß, vor den Stromregler 4 geschaltet.
In vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße Anordnung auch bei Vierquadranten-Motordrehzahlreglern angewendet werden. Hierbei ist der Regler in einer Halbbrückenschaltung mit zwei Schalttransistoren in jedem Brückenzweig und dem Motor im Mittelzweig aufgebaut.
Leerseite

Claims

A n s p r ii c h e 1. Anordnung für eine getaktete Spannungsverstellung, bei der ein Motor mit angekoppeltem Tachogenerator einen Drehzahlistwert und ein Einstellreg.ler einen Drehzahlsollwert vorgibt, dadurch gekennzeichnet, daß einem Drehzahlregler (3), der mit dem Drehzahlsoll-(soll) und dem Drehzahl istwert (nist) beaufschlagt ist, ein Stromregler (4) nachgeschaltet ist, wobei der Stromregler (4) mit einem Stromsoliwert (Isoll) von dem Drehzahlregler (3) und einem Stromistwert (Iist) von einem im Motorkreis liegenden Widerstand (13) angesteuert wird, daß der Stromregler (4) einen durch einen Oszillator (6) getriggerten Pulsdauermodulator (5) ansteuert, daß dem Modulator (5) ein Kipnglied (7) nachgeschaltet ist, das einmal den Oszillator (h) in seiner Frequenz verändert und einmal fiber einen Vorverstärker (8) einen Leistungstransistor (9) ansteuert, der die Reihenschaltung Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors (9), einer Drosselspule (10) und des Motors (1) an die Versorgungsspannung (+Uv, -Uv) legt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (q) durch die Regeianordnung so angesteuert wird, daß die Spannungsversteilung am Motor (1) im mittleren und höheren Betriebsbereich mit konstanter Taktfrequenz, aber veränderbarer Einschaltdauer und im unteren Betriebshereich mit konstanter Einschaltdauer, aber veränderbarer Taktfrequenz erfolgt.