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Einrichtung zur elektrischen Regelung und stufenlosen Einstellung
der Drehzahl eines Elektromotors Gegenstand dieser Erfindung ist eine Einrichtung
zur elektrischen Regelung und stufenlosen Einstellung der Drehzahl eines Elektromotors
unter Verwendung eines mit der Motorwelle gekuppelten Wechselspannungsgenerators
zur Umwandlung der Motordrehzahl in eine drehzahlproportionale Wechselspannung,
bei der die Solldrehzahl des Motors durch eine einstellbare Gleichspannung vorgebbar
und die Differenz zwischen dei Sollwertspannung und der der Istdrehzahl entsprechenden
Istwertspannung einem Regelverstärker zugeführt wird, dessen Ausgangsgröße über
ein Stellglied die Motordrehzahl beeinflußt.
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Einrichtungen dieser Art sind an sich bekannt. In bekannten Anordnungen
wird beispielsweise zur Regelung der Drehzahl von Gleichstromnebenschlußmotoren
der Zündwinkel eines in Reihe zur Ankerwicklung liegenden und die Ankerspannung
steuernden Thyratrons durch die vom Regelverstärker gelieferte Ausgangsgröße derart
beeinfiußt, daß unabhängig von der Motorbelastung stets die durch eine eingestellte
Gleichspannung vorgegebene Solldrehzahl eingehalten wird, wobei entweder die Motorwelle
zur Drehzahlmessung mit einem Gleichspannungsgenerator gekuppelt oder aber der Istwert
der Drehzahl aus der vom Motor erzeugten Gegen-EMK abgeleitet ist. Zum Aufbau solcher
und ähnlicher Einrichtungen ist die Benutzung elektronischer Gleichstromverstärker
erforderlich, deren Aufbau, unabhängig davon, ob es sich um Röhrenverstärker oder
um Transduktorverstärker handelt, aufwendig ist und deren Benutzung wegen der bekannten
Stabilisierungsschwierigkeiten als lästig empfunden wird.
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Es wäre deshalb von Vorteil, wenn man auf die Anwendung empfindlicher
Gleichstromverstärker überhaupt verzichten könnte. Es war deshalb die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, die bekannten Anordnungen in dieser Hinsicht zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird dieses dadurch erreicht, indem die Differenz zwischen der Istwertwechselspannung
und der Sollwertgleichspannung nach Einweggleichrichtung dem Regelverstärker als
Impulsfolge zugeführt wird.
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So wird die Benutzung von Gleichstromverstärkern mit ihren empfindlichen
Eingangsstufen überflüssig, da die Regelabweichung nunmehr als Impulsfolge vorliegt,
deren Einzelamplituden zur Regelung herangezogen werden können. Gleichzeitig ist
es möglich, die bequeme Vorgabe des Drebzahlsollwertes durch eine einstellbare Gleichspannung
beizubehalten.
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Zur Erläuterung des Wirkungsprinzips der Erfindung soll davon ausgegangen
werden, daß der mit der Motorwelle gekuppelte Wechselstromgenerator beispielsweise
aus einem U-förmigen Eisenkern besteht, zwischen dessen Polschuhen ein kleiner zweipoliger
Permanentmagnet rotiert und auf dessen Schenkel eine Statorspule angeordnet ist.
Die Generatorspannung ug eines solchen Generators verläuft annähernd sinusförmig,
und ihre Amplitude U9 ist mit der Drehzahl n des als Gleichstromnebenschlußmotors
angenommenen Elektromotors durch die Generatorkonstante K verknüpft, so daß gilt
Erfindungsgemäß wird die Differenz zwischen der Generatorwechselspannung ug und
eine Sollwertgleichspannung Uz, gebildet und die Differenzspannung mittels eines
Einweggleichrichters gleichgerichtet. Die dadurch entstehende Steuerspannung u3
ist eine Reihe von Impulsen folgender Gestalt: US=U,-ug=U,-Ug-coscot,
(2)
für U, > Uv us = Q _ für U9 < U" (3)
Ist die Vergleichsspannung
U, stabilisiert und durch ein Potentiometer einstellbar, so kann bei Anordnungen
nach der vorliegenden Erfindung die Solldrehzahl nk mit Uz, = K . % eingestellt
werden. Ist die Drehzahl kleiner als ihr Sollwert, so ist dann Ug kleiner
als
Uz, und die Steuerspannung u" demzufolge Null. Die Anordnung kann deshalb so getroffen
sein, daß bei verschwindender Steuerspannung der elektrische Regler dem Motoranker
den maximalen Ankerstrom zuführt, wodurch der Motor stark beschleunigt wird. Unterschreitet
der Motor die Solldrehzahl, so wird die Spannung U9 größer als Uv, die Steuerspannung
wächst steil mit der Drehzahl an und regelt damit den Motorankerstrom herab. Wegen
der proportionalen Wirkung dieses Reglers liegt bei einer solchen Ausbildung des
Reglers die tatsächliche Motordrehzahl stets knapp über der Solldrehzahl.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung nach
der Erfindung dargestellt, in dem mit 1 der Anker eines als Gleichstromnebenschlußmotor
mit permanentmagnetischem Statorfeld ausgebildeten Motors bezeichnet ist. Der Motor
kann z. B. eine Nennleistung von 30 W haben. Sowohl der Motor als auch der aus Transistoren
bestehende Regler werden aus einer 12-V-Batterie 2 gespeist. Mit der Motorwelle
3 ist ein Wechselspannungsgenerator 4 gekuppelt, dessen Statorspule mit dem Potentiometer
R, verbunden ist. An der Zenerdiode Dl ist eine stabilisierte Gleichspannung abgreifbar,
und parallel zur Diode D,_ ist die Reihenschaltung eines Widerstandes R2 und eines
Potentiometers R3 angeordnet. Am Potentiometer R3 wird die Sollwertspannung Uz,
eingestellt und abgegriffen.
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Zwischen dem Schaltungspunkt 5 und dem Schleifer des Potentiometers
R, liegt ein Teil der Spannung u9 des Generators 4, so daß auf die Basis-Ermitter-Strecke
des Transistors T, die Differenz zwischen U" und u9 einwirkt. Solange diese Differenz
positiv ist, ist der Transistor T, gesperrt. Überschreitet dagegen die Generatoramplitude
U9 die durch das Potentiometer R3 vorgegebene Sollwertspannung Uv, d. h., wird die
Istdrehzahl n größer als die Solldrehzahl nx, so wird in der negativen Halbperiode
der Generatorspannung u9 während eines Zeitintervalls
die Basis des Transistors T, negativ angesteuert (0 ist der Winkel für die Dauer
des Stromflusses gemäß
Es entstehen deshalb am Kollektor von T, positive Spannungsimpulse, deren Amplituden
nach den Gleichungen (1) und (2) der Drehzahlabweichung proportional sind und deren
Breite 2 0 beträgt.
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Die der Regelabweichung entsprechenden Impulse werden in der zweiten
Stufe des dargestellten Verstärkers mittels eines weiteren Transistors T2 verstärkt.
Dieser Transistor arbeitet im A-Betrieb, da er mit positiven Basisimpulsen angesteuert
wird. Am Kollektor des Transistors T2 entstehen negative Spannungsimpulse, die über
die Kapazität C2 auf den Gleichrichter D3 übertragen werden. Wegen des gegenüber
dem Eingangswiderstand der Transistorstufe T3 großen Ausgangswiderstandes der Transistorstufe
T2 bildet der Gleichrichter D3 annähernd den arithmetischen Mittelwert der vom Koppelkondensator
C2 übertragenen negativen Impulse, so daß dieser also etwa halb so groß wie die
Kollektstromänderung am Transistor T2 ist. Die Gleichrichterausgangsspannung wird
durch die Kapazität C3 geglättet.
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Eine dritte Stufe des Verstärkers, die als Treiberstufe dient, wird
demzufolge mit einer leicht welligen negativen Gleichspannung gesteuert, deren Amplitude
in erster Näherung der Drehzahlabweichung proportional ist. In der dargestellten
Anordnung arbeitet der Transistor T3 ohne Ruhevorspannung, so daß der Kollektor
dieses Transistors bei Drehzahlen desMotors, die kleiner als die Solldrehzahlen
sind, das Batteriepotential von -12 V aufweist und bei zunehmender Aussteuerung
ein nach positiven Werten wachsendes Potential annimmt.
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Die Endstufe des Regelverstärkers enthält die beiden parallel geschalteten
Leistungstransistoren T4 und T, Da deren Eingangswiderstand und ihre Stromverstärkung
stark variieren können, ist zwischen den Basisanschlüssen beider Transistoren ein
Potentiometer R4 vorgesehen, dessen Schleifer mit der Stufe T3 gekoppelt ist. Beide
Stufen sind wegen des hohen Ruhepotentials des T3-Kollektors über eine Zenerdiode
DZ galvanisch gekoppelt. Mit dem Widerstand R3 ist der Endstufenbasisstrom so eingestellt,
daß sich bei fehlender Ansteuerung der maximal gewünschte Ausgangsstrom der Endstufe
ergibt. Der Kollektorstrom der Endstufe durchfließt den Anker 1 des Motors und ist
also für Drehzahlen, die kleiner als die Solldrehzahlen sind, gleich dem maximalen
Ankerstrom und sinkt bei positiver Drehzahlabweichung infolge positiver Aussteuerung
des Treiberkollektors.
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Abseits vom beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es bei Einrichtungen
nach der Erfindung auch möglich, die hinter der ersten Verstärkerstufe zur Verfügung
stehenden, der Regelabweichung proportionalen Impulse nicht hinsichtlich ihrer Amplituden
für die Regelung auszuwerten, sondern gleichermaßen bei entsprechender Impulsamplitudenbegrenzung
die Breite dieser Impulse zur Regelung zu benutzen. Mit solchen Einrichtungen wird
es möglich, beispielsweise bei Motoren größerer Leistung, die übliche Zündwinkelsteuerung
von Thyratronen oder äquivalenten Ventilen, die als Stellglieder für den Regler
dienen, durchzuführen, wobei in jedem Fall der Vorzug gegeben ist, daß der Sollwert
für die Drehzahl in einfacher Weise durch eine einstellbare Gleichspannung vorgebbar
und die Regelabweichung als Wechselstromgröße verstärkbar ist. Als Stellglieder
für die Drehzahlregelung können vorteilhaft auch Schalttransistoren eingesetzt werden.
Für den Fall, daß die Breite der der Regelabweichung entsprechenden Impulse zur
Regelung herangezogen wird, kann beispielsweise die vordere oder hintere Flanke
dieser Impulse zur Betätigung des jeweiligen Stellgliedes benutzt werden.