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Verfahren und Anordnung zur selbsttätigen Steuerung des Hochlaufs
und des Abbremsens eines Gleichstrommotors Das Anlassen von Gleichstrommotoren kann
in einfachster Weise in der Art der sogenannten Grobschaltung dadurch erfolgen,
daß an den Motor eine Ankerspannung der Größe angelegt wird, welche zur Erzielung
der Solldrehzahl notwendig ist. Der Motor läuft dann in einem durch seine elektrischen
und mechanischen Eigenschaften und durch seine Belastung gegebenen Abhängigkeitsverhältnis
der Drehzahl von der Zeit auf seine Solldrehzahl hoch. Zum Zweck des Abbremsens
des Motors wird in solchen Fällen die Ankerspannung weggenommen, und die Drehzahl
des Motors sinkt ebenfalls gemäß den Eigenschaften des Motors und seiner Belastung
in einer vorgegebenen Abhängigkeit von der Zeit normalerweise auf den Wert Null.
Beim Umschalten des Motors auf Rückwärtslauf (Reversieren) wird, je nach der Leistung
des Motors, entweder zuerst die Ankerspannung weggenommen und nach Absinken der
Motordrehzahl etwa auf den Wert Null eine Ankerspannung umgekehrter Polarität angelegt
oder aber sofort die Polarität der Ankerspannung geändert.
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Es ist ferner bekannt, Spannungsänderungen für den Anker eines Gleichstrommotors,
die zur Herbeiführung einer anderen Drehzahl von einem Steuer-oder Regelglied vorgegeben
werden, dem Anker nicht unmittelbar zuzuführen, sondern nach ihrer Maßgabe einen
Kondensator umzuladen und mit dessen Hilfe an die Ankerklemmen eine Spannung zu
legen, die sich ebenfalls von dem zuerst vorliegenden bis zu dem der neuen Drehzahl
zugeordneten Spannungswert ändert, jedoch mit einem exponentiellen Verlauf, der
entweder im ganzen benutzt wird, um Momentenstöße zu vermeiden, oder nur in einem
im wesentlichen linearen Teil, um lineare Drehzahländerungen des Motors zu erreichen.
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Um einen schnellen Hochlauf eines Gleichstrommotors auf einen vorgegebenen
Drehzahlwert zu erzielen, ist es auch bekannt, den Gleichstrommotor zunächst mit
Überspannung zu betreiben. Ein Zweipunktregler schaltet die Ankerspannung nach Erreichen
der Solldrehzahl des Motors ab, und die Drehzahl sinkt nach einem kurzzeitigen überschwingen
auf einen höheren Wert wieder auf die Solldrehzahl ab. In diesem Augenblick schaltet
der Zweipunktregler die Ankerspannung wieder ein, und das Absinken der Drehzahl
des Motors wird dadurch sogleich verlangsamt. Nach einem geringfügigen Absinken
unter den Sollwert steigt die Drehzahl wieder auf den Sollwert an und pendelt sich
auf diesen Wert mit einer gedämpften Schwingung ein. Auch ein solches Vorgehen ist
aber, wenn die Solldrehzahl des Motors schnell erreicht und dann genau eingehalten
werden soll, nicht günstig, da die Einschwingzeit bis zur Solldrehzahl zu groß ist.
Außerdem sind nicht bei jedem Antrieb mit Gleichstrommotoren überdrehzahlen erlaubt.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur
selbsttätigen Steuerung des Hochlaufs und des Abbremsens eines Gleichstrommotors
bei Vorwärts- oder Rückwärtslauf durch Änderung der Ankerspannung in Abhängigkeit
von einer Führungsspannung, die mit Hilfe eines bei Abgabe eines Steuerbefehls sich
auf- oder entladenden Kondensators selbsttätig erzeugt wird, wobei sich die Istdrehzahl
einer neuen Solldrehzahl jeweils nur in einer Richtung asymptotisch nähert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen möglichst schnellen Übergang zu
der jeweils neuen Solldrehzahl zu erreichen.
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Die Erfindung besteht bei dem zuvor genannten Verfahren darin, daß
der Führungsspannung ein derartiger zeitlicher Verlauf gegeben wird, daß die Ankerspannung
nach Abgabe des Steuerbefehls über ihren der neuen Solldrehzahl zugeordneten Betrag
hinaus kurzzeitig erhöht und danach, kurz bevor der Motor die neue Solldrehzahl
erreicht, auf den der neuen Solldrehzahl zugeordneten Betrag wieder erniedrigt wird.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist weiterhin vorgesehen, daß bei
der selbsttätigen Steuerung des Hochlaufs eine konstante Spannung erzeugt wird,
welche der Ankerspannung des Motors bei der neuen Solldrehzahl zugeordnet ist und
welcher eine der Kondensatorspannung proportionale Spannung überlagert wird.
Andererseits
ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß bei der selbsttätigen Steuerung des Abbremsens
eine dem Verlauf der Kondensatorspannung entsprechende Ankerspannung mit umgekehrtem
Vorzeichen wie beim Hochlauf erzeugt wird.
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Für die selbsttätige Steuerung des Reversiervorgangs ist erfindungsgemäß
vorgesehen, daß eine konstante Spannung erzeugt wird, deren Betrag der Ankerspannung
des Motors bei der neuen Solldrehzahl zugeordnet ist und welcher eine der Kondensatorspannung
proportionale Spannung überlagert wird, und daß eine Ankerspannung erzeugt wird,
die der durch die Überlagerung gebildeten Summenspannung folgt, jedoch mit umgekehrtem
Vorzeichen wie beim Hochlauf.
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Zur Durchführung eines Verfahrens zur selbsttätigen Steuerung der
vorgenannten Art schlägt die Erfindung eine Anordnung von solcher Ausbildung vor,
daß zur Erzeugung der Führungsspannung ein erster Stromkreis, bestehend aus einem
ohmschen Widerstand und einem dazu in Reihe geschalteten Kondensator, und ein diesem
nachgeordneter zweiter Stromkreis dient, welcher in Form eines u-Gliedes zwei einstellbare
ohmsche Widerstände und einen Kondensator enthält, daß an diesem die zur Erzeugung
der Führungsspannung dienende Kondensatorspannung abgenommen wird und daß ein in
Abhängigkeit vom Steuerbefehl betätigter Umschalter vorgesehen ist, welcher in seiner
ersten Schaltstellung eine Aufladung des ersten Kondensators ermöglicht und in seiner
zweiten Schaltstellung eine Entladung dieses Kondensators über die einstellbaren
ohmschen Widerstände des zweiten Stromkreises unter gleichzeitiger vorübergehender
Aufladung und anschließender Entladung des zweiten Kondensators bewirkt.
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Die Anordnung ist dabei insbesondere so getroffen, daß eine Verstärkeranordnung
dem Kondensator des zweiten Stromkreises nachgeordnet ist, daß ein Konstantspannungsglied
vorgesehen ist, dessen Spannung in der Verstärkerranordnung der Auf- bzw. Entladespannung
des Kondensators überlagert wird und in ihrer Größe der neuen Ankersollspannung
des Motors zugeordnet ist, und daß ein Schaltelement vorgesehen ist, welches bei
einem Stoppbefehl für den Motor das Konstantspannungsglied unwirksam macht.
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Als Konstantspannungsglied kann insbesondere eine Zenerdiode oder
eine Batterie dienen.
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Mittels der vorgenannten einstellbaren Widerstände kann der Auf- und
Entladevorgang des die Führungsspannungen erzeugenden Kondensators so verändert
werden, daß sich bei den verschiedenen Betriebszuständen des Motors eine optimale
Beschleunigung ergibt. Wesentlich ist aber, daß die Aufladung des Kondensators in
sehr kurzer Zeit (beispielsweise bis zu 2 ms) erfolgen kann.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand der Zeichnung noch näher erläutert
werden.
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F i g. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in
schematisierter Darstellung; F i g. 2 zeigt die Hochlaufkennlinie eines Gleichstrommotors
bei bekannten (Kennlinien a und b) und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
(Kennlinie c); F i g. 3 ist in untereinander gleichem Zeitmaßstab im Diagramm a
der Verlauf der Kondensatorspannung U, im Diagramm b der Verlauf der Ausgangssteuerspannung
Ust der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, im Diagramm c die Drehzahl des Motors
und im Diagramm d der Verlauf der Ankerspannung UA des Motors dargestellt.
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In F i g. 1 liegt an den Eingangsklemmen 1 und 2 eine konstante Gleichspannung.
An den Klemmen 1 und 2 liegt ferner ein RC-Glied mit einem ohmschen Widerstand 3
und einem Kondensator 4 und einem Umschalter 5 zwischen dem Widerstand und dem Kondensator.
Der Umschalter 5 kann vorzugsweise zur Erzielung einer hohen Umschaltgeschwindigkeit
durch elektronische Bauelemente, wie z. B. Transistoren oder Thyristoren, realisiert
werden. Das RC-Glied stellt, zusammen mit dem einen Strompfad des Umschalters, einen
ersten Stromkreis der erfindungsgemäßen Anordnung dar. Ein zweiter Stromkreis wird
durch das Schalten des Umschalters 5 in seine zweite Schaltstellung gebildet und
enthält ebenfalls den Kondensator 4, ferner zwei einstellbare ohmsche Widerstände
6 und 7 sowie einen zweiten Kondensator B. Die auch zwischen den Klemmen
9 und 10
liegende Spannung U, des Kondensators 8 ist in F i g. 3, a dargestellt.
Die Einstellbarkeit der Widerstände 6 und 7 ermöglicht eine Anpassung der Auf-und
Entladezeit des Kondensators 8 entsprechend den vorgegebenen Motoreigenschaften.
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An die Klemmen 9 und 10 schließt sich eine Verstärkeranordnung
an. Diese enthält einen Verstärker 1l. mit hochohmigem Eingang und einen Verstärkertransistor
12, welcher mit seinem Kollektor über einen ohmschen Widerstand 13 an einer positiven
Gleichspannungsklemme liegt. Der Emitter dieses Transistors 12 liegt über eine Zenerdiode
14 an einem Bezugspotential, vorzugsweise an Masse. An der Zenerdiode 14 liegt eine
positive Spannung, welche über den Transistor 12 die Auf- und Entladespannung des
Kondensators 8 überlagert. Die Spannung an den Klemmen 15 und 16 stellt die Steuerspannung
Ust für die Ankerspannung UA des Motors dar und ist in F i g. 3, b dargestellt.
Zum Überbrücken der Zenerdiode 14 bei einem der möglichen Betriebsfälle ist ein
Transistor 17 und ein ohmscher Widerstand 18 vorgesehen. Es ist jedoch selbstverständlich,
daß die Überbrückung der Zenerdiode auch mit anderen Mitteln erfolgen kann.
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Die Klemmen 15 und 16 sind mit einer Steuer= einrichtung 19 verbunden.
Dieser wird eine an den: Klemmen 20 und 21 liegende Speisegleichspannung für den
Motor zugeführt und entsprechend dem Kurvenverlauf der Steuerspannung Ust an den
Klemmen 15 und 16 selbsttätig gesteuert. Zwischen die Ausgangsklemmen der Steuereinrichtung
19 und deri Motoranker 22 ist ein Umpolschalter 23 eingefügt, welcher die Ausgangsspannung
der Steuereinrichtung 19 bei bestimmten Betriebsfällen dem Motoranker 22 mit umgekehrter
Polarität zuführt. An den Klein-. men 24 und 25 am Ausgang dieses Umpolschalters
wird die Ankerspannung UA für den Motoranker 22 abgenommen.
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Die Betätigung des Umschalters 5 erfolgt durch eine Steuereinrichtung
26. Diese schaltet jeweils bei den, Steuerbefehlen >Start« und »Stopp« den Umschalter
5 aus der in F i g. 1 gezeichneten Ruhelage in die andere Schaltstellung um und
stellt nach einer. Zeit, nach welcher der Kondensator 8 mit Sicherheit, aufgeladen
ist, den Umschalter wieder in seine Ruhe-Stellung zurück. Durch den Steuerbefehl
»Stopp« wird außerdem sowohl der Transistor 17 derart be-, tätigt, daß die Zenerdiode
14 überbrückt wird, .alsauch
die Ankerspannung UA vermittels des
Umpolschalters 23 umgepolt. Die Ankerspannung UA wird ebenfalls umgepolt, wenn der
Motor von Vorwärtslauf auf Rückwärtslauf umgeschaltet wird. Wird der Rücklaufbefehl
wieder weggenommen, so kehrt der Umpolschalter 23 wieder in seine ursprüngliche
Lage zurück. Für die Erfindung ist es grundsätzlich gleichgültig, in welcher Form
die Steuerbefehle an die Steuereinrichtungen 23 und 26 sowie den Transistor 17 angelegt
werden. Bei einer ausgeführten Anordnung wurden beispielsweise digitale Befehle
gewählt.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende: Der Umschalter
5 befinde sich in seiner dargestellten Ruhelage, der Motoranker 22 befinde sich
im Stillstand, der Transistor 17 sei gesperrt. Der Kondensator 4 wird über den Widerstand
3 von der an den Klemmen 1 und 2 liegenden Gleichspannung aufgeladen. Kommt jetzt
ein Steuerbefehl »Start«, so wird der Umschalter 5 in seine Arbeitslage umgeschaltet,
und der Kondensator 4 entlädt sich über den Widerstand 6, wobei gleichzeitig der
Kondensator 8 über den Widerstand 7 zunächst aufgeladen wird. Die Spannung zwischen
den Klemmen 9 und 10 steigt an. Diese Aufladung erfolgt um so schneller,
je größer der Widerstand 6 im Verhältnis zum Widerstand 7 und je kleiner die Kapazität
des Kondensators 8 zu der des Kondensators 4 ist. Der Kondensator 8 muß außerdem
in seiner Kapazität so bemessen sein, daß seine Ladespannung ausreicht, die Ankerspannung
für den Motoranker 22 in der gewünschten Weise zu steuern.
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Nachdem dieser vorübergehende Aufladevorgang des Kondensators 8 beendet
ist, entlädt sich dieser über die Widerstände 7 und 6, und die Spannung U, zwischen
den Klemmen 9 und 10 sinkt ab (s. F i g. 3, a). Mittels des Transistors 12 wird
der dieser Kondensatorspannung U, proportionalen Ausgangsspannung des Verstärkers
11 eine durch die Zenerdiode 14 bedingte konstante Spannung so überlagert, daß sich
zwischen den Klemmen 15 und 16
am Ausgang der Steueranordnung eine Steuerspannung
U, mit einem Kurvenverlauf ergibt, wie er in F i g. 3, b, erster Zeitabschnitt,
dargestellt ist.
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Mit Hilfe der Steuereinrichtung 19 wird die Größe der dem Motoranker
22 zugeführten Gleichspannung proportional der Steuerspannung U" zwischen den Klemmen
1.5 und 1.6 entsprechend F i g. 3, d, erster Zeitabschnitt, verändert. Die Drehzahl
des Motors steigt dabei vom Wert Null entsprechend F i g. 3, c auf ihren Sollwert
rl,oll an.
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Nach der Auf- und Entladung des Kondensators 4 wurde der Umschalter
5 von der Steuereinrichtung 26 selbsttätig wieder in seine Ruhelage zurückgekippt.
Die Aufladung des Kondensators 4 beginnt daher von neuem.
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Kommt jetzt ein Steuerbefehl »Stopp«, so wird der Umschalter 5 wieder
in seine Arbeitsstellung gebracht, der Kondensator 8 wird wieder vorübergehend aufgeladen
und entlädt sich anschließend über die Widerstände 7 und 6. Durch den Stoppbefehl
wurde gleichzeitig der Transistor 17 leitend gesteuert und überbrückt nun die Zenerdiode
14, so daß die konstante Spannung zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors
12 unwirksam gemacht wird. An der Steuereinrichtung 19 liegt somit allein eine der
Spannung U,, des Kondensators 8 proportionale Spannung (s. F i g. 3, a und b, zweiter
Zeitabschnitt). Durch den Steuerbefehl »Stopp« wurde: die Ankerspannung weggenommen,
und durch das Umpolen des Umpolschalters 23 wird an den Motoranker 22 eine Ankerspannung
umgekehrter Polarität angelegt, welche proportional ist der Steuerspannung zwischen
den Klemmen 15 und 16 (s. F i g. 3, d, zweiter Zeitabschnitt). Die Drehzahl des
Motors sinkt daher entsprechend F i g. 3, c, zweiter Zeitabschnitt, schnell auf
den Wert Null.
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Bei einem erneuten Steuerbefehl »Start« spielt sich der eingangs beschriebene
Vorgang von neuem ab, entsprechend dem dritten Zeitabschnitt der F i g. 3. Kommt
anschließend ein Steuerbefehl »Rücklauf«, so wird zwischen den Klemmen 15 und 16
wieder eine Steuerspannung Ust erzeugt, welche sich aus einer der Kondensatorspannung
U, proportionalen Spannung und der überlagerten Spannung der Zenerdiode 14 zusammensetzt
(s. F i g. 3, b, vierter Zeitabschnitt). Gleichzeitig wurde durch den Rücklaufbefehl
der Umpolschalter 23 in seine andere Schaltstellung gebracht und die Ausgangsspannung
der Steuereinrichtung 19 zwischen den Klemmen 24 .und 25 umgepolt
(s. F i g. 3, d, vierter Zeitabschnitt).