DE1763129A1 - Circuit arrangement for keeping the speed of a direct current shunt motor constant regardless of the load - Google Patents
Circuit arrangement for keeping the speed of a direct current shunt motor constant regardless of the loadInfo
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Description
Siemens Aktiengesellschaft Erlangen, 4. April 1968Siemens Aktiengesellschaft Erlangen, April 4, 1968
Henkestrasse I27Henkestrasse I27
EPA 21c57/6EPA 21c57 / 6
Schaltungsanordnung zur lastunabhängigen Konstanthaltung der Drehzahl eines Gleichstromnebenschlussmotors · . .Circuit arrangement for keeping the load-independent constant Speed of a DC shunt motor ·. .
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur selbsttätigen lastunabhängigen Konstanthaltung der Drehzahl eines Gleichstromnebenschlussmotors, bei der die durch Belastungsänderungen verursachten Änderungen des Ankerstromes zur Veränderung der Ankerspannung benutzt werden. The invention relates to a circuit arrangement for the automatic load-independent keeping constant the speed of a direct current shunt motor, in which the changes in the armature current caused by changes in the load are used to change the armature voltage.
Bei der einfachsten aus der deutschen Patentschrift 454 080 bekannten Schaltung dieser Art liegt in Serie zum Anker ein Eisenwasserstoff widerstand, dessen Widerstandswert bei steigendem Ankerstrom - entsprechend einer steigenden Belastung des Motors - derart absinkt und bei sinkendem Ankerstrom - entsprechend einer abnehmenden Belastung des Motors - derart ansteigt, dass sich der Spannungsabfall an diesem Widerstand reziprok zum Ankerstrom ändert und damit eine der Last proportionale Änderung der Klemmenspannung am Motor bewirkt. Bei einer zweiten Ausführungsform ist der Eisenwasserstoff widerstand durch zwei in Serie geschaltete Widerstände ersetzt, von denen der eine als Tauchspule ausgebildete Widerstand den Widerstandswert des anderen in dem vorgenannten Sinn verändert. Beide Lösungen haben den Nachteil, dass die Drehzahlkonstanthaitung infolge der Trägheit bei der Widerstandsänderung nur unvollkommen gelingt. "The simplest known from German patent specification 454 080 This type of circuit is connected in series to the armature with an iron hydrogen resistance whose resistance value increases with an increasing armature current - corresponding to an increasing load on the engine - so decreases and when the armature current falls - corresponding to a decreasing load on the motor - it rises in such a way that the voltage drop across this resistor changes reciprocally to the armature current and thus a change in the terminal voltage proportional to the load causes on the engine. In a second embodiment, the ferrous is hydrogen resistance by two resistors connected in series replaced, one of which is designed as a moving coil resistance changes the resistance of the other in the aforementioned sense. Both solutions have the disadvantage that the speed constant due to the inertia in the resistance change only imperfectly succeeds. "
Aus der französischen Patentschrift 1 428 478 ist es bekannt, dass,eine selbsttätige lastunabhängige Konstanthaltung der Drehzahl insbesondere/auch für Gleichstromnebenschlussmotoren mit Permanentmagneten Bedeutung hat, die für zahnärztliche Antriebe benutzt werden.From French patent specification 1 428 478 it is known that, an automatic load-independent constant maintenance of the speed especially / also for DC shunt motors Permanent magnets that are used for dental drives.
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Für Gleichstromnebenschlussmotoren rait einem permanent ma gne tischen Stator ist aus der deutschen Patentschrift 1 129 600 eine Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung der Drehzahl bekannt, bei der als steuerbarer Widerstand ein Transistor verwendet ist. Der Emitter-Kollektor-Kreis dieses Transistors ist in Serie zu einer eigens dafür auf den Schenkeln des Permanentmagneten angebrachten besonderen Hilfswicklung geschaltet, die ein dem Feld des Permanentmagneten entgegengerichtetes Feld erzeugt. Der Spannungsabfall an einem in Serie zur Ankerwicklung geschalteten Widerstand wird zur Steue- * rung des Transistors in dem Sinn verwandt, dass bei lastbedingter abnehmender Motordrehzahl und damit verbundener Zunahme des Ankerstromes der Emitter-Kollektor-Widerstand des Transistors verringert und damit der Strom durch die Hilfswicklung verstärkt wird. Infolge des dadurch verminderten resultierenden Feldes des Permanentmagneten erhöht sich die Drehzahl des Motors. Diese Art der Konstanthaltung der Drehzahl eines Gleichstromnebenschlussmotors ist bei der Anwendung für zahnärztliche Zwecke in doppelter Hinsicht nachteilig. Die Steuerwicklung auf dem Permanentmagneten benötigt zusätzlichen Platz, der die Abmessungen des Motors vergrössert, was bei Direktantrieben von zahnärztlichen Bohrhandstücken unerwünscht ist, und das Feld des Permanentmagneten und damit das maximale Drehmoment des Motors wird gerade in dem Moment vermindert, in dem der Motor belastet wird.A permanent magnet table is used for DC shunt motors The stator is a circuit arrangement from German patent specification 1,129,600 known for keeping the speed constant, in which a transistor is used as a controllable resistor. The emitter-collector circuit this transistor is in series with a special one specially attached to the legs of the permanent magnet Auxiliary winding connected, which generates a field opposite to the field of the permanent magnet. The voltage drop across a The resistor connected in series with the armature winding is used to control the transistor in the sense that when the load is Decreasing engine speed and the associated increase in armature current reduces the emitter-collector resistance of the transistor and so that the current through the auxiliary winding is amplified. As a result of the resulting reduced field of the permanent magnet the engine speed increases. This way of keeping the speed of a DC shunt motor constant is with the Use for dental purposes is disadvantageous in two respects. The control winding on the permanent magnet requires additional Space that increases the dimensions of the motor, which is undesirable for direct drives of dental drill handpieces, and the field of the permanent magnet and thus the maximum torque of the engine is reduced precisely at the moment in which the engine is loaded.
Eine weitere Schaltungsanordnung zur Einstellung und Konstanthaltung der Drehzahl eines zahnärztlichen Gleichstrommotors, bei der eine Brückenschaltung zur Steuerung der Motorspannung Verwendung findet, ist in der französischen Patentschrift 1 397 306 angegeben. Nachteilig wirkt sich bei dieser Schaltungsanordnung der grosse Aufwand aus, der durch die Brückenschaltung und den Verstärker für die Diagonalspannung der Brücke entsteht.Another circuit arrangement for setting and keeping constant the speed of a dental DC motor that uses a bridge circuit to control the motor voltage is found in French patent 1,397,306. The disadvantage of this circuit arrangement is the great expense that is caused by the bridge circuit and the amplifier for the diagonal tension of the bridge arises.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur lastunabhängigen Konstanthaltung der Motordrehzahl bei Gleichstromnebenschlussmotoren zu schaffen, die die geschilderten Nachteile vermeidet. Da in den zahnärztlichen Bohrhandstücken nur Platz für sehr kleine Motoren ist, musste dabei berücksichtigtThe invention is based on the object of a circuit arrangement for keeping the motor speed constant regardless of the load in DC shunt motors to create that avoids the disadvantages described. As in the dental drill handpieces only Space for very small motors had to be taken into account
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werden, dass die. zu suchende, möglichst einfache und billige Lösung die ohnehin-sehr-Knappe Leistungsfähigkeit der verwendeten Kotoren nicht noch weiter beeinträchtigt.be that the. to be searched for, the simplest and cheapest possible solution the already-very-scarce performance of the Kotoren used not further impaired.
Bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art mit einem im Ankerstromkreis liegenden, von der Kollektor-Eraitterstrecke, eines Lcistungstransistors gebildeten ersten Widerstand, dessen V.'iderstanaswert - gesteuert durch den sich bei Laständerungen ändernden Spannungsabfall an einem zweiten Widerstand im ■ Ankerstromkreis - reziprok zur-'Stromauf nähme-.des Motors verändert wird/ wobei der zweite V/i der stand und der erste Widerstand mit verschiedenen Klemmen der Versorgungsspannungsquelle verbunden sind, insbesondere für sahnärztliche Antriebe, ist erfindungsge- — mäss die Basisspannung des Leistungstranäistors von einem Spannungsteiler abgegriffen, der zu der Reihenschaltung aus dem ersten Widerstand und dem Motoranker parallel und zum zweiten Widerstand in Reihe liegt. Die Punktion der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung wird später an Hand der Figuren noch erläutert werden. Diese Schaltungsanordnung regelt die Drehzahl des Motors ohne Hilfswicklung und ohne das Feld des Permanentmagneten und damit die Leistungsfähigkeit des Motors zu schwächen. Infolge der Ausnutzung der geraden Drehzahl-Drehmomentkennlinie von GleichstromnebenschüuEB-motoren konnte sie nach Art der Störwertaufschaltung aufgebaut und gegenüber dem geschilderten Stand der Technik vergleichsweise einfach gehalten werden.In a circuit arrangement of the type mentioned with one in the armature circuit, from the collector-Eraitter section, a power transistor formed first resistor, its V.'iderstanaswert - controlled by the change in load changing voltage drop across a second resistor in the ■ Armature circuit - reciprocal to the current consumption of the motor changed is / where the second V / i stands and the first resistor is connected to different terminals of the supply voltage source are, in particular for drives used in dentistry, is inventively - The base voltage of the power transistor is tapped from a voltage divider that is connected to the series circuit of the first Resistance and the motor armature in parallel and in series with the second resistance. The puncture of the circuit arrangement according to the invention will be explained later with reference to the figures. This circuit arrangement regulates the speed of the motor without an auxiliary winding and without the field of the permanent magnet and thus the To weaken the performance of the engine. As a result of the exploitation the straight speed-torque characteristic of DC auxiliary feed motors it could be structured according to the type of disturbance value feed-in and can be kept comparatively simple compared to the state of the art described.
An Hand der in den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele, bei denen ein mit einem Permanentmagneten ausgerüsteter Gleichstromnebenschlussmotor verwendet wird, werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert.Further details are given on the basis of the exemplary embodiments described in the figures, in which a direct current shunt motor equipped with a permanent magnet is used the invention explained.
Fig. 1 zeigt die erfindungsgetnässe Schaltungsanordnung zur lastunabhängigen Konstanthaltung der Drehzahl eines zahnärztlichen Gleichstromnebenschlussmotors, · .Fig. 1 shows the inventive circuit arrangement for load-independent keeping the speed of a dental direct current shunt motor, ·.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung nach Fig. 1.Fig. 2 shows a further embodiment of the inventive Circuit arrangement according to FIG. 1.
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In Pig. 1 ist mit 1 der Leistungstransistor, dessen Basis-Emitterstrecke den ersten veränderbaren Widerstand bildet und mit 2 der zweite Widerstand bezeichnet, welche beide in Serie zu dem Gleichstrommotor J) mit Permanentmagneten geschaltet und an die Klemmen 4, 5 der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen sind. Parallel zu der Serienschaltung aus dem ersten veränderbaren Widerstand und dem Motor und in Serie zu dem zweiten Widerstand ist ein Spannungsteiler mit den Widerständen 6 und 7 an die Klemmen der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen, der über einen Abgriff - mit der Basis des Leistungstransistors 1 verbunden ist. Der Kollektor des Leistungstransistors und der zweite^Widerstand sind mit verschiedenen Klemmen der Versorgungsspannungsquelle verbunden.In Pig. 1 denotes 1 with the power transistor whose base-emitter path forms the first variable resistor and 2 denotes the second resistor, both of which are connected in series to the direct current motor J) with permanent magnets and connected to terminals 4, 5 of the supply voltage source. In parallel to the series circuit of the first variable resistor and the motor and in series with the second resistor, a voltage divider with resistors 6 and 7 is connected to the terminals of the supply voltage source, which is connected to the base of the power transistor 1 via a tap. The collector of the power transistor and the second resistor are connected to different terminals of the supply voltage source.
Wird der Motor belastet, so sinkt seine Drehzahl und steigt seine Stromaufnahme infolge der verminderten Gegen-EMK an. Der grössere Motorstrom verursacht am zweiten Widerstand einen grösseren Spannungsabfall, wodurch auch das am Spannungsteiler abgegriffene Basispotential des Leistungstransistors positiver wird. Das positivere Basispotential hat eine Verminderung des Kollektor-Emitterwiderstandes des Leigtungstransis tors und damit eine erhöhte Spannung am Anker des Motors zur Folge. Dadurch wird das Drehmoment des Motors erhöht und einem weiteren Abfall der Motordrehzahl entgegengewirkt.If the motor is loaded, its speed decreases and its power consumption increases due to the reduced back EMF. The bigger one Motor current causes a larger voltage drop at the second resistor, which means that the voltage tapped at the voltage divider is also tapped Base potential of the power transistor becomes more positive. The more positive Base potential has a reduction in the collector-emitter resistance of the Leigtungstransis sector and thus an increased one Voltage at the armature of the motor result. This increases the engine torque and further drops the engine speed counteracted.
In Pig. 2 ist mit 1 der in Serie zum Motor J5 geschaltete Leistungs-■ transistor und mit 2 der ebenfalls in Serie zum Motor geschaltete zweite Widerstand bezeichnet. Parallel zur Serienschaltung des Leistungstransistors und des Motors und in Serie zum zweiten Widerstand liegt der die Widerstände 6, 7 enthaltende Spannungsteiler, zwischen den Widerständen 6 und 7 des Spannungsteilers ist die Kollektor-Emitterstrecke eines zweiten Transistors 8 geschaltet, dessen Basispotential über einen verstellbaren Abgriff 9 einem direkt an den Klemmen 4, 5 der Versorgungsspannungsquelle angeschlossenen weiteren"Spannungsteiler 10, 11 entnommen wird. ■ Dem Widerstand 10 dieses weiteren Spannungsteilers ist zum Zwecke der Spannungsstahilisierung eine Zenerdiode 12 parallelgeschaltet. Der Kollektor des zweiten Transistors Ö ist mit der Basis eines dritten Transistors 1]5 verbunden, dessen Kollektor wiederum mit dem Kollektor des Leistungstransistors 1 verbunden ist. DerIn Pig. With 1, 2 is the power ■ switched in series with motor J5 transistor and 2 denotes the second resistor, which is also connected in series with the motor. Parallel to the series connection of the Power transistor and the motor and in series with the second resistor the voltage divider containing the resistors 6, 7 lies between the resistors 6 and 7 of the voltage divider the collector-emitter path of a second transistor 8 is connected, its base potential via an adjustable tap 9 is taken from a further "voltage divider 10, 11" connected directly to terminals 4, 5 of the supply voltage source. ■ A Zener diode 12 is connected in parallel to the resistor 10 of this further voltage divider for the purpose of voltage stabilization. The collector of the second transistor Ö is with the base a third transistor 1] 5 connected, its collector in turn is connected to the collector of the power transistor 1. Of the
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Emitter des dritten Transistors I5 ist einerseits direkt an die Basis des Leistungstransistors und andererseits über einen Widerstand 14 an den Emitter des Leistungstransistors angeschlossen.The emitter of the third transistor I5 is directly connected to the one hand Base of the power transistor and on the other hand via a resistor 14 connected to the emitter of the power transistor.
Bei infolge Belastung vergrösserter Stromaufnahme des Motors vergrössert sich auch der Spannungsabfall am zweiten Widerstand 2. Dadurch wird das Emitterpotential des zweiten Transistors 8 gegenüber dessen Basispotential angehoben, so dass sich der Widerstand der Kollektor-Emitterstrecke dieses Transistors vergrössert. Infolge des dadurch verringerten Stromflusses durch den Spannungsteiler 6, 7* 8 verkleinert sich auch die Potentialdifferenz zwischen Basis und Kollektor des dritten Transistors I3 und verringert sich der Spannungsabfall an der Kollektor-Emitterstrecke dieses Transistors. Über den vergrösserten Stromfluss durch den dritten Transistor und damit vergrösseifcen Spannungsabfall am Widerstand und das dadurch erhöhte Basispotential des Leistungstransistors verringert sich der Widerstand der Kollektor-Emitterstrecke des Leistungstransistors. Bei richtiger Anpassung der Verstärkerschaltung wird bei erhöhter Stromaufnahme des Motors die Zunahme des Spannungsabfalls an dem zweiten Widerstand 2 durch eine stärkere Abnahme des Spannungsabfalls an der Kollektor-Emitterstrecke des Leistungstransistors 1 überkompensiert und somit die Klemmenspannung am Motor erhöht. .If the current consumption of the motor increases as a result of the load, the voltage drop across the second resistor 2 also increases. This increases the emitter potential of the second transistor 8 compared to its base potential, so that the resistance of the collector-emitter path of this transistor increases. As a result of the reduced current flow through the voltage divider 6, 7 * 8, the potential difference between the base and collector of the third transistor I3 is also reduced and the voltage drop across the collector-emitter path of this transistor is reduced. The resistance of the collector-emitter path of the power transistor is reduced via the increased current flow through the third transistor and thus the increased voltage drop across the resistor and the increased base potential of the power transistor. If the amplifier circuit is adapted correctly, the increase in the voltage drop across the second resistor 2 is overcompensated for by a greater decrease in the voltage drop across the collector-emitter path of the power transistor 1 and the terminal voltage on the motor thus increased. .
Der Abgriff 9 am'Widerstand 10 des aus den Widerständen 10, 11 bestehenden Spannungsteilers ist verstellbar ausgebildet. Mit diesem Abgriff kann der Arbeitsbereich des Leistungstransistors und damit die Drehzahl des Motors eingestellt werden. Dieselbe Punktion hat auch der veränderliche Widerstand 6 in Fig. 1. The tap 9 on the resistor 10 of the resistor 10, 11 existing voltage divider is adjustable. With this The working range of the power transistor and can be tapped so that the speed of the motor can be set. The variable resistance 6 in FIG. 1 also has the same puncture.
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