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"Verfahren und Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Regelung der
Drehzahl eines Gleichstrommotors, insbesondere eines Gleichstrom-Kleinmotors.
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Zur Drehzahlregelung geeignete Verfahren und Anordnungen sind bekannt.
Beispielsweise kann die Drehzahl mittels eines Fliehkraft-Kontaktreglers, der unter
Ausnutzung der Zentrifugalkraft bei Überschreiten einer bestimmten Drehzahl den
Motorstromkreis unterbricht, Geregelt werden.
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Ferner sind ttordnungen bekannt, bei welchen aus der momentane@ Drehzahl
mittels eines Tachogenerators ein Istwert ermittelt wird, aus dem durch Vergleich
mit einem Sollwert eine Regelspannung abgeleitet wird, die den Motorstrom regelt.
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Derartige Anordnungen erfordern zusätzliche, relativ aufwendige Vorrichtungen,
wie Tachogeneratoren, Meßwertwandler u.dgl. am Motor, so daß sie schon aus Kostengründen
nicht für Jeden Motor, insbesondere nicht für Kleinmotoren geeignet sind.
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Ferner sind rein elektronisch arbeitende Regelschaltungen bekannt,
bei welchen die Regelgröße aus dem Motorstrom selbst abgeleitet wird, so daß kein
besonderer I)rehzahlsignalgeber erforderlich ist. Hierbei erzeugt der Motorstrom
z.B. an einem linearen oder auch nichtlinearen Widerstand, z.B. einer Tunneldiode,
eine der Motorlast proportionale Regalspannung. Diese Regelspannung kann beispielsweise
einem im Motorstromkreis angeordneten Regelteil, z.B. einem Stelltranaistor, zugeführt
werden. Da bei diesen Anordnungen der gesamte Motorstrom über einen Widerstand gerührt
werden muß, haben derartige Schaltungen bei hohen Motorlanten einen relativ schlechten
Wirkungsgrad, so daß sie nur ftlr kleine Lastbereiche anwendbar sind.
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Auch sind Regelverfahren bekannt, bei welchen die Steuerspannung aus
der Klemmenspannung eines impulsartig betriebenen Motors während der Abschaltpausen
abgeleitet wird. während der Abschaltpausen wirkt der Motor hierbei als Generator
und erzeugt eine um die Selbstinduktionsspannung verminderte Generatorspannung,
aus welcher eine Regelgröße abgeleitet wird, mit der ein in Motorstromkreis angeordneter
Stelitransiator entweder hinsichtlich seiner Schaltdauer oder seiner Leitfähigkeit
gesteuert wird.
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Die derart ermittelte Regelgröße ist ein Naß für die momentane Ifotordrehzahl
und den Motorstrom und damit auch für die Motorlast. Wird der Motorstromkreis unterbrochen,
erzeugt er nämlich infolge der Rotordrehung eine der Drehzahl proportionale Generatorspannung,
die um die von der Wicklungsinduktivität beim Abschalten des Motorstromes erzeugte
Selbstinduktionsspannung vermindert ist.
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Die Selbstinduktionsspannung ist der zeitlichen Änderung das Stromes
di/dt, d.h. bei konstanter Abschaltzeit dt dem Strom i und damit der Motorlast proportional.
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Somit bildet also die in dem Abschaltistervall vom Motor selbst erzeugte
Spannung ein Maß für das Drehzahl-und Lastverhalten des llotors. Insbesondere für
kleinere Ilotoren empfiehlt es sich wegen des geringeren sOhaltungsaufwandes, die
Motorstromimpulse in ihrer Amplitude zu steuern, d.h. den im Motorstromkreis angeordneten
Stelltransistor entsprechend der jeweiligen Motorlast in seiner Leitfähigkeit zu
verändern.
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Die vorliegende Erfindung geht von einem derartigen Vorfahren aus,
bei welchem der Motor intervallweise gespeist wird und die in den Abschaltinterrallen
an einem zwischen den Motorklemmen angeordneten Spannungsteiler abfallende, vom
Motor erzeugte Generatorzpannung als steuern spannung für einen im Motorstroakreis
angeordneten, in seiner leitfähigkeit steuerbaren Stelltransistor dient.
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Bei diesem Verfahren hat es sich als Nachteil erwiesen, daß die Steuergroße
aus seiner Gleichspannung besteht, deren notwendige Verstärkung wegen der bekannteraaßen
schlechten Temperaturstabilität und des relativ niedrigen Verstärkungsgrades von
Gleichspannungsverstärkern bei geringe Schaltungsaufwand schwierig ist.
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Zur Vermeidung dieses Nachteils wird nach dem Grundgedanken der Erfindung
vorgeschlagen, als Steuergröße nicht eine Gleichspannung zu verwenden, sonden diese
in eine Rechteckspannung umzuwandeln. Zu diesem Zweck wird die am Teilerpunkt stehende
Spannung während der Motorspeisezeit mittels eines elektronischen Schalters kurzgeschlos
sen, so daß eine Rechteckspannung entsteht, die mittels eines echselspannungsveratärkers
verstärkt und anschließend gleichgerichtet wird. Erst die gleichgerichtete Spannung
wird mit einer vorgegebenen Referenzspannung verglichen. Die aus dem Vergleich mit
der Referenzspannung abgeleitete Regelgröße kann nun in herkömmlicher Weise den
Stelltransistor derart steuern, daß der Motorstrom bei sich ändernder Drehzahl oder
Last so geregelt wird, daß die Drehzahl konstant bleibt.
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Bei dieser Verfahrensweise, die für einen Geichstrommotor, der als
Generator arbeiten kann, geeignet ißt, wird bei hoher Regelverstärkung eine gute
Temperaturstabilität erreicht, wodurch eine Drehzahlregelung mit hohem Wirkungsgrad,
großem Regelbereich und guten Regeleigenschaften ermöglicht wird. Die nach diesem
Verfahren arbeitenden Schaltungen erfordern im Gegensatz zu vielen anderen Schaltungen
keinen gesonderten Drehzahlsignalgeber, so daß sie für alle handelsüblichen Gleichstrom-Kleinmotoren
anwendbar sind, Eine nach diesem Verfahren arbeitende und mit der Erfindung ferner
vorgeschlagene Schaltung weist einen zwischen den Motorklemmen angeordneten Spannungsteiler
auf, dessen Teilermittelpunkt mit dem Eingang einer Wechselspannungsverstärkerschaltung
verbunden ist, welche eine Gleichrichterschaltung speist. Parallel. zum Verstärkereingang
ist ein elektronischer Schalter vorgesehen, welcher den Verstärkengang periodisch
immer dann hlrsschließt, wenn der im Notorstromkreis angeord nete Stelltransistor
durchgeschaltet ist, und der eesperrt
ist, wenn der Stelltransistor
gesperrt ist und der Motor als Generator arbeitet.
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Auf diese Weise wird eine Rechteckspannung erzeugt, deren Amplitude
der Jeweils am Teilerwiderstand abfallenden Spannung entspricht. Diese Rechteckapannung
wird verstärkt, gleichgerichtet und zur Ermittlung der Regelgröße mit einer Referenzspannung
verglichen. Zu diesem Zweck ist der Ausgang der Gleichrichterschaltung mit einer
Referenzspannungsquelle mit entgegengerichteter Referenzspannung verbunden. Die
derart ermittelte Regelgröße wird vorzugsweise über eine Treiberstufe dem Stelltransistor
zugeführt.
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Als elektronischer Schalter ist ein invers betriebener Schalttransistor
wegen seiner geringen Sättigungsspannung besonders zweckmäßig, der zwischen dem
Verstärkereingang und Masse angeordnet ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß
die am Spannungsteiler abfallende Spannung durch die Eigenschaften des 3chnlttransistors,
insbesondere dessen Temperaturabhängigkeit, nicht beeinflußt wird, da dieser den
parallel zum Verstärkereingang liegenden Teilerwiderstand nur periodisch kurzschließt
und hierdurch eine Rechteckspannung erzeugt, deren Amplitude der um die Selbstinduktionsspannung
verminderten MoQorgeneratorspannung proportional ist.
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Der Schalttransistor und der Stelltransistor werden gemeinsam mittels
eines Impulsgenerators derart gesteuert, daß der Motorstromkreis periodisch unterbrochen
und der parallel zum Verstärkereingang liegende Schalttransistor gesperrt wird.
Zu diesem Zweck ist der Ausgang des Impulsgenerators sowohl mit der Steuerelektrode
des Schalttransistos als auch vorzugsweise fieber einen Xreibertransiautor mit der
Steuerelektrode des Stefltrsnsistors verbunden.
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Als Impulsgenerator eignet sich beispielsweise ein astabiler Multivibrator.
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Um die Steuerelektrode des Treibertransistor bei Ansteuerung mit der
Ist-Spannung von Generatorausgang zu entkoppeln, ist zweckmäßigerweise zwischen
Generatorausgang und der Steuerelektrode des Treibertransistors eine Diode vorgesehen.
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Zur manuellen Einstellung der Motordrehzahl kann das Teilerverhältnis
des parallel zu den Motorklemmen geschalteten Spannungsteilers geändert werden.
So kann der ßpaniiungsteiler z.3. in einzelne Teilerwiderstär;de unterteilt sein,
deren Anzapfungen über einen Wahlschalter und vorzugsweise einen Strombegrenzungswiderstand
mit der Verstärker stufe sowie dem Schalttransistor verbunden sind. Auch ist bei
Verwendung eines variablen Widerstandes eine kontinuierliche Einstellung möglich.
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Weitere schaltungstechnische Einzelheiten sowie die Wirkungsweise
der Schaltung sind nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles, deren
Schaltbild und Impulsdiagramm in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 das Schaltbild einer erfindungsgemaß aufgebauten
Schaltungsanordnung und Fig. 2 Impulsdiagramme der von der Schaltung erzeugten Impulsfolgen.
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Die erfindungsgemäße Schaltung, deren Schaltbild in Fig. 1 dargestellt
ist, dient der Drehzahlregelung des Motors M, der aus der Sp.manungsquelle U3 gespeist
wird und in dessen M.^+orstromlrreis der Stelltransistor T1 angeordnet ist.
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Parallel zum Motor, d.h. zwischen den Motoranschlußklemmen, ist ein
Spannungsteiler mit den Widerständen R1 - R6 angeordnet, deren Anzapfungen mit den
Kontakten eines Wählschalters W verbunden sind. Mit Hilfe dieses Wählschalters kann
die Motordrehzahl stufenweise eingestellt werden. Bei Verwendung eines veränderbaren
Widerstandes anstelle der Widerstände R2 - R6 ist auch eine stufenlose Drehzahleinstellung
möglich. Der als Trimmwiderstand R1 ausgebildete Teilwiderstand dient hierbei dem
Abgleich.
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Der Iählschalter W ist über einen Strombegrenzungswiderstand mit dem
Eingang einer Verstärker- und Gleichrichter-Schaltung V verbunden. Diese Verstärkerschaltung
besteht aus dem Verstärkertransistor T2, dem Emitterwiderstand dem Kollektorwiderstand
R9 und dem Basiswiderstand R10.
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Zur Gleichstromabblockung ist dem Verstärkereingang der Kondensator
C1 vorgeschaltet.
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Im Kollektorstromkreis ist ferner ein Siebglied, bestehend aus der
Diode D1 und dem Kondensator C2, vorgesehen, welches der Unterdrückung von Eigenschwingungen
dient, die bei Ansteigen des Batterieinnenwiderstandes auftreten können.
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Der Kollektor des Verstärkertransistors T2 ist mit
einer
Gleichrichterschaltung, bcstehend aus den Dioden D2 und D3 und den Ladekondensatoren
C3 und C4 verbunden. Am Ladekondensator C4 entsteht somit eine Spannung, die einen
Istwert für das momentane Drehzahl-und Lastverhalten des Motors darstellt.
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Zur Erzeugung der Referenzspannung, aus welcher der feste Sollwert
abgeleitet wird, sind die in Reihe geschalteten Dioden D4 und D5 vorgesehen, die
aus der Spannungsquelle U3 über einen Vorwiderstand R11 gespeist werden. Die an
den Dioden abfallende Referenzspannung, die der am Ladekondensator C4 entstehenden
Spannung entgegengerichtet ist, wird diesem über den Widerstand R12 zugeführt, so
daß am Kondensator C4 eine als Regelgröße dienende Richtspannung entsteht. Diese
Richtspannung steuert den über den Widerstand R13 angekoppelten Treibertransistor
X3, der über die Kollektorwiderstände R14 und R15 aus der Speisespannungsquelle
U3 versorgt wird. Der Treibertransistor seinerseits steuert den Stelltransistor
T1, , dessen Basis mit dem zwischen den Kollektorwiderständen R14 und R15 befindlichen
Knotenpunkt verbunden ist.
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Parallel zum Eingang des Verstärkers V ist schließlich ein Schalttranßistor
T4 vorgesehen, der im dargestellten Beispiel invers betrieben wird, wobei die tollektor-Basis-Strecke
des Transistors als Steuerstreoke dient.
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Sowohl der Schalttransistor X4 als auch der reibertransistor T3 und
damit indirekt der Stelltransistor T1
werden mittels eines Rechteckimpulsgenerators
IG gesteuert. im erläuterten Beispiel besteht dieser Impuls generator aus einem
astabilen Multivibrator mit den Transistoren T5 und T6, den Kollektorwiderständen
R16, R17, den Basiswiderständen Ri8 und R19 und den Koppelkondensatoren C5 und C6.
Der Ausgang des lmpulsgenerators ist sowohl mit der Basis des Schalttransistors
24 als auch der Basis des Treibertransistors 23 verbunden.
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Zwischen der Basis des Treibertransistors T3 und dem Ausgang des Impulsgenerators
IG ist eine Diode D6 angeordnet, die nur negative Impulse an die Basis des Transistors
T3 gelangen läßt und bei positiven Impulsen gesperrt ist.
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Aufgabe des Impulsgenerators ist es, den Transistor T4 periodisch
durchzuschalten bzw. zu sperren, und hierbei gleichzeitig den Treibertransistor
T3 derart zu steuern, daß der Stelltransistor T1 im gleichen Takt geöffnet und gesperrt
wird.
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Die Schaltungsanordnung hat hierbei folgende Wirkungsweise.
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Ist der Stelltransistor m gedffnet, so verbindet er den zu regelnden
Motor über seine Emitter-Kollektorstrecka mit der Spannungsquelle U. Während dieses
Intervalls ist der Schalttransistor T4 durchgeschaltet, so daß am Eingang des Verstärkers
V die Spannung 0 liegt.
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Erzeugt nun der Impulsgenerator IG einen den Xreibertransistor 03
und damit den Stelltransistor Ti sperrenden Impulse so wird der Motorstromkreis
unterbrochen und
R1 bis R6. Hierbei fällt al Spannungsteiler R1
R die Generatorspannung vennindert um die beim Abschalter erzeugte Selbstinduktionsspannung
ab. Da die Selbstinduktionsspannung der zeitlichen Stromänderung di/dt proportional
und die Abschaltzeit dt konstant ist, ist die am Spannungsteiler abfallende Spannung
ein Maß für die Belastung und Drehzahl des Motors. J nach Stellung des Wählschalters
W wird eine Teil spannung des Spannungsteilers über den Strombegrenzungswiderstand
dem Eingang des Verstärkers V zugeführt, der während dieses Intervalles vom Schalttransistor
T4 nicht kurzgeschlossen ist. Diese Teilspannung wird d verstärkt und gleichgerichtet
und der von den Dioden gebildeten Referenzspannung überlagert, so daß vom Ladekondensator
C4 eine Richtgleichspannung gespeichert wird. In der folgenden Schaltperiode wird
der Treibertransistor T3 wieder geöffnet, so daß er sowie der mit iiini gekoppelte
Stelltransistor, der den Motorstrom steuert, entsprechend de Richtspannung in ihrer
Leitfähigkeit gesteuert werden.
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Die Regelwirkung dieser Schaltung beruht darauf, da die Amplitude
der am Verstärkereingang liegenden Impulse wegen der Differenzbildung aus Generatorspannung
und Ahschal tirnpulsspannung umso kleiner ist, je größer der abgeschaltete Motorstrom
ist, so daß bei hoher Motorlast am Eingang des Verstärkers V Impulse mit geringerer
Amplitude und damit am Gleichrichterausgang eine niedrigere Gleichspannung entstehen.
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Durch tiberlagerung dieser Gleichspannung mit der konstanten, dieser
entgegengerichteten Referenzspannung wird eine größere Richtspannung gebildet, die
eine Erhöhung des Kollektorstromes des Treibertransistors T3 zur Folge hat. Damit
wird aber auch die Basisspannung des Stelltransistors T1 vergrößert, was ein Anwachsen
seines Kollektorstromes, aus welchem der Motor gespeist wird, zur Folge hat, wodurch
die Drehzahl- bzw. Lastabweichung ausGeglichen wird.
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Das in Fig. 2 dargestellte Impulsdiagramm verdeutlicht die während
eines Regelvorganges von der Schaltung erzeugten Impuisfolgen in Zuordnung zu denvvom
Impulsgenerator erzeugten Steuerimpulsen.
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In der linken Spalte (a) sind die Impulse bei kleiner Last und in
der rechten Spalte (b) bei großer Last dargestellt. Dm einzelnen sind folgende Spannungs-Zeit-Kurven
ersichtlich: Ul s f(t) Motorspannung U2 = f(t) Emitterspannung des Schalttransistors
T4 U3 = f(t) Kollektorspannung des Verstärkertransistors T2 U4 = f(t) Kondensatörspannung
an C4 U5 = f(t) Basisspannung des Treibertransistors T3
U6 = f(t)
Kollektorspannung des Treibertransistors T3 U7 = f(t) Steuerimpulse des Impulsgenerators
gemessen am Kollektor des Transistors T5