DE2017033C3 - Anordnung zur Regelung der induzierten Ankerspannung eines Gleichstrommotors - Google Patents

Description

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei Auslegeschrift 16 963/1967 bekannte Anordnung zur der Kollektor des Vergleichstransistors mit der 5° Regelung der induzierten Ankerspannung eines Basis des Leistungstransistors verbunden ist, da- Gleichstrommotors eine Brückenschaltung, wobei der durch gekennzeichnet, daß das Konstantspan- Widerstandswert der Brückenzweige so gewählt wird, nungsglied (14, IS) zwischen dem Emitter des daß die Brückenschaltung auf die Sollankerspannung Vergleichstransistors (12) und dem in der einen abgeglichen werden kann. In einer derartigen Regel-Brückenhälfte (1, 2) angeordneten Anschluß (8) 55 anordnung verläßt jedoch die Brückenschaltung ebender Brückennulldiagonale liegt (Fig. 1). falls den abgeglichenen Zustand, wenn der Anker

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei festgehalten wird, was die Ankerspannung und die der Kollektor des Vergleichstransistors über die Lastkennlinie beeinträchtigt. Aus dieser Auslege-Basis-Kollektor-Strecke eines weiteren Transistors schrift ist es auch noch bekannt, zur Einstellung der mit der Basis des Leistungstransistors verbunden 60 Sollankerspannung einen Stellwiderstand in die ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstant- Brückennulldiagonale der Brückenschaltung zu schalspannungsglied (19) zwischen dem in der anderen ten, um eine Vorspannung zu bilden, so daß die Brückenhälfte angeordneten Anschluß (7) der Brückendiagonalspannung in Abhängigkeit von der Brückennulldiagonale und dem ersten ohmschen Ankerspannungsänderung verringert wird. Wenn je-Widerstand (13) der Brückennulldiagonale liegt 65 doch der Stellwiderstand einen kleinen Widerstands-(F i g. 2). wert aufweist, ist die Regelempfindlichkeit verringert,

während der durch den Stellwiderstand fließende Strom während des Betriebes erhöht wird. Dies führt

dazu, daß die Briickenschaltung den abgeglichenen Zustand verläßt

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine stabile Regelkennlinie für beliebige Werte der induzierten Ankerspannung, d. h. bei dem konstant erregten Gleichstrommotor auch für beliebige Solldrehzahlen ermöglicht Die Solldrehzahl soll innerhalb eines großen Bereichs einstellbar sein, und die Anordnung soll eine gute Spannungs- und Lastkennlinie für beliebige SoUdrehzahlen innerhalb eines großen Bereichs zeigen.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß nach der Lehre des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelösl.

Die mit der Basis des Vergleichstransistors verbundenen bzw. zwischen dessen Basis und dessen Emitter geschalteten ohmschen Widerstände ermöglichen die Einstellung des Arbeitsbereichs des Vergleichstransistors. Diese Widerstände liegen in vorteilhafter Weise vollständig in der Brückennulldiagonale.

Die ohmschen Widerstände sind in beiden Brückenhälften fest. Daher ist der Widerstandsabgleich der Brückenschaltung auch zu Betriebsbeginn gewährleistet, so daß die Spannungsdifferenz zwisehen den Anschlüssen der Brückennulldiagonak nur von der Motorankerspannung und nicht von Schwankungen der Spannung der Gleichstromquelle abhängt. Dadurch kann eine sehr genaue und stabile Regelung der induzierten Ankerspannung und damit auch der Drehzahl erreicht werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung und

F i g. 2 das Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung.

Gemäß F i g. 1 gehört zur erfindungsgemäßen Anordnung eine Brückenschaltung, die durch den Anker 1 des zu regelnden, von einem Dauermagneten erregten Gleichstrommotors, einen in Reihe mit dem Anker 1 geschalteten festen ohmschen V/iderstand 2 sowie feste ohnvsche Widerstände 3 und 4 gebildet ist, die in Reihe zueinander und parallel zu der Reihenschaltung des Ankers 1 und des ohmschen Widerstands 2 geschaltet sind. Die Briickenschaltung hat zwei Speiseanschlüsse 5 und 6 und in der Brückennulldiagonale zwei Anschlüsse? und 8. Die Widerstandswerte der festen ohmschen Widerstände 2, 3 und 4 sind so gewählt, daß die Briickenschaltung einen abgeglichenen (widerstandsabgeglichenen) Zustand annimmt, wenn der Anker 1 stillsteht. Der Widerstandswert des ohmschen Widerstands 2 soll vorzugsweise ziemlich klein sein, weil durch ihn der Ankerstrom fließt Der Speiseanschluß 5 ist mit dem Kollektor eines Leistungstransistors 9 vom pnp-Typ verbunden, dessen Emitter an einen positiven Anschluß 10 einer nicht dargestellten Gleichstromquelle angeschlossen ist. Der Speiseanschluß 6 ist mit einem negativen Anschluß 11 der Gleichstromquelle verbunden. Ein Vergleichstransistor 12 vom npn-Typ ist in der Brückennulldiagonale mit seiner Basis an den Anschluß 7 über einen ohmschen Widerstand 13 angeschlossen, während sein Emitter mit dem Anschluß 8 über zwei in Sperrichtung gepolte Dioden 14 und 15 als Konstantspannungsglied und mit dem Speiseanschluß 6 über einen ohmschen Widerstand 16 verbunden ist Ein Stellwiderstand 17 ist parallel zur Eroitter-Basis-Strecke des Vergleichstransistors 12 geschaltet. Der Kollektor des Vergleichstransistors 12 ist mit der Basis des Leistungstransistors 9 verbunden. Ein Kondensator 18 liegt zwischen der Basis des Leistungstransistors 9 und dem negativen Anschluß 11.

Da die ohmschen Widerstände 3 und 4 in der Brückenschaltung einen Spannungszweig bilden, sollten ihre Widerstandswerte beträchtlich größer als der des Stromweges sein, der aus dem Anker 1 und dem ohmschen Widerstand 2 besteht, um die Leistungsverluste klein zu halten.

Es fließt jedoch ein Steuerstrom zur Steuerung des Vergleichstransistors 12 vom Anschluß 7 durch den ohmsche Widerstand 13, wobei die Widerstandswerte der ohmschen Widerstände 3 und 4 so bemessen werden, daß der durch diese Widerstände fließende Strom im wesentlichen von dem Steuerstrom unbeeinflußt bleibt. Da der Anker 1 einen Widerstandswert von einigen Ohm hat, kann, wenn der Widerstandswert des ohmschen Widerstands 16 einige Kiloohm beträgt, jede größere Beeinflussung der Briickenschaltung durch diesen Widerstand 16 vermieden werden.

Es sei daran erinnert, daß die Widerstandswerte des Ankers 1 und der ohmschen Widerstände 2 bis 4 so bemessen sind, daß die Briickenschaltung im Stillstand widerstandsmäßig abgeglichen ist. Wenn eine Spannung an den positiven und negativen Anschlüssen 10 und 11 bei festgehaltenem Anker 1 auftritt, fließt ein Strom zum Laden des Kondensators 18 durch die Emitter-Basis-Strecke des Leistungstransistors 9, so daß dieser Transistor leitend wird, um eine Spannung an die Speiseanschlüsse 5 und 6 der Brückenschaltung zu legen. Da jedoch die Brückenschaltung widerstandsmäßig abgeglichen ist, besteht in der Brückennulldiagonale keine Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen 7 und 8. Wenn der Widerstandswert des ohmschen Widerstandes 13 so gewählt ist, daß der Vorwärtsspannungsabfall an den Dioden 14 und 15 größer als der Spannungsabfall am ohmschen Widerstand 13 ist, wird eine Vorwärtsvorspannung zwischen dem Emitter und der Basis des Vergleichstransistors 12 angelegt. Wenn diese Vorspannung größer als die Schwellenspannung des Vergleichstransistors 12 ist, kann ein Basisstrom fließen, der den Vergleichstransistor 12 leitend macht, so daß der Basisstrom des Leistungstransistors 9 aufrechterhalten wird, um die zugeführte Gleichspannung durchzulassen.

Wenn der Anker 1 aus einem festgehaltenen Zustand gelöst wird, beginnt er sich zu drehen. Es entsteht eine induzierte Ankerspannung (Gegen-EMK) proportional der Istdrehzahl η des Ankers 1, so daß die Spannungsteilung zwischen dem Anker 1 und dem ohmschen Widerstand 2 geändert wird. Dies bringt die Brückenschaltung aus dem abgeglichenen Zustand und ruft eine Spannungsdifferenz in der Brückennulldiagonale zwischen den Anschlüssen 7 und 8 hervor.

Mit dem Speiseanschluß 6 als Bezugspunkt kann die Spannungsverteilung bei stillstehendem Anker 1 folgendermaßen ausgedrückt werden:

(i)

(2)

E₅ = Spannung zwischen den Speiseanschlüssen 5

und 6,

E₇ = Spannung zwischen Anschluß 7 und Speiseanschluß 6, d. h. am Widerstand 3, E₈ = Spannung zwischen Anschluß 8 und Speise-

anschluß 6, d. h. am Anker 1, R_y = Widerstandswert des Ankers 1, R₂ = Widerstandswert des Widerstandes 2, A₃ = Widerstandswert des Widerstandes 3,

R₄ = Widerstandswert des Widerstandes 4.

Wenn die Brückenschaltung widerstandsmäßig abgeglichen ist, gilt. R_tR_A = ^₂K₃, so daß in der Brükkennulldiagonale die Spannungsdifferenz

E₀ = E₇ — E₈ = 0

Wenn der Anker 1 sich zu drehen beginnt und eine Gegen-EMK E₀ erzeugt, proportional der Istdrehzahl n, so ändert sich die Spannung E₈. Dabei ergibt sich:

E ' = Ki£5

₁ +

Infolgedessen beträgt die Spannungsdifferenz E₀ zwischen den Anschlüssen 7 und 8:

(4)

3°

Da der magnetische Fluß in dem von Dauermagneten erregten Anker 1 als konstant anzusehen ist, ist die Gegen-EMK E₀ des Ankers E₀ = K · n, woraus folgt:

und da auch die Spannung E_BE zwischen der Basis und dem Emitter des Vergleichstransistors 12 im wesentlichen konstant ist, ändert sich die Istdrehzahl« des Ankers 1 mit umgekehrter Tendenz zu der des Basisstroms /_B. Der Basisstrom I₀ wird durch den Vergleichstransistor 12 verstärkt, um einen Steuerstrom für den Leistungstransistor 9 zu ergeben, der die Spannung E₅ zwischen den Speiseanschlüssen S und 6 steuert. Ein erhöhter Basisstrom I_B führt zu einer erhöhten Spannung E_n, bis ein abgeglichener Zustand erreicht ist.

Es soll jetzt angenommen werden, daß die Istdrehzahl des Ankers 1, die für einen bestimmten Basisstrom Iβ den Wert η beträgt, auf ri aus irgendeinem Grund erhöht wird. Dann fällt der Basisstrom I_B ^auf /'ß ab, um die Gleichung (7) zu erfüllen. Beim Abfall des Basisstroms wird der Kollektorstrom des Vergleichstransistors 12 ebenfalls verringert, um die Leitfähigkeit des Leistungstransistors 9 zu vermindern, so daß die Spannung E_& verringert wird, um die Istdrehzahl des Ankers 1 wieder kleiner zu machen.

Wenn die Istdrehzahl η aber auf n" fällt, wird der Basisstrom/_ß auf l_B" erhöht, um die Gleichung (7) zu befriedigen. Dieses Inkrement des Basisstroms erhöht die Leitfähigkeit des Leistungstransistors 9, so daß die Spannung E₅ erhöht und der Anker 1 wieder beschleunigt wird.

Auf diese Weise wird die Istdrehzahl π des Ankers 1 auf einen stabilen Sollwert geregelt.

Es soll jetzt erläutert werden, wie eine bestimmte Solldrehzahl n_s eingestellt wird. Da der Basisstrom Iβ zum Steuern des Vergleichstransistors 12 einen sehr kleinen Wert hat, falls

Ebb ^ ,

η =

KR₉

_{= K}> _E

(5)

_K, _ K₁ + R₂ KR₂

40

Wenn andererseits die Spannungsdifferenz E₀ zwischen den Emitter und die Basis des Vergleichstransistors 12 gelegt wird, um ihn zu steuern, ergibt sich für die Spannungsverteilung:

-R,

und die Basis-Emitter-Spannung E_BE des Vergleichstransistors 12 gleich dem Vorwärtsspannungsabfall Ed an jeder der Dioden 14 und 15 ist, wird die Gleichung (7):

:K'Ed 1-

E₀ = 2Ed - E_BE

(6)

rait

IEd- Vorwärtsspannungsabfall an den Dioden 14

und 15,

E be = Basis-Emitter-Spannung des Vergleichstransistors 12, R_a = Widerstandswert des Widerstandes 13, R₁₁ = Widerstandswert des Widerstandes 17, I_B = Basisstrom des Vergleichstransistors 12.

Aus der Gleichung (S) wird die folgende Gleichung gewonnen:

(7)

60

Da jedoch der Vorwärtsspannungsabfall 2Ed an den Dioden 14 und 15 im wesentlichen konstant und im normalen Betriebsbereich unabhängig vom Strom Daher kann eine Solldrehzahl n_s durch Einstellung des Werts von R₁₃ZR₁₁ in einem Bereich von wenig« als 1 vorgenommen werden. In diesem Fall ist die maximale Drehzahl /I_1nO₁ = K' Ed, wenn jedoch eis höherer Wert für W_0111x erforderlich ist, kann er erreicht werden, indem eine zusätzliche Diode in Serie mit den Dioden 14 und 15 geschaltet wird. Die Gleichung (8) setzt jedoch voraus, daB der Vorwärtsspannungsabfall Ed an jeder der Dioden 14 and 15 im wesentlichen gleich dem Spannungsabfall Ebe 3° ^^ei Basis-Emitter-Strecke des Vergleichstransistors 12 ist so daß, wenn die Spannung 2Ed durch eine ander* Einrichtung zu erzeugen ist, die Solldrehzahl n_s au irgendeinen Wert unter Verwendung von Glei drang (7) eingestellt wird. In diesem FaB muß 2£< konstant relativ zu beliebigen Änderungen in der Ver sorgungsspannung sein, da es die Sollspannung liefert Im abgebildeten Ausfühnmgsbeispiel ist ersichtlich daB die gleiche Einstellung, wie oben beschrieben auch durchgeführt werden kann, wens der Wider stand 17 ein SteUwiderstand ist In dem in Fig.2 gezeigten abgewandelten Aus

führungsbeispiel ist der Speiseanschluß 5 der Brückenschaltung mit dem negativen Anschluß Il der Gleichstromquelle und der Speiseanschluß 6 mit dem Kollektor des Leistungstransistors 9 verbunden, uie Reihenschaltung eines ohmschen Widerstands 18a und einer als Konstantspannungsglied dienenden Diode 19 ist parallel zu dem ohmschen Widerstand Λ geschaltet, wobei die Kathode der Diode 19 mit dem Anschluß 7 der Brückennulldiagonale verbunden ist. Die Widerstandswerte der Widerstände sind so ge- xo wählt, daß die Brückenschaltung damit widerstandsmäßig abgeglichen werden kann. Die Anode der Diode 19 isfmit der Basis des Vergleichstransistors 12 über einen ohmschen Widerstand 13 verbunden, und der Emitter des Vergleichstransistors 12 ist mit dem Anschluß 8 der Brückennulldiagonale verbunden Der Stellwiderstand 17 ist wiederum P?^rallel *^ur _PS" Emitter-Strecke des Vergleichstransistors 12 geschal-♦„, r,;„ no.ic ω« «/eiteren Transistors 20 der npn-Dabci bedeutet R₃ den Widerstand einer Schaltungsanordnung, die sich aus dem ohmschen Widerstand 18 a, der Diode 19 und dem ohmschen Widerstand 3 zusammensetzt. In der Brückenschaltung gilt R₁R₄ = RiR/, so daß die Spannungsdifferenz verschwindet: E₀ == E₁ — E₈ = 0.

Wenn der Anker 1 anläuft und eine Gegen-EMKE₁, erzeugt, wird die Spannung am Anker 1

Ri + Rz

Damit ergibt sich für die Spannung E₀ zwischen den Anschlüssen? und8 der Brückennulldiagonalen:

E₀ = E₇ - E_B' =

Da die Gegen-EMK E₀ den Wert K-η hat, gilt

mit

der Transistoren 12 und 20 sind mit_ dem---. Anschluß 10 der Gleichstromquelle über große ohm sehe Vorwiderstände 21 bzw. 22 verbunden

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Brickcnscha'ltung so bemessen, daß sie -de- -dsmäßig bei festgehaltenem Anker rabgeghc hen is,so daß d^gie Spannungsdifferenz zweier,,den Anschlus „ =

_K: -

KR₂

l +

KR₂

Andererseits wird die Spannungsdifferenz E₀ zwischen den Anschlüssen 7 und 8 der Brückennulldiagonale an die Basis-Emitter-Strecke des Vergleichstransistors 12 angelegt, um diesen zu steuern, wobei sich diese Spannung bestimmt zu:

E₀ = E_t - E_BE

-R J^Z-

der

■-Mit der Gleichung (5') wird die folgende Beziehung gewonnen:

cke flieüen kann, weil der Voiwämspan- „ = K"\E_d- E_BE -

EMKE proportional seiner IstdrehzahIn, ändert dadurch die'Spannungsverteilung in de,rBnjckensch*-

EMKE proportio

durch die'Spannungsverteilung

- so Da der Vorwärtsspannungsabfall E_d an der Diode 19 und die Spannung Eg^ an der Basis-Emitter-Strecke des Vergleichstransistors 12 im wesentlichen konstant sind, ändert sich die Istdrehzahl η des Ankers proportional zum Basisstrom /_ß. Der Basisstrom Iß wird verstärkt und danach durch den Transistor 20 umgepolt, so daß die Spannung E₆, in dei gleichen Weise wie im Ausführungsbeispiel zur F i g. beschrieben, gesteuert wird.

Für Ebe ^ ,

" Mit dem Speiseanschluß 6 als Bezugspunkt kann K₁₇

die Spannungsverteilung bei festgehaltenem Ämter χ ^^ ^ _{QMamig (r)} folgendermaßen geschriebei

folgendermaßen angegeben werden: ^ _werden.

E₇ = -E₅ E₈ = - E₅

TlJ

r₁

Daher kann die Solldrehzahl n_s durch Einstellun: (20 ^6o des Verhältniswertes -^- bestimmt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609628/30

Claims (2)

1. Λ.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

   Patentansprüche: _Aus ^_er französischen Patentschrift 14 33 588 ist

   •»ine Anordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1

   L Anordnung zur Regelung der induzierten 5 genannten Art zur Regdung to mduri^ Anta-Ankerspannung eines aus einer Gleichstrom- spannung eines aus einer Gleichstromquelle über quelle über einen Leistungstransistor gespeisten, einen Leistungstransistor gespeisten, von einem von einem Dauermagneten erregten Gleichstrom- Dauermagneten erregten Gleichstrommotors nut motors mit Hilfe einer mit festen ohmschen Wi- Hilfe einer Brückenschaltung bekannt bei der in der derständen ausgestatteten, mit der Ausgangsseite ίο Brückennulldiagonale der Vergleichstransistor in des Leistungstransistors verbundenen Brücken- Reihe mit einem Konstantspannungsghed angeordnet schaltung, in deren einer Brückenhälfte die Anker- ist, das ein Normalelement oder eine Z-Diode oder wicklung in Reihe mit einem Vorwiderstand liegt eine Diode mit steiler direkter Kennlinie ist
   und in deren anderer Brückenhälfte ohmsche Wi- Bei einer durch die Zeitschrift bunksenau 1969,

   derstände in Reihe liegen, und mit einem den 15 Heft 4, S. 104 bekannten Anordnung zur Regelung Leistungstransistor steuernden Vergleichstransi- der induzierten Aakerspannung eines aus einer stör, dessen Basis-Emitter-Strecke in der Brücken- Gleichstromquelle über einen Leistungstransistor genulldiagonale liegt, und dessen Emitter mit dem speisten, von einem Dauermagneten erregten Gleicheinen Anschluß der Brückennulldiagonale ver- strommotors mit Hilfe einer Bruckenschaltung, m bunden ist, die ihrerseits ein aus mindestens einer 20 deren einer Brückenhalfte die Ankerwicklung in Diode bestehendes Konstantspannungsglied zum Reihe mit einem Vorwiderstand liegt und in deren Vorspannen des ihm benachbarten Anschlusses anderer Brückenhälfte ohmsche Widerstände in Reihe der Brückennulldiagonale in Vorwärtsrichtung liegen, und mit einem den Leistungstransistor steuernrelativ zur Basis-Emitter-Strecke des Vergleichs- den Vergleichstransistor in der Brückennulldiagonale, transistors aufweist, dadurch gekennzeich- 25 wobei der Emitter des Vergleichstransistors mit dem net, daß die Brückenschaltung so abgeglichen einen Anschluß der Brückennulldiagonale verbunden ist, daß an den Anschlüssen (7, 8) der Brücken- ist, erfolgt die Einstellung des Arbeitspunktes mit nulldiagonale die Spannung Null ist, wenn der einem Potentiometer, das zwischen der Basis des Motoranker festgehalten ist; daß vom Vergleichs- Vergleichstransistors und der Brückenhälfte angetransistor (12) die Basis über einen ersten ohm- 30 schlossen ist, die die in Reihe liegenden ohmschen sehen Widerstand (13) mit dem einen Anschluß Widerstände aufweist. Dabei ist die widerstands-(7) der Brückennulldiagonale und der Emitter mit mäßige Abgleichung der Brückenschaltung am Ander Basis über einen zweiten ohmschen Wider- fang nicht gewährleistet, wenn der Widerstandswert stand (17) verbunden ist und daß der Vergleichs- des Potentiometers geändert wird. Dies führt wiedertransistor (12) und der zweite ohmsche Wider- 35 um zu einer Abweichung des Abgleichpunktes der stand (17) so ausgelegt sind, daß der Quotient aus Brückenschaltung infolge Schwankungen der Spander Basis-Emitter-Spannung des Vergleichstransi- nung der Gleichstromquelle.

   stors (12) und dem Widerstand des zweiten ohm- Weiterhin sind aus der französischen Patent-

   schen Widerstands (17) bedeutend größer als der schrift 1 530 223 und der französischen Patentschrift Basisstrom des Vergleichstransistors (12) ist und 40 1 546 761 entsprechende Anordnungen zur Regelung die Basis-Emitter-Spannung des Vergleichstransi- der induzierten Ankerspannung eines Gleichstromstors (12) gleich dem Vorwärtsspannungsabfall an motors bekannt, bei denen ein Potentiometer in eine jeder der Dioden (14, IS; 19) des Konstantspan- der Brückenhälften der Brückenschaltung geschaltet nungsgliedes ist. ist. Auch bei diesen Anordnungen ist die widerstands-
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- 45 mäßige Abgleichung der Brückenschaltung am Ankennzeichnet, daß mindestens der erste oder der fang nicht gewährleistet, wenn der Widerstandswert zweite ohmsche Widerstand (13, 17) ein Stell- des Potentiometers geändert wird.

   widei stand ist. Schließlich verwendet eine aus der japanischen