DE2418769A1

DE2418769A1 - Vorrichtung zur geschwindigkeitssteuerung eines gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2418769A1
Application number: DE2418769A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Miyazaki
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 1973-04-18
Filing date: 1974-04-18
Publication date: 1974-10-31
Also published as: DE2418769C3; GB1472115A; DE2418769B2; NL7405286A

Description

Patentanwälte Liedl, Dr. Pontani, Nöth, Zeitler

München 22, Steinsdorfstraße 21-22, Telefon 089/29 84

B 6700

KABUSHIKI KAISHA SANKYO SEIKI SEISAKUSHO" 5329, Shimosuwa-Machi, Suwa-Gun, Nagano-Ken / Japan

Vorrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung eines Gleichstrommotors

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung eines Gleichstrommotors, insbesondere für ein magnetisches Aufzeichnungs- und Wiedergabegerät oder dgl..

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In herkömmlicher Weise werden bei der Geschwindigkeitssteuerung eines Gleichstrommotors entweder ein Frequerizsteuersystem verwendet, in welchem die Um lauf frequenz bzw. Drehzahl des Gleichstrommotors erfaßt wird und mit einem Vergleichswert verglichen wird, so daß ein Vergleichsausgang gewonnen wird, der zur Geschwindigkeitssteuerung des Gleichstrommotors verwendet wird, oder es wird ein Phasensteuersystem verwendet, bei dem die Rotationsphase bzw. Umlaufphase des Gleichstrommotors erfaßt und mit einer Vergleichsphase verglichen wird, um einen Vergleichsausgang vorzusehen, der zur Geschwindigkeitssteuerung des Gleichstrommotors verwendet wird. Das Frequenzsteuersystem ist empfindlich gegenüber Belastungsänderungen und hat eine schlechte Lastcharakteristik. Andererseits zieht das Phasensteuersystem eine lange Mitnahmezeit vom Start des Gleichstrommotors bis zum Erreichen der gewünschten Geschwindigkeit nach sich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung für einen Gleichstrommotor zu zeigen, bei dem eine Kombination aus Phasen- und Frequenzsteuersystemen vorgesehen ist, so daß man eine verbesserte Belastungscharakteristik und eine verringerte Mitnahme ze it erhält.

Bei einer Vorrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung eines Gleichströmmotors mit einem Antriebsstromkreis für den Antrieb des Motors wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Wechselstromgenerator, der mit dem Gleichstrommotor gekoppelt ist, einen Vergleichsoszillator, einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler zum Umwandeln des Ausgangs des Wechselstrom generators in eine Gleichspannung, einen Phasenkomparator zum Erfassen einer Phasendifferenz zwischen dem Ausgang des Wechselstromgenerators und einem

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Bezugssignal aus dem Vergleichsoszillator und durch eine Schaltung, die in Abhängigkeit vom Ausgang des Phasenkomparator und dem Ausgang des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers den Antriebsstromkreis so steuert, daß eine Phasen- und Frequenzsteuerung für den Gleichstrommotor vorgesehen ist.

Bei der Erfindung ist ein Wechselstromgenerator an einen Gleichstromgenerator gekoppelt. Der Ausgang vom Wechselstromgenerator und ein Bezugssignal vom Vergleichsoszillator werden an den Phasenkomparator gelegt. Dieser sieht einen Ausgang vor, der eine Phasensteuerung für den Antrieb des Gleichstrommotors durchführt. Der Ausgang des Wechselstromgenerators wird außerdem zur Frequenzsteuerung des Gleichstrommotors verwendet.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen sollen an Ausführungsbeispielen die Erfindung und Vorteile derselben noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Blockschaltbilder von Ausführungsbeispielen der Erfindung; und 2

Fig. 3 eine Schaltung für das Ausführungsbeispiel in der Fig. 2 und

Fig. 4 Schaltungen weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

In der Fig. 1 ist ein Gleichstrommotor M mit einem Wechselstromgenerator gekoppelt, der als Drehzahl/Frequenz-Wandler G ausgebildet ist. Dieser Wandler erzeugt eine Wechselspannung, deren Frequenz proportional zur Drehzahl des Gleichstrommotors ist. Der Ausgang

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aus dem Wandler wird in eine Gleichspannung umgewandelt,und zwar in einen Frequenz zu Spannungs-Umwandler 11, der einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler bildet. Anschließend wird diese Spannung mit einer Bezugsspannung verglichen, welche aus einer Bezugsspannungsquelle 13 gewonnen wird. Der Vergleich findet in einem Spannungskomparator 12 statt. Der Ausgang des Spannungskomparators 12 wird mittels eines Regelverstärkers 14 verstärkt, bevor er an eine Schaltereinrichtung 15 gelegt wird. Diese dient zur Steuerung der Amplitude der Spannung, welche an den Gleichstrommotor M gelegt wird. Der Ausgang aus dem Wandler G wird ebenfalls an einen Phasenkomparator 17 gelegt, und zwar entweder direkt oder nach Frequenzteilung in einem Frequenzteiler 16. Hierbei wird die Phase mit einem Bezugssignal, das aus einem Vergleichsfrequenzoszillator 18 gewonnen wird, verglichen. Der Ausgang aus dem Phasenkomparator wird an die Schaltereinrichtung 15 gelegt, so daß eine Zweipunktsteuerung der Spannung, welche an den Gleichstrommotor M geliefert wird, erzielt wird. Wenn die Bezugsspannung aus der Bezugsspannungsquelle 13 eingestellt ist, während der Gleichstrommotor M sich in s einem synchronisierten Zustand befindet, so daß er einen Arbeitszyklus von 50 % für die Pulswellenform, welche an den Gleichstrommotor M gelegt ist, vorsieht, bewirkt eine Änderung in der Rotation des Gleichstrommotors M aufgrund einiger Störungen sowohl eine Änderung der Phase als auch der Geschwindigkeit. Es werden jedoch sowohl die Impulsbreite als auch die Amplitude der Spannung, welche an den Gleichstrommotor M gelegt wird, in einer solchen Richtung gesteuert, daß die Rotation des Gleichstrommotors stabilisiert wird. Beispielsweise für eine statische Belastungscharakteristik des Gleichstrommotors M arbeitet das Phasensteuerungssystem, das den Drehzahl zu Frequenz-Wandler G, den Phasenkomparator 17, den Vergleichsfrequenzoszillator 18, den Schalterstromkreis 15 und den

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Gleichstrommotor M enthält, so, daß eine Phasensteuerung bezüglich der Geschwindigkeit des Gleichstrommotors M vorgesehen wird. Dies ergibt dann eine Antriebsspannung, welche an den Gleichstrommotor M geliefert wird, welche von dem Arbeitszyklus von 50 % abweicht. Die Amplitude der Impulse, welche an den Gleichstrommotor gelegt werden, weichen jedoch nicht von ihrer anfänglichen Bedingung ab. Für eine dynamische Belastungsänderung jedoch arbeitet das Frequenzsteuersystem, das den Drehzahl zu Frequenz-Wandler G, den Frequenz zu Spannungswandler 11, den Spannungskomparator 12, die Bezugsspannungsquelle 13, den Regelverstärker 14, den Schalterstromkreis 15 und den Gleichstrommotor M enthält, so, daß die Amplitude

der Antriebsspannung, die an den Gleichstrommotor M gelegt ist, gewird.

steuert^ Hierbei wird eine Änderung in der Rotation des Gleichstrommotors M unterdrückt. Eine geringe Abweichung in der Vergleichsspannung, welche von der Vergleichsspannungsquelle 13 geliefert wird, wirkt sich lediglich in einer geringen Änderung in der Impulsbreite der Antriebsspannung, die an den Gleichstrommotor M geliefert wird,' von 50 % aufgrund des Betriebes des Spannungssteuersystemes aus. Eine Abweichung in der Umlaufgeschwindigkeit des Gleichstrommotors M ergibt sich hieraus nicht. Demgemäß arbeitet das Geschwindigkeitssteuersystem so, daß Instabilitätsfaktoren des Phasensteuersystemes aufgrund der Belastungscharakteristik und der Trägheit des Gleichstrommotors verringert werden. Auf diese Weise ergibt die Kombination des Phasensteuersystems und des Frequenzsteuersystems eine rasche Mitnahme bzw. ein rasches Mitziehen und verbessert die Stabilität gegen Belastungsänderungen.

Die Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Wechselstromgenerator G ebenfalls mit dem Gleichstrommotor M gekoppelt ist, wobei der Wechselstromgenerator eine Wechsel-

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spannung vorsieht, die proportional zur Rotation des Gleichstrommotors M ist. Der Ausgang des Wechselstromgenerators G wird mittels einer Gleichrichterschaltung 21 gleichgerichtet und in ein Tiefpaßfilter integriert, so daß man eine Gleichspannung erhält. Die Gleichrichterschaltung 21 und das Tiefpaßfilter 22 bilden einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler. Der Ausgang des Wechselstromgenerators G hat eine Frequenz und eine Amplitude, welche normalerweise der Drehzahl des Gleichstrommotors M proportional sind. In den Fällen, in denen die Amplitude nicht proportional ist zur Drehzahl des Gleichstrommotors M, kann die Kombination aus Gleichrichterschaltung 21 und Tiefpaßfilter durch einen Frequenz-Spannungs-Wandler, der einen Wechselstrom/ Gleichstrom-Wandler bildet, ersetzt sein. Der Ausgang des Wechselspannungsgenerators G gelangt ebenfalls zu einem Wellenformer 23, welcher den Ausgang in eine Rechteckwelle umwandelt. Diese wird dann an eine Frequenzteilerschaltung 24 weitergeleitet. Der Ausgang des Frequenzteilers 24 wird an einen Phasenkomparator 25 gelegt, wo ein Phasenvergleich mit einem Bezugssignal aus einem Bezugssignalgenerator 26 stattfindet.

Der normale Ausgang und der inverse Ausgang des Phasenkomparators sind mit einem Widerstand 27 verbunden bzw. der Widerstand ist zwischen diese Ausgänge gelegt. Der Widerstand besitzt einen Abgriff, so daß von ihm eine Spannung abgegriffen werden kann, welche die Summe ist vom Ausgang des Phasenkomparators 25 und einer überlagerten Gleichspannung, indem der Abgriff aus der Mitte des Widerstandes bewegt wird. Die mit Hilfe des Abgriffes am Widerstand 27 abgegriffene Ausgangsspannung wird über ein Nacheil-Voreilfilter 28, das mit einer Glättungsschaltung versehen ist, geleitet und an den einen Eingang eines Differentialverstärkers 29 gelegt, wodurch diese Spannung mit der Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters 22 verglichen wird. Der Aus-

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gang des Differentialverstärkers 29 wird mittels eines Leistungsverstärkers 30 verstärkt, bevor er zum Antrieb des Gleichstrommotors M verwendet wird. Die Verwendung des Ausganges des Phasenkomparators 25,kombiniert mit einer Gleichspannung als Sollwerteingang für das Frequenzsteuersystem, welches den Wechselstromgenerator G, die Gleichrichterschaltung 21, das Tiefpaßfilter 22, den Differentialverstärker 29, den Leistungsverstärker 30 und den Gleichstrommotor M enthält, sieht eine verringerte Mitnahme- bzw. Mitziehzeit vor. Außerdem wird die Belastungscharakteristik verbessert. Wenn die Gleichspannungskomponente im Ausgang,der vom Widerstand 27 gewonnen wird, sich ändert, arbeitet das Phasensteuersystem, das den Wechselspannungsgenerator G, den Wellenformer 23, den Frequenzteiler 24, den Phasenkomparator 25, den Vergleichssignaloszillator 26, den Widerstand 27, das Nacheil-Voreilfilter 28, den Differential verstärker 29, den Leistungsverstärker 30 und den Gleichstrommotor M enthält, so, daß ein automatisches Nachziehen bzw. Mitziehen vorgesehen wird, wobei der Arbeitszyklus des aus dem Phasenkomparator 25 gewonnenen Ausganges unter stabilisierter Bedingung sich verschiebt. Eine Änderung in der Gleichspannungskomponente aufgrund einer derartigen Verschiebung wird aufgrund der Phasensteuerung, welche vom Phasensteuersystem vorgesehen wird, kompensiert.

Die Fig. 3 zeigt ein Schaltbild, das ein spezielles Ausführungsbeispiel für ein Blockschaltbild in der Fig. 2 ist. Anschlußklemmen Pl, P2 sind mit getrennten positiven Gleichspannungsquellen mit vorgegebenen Werten verbunden. Der Wechselstromgenerator G enthält einen Tachogenerator und die Gleichrichterschaltung 21 ist in herkömmlicher Weise so aufgebaut, daß sie einen Vollweggleichrichter 31, der von einer Diodenbrücke und einem Kondensator Cl gebildet wird, aufweist. Der Ausgang des Wechselstrom generators G wird an den Ein-

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gang der Gleichrichterschaltung gelegt. Der Wellenformer 23 enthält einen herkömmlichen Schmidt-Trigger, die NPN-Transistoren Ql, Q2, einen Kondensator C2 und Widerstände Rl bis R6. Der Wellenformer empfängt die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators G. Der Bezugssignalgenerator 26 enthält einen herkömmlichen astabilen Multivibrator, die NPN-Transistoren Q3, Q4, Kondensatoren C3, C4, Widerstände R7 bis RIO, Dioden Dl, D2 und einen veränderlichen Widerstand VRl. Der Phasenkomparator 25 enthält einen Hin- und Rückzähler, an welchen die Ausgänge des Wellenformers 23 und des Bezugssignalgenerators 26 gelegt sind. Das Nacheil-Voreilfilter 28 wird von einem Kondensator C 5 und einem Widerstand RIl gebildet. Der Ausgang des Widerstandes 27 wird an dieses Filter gelegt und dann über eine Schaltung, welche einen veränderlichen Widerstand VR2 und eine Diode D3 aufweist, an die Basis eines NPN-Transistors Q5 gelegt. Der Differenzverstärker 29 wird von NPN-Transistoren Q5, Q6, einem Widerstand Rl2 und einer Diode D4 gebildet. Der Ausgang der Gleichrichterschaltung 21 wird von einem Spannungsteiler geteilt, der die Widerstände R13 und R14 aufweist. Der geteilte Ausgang wird über einen Widerstand Rl5 an die Basis des Transistors Q6 gelegt. Der Leistungsverstärker 30 enthält einen PNP-Transistor Q7, einen NPN-Transistor Q8 und Widerstände Rl 6, R17. Der Ausgang,der vom Kollektor des Transistors Q5 gewonnen wird, wird mittels der Transistoren Q7, Q8 verstärkt und über eine Diode D6 an den Gleichstrommotor M gelegt. Das Tiefpaßfilter 22 enthält einen Kondensator C6,und der Ausgang,der vom Emitter des Transistors Q8 gewonnen wird, wird an die Basis des Transistors Q6 über einen Kondensator C6 und einen Widerstand Rl8 gelegt.

Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, bei. welchem als Phasenkomparator 25 bei der Ausführungsform in der

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Fig. 3 ein 2-Bit-Hin- und Rückzähler mit leerlaufenden bzw. toten Enden verwendet wird. Ferner ist eine Vorwärts- und Rückwärtsschaltereinrichtung 32 zur Steuerung der Richtung der Rotation des Gleichstrommotors M vorgesehen. Entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 3 versehen. Der 2-Bit-Hin- und Rückzähler 25 mit den toten Enden enthält ein Paar Flipflops FFl und FF2, welche jeweils von einem Paar von NAND-Gattern NANDl bis NAND4 gebildet werden. Die NAND-Gatter sind jeweils kreuzgekoppelt und bilden eine Sperre. Ferner enthält der Zähler Torschaltungen Gl bis G4, welche von Widerständen Rl 9 bis R28, Kondensatoren C7 und Cl2 und Dioden D6 bis D9 gebildet werden. Die Torschaltungen Gl bis G4 werden von den Ausgängen der entsprechenden NAND-Gatter NANDl, NAND2 und NAND4 angesteuert bzw. eingeschaltet oder abgeschaltet bzw. unwirksam gemacht, so daß das Anlegen von Ausgängen vom Bezugssignalgenerator 26 und dem Wellenformer 23 an die NAND-Gatter NANDl bis NAND4 gesteuert wird. Wenn man die Ausgangsfrequenz des Vergleichssignalgenerators 26 mit f. bezeich- ' net und die Ausgangsfrequenz des Wellenformers 23 mit ί_, besitzt der normale Ausgang des Flipflop FFl eine Wellenform mit einer Impulsbreite, welche proportional zur Phase der beiden Eingänge ist, wenn f. = f_,. Für f . > f_, bleibt der normale Ausgang des Flipflop FFl

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bei "1". Für f. <; f_ bleibt der normale Ausgang des Flipflop FFl bei "0". Verglichen mit der Verwendung einer NÖR-Schaltung oder NAND-Schaltung bietet die Verwendung eines Hin- und Rückzählers mit toten Enden als Phasenkomparator 25 den Vorteil, daß ein Phasenvergleich über eine Breite von 360 vorgesehen wird. Hierdurch wird das Problem der ganzzahligen Periode beseitigt und Schwebungserscheinungen vermieden.. Ferner wird eine verbesserte Phasenvergleichscharakteristik gewährleistet und das Nichtvorhandensein einer toten Zone gesichert. Die Schaltereinrichtung 32, welche die Richtung der

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Drehung des Antriebsmotors steuert, wird von PNP-Transistoren Q9, QlO, NPN-Transistoren QIl bis Ql4, Dioden DlO bis D15, einem Mikroschalter SW, Widerständen R29 bis R38 und einem Kondensator C13 gebildet. Wenn der Mikroschalter SW manuell geschlossen wird, sind die Transistoren Q13 und Q14 mit ihren Basen über Widerstände R32, R35 und Dioden D12 und Dl 3 sowie den Mikroschalter SW an Masse gelegt und demgemäß außer Betrieb gesetzt. Hieraus ergibt sich, daß durch die Transistoren Q9 bis Q12 kein Strom fließt. Diese sind demgemäß abgeschaltet und öffnen den Stromkreis des Gleichstrommotors M, der demgemäß angehalten wird. Durch Steuerung des Potentials, das an die Klemmen Tl,'T2"gelegt wird, kann man die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung der Drehung des Gleichstrommotors M steuern. Wenn demgemäß das Potential, das an die Klemme Tl gelegt ist, Massepotential ist, ist die Basis des Transistors Q13 mit dem Massepotential über den Widerstand R32 und die Diode DIl verbunden, wobei die Transistoren Q13, Q9 und Q12 ausgeschaltet sind. Wenn zu der gleichen Zeit ein positives Potential an die Klemme T2 gelegt ist, ist die Diode D14 in Sperrichtung betrieben, wodurch der Transistor Q14 eingeschaltet wird. Hieraus ergibt sich, daß auch die Transistoren QlO und QIl eingeschaltet sind, wobei der Gleichstrommotor M in der Vorwärts richtung mittels des über die Diode D5 gelieferten Antriebsstromes angetrieben wird. Wenn andererseits das Massepotential an die Klemme T2 gelegt wird und ein positives Potential an die Klemme Tl gelegt wird, sind die Transistoren Ql4, QlO und QlI in der gleichen Weise ausgeschaltet, während die Transistoren Q13, Q9 und Q12 eingeschaltet sind. Hieraus ergibt sich, daß der Gleichstrommotor M in der Rückwärtsrichtung aufgrund der entgegengeset zten Polarität der Spannung, welche über die Diode D5 geliefert wird, angetrieben wird. Wenn beide Klemmen Dl und D2 mit dem Massepotential versehen werden, sind alle Transistoren Q9

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bis Q14 ausgeschaltet und der Gleichstrommotor M wird angehalten. Da die Transistoren Q13 und Q14 einen Flipflop bilden, sei darauf hingewiesen, daß bei Anlegen eines positiven Potentiales an beide Klemmen Tl und T2 die Richtung, in welcher der Gleichstrommotor M sich dreht, bestimmt ist, an welche von diesen Klemmen das Potential zuerst angelegt worden ist. Ferner können dann nicht alle Transistoren Q9 bis Q14 eingeschaltet sein.

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Claims

Patentansprüche

Cl.J Vorrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung eines Gleichstrommotors mit einem Antriebsstromkreis für den Antrieb des Motors, gekennzeichnet durch einen Wechselstromgenerator (G), der mit dem Gleichstrommotor (M) gekoppelt ist, einen Vergleichsoszillator (18 bzw. 26), einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler (11; 21, 22) zum Umwandeln des Ausganges des Wechselstromgenerators in eine Gleichspannung, einen Phasenkomparator (17 bzw. 25) zum Erfassen einer Phasendifferenz zwischen dem Ausgang des Wechselstromgenerators und einem Bezugssignal aus dem Vergleichsoszillator und eine Schaltung, die in Abhängigkeit vom Ausgang des Phasenkomparators und dem Ausgang des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers den Antriebsstromkreis so steuert, daß eine Phasen- und Frequenzsteuerung für den Gleichstrommotor vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsstromkreis einen Differentialverstärker (29) aufweist und daß der Ausgang des Phasenkomparators (25) an eine Glättungsschaltung (28) gelegt ist, deren Ausgang mit dem Ausgang des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandle rs (21, 22) im Differentialverstärker (29) verglichen wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers (11) mit der Bezugsspannung einer Bezugsspannungsquelle (13) verglichen wird und daß der Vergleichsausgang zur Steuerung der Amplitude der Antriebsspannung, welche vom Antriebsstromkreis geliefert wird, verwendet wird, während der Ausgang des Phasenkomparators (17) zur Zweipunktsteuerung (E in-Aus-Steuerung) der Antriebsspannung dient.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenkomparator (25) einen Hin- und Herzähler mit toten Enden bzw. leerlaufenden Enden aufweist.

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