DE2746111C3 - Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Elektromotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Elektromotors der im Oberbegriff des; Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei der Drehzahlregelung von Elektromotoren unterscheidet man zwischen der sogenannten »kontinuierlichen Regelung«, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 22 09 037 bekannt ist, und der diskontinuierlichen oder Schalt-Regelung. Bei der kontinuierlichen Regelung wird im aktiven Teil ein Treibertransistor verwendet Dies führt jedoch zwangsläufig zu einer höheren Wärmeerzeugung und damit zu größeren Leistungsverlusten.

Bei der Schaltregelung schaltet ein Transistor die

zugeführte Energie ein bzw. aus, um die Drehzahl des

ίο Elektromotors zu regeln. Dadurch wird eine geringere Wärmemenge erzeugt, so daß die Leistungsverluste vernachlässigbar sind.

Aus der DE-OS 24 43 023 ist eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl des Elektromotors mit einer Drehzahlfühlschaltung bekannt, die eine Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung mit wenigstens einem frequenzabhängigen Glied aufweist; diese Rückkopplungsschaltung arbeitet als Gegenkopplung, um den Einfluß der Welligkeit des Ausgangssignals der Drehzahlfühlschaltung zu verringern.

Eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Elektromotors der angegebenen Gattung ist schließlich noch aus der DE-AS 21 66 360 bekannt und weist eine Drehzahlfühlschaltung, eine Ansteuerschaliung mit einer Treiberstufe und einem die Einspeisung steuernden Element sowie eine Rückkopplungsschaltung auf; das Ausgangssignal der Drehzahlfühlschaltung und das Ausgangssignal einer eine Bezugsspannung abgebenden Schaltung werden in einer Vergleicherschaltung verglichen, so daß der Motor mit einer Impulsfolge entsprechend dem Ausgang der Vergleicherschaltung angesteuert werden kann. Diese Schaltungsanordnung weist einen Frequenz/Spannungs-Wandler mit einem Transistor auf, der an seinem Ausgang eine von einer sägezahnförmigen Wechselspannung überlagerte Gleichspannung erzeugt, deren Größe von der angebotenen Frequenz abhängt. Die Verwendung eines solchen Sägezahngenerators oder eines entsprechenden Oszillators bedingt jedoch einen

-to hohen schaltungstechnischen Aufwand.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Elektromotors der angegebenen Gattung zu schaffen, die bei besserer Verstärkung und Übergangs-Ansprechcharakteristik einen schaltungstechnisch einfachen Aufbau hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

so Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß das Trägersignal nicht mehr von einer nur hierfür vorgesehenen. Schaltungsanordnung, sondern von der Treiberschaltung erzeugt wird, wodurch sich insgesamt ein einfacherer Aufbau ergibt. Außerdem bewirkt diese Anordnung der Rückkopplungsschaltung eine Erhöhung der Verstärkung sowie eine Verbesserung der Übergangs-Ansprechcharakteristik. Und schließlich können die wesentlichen Komponenten einschließlich der Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung als direkt gekoppelter Verstärker in integrierter Bauweise ausgeführt werden, so daß keine externen Anschlüsse vorgesehen werden müssen.

Dadurch läßt sich auch der Aufbau und die Herstellung einer solchen Schaltungsanordnung wesentlich vereinfachen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von

Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert Es zeigen

F i g. 1 und 2 erste und zweite Ausführungsformen einer Schaltungsanordnung zum Regele- der Drehzahl eines Elektromotors nach der vorliegenden Erfindung,

F i g. 3 ein Detail einer solchen Schaltungsanordnung, und

F i g. 4 und 5 eine dritte bzw. vierte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl des Elekti ümotors nach der Erfindung. ι ο

In den verschiedenen Figuren sind jeweils gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1, die eine erste Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl des Elektromotors nach der vorliegenden Erfindung zeigt, wird die Drehzahlfühlschaltung durch die Blöcke A, B, C und Dangedeutet. Dabei wird das Ausgangssignal eines Wechselstromgenerators 2, der mit einem Motor 1 verbunden ist, mittels einer Wellenformerschaltung A in eine Rechteckwelle und dann mittels eines Triggerimpulsgenerators ßin einen Triggerimpuls umgeformt, um einen monostabilen Multivibrator Canzusteuern.

Die rechteckige Wellenform des Ausgangssignals des monostabilen Multivibrators C hat eine vorgegebene Tastdauer, eine vorgegebene Impulspause und eine Pulsfrequenz, die gleich der Frequenz des Ausgangssignals von dem Wechselstromgenerator 2 ist und von der Drehzahl des Elektromotors 1 abhängt. Infolgedessen ändert sich bei der Änderung der Drehzahl des Motors I das Verhältnis Tastzeit/Impulspause. Das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators C wird auf einen Integrator D gegeben, so daß eine Gleichspannung, die von der Drehzahl des Motors 1 abhängt, abgeleitet werden kann.

Der Wechselstromgenerator 2, die Wellenformerschaltung A, der Triggerimpulsgenerator B, der monostabile Multivibrator C und der Integrator D bilden also die Drehzahlfühlschaltung zur Feststellung der Drehzahl des Motors 1.

Das Ausgangssignal des Integrators D wird an eine Vergleicherschaltung Fangelegt, deren Ausgangssignal auf eine Ansteuer- oder Treiberschaltung G für den Motor 1 gegeben wird.

Wie man in F i g. 1 erkennen kann, ist der Wechselstromgenerator 2 über Speiseleitungen a und b an die Wellenformerschaltung A angekoppelt; eine Rechteckwelle mit einer Amplitude, die im wesentlichen gleich der der Spannung zwischen den beiden Speiseleitungen c und b ist, und mit einer Frequenz, die gleich der Frequenz des Ausgangssignals des Wechselstromgenerators 2 ist, wird an einem Ausgang d erhalten.

Der Triggerimpulsgenerator B weist eine differenzierende Schaltung aus einem Kondensator 3 und einem Widerstand 4 sowie eine Diode 5 auf und erzeugt an einem Widerstand 6 eine Folge von negativen Impulsen mit einer Folgefrequenz, die von der Frequenz des Ausgangssignals des Wechselstromgenerator 2 abhängt

Der monostabile Multivibrator C hat an seinem Ausgang / normalerweise ein Potential von ca. Null; wenn jedoch an seinem Eingang e ein negativer Triggerimpuls angelegt wird, so steigt das Potential am Ausgang f auf einen Pegel, der für eine vorgegebene Zeitspanne gleich dem Pegel des Potentials an seiner Speiseleitung eist.

Der Integrator D besteht aus einem Widerstand 7 und einem Kondensator 8, der ein Signal, dessen Spannung von der Drehzahl des Motors 1 abhängt, liefert

Die Vergleichsschaltung F weist einen emittergekoppelten Differenzverstärker auf, an dessen Eingang g das Ausgangssignal des Integrators Dangelegt wird. Ein Bezugsspannungsgenerator //mit Widerständen 23 und 24, die in Reihe geschaltet sind, liegt zwischen den positiven und negativen Speiseleitungen c und b; die Verbindung zwischen den Widerständen 23 und 24 ist an die Basis eines Ausgangstransistors 12 der Vergleicherschaltung Fangeschlossen.

Die Ansteuer- oder Treiberschaltung G weist eine Darlington-Schaltung aus NPN-Transistoren 13 und 14, eine Freilaufdiode 15, die in Sperrichtung geschaltet ist, eine Reihenschaltung aus einer Drosselspule 16 und einem Kondensator 17, die parallel zur Diode 15 liegt, sowie den parallel zu dem Kondensator 17 liegenden Motor 1 auf.

Die Freilaufdiode 15 liegt in Sperrichtung zwischen den Kollektoren der Transistoren 13 und 14 und der negativen Speiseleitung b\ dabei ist der Kollektor des Transistors 14 über Drosselspulen 16 und 18 mit dem Elektromotor i verbunden. Ein Kondensator 20 liegt zwischen der Drosselspule 16 und der Basis eines Eingangstransistors 19 der Vergleichercchaltung F; eine Schaltungsanordnung aus einem Widerstand 21, der parallel zu einem Kondensator 22 liegt, ist parallel zu dem Kondensator 20 geschaltet.

Wenn die Drehzahl des Elektromotors 1 ansteigt, erhöht sich auch die Ausgangsspannung des Integrators D, so daß die Zeitspanne, in der der Ausgangstransistor 12 in der Vergleicherschaltung F leitend ist, entsprechend kürzer wird. Folglich wird auch das Einspeisungs-Zeitintervall bei einem Schaltzylclus des Elektromotors 1 kürzer, so daß die Drehzahl des Elektromotors 1 abfällt

Wenn andererseits die Drehzahl des Elektromotors 1 unter einem vorgegebenen Wert abfällt, kehren sich diese Bedingungen um, so daß sich die Drehzahl des Elektromotors 1 erhöht.

Die Spannung an der Basis des Transistors 19 oder an dem Verbindungspunkt ghat in bezug auf die Spannung am Kollektor des Transistors 14 die umgekehrte Phase. Dadurch arbeitet eine Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung K, die durch eine zweipolige Schaltung aus dem Kondensator 20, dem Widerstand 21 und dem Kondensator 22 gebildet wird, und die Drosselspule 16 als Wechselstromgegenkopplungsschaltung mit relativ niedriger Frequenz (in der Größenordnung von etwa einigen Hertz), die sehr nahe bei der kritischen Frequenz der Regelschaltung liegt, die aus der Drehzahlfühlschaltung mit dem Wechselstromgenerator 2, der Impulsformerschaltung A, dem Triggerimpulsgenerator B, dem monostabilen Multivibrator C und dem Integrator D sowie aus der Ansteuer- und Treiberschaltung mit der Vergleicherschaltung F, der Ansteuerschaltung G und dem Elektromotor I gebildet wird.

Da die Rückkopplung über die Drosselspule 16 erfolgt, arbeiten die Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung K und die Drosselspule 16 bei hoher Frequenz (in einer Größenordnung, die höher als einige kHz ist), bei der eine Phasenumkehr von 180° an der Drosselspule 16 auftritt, als Wechselstrom-Mitkopplungsschaltung. Dadurch kommil es zu Schwingungen mit hoher Frequenz. Dies bedeutet wiederum, daß die Ansteuer- oder Treiberschaltung als eine Art Phasenschieberoszillator arbeitet, der sich von herkömmlichen Phasenschieberoszillatoren dadurch unterscheidet, daß

die Schwingung durch die Ausgangsspannung der Drehzahlfühlschaltung gesteuert wird.

Bei der ersten, in F i g. 1 dargestellten Ausführungsforrn wird die Drehzahl des Elektromotors 1 so gesteuert, daß die Ausgangsspannung der Drehzahlfühlschaltung, d. h, die Spannung am Kondensator 8, gleich der von dem Bezugsspannungsgenerator H erhaltenen Spannung ist, d. h, der Spannung an dem Widerstand 24. Wenn die Drehzahl des Elektromotors t den vorgegebenen Wert übersteigt, nimmt auch die Spannung am Verbindungspunkt g zu, wodurch sich wiederum auch der durch den Transistor 19 fließende Kollektorstrom erhöht. Folglich steigt die Emitterspannung des Transistors 12 an, so daß der Transistor 12 abgeschaltet oder beinahe in den nicht leitenden Zustand gebracht wird. Die beiden Transistoren 13 und 14 werden dann abgeschaltet oder beinahe in den nicht leitenden Zustand gebracht, so daß die Schwingung vollständig unterbrochen oder äußerst schwach wird. Als Folge hiervon wird der Elektromotor 1 beinahe nicht mehr mit Energie versorgt, so daß seine Drehzahl abfällt.

Wenn andererseits die Drehzahl des Elektromotors 1 unter den vorgegebenen Wert sinkt, werden die beiden Transistoren 12 und 13 nahezu oder vollständig in den gesättigten Zustand gebracht, so daß das Zeitintervall, in dem sie leitend sind, automatisch größer wird und folglich die durchschnittliche, dem Elektromotor 1 zugeführte Energie entsprechend erhöht wird. Dadurch nimmt auch die Drehzahl des Elektromotors 1 in Richtung auf den vorgegebenen Sollwert zu.

Wenn der Motor 1 gestartet wird oder sehr stark überlastet ist, befinden sich die Transistoren 13 und 14 im gesättigten Zustand, so daß die Schwingung unterbrochen ist.

Die Bauteile einschließlich der Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung K zwischen dem Kollektor des Transistors 14 und der Verbindung Estellen einen direkt gekoppelten Verstärker dar, so daß dieser Teil der Schaltungsanordnung als integrierte Schaltung ausgebildet werden kann; es ist also nicht erforderlich, externe Anschlüsse vorzusehen. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau und die Herstellung einer solchen Schaltungsanordnung.

In F i g. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl des Elektromotors nach der vorliegenden Erfindung dargestellt Dabei wird eine Schaltanordnung durch Widerstände 25 bis 27, einen Transistor 28 und Dioden 29 und 30 gebildet Die Schaltanordnung, eine Glättungsschaltung aus einem Widerstand 31 und einem Kondensator 32 sowie der Wechselstromgenerator 2 bilden die Drehzahlfahlschaltung zur Feststellung der Drehzahl des Elektromotors.

Die Ansteuer- oder Treiberschaltung weist einen Treibertransistor 33, der an den Ausgang der Drehzahlfühlschaltung des Elektromotors 1 angekoppelt ist einen Widerstand 34 sowie eine Drosselspule 35, die in Reihe zwischen dem Kollektor des Treibertransistors 33 und der positiven Speiseleitung C liegt, weiterhin einen die Einspeisung steuernden Transistor 36, dessen Basis an den Emitter des Transistors 33 angekoppelt ist, einen Widerstand 37, der zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 36 liegt, eine Diode 38, die zwischen den Kollektor des die Einspeisung steuernden Transistors 36 und die positive Speiseleitung c geschaltet ist, ein» Drosselspule 39, die zwischen dem Elektromotor 1 und dem Kollektor des die Einspeisung steuernden Transistors 36 liegt sowie einen Kondensator 40 auf, der zwischen die Verbindung zwischen der Drosselspule 39 und dem Elektromotor 1 und die positive Speiseleitung c geschaltet ist. Eine Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung, die eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 41 und einen Widerstand 42 sowie einen parallel zu dem Widerstand 42 liegenden Kondensator 43 aufweist, ist zwischen die Verbindung zwischen der Drosselspule 39 und dem Motor 1 und ein Verbindspunkt k geschaltet, an dem ein invertiertes Eingangssignal auftritt.

ίο Wie bei der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 arbeitet auch hier die Ansteuer- und Treiberschaltung als eine Art Phasenschieberoszillator, so daß dem Elektromotor 1 die Energie in Abhängigkeit von der Belastung durch das Schalten des die Einspeisung steuernden Transistors 36 abgegeben wird.

Die mit dem Kollektor des Treibertransistors 33 verbundene Drosselspule 35 dient dazu, eine schärfere Form der Schaltwelle zu erhalten, wodurch sich der Schaltwirkungsgrad verbessern läßt. Zum gleichen Zweck kann sie auch an den Emitter des Treibertransistors 33 angekoppelt werden.

Der in Reihe zu der Drosselspule 35 liegende Widerstand 34 soll vermeiden, daß ein zu starker Strom zur Basis des die Einspeisung steuernden Transistors 36 fließt. Auf diesen Widerstand 34 kann verzichtet werden, wenn die Drosselspule 35 einen entsprechend hohen Gleichstromwiderstand aufweist.

Wie oben erwähnt wurde, enthält die Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung die Reihenschaltung aus dem Kondensator 41 und dem Widerstand 42 sowie den parallel zu dem Widerstand 42 liegenden Kondensator 43. Andererseits kann die Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung nach F i g. 1 ebenfalls verwendet werden; wenn kein besonderer Wert auf die Übergangs-An- Sprechcharakteristik der Regelung gelegt wird, können der Widerstand 42 und der Kondensator 41 entfallen, so daß die Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung nur noch den Kondensator 43 enthält Wenn andererseits die Übergangs-Ansprechcharakteristik, die Regelver- Stärkung und der Wirkungsgrad der Regelung verbes sert werden sollen, können eine dreipolige Schaltung oder eine teilweise geerdete, zweipolige Schaltung verwendet werden, wie in F i g. 3 dargestellt ist Wenn der Kondensator 32 eine hohe Kapazität hat, fällt die Impedanz an dem Verbindungspunkt k ab, so daß es zu keiner Schwingung kommt Dieses Problem kann jedoch dadurch gelöst werden, daß zur Erhöhung der Impedanz eine Drosselspule in Reihe zu dem Kondensator 32 geschaltet wird.

so Bei der ersten und zweiten Ausführungsform nach den F i g. 1 und 2 ist der Elektromotor 1 ein Gleichstrommotor, der einen Dauermagneten als Feldspule aufweist Wenn jedoch ein Gleichstrommotor mit einer Feldspule verwendet wird, kann die Feldspule als Drosselspule 16 und 18 bei der Ausführungsform nach F i g. 1 oder als Drosselspule 39 bei der Ausführungsform nach F i g. 2 eingesetzt werden.

Wenn die Schaltungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem komutatorlosen Gleichstrommotor verwendet wird, kann statt des Elektromotors 1 eine Ansteuereinheit angekoppelt werden.

Beim Einsatz in Verbindung mit einem Wechselstrommotor werden der Wechselstrommotor 45 und eine Diodenbrücke aus Dioden 46—49 an eine

Wechselstromversorgung 44 angekoppelt, wie in F i g. 4

" dargestellt ist; mit den Ausgängen der Diodenbrücke sind eine Reihenschaltung aus Drosselspulen 50 und 51

sowie ein die Einspeisung steuerndes Element 52 verbunden.

In F i g. 4 sind außerdem eine Drehzahlfühlscluiltung 53, ein Verstärker 54, eine Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung 55 und ein üblicher Transistor oder ι Thyristor mit einer entsprechenden Abschaltcharakteristik 52 zu erkennen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Elektromotors, wie sie bisher beschrieben wurde, läßt sich auf die in Fig. 5 dargestellte Weise zusammenfassen. Dabei ist ein die Einspeisung steuerndes Element 57, das in Reihe zu einer Ansteuer- oder Treiberstufe 56 liegt, zwischen eine Stromversorgung und eine Drehzahlfühlschaltung 53 geschaltet. Die Ansteuer- oder Treiberstufe 56 r> steuert den Elektromotor in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Drehzahlfühlschaltung 53 über einen Verstärker 58. Die Treibers'.ufe 56 des Elektromotors empfängt die Speiseenergie von der Ausgangselektrode ρ des die Einspeisung steuernden Elementes 57 über eine Drosselspule 59; eine Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung 55 liegt zwischen dem Verbindungspunkt zwischen der Drosselspule 59 und der Treiberstufe 56 einerseits und dem invertierten Eingang oder dem Verbindungspunkt q der Treiberstufe andererseits.

Der invertierte Eingang der Treiberstufe muß nicht mit dem Ausgang der Drehzahlfühlschaltung verbunden werden, sondern statt dessen kann ein Anschluß der Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung statt mit dem Verbindungspunkt g mit dem Verbindungspunkt i verbunden sein (sh. Fig. 1).

Die Drehzahlfühlschaltung 53 muß keinen Wechselstromgenerator enthalten, d. h. auf diesen Wechselstromgenerator kann beispielsweise dann verzichtet werden, wenn die Spannung an den Anschlüssen eines Gleichstrommotors zu den Zeitpunkten festgestellt wird, in denen der die Einspeisung steuernde Transistor abgeschaltet ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Elektromotors mit einer Drehzahlfühlschaltung, mit einer Ansteuerschaltung mit einer Treiberstufe und einem die Einspeisung steuernden Element und mit einer Rückkopplungsschaltung, wobei das Ausgangssignal der Drehzahlfühlschaltung und das Ausgangssignal einer eine Bezugsspannung abgebenden Schaltung in einer Vergleicherschaltung verglichen werden und der Motor mit einer Impulsfolge entsprechend dem Ausgang der Vergleicherschaltung angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolge in ihrer Frequenz entsprechend dem Ausgang der Vergleicherschaltung (F) veränderbar ist, daß zwischen den Ausgang des die Einsoeisung steuernden Elementes (14) und den Motor (1) eine Drosselspule (18) geschaltet ist, und daß die Rückkopplungsschaltung (20—22) zwischen den motorseitigen Anschluß der Drosselspule (18) und den Eingang der Vergleicherschaltung (F) geschaltet ist und frequenzabhängige Glieder aufweist, wodurch bei einer niedrigen, nahe bei der kritischen Frequenz der Regelschaltung liegenden Frequenz eine Gegenkopplung und bei einer hohen Frequenz eine Mitkopplung bewirkt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Drosselspule die Feldspule eines Gleichstrommotors verwendet ist

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Einspeisung steuernde Element ein Transistor (14) ist, und daß eine zweite Drosselspule (16) mit dem Kollektor oder Emitter eines Treibertransistors (13) verbunden ist, der wiederum an die Basis des Transistors(14)angeschlossen ist(Fig. I).

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung aufgebaute Rückkopplungsschaltung (20—22) eine zweipolige oder dreipolige (teilweise geerdete zweipolige) Schaltungsanordnung mit mindestens einem Kondensator (20; 43; 20,22; 42,43) aufweist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (42) und einem ersten Kondensator (41) sowie einen parallel zu dem Widerstand (42) liegenden zweiten Kondensator (43) aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung eine Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator (22) und einem Widerstand (21) sowie einen zweiten, parallel zu der Reihenschaltung (21,22) liegenden Kondensator (20) aufweist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrom-Rückkopplungsschaltung einen Kondensator aufweist.