-
Elektronischer Drehzahlregler für Gleichstrom-
-
motoren
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen
Drehzahlreoler für die Steuerung der Drehzahl eines Gleichstrommotors und insbesondre
auf Pin Steuerschaltung des Reglers, mit der über eine Brückenschaltung ein der
Drehfrequenz des Motors entsprechendes Signal ermittelt und gemäß dem ermittelten
Signal die Motordrehzahl gesteuert wird.
-
Es ist eine als elektronischer Drehzahlregler bezeichnete Vorrichtung
für die Steuerung der Drehzahl eines Gleichstrommotors bekannt, bei der die Ankerwicklung
eines Motors als ein Zweig einer Brückenschaltung verwendet wird, um damit ein der
Drhfreouenz des Motors entsprechendes Signal zu Prhalten, und durch Transistoren
usw. die Stromversorgung des Motors entsprechend der Sinalinformation gesteuert
wird.
-
Ein solcher elektronischer Regler ist beispielsweise in der Figur
1 der japanischen PatPntveröffentlichung 40442-75 gezeigt.
-
In der Zeichnung ist die Fig. 1 ein Schaltbild, das als Beispiel
einen mit einem solchen bekannten elektronischen Drehzahlregler ausgestatteten Gleichstrommotor
zeigt. Die Einzelheiten dieses bekannten Reglers werden im folgenden unter Bezugnahme
auf die Fig. 1 beschrieben: In Fig. 1 bezeichnen M eine Ankerwicklung des Gleichstrommotors,
Ra deren tiliderstandawert. R1, R2 und R3 Widerstände, die in Verbindung mit dem
Widerstand Ra eine BrUckenschaltung bilden, a und b Brückenausgangsanschlüsse, c
und d Stromverserpunossnschlüsse und Tr1und Tr2 für den elektronischen Drehzahlregler
verwendete Transistoren. Der Transistor Tr1 ist so in Reihe zu dem Motor-Stromversorgungskreis
geschaltet, daß über seinen Emitter und seinen Collector ein
Motorstrom
flie8Pn kann. Der Transistor Tr2 ist zum Erfassen des Ausqangssignals der Erückenschaltung
vorgesehen und führt durch Steuern des Basispotentials des Transistors Tr1 eine
Drehzahlsteuerfunktion aus. D1 bezeichnet eine zwischen den Ausgangsanschluß b und
den Transistor Tr2 geschaltete Diode, die mit ihrPr AnschluRsoannung eine Spannung
VBE zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Tr2 kompensiert, und R4 bezeichnet
einen Emitterwiderstand des Transistors Trz. Zwischen der Basis des Transistors
Tr1 und dem negativPn Anschluß einer Stromversorqung ist eine Anlaufschaltung aus
einem Widerstand R5 und einem Kondensator C1 angebracht, die zueinander in Reihe
geschaltet sind. 51 bezeichnet einen Stromversorgungsschalter und E bezeichnet eine
Gleichstromquelle.
-
Der in Fig. 1 oezeigte Gleichstrommotor M weist nach der Darstellung
in Fig. 2(a) einen Stator mit Magnetpolen N und S und einen Anker mit einer Einzelschicht-
oder einer Mehrschicht-Wicklung auf. Wenn der innere Widerstand der Wicklung durch
Ra ausgedrückt wird. kann der Motor M auch durch dis in Fig. 2(b) gezeigte Äquivalenzschaltung
dargestellt werden. Wenn man einen durch die Ankerwicklung fliessenden Strom zu
Ia und die durch Drehung des Motors in der Wicklung erzeugte GPoen-EMK zu Ea annimmt,
kann die beim Drehen des Motors auftretende Abnahme der Motorklemmenspannung Et
ausgedrückt werden durch: Et = Ea + RaIa ...,. (1) Wenn man die Drehfrepuenz bzw.
Drehzahl des Motors zu n annimmt. kann die Gegen-EMK Ea des Motors durch Z Ea =
--- p . d n = Kn ..... (2) a
ausgedrUckt werden, wobei Z die Anzahl
der Ankerleiter ist, p die Hälfte der Polanzahl bzw. die Anzahl der Polpaare ist,
¢ der Magnetfluß an jedem Pol ist und a die Hälfte der Anzahl der Windungen der
Wicklung ist. Da alle diese Werte für einen Motor mit einem gegebenen Aufbau konstant
werden, wird die Gegen-EMK Ea proportional zu der Drehzahl n, wie es durch die vorstehende
Gleichung (2) angegeben ist.
-
Wenn in Fiq. 1 die Brückenschaltuno abgeglichen ist. ist ein Zustand
R1/Ra = R2/R3 erzielt und die an den Ausgangsanschlüssen a und b der Brückenschaltung
entstehende Spannung wird gleich der Gegen-EMK Es des Motors. Daher kann die Drehzahl
des Motors durch Ermitteln der Spannung VD zwischen den Ausgangsanschlüssen a und
b erfaßt werden. Ferner ist gemäß der Gleichung (1> aus Et - RaIa = Ea ersichtlich,
daß die Drehzahl n dadurch konstant gemacht werden kann, daß Ea konstant gemacht
wird.
-
In dem Schaltbild nach Fig. 1 kann das Ausgangssignal der SrUckenschaltunq
als Unterschied zwischen einer Spannung VF einer dort angeschlossenen Diode D1 und
der Spannung VBE des Transistors Tr2 ausgedrückt werden. Da jedoch diese Werte unter
gleichmäßioen Betriebsbedingungen ziemlich konstant bleiben, kann die Spannung VD
zwischen den Ausgangsanschlüssen a und b unabhängig von den Strömen der Diode und
des Transistors konstant gehalten werden. Nach der Fig. 2 (b) steigt der Strom Ia
an, wenn die Belastung des Motors M ansteigt, und zugleich mit dem AbfallPn der
Drehzahl des Motors M fällt die Klemmensoannung Et ab. Dies führt zu einer Steigerung
des Basisstroms des Transistors Tr2, einer Verrinqerung der Impedanz zwischen dem
Emitter und dem Kollektor des Transistors Tr1, einer Steigerung der Stromzufuhr
zu der BrUckenschaltung und damit zu einer Steigerung der Klemmenspannung Et des
Motors M. Folglich wird dadurch die Drehzahl des Motors M
auf einen
voreingestellten Wert zurückgebracht.
-
Bei der herkömmlichen Schaltung ist es zum Verändern der Einstelldrehzahl
des Motors notwendig, den Wert des Widerstands R2 oder R3 der Brückenschaltung veränderbar
zu machen. Dieses Vorfahren der Änderung der Einstelldrehzahl des Motors durch Ändern
des Widerstandswertes des Widerstands R2 oder des Widerstands R3 der Brückenschaltung
bringt jedoch die Brückenschaltung aus dem Gleichgewicht, woraus sich ein große
Veränderung der Belastunskennlinie des DrPhzahlrPglers ergibt. Zur änderung einer
Einstellmotordrehzahl durch Ändern des Werts eines der Widerstände der Brückenschaltung
ohnP Verschlechtrung der Belastungskennlinie gibt es einige denkbar Verfahren. Bei
einem dieser Verfahren werden die Widerstände 1 und R2 miteinender gekoppelt und
ihrp Werte so eingestellt, daß sie sich unter Erfüllunq sowohl der Gleichung Rot
= EaVD VD Ra als auch der Gleichung R 1/Ra = R2/R3 verändern. Es ist jedoch schwer
möqlich, dieses Verfahren in die Praxis umzusetzen.
-
und insbesondere ist es nicht möglich, die Widerstandswerte der Widerstände
R1 und R2 unter Erfüllung dieser Gleichungen kontinuierlich zu verändern.
-
Bei einem zweiten dieser denkbaren Verfahren wird zwischen die Ausgangsanschlüsse
a und b der Brücknscheltung ein veränderbarer Widerstand VR gemäß der Darstellung
durch eine gestrichelte Linie in Fig. 1 geschaltet. Bei diesem Verfahren wird jedoch
die Empfindlichkeit der Erfassungs-oder Meßschaltung verringert, was nicht wünschenswert
ist.
-
Des weiteren wird durch dieses Verfahren der Änderungsbereich für
die Einstelldrehzahl eingeschränkt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Drehzahlregler
zu schaffen, der unter Ausschaltung der vorstehend genannten Nachteile des herkömmlichen
elektronischen Drehzahlreglers eine kontinuierliche Veränderung der Einstelldrehzahl
eines Motors zuläßt und trotzdem eine ausgezeichnete Belastungskennlinie aufweist.
-
Weiterhin soll mit der Erfindung ein elektronischer Drehzahlregler
geschaffen werden, der sowohl eine hervorragende Meßempfindlichkeit als auch einen
breiten Änderungsbereich für die Einstelldrehzahl hat.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
-
Fig. 1 ist ein Schaltbild, das als Beispiel einen Gleichstrommotor
zeigt, der mit dem schon im Vorstehenden genannten herkömmlichen elektronischen
Drehzahlregler ausgestattet ist.
-
Fig. 2(a) ist eine schematische Darstellung eines Gleichstrommotors
mit festem Feld.
-
Fig. 2(b) ist eine Darstellung einer Äquivalenzschaltung desselben.
-
Fig. 3 ist ein Schaltbild, das als erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung einen mit dem elektronischen Drehzahl regler ausgestatteten Gleichatrommotor
zeigt.
-
Fig. 4 ist ein Schaltbild, das als zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung einen gleichfalls mit dem elektronischen Drehzahlregler ausgestatteten
weiteren Gleichstrommotor zeigt.
-
In der Fig. 3, die ein Schaltbild ist und als Ausführungsbeispiel
einen mit dem elektronischen Drehzahlregler ausgestatteten Gleichstrommotor zeigt,
sind zur Bezeichnung gleicher Teile die gleichen Bezugszeichen wie die in Fig. 1
benutzten verwendet. Die rechte Hälfte in Fig. 3 zeigt die Brückenschaltung mit
dem Motor M. Tr2 bezeichnet den Transistor zur Ermittlung des Ausgangssignals des
Motors M; D1' bezeichnet eine Diode, die zum Versetzen der Spannung VBE zwischen
der Basis und dem Emitter des Transistors Tr2 dient und die bei diesem besonderen
Ausführungsbeispiel durch nur eine Diodenstrecke gebildet ist. R8 bezeichnet einen
Lastwiderstand, der eine Widerstandswert-Abweichung der Ankerwicklung des Motors
M kompensiert; R3' bezeichnet einen veränderbaren Widerstand zur Einstellung des
Abgleichs der Brückenschaltung. Die Basis des Drehzahlsteuer-Transistors Tr1 ist
nur mit dem Kollektor des Transistors Tr2 verbunden.
-
Zum Verbessern des Einschwingens dieser Transistoren und auch zum
Vermeiden von Schwingungen ist ein Kondensator C2 vorgesehen. Die linke Hälfte der
Fig. 3 stellt eine Drehzahleinstellschaltung dar, die die Veränderung der Drehzahl
des Motors zuläßt. In dieser Schaltung wird eine mittels einer Zehnerdiode D2 erzielte
stabilisierte Spannung nach Wunsch mittels eines veränderbaren Widerstands VRz eingestellt,
der eine Spannungsregelvorrichtung bildet, und dann einem Transistor Tr3 eingeprägt,
der als Spannungszuführvorrichtung dient. Die an einem Ausgangslastwiderstand R7
des Transistors entwickelte Spannung wird dann einem Erückenkontakt zugeführt,
der
in Reihe mit dem Widerstand R2 liegt, welcher auf der entgegengesetzten Seite zu
dem Motor M geschaltet ist. Der Eingangsanschluß bzw. die Basis des Transistors
Tr3 ist mit einer Diode D3 verbunden, die zur Temperaturkompensation vorgesehen
ist. Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung arbeitet folgendermaßen: Es ist dafür Anordnung
getroffen, daß die Spannung VBE zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors
Tr2 zur Ermittlung des Srückenausgangssignals durch die Klemmenspannung der Diode
D1' versetzt bzw. kompensiert wird. Daher sind die elektrischen Potentiale an den
Ausgangsanschlüssen a und b einander gleich. Die Brückenschaltung ist mittels des
veränderbaren Widerstands VOR 1 so eingestellt, daß die Gleichgewichtszustands-Gleichung
R1/Ra = R2/R31 erfüllt ist. Wenn bei diesem Zustand der Motor M dreht, wird zwischen
den beiden Anschlüssen b und d des Motors M der Zustand RaIa + Ea erzielt.
-
Die Brückenschaltung kann daher bei Drehen des Motors M dadurch in
einem Gleichgewichtszustand gehalten werden, daß auf den Widerstand R3' in Reihe
eine Spannung aufgeprägt wird, die der Gegen-EMK Ea eines Motors M entspricht. Die
Gegen-EMK Ea des Motors M ist proportional der Drehzahl n. Wenn sich die Motordrehzahl
ändert, ändert sich daher auch in Proportionalität dazu die Gegen-EMK Ea des Motors.
Bei dem Drehzahlregler wird die Motordrehzahleinstellung durch Nutzung dieser Beziehung
der Motordrehzahl zu der Gegen-EMK Ea bewerkstelligt. Das Eingangssignal an dem
Transistor Tr3 der Motordrehzahl-Einstellschaltung wird mittels des veränderbaren
Widerstands VR2 so verändert, daß die Ausgangsspannung Ek der Einstellschaltung
gleich der Gegen-EMK Ea wird, die der gewünschten Einstelldrehzahl entspricht. Die
Ausgangsspannung Ek der Motordrehzahl-Einstellschaltung wird an dem Widerstand R3'
der Brückenschaltung als Sockelpotential oder Sockelspannung eingespeist. Da damit
die Werte der Kollektorströme der
Transistoren Tr und Tr2 in Übereinstimmung
mit der an dem veränderbaren Widerstand VRz eingestellten Einstelldrehzahl gebracht
werden, wird der Motor M dadurch zum Drehen mit der Einstelldrehzahl gebracht, obgleich
die Widerstandswerte der Brückenschaltung unverändert geblieben sind. Das heißt,
durch die Anordnung gemäß der vorstehenden Oeschreibung kann die Drehzahl des Motors
auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, während die Brückenschaltung im Abgleichzustand
gehalten wird. Selbstverständlich kann ein derartiger Einstellwert kontinuierlich
und stufenlos eingestellt und eingeregelt werden. Es kann daher ein elektronischer
Drehzahlregler mit günstiger Belastungskennlinie, guter Meßempfindlichkeit und breitem
Veränderungsbereich für die Einstelldrehzahl erreicht werden.
-
Bei der in Fig. 3 gezeigten Schaltung wird die Spannung der als Konstantspannungsquelle
dienenden Zehnerdiode D2 mittels des Drehzahleinstell-Widerstands VRz verändert
und eine auf einer Temperaturveränderung beruhende Veränderung wird mittels der
Temperaturkompensations-Diode D3 kompensiert, so daß der Brückenschaltung eine sehr
stabile Sockelspannung zugeführt wird. Daher kann ein elektronischer Drehzahlregler
mit hervorragenden Temperaturkennlinien dadurch gewonnen werden, daß die Diode D3
entweder an einem Motor, der eine große Temperaturveränderung zeigt, oder nahe an
dessen äußerem Gehäuse angebracht wird. Bei der Schaltung nach Fig. 3 wird ferner
beim Schließen des Stromversorgungsschalters S1 der Transistor Tr3 eingeschaltet.
Danach schaltet das Ausgangssignal des Transistors Tr3 den Meß-Transistor Tr2 ein.
Dadurch wird zum Anlassen des Motors M der Transistor Tr1 auch dann eingeschaltet,
wenn die Stromversorgungsspannung allmählich ansteigt. Demzufolge kann bei der in
Fig. 3 gezeigten Schaltung die Anlaufschaltung aus dem
Widerstand
R5 und dem Kondensator cl weggelassen werden, die bei der Schaltung nach Fig. 1
verwendet ist, und es ist trotzdem immer ein gleichmäßiger Anlauf des Motors sichergestellt.
-
Nach Fig. 4 unterscheidet sich das darin dargestellte Ausführungsbeispiel
von dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel nur dadurch, daß parallel zu dem
Widerstand R3' eine Diode D4 geschaltet ist. Daher wird die Beschreibung der Schaltungsanordnung
nach Fig. 4 weggelassen und nur die Wirkungsweise der Schaltung in bezug auf die
Diode D4 wie folgt erläutert: Wenn bei der Schaltung der Fig. 4 der Stromversorgungsschalter
S1 geschlossen wird, wird der Transistor Tr3 eingeschaltet und das Rusgangssignal
des Transistors Tr3 bewirkt dann das Einschalten des Meß-Transistors Tr2. Dies wiederum
bringt den Transistor Tr1 in den Einschaltzustand, so daß der Motor M angelassen
wird. An dem Widerstand R7 erzeugt der Emitterstrom des Transistors Tr3 die Sockelspannung
Ek, die über den Widerstand R3' das Potential an dem Punkt a anhebt und den Transistor
Tr2 in den Einschaltzustand bringt.
-
Wenn jedoch der Widerstandswert des Widerstands R3' zu hoch ist, kann
der Transistor Trz durch das elektrische Potential an dem Punkt a nicht in einen
ausreichend leitenden Zustand gebracht werden, weil die Klemmenspannung des Widerstands
R3' wegen des zu dem Widerstand R3' fließenden Basisstroms des Transistors Tr2 abfällt.
Nimmt man an, daß die Srückenschaltung auf einen Zustand mit R3' > R2 eingestellt
ist, so fließt zum Zeitpunkt des Anlassens des Motors M Strom vom Punkt a zu dem
Schaltkreis aus R2-R1-Ra auch zusätzlich zu dem vorgenannten Basisstrom des Transistors
Tr2 zu dem Widerstand R3'. Daher ist manchmal gemäß dem Vorstehenden das Anheben
des elektrischen
Potentials an dem Punkt a auf eine ausreichende
Höhe behindert. Im Falle der in Fig. 4 gezeigten Schaltungsanordnung ist gemäß der
Darstellung die Diode 4 parallel zu dem Widerstand R38 geschaltet. Durch diese Anordnung
kann der Strom des Widerstands R3' abgeleitet werden, der durch die Sockelspannung
Ek verursacht ist. Der von dem Emitter des Transistors Tr3 zu dem Punkt a (der Basis
des Transistors Tr2) fließende Strom wird daher zum Zeitpunkt des Anlassens des
Motors M zu der in Vorwärtsrichtung geschalteten Ableitung durch die Diode D4 geleitet,
so daß durch diese Anordnung die Möglichkeit eines durch den Widerstand R3' verursachten
Spannungsabfalls ausgeschlossen wird.
-
Zum Anlassen des Motors M wird daher der Transistor Tr2 fehlerfrei
in den Einschaltzustand versetzt; dadurch kann der Steuer-Transistor Tr1 auch dann
in den Einschaltzustand versetzt werden, wenn die Sockelspannung Ek verhältnismäßig
niedrig ist. Bei eingeschaltetem Transistor Tr fließt über jede Seite der Srückenschaltung
ein Strom von der Stromquelle E. Wenn dieser Zustand erreicht ist, fließt ein Strom
von dem Punkt a über den Stromkreis aus dem Widerstand R3 und dem Widerstand R7
an Masse. Da die Diode D4 in bezug auf diesen Strom entgegengesetzt gerichtet angeschlossen
ist, fließt dann nahezu kein Strom über den Stromkreis der Diode D4 und die Auswirkung
der Diode D4 wird vernachlässigbar. Nach der vorstehenden Beschreibung können die
Anlaufeigenschaften der Schaltung erfindungsgemäß verbessert werden, wodurch eine
stabile und zuverlässige Leistung des Drehzahlreglers sichergestellt werden kann.
-
Mit der Erfindung ist für einen Gleichstrommotor ein elektronischer
Drehzahlregler angegeben, der grundsätzlich mit einer BrUckenschaltung aufgebaut
ist, in deren einem Zweig der Gleichstrommotor liegt. Eine außerhalb der Brückenschaltung
angeordnete und mit der Brückenschaltung verbundene
Drehzahleinstell-Vorrichtung
prägt der Brückenschaltung eine Sockelspannung in der Weise ein, daß eine Einstellung
des elektronischen Drehzahlreglers auf eine gewünschte Drehzahl des Gleichstrommotors
möglich ist, ohne daß die Belastungskennlinie des Drehzahlreglers beeinträchtigt
wird.
-
Leerseite