DE3123358A1

DE3123358A1 - Verfahren zur steuerung der geschwindigkeit eines elektrischen gleichstrommotors und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3123358A1
Application number: DE19813123358
Authority: DE
Inventors: Stephen Marblehead Mass. Cudlitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-06-13
Filing date: 1981-06-12
Publication date: 1983-01-05
Also published as: JPS5728586A; FR2484733A1; GB2078029A; CA1184243A

Description

Dr. Dieter Weber Klaus Seiffert

Dipl-Cbem. Dr. Dieter Weber · Dipl.-Pbye. Klaus Selffert Postfach 6148 ■ 6200 Wiesbaden

Patentanwälte

D-6200 Wiesbaden 1

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11. Juni 1981 S/st - CDLTZ - 101 -

Stephen Cudlitz

5 Waldron Court, Marblehead, Massachusetts

USA

Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit eines elektrischen Gleichstrommotors und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Priorität: 13. Juni 19 80 USA Serial No. 159,343

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Die Erfindung betrifft Drehzahlsteuereinrichtungen für Elektromotoren und bezieht sich insbesondere auf Drehzahlsteuerungen für Elektromotoren/, insbesondere Serien- bzw. Hauptfeldmotoren, die bei batteriegetriebenen Elektrofahrzeugen benutzt werden.

Bislang wurden Motoren, insbesondere Gleichstrommotoren, im allgemeinen durch die Verwendung eines einstellbaren Serienwiderstandes für großen Strom gesteuert. Dieses Verfahren des Steuerns der Drehzahl eines Elektromotors, insbesondere solcher, die zum Antrieb von Elektrofahrzeuge!! benutzt wurden, war im allgemeinen für nicht zufriedenstellend erachtet worden, denn Drehmoment und Drehzahl sind fast ganz gegenseitig abhängig. Diese gegenseitige Abhängigkeit führt zu einer sehr schwachen Drehzahlregullerung. Außerdem waren solche Widerstandssteuereinrichtungen äußerst uneffizient wegen des elektrischen Energieverbrauchs durch die Steuerwiderstandselemente. Dieser Energieverlust verringert bemerkenswert die Lebensdauer der Batterie und die zulässige Zeit zwischen dem Laden und er-

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höht auch die minimal akzeptierbare Anfangsgröße, das Gewicht und die Kosten der Batterie.

Ferner führten solche Steuereinrichtungen nicht zu einer vollständigen proportionalen Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitssteuerung, denn häufig müßten sich die Steuereinrichtungen fast in der vollständigen Einschaltposition befinden, bevor ein ausreichendes Drehmoment entwickelt werden konnte, um ein Elektrofahrzeug von einer angehaltenen Stellung zu starten. Die Steuerung mußte dann zurückgefahren werden, um das Drehmoment nach dem Starten der Bewegung zu verringern. Solche Steuerun-. gen führten deshalb zu einem unbeständigen, nicht gleichmäßigen Motorbetrieb, welcher der Bewegung eines Fahrzeuges das Gefühl eines "Ruckes" oder "Sprunges" gab.

Vor einiger Zeit sind Versuche unternommen worden, um die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl eines Elektromotors dadurch zu steuern, daß ein Leistungstransistor als ein elektronischer Schalter zwischen der Batterie und dem Motor angeordnet wird und der Transistor dadurch aktiviert wird, daß Stromimpulse zur Transistorbasis geführt werden. Im allgemeinen waren diese Impulse von konstanter Dauer, und die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl wurde nur in einigen wenigen Stufen dadurch gesteuert, daß ein Strom nur bei wenigen unterschiedlichen Drehzahlen oder Geschwindigkeiten zerhackt wurde. Der sich ergebende Motorbetrieb

ist ungleichmäßig, und elektrische Energie geht verloren, weil Strom nur bei wenigen Niveaus zugeführt wird.

Erfindungsgemäß wird eine Steuerschaltung für die Drehzahl bzw. Geschwindigkeit eines Elektromotors vorgesehen, die im wesentlichen alle vorgenannten Nachteile der bekannten Steuerschaltungen überwindet. Insbesondere ist die Drehzahlsteuerschaltung für den Elektromotor gemäß der Erfindung zwischen dem Motor und einem Netzteil, welches für den Antrieb des Motors ausreicht, angeordnet. Die Drehzahlsteuerschaltung weist mindestens einen Leistungstransistör auf, der über seinen Emitter und Kollektor in Reihe zwischen dem Motor und dem Netzteil angeschlossen ist, um eine Leistungsschaltung derart zu bilden, daß Strom zwischen dem Netzteil und dem Motor durch den Transistor nur dann fließt, wenn ein Signalstrom zur Basis des Transistors augeführt wird. Die Drehzahlsteuerung weist ferner eine Drehzahlsteuereinrichtung bzw. -steuerung auf, die einen veränderbaren Widerstand, eine Induktanz bzw. Induktivität oder Kapazität in einer Steuerschaltung und eine Steuerschaltung vorsieht, welche im wesentlichen einen geringeren Leistungsbedarf hat als der Leistungsbedarf zum Betreiben des Motors, wobei Impulse eines impulsbreitenmodulierten Signalstromes zur Basis des Leistungstransistors zugeführt werden und die Breite des Impulses proportional zur Größe des veränderbaren Widerstandes, der Induktivität oder Kapazität der

Drehzahlsteuerung ist.

Die. Erfindung weist ferner ein Verfahren auf zur Steuerung der Drehzahl eines Elektromotors. Nach dem Verfahren werden der veränderbare Widerstand, die Induktivität oder Kapazität einer Drehzahlsteuerung verändert; ein impulsbreitenmodulierter Signalstrom wird zugeführt mit Impulsbreiten, die proportional zur Größe des veränderbaren Widerstandes, Induktivität oder Kapazität sind, wobei dieser Signalstrom der Basis mindestens eines Leistungstransistors zugeführt wird zur Aktivierung des Transistors, der durch seinen Emitter und Kollektor als ein elektrischer Schalter in Serie zwischen dem Motor und einem Netzteil geschaltet ist.

Die Erfindung weist ferner einen Motor veränderbarer Drehzahl auf, der mit der Steuereinrichtung für die Drehzahl des Elektromotors gemäß der Erfindung verbunden ist und von dieser gesteuert wird, und weist ein elektrisches Fahrzeug auf, welches durch einen Motor angetrieben ist, der durch die erfindungsgemäße Drehzahlsteuerung für den Elektromotor gesteuert ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:

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Fig. 1/ 2 und 3 Diagramme des Verhältnisses zwischen den elektromotorischen Kräften einer elektrischen Spannung proportional zum Widerstand, der Kapazität ader Induktivität einer Drehzahlsteuerung, der elektrischen Spannung einer Vergleichssägezahnwelle, welche durch die Steuerschaltung erzeugt ist, und der elektrischen Span- ■ nung eines impulsmodulierten Ausgangssignals,

Fig, 4 ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitssteuereinrichtung für einen Elektromotor,

Fig, 5 das Schema eines Versuchslaufes über i/Λ Meile,

Fig. 6 eine Leistungskurve zur Darstellung der Leistung, die von einem Golfwagen benötigt wird, der mit einer Festkörpersteuerung gemäß der Erfindung gesteuert wird, sobald sich der Golfwagen um den Versuchsdurchlauf gemäß Fig. 5 bewegt, und

Fig. 7 eine Leistungskurve unter Darstellung desselben Golfwagens wie bei Fig. 6, wobei eine Widerstandssteuereinrichtung verwendet wird, wenn der Golfwagen den Prüflauf der Fig. 5 durchläuft?*.

Der von der Geschwind! gkeits*- bzw. Drehzahlsteuerungsschaltung gemäß der Erfindung gesteuerte Elektromotor kann ein beliebiger Elektromotor sein, ist gewöhnlich aber ein Gleichstrommotor, der häufig ein Hauptfeld hat.

Das Netzteil ist ein beliebiges Gerät, welches für den Antrieb des Motors ausreicht, und für einen Gleichstrommotor ist ein Gleichstromnetzgerät vorgesehen, welches eine gleichmäßige oder veränderbare elektromotorische Kraft hat. Das Netzteil istrgewöhnlich eine Batterie zweckmäßiger Art mit einer oder mehreren Batteriegruppen in Serie oder parallel. Geeignete Batterien sind Wiederaufladebatterien, wie beispielsweise Bleisäurebatterien; Nickelcadmiumbatterien oder die neueren Lithiumchloridbatterien .

Wie oben ausgeführt., weist die Drehzahlsteuerschaltung mindestens einen Leistungstransistor auf, der über seinen Emitter und Kollektor in Reihe zwischen den Motor und das Netzteil zur Bildung einer Leistungsschaltung derart geschaltet ist, daß der Strom durch den Transistor aus dem Netzteil zum Motor nur dann fließt, wenn ein Signalstrom der Basis des Transistors zugeführt wird.

Der Leistungstransistor ist ein einziger Transistor oder besteht aus gekoppelten Transistoren, die wie ein einziger Transistor arbeiten. Der Leistungstransistor ist erwünschtenfalls ein bistabiler Transistor, d. h. ein Transistor, dessen Basisstrom sowohl das Ein- als auch das Ausschalten steuert, aber unter gewissen Umständen kann er ein Thyristor oder im Falle eines Wechselstromes ein Triac sein. Beispiele von Leistungs-

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transistoren sind die Power Darlington connected transistors. Beispiele geeigneter spezieller Transistoren sind die von Motorola MJ 11028 Darlington und von RCA die Reihen SK 3570 bis SK 3582.

Eine Vielzahl solcher Leistungstransistoren kann parallel benutzt werden, um die den Strom führende Leistungsfähigkeit der Schaltung zu erhöhen.

Die Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlsteuerung, die gewöhnlich von Hand betätigt wird, d. h. durch die Tätigkeit eines Menschen, wie z. B. mit einem Fußpedal oder eine Art Handgashebel, sorgt für einen veränderbaren Widerstand bzw. eine Resistanz, Induktivität bzw. Induktanz oder Kapazität bzw. Kapazitanz innerhalb der Steuerschaltung. Die Drehzahlsteuerung sorgt gewöhnlich für einen veränderbaren Widerstand innerhalb der Schaltung mittels eines Rheostaten.

Die dargestellte Steuerschaltung hat einen Kraft- bzw. Leistungsbedarf, der im wesentlichen niedriger als derjenige liegt, um den Motor zu betreiben. Die Steuerschaltung erfordert gewöhnlich weniger als 10 und vorzugsweise weniger als 5 % des Kraftbedarfs des Motors. Die Steuerschaltung liefert Impulse eines impulsbreitenmodulierten Signalstromes zur Basis des Leistungstransistors oder der Transistoren, wobei die

Breite des Impulses proportional zur Größe des veränderbaren Widerstandes bzw. der Resistanz, der Induktivität bzw. der Induktanz oder der Kapazität bzw. der Kapazitanz der Drehzahlsteuerung ist.

Die Impulsbreitenmodulation (PWM) ist auch bekannt als Impulsdauermodulation (PDM) oder Impulslängenmodulation (PLM). Im Allgemeinen ist die Impulsbreitenmodulation jene Modulation eines Signals bei einer im wesentlichen konstanten Frequenz, wo eine Zeitlänge oder Breite der Impulse eines Signales konstanter elektromotorischer Kraft im Verhältnis zu einem Eingangssignal variiert wird. Je länger die Breite der Modulation, um so mehr Strom wird mit dem Signal zugeführt, und je kürzer die Breite der Modulation ist, um so weniger Strom wird mit dem Signal zugeführt.

Es sind zahlreiche Verfahren bekannt, um ein impulsbreitenmoduliertes Signal zu erzeugen, denn die Signale sind im elektronischen Fernmeldewesen und in geringerem Maße bei elektronischen Steuereinrichtungen bei anderen Anwendungen geprüft worden (siehe die Bezugsstellen auf den Seiten 14-51 des Handbuches für den Elektronikingenieur.,herausgegeben von Donald G. Fink, veröffentlicht durch McGraw-Hill, 19 75).

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die

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Steuerschaltung eine Einrichtung auf zur Erzeugung einer elektrischen Spannungswellenform konstanter Frequenz, die so vorgespannt ist, daß die niedrigste Spannung der Welle größer als Null ist; eine Einrichtung zur Erzeugung einer Spannung proportional zu dem veränderbaren Widerstand (Resistanz), Induktivität (Induktanz) oder Kapazität (Kapazitanz) der Drehzahlsteuerung sowie eine Einrichtung zum Vergleichen der Spannung der Wellenform mit der erzeugten proportionalen Spannung und zum Ausgeben eines impulsbreitenmodulierten Signals zur Basis des Leistungstransistors, wenn die erzeugte Proportionalspannung größer ist als die Spannung der elektrischen Wellenform. Die elektrische Wellenform konstanter Frequenz ist in erwünschter Weise eine Sägeζahnwellenform, so daß die Längen der ausgegebenen Signalimpulse direkt proportional sind zur erzeugten Proportionalspannung, obwohl andere Wellenformen mit konstanter Frequenz benutzt werden können, so daß andere Proportionalverhältnisse erhalten werden können zwischen der erzeugten Proportionalspannung und den Längen der ausgegebenen Signalimpulse.

Der hier benutzte Begriff "proportional" bedeutet das gleiche oder ein konstantes Verhältnis oder ein Verhältnis, welches gemäß einer eingesetzten mathematischen Funktion variiert. Im allgemeinen ist das proportionale Verhältnis gemäß der bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung eine direkte Proportion und fakultativ eine Proportion, die exponentiell ., logarithmisch

oder trigonometrisch variiert.

Figur 1 zeigt eine Grafik der Spannung gegen die Zeit für eine elektrische Spannungswelle mit Sägezahnform und konstanter Frequenz, (a), eine Spannung, die zu dem veränderbaren Widerstand proportional ist, wenn der Widerstand äußerst hoch ist, wodurch eine proportionale Spannung (b) erzeugt wird, die niedriger ist als die niedrigste Spannung der elektrischen Spannungswelle (a) konstanter Frequenz und der sich ergebenden, ausgegebenen impulsbreitenmodulierten Welle (c), die keine Impulse hat (Impulsbreite Null), da zu keiner Zeit die erzeugte Proportionalspannung größer ist als die Spannung der elektrischen Spannungswelle mit konstanter Frequenz.

Figur 2 zeigt im wesentlichen dieselbe Kurve wie Figur 1, außer daß die Proportionalspannung (b) manchmal größer und manchmal kleiner ist als die Spannung der elektrischen Spannungswelle (a) konstanter Frequenz, die zu Impulsen (x) führt, welche zur Basis des Leistungstransistors in Originalform oder in verstärkter Form ausgegeben werden, wobei die Länge des Impulses (x) den Stromfluß zur Basis des Transistors darstellt. Die Breite des Impulses (x·) der Welle (c) wird bestimmt durch die Zeitlänge, um welche die Proportionalspannung größer ist als die Spannung der elektrischen Spannungswellenform mit konstanter Frequenz. Figur 3 wiederum zeigt im wesentlichen dasselbe

Verhältnis mit der Ausnahme, daß die erzeugte Proportionalspannung (b) immer größer ist als die Spannung der elektrischen Spannungswellenform (a) konstanter Frequenz, wodurch die erzeugten Stromimpulse (x) der Welle (c) im wesentlichen in einen konstanten hohen Stromfluß zur Basis des Leistungstransistors hin eingemündet bzw. zusammengeflossen sind.

Wie man aus diesen Figuren sieht, wird der Stromfluß zur Basis des Transistors proportional variiert in Abhängigkeit zu der Proportionalspannung, die in Abhängigkeit von dem Widerstand bzw. der Rektanz der Induktivität bzw. der Induktanz oder der Kapazität bzw. Kapazitanz der Drehzahlsteuerung erzeugt ist, wodurch auch der Stromfluß zur Basis des Leistungstransistors konstant im Verhältnis zu dem veränderbaren Widerstand, der Induktivität oder Kapazität verändert wird und als Ergebnis auch der Stromfluß aus dem Netzteil über den Leistungstransistor zum Motor hin konstant variiert wird im Verhältnis zum Widerstand, der Induktivität oder Kapazität der Drehzahlsteuerung.

Die ^Drehzahlsteuerung verändert deshalb den Stromfluß zum Motor über die Motorsteuerschaltung und hat im wesentlichen keine Wirkung auf die Spannung, die während der Stromimpulse auf den Motor gegeben wird.

Dies gewünschte Ergebnis steht im Gegensatz zu den Ergebnissen;.

die man bei der Benutzung bekannter elektronischer Motorsteuerschaltungen erhielt.

In erwünschter Weise ist eine Einrichtung vorgesehen für das Anhalten von zur Verfügung stehender Signalströme zur Basis des Leistungstransistors dann, wenn der durch die Leistungsschaltung fließende Strom größer als ein maximal gewünschtes Niveau ist, und zum Zurückstellen bzw. wieder in die Ausgangslage Führen zur Verfugung stehender Signalströme, wenn der durch die Leistungsschaltung strömende Strom sich wieder unter dem maximalen, gewünschten Niveau befindet. Diese Einrichtung ist in erwünschter Weise vorhanden, um das überlasten der Leistungsschaltung zu verhindern. Irgendwelche bekannte Einrichtungen zum Erfassen der Stromüberlast und Drosseln eines Signals in Abhängigkeit einer solchen Peststellung kann verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird eine Gleichstrom-EMK ausgewählt, die über einen Operationsverstärker abnimmt, sobald Strom durch ein kalibriertes Teil des Kabels aus einem Gleichstromnetz ansteigt. Wenn die ausgewählte EMK auf ein hinreichend niedriges Niveau reduziert ist, schaltet ein anderer Operationsverstärker ein, der das Ausschalten eines dritten Operationsverstärkers erzwingt, der seinerseits die erzeugte Spannung festlegt bzw. festklemmt, welche proportional ist zu dem variablen Widerstand, der Induktivität oder Kapazität, und zwar auf ein

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Niveau unter die unterste Spannung der Sägezahn- oder Dreieckwellenform. Das führt dazu, daß keine Impulse zur Basis des Leistungstransistors geschickt werden, wodurch der Stromfluß durch den Motor in wirksamer Weise angehalten wird.

In erwünschter Weise ist auch eine Einrichtung vorgesehen für das Anhalten von zur Verfügung stehender Signalströme zur Basis des Leistungstransistors, wenn die Batteriespannung unter die gewünschte Minimalspannung für den Motorantrieb abfällt, und eine Einrichtung zum Zurücksetzen oder wieder in den Anfangszustand Sringen von zur Verfügung stehenden Signalströmen, wenn sich die Batteriespannung wieder oberhalb.der minimalen erwünschten Spannung für den Motorantrieb befindet. Wieder können beliebige, dem Fachmann bekannte Einrichtungen benutzt werden, um den Spannungsabfall zu erfassen und ein Signal zur Basis des Transistors als Ergebnis einer solchen Erfassung oder Feststellung anzuhalten. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung 'läßt man einen Operationsverstärker sich einschalten, falls die Spannung unter ein bestimmtes Niveau abfällt. Wenn der Operationsverstärker eingeschaltet ist, wird die erzeugte Proportionalspannung wieder unter das unterste Spannungsniveau der Dreieckwellenform festgelegt, wobei wiederum der Ausgang zur Basis des Leistungstransistors auf Null gebracht oder mindestens auf einen zu niedrigen Wert gebracht wird, um den Transistor zu aktivieren.

Gleiche oder ähnliche Schaltungen können auch als Fehlermechanismen verwendet werden, um den Leistungstransistör abzuschalten, wenn die Bedingungen des offenen Schaltkreises oder des Kurzschlusses festgestellt werden.

Die Frequenz der Sägezahn- oder Dreieckwellenform und die Frequenz des impulsbreitenmodulierten Signals werden in erwünschter Weise so ausgewählt, daß sie mit den Motorbetriebseigenschaften kompatibel bzw. verträglich sind.

Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Steuerung der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl eines Elektromotors umfaßt das Verändern des Widerstandes bzw. der Resistanz, der Induktivität oder Induktanz oder Kapazität bzw. Kapazitanz einer Drehzahlsteuerung, vorzugsweise von Hand, sowie das Zuführen eines impulsbreitenmodulierten Signalstromes mit Impulsbreiten, die proportional zur Größe des veränderbaren Widerstandes, der Kapazität oder Induktivität zur Basis mindestens eines Leistungstransistors sind, um den Transistor zu aktivieren bzw. durchzuschalten, der durch seinen Emitter und Kollektor als elektrischer Schalter in Serie zwischen dem Motor und dem Netzteil angeschlossen ist.

Die Steuereinrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung sind wirksamer und besser zur Steuerung der Drehzahl eines

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Gleichstrommotors und sind beim Steuern der Drehzahl eines Wechselstrommotors sogar noch wirksamer, wenn ein Triac als Leistungstransistor verwendet wird. Der Schaltkreis hat nicht den Leistungsverlust, der zu einer Steuerschaltung gehört, die Widerstände zerhackt oder Stoßimpulse verwendet, welche nicht impulsbreitenmoduliert sind. Im Gegensatz zu den mit bekannten Steuereinrichtungen erhaltenen Ergebnissen schafft die Steuereinrichtung gemäß der Erfindung eine variable Stromzufuhr in Abhängigkeit vom Strombedarf des Motors in Abhängigkeit sowohl von den Motoreigenschaften als auch dem veränderlichen Widerstand, der Induktivität oder der Kapazität der Drehzahlsteuerung. Ferner können die Impulsbreiten des Signals zur Basis des Leistungstransistors oder den Transistoren direkt proportional gemacht werden zur Veränderung des Widerstandes, der Induktivität oder Kapazität der Drehzahlsteuerung. Das Ergebnis ist ein gleichmäßig arbeitender Motor, der weniger Strom braucht als bei der Verwendung bekannter Steuereinrichtungsschaltungen möglich war, und mit weniger "Rucken" der Motoren in Abhängigkeit von Stromstößen, die von bekannten SteuerSchaltungen geschaffen werden, wobei das "Rucken" für einen gleichmäßigen Betrieb, eine gute Motorleistung und guten Motorabrieb unerwünscht ist.

Ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Steuerschaltung gemäß der Erfindung ist in Figur 4 gezeigt. Die Darstellung

der Figur 4 ist durch gestrichelte Kästen in verschiedene Schaltungskomponenten aufgeteilt worden, damit man sie leichter erklären kann. Der gestrichelte Kasten A ist die Leistungsschaltung, in welcher elektrischer Strom aus der Batterie 10 durch Leistungstransistoren 12 zum Motor 14 über den Wendeschalter 16 fließt. Eine Umpolungsdiode 18 (free wheeling diode) ist vorgesehen, die einen Strompfad für elektrische Ströme vorsieht, welche durch die Motordrehung hervorgerufen sind, die durch Fahren bzw. Schieben des Motors und der mit dem Motor verbundenen Vorrichtung hervorgerufen wird.

Die Leχstungstransistoren 12 wirken als elektronische Schalter, die durch ein zu den Transistorbasen 12 A vorgesehenes Signal eingeschaltet werden. Ein Signal ist eine Wellenform, die impulsbreitenmoduliert ist, proportional zu einem veränderbaren Widerstand, der von Hand geändert wird, wie in Form eines Rheostaten, der in dem gestrichelten Kasten B in Figur 4 dargestellt ist. Der Rheostat wird im Falle eines Elektrowagens gewöhnlich mittels eines Fußpedales geändert.

Um das impulsbreitenmodulierte Signal zu erzeugen, wird eine Sägezahnwellenform mittels der durch den gestrichelten Kasten C dargestellten Schaltung erzeugt. Die dreieckförmigen Schaltungskomponenten 1-8 gemäß Fig. 4 sind Operationsverstärker, welche diskrete bzw. getrennte Bestandteile sein können.

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Es können aber auch ein oder mehrere Verstärker in einem einzigen elektronischen Paket kombiniert sein. Die bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform benutzten Betriebsverstärker sind National quad Betriebsverstärker LM.324N, wobei jedes in Figur 4 gezeigte Dreieck ein Viertel des quad-Operationsverstärkerpaketes darstellt.

Die Frequenz der Dreieck- oder Sägezahnwellenform, welche durch eine Schaltung erzeugt ist, die in dem gestrichelten Kasten C eingeschlossen ist, kann durch Verändern der Werte des Widerstandes R1 und/oder der Kapazität C1 verändert werden. Die Dreieckwellenform ist gegen Erde vorzugsweise um etwa 5,5 Volt verschoben mit einer Schwingung von 13 Volt Spitze zu Spitze.

Die durch den gestrichelten Kasten D dargestellte Schaltung erzeugt eine EMK, die direkt proportional zum Wert bzw. der Größe des Rheostaten 20 ist . Das Signal aus der Schaltung B wird zu der in dem gestrichelten Kasten E dargestellten Schaltung vorgesehen, welche das Signal aus der Schaltung D mit der Dreieckwellenform aus der Schaltung C vergleicht. Wenn die Spannung des Signals aus der Schaltung D größer ist als die Spannung der Dreieckwellenform aus der Schaltung C, wird ein Stromimpuls aus der Schaltung E in die Schaltung F geführt, welche den Impuls verstärkt und den verstärkten Impuls zu den Basen der Leistungstransistoren 12 führt, wodurch die

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Leistungstransistoren eingeschaltet werden und den Stromfluß aus der Batterie 10 zum Motor 14 erlauben. Wie oben in Eezug auf die Figuren 1-3 ausgeführt war, hängt die Länge des Stromimpulses zu den Basen der Transistoren 12 aus den Schaltungen E und F von der Spannung eines Signals aus der Schaltung D in Abhängigkeit von dem veränderbaren Widerstand der Schaltung B ab.

Bei der in Figur 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind auch Sicherheitsschaltungen vorgesehen. Die durch die gestrichelten Kästen G und H dargestellten Schaltungen setzen das Signal zu den Basen 12 A der Leistungstransistoren 12 still, wenn der Strom durch die Leistungsschaltung A zu hoch wird. Ebenso lagt die Schaltung I das Signal zu den Basen 12A der Leistungstransistoren 12 still, wenn ein Dunkelzustand (brownout condition) oder Zustand niedriger Spannung vorliegt.

Es versteht sich, daß das Schemadiagramm der Figur 4 nur eine von vielen möglichen Schaltungsanordnungen gemäß der Erfindung darstellt und sogar im Schemadiagramm der Figur 4 Schaltungskomponenten, wie z. B. Widerstände, verändert werden können, um die Schaltung für Eigenschaften etwas unterschiedlicher Motoren, Batterien, Widerstände, Kondensatoren, Drehzahlsteuerungen, Regulatoren, Transistoren, Dioden und Operationsverstärker auszugleichen. Andere aber ähnliche Komponenten können

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deshalb in der Schaltung mit entsprechend geeigneten Änderungen bei anderen Bestandteilen ersetzt werden.

Erwünschtenfalls kann ferner eine kapazitive oder induktive Reaktanz parallel zu dem impulsbreitenmodulierten Signal in einer beliebigen Steuerschaltung der Erfindung hinzugefügt werden, um einen gleichmäßigeren Übergang in der Signal-EMK und/oder dem Strom zur Basis des Leistungstransistors zu erzeugen, oder, falls die Kapazitanz oder Induktanz groß genug ist, kann sogar die Reaktanz parallel zur Leistungsschaltung hingefügt werden. Die Motorwicklungen selbst fügen eine vernünftig große Induktanz zur Leistungsschaltung hinzu, um Signaländerungen zu glätten oder gleichmäßiger zu machen.

Eine Steuerschaltung, wie sie im wesentlichen in Figur 4 gezeigt war, wurde in einen Golfwagen von Melex mit einem Bruttogewicht von 1,615 Pfund (einschließlich des Wagengewichts) eingebaut. Der Golfwagen mit der Drehzahlsteuerschaltung für den Elektromotor gemäß der Erfindung fuhr über 30 Meilen mit wiederholten Totalstillständen und nachfolgender normaler Beschleunigung, und am Ende der 30 Meilen waren die Batterien noch ausreichend geladen, um den Golfwagen zu fahren.

Bei einem Test für normalen Betrieb war ein Golfwagen Melex mit einem Bruttogewicht von 1,496 Pfund unter Steuerung mit

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einer Drehzahlsteuerschaltung für einen Elektromotor gemäß der Erfindung in der Lage, über sechsunddreißig Löcher auf einen hügeligen Golfplatz mit weniger als 50 % Batterieentladung zu fahren.

Bei einem Vergleichstest wurde ein Melex-Golfwagen mit einem Bruttogewicht von 1,615 Pfund mit einem bekannten Widerstandsmotorsteuerungsgerät und der Drehzahlsteuerschaltung für den Motor gemäß der Erfindung bei einem Einviertel-Meilen-Test-Lauf geprüft, dessen Form in Figur 5 gezeigt ist. Der relative Leistungsbedarf und Leistungsverbrauch zwischen dem Golfwagen mit der Steuereinrichtung gemäß der Erfindung und..dem-GoIfwagen mit dem Widerstandssteuergerät finden sich in den Figuren 6 und 7. Der Vergleich dieser Figuren zeigt klar, daß an verschiedenen Stillständen an den Positionen 1,2, 3 und 4 der Stromverbrauch unter Verwendung der Drehzahlsteuereinrichtung für den Elektromotor gemäß der Erfindung übereinstimmend geringer ist und ferner die Höchstgeschwindigkeit höher als bei jenen Golfwagen ist, in welchen das bekannte Widerstandssteuergerät verwendet wird.

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Claims

Patentansprüche

f 1. !verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit eines elektrischen Gleichstrommotors d.a durch gekennzeich net, daß ein veränderbarer Widerstrand, eine Induktivität oder Kapazität einer Geschwindigkeitssteuerung verändert wird, eine elektrische Spannung konstanter Frequenz mit einer Wellenform derart vorgespannt vorgesehen wird, daß die niedrigste Spannung der Welle größer als Null ist, eine Spannung vorgesehen wird, die proportional der Größe des veränderbaren Widerstandes, der Induktivität oder der Kapazität ist, die Spannung der Wellenform mit der Spannung, die dem Widerstand, der Induktivität oder der Kapazität proportional ist, verglichen wird, ein impulsbreitenmoduliertes Gleichstromsignal ausgegeben wird, wenn die proportionale Spannung größer ist als die Spannung der elektrischen .Spannungswellenform, wobei die Breite der Impulse des Impulsbreitenmodulierten Signals proportional der Größe des Widerstandes, der Induktivität oder Kapazität ist, und daß der impulsbreitenmodulierte Signalstrom der Basis mindestens eines Leistungstransistors zugeführt wird, um den Transistor, welcher durch seinen Emitter und Kollektor verbunden ist, als einen elektrischen Schalter, der in Reihe zwischen dem Motor und einem Netzteil liegt, zu aktivieren.

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2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Motor und einem Netzteil; welches für den Antrieb des Motors ausreicht, eine Geschwindigkeitssteuerschaltung für einen elektrischen Gleichstrommotor vorgesehen ist und die Steuerschaltung folgende. Teile aufweist:

a) mindestens einen Leistungstransistor, der über seinen Emitter und Kollektor in Reihe zwischen dem Motor und dem Netzteil derart angeschlossen ist, daß er eine Leistungsschaltung derart bildet, daß Strom zwischen dem Netzteil und dem Motor durch den Transistor nur dann fließt, wenn ein Signalstrom der Basis des Transistors zugeführt wird;

b) eine Geschwindigkeitssteuerung, welche einen veränderbaren Widerstand, Induktivität und Kapazität innerhalb einer Steuerschaltung vorsieht; und

c) einen Steuerschaltkreis mit einem Kraftbedarf, der im wesentlichen niedriger als der zum Betreiben des Motors ist, wobei die Steuerschaltung Impulse eines impulsbreitenmodulierten Signalstromes zur Basis des Leistungstransistors zuführt, die Breite, des Impulses proportional zur Größe des veränderbaren Widerstandes, der Induktivität oder Kapazität der Geschwindigkeitssteuerung ist, und wobei die

Steuerschaltung aufweist:

i) eine Einrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Spannungswellenform konstanter Frequenz, die so vorgespannt ist, daß die niedrigste Spannung der Welle größer als Null ist;

ix) eine Einrichtung zur Erzeugung einer Spannung, die proportional dem veränderbaren Widerstand, der Induktivität oder der Kapazität ist; und

iii) eine Einrichtung zum Vergleichen der Spannung der Wellenform mit der erzeugten proportionalen Spannung und zum Ausgeben eines impulsbreitenmodulierten Gleichstromsignals zur Basis des Leistungstransistors dann, wenn die erzeugte proportionale Spannung größer ist als die Spannung der elektrischen Wellenform.
3. Vorrichtung, insbesondere Motorsteuerschaltung, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitssteuerung einen veränderbaren Widerstand innerhalb der Steuerschaltung vorsieht.
4. Motorsteuer.s.chaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitssteuerung von Hand derart be-

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tätigt wird/ daß eier Widerstand verändert wird.
5. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist zum Anhalten zur Verfügung stehender Signalströme nach der Basis des Leistungstransistors hin, wenn der Strom durch die Leistungsschaltung größer ist als ein gewünschter Maximalwert/ und für das Zurückführen zur. Verfügung stehender Signalströme in die Ausgangslage/ wenn der Strom durch die Leistungsschaltung unter dem gewünschten maximalen Wert liegt.
6. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet/ daß eine Einrichtung vorgesehen ist für das Anhalten zur Verfügung stehender Signalströme zur Basis des Leistungstransistors hin, wenn die Batteriespannung unter den gewünschten Minimalspannungswert, um den Motor anzutreiben, abfällt, und zum Zurückstellen bzw. Zurückführen zur Verfügung stehender Signalströme in die Ausgangslage, wenn die Batteriespannung sich wieder über dem gewünschten Minimalspannungswert für den Antrieb des Motors befindet.
7. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenform mit konstanter Frequenz eine Sägezahnwellenform ist, so daß die Länge der ausgegebenen Signalimpulse direkt proportional zur erzeugten Proportionalspan-

nung ist.
8. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgegebenen Signalimpulse verstärkt werden, bevor sie zur Basis des Leistungstransistors geführt werden.
9. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerschalter zwischen dem Netzteil und- der Steuerschaltung vorgesehen ist.
10. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzteil eine Batterie ist.
11. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Motor eine Reaktanz vorgesehen ist.
12. Motorsteuerschaltung nach eimern.der vorhergehenden Ansprüche für einen Motor mit veränderlicher Drehzahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mit der Steuerschaltung für die Drehzahl des Elektromotors verbunden ist und von dieser gesteuert wird.
13. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor eines elektrischen Fahrzeuges durch die Steuerschaltung für die Drehzahl des Elektromotors ge-

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steuert wird.
14.Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug ein Golfkarren ist.
15. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug ein elektrisches Automobil ist.