DE3418279A1

DE3418279A1 - Motor-regel-schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE3418279A1
Application number: DE19843418279
Authority: DE
Inventors: Bernard 8000 München Vermesse
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1983-05-20
Filing date: 1984-05-17
Publication date: 1984-11-29
Also published as: FR2546347B1; FR2546347A1; US4473783A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Motor-Regel-Schaltungsanordnung zur Verwendung mit Reihen-Kommutatormotoren, die in Kombination enthält eine Drehzahl-Meßanordnung, die mit dem Motor verbunden ist und die Gewinnung einer (ersten) Spannung, die die Motordrehzahl anzeigt, bewirkt, eine Motorsteuerungs-Anordnung, die die Regelung des Energiezufuhr-Anteiles an den Motor bewirkt entsprechend zu Eingangs-SLteuersignalen an einer Eingangs-Steuerleitung und einem Drehzahl-Vorwähler.

Bekannte Motor--Regler messen üblicherweise die Drehzahl (z.B. Umdrehungen pro Minute) und den durch· den Motor fließenden Strom und regeln diesen dann durch geeignete Steuermittel so, daß die Drehzahl konstant gehalten wird oder daß die Eingangsenergie so niedrig wie möglich gehalten wird oder daß ein übermäßiger Stromanstieg vermindert wird oder daß irgendein anderes erwünschtes Ziel erreicht wird. Das Problem bei dieser Methode ist, daß die Arbeitscharakteristik von Motoren derart ist, daß der Stromfluß ziemlich schwankend, mit Rauschen behaftet ist und Unterbrechungen aufweist. Infolgedessen muß von dem Stromfluß über ein gewisses minimales Zeitintervall ein Mittelwert gebildet werden mit einem Filter od. dgl., um eine angemessen gleichmäßige Messung des Strommittelwertes zu einer bestimmten Zeit zu gewinnen. Experimente haben gezeigt, daß plötzliche Belastungsschwankungen an dem Motor oder momentane Abweichungen im Betrieb Stöße im Stromfluß hervorrufen können, die schneller sind als das Mindest-

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Zeitintervall, das für eine praktische Messung benötigt wird. Diese Stromstöße können Zerstörungen im Motor hervorrufen oder bewirken, daß die Sicherung durchschlägt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regelung so auszubilden, daß derartige, ggf. Zerstörungen hervorrufende Stromstöße vermieden werden, wobei eine Messung des mit Rauschen behafteten und schwankenden Motorstroms vermieden„wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß durch eine Vergleichsstufe, die mit dem Drehzahl-Vorwähler und der Drehzahl-Meßanordnung verbunden ist, ein erstes Eingangs-Steuersignal geeigneter Größe gebildet wird, das bewirkt, daß die Motorsteuerungs-Anordnung Energie richtigen Ausmaßes dem Motor zuführt, damit dieser mit der durch den Drehzahl-Vorwähler gewählten Drehzahl läuft, und daß von einer Motor-Modellschaltung, die ausgewählte Schaltungsteile, die den inneren Widerstand und die Charakteristik der gegenelektromotorischen Kraft nachbilden, enthält, die so verbunden sind, daß ihnen die erste Spannung von dem Drehzahlmesser zugeführt und in einer für den Motor charakteristischen Weise geteilt wird, so daß ein zweites Eingangs-Steuersignal für die Motorsteuerungs-Anordnung geliefert wird, und daß eine erste logische Schaltung, die mit der Modellschaltung und der Vergleichsstufe verbunden ist, in der Lage ist, von dem ersten und dem zweiten Eingangs-Steuersignal die niedrigere Spannung an die Eingangssteuerleitung an der

Motorsteuerungs-Anordnung anzuschalten, so daß die Motorsteuerungs-Anordnung gesteuert wird von dem niedrigsten Spannungs-Eingangs-Steuersignal entweder von der Modellschaltung oder von der Vergleichsschaltung.

Die der Drehzahl proportionale Spannung, die von der Drehzahl-Meßanordnung (Tachometer) an dem Motor gewonnen wird, dann direkt verwendet oder in Kombination mit Widerständen, die so gewühlt sind, daß die charakteristische gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) nachgebildet und der innere Widerstand des Motors gesteuert wird. Geeignete logische Schaltungen wählen dann entweder die direkt erhal-

tene Spannung oder die mit Hilfe eines Widerstandes geteilte Spannung (zu welcher eine feste Spannung hinzugefügt ist) aus, um den Motor abhängig von seinem Drehzahlwert zu steuern. Diese Art von Steuerungssystem ist insbeson- _t dere geeignet für Reihen-Kollektormotoren entweder für Wechselstrom- oder für Gleichstrom-Geräte.

Zusätzliche Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung sind der nachstehenden detaillierten Beschreibung anhand der Zeichnung zu entnehmen.

Fig. 1 zeigt schematisch die typische bekannte Methode zur Motorregelung.

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm des Steuersystems nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt die typische bekannte Methode zur Motorsteuerung. Energie von einer Speisequelle 10 wird geregelt durch einen Regler 12, der z.B. einen Triac-Schalter od. dgl. enthalten kann. Ein Motor 14 erhält Strom durch einen

Reihenwiderstand 16. Die Spannung über dem Widerstand 16 wird abgenommen durch ein Filter 17, das den ungleichmäßigen, den Motor 14 durchfließenden Stromfluß glättet. Das Filter 17 liefert eine repräsentative mittlere Spannung an einen MaximalStromdetektor 15. Der Detektor 15 liefert ein Signal zu einer Motor-Steuereinheit 18, sobald der Strom einen vorbestimmten Maximalwert erreicht. Infolgedessen wird die Steuereinheit 18 davor geschützt, daß sie den Regler 12 veranlaßt, einen übermäßig großen Strom an den Motor 14 zu führen. Ein Differentialverstärker 23

liefert eine Anzeige der Drehzahlabweichung von«einem gewünschten Wert, indem eine Spannung von einem Drehzahl-Vorwähler 19 mit einer Spannung verglichen wird, die von einem Tachometer 20 über einen Frequenz-Spannungs-Umsetzer 22 geliefert wird. Die Steuereinheit 18 bewirkt die not-_{ wendige Reduzierung der Spannungsdifferenz vom Verstärker 23 in Richtung auf den Nullwert und ist gleichzeitig der Maximumbegrenzung unterworfen, die durch den Detektor 15 bewirkt wird. Die Steuereinheit 18 kann so einfach sein wie eine analoge elektronische Schaltung oder mehr kompli-

ziert, wenn sie Gebrauch macht von einem Mikroprozessor, der einem Betriebsprogramm folgt, das für die vorgesehene Anwendung geeignet ist.

Das Hauptproblem mit einem System der in Fig. 1 ge-2^ zeigten Type ist, daß plötzlich starke Stromstöße aus der Quelle 10 abgezogen werden, bevor das Filter 17 sie glätten und der Steuereinheit 18 anzeigen kann, daß eine Änderung des mittleren Stromflusses stattgefunden hat. Diese vor-

übergehende, ggf. nadeiförmige, Stromspitze bewirkt, daß empfindliche Sicherungen in der Speiseleitung unnötigerweise durchbrennen und sie verkürzen die Lebensdauer des Motors. Die Erfindung löst dieses Problem mit der in Fig. 2 gezeigten Steuerschaltung.

Nach der Erfindung wird nicht der unregelmäßig schwankende Stromfluß durch den Motor selbst gemessen, sondern durch ein stabilerem. Modell des Motors ersetzt, das entweder digitale Schaltungen, gesteuert durch geeignete Software-Programme oder analoge Schaltungen, wie sie anhand Fig. 2 beschrieben werden, benutzt. "

In Fig. 2 dienen die Widerstände R, und R~ als analoge Modelle des inneren Widerstandes und der Charakteristik der gegenelektromotorischen Kraft des speziellen Motors, der gesteuert wird. Wie in Fig. 1, erhält der Motor 14 Strom von einer Speisequelle 10 über einen Regler 12, wobei der Regler 12 gesteuert wird durch eine Steuereinheit 18. Der Ausgangswert eines Tachometers 20 ist ein Signal, dessen Frequenz von der Motordrehzahl, z.B. in Umdrehungen je Minute gemessen, abhängt, welcher Ausgangswert in eine Spannung umgesetzt wird durch einen Frequenz-Spannungs-Wandler 22. Wenn der Motor in der Nähe der gewünschten voreingestellten Drehzahl läuft, wird die Spannung vom Wandler 22 einfach verglichen mit der gewünschten Spannung von dem Drehzahlwähler 19. Ein Differenzialverstärker 23 liefert an eine Leitung 27 eine Ausgangsspannung E_, die als Steuerspannung für die Steuereinheit 18 dient. Es sei angemerkt, daß diese Steuerspannung E_g aus-

gewählt wird durch einen logischen Schaltkreis 25, weil sie kleiner ist als eine andere Spannung E . Die logische Schaltung 25 vergleicht die Spannungen E und E und schließt den passenden Schalter 24 oder 26, um von beiden Spannungen die kleinere hindurchzulassen. In dem Fall, daß E„ kleiner ist als E„, ist der Schalter 24 geschlossen. Wenn eine plötzliche Belastung bewirkt, daß der Motor 14 langsamer J.äuft, wobei gleichzeitig ein plötzliches Ansteigen des Strombedarfes erfolgt, bewirkt die Verlangsamung des Tachometers 20 ein Abfallen der Spannung vom Wandler 22. Eine entsprechende Verminderung der Spannung am Punkt 28 durchläuft die Verstärker 30 und 3 2 und ruft dann die Spannung E_x, hervor. Bei einer ausreichenden Verminderung wird die Spannung E niedriger als die Spannung E₀, und die Logikschaltung 25 öffnet den Schalter 24 und schließt den Schalter 26, so daß die Spannung E_x,

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jetzt an der Leitung 27 vorhanden ist. Infolgedessen führt die Steuereinheit 18 die Spannung E_x, und begrenzt den Stromfluß durch die Regleranordnung 12 gemäß der niedrigeren Spannung E_x, anstelle der schnell ansteigenden Spannung E . Die Widerstände R, und R₃ sind so gewählt, daß sie eine Spannung E_x, auf der Leitung 27 liefern können, wobei E die Summe der Spannungen E₁ und E_ ist. Die Spannung E_ ist proportional zur Drehzahl des Motors (und infolgedessen proportional zur gegenelektromotorischen Kraft), und E₁ repräsentiert den inneren Widerstand des Motors derart, daß der Strom, der dem Motor 14 durch den Regler 12 zugeführt wird, auf einem konstanten Wert gehalten wird.

Erst, wenn der Motor Zeit gehabt hat, wieder näher an seine normale voreingestellte Drehzahl heran zu beschleunigen, wobei die Spannung E a,uf einem gefahrloseren Wege unterhalb der Spannung E vermindert wird, wird der Steuereinheit 18 wieder ermöglicht, das Signal E zu empfangen und im normalen Drehzahlregel zustand zu arbeiten.

Wenn der Motor zum Stillstand kommen würde, würden die Spannungen E_? und die Spannung E nach Null gehen, und kein Strom würde zum Motor 14 fließen. Um dies zu vermeiden, wird ein Minimum-Anlaufstrom sichergestellt mit Hilfe eines Widerstandes R,, der zwischen einer Referenzspannung 34 und Erde so eingeschaltet ist, daß er eine feste Spannung E₁ am Punkt 3 6 liefert. Ein Summierverstärker 32 addiert die Spannungen E₁ und E_ so, daß die Spannung E„ stets wenigstens gleich ist zur festen Spannung E₁.

Das kann so betrachtet werden, daß der Widerstand R₁ wirkt wie ein Modell des inneren Widerstandes des Motors 14, das immer eine Mindest-Steuerspannung E₁ an der Leitung 27 zur Steuereinheit 18 sicherstellt. Der Widerstand R„ dient als ein Modell bzw. als eine Nachbildung der gegenelektromotorischen Kraft EMK des Motors 14, und erhält den Motorstrom konstant unter einer Bedingung, bei der der Motor 14 sich mit einer solchen Drehzahl dreht, daß E_ plus E- niedriger ist als E„. Gegebenenfalls ergibt sich noch eine gewisse Stromänderung, wenn E_ bei einer starken Abbremsung des Motors geringer wird, während E₁ unabhängig von äußeren Einflüssen am Punkt 36 des Widerstandes R₁ konstant

bleibt und somit sicherstellt, daß auch bei sehr geringer Drehzahl ein bestimmter Strom den Motor durchfließt und ihn beschleunigen kann, wenn nach einer starken Abbremsung die Belastung des Motors wieder auf einen normalen Wert zurückgegangen ist.

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Claims

ANMELDER: NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION,

2900 Semiconductor Drive,
Santa Clara, Kalif. 95 051 (V.St.A.)

BEZEICHNUNG: Motor-Regel-Schaltungsanordnung.

Patentansprüche :

( 1.J Motor-Regel-Schaltungsanordnung zur Verwendung mit Reihen-Kommutatormotoren,die in Kombination enthält: eine Drehzahl-Meßanordnung, die mit dem Motor verbunden ist und die Gewinnung einer (ersten) Spannung, die die
Motordrehzahl anzeigt, bewirkt,

eine Motorsteuerungs-Anordnung, die die Regelung des Energiezufuhr-Anteiles an den Motor bewirkt entsprechend zu Eingangs-Steuersignalen an einer Eingangs-Steuerleitung

und einen Drehzahl-Vorwähler,

dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Vergleichsstufe (23) , die mit dem Drehzahl-Vorwähler (19) und der Drehzahl-Meßanordnung (20) verbunden ist, ein erstes Eingangs-Steuersignal (Eg)I geeigneter Größe gebildet wird, das bewirkt, daß die Motorsteuerungs-Anordnung (18, 12) Energie richtigen Ausmaßes dem Motor (14) zuführt, damit dieser mit der durch den Qxehzahl-Vorwähler (19) gewählten Drehzahl läuft,

und daß von einer Motor-Modellschaltung (R,, R₂), die ausgewählte Schaltungsteile, die den inneren Widerstand und die Charakteristik der gegenelektromotorischen Kraft nachbilden, enthält, die so verbunden sind, daß ihnen die erste Spannung von dem Drehzahlmesser (20) zugeführt und in einer für den Motor charakteristischen Weise (R~; 28) geteilt wird, so daß ein zweites Eingangs-Steuersignal (E_) für die Motorsteuerungs-Anordnung (18) geliefert wird, und daß eine erste logische Schaltung (25), die mit der Modellschaltung und der Vergleichsstufe (23) verbunden ist, in der Lage ist, von dem ersten und dem zweiten Eingangs-Steuersignal (E₀, E_v) die niedrigere Spannung an die Eingangssteuerleitung (27) an der Motorsteuerungs-Anordnung (18) anzuschalten, so daß die Motorsteuerungs-Anordnung (18) gesteuert wird von dem niedrigsten Spannungs-Eingangs-Steuersignal entweder von der Modellschaltung oder von der Vergleichsschaltung.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Motor-Modellschaltung Widerstandskreise (R,, R-) enthält, die einen ersten Widerstand (R₂) besitzen, der zwischen einer Bezugsspannung

(Erde) und der Drehzahlmeßanordnung (22) angeordnet ist, so daß die gegenelektromotorische Kraft des Motors simuliert und eine Spannung erzeugt wird, die proportional ist zur Motordrehzahl, und daß die Widerstandskreise weiter einen zweiten Widerstand (R,) besitzen, der so geschaltet ist, daß er eine feste Minimalspannung (E₁) liefert, um den inneren Widerstand des Motors nachzuahmen, wobei die Motor-Modellschaltung fähig ist, die Summe (32) der proportionalen Spannung (E₃) und der festen Minimalspannung (E.) vom ersten und vom zweiten Widerstand (R₁, R-) als zweites Eingängs-Steuersignal (E ) abzugeben.

3, Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlmeßanordnung einen Tachometer (20) enthält, der mit dem Motor verbunden ist und der mit einer Wandlerschaltung (22) zusammenschalten die das Ausgangssignal des Tachometers (20) in eine die Drehzahl des Motors (14) repräsentierende Spannung umwandelt, um die erste Spannung zu erhalten.