DE3690071C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Motordrehzahl-Steuergerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Motordrehzahl-Steuergerät dieser Art ist in der US-PS 41 72 989 beschrieben. Bei diesem bekannten Gerät erfolgt eine Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors durch eine Phasenanschnittsteuerung. Eine Versorgungswechselspannung wird mittels eines Vollwellengleichrichters gleichgerichtet. An dem Vollwellengleichrichter liegt ein Gleichstrommotor in Reihe mit einem Thyristor. Ein Kondensator wird mittels einer den Anschlüssen des Thyristors eingeprägten Spannung aufgeladen. Die Summe dieser Kondensatorspannung und einer fest vorgegebenen Bezugsspannung wird an einem ersten Komparator mit einer Bezugsspannung verglichen, mit der eine gewünschte Motordrehzahl festgelegt wird. Sobald die am "+"-Eingang des Komparators liegende Summenspannung die Bezugsspannung überschreitet, wird über einen Widerstand und eine Diode ein weiterer Kondensator aufgeladen. Dessen Spannung, zu der ebenfalls eine fest vorgegebene Spannung addiert wird, wird an den "-"-Eingang eines zweiten Komparators geführt. Am "+"-Eingang des zweiten Komparators liegt eine Sägezahnspannung, durch die Triggerung des Thyristors jedesmal dann ausgelöst wird, wenn die Sägezahnspannung die konstant geregelte Summenspannung aus der Spannung am zweiten Kondensator und der dazu addierten fest vorgegebenen Spannung überschreitet. Insbesondere in niedrigen Drehzahlbereichen können sich hierbei Schwierigkeiten bei der Drehzahlregelung ergeben, u. a., weil zur Glättung der Ausgangsspannung des ersten Kondensators ein RC-Zeitglied mit relativ großer Zeitkonstante erforderlich ist, durch die eine flache Ladekurve gebildet wird.

In einem Artikel von F. W. Gutzwiller (Universal Motors Speed Controls, Fa. General Electric, 1965, Seiten 1 bis 9) ist eine Motordrehzahlsteuerung beschrieben, bei der zur Steuerung die Netzspannung abzüglich der Anker-EMK gemessen wird. Auch hierbei besteht das vorstehend genannte Problem.

Anhand der Fig. 7 und 8, die bekannte Maßnahmen zeigen, sei die Schwierigkeit der Drehzahlregelung, die insbesondere in niedrigen Drehzahlbereichen auftritt, näher erläutert.

Gemäß Fig. 7 sind ein Gleichstrommotor 3 und ein Thyristor 4 mit dem Gleichstromausgang eines Vollwellengleichrichters 2 verbunden, der mit den Anschlüssen einer Wechselstromnetz- Versorgung 1 verbunden ist. Parallel zu den Klemmen des Thyristors 4 ist eine Serienschaltung aus einem Widerstand 5 und einem Kondensator 6 derart geschaltet, daß der Kondensator 6 über den Widerstand geladen wird. Der Kondensator 6 wird über eine bidirektionale Zenerdiode oder Diac 7 entladen, die zwischen das Gate des Thyristors 4 und den einen Pol des Kondensators 5 geschaltet ist, wenn die Spannung am Kondensator 6 einen vorbestimmten Pegel erreicht.

Das heißt, wenn der in Fig. 7 mit A bezeichneten Anode des Thyristors 4 eine in Fig. 8 gezeigte Spannung mit einem im wesentlichen sinusförmigen Verlauf eingeprägt wird, steigt die am Punkt B anliegende Spannung des Kondensators allmählich an, und die bidirektionale Zenerdiode 7 schaltet durch, wenn sie zu einem Zeitpunkt T1 ihre Durchbruchspannung VB1 erreicht und schaltet den Thyristor 4 ein, so daß die Phase des Gleichstrommotors 3 gesteuert wird.

Auf diese Weise wird der Kondensator 6 mit einer Spannung geladen, die gleich der Differenz zwischen der gleichgerichteten Versorgungsspannung und der in dem Gleichstrommotor 3 erzeugten Gegen-EMK (Elektromotorische Kraft) ist, so daß er mit einer niedrigen Drehzahl arbeitet. Bei den Verhältnissen dieser niedrigen Drehzahl hält das herkömmliche Gerät die Drehzahl des Gleichstrommotors 3 bei sich änderndem Drehmoment konstant.

Das herkömmliche Gerät leidet jedoch an einer Drehzahl-Instabilität, wenn der Motor mit noch niedrigerer Drehzahl betrieben wird. Nimmt man an, daß in einem Versuch zur Verringerung der Motordrehzahl die Durchbruchspannung des Diacs 7 gemäß Fig. 8 von VB1 auf VB2 erhöht wird, nimmt der Betrag des Spannungsanstiegs am Punkt B allmählich ab, und die Durchbruchspannung tritt zu einem Zeitpunkt T2 auf. Die Erhöhung der Durchbruchspannung führt daher zu einer unverhältnismäßig großen Verschiebung in der Durchbruchzeit. Daraus folgt, daß der Motor selbst dann an einer Drehzahl-Instabilität leiden würde, wenn versucht würde, die Motor-Betriebsdrehzahl durch bloßes Erhöhen der Durchbruchspannung zu verringern.

Wenn sich die gleichgerichtete Versorgungsspannung erhöht hat, nimmt die Spannung am Punkt A zu und bewirkt, daß sich die Ladezeit verringert, woraus eine Verkleinerung der Triggerintervalle resultiert. Die Motordrehzahl nimmt daher bei einem Anstieg der gleichgerichteten Versorgungsspannung zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Motordrehzahl- Steuergerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß eine sehr genaue Drehzahlregelung, insbesondere in niedrigen Drehzahlbereichen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des neuen Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst.

Hierdurch wird erreicht, daß für den Spannungsvergleich am zweiten Komparator ein verhältnismäßig steiler Anstieg der Ladespannung des zweiten Kondensators zur Verfügung steht. Dadurch wird auch in niedrigen Drehzahlbereichen ein klar definierter Triggerzeitpunkt sichergestellt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schaltplan eines Motordrehzahl-Steuergerätes gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 verschiedene in dem Gerät auftretende Kurvenformen, die in einem Kurvendiagramm dargestellt sind,

Fig. 3 einen Schaltplan eines Motordrehzahl-Steuergerätes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 ein zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 gehörendes Kurvendiagramm,

Fig. 5 einen Schaltplan eines Motordrehzahl-Steuergerätes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 ein zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 gehörendes Kurvendiagramm,

Fig. 7 einen Schaltplan eines bekannten Motordrehzahl- Steuergerätes und

Fig. 8 ein Kurvendiagramm des Gerätes nach Fig. 7.

Fig. 1 zeigt einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines Motordrehzahl-Steuergerätes. In Fig. 1 ist einer Wechselstromnetz-Versorgung 11 ein Vollwellen-Gleichrichter 12 parallel geschaltet. Ein Gleichstrommotor 13 und ein Thyristor 14 sind in einer Reihenschaltung parallel zu den Gleichstrom-Ausgangsklemmen des Vollwellen- Gleichrichters 12 geschaltet.

Ein erster Kondensator 17, der über eine Reihenschaltung aus einer Diode 15 und einem Widerstand 16 mit dem Thyristor 14 gekoppelt ist, wird mit einer Spannung geladen, die gleich der Differenz zwischen der gleichgerichteten Versorgungsspannung und der Gegen-EMK des Gleichstrommotors 13 ist, wenn sich der Thyristor 14 in einem ausgeschalteten Zustand befindet. Wenn die am ersten Kondensator 17 aufgebaute Spannung einen durch Widerstände 18 und 19 festgelegten Pegel erreicht, schaltet der Ausgang eines ersten Komparators 20 von einem niedrigen auf einen hohen Spannungspegel um, um den Thyristor 14 in den leitenden Zustand zu triggern.

Wenn der Ausgang des ersten Komparators 20 auf einen hohen Spannungspegel schaltet, beginnt ein Ladevorgang einen zweiten Kondensator 22 über einen Widerstand 21 aufzuladen. Wenn die Spannung am zweiten Kondensator 22 eine durch Widerstände 23 und 24 festgelegte Spannung übersteigt, schaltet der Ausgang eines zweiten Komparators 25 von einem niedrigen auf einen hohen Spannungspegel. Das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, bei dem das Laden des zweiten Kondensators 22 beginnt, und dem Zeitpunkt, bei dem der Ausgang des zweiten Komparators 25 auf den hohen Spannungspegel umschaltet, legt die Verzögerungszeit fest.

Wenn der Ausgang des zweiten Komparators 25 auf einen hohen Spannungspegel umschaltet, wird der Thyristor 14 über eine Triggerschaltung 26 getriggert. Das heißt, das Schalten des Ausgangs des zweiten Komparators 25 vom niedrigen zum hohen Spannungspegel bewirkt, daß dem Gate des Thyristors 14 über Widerstände 27 und 28 Strom aus einer Gleichstromversorgung +Vcc zugeführt wird. Wenn der Thyristor 14 getriggert ist, wird der erste Kondensator 17 über eine Diode 29 in Vorbereitung für die Phasensteuerung während des nächsten Zyklus der gleichgerichteten Versorgungsspannung entladen.

An verschiedenen Punkten der Schaltung der Fig. 1 auftretende Spannungen sind in Fig. 2 gezeigt. Wenn die Spannung am ersten Kondensator 17 eine vorbestimmte Spannung VD übersteigt, beginnt das Laden des zweiten Kondensators 22. Wenn die Spannung des zweiten Kondensators 22 eine vorbestimmte Spannung VE übersteigt, wird der Thyristor 14 getriggert. Da die Spannung am Punkt C zu diesem Zeitpunkt auf einen niedrigen Pegel gesunken ist und da die Spannung an einem Punkt D immer noch niedrig ist, würde die Festlegung der Triggerzeitsteuerung durch die Spannung am Punkt D zu einer Instabilität in der Phasensteuerung führen. Mit der Erfindung wrid jedoch erreicht, daß die Triggerzeitsteuerung auf die Zeit festgelegt wird, während der sich die Spannung am Punkt C noch erhöht, wodurch der erfindungsgemäße Motor-Steuerungsablauf deutlich stabilisiert wird.

Da die den ersten Kondensator 17 aufladende Spannung die Differenz zwischen der gleichgerichteten Versorgungsspannung und der Gegen- EMK des Gleichstrommotors 13 ist, können darüber hinaus durch eine Änderung der Drehmomentbelastung des Gleichstromotors 13 hervorgerufene Einflüsse auf ein Minimum reduziert werden.

Fig. 3 ist ein Schaltplan eines weiteren Ausführungsbeispiels des Motordrehzahl-Steuergerätes, bei dem eine Wechselstromnetz- Versorgung 30 einem Vollwellen-Gleichrichter 31 parallel geschaltet ist. Eine Reihenschaltung mit einem Gleichstrommotor 32 und einem Thyristor 33 ist parallel zu dem Gleichstromausgang des Vollwellen-Gleichrichters 31 geschaltet.

Ein erster Kondensator 36, der in einer Reihenschaltung über eine Diode 34 und einen Widerstand 35 parallel zu den Klemmen des Thyristors 33 geschaltet ist, wird mit einer Differenzspannung zwischen der gleichgerichteten Versorgungsspannung und der Gegen- EMK des Gleichstrommotors 32 geladen, wenn sich der Thyristor 33 in einem ausgeschalteten Zustand befindet. Wenn die Spannung am ersten Kondensator 36 eine durch Widerstände 37 und 38 festgelegte Spannung erreicht, schaltet der Ausgang eines ersten Komparators 39 von einem niedrigen auf einen hohen Spannungspegel um und bestimmt die Triggerzeitsteuerung des Thyristors 33.

Wenn dies eintritt, beginnt über einen Widerstand 40 ein Ladestrom zu einem zweiten Kondensator 41 zu fließen. Wenn die am zweiten Kondensator 41 aufgebaute Spannung einen durch Widerstände 42 und 43 festgelegten Pegel übersteigt, wechselt der Ausgang eines zweiten Komparators 44 von einem hohen zu einem niedrigen Spannungspegel. Der Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt, bei dem das Laden des zweiten Kondensators 41 beginnt, und dem Zeitpunkt, bei dem der Ausgang des zweiten Komparators 44 auf einen niedrigen Spannungspegel umschaltet, legt die Verzögerungszeit fest.

Wenn der Ausgang des zweiten Komparators 44 vom hohen zum niedrigen Spannungspegel umschaltet, wird eine (nachfolgend Transistor genannte) Schalteinrichtung 46 mittels eines Widerstandes 45 angesteuert, was bewirkt, daß dem Gate des Thyristors 33 über einen Widerstand 47 von dem ersten Kondensator 36 her eine Spannung zugeführt wird, um ihn einzuschalten. Zur selben Zeit wird die durch das Teilungsverhältnis zwischen den Widerständen 37 und 38 festgelegte Spannung auf diejenige Spannung reduziert, die durch eine (nachfolgend Zenerdiode genannte) Bezugsspannungs-Änderungseinrichtung 49 festgelegt ist.

Infolge eines Entladevorgangs des ersten Kondensators 36 wird die Spannung am ersten Kondensator 36 auf die Zenerspannung der Zenerdiode 49 herabgesetzt und der Thyristor 33 zur Vorbereitung für die Phasensteuerung während des nächsten Zyklus der gleichgerichteten Versorgungsspannung ausgeschaltet.

Fig. 4 zeigt in der Schaltung der Fig. 3 auftretende Kurvenverläufe. Wenn die Spannung am ersten Kondensator 36 die durch die Widerstände 37 und 38 geteilte Spannung übersteigt, beginnt der Ladestrom über den zweiten Kondensator 41 zu fließen, und wenn die an diesem aufgebaute Spannung die durch die Widerstände 42 und 43 festgelegte Spannung übersteigt, wird der Thyristor 33 eingeschaltet. Zu dieser Zeit ist die Spannung am Punkt C auf einen niedrigen Pegel zurückgegangen, und das Potential am Punkt D ist noch niedrig. Wenn die Triggerzeitsteuerung durch die Spannung am Punkt D festgelegt würde, würde die Arbeitsweise des Gerätes daher instabil werden. Erfindungsgemäß wird die Triggerzeitsteuerung jedoch während der Zeit festgelegt, während der sich die Spannung am Punkt C noch erhöht, wodurch eine stabile Arbeitsweise erzielbar ist.

Da die den ersten Kondensator 36 aufladende Spannung die Differenz zwischen der gleichgerichteten Versorgungsspannung und der Gegen- EMK des Gleichstrommotors 32 ist, können darüber hinaus durch eine Änderung der Drehmomentbelastung des Gleichstrommotors 32 hervorgerufene Einflüsse auf ein Minimum reduziert werden.

Da der Triggerstrom des Thyristors 33 im Bereich mehrerer zehn Milliampere liegt, stellt er für eine Gleichstromversorgung +Vcc eine Überlast dar, wenn sie als Triggerstromquelle dient. Statt dessen wird vorliegend der erste Kondensator 36 als Triggerstromquelle für den Thyristor 33 verwendet. Als Folge davon kann das Motordrehzahl-Steuergerät mit einer vereinfachten Schaltungsanordnung realisiert werden, wobei der Leistungsbedarf der Zündschaltung des Thyristors gleichzeitig verringert wird.

Fig. 5 ist ein Schaltplan eines weiteren Ausführungsbeispiels des Motordrehzahl-Steuergerätes, bei dem eine Wechselstromnetz- Versorgung 50 einem Vollwellen-Gleichrichter 51 parallel geschaltet ist. Eine Reihenschaltung mit einem Gleichstrommotor 52 und einem Thyristor 53 ist parallel zu dem Gleichstromausgang des Vollwellen-Gleichrichters 51 geschaltet.

Ein erster Kondensator 56, der in einer Reihenschaltung über eine Diode 54 und einen Widerstand 55 parallel zu den Klemmen des Thyristors 53 geschaltet ist, wird mit einer Differenzspannung zwischen der gleichgerichteten Versorgungsspannung und der Gegen- EMK des Gleichstrommotors 52 geladen, wenn sich der Thyristor 53 in einem ausgeschalteten Zustand befindet. Wenn die Spannung am ersten Kondensator 56 eine durch Widerstände 57 und 58 festgelegte Spannung erreicht, schaltet der Ausgang eines ersten Komparators 59 von einem niedrigen auf einen hohen Spannungspegel um und bestimmt die Triggerzeitsteuerung des Thyristors 53.

Wenn dies eintritt, beginnt über einen Widerstand 60 ein Ladestrom zu einem zweiten Kondensator 61 zu fließen. Andererseits weist eine Versorgungsspannungs-Proportionalschaltung 62 eine von Widerständen 63, 64 und 65 sowie einem Kondensator 66 gebildete Glättungsschaltung zur Glättung der Ausgangsspannung des Vollwellen-Gleichrichters 51 auf, so daß die Spannung am Knoten zwischen den Widerständen 64 und 65 ansteigt, wenn eine Erhöhung der Netzversorgungsspannung auftritt.

Ein zweiter Komparator 67 vergleicht die an diesem Schaltungsknoten anstehende Spannung mit der am zweiten Kondensator 61 aufgebauten Spannung und erzeugt ein Ausgangssignal mit hohem Spannungspegel, wenn die Spannung des zweiten Kondensators 61 (nach Ablauf einer vorbestimmten Verzögerungszeit) die Knotenspannung erreicht, um den Thyristor 53 mit Hilfe von Widerständen 68 und 69, welche eine Triggerschaltung 70 enthält, zu triggern. Das Einschalten des Thyristors 53 bewirkt, daß sich der erste Kondensator 56 über eine Diode 71 in Vorbereitung für die Phasensteuerung während des nächsten Zyklus der gleichgerichteten Versorgungsspannung entlädt.

Fig. 6 zeigt in der Schaltung der Fig. 5 auftretende Kurvenverläufe. Wenn die Spannung am ersten Kondensator 56 eine Spannung VD übersteigt, beginnt durch den zweiten Kondensator 61 ein Ladestrom zu fließen, und wenn die an diesem aufgebaute Spannung eine Spannung VE übersteigt, wird der Thyristor 53 eingeschaltet. Zu diesem Triggerzeitpunkt hat sich die Spannung am Punkt C auf einen niedrigen Pegel verringert, und das Potential am Punkt D ist noch niedrig.

Daher würde, wenn die Triggerzeitsteuerung von der Spannung am Punkt D festgelegt würde, der Betrieb des Gerätes instabil werden. Erfindungsgemäß wird die Triggerzeitsteuerung hingegen während der Zeit bestimmt, während der sich die Spannung am Punkt C noch erhöht, wodurch ein stabilisierter Betrieb erreicht werden kann.

Darüber hinaus hat ein Anstieg in der gleichgerichteten Versorgungsspannung eine entsprechende Spannungserhöhung am Ausgang der Versorgungsspannungs-Proportionalschaltung 62 zur Folge, so daß sich die Verzögerungszeit zur Aufrechterhaltung der Motordrehzahl bei einem konstanten Wert entsprechend erhöht.

Da die den ersten Kondensator 56 aufladende Spannung die Differenz zwischen der gleichgerichteten Versorgungsspannung und der Gegen- EMK des Gleichstrommotors 52 ist, können darüber hinaus durch eine Änderung der Drehmomentbelastung des Gleichstrommotors 52 hervorgerufene Einflüsse auf ein Minimum reduziert werden.

Claims (2)

1. Motordrehzahl-Steuergerät zum Steuern der Drehzahl eines Gleichstrommotors durch Phasenanschnittsteuerung mit einem an eine Wechselspannungsversorgung angeschlossenen Vollwellengleichrichter zum Gleichrichten der Versorgungswechselspannung, an dessen Gleichspannungsausgang der Gleichstrommotor in Reihe mit einem Thyristor geschaltet ist, einem ersten Kondensator, der mit einer den Anschlüssen des Thyristors eingeprägten Spannung aufgeladen wird, einem ersten Komparator zum Vergleichen der an dem ersten Kondensator aufgebauten Spannung mit einer ersten vorgegebenen Spannung, einem zweiten Kondensator, einem zweiten Komparator zum Vergleichen der an dem zweiten Kondensator aufgebauten Spannung mit einer zweiten vorgegebenen Spannung, einer an den Ausgang des zweiten Komparators angeschlossenen Triggerschaltung zum Triggern des Thyristors, in Abhängigkeit von der Spannung an dem zweiten Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kondensator (22; 41; 61) an den ersten Komparator (20; 39, 59) derart angeschlossen ist, daß er zum jeweiligen Auslösen des Triggerimpulses mit der Ausgangsspannung des ersten Komparators zyklisch geladen wird, wenn die Spannung an dem ersten Kondensator (17; 36; 56) die erste vorgegebene Spannung übersteigt, und daß der Thyristor (14; 33; 53) getriggert wird, wenn die Spannung an dem zweiten Kondensator (22; 41; 61) die zweite vorgegebene Spannung übersteigt.

2. Motordrehzahl-Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerung über eine mit dem Ausgang des zweiten Komparators (44) verbundene Schalteinrichtung (46) zur Entladung des ersten Kondensators (36) über einen Widerstand (47) zum Gate des Thyristors (33) erfolgt und daß die erste vorgegebene Spannung mittels einer Bezugsspannungs- Änderungseinrichtung (49) änderbar ist.