DE2355787A1 - Electric motor speed measurement method - involves harmonic generation in motor current, caused by permeability changes - Google Patents
Electric motor speed measurement method - involves harmonic generation in motor current, caused by permeability changesInfo
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Abstract
Description
LIGENTIA Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1LIGENTIA Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Frankfurt / M., Theodor-Stern-Kai 1
Schub/lz " ' F 73/7οThrust / lz "'F 73 / 7ο
Verfahren zur Erfassung der Drehzahl eines Elektromotors Method for detecting the speed of an electric motor
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung der Drehzahl eines Elektromotors.The invention relates to a method for detecting the speed of an electric motor.
Bei kleinen Arbeitsmaschinen, wie Elektrowerkzeuge, Handmixer, Nähmaschinen usw. wird immer mehr eine elektronische Drehzahlregelung verwendet. Der Regler besteht dabei im wesentlichen aus einem Stellglied, welches ein Thyristor oder ein Triac sein kann, einer Anschnittsteuerung zur Verstellung des Zündwinkels des Halbleitergleichrichters und einer Einrichtung fürIn the case of small work machines, such as power tools, hand mixers, sewing machines, etc., there is more and more one electronic speed control used. The controller essentially consists of an actuator, which can be a thyristor or a triac, a gate control for adjusting the ignition angle the semiconductor rectifier and a device for
_ 2 — . 50982 A/03 4 4 _ 2 - . 50982 A / 03 4 4
die Erfassung der Drehzahl. the detection of the speed.
Als Antrieb wird bei diesen kleinen Arbeitsmaschinen im allgemeinen ein Universalmotor verwendet, mit dessen Feldwicklung und Anker der Halbleiter-Gleichrichter in Reihe geschaltet ist. Es ist bekannt die Anker-EMK des Motors als Maß für die Drehzahl desselben heranzuziehen (Istwert), die mit einer einstellbaren Sollwert-Spannung verglichen wird (SCR Manual von General Electric, 1972, S. 288 - 292). Zur Erfassung der Drehzahl ist es auch bekannt, eine Tachomaschine zu verwenden (SCR Manual, General Electric, 1972, S. 3o2-3o3). -A universal motor is generally used as the drive in these small working machines Field winding and armature of the semiconductor rectifier is connected in series. It is known the anchor EMF of the motor as a measure of its speed (actual value), which can be set with an Setpoint voltage is compared (SCR manual from General Electric, 1972, pp. 288-292). A speedometer machine is also known for detecting the speed to be used (SCR Manual, General Electric, 1972, pp. 3o2-3o3). -
Die Heranziehung der Anker-EMK ergibt dann Schwierigkeiten, wenn eine symmetrische Anschnittsteuerung vorliegt. Eine Tachomaschine stellt einen beträchtlichen technischen Aufwand dar, der sich bei den relativ billigen Arbeitsmaschinen aus Preisgründen verbietet.The use of the armature EMF results in difficulties when there is a symmetrical gate control. A speedometer machine represents a considerable technical effort, which is forbidden with the relatively cheap machines for reasons of price.
Bei diesen kleinen Arbeitsmaschinen besteht in vielen Fällen die Forderung, deren Leerlaufdrehzahl zu begrenzen, um Beschädigungen der Maschine zu vermeiden. Bei Elektrowerkzeugen soll die Leerlaufdrehzahl des verwendeten Universalmotors beispielsweise auf etwa 2o ooo U/min begrenzt werden. Auch in diesem Falle muß eine Drehzahlerfassung erfolgen.There are many in these small work machines Cases the requirement to limit their idling speed, to avoid damage to the machine. In the case of power tools, the idle speed of the universal motor used should, for example, be approximately 2o ooo rpm. In this case too, the speed must be recorded.
- 3 -509824/0344- 3 -509824/0344
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein. Verfahren zur Erfassung der Drehzahl eines Elektromotors zu schaffen, welches nur einen geringen technischen Aufwand benötigt und welches mit Vorteil bei Arbeitsmaschinen mit Ansohnittsteuerungen anwendbar ist.The invention is based on the object. procedure to create the detection of the speed of an electric motor, which requires little technical effort required and which can be used with advantage in working machines with custom controls.
Diese Aufgabe wird· erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die' durch drehz.ahlproportionale magnetische Leitwertänderungen verursachte Oberwellenbildung im Motorstrom verwendet wird.According to the invention, this object is achieved in that the 'through speed-proportional magnetic conductance changes caused harmonics in the motor current is used.
Ursache dieser Leitwertänderungen ist die Nutung des Ankers..The cause of these changes in the conductance is the slot in the armature.
Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Appropriate further developments of the subject matter of the invention can be found in the subclaims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung
schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zurThe invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments shown schematically in the drawing. Show it
Fig. 1 the circuit arrangement according to the invention for
Drehzahlerfassung,
Pig. 2 die an den Punkten A bis E der Schaltung nach
der Fig. 1 auftretenden Spannungen,Speed detection,
Pig. 2 the voltages occurring at points A to E of the circuit according to FIG. 1,
Fig. 5- ,eine weitere Schaltungsanordnung zur Drehzahlerfassung,
Fig. 4 die an den Punkten A bis F dieser Schaltung auftretenden Spannungsverläufe.Fig. 5-, a further circuit arrangement for speed detection,
4 shows the voltage profiles occurring at points A to F of this circuit.
■ - 4 -■ - 4 -
.509824/0344.509824 / 0344
In der Fig. 1 ist die Feldwicklung 1, 2 und der Anker 3 eines Universalmotors mit einem Triac 4 in Reihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltung an eine 5o Hz-Wechselspannungsquelle geschaltet ist. Dem Triac 4 ist eine Anschnittssteuerung 5 zugeordnet.In Fig. 1, the field winding is 1, 2 and the armature 3 of a universal motor connected in series with a triac 4, this series connection to a 50 Hz AC voltage source is switched. A gate control 5 is assigned to the triac 4.
Die bisher beschriebene Ausbildung ist bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.The training described so far is known and is not the subject of the invention.
Wie weiter unten näher erläutert, wird beispielsweise bei einer Drehzahlregelung der Anschnittsteuerung 5 über den Eingang F eine Spannung zugeführt, die aus dem durch Nutung des Ankers hervorgerufenen Oberwellenstrom abgeleitet wird.As will be explained in more detail further below, for example in the case of speed regulation, the gating control 5 A voltage is supplied via the input F, which is derived from the harmonic current caused by the grooving of the armature is derived.
Bei Universalmotoren ist der Anker genutet, um die Wicklung aufzunehmen. Während des Betriebes ergibt sich daher durch die.Pole eine Feldänderung an der Stelle der Nutung und der Motorstrom wird durch diese Nutung moduliert. Die Frequenz dieser Modulation ist direkt ein Maß für die Drehzahl. Die Nutenfrequenz wird nun herangezogen zur Erfassung der Drehzahl des Motors.With universal motors, the armature is grooved to accommodate the winding. Results during operation Therefore, through the poles, a field change at the point of the slot and the motor current is through this Modulated grooving. The frequency of this modulation is a direct measure of the speed. The slot frequency is now used to record the engine speed.
Nach der Fig. 1 ist beispielsweise an die Feldwicklung 2 ein aus einem Widerstand 6 und einem Kondensator 7 bestehender Tiefpaß angeschaltet, dem ein ausAccording to FIG. 1, for example, a resistor 6 and a capacitor are connected to the field winding 2 7 existing low-pass filter switched on, the one off
— 5 — 50 982 A/03 A4 - 5 - 50 982 A / 03 A4
einem Kondensator B und einem Widerstand 9 bestehender Hochpaß nachgeschältet ist. Diesem ist eine aus zwei Dioden 1 ο,-11 bestehende Amplitudenbegrenzung nachgeschaltet, deren konstante Spannung über einen Widerstand 12 auf den Eingang eines Schmalband-Verstärkers 13 geschaltet ist. Der Ausgang dieses Verstärkers ist über ein frequenzabhängiges Glied 14- auf den Verstärkereingang rückgeführt. Dem Verstärker 13 ist" eine aus den Kondensatoren 15» 16 und Dioden 17, 18 bestehende _Gleichrichterschäitung nachgeschaltet.a capacitor B and a resistor 9 existing Hochpaß is downstream. This is one of two Diodes 1 o, -11 existing amplitude limitation connected downstream, their constant voltage via a resistor 12 is connected to the input of a narrowband amplifier 13. The output of this amplifier is Via a frequency-dependent element 14- to the amplifier input returned. The amplifier 13 is "one of the Capacitors 15 »16 and diodes 17, 18 existing _Rectifier circuit connected downstream.
Wie aus der Fig. 2 a ersichtlich, treten am Punkt A der Schaltungsanordnung nach, der Fig. 1 5o Hz-Spannungsimpulse U^ auf, denen Störspannungen in Form von Fadel-. impulsen N" und eine durch die Nutung des Motors erzeugte Spannung M überlagert sind.As can be seen from FIG. 2 a, occur at point A of the circuit arrangement according to FIG. pulses N "and a voltage M generated by the grooving of the motor are superimposed.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Störspannungen mit einer relativ großen Amplitude dargestellt. Die durch die Hutung erzeugte Spannung M ist in Wirklichkeit nur mit empfindlichen Meßgeräten erkennbar. For the sake of clarity, the interference voltages are shown with a relatively large amplitude. The voltage M generated by the guard can in reality only be detected with sensitive measuring instruments.
Die Fig. 2 b zeigt den am Punkt B der Schaltung nach · der Fig. 1 auftretenden Spannungsverlauf. Wie ersieht- . lieh sind durch den Tiefpaß 6, 7die hochfrequenten Nadelimpulse N beseitigt, so daß die Motorspannung nurFig. 2 b shows the at point B of the circuit according to of Fig. 1 occurring voltage curve. As you can see. The high-frequency ones are borrowed by the low-pass filter 6, 7 Needle pulses N eliminated, leaving the motor voltage only
- 6 ' -SQ9&24/0 34 4- 6 '-SQ9 & 24/0 34 4
noch mit der durch die Hutung erzeugten Spannung M moduliert ist. .is still modulated with the voltage M generated by the guard. .
Der Hochpaß 8, 9 nach der Pig. 1 unterdrückt die Motorspannung von 5o Hz, so daß am Punkt C der Schaltungsanordnung nach der Fig. 1 nur noch die durch die Nutung erzeugte Modulationsspannung Ug auftritt, deren Frequenz der Drehzahl des Motors proportional ist. Diese Spannung ist in der Fig. 2 c gegenüber Fig. 2a, b vergrößert dargestellt. Wie der Fig. 2 c weiter zu entnehmen ist, ist die Amplitude der Modulationsspannung durch die Amplitudenbegrenzung 1o, 11 nach der -^ig. 1 vergleichmäßigt. "The high pass 8, 9 after the Pig. 1 suppresses the motor voltage of 50 Hz, so that at point C of the circuit arrangement according to FIG. 1 only by the grooving generated modulation voltage Ug occurs, whose Frequency is proportional to the speed of the motor. This voltage is in Fig. 2c compared to Fig. 2a, b shown enlarged. As can also be seen from FIG. 2 c, the amplitude is the modulation voltage by the amplitude limitation 1o, 11 after the - ^ ig. 1 equalized. "
Der frequenzabhängige Verstärker 13 wird also von der nunmehr in der Amplitude konstanten herausgefilterten Modulationsspannung u« angesteuert, die sich in ihrer Frequenz proportional mit der Drehzahl des Motors ändert. ■ '-"""The frequency-dependent amplifier 13 is so of the now in the amplitude constant filtered out modulation voltage u «driven, which is in their Frequency changes proportionally with the speed of the motor. ■ '- "" "
Aiii Ausgang des Verstärkers 13 tritt eine verstärkte Spannung u-^ auf, wie sie aus der Fig. 2 d ersichtlich ist und bei welcher nur noch die Nutenfrequenz zur Wirkung kommt.Aiii output of the amplifier 13 occurs an amplified Voltage u- ^ on, as can be seen from Fig. 2 d is and at which only the slot frequency comes into effect.
Durch die Amplitudenbegrenzung 1b, 11 werden alle etwaDue to the amplitude limitation 1b, 11 all are approximately
- 7 5*09824/0344 - 7 5 * 09824/0344
motorseitig auftretenden Spannungsänderungen eleminiert und gehen damit nicht in die Messung ein.voltage changes occurring on the motor side eliminated and are therefore not included in the measurement.
Die Ausgangsspannung des Verstärkers 13 wird durch die nachgeschaltete Gleichrichterschaltung 15 bis 18 gleichgerichtet und an deren Klemme E ergibt sich eine Spannung Ug, deren Abhängigkeit von der Nutenfrequenz durch den "Frequenzgang des Verstärkers 13, 14 bestimmt wird.. Ist der Verstärker 13, 14 als Schmalbandverstärker ausgebildet, so ergibt sich eine Abhängigkeit der Spannung u-g von der Drehzahl nach Pig. 2 e. Es entsteht also nur dann eine Spannung u-g, wenn eine Nutenfrequenz· auftritt, die innerhalb des Frequenzbandes des Verstärkers 13, 14 liegt. Im vorliegenden Falle sei angenommen, daß der Motor auf eine Drehzahl von etwa 2o ooo U/min begrenzt werden soll, was einer Nutenfrequenz des Motors von etwa 4,5 kHz entspricht. Das frequenzbestimmende Glied 14 des Verstärkers 13 ist dann ebenfalls auf diese Frequenz abgestimmt.The output voltage of the amplifier 13 is determined by the downstream rectifier circuit 15 to 18 is rectified and at its terminal E there is a voltage Ug, whose dependence on the slot frequency by the "frequency response of the amplifier 13, 14 is determined .. If the amplifier 13, 14 is designed as a narrowband amplifier, this results in a dependence of the voltage u-g on the speed according to Pig. 2 e. It arises so only then a voltage u-g if a slot frequency occurs which is within the frequency band of the amplifier 13, 14. In the present case is assumed that the motor should be limited to a speed of about 20,000 rpm, which is a slot frequency of the motor of about 4.5 kHz. The frequency-determining element 14 of the amplifier 13 is then also tuned to this frequency.
Die Vorderflanke der Spannung u-g kann zur Regelung herangezogen werden. Der Punkt 2o der Vorderflanke kann beispielsweise einem Anschnittwirikel e£ = 0° und der Punkt 21 der Kurve nach der Fig. 2 e kann dem Anschnittwinkel c& = 180° zugeordnet werden. Der zwischen diesen Punkten liegende Vorderflankenabschnitt ergibtThe leading edge of the voltage ug can be used for regulation. The point 2o of the leading flank can, for example, be assigned to a lead edge e £ = 0 ° and the point 21 of the curve according to FIG. 2e can be assigned to the lead angle c & = 180 °. The leading flank section lying between these points results
- 8 - " 50 9824/0344 - 8 - " 50 9824/0344
den Steuerbereich. Durch die Steilheit der Vorderflanke ist u.a. die Regelverstärkung gegeben.the tax area. The steepness of the leading edge provides, among other things, the control gain.
Die am Punkt E auftretende Spannung u„ kann nun, wie bereits einleitend erwähnt, dem Eingang F der Anschnittsteuerung 5 zugeführt werden.The voltage u “occurring at point E can now, as already mentioned in the introduction, the input F of the gate control 5 are fed.
Anstelle eines Schmalband-Verstärkers 13, 14 mit einer Charakteristik nach Fig. 2 e kann auch ein Verstärker 13, 14 mit Hochpaßverhalten verwendet werden, dessen Charakteristik aus der Pig. 2 f ersichtlich ist. Die Verwendung dieses Verstärkers erlaubt eine Drehzahlmessung über einen großen Drehssahlbereich.Instead of a narrowband amplifier 13, 14 with a Characteristic according to Fig. 2e, an amplifier 13, 14 with high-pass behavior can also be used, its Characteristic from the Pig. 2 f can be seen. The use of this amplifier allows speed measurement over a large range of turning tools.
Wird die Spannung U1-, zur Regelung herangezogen und ist ein Schmalband-Verstärker vorgesehen, so muß vermieden •werden, daß die Drehzahl des Motors uferte annimmt, die mit der Rückflanke der Spannungskurve nach der Pig. 2 e zusammenfallen. In diesem J?alle würde sich der Regelsinn umkehren und damit der Motor auf seine volle Drehzahl gehen.If the voltage U 1 - is used for regulation and if a narrow band amplifier is provided, then it must be avoided that the speed of the motor assumes that the speed of the motor increases with the trailing edge of the voltage curve after the Pig. 2 e coincide. In this case, the sense of control would be reversed and the engine would then go to its full speed.
Um dies zu vermeiden, wird in Weiterbildung der Erfindung die Spannung u™ bei Erreichen einer bestimmten Amplitude von einer mit der Frequenz ansteigenden Spannung abgelöst.To avoid this, a development of the invention the voltage u ™ upon reaching a certain Amplitude is replaced by a voltage that increases with frequency.
- 9 509824/0344 - 9 509824/0344
-s- 235578-s- 235578
Wie aus der.Fig. 3 ersichtlich, ist zur Durchführung des Verfahrens wieder ein Tiefpaß 6, 7 verwendet, welchem ein Hochpaß mit Amplitudenbegrenzung 8 bis 11 nachgeschaltet ist,, wobei die aus Fig. 2 c ersichtliche begrenzte Modulationsspannung uc den Sehmalband-Verstärker 13» 14 ansteuert. An den Ausgang des Verstärkers ist wiederum die Grleichrichterschaltung 15 bis 18 angeschaltet* - - ·· . .As shown in Fig. 3, a low-pass filter 6, 7 is again used to carry out the method, which is followed by a high-pass filter with amplitude limitation 8 to 11, the limited modulation voltage u c shown in FIG. The rectifier circuit 15 to 18 is in turn connected to the output of the amplifier * - - ··. .
Die beschriebene.-Ausbild-ung s-timmt mit der nach-der Eig. ; 1, -vollkommen überein, so daß sich am Punkt E' vor dem Verbinden der. Punkte JE % -E" die Spannung· Ug ,nach der Fig. 4 ergibt.··-,; --.-.- ".' - · ■·■. " ··" · ' .. 'The described training corresponds to the following Prop. ; 1, -completely match, so that at point E 'in front of connecting the. Points JE% -E "the tension · Ug, after 4 results in. ·· - ,; --.-.- ". ' - · ■ · ■. "··" · '..'
Erwünscht ist nun. jedoch ein Spannungsverlauf,' wie: er in der Fig..4.b.dargestellt ist. Nach Erreichen einer · bestimmten Amplitude :der Spannung- U^." bei der Drehzahl' η soll kein Abfall der Spannung auftreten, sondern. - - ./ mit dar weiteren Erhöhung der Drehzahl soll ein An- 5 ;. stieg der Spannung erfolgen. TJm diesen Spannungsverlauf zu erreichen, ist die Schaltungsanordnung nach'der : Fig. 3 um einen Hochpaßverstärker 25» 55 erweitert, desse.n Aus gangs spannung u4i vor dem ye-r.bind.e-n,- von -E-'- . .-.-; mit E" einen ausa der F-ig» 4. c ersichtlichen. Verlauf . · hat.· Die Äusgangsspannun,g u^ steigt mit jder Frequenz .. bzv/. Drehzahl an. · ■ ..— 'It is now desirable. however, a voltage curve, as: it is shown in Fig..4.b.d. ... After reaching a certain amplitude ·: η to the Spannung- U ^ "at the speed 'no drop in voltage occur, but - - ./ with is further increasing the speed to one arrival 5; the tension rose done. To achieve this voltage curve, the circuit arrangement according to : Fig. 3 is extended by a high-pass amplifier 25 »55, whose output voltage u4i before the ye-r.bind.en, - from -E -'-. -.-; with E "one from a of F-ig» 4. c can be seen. Course . · Has. · The output voltage, gu ^ increases with every frequency .. bzv /. Speed. · ■ ..— '
- 1o -- 1o -
5098247034450982470344
Der Hochpaß-Verstärker 25, 35 wird wie der Schmalband-Verstärker 13, H von der Modulationsspannung Un The high-pass amplifier 25, 35, like the narrowband amplifier 13, H, is controlled by the modulation voltage U n
steuert, deren Frequenz sich in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors ändert. Dem Hochpaß-Verstärker 25» 35 ist ebenfalls eine aus dem Kondensator 28 und den Dioden 29 und 3o bestehende Gleichrichterschaltung naohgeschaltet, die mit der G-Ieichrichterschaltung 15 bis 18 des Verstärkers 13 zusammengeschaltet ist. Durch die Dioden 18, 3o können die Ausgänge E', E" •rückwirkungsfrei miteinander verbunden werden.controls, the frequency of which changes depending on the speed of the motor. The high-pass amplifier 25 » 35 is also a rectifier circuit consisting of the capacitor 28 and the diodes 29 and 3o connected to the G-Ieichrichterschaltung 15 to 18 of the amplifier 13 is interconnected. The outputs E ', E " • be connected to one another without any reaction.
Dem Hochpaß-Verstärker 25» 35 ist ein Schwellwertschalter 27 zugeordnet, welcher von der Spannung u-g11' beeinflußt wird.The high-pass amplifier 25 »35 is assigned a threshold switch 27 which is influenced by the voltage ug 11 '.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Der Hochpaß-Verstärker 25, 35 kann nur in Abhängigkeit vom Schwellwertschalter 27 in Punktion treten. Dieser Schwellwertschalter 27 spricht nun jedoch erst an, wenn die Spannung u-g1* nach der Figur 4 b mit einer bestimmten Amplitude auftritt. Im gleichen Moment wird der Hochpaß-Verstärker 25, 35 durch aen Schwellwertschalter 27 aktiviert. Die Spannung u-Λ*' wird nun von dem Verstärker 25, 35 bestimmt. Der Hochpaß-Verstärker 25» 35 ist derart bemessen, daß dessen Verstärkung bei der Übernahmedrehzahl nQ gleich der des Schmalband-Verstär-The mode of operation of the arrangement is as follows: The high-pass amplifier 25, 35 can only puncture as a function of the threshold switch 27. However, this threshold switch 27 only responds when the voltage ug 1 * according to FIG. 4b occurs with a certain amplitude. At the same moment the high-pass amplifier 25 is activated by aen threshold 27 35th The voltage u-Λ * 'is now determined by the amplifier 25, 35. The high-pass amplifier 25 »35 is dimensioned in such a way that its gain at the takeover speed n Q is equal to that of the narrowband amplifier
- 11 509824/034 4- 11 509824/034 4
kers 13» H ist.kers 13 »H is.
Im Beispiel ist angenommen, daß der Schwellwertschalter 27 bei der Drehzahl η anspricht. Der Hochpaß-Verstärker 25» 35 wird bei der Drehzahl η zugeschaltet und übernimmt von dieser Drehzahl η an die Spannungslieferung zum Ausgang E''1' (Fig. 3). An diesem Ausgang ergibt sich eine Spannung u'-g1 , wie sie aus der Fig. 4 b ersichtlich ist.In the example it is assumed that the threshold switch 27 responds at the speed η. The high-pass amplifier 25 »35 is switched on at the speed η and takes over from this speed η to supply the voltage to the output E '' 1 '(Fig. 3). A voltage u'-g 1 results at this output, as can be seen from FIG. 4b.
PatentansprücheClaims
509824/0344509824/0344
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19732355787 DE2355787C3 (en) | 1973-11-08 | Circuit arrangement for detecting the speed of an electric motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19732355787 DE2355787C3 (en) | 1973-11-08 | Circuit arrangement for detecting the speed of an electric motor |
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| DE2355787B2 DE2355787B2 (en) | 1976-04-15 |
| DE2355787C3 DE2355787C3 (en) | 1976-12-16 |
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