DE3603924A1 - Mit unterschiedlichem einschaltverhaeltnis arbeitende drehzahlsteuerung fuer gleichstrommotoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehzahlsteuerung zum Steuern eines Gleichstrommotors, damit er mit konstanter Drehzahl läuft im wesentlichen unabhängig von der Größe der an den Motor angelegten Last, innerhalb eines bestimmten Be­ reiches von Motorlasten.

Nach dem Stand der Technik ist ein Verfahren zum Steuern der Gleichstrommotor-Drehzahl bekannt, bei dem eine als Tachoge­ nerator bekannte elektrische Generatoreinheit an dem Gehäuse des Gleichstrommotors angebracht wird. Dieser Tachogenerator wird verwendet, um die Drehgeschwindigkeit des Motors zu er­ fassen, wobei eine Ausgangsspannung erzeugt wird, die mit einer Referenzspannung verglichen wird. Die an den Gleichstrommotor angelegte Speisespannung wird entsprechend dem Vergleichsergeb­ nis gesteuert, um Änderungen der Motordrehzahl auszugleichen.

Bei einem anderen bekannten Verfahren der Drehzahlsteuerung werden die Speiseklemmen des Motors in einem Arm einer Brücken­ schaltung angeschlossen, und die durch den Motor während seiner Drehung erzeugte elektromotorische Gegenkraft wird erfaßt und mit einem Referenzspannungspegel verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird wiederum zum Steuern der dem Motor zugeführten Spannung zu einem konstanten Wert benutzt.

Ein Nachteil des ersten genannten Verfahrens besteht darin, daß die Axiallänge des Motors sich vergrößert. Zusätzlich ist die gesamte erforderliche Steuervorrichtung ziemlich kompliziert.

Bei dem zweiten beschriebenen Verfahren, bei dem der Gleichstrom­ motor in einen Arm einer Brückenschaltung angeschlossen wird, wird ein Widerstand in Reihe mit dem Motor geschaltet, um zu hohen Motorstrom zu unterbinden, so daß eine wesentliche Ener­ giemenge als Wärme verlorengeht.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der be­ schriebenen bekannten Verfahren zu vermeiden, d.h. einen Motor­ regler zu schaffen, mit dem die Regelung des Gleichstrommotors auf im wesentlichen konstante Drehzahl ohne erhebliche Leistungs­ verluste und ohne Vergrößerung der Baulänge des Motors erzielt wird.

Zu diesem Zweck wird der Motor mit einem variablen Einschalt­ verhältnis mit Leistung beaufschlagt, wobei die EIN-Zeit sich mit dem durchlaufenden Strom ändert und die AUS-Zeit sich mit der sich entwickelnden elektromotorischen Gegenkraft ändert. Da der Motorstrom zur Motorlast proportional ist und die Gegen-EMK umgekehrt proportional zur Motorbelastung ist, steigt die EIN-Zeit mit der Motorbelastung an und die AUS-Zeit nimmt mit ihr ab.

Insbesondere enthält die Drehzahlsteuerung nach der Erfindung ein Halbleiter-Schaltgerät, das in Reihe mit einem Gleichstrom­ motor geschaltet ist und in Abhängigkeit von einem daran ange­ legten Schaltsteuersignal die Energieversorgung für den Motor von einer Spannungsquelle EIN- und AUS-schaltet, wobei ein zur Größe der Belastung des Motors proportionaler Strom in dem Motor erzeugt wird, wenn die Leistung angeschaltet ist, und eine der Motorlast umgekehrt proportionale elektromotorische Gegenkraft oder Gegen-EMK in dem Motor bei abgeschalteter Leistung erzeugt wird. Das Schaltsteuersignal wird durch einen Kreis erzeugt, der in Abhängigkeit von dem Strom und der Gegen-EMK das Halbleiter- Schaltgerät während einer Zeitlänge EIN-steuert, die proportional zum Strom ist, und AUS-steuert für eine Zeitlänge, die der Gegen- EMK proportional ist.

Vorzugsweise enthält der Schaltsteuerkreis einen Zeitkonstanten- Kreis mit einem parallel zu dem Schaltgerät liegenden Kondensa­ tor, so daß das Schaltgerät einen Entladungsstrom für den Zeit­ konstanten-Kreis errichtet, wenn das Schaltgerät EIN-geschaltet ist, und zuläßt, daß der Kondensator eine Spannung entwickelt, wenn das Schaltgerät AUS-geschaltet ist. Eine variable Referenz­ oder Vergleichsquelle ist enthalten zur Erzeugung einer Vergleichs­ spannung, die sich zwischen hohen und niedrigen Werten in Ab­ hängigkeit von Schalt-Steuersignal ändert. Ein Komparator ist vorgesehen, um die Kondensatorspannung mit der variablen Ver­ gleichsspannung zu vergleichen, und ein Ausgangssignal zu er­ zeugen, das entweder einen hohen oder einen niedrigen Spannungs­ pegel je nach dem relativen Wert der Spannung zur variablen Ver­ gleichsspannung besitzt, und um das Ausgangssignal an das Schalt­ gerät und an die variable Vergleichsquelle als das Schaltsteuer­ signal anzulegen.

Wenn das Schaltgerät EIN-geschaltet ist in Abhängigkeit vom hohen Wert des Komparator-Ausgangssignales, wird der Kondensator entladen. Da der durch das Schaltgerät durchlaufende Strom eine entsprechende Spannung in diesem entwickelt, die proportional zur Motorbelastung ist, und da diese Spannung der Stromentladung aus dem Kondensator entgegenwirkt, fällt die an dem Kondensator entwickelte Spannung mit einer Rate proportional zu den Last­ strömen ab. Damit fällt sie bei schwerer Motorbelastung mit ge­ ringer Geschwindigkeit ab, und das Schaltgerät bleibt deshalb während längerer Zeiträume leitend, als es während geringer Mo­ torbelastungen der Fall ist.

Wenn das Schaltgerät AUS-geschaltet wird, wird der Kondensator mit einer Spannung aufgeladen, die gleich (E-v) ist, wobei E die Quellenspannung und v die im Motor induzierte Gegen-EMK ist. Da die Gegen-EMK proportional zur Motordrehzahl und damit umgekehrt proportional zur Motorbelastung ist, neigt die Ladespannung dazu, mit zunehmender Motorbelastung anzusteigen. Damit steigt die Lade­ spannung bei schwerer Belastung schneller an, und das Schaltgerät bleibt während kleinerer Zeiträume gesperrt, als es bei leichter Belastung der Fall ist.

Das Schalten der Vergleichsspannung zwischen den hohen und nie­ drigen Pegeln ergibt eine Hysterese, durch die das Schaltgerät in angemessenen Abständen für den Zeitkonstanten-Kreis geschaltet wird. Die hohen und niedrigen Vergleichsspannungen bestimmen die Schaltzeiträume.

Bevorzugterweise bildet der Zeitkonstantenkreis einen Filter, der die Brumm-Bestandteile der im Motor erzeugten Gegen-EMK aus­ filtert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispiels­ weise näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführung des erfindungsgemäßen Motordrehzahlreglers,

Fig. 2 ein Wellenformdiagramm, das den Betrieb der Schaltung aus Fig. 1 bei leichter Belastung des Motors anzeigt, und

Fig. 3 ein Wellenformdiagramm ähnlich Fig. 2, das den Betrieb der Schaltung nach Fig. 1 bei schwerbelastetem Motor anzeigt.

Fig. 1 stellt ein Schaltbild einer Ausführung einer Drehzahl­ regelung für einen Gleichstrommotor entsprechend der vorliegen­ den Erfindung dar. Es ist eine Gleich-Spannungsquelle 1 vorge­ sehen zur Beaufschlagung eines Gleichstrommotors 2, und ein Halb­ leiter-Steuerelement3 steuert das Anlegen der Speisespannung an den Gleichstrommtor 2. Bei dieser Ausführung wird das Halbleiter- Steuerelement 3 durch einen N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor gebil­ det.

Eine Klemme 2 a des Motors 2 ist mit einer Klemme der Spannungs­ quelle 1 verbunden, während die andere Klemme 2 b mit dem Drain- Anschluß des Transistors 3 verbunden ist. Ein Komparator 4 mit Hysterese-Eigenschaft enthält einen Funktionsverstärker 6, ein Potentiometer 7 zum Einstellen der gewünschten Drehzahl des Gleich­ strommotors 2, einen Widerstand 8 und Widerstände 9 und 10, die zur Vorspannungsbildung für einen Transistor 11 dienen. Der Widerstand 8 und das Potentiometer 7 sind in Reihe über die Versorgungsspannung gelegt. Die am Potentiometer 7 entwickelte Spannung wird als variable Referenzspannung an den invertieren­ den Eingang des Funktionsverstärkers 6 angelegt. Der Komparator 4 enthält weiter den Transistor 11, der parallel zum Widerstand 8 liegt und diesen kurzschließt, wenn der Transistor eingeschaltet wird, um die Referenzspannung am Potentiometer 7 von einem höhe­ ren Spannungspegel V _AUS zu einer geringeren Spannung V _EIN umzu­ schalten.

Ein Zeitkonstantenkreis 5 enthält eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 12 und einem Kondensator 13 und liegt parallel zum Transistor 3, so daß er durch den Transistor 3 kurzgeschlossen wird und eine abfallende Spannung entwickelt, wenn der Motor 2 beaufschlagt ist, und geöffnet wird, um eine ansteigende Span­ nung zu entwickeln, wenn der Motor nicht beaufschlagt ist. Diese Spannungen werden an den nicht invertierenden Eingang des Funktions­ verstärkers 6 zum Vergleich mit der variablen Vergleichsspannung angelegt.

Der Funktionsverstärker 6 wird in einen hohen Ausgangszustand geschaltet, wenn die am Kondensator 13 entwickelte Spannung unter dem niedrigen Vergleichsspannungswert V _EIN abfällt, und wird in einen niedrigen Ausgangszustand geschaltet, wenn die Kondensatorspan­ nung über den hohen Vergleichsspannungswert V _AUS ansteigt.

Wenn der Komparator 4 ein hohes Ausgangssignal führt, sind die Transistoren 3 und 11 leitend. Bei leitendem Transistor 11 ist der Widerstand 8 kurzgeschlossen, so daß die Vergleichsspannung vom hohen Pegel V _AUS zum niedrigen Pegel V _EIN umschaltet.

Bei leitendem Transistor 3 wird der Motor 2 beaufschlagt durch einen Strom, der von der Spannungsquelle 1 geliefert wird, und der Kondensator 13 wird über den Widerstand 12 und den Transistor 3 entladen. Da der Motorstrom proportional zum Ausmaß der Motorlast ist und da dieser Strom eine entsprechende Spannung über dem Source-Drain-Pfad des Transistors 3 entwickelt, wird diese Spannung, die proportional zur Motorbelastung ist, dem Entla­ den des Kondensators 13 entgegenwirken, so daß die Spannung am Kondensator 13 bei hoher Belastung mit geringerer Rate abfällt als bei leichter Belastung. Die EIN-Schaltzeit des Transistors 3 ist so proportional zum Motorstrom und damit zur Motorlast. So ergibt sich, daß der Transistor 3 bei schwerer Motorlast länge­ re Zeit im EIN-Schaltzustand bleibt und ein größeres Drehmoment im Motor 2 erzeugt, als es bei leichter Belastung der Fall ist.

Wenn der Komparator 4 sich im niedrigeren Ausgangssignalzustand befindet, sind die Transistoren 3 und 11 abgeschaltet. Bei abge­ schaltetem Transistor 11 ist der Motor 2 nicht beaufschlagt und der Widerstand 8 wird in Reihe mit dem Potentiometer 7 gehalten, so daß die Vergleichsspannung auf den hohen Pegel V _AUS geht. Bei abgeschaltetem Transistor 3 wird der Kondensator 13 mit einer Spannung aufgeladen, die gleich der Größe (E-v) ist, wobei E die Gleichspannung der Spannungsquelle 1 und v die im Motor 2 indu­ zierte Gegen-EMK ist. Da die Gegen-EMK proportional zur Drehzahl des Motors und damit umgekehrt proportional zur Motorlast ist, steigt die Kondensatorspannung während der AUS-Zeiträume mit der Motorbelastung an. Damit ist die AUS-Zeit des Transistors 3 pro­ portional zur Gegen-EMK. Damit steigt die Kondensatorspannung (E-v) bei schwerer Belastung mit höherer Rate an, und läßt so den Transistor 3 während kürzerer Zeiträume im AUS-Zustand verweilen, als es bei geringerer Last der Fall ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt, steigt bei geringer Motorbelastung die Kondensatorspannung am nicht invertierenden Eingang des Funk­ tionsverstärkers 6 mit geringerer Rate an, während der Motor 2 nicht beaufschlagt ist, und fällt mit höherer Rate ab, während der Motor beaufschlagt ist. Bei schwerer Motorbelastung steigt die Kondensatorspannung bei ausgeschaltetem Motor 2 mit höherer Rate an, und fällt mit geringerer Rate ab, während der Motor be­ aufschlagt ist, wie in Fig. 3 zu sehen.

Wenn die Motorlast ansteigt, steigt auch die EIN-Schaltzeit an und die AUS-Schaltzeit nimmt ab, und umgekehrt, bei abnehmender Motorbelastung nimmt die EIN-Schaltzeit ebenfalls ab und die AUS-Schaltzeit steigt an. Dieses variable Einschaltverhältnis betreibt den Motor so, daß er bei sich ändernder Last mit kon­ stanter Drehzahl läuft.

Da es nicht notwendig ist, einen Tachogenerator anzubringen und auch kein energieverschwendender Widerstand angesetzt werden muß, ergibt sich durch die erfindungsgemäße Motorregelung eine kom­ pakte, energiesparende Steuereinrichtung.

Bevorzugterweise wird die Zeitkonstante, die durch den Wider­ stand 12 und den Kondensator 13 bestimmt wird, so festgesetzt, daß ein Filter gebildet ist, das die Brummspannungskomponente der Gegen-EMK ausfiltert.

Claims (5)

1. Drehzahlregelung für einen Gleichstrommotor zum Regeln der Drehzahl des Motors auf einen konstanten Wert unter sich än­ dernder Motorbelastung, gekennzeichnet durch ein Halbleiter-Schaltgerät (3), das in Reihe mit dem Motor (2) angeschlossen ist, um dem Motor Energie von einer Spannungs­ quelle (1) zuzuführen oder ihn davon abzutrennen, wodurch ein zur Lastgröße an dem Motor (2) proportionaler Strom in dem Motor erzeugt wird, wenn die Energie angeschaltet ist, und eine zur Motorlast umgekehrt proportionale Gegen-EMK im Mo­ tor erzeugt wird, wenn die Leistung vom Motor abgetrennt ist, und durch Schalt-Steuermittel (4, 5) zum EIN-Schalten des Halbleiter-Schaltgerätes während einer dem erzeugten Strom proportionalen Zeitlänge und zum AUS-Schalten des Schaltgerä­ tes (3) während einer zur Gegen-EMK-proportionalen Zeitlänge.

2. Drehzahlregelung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schalt-Steuermittel enthalten: einen Zeitkonstanten-Kreis (5) mit einem Kondensator (13) der parallel zu dem Schaltgerät (3) angeschlossen ist, so daß das Schaltgerät einen Entladekreis für den Zeitkon­ stantenkreis errichtet, wenn das Schaltgerät EIN-geschaltet ist und den Kondensator eine Spannung entwickeln läßt, wenn das Schaltgerät (3) AUS-geschaltet ist, eine variable Referenzspannungsquelle (7, 8, 9, 10, 11) zum Erzeugen einer Referenzspannung, welche zwischen hohen und niedrigen Werten in Abhängigkeit von dem Schaltsteuersignal variabel ist, und Mittel (6) zum Vergleichen der Spannung mit der variablen Vergleichsspannung zum Erzeugen eines Ausgangssignales, das einen hohen oder niedrigen Spannungswert besitzt in Abhängig­ keit von dem Relativwert der Spannung zu der variablen Referenzspannung und zum Anlegen des Ausgangssignals an das Schaltgerät (3) und an die variable Referenz-Spannungsquelle (7, 8, 9, 10, 11) als Schalt-Steuersignal.

3. Drehzahlregelung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zeitkonstantenkreis einen zu dem Kondensator (13) in Reihe geschalteten Widerstand (12) ent­ hält zur Bildung eines Filters zum Ausfiltern der Brumm- Bestandteile in der durch den Motor (2) erzeugten Gegen-EMK.

4. Drehzahlregelung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die variable Referenzspannungs­ quelle ein Potentiometer (7), einen in Reihe dazu geschalteten Festwert-Widerstand (8) und Schaltmittel (11) enthält, die in Abhängigkeit von dem Steuersignal von den Vergleichsmit­ teln (6) einen Kurzschluß über dem Festwert-Widerstand (8) errichten.

5. Drehzahlregelung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgerät ein Transistor (3) mit ersten und zweiten gesteuerten Elek­ troden ist, in Reihe zu dem Motor (2) und parallel zu dem Zeitkonstantenkreis (5) geschaltet, und einer Steuer­ elektrode, die das Schalt-Steuersignal empfängt, wobei der Transistor eine zu dem Strom proportionale Spannung entwickelt und diese auf den Zeitkonstantenkreis in einer Richtung aufprägt, die in Laderichtung des Kondensators (13) geht, wenn der Transistor (3) EIN-geschaltet ist.