DE2046309A1

DE2046309A1 - Gleichstrom Motor mit Geschwmdigkeits steuerung

Info

Publication number: DE2046309A1
Application number: DE19702046309
Authority: DE
Inventors: Masahiko Tokio Nagano
Original assignee: Akai Electric Co Ltd
Current assignee: Akai Electric Co Ltd
Priority date: 1969-09-19
Filing date: 1970-09-19
Publication date: 1971-04-15
Also published as: ZA706394B; NL7013830A; AU2017070A; CA924379A; US3657624A

Description

Hamburg, den I7. September I970

Priorität: 19„ September 1969, Japan, Pat.-Anm. 74428/1969

Anmelder :

Akai Electric Co., Ltd,
12-14, 2-chome, Higashikojiya,
Ohta-ku, Tokyo/Japan

Gleichstrom-Motor mit Geschwindigkeitssteuerung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung für einen Gleichstrom-Elektromotor.

Es sind bereits elektronische Geschwindigkeitssteuerungen für Gleichstrom-Motoren bekannt, die einen Abtastkopf benutzen und in der Weise arbeiten, daß eine veränderliche große Anzahl von Impulsen pro Umdrehung des Motors in Abhängigkeit von dessen jeweiliger tatsächlicher Geschwindigkeit erzeugt wird. Diese drehzahlabhängigen Impulse werden elektronisch weiterbehandelt und aus ihnen ein Steuersignal abgeleitet, das zur Steuerung des Antriebsstromes für den Motor benutzt wird· Der Gesamtaufbau dieser bekannten Steuerungsvorrichtungen ist jedoch sehr komplizierte Außerdem ist es äußerst schwierig, die Bezugs- oder Soll-Geschwindigkeit bei gelegentlichen Änderungen während der praktischen Benutzung des Motors einzustellenβ

109816/U80

Das Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung einer Steuerungseinrichtung, die auf einfache Weise eine gelegentliche Änderung der Motorbezugsdrehzahl ermöglichte Die Erfindung bezweckt weiter die Schaffung einer Geschwindigkeitssteuerungsvorrichtung, welche verhältnismäßig einfach gebaut ist und eine sehr genaue Drehzahlsteuerung ermöglichte

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist» Es zeigen :

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen

Drehzahlsteuerungsvorrichtung,

Fig. 2 eine Übersicht über mehrere Wellenreihen,

die an verschiedenen Stellen in einer Einrichtung nach Fig. 1 auftreten,

Fig. 3 eine genauere Darstellung einzelner Teile

der erfindungsgemäßen Schaltung, und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Gleichstrom-Motor, der mit einem ImpulsSignalgenerator ausgestattet ist, welcher eine Reihe von Signalpulsen in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Läufers des Motors abgibt ο

In Fig. 1 ist ein Gleichstrom-Motor 10 vereinfacht durch einen Kreis dargestellt. Ein Abtast-Magnetkopf 11 üblicher

109816/U80

Bauart ist eng benachbart zum Läufer des Motors 10 oder auf dem Läufer angeordnet, wie auch noch mit Bezug auf Fig. 4-beschrieben wird, Z.B. kann der Abtast-Kopf an dem nicht dargestellten Motorgehäuse angeordnet sein, so daß er die Läufer-Umdrehungen in Gestalt einer Reihe von Spannungsimpulsen aufnimmt. Dieser Abtast-Kopf 11 erzeugt fortlaufend Impulsreihen als Funktion der Umdrehungsgeschwindigkeit der in Fig. 1 nicht dargestellten Motorwelle. Z.B. erzeugt er einen Impuls pro vollständige Umdrehung des Motors, z„B. mit einer Frequenz von 30 Hz, siehe Fig. 2A_e

Die Impulsreihe wird durch eine Leitung 20 einem üblichen Verstärker 12 zugeführt, der als einfacher Block dargestellt ist, dann durch eine weitere Leitung 21 einem ersten monostabilen Multivibrator 13 üblicher Bauarte Der Multivibrator wird jedesmal durch Empfang eines Impulses vom Verstärker ausgelöst und gibt einen Rechteckimpuls ab, der in Fig_e 2B vereinfacht dargestellt ist und eine vorbestimmte konstante Dauer hat. Diese erste Reihe Rechteck-Wellenimpulse wird über Leitungen 22 und 23 einem Sägezahn-Signal-Generator üblicher Bauart und gleichzeitig über die Leitungen 22 und 24- einem zweiten monostabilen Multivibrator 15 üblicher Bauart zugeführt, in welchem eine zweite Reihe Rechteck-Wellen-, impulse mit jeweils vorbestimmter konstanter Periodendauer erzeugt wird, siehe Fig. 2D_e Die im Generator 14 erzeugten Sägezahn-Impulse mit konstanter Dauer sind in Figo 2C dargestellt. Die zweite Reihe Rechteck-Impulse D ist im wesentlichen in Phase mit der ersten Reihe B, wenn nur ihre

108818/H80 ~ ⁴ "

Zeitbeziehung betrachtet wird, wobei die Absolutwerte jedoch gewömiiich voneinander verschieden sindo Fig. 2B und D zeigen, daß die Pulsendpunkte in beiden Reihen koinzident sind« Die vordere oder abfallende Kante jedes Impulses der zweiten Reihe D liegt im wesentlichen in der Mitte des ansteigenden Astes eines entsprechenden Sägezahn-Impulses der Reihe C.

Das Ausgangssignal des zweiten Multivibrators 15 geht über eine Leitung 25 auf einen Impulseinenger 16 üblicher Bauart, in dem eine dritte Reihe erheblich eingeengter Rechteck-Impulse E oder Prüf-Impulse erzeugt wird. Jeder dieser Impulse liegt, wenn seine zeitliche Einordnung betrachtet wird, im wesentlichen in der Mitte des ansteigenden Astes eines entsprechenden Impulses der Signalreihe C, wie durch Vergleich der beiden Reihen C und E in Fig. 2 ersichtlich ist. Diese gegenseitige Phasenbeziehung ist in Fig. 2F noch einmal dargestellt, um außerdem den PrüfVorgang der elektronischen Steuerung zu veranschaulichen«

Der Sägezahn-Generator 14- bildet, siehe Fig. 3, eine Art von Bootstrap-Schaltung, die die Transistoren Tr^ und Tr₂ und einen Emitterfolger Tr, aufweist«

Eine Diode D^, ein Widerstand R^ und ein Kondensator C, liegen in Reihe zwischen einem positiven Leiter 40, der an die positive Seite +B einer nicht dargestellten Batterie anschließt, und der Erde. Ein Verzweigungspunkt 41 ist zwischen dem Widerstand R^ und dem Kondensator (^vorgesehen und mit dem

109816/U80 - 5 -

Kollektor des Transistors Tr^ und der Basis des Transistors Tr₂ verbundene Der Emitter des Transistors Tr^ ist mit der Erde verbunden, während die Basis dieses Transistors über einen Anschlußpunkt 42 und den Vorspannwiderstand R₂ mit dem positiven Leiter 40 verbunden ist. Der Punkt 42 ist außerdem über den Kondensator C₂ und den Anschluß 43 mit der Leitung 23 verbundene

Der Transistor Tr₂ ist über seinen Kollektor und die Leitung 44 mit dem positiven Leiter 40 verbunden, während sein Emitter über den Emitter-Widerstand R-, mit der Erde verbunden ist und dadurch einen Emitter-Folger bildet. Der Ausgang dieses Emitter-Folgers ist durch die Leitung 45 und die Rückkopplung skapazität Gy, mit einem Punkt 46 verbunden, der zwischen der Diode D^ und dem Widerstand R^ liegt·

Der Emitter-Folger Tr, ist durch seinen Kollektor und eine Leitung 47 mit dem positiven Leiter 40 verbunden, während sein Emitter über den Widerstand R^ mit der Erde und seine Basis mit dem Emitter des Transistors Tr₂ verbunden ist·

Der Transistor Tr,- ist gewöhnlich leitend, während der Transjsbor Tr₂ gewöhnlich im gesperrten Zustand ist_e

Der Kondensator Gy, ist gewöhnlich im entladenen Zustand aufgrund des Kollektor-Emitter-Weges des Transistors Tr_x., so daß die Spannung über diesen Kondensator gewöhnlich Null ist·

- 6 ~ 109816/U80

Wenn vom ersten monostabilen Multivibrator 13 über die Leitung 23 und den Anschlußpunkt 43 ein negativ gehender Impuls, siehe Fig. 2B, anliegt, geht der Transistor Tr,- in seinen Sperrzustand über, während der Transistor Tr₂ leitend wird. Im Kondensator C, beginnt sich dann eine Ladung durch die Diode D^, und den Widerstand R^. bis zur Höhe der Batteriespannung +B zu sammeln,,

Die am Kondensator C^ auftretende Spannung wird zum Emitter-FoIger-Verstärker Tr₂ zur Verstärkung übertragen und dann über die Kapazität C, auf den Verbindungspunkt 46 rückgekoppelte Da der Spannungsverstärkungsfaktor des Emitter-Folgers Tr₂ als eins gewählt worden ist, ist die Spannung am Widerstand R,j im wesentlichen konstant* Daher wird der durch den Widerstand R,, fließende Strom oder insbesondere der Ladestrom für den Kondensator C^ im wesentlichen auf einem konstanten Wert gehaltene Deshalb wird unter diesen Umständen die Spannung am Kondensator C,, im wesentlichen linear in Richtung auf die Batteriespannung +B vergrößert»

Wenn der am Eingangsanschluß 43 anliegende Impuls auf Null zurückgeht, kehren die Transistoren Tr^ und Tr₂ in ihre jeweiligen Normalzustände zurück, so daß der erste leitend und der zweite nicht leitend wird. Die Ladung des Kondensators C₁ wird dann über den Kollektor-Emitter-Weg des Transistors Tr₂ entladen, wodurch die Spannung in diesem Kondensator schließlich auf Null verringert wird«

• — 9 ·.

109816/U80

Die Ausgangsspannung des Transistors T^ in Gestalt einer Reihe von Sägezahn-Spannungswellen, siehe Fig. 20, wird über den Emitter-Polger Tr^ und die Leitung 48 einem Phasen-Vergleicher 17 zugeführt, der als Prüfvorrichtung arbeitete

Die Impuls-Einengungsschaltung 16, die als Prüfsignalformer arbeitet, weist eine Differenzierschaltung auf, die einen Widerstand Rr, eine Kapazität G^ und einen Transistor enthält. Der Kollektor des Transistors Tr^ ist über die Belastungswiderstände Rg und Rr₇ mit einem positiven Leiter 55 verbunden, auf dem die Batterie spannung +B liegt«,

Wenn das Ausgangssignal, siehe Fig. 2D, des zweiten monostabilen Multivibrators 15 über die Leitung 25 auf den Eingangsanschluß JO gegeben wird, wird das Signal in der Differenzierschaltung differenziert und dann durch den Transistor Tr^ verstärkt, wodurch eine Reihe entsprechender, aber erheblich eingeengter Impulssignale gebildet wird, siehe Fig. 2E₀

Jeder dieser Impulse E erscheint, bezogen auf seine zeitliche Zuordnung, am Mittelpunkt des ansteigenden Astes des jeweils entsprechenden Sägezahn-Signal-Pulses C. Die Dauer jedes dieser eingeengten Impulse E wird bestimmt durch die. Zeitkonstante, die durch den Widerstand R^ und die Kapazität C^ gegeben wird₀

Die Phasen-Vergleichs schaltung 1? weist die Transistoren Tr,- und Tr₆ und die Dioden D₂, D,, D^ und Dr auf, welche eine

109816/ H80 - 8 -

Brückenschaltung bilden, siehe Figo 3.

Die Basis des Transistors Tr₁- ist mit einem Anschlußpunkt 4-9 zwischen den Widerstand Rg und R₁-, verbunden, während der Kollektor des Transistors über den Belastungswiderstand Rg mit der Erde und sein Emitter über den Widerstand Rg mit dem positiven Leiter 35 verbunden ist. Der Transistor Tr₁- dient dazu, eine Phasenumkehr der Eingangssignal-Impulse herzustellen, die vom Phasen-Einenger 16 abgegeben werden.

Die Brückenschaltung besteht aus einer Parallelverbindung einer Reihe, die von den in derselben Richtung liegenden Dioden D₂ und D^ gebildet wird, mit einer Reihe, die von den in derselben Richtung liegenden Dioden D^ und D,- gebildet wird.

Der zwischen den Dioden Do und D^ liegende Anschlußpunkt 31 ist mit dem Kollektor des Transistors Tr^ des Impuls-Einengers über einen Widerstand R₁₀ verbunden» Der gegenüberliegende Anschlußpunkt 32 ist über den Widerstand R₁₁ mit dem Kollektor eines Transistors Tr,- verbunden. Die Anschlüsse 31 und 32 nehmen die Ausgangspulsreihe E der Impuls-Einengungsschaltung 16 und eine Pulsreihe auf, die mit Bezug auf die Reihe E umgekehrte Phase, jedoch dieselbe Amplitude hat. Der Anschluß 33 zwischen den Dioden D₂ und D, empfängt das Sägezahn-Signal C vom Generator 14 über einen Leiter 48,

Der Anschluß 34- zwischen den Dioden D^ und Dr ist über die Kapazität C,- geerdet und gleichzeitig mit der Basis des

109816/U80 - 9 -

Emitter-Folgers Tr^ verbunden*

Der Kollektor dieses Transistors Tr,- ist mit dem positiven Leiter 35 und sein Emitter über den Belastungswiderstand mit der Erde verbunden«

Wenn die Anschlüsse 31 und 32 von den Kollektoren der Transistoren Tr^ und Tr₁- mit zwei Pulsreihen gespeist werden, die gleiche Amplitude und entgegengesetzte Phase haben, und der Anschluß 33 eine Sägezahn-Pulsreihe C vom Generator 14 zugeführt erhält, erscheint am Anschluß 34- eine besondere Pulsreihe, die in Fig. 2 bei G dargestellt ist. Das obere Ende jedes dieser Pulse endet durch den Schnitt mit dem ansteigenden Ast des entsprechenden Sägezahn-Impulses, wie durch Fig.2F veranschaulicht wird.

Dieses Ausgangssignal wird einem Glättungsvorgang unterworfen. Dadurch erscheint das beispielsweise in Fig. 2G gezeigte Gleichstrom-Signal amEmitter des Emitter-Folgers Tr^. Dieses Ausgangssignal wird durch die Leitung 51 einem Motorverstärker 19 zugeführt, wo es verstärkt und die Phase umgekehrt wird. Die Ausgangsleistung des Motorverstärkers wird dem Motor 10 zum Antrieb zugeführt. Wenn die Motordrehzahl von einer bestimmten Größe abfallen sollte, wird die Pulsreihe A entsprechend verzögert, wie durch die punktiert gezeichneten Pulse angedeutet ist» Entsprechende Verzögerungen erscheinen in den Reihen B und E in Fig. 2, ebenfalls durch entsprechend punktierte Linien angedeutet. In der Rechteck-Pulsreihe D beträgt die Verzögerung etwa bis zu einer Periode. Die Lage

109816/1480

jedes eingeengten Pulses der Reihe E in der Mitte einer ansteigenden Kante jeweils eines entsprechenden Sägezahn-Pulses wird beträchtlich modifiziert, wodurch die eingeengten Pulse unter den geneigten Kanten untertauchen, siehe Fig. 2F.

Die Amplitude der herausgeschnittenen, eingeengten Impulse wird allmählich kleiner, siehe Fig. 2H, und die Spannung des Ausgangsstromes vom Motorverstärker 19 an den. Motor wird entsprechend erhöht, so daß der Motor in Richtung auf eine Drehzahlerhöhung gesteuert wird bzw. umgekehrt.

Eine bevorzugte Anordnung des Abtast-Kopfes 11, der an dem in seiner Geschwindigkeit zu regelnden Motor 10 angebracht ist und eine von der Motordrehzahl abhängige Impulsreihe, siehe Fig. 2A, erzeugen kann, ist beispielsweise in Fig. 4-dargestellt. Der Motor 10 weist ein stationäres Gehäuse 10c auf, das in üblicher Weise eine Stator-Spule 1Od und eine Stator-Anordnung 1Oe enthält. Der Motor 10 weist ferner w eine drehbare Welle 10b auf, auf der fest ein Rotor 10a angeordnet ist, wie an sich bekannt· Die Läuferwelle 10b trägt eine starr mit ihr verbundene Scheibe 52 aus unmagnetischem Material, z.B. aus Messing. Ein Magnetstück 55» vorzugsweise in Gestalt einer nach innen vorspringenden Platte, ist auf dem Randbereich der Scheibe befestigt, siehe Fig. Der Abtast-Kopf 11 1st fest auf einem Ende des Gehäuses 10c derart angeordnet, daß der Kopf 11 bei entsprechender Drehstellung der Scheibe 52 auf die Platte 53 ausgerichtet ist und mit dieser elektromagnetisch zusammenarbeiten kann· Aufgrund

109816/U80 - 11 -

it

dieser Anordnung wird bei jeder Umdrehung des Läufers 10a ein Impuls abgegebene

Falls erforderlich, kann ein weiteres Magnetstück, wie durch die punktierte Linie 53 a angedeutet, auf der Scheibe 52 diametral gegenüber dem ersten Stück 53 angeordnet sein_e Bei dieser Abwandlungsform werden zwei Impulse bei jeder vollständigen Umdrehung des Läufers 10a abgegeben. Die Scheibe 52, das Magnetstück bzw. die Stücke 53, 53a und der Abtast-Kopf 11 können innerhalb des Innenraumes des Motorgehäuses 10c anstelle der hier gezeigten äußeren Anordnung angeordnet sein.

Zur Erzeugung eines Impulses für je zwei oder mehr Umdrehungen des Motorläufers 10a kann die Scheibe 52 durch ein geeignetes Untersetzungsgetriebe über die Läuferwelle 10b angetrieben werden. Die Benutzung eines einzelnen Magnetstückes 53 bietet die einfachste Steuerungsanordnung, welche die gewünschte genaue Steuerung und Regelung ermöglicht« Die Motorgeschwindigkeit kann fortlaufend abgeändert werden, indem eine variable Zeitkonstante benutzt wird, die von dem monostabilen Multivibrator 13 oder 15 geliefert wird.

Durch Stabilisierung der Impulsbreite im Ausgang dieser MuIt!vibratoren wird eine äußerst stabilisierte Motordrehzahlsteuerung auch gegenüber möglicherweise auftretenden verschiedenen äußeren Störeinflüssen verwirklicht, die in äußeren Temperaturänderungen, Schwankungen in der Spannungs-

109816/U80

— 12 ··

quelle und/oder ähnlichen Vorgängen bestehen.

In dem erläuterten Beispiel wurde eine Verzögerung von im
wesentlichen einer vollständigen Periode für die Impulse E gegenüber den Sägezahn-Impulsen C verwendet. Es ist stattdessen auch möglich, mit einer Periode der Sägezahn-Impulse gegenüber der Irapulsreihe E zu arbeiten. Die Verzögerungen können, falls erforderlich, auch mit zwei oder mehr Perioden gewählt werden.

- PATENTANSPRÜCHE -

109816/ U 8 0

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Geschwindigkeitssteuerung für einen Gleichstrom-Motor mit elektronischen Mitteln zur Steuerung des Motorantriebsstromes, gekennzeichnet durch Schaltungsmittel (12, 13, 14-) zur Erzeugung einer Reihe von Sägezahn-Impulsen (Fig. 2C) mit einer vorbestimmten Dauer der Signallänge und in Abhängigkeit von der Motordrehzahl veränderlichen Impulsintervallen, und einer elektronischen Prüfeinrichtung (16, 17) zur Erzeugung einer Reihe von Prüfimpulsen, von denen jeder eine konstante Zeitverzögerung gegenüber einem bestimmten vorhergehenden Impuls der Sägezahn-Impulse hat und mit diesen zur Erzeugung einer Steuersignal-Impulsreihe für die Steuerung des Motorströmes verglichen wird.

2_e Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die momentane Geschwindigkeit des Motors darstellende Signal durch einen an den Abtast-Kopf (11) angeschlossenen Verstärker (12) und nachfolgenden monostabilen Multivibrator (13) in eine Reihe Rechteck-Signale (Fig. 2B) umgeformt wird, die einerseits in einen Sägezahn-Generator (14·) und andererseits über einen weiteren monostabilen Multivibrator (15) einem Impuls-Einenger (16) zugeführt werden, dessen Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal des Sägezahn-Generators in einem Phasen-Vergleicher (17) zur Ableitung des den Motorstrom steuernden Signals kombiniert wird.

109816/U80