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DE4221619A1 - Vorrichtung zur Drehzahlstabilisierung - Google Patents

Vorrichtung zur Drehzahlstabilisierung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Antriebs­ technik und betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Drehzahl eines Motors, bestehend aus einem Phasenver­ gleicher mit einem Abtast-Halte-Glied und einem damit verbundenen und mit einem Drehzahlsignal beaufschlagten Abtastimpuls-Former, wobei der Phasenvergleicher die Phasendifferenz zwischen einem Referenzsignal und dem die Drehzahl des Motors erfassenden Drehzahlsignal feststellt und ein der festgestellten Phasendifferenz proportionales Ausgangssignal erzeugt, aus einem mit dem Ausgangssignal beaufschlagten Regler und aus einer mit dem Regler ver­ bundenen Steuerschaltung für den Motor.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus dem Lehrbuch "Halbleiter-Schaltungen", Tietze/Schenk, Axel Springer Verlag, 9. Auflage, Seiten 954 bis 959, bekannt. Mit der dort beschriebenen PLL-Regelung ist es möglich, bei Verwendung eines Phasenvergleichers einen Gleichstrommotor phasenstarr an ein Referenzsignal anzukoppeln. Derartige Regelungen besitzen jedoch eine tote Zone, die einer hoch­ genauen Regelung entgegensteht. Diese tote Zone resultiert daraus, daß die bekannten Phasenvergleicher lediglich eine Pulsfolge bereitstellen, die eine der Phasendifferenz proportionale Pulsweite aufweist. Die Pulsfolge wird in einem nachgeschalteten RC-Glied geglättet, das einen Integrator darstellt. Die Pulsweite kann jedoch nicht beliebig schmal werden und dabei gleichzeitig zur Phasen­ differenz proportionale Eigenschaften aufweisen. Aufgrund der Verwendung von nichtidealen Bauelementen und hieraus resultierenden Laufzeiten ist somit eine Mindestbreite der Pulse zu berücksichtigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vor­ richtung zur Stabilisierung der Drehzahl eines Motors der­ art auszubilden, daß innerhalb eines großen Regelbereiches eine stabile Drehzahl realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer Vor­ richtung zur Drehzahlstabilisierung,
Fig. 2 Signalverläufe zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Vorrichtung und
Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel für die Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer Vor­ richtung zur Stabilisierung der Drehzahl eines Motors (I). Ein Referenzoszillator (2) erzeugt eine Taktfolge TO, die in einem nachgeschalteten Frequenzteiler (3) auf eine Referenz-Taktfolge TREF mit der Referenz-Frequenz fREF heruntergeteilt wird. Die Referenz-Taktfolge TREF wird einem Phasenvergleicher (4) zugeführt. Ein Drehzahlgeber (5), der z. B. als Hall-Sensor ausgebildet ist, erzeugt eine Motor-Taktfolge TMOT, deren Motor-Frequenz fMOT der Ist- Drehzahl des Motors (1) proportional ist. Die Motor-Takt­ folge TMOT wird ebenfalls dem Phasenvergleicher (4) zuge­ führt. Im Phasenvergleicher (4) wird laufend die Phasen­ differenz zwischen der Referenz-Frequenz fREF und der Motor-Frequenz fMOT festgestellt und ein der Phasen­ differenz proportionales Phasendifferenz-Signal UPHA als Ausgangssignal des Phasenvergleichers (4) erzeugt. Das Phasendifferenz-Signal UPHA wird in einem Regler (6) in ein Regelsignal UREG umgewandelt, das einer Leistungs-Stufe (7) zugeführt wird. Der Regler (6) ist vorzugsweise ein PID- Regler. Die Leistungs-Stufe (7) ist im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Kommutierungs-Stufe (8) mit dem Motor (1) verbunden.
Der Phasenvergleicher (4) besteht aus einem Impulsformer (9), der beispielsweise als Monoflop ausgebildet ist und von der Referenz-Taktfolge TREF getriggert wird. Der Impulsformer (9) erzeugt eine modifizierte Referenz-Takt­ folge T′REF mit einer vorgebbaren, konstanten Impulsdauer. Über die jeweilige Periode der modifizierten Referenz- Taktfolge T′REF wird die Drehzahl des Motors (1) vorge­ geben. Aus der modifizierten Referenz-Taktfolge T′REF des Impulsformers (9) wird in einem nachgeschalteten Signal­ generator (10), der beispielsweise als Sägezahn-Generator ausgebildet ist, eine Sägezahn-Spannung USÄG generiert. Die Sägezahn-Spannung USÄG beaufschlagt ein erstes Abtast- Halte-Glied (11). Das erste Abtast-Halte-Glied (11) wird von einer ersten Abtast-Impulsfolge T′ABT getriggert, die in einem Abtast-Impulsformer (12), beispielsweise in Form eines Monoflops, aus der Motor-Taktfolge TMOT abgeleitet wird. Das Ausgangssignal des ersten Abtast-Halte-Gliedes (11) ist eine Gleichspannung UGLE, die bereits der Phasen­ differenz der zu vergleichenden Frequenzen (fREF; fMoT) proportional ist, aber noch Signalstörungen aufweist. Diese Signalstörungen werden in einem dem ersten Abtast-Halte- Glied (11) nachgeschalteten zweiten Abtast-Halte-Glied (13) geglättet bzw. ausgesiebt. Das zweite Abtast-Halte-Glied (13) wird von einer zweiten Abtast-Impulsfolge T′′ABT getriggert, die in einer mit dem Abtast-Impulsformer (12) verbundenen Ansteuerschaltung (14) gewonnen wird. Die Aus­ gangsspannung des zweiten Abtast-Halte-Gliedes (13) ist das Phasendifferenz-Signal UPHA des Phasenvergleichers (4).
Abtast-Halte-Glieder (11; 13) werden beispielsweise im Lehr­ buch "Halbleiter-Schaltungen", Tietze/Schenk, Axel Springer Verlag, 9. Auflage, Seiten 954 bis 959, beschrieben.
Die Kommutierungs-Stufe (8) ist z. B. als elektronische Kom­ mutierung ausgebildet, die von dem Drehzahlgeber (5) ge­ steuert wird, wodurch dieser in vorteilhafter Weise sowohl zur Kommutierung als auch zur Erzeugung der Motor-Taktfolge TMOT verwendet wird. Zur elektronischen Kommutierung kann beispielsweise ein IC-Baustein vom Typ MC 33034-120 der Fa. Motorola in Verbindung mit einer Power-MOS FET-Endstufe verwendet werden, die über geschaltete Stromquellen ange­ steuert wird. Die Verwendung einer Kommutierung, insbe­ sondere einer elektronischen Kommutierung, hat den Vorteil, daß die Lauf ruhe des Motors (1) verbessert wird. Die Kommu­ tierungs-Stufe (8) kann aber auch bei geringeren Anforde­ rungen entfallen.
Der Motor (1) ist z. B. ein Gleichspannungsmotor. Es kann jeder Motor eingesetzt werden, dessen Drehzahl von der jeweiligen Speisespannung abhängig ist.
Durch die Kombination des Impulsformers (9) mit dem die Sägezahn-Spannung USÄG erzeugenden Signalgenerator (10) sowie der Kopplung mit dem ersten Abtast-Halte-Glied (11) wird erreicht, daß Arbeitspunkt-Verschiebungen des Motors (1) zu einer Veränderung der zeitlichen Abtastlage im Bereich des Ausgangssignals des Signalgenerator (10) führen, woraus eine konstante Drehzahl des Motors (1) resultiert. Insbesondere führen kleine Drehmomentschwan­ kungen nur zu geringen Verschiebungen der Abtastlage, da das Drehmoment im wesentlichen proportional zum Motorstrom ist. Es wird somit ein Phasenvergleicher mit einer linearen Übertragungs-Kennlinie ohne tote Zone realisiert.
Bei Verwendung einer Sägezahn-Spannung USÄG ist der Anstieg derart zu wählen, daß sowohl eine aus einer zu großen Stei­ gung resultierende Empfindlichkeit als auch eine aus einer zu geringeren Steigung des Sägezahn-Spannung USÄG resul­ tierende zu lose Kopplung des Motors (1) an die Referenz- Taktfolge TREF vermieden wird.
Wird durch den Phasenvergleicher (4) eine lineare Über­ tragungs-Kennlinie realisiert, so ist es möglich, für den geschlossenen Regelkreis eine konstante Schleifenver­ stärkung und eine konstante Bandbreite vorzugeben.
In Abhängigkeit von der Dimensionierung des Phasenver­ gleichers (4) ist es insbesondere möglich, der Regelung eine Charakteristik eines Tiefpasses zweiter Ordnung zu verleihen. Hieraus resultiert eine geringe Empfindlichkeit gegenüber von Bauelementtoleranzen. Die Dämpfung des Tiefpasses ist über die Dimensionierung einstellbar.
Durch die Ansteuerschaltung (14) kann die Übertragungs- Kennlinie des Phasenvergleichers (4) in einem sehr weiten Bereich verändert werden. Beispielsweise ermöglicht eine große Steilheit der Übertragungs-Kennlinie im Arbeitspunkt eine stationär genaue Drehzahl-Regelung. Grundsätzlich sind aber durch die Wahl geeigneter Parameter auch definierte nichtlineare Übertragungs-Kennlinien vorgebbar.
Die im Phasenvergleicher (4) ermittelte Phasendifferenz korreliert zum Arbeitspunkt des Motor (1). Es wird somit ein frequenzstarrer Phasenvergleicher realisiert, der eine bleibende Phasendifferenz aufweist, deren tatsächliche Größe vom jeweiligen Arbeitspunkt des Motors (1) abhängt. Eine Verschiebung findet somit beispielsweise in Abhängig­ keit von einer sich ändernden Arbeitstemperatur oder sich ändernden Drehmomentverhältnissen statt.
Durch die Glättung bzw. Siebung mit Hilfe des zweiten Abtast-Halte-Gliedes (13) wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß der Motor (1) und damit auch die angekoppelte Last einen ruhigen Lauf ohne Drehgitter-Störungen aufweist.
Die Verwendung eines Reglers (6) mit PID-Verhalten hat den Vorteil, daß er ein wesentlich schnelleres Ansprechver­ halten als ein reiner Integralregler aufweist, aber die Oberwellen der Motor-Frequenz aufgrund eines Integralan­ teils ausreichend dämpft.
Fig. 2 zeigt Signalverläufe in einer graphischen Dar­ stellung zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Vorrichtung nach Fig. 1.
Graph A) zeigt die am Ausgang des Frequenzteilers (3) an­ stehende Referenz-Taktfolge TREF. Im Graph B) ist die im Referenztakt-Impulsformer (9) gewonnene modifizierte Referenz-Taktfolge T′REF mit konstanter Impulsdauer darge­ stellt. Graph C) zeigt die aus der modifizierten Referenz- Taktfolge T′REF abgeleitete Sägezahn-Spannung USÄG am Ausgang des Signalgenerators (10). Graph D) veranschaulicht die aus der Motor-Taktfolge TMOT abgeleitete erste Abtast- Impulsfolge T′ABT am Ausgang des Motortakt-Impulsformers (12). Graph E) zeigt die am Ausgang des ersten Abtast- Halte-Gliedes (11) erscheinende Gleichspannung UGLE und Graph F) das geglättete Phasendifferenz-Signal UPHA am Ausgang des zweiten Abtast-Halte-Gliedes (13) bzw. am Ausgang des Phasenvergleichers (4).
Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Drehzahlstabilisierung mit einer modifizierten Anordnung zur Erfassung der Drehzahl des Motors (1) in einer ausschnittsweisen Darstellung.
Diese Vorrichtung zur Drehzahlstabilisierung kann mit Vor­ teil bei Abtast- und Aufzeichnungsgeräten in der Reproduk­ tionstechnik Verwendung finden, da dort hochgenaue und störungsunempfindliche Motor-Antriebe für Drehbewegungen und/oder Linearbewegungen benötigt werden. Über einen Umschalter (16) kann wahlweise entweder ein Signal des Drehzahlgebers (5) oder eines Wandlers (17) ausgewertet werden. Dem Wandler (17) wird über einen Drehspiegel (18), der durch eine Welle (19) an den Motor (1) angekoppelt ist, ein Hilfsstrahl (20) zugeführt. Der Hilfsstrahl (20) wird von einem Abtaststrahl (21) eines nicht näher dargestellten Abtast- oder Aufzeichnungsgerätes abgeleitet, mit dem eine Vorlage bzw. ein Aufzeichnungsmaterial punkt- und zeilen­ weise abgetastet wird. Insbesondere ist daran gedacht, von dem Abtaststrahl (21) einen Zeilenstartimpuls abzuleiten. Durch die Ableitung der Drehzahlinformation aus dem Hilfstrahl (20) statt aus den Meßwerten des Drehzahlgebers (5) kann das Auftreten von Gleichlaufschwankungen weiter reduziert werden. Eine zusätzliche Verbesserung der Lauf ruhe kann durch die Verwendung von gleichlaufschwan­ kungsarmen Lagern, vorzugsweise von Luftlagern, erreicht werden.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Stabilisierung der Drehzahl eines Motors, bestehend aus
  • - einem Phasenvergleicher (4) mit einem Abtast-Halte- Glied (11) und einem damit verbundenen und mit einem Drehzahlsignal beaufschlagten Abtast-Impulsformer (12), wobei der Phasenvergleicher (4) die Phasen­ differenz zwischen einem Referenzsignal und dem die Drehzahl des Motors (1) erfassenden Drehzahlsignal feststellt und ein der festgestellten Phasendifferenz proportionales Ausgangssignal erzeugt,
  • - einem mit dem Ausgangssignal beaufschlagten Regler 6 und aus
  • - einer mit dem Regler (6) verbundenen Steuerschal­ tung (7) für den Motor (1), gekennzeichnet durch
  • - einen mit dem Referenzsignal beaufschlagten Impuls­ former (9) und
  • - einen mit dem Ausgang des Impulsformers (9) und dem Eingang des Abtast-Halte-Gliedes (11) verbundenen Signalgenerator (10).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abtast-Halte-Glied (11) ein weiteres Abtast- Halte-Glied (13) nachgeschaltet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Abtast-Impulsformer (12) und dem weiteren Abtast-Halte-Glied (13) eine Ansteuerschaltung (14) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch
  • - einen Referenzoszillator (2) und
  • - einen nachgeschalteten Frequenzteiler (3) zur Erzeugung des Referenzsignals, welcher mit dem Eingang des Impulsformers (9) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleicher (4) eine lineare Übertragungs-Kennlinie aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator (10) als Sägezahn-Generator ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehzahlerfassung des Motors (1) ein Drehzahlgeber (5) vorgesehen ist, der als Hall-Sensor ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehzahlerfassung des Motors (1) ein mit einem Lichtstrahl beaufschlagbarer optoelektronischer Wandler (22) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (6) als PID-Regler ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerschaltung (7) und dem Motor (1) eine elektronische Kommutierungs- Stufe (8) zur Durchführung einer Kommutierung vorge­ sehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der als Drehzahlgeber (5) ausge­ bildete Hall-Sensor gleichzeitig die Kommutierung steuert.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (1) mit einem gleichlaufschwankungsarmen Lager, vorzugsweise einem Luftlager, versehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (1) als Gleichstrommotor ausgebildet ist.
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