DE3126277C2

DE3126277C2 - Schaltungsanordnung zum Regeln des Ankerstromes eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE3126277C2
Application number: DE3126277A
Authority: DE
Inventors: Richard Kent Davis; Joe Chester Charlottesville Va. Lambert
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-07-29
Filing date: 1981-07-03
Publication date: 1986-11-27
Also published as: GB2081034B; GB2081034A; US4328447A; IT8122878A0; DE3126277A1; FR2488074A1; IT1137608B

Abstract

Die Drehzahlsteuerschaltung reguliert die Motordrehzahl ohne die Verwendung eines Drehzahlrückführungssignals durch Einstellen der Größe des Motorstroms, so daß eine vorbestimmte Beziehung zwischen der Motorspannung und dem Motorstrom aufrechterhalten wird. Ein Funktionsgenerator (32) erzeugt ein Stromreferenzsignal als Funktion der Motorklemmenspannung. Die Beziehung zwischen der Klemmenspannung und dem Motorstrom wird durch empirische Bestimmung der Spannungs-Stromkurvenschar des Motors für konstante Motordrehzahlen ermittelt. Das Stromreferenzsignal steuert eine Motorstromsteuerschaltung, vorzugsweise eine Zeitverhältnis- oder Zerhackerschaltung (20), um den Motorstrom einzustellen und die Motordrehzahl zu regulieren. Ein Stromregelkreis ist der Zerhackerschaltung (20) zugeordnet, um den Motorstrom auf den Stromreferenzwert einzustellen.

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Regeln des Ankerstromes eines Gleichstrommotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DD-PS 24 095 bekannt.

Der Vorgang des zyklischen Öffnens und Schließens eines Schalters in der Motorstrom-Steuereinrichtung (Zerhackerkreis) dient zum periodischen Verbinden des Gleichstrommotors im wesentlichen direkt mit der Gleichstromquelle, obgleich eine gewisse Induktivität im allgemeinen in dem Motorstrompfad vorhanden ist. Die mittlere Motorspannung ist zu dem Zeitverhältnis oder der relativen Einschaltdauer des Zerhackerkreises proportional.

Die Motorspannung wird zwar durch das Tastverhältnis oder die relative Einschaltdauer des Zerhackers festgelegt, die Drehzahl des Motorläufers wird jedoch nicht nur durch die Motorspannung bestimmt, sondern auch durch die Belastung des Motors. Zum Konstanthalten der Motordrehzahl ist es daher erforderlich, die relative Einschaltdauer des Zerhackers in Abhängigkeit von der Motorbelastung zu verändern. Im Stand der Technik wird üblicherweise ein Drehzahlmesser be

an i,ns4 αΐη

signal zu erzeugen, mittels welchem die relative Einschaltdauer des Zerhackers eingestellt wird, um die Motordrehzahl konstant zu halten. Drehzahlmesserschaltungen sind jedoch in der Implementierung relativ teuer.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gerätemäßig einfache Anordnung zur Drehzahlkonstanthaltung zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine Drehzahlkonstanthaltung durch Erfassen des Motorstroms und der angelegten Motorspannung erfolgt, aus denen mit Hilfe motorspezifischer Konstanten eine Führungsgröße für den Motorstrom abgeleitet wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Beschreibung und Zeichnung näher erläutert Es zeigt

Rg. 1 eine typische Schar von Drehmoment-Drehzahlkennlinien für einen eletrischen Reihenschlußmotor,

Rg. 2 eine typische Schar von Kurven konstanter Drehzahl für einen elektrischen Reihenschlußmotor in Abhängigkeit von der angelegten Motorspannung und dem Motorstrom,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach der Erfindung zum Konstanthalten der Motordrehzahl und

Rg. 4 eine ausführlichere Darstellung der Schaltungsanordnung von Fig. 3.
Rg. 1 zeigt eine Schar von typischen Drehmomcni-Drehzahlkurven für einen elektrischen Reihenschlußmotor. Jede Kurve in der Kurvenschar zeigt eine abnehmende Motorläuferdrehzahl bei einem Anstieg der Motorbelastung oder des Drehmoments für eine konstante angelegte Motorspannung.

Die Kurve, die mit Km= Nennwert bezeichnet ist, stellt die Drehmoment-Drehzahlkurve für den bestimmten Motor dar, wenn dieser mit einer angelegten Spannung Vm betrieben wird, bei der der Motor die Nennausgangsleistung abgibt. Die weiteren Kurven, die mit Vm=0,75 Nennwert und mit Vm=0,5 Nennwert bezeichnet sind, stellen die Drehmoment-Drehzahlkurven für den Betrieb des Motors bei 75% bzw. 50% der Nennspannung dar. Die Kurven, die in Rg. 1 dargestellt sind, werden normalerweise von dem Motorhersteller geliefert und zeigen klar, daß die Motordrehzahl abnimmt, wenn die Belastung zunimmt, obgleich die angelegte Motorspannung konstant bleibt. Es ist bekannt, daß als eine Folge dieser Kurven bei mit abnehmender Belastung und konstant bleibender Spannung Vm zunehmender Motordrehzahl die Gegen-EMK des Motors zunimmt, so daß der Motorstrom abnimmt. Es ist klar, daß das Einstellen der angelegten Motorspannung auf einen konstanten Wert nicht die Motordrehzahl regeln wird, wenn sich die Motorbelastung ändert.

Fig. 2 zeigt eine Schar von Kurven konstanter Drehzahlen für einen Gleichstromreihenschlußmotor in Abhängigkeit von der angelegten Motorspannung, d. h. von der Motorklemmenspannung, und dem Motorstrom. Innerhalb des Betriebsbereiches des Motors kann jede gewünschte Drehzahl aufrechterhalten werden, indem der Wert der Motorspannung bei einem bestimmten \4otorstroiT! sin^es**¹'^ w*^rd D"* ^u^rven w'c beispielsweise die Kurve für die Drehzahl N\, zeigen, daß das Verhältnis zwischen der Motorspannung und dem Motorstrom keine lineare Funktion ist. Die Kurven für einen besonderen Motor haben jedoch im wesentlichen dieselbe Beziehung, d. h. eine Gleichung, die eine der Kurven der Kurvenschar definiert, wird sich von der

Gleichung für irgendeine der anderen Kurven nur um den Wert eines konstanten Multiplikators bzw. Faktors unterscheiden. Obwohl die Kurven offensichtlich die Form eines Polynoms haben, d. h.

/ - K₀ + K₁V_M + K₂VJ + K₃VJ + K_xV^,

wurde gefunden, daß die Kurven einer Beziehung eng angenähert sind, welche durch

/= K₁ V_M +K₂ Vm*

definiert ist, wobei / der mittlere Motorstrom und Vm die mittlere Groß- der angelegten Motorspannung ist Die Werte d· r Konstanten K\ und K₂ können ermittelt werden, indem die letztgenannte Gleichung an zwei Punkten auf der Kurve konstanter Drehzahl in Rg. 2 gelöst wird.

Die Kennlinien des Motorstroms und der Motorspannung für konstante Drehzahl können experimentell für einen bestimmten Motor ermittelt oder anhand der vom Hersteller angegebenen Daten über die Drehzahl-Drehmoment- und Drehzahl-Strombeziehungen aufgezeichnet werden.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Konstanthaltung der Läuferdrehzahl eines Reihenschlußmotors. Der Gleichstrommotor hat gemäß der Darstellung einen Anker 10 in Reihenschaltung mit der Feldwicklung 12. Der Anker 10 ist, wie durch eine gestrichelte Linie 14 dargestellt, mit einer Last 16 mechanisch verbunden, die er antreibt. Der Motoranker und die Motorfeldwicklung werden mit Strom aus einer Batterie 18 über eine Steuereinrichtung 20 in Form einer Zerhackerschaltung gespeist. Eine ausführliche Beschreibung von Zerhackerschaltungc.n findet sich in dem SCR Manual, 5. Auflage, 1972, der General Electric Company, Semiconductor Products Departement, Syracuse, New York. Die Zerhackerschaltung 20 steuert den Motor durch Verändern seines Tastverhältnisses bzw. durch Steuerung der relativen Einschaltdauer der über den Zerhacker an den Motor angelegten Spannung. Zu diesem Zweck fühlt die Schaltungsanordnung sowohl den Motorstrom als auch die an den Motor angelegte Spannung ab. Der Strom wird durch einen Stromshunt 22 bekannter Art abgefühlt. Der Stromshunt 22 ist typischerweise ein ohmscher Shunt, und ein Stromsignal wird in Abhängigkeit von der an dem Widerstand abfallenden Spannung erzeugt. Gemäß dem Schaltbild in Fig. 3 wird ein Signal von dem Stromshunt 22 über eine Leitung 24 zu einer Summierstelle 26 geleitet. Die Umwandlung der Spannung an dem Shunt 22 in ein Stromsignal ist bekannt, weshalb die dafür benutzte Vorrichtung nicht dargestellt worden ist.

Im Abfühlen der Spannung an der Reihenschaltung aus dem Anker 10 und der Feldwicklung 12 ist ein angezapfter Widerstand oder ein Spannungsteiler, der hier als ein Potentiometer 28 dargestellt ist, zu dem Anker 10 und der Feldwicklung 12 parallel geschaltet Das Potentiometer 28 gibt an seinem beweglichen Schleifer 30 ein Ausgangssignal ab, das die an dem Motor gebildete Spannung darstellt. Das Spannungssignal an dem Schleifer 30 wird an einen Funktionsgenerator 32 angelegt, der in der bevorzugten Ausführungsform die Beziehuns

Im= /C₁Vm+ K₂V₁/

implementiert. In der oben definierten Beziehung stellt Vm die an den Motor angelegte Spannung dar. Die Konstanten K\ und K₂ werden, wie weiter oben erläutert, aus den Motorkennlinien ermittelt und sind konstante Werte, bei denen es sich um elektrische Kenngrößen des Motortyps handelt.

Gemäß der Darstellung hat der Funktionsgenerator 32 zwei gesonderte innere Blöcke, von denen der eine den Wert von K\ Vm und der andere den Wert von K₂ Vm⁴ berechnet. Da die Istsignale, die durch den Funktionsgenerator 32 erzeugt werden, zu den Istwerten proportional sind, kann der Block 34 einfach einen Widerstand und ein Potentiometer zum Ausführen der Multiplikation enthalten. Der Block 36 enthält eine aktive Schaltungsanordnung, die die Funktion 4. Grades lie-ίο fert Die Ausgangssignale, die durch die beiden Blöcke 34 und 36 erzeugt werden, werden in einer Summierstelle 38 addiert, wobei deren Ausgangssignal eine Stromführungsgröße darstellt. Die Stromführungsgröße wird über eine Leitung 40 dem zweiten Eingang der Summierstelle 26 zugeführt.

Ein dritter Eingang der Summierstelle 26 empfängt ein kleines Vorspannungssigna! aus einer Vorspannungsschaltung 42, bei der es sich beispielsweise lediglich um eine Spannungsteilerschaltung handeln kann. Das Vorspannungssignal gestattet der Schaltungsanordnung, mit dem Anfahrbetrieb zu beginnen. Beim anfänglichen Beginn sind die Spannungs- und Stromsignale jeweils Null, so daß ein kleiner Strom erforderlich ist, um am Anfang die Rückführungssignale und die Anfangserregung für den Motor zu liefern.

Das Summenausgangssignal, das durch die Summierstelle 26 gebildet wird, wird an eine Eingangsklemme einer Verstärkungskompensationsschaltung 44 ange-

legt, die eine Charakteristik von —-~— hat, d. h. die Schaltung hat die Charakteristik eines Integrators mit

einer einzelnen Nullstelle bei der Frequenz von -=, so daß sie eine hohe Verstärkung bei sehr niedrigen Freqenzen und eine Steuerverstärkung bei hohen Frequenzen aufweist. Das Ausgangssignal, das durch die Verstärkungskompensationsschaltung 44 erzeugt wird, wird der Zerhackerschaltung 20 zugeführt.
Im Betrieb der Schaltung von Fig. 3 wird ein Schütz (nicht dargestellt), das zwischen der Batterie und der Zerhackerschaltung 20 angeordnet ist, geschlossen, damit der Motor gespeist werden kann. Vor dem Verbinden der Batterie mit dem Motor und dem Zerhacker 20 wurde die Vorspannungsschaltung 42 mit Strom versorgt, und es wurde versucht, die Zerhackerschaltung zu veranlassen, ausreichend durchzuschalten, um den Motor auf den durch das Potentiometer 28 eingestellten Wert zu erregen. Weil jedoch keine Batteriespannung verfügbar war und weil deshalb keine Rückführungssignale vorhanden waren, wurde das Ausgangssignal der Verstärkungskompensationsschaltung 44 auf einen hohen Wert integriert und versucht, den Zerhacker voll durchzuschalten. Sobald die Batteriespannung zur Verfügung steht, zwingen die Rückführungssignale das Ausgangssignal der Schaltung 44, auf einen Wert abzunehmen, der durch die Einstellung des Potentiometers 28 festgelegt ist. Auf diese Weise stellt die Steuereinrichtung die Drehzahl des Läufers oder Ankers 10 auf den gewünschten Wert ein. Die Drehzahleinstellung erfolgt somit durch Messen des Motorstroms und der angelegten Motorspannung, ohne daß es erforderlich ist. einen Drehzahlmesser zur Drehzahlrückführung vorzusehen. Fig. 4 zeigt ausführlicher teilweise als Schaltplan und teilweise als Blockschaltbild den Funktionsgenerator und die Verstärkungskompensationsschaltung von Fig. 3. Das Potentiometer 28 ist, wie oben erwähnt, in einer bevorzugten Ausführungsform ein ohmscher Spannungsteiler, der an die Reihenschaltung aus dem

Motoranker 10 und der Motorfeldwicklung 12 angeschlossen ist. In Abhängigkeit von der Genauigkeit, mit der die Motordrehzahl gesteuert oder eingestellt werden soll, kann der Spannungsteiler ebenso viele Stufen wie sie erwünscht oder in Fig. 3 dargestellt sind, und tatsächlich einen stufenlos veränderbaren Spannungsteiler umfassen. Zu Erläuterungszwecken ist jedoch der Spannungsteiler mit fünf Stufen dargestellt, und zwar in Form einer Reihenschaltung von Widerständen 46, 48, 50, 52,54 und 56. Zum Verändern des Ausgangssignals, das auf der Leitung 30 gebildet wird, die von dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 46 und 48 ausgeht, sind mehrere Schalter 58, 60, 62 und 64 so angeschlossen, daß mit ihnen wahlweise irgendeiner der Widerstände 50,52,54 oder 56 kurzgeschlossen werden kann. Die Schalter 58 bis 64 können von irgendeinem bekannten Typ sein, der in der Lage ist, die an dem Gleichstrommotor gebildete Spannung auszuhalten, und manuell oder automatisch gesteuert werden kann, um die gewünschte Drehzahl des Motors einzustellen.

Das Ausgangssignal, das durch die Spannungsteilerschaltung gebildet wird, wird über die Leitung 30 an eine Eingangsklemme der Multiplizierschaltung 34 angelegt. Die Multiplizierschaltung 34 kann, wie dargestellt, eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 66 und einem Potentiometer 68 enthalten, wobei die Einstellung des Potentiometers 68 dazu dient, den Wert K\ einzustellen, so daß das durch die Schaltung 34 erzeugte Ausgangssignal zu K\ Vmäquivalent ist.

Die Leitung 30 legt außerdem das Spannungssignal V_M an den Funktion-^-Grades-Generator 36 an. Solche Funktionsgeneratoren sind bekannt, und ein typisches Beispiel eines solchen Funktionsgenerators ist auf Seite A30-3 in Fig. 4 des National Semiconductor Linear Applications Manual, Februar 1973, dargestellt. Das Ausgangssignal des Funktion-^-Grades-Generators 36 wird an ein Potentiometer 70 angelegt, welches einstellbar ist, um den Wert K₂ in dem Ausdruck K₂Vm⁴ zu verändern. Die Größe des Signals K₂ V_M ⁴ wird an dem Schleiferarm des Potentiometers 70 abgenommen.

Das Signal K₂Vm* wird von dem Potentiometer 70 aus über einen Widerstand 72 an eine Summierstelle 38 an der invertierenden Eingangsklemme eines Verstärkers 74 angelegt. Der Verstärker 74 enthält einen Rückkopplungswiderstand 76 zum Einstellen seiner Verstärkung und ist deshalb in der üblichen Weise als Operationsverstärker geschaltet.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 74 stellt die Stromführungsgröße dar und wird über die Leitung 40 und über einen Widerstand 78 an die Summierstelle 26 an der invertierenden Eingangsklemme eines Verstärkers 80 angelegt. Das Stromrückkopplungssignal Im, das von dem Stromshunt 22 geliefert wird, wird über einen Widerstand 82 an die Summierstelle 26 angelegt. Ebenso wird die obenerwähnte Vorspannung aus einer Spannungsquelle + V über einen Widerstand 84 an die Summierstelle 26 angelegt.

Der Verstärker 80 bildet in Verbindung mit einer Rückkopplungsschaltung, die zwischen seine Ausgangsklemme und die Summierstelle 26 geschaltet ist, die Verstärkungskompensationsschaltung 44 von Fig. 3. Ein Widerstand 86 und ein Kondensator 88 sind zwischen die Summierstelle 26 und der Ausgangsklemme des Verstärkers 80 in Reihe geschaltet Die Reihenschaltung aus dem Widerstand und dem Kondensator erfüllt die Integrierfunktion und die Vorhaltkompensation. Ein Kondensator 90. der zu der Schaltungsanordnung mit der Reihenschaltung aus dem Widerstand 86 und dem Kondensator 88 parallel geschaltet ist, sorgt für eine gewisse Rauschfilterung bei hoher Frequenz. Dieser besondere Kondensator ist in der dem Block 44 in Fig. 3 zugeordneten Übergangsfunktion nicht berücksichtigt. Eine Z-Diode 92, die zu dem Kondensator 90 parallel geschaltet ist, verhindert die Sättigung des Verstärkers 80, wenn das Eingangssignal des Verstärkers 80 nicht innerhalb von dessen normalem Steuerbereich liegt.

Eine Schaltung zur Geschwindigkeitsaufschaltung, die einen Widerstand 94 und einen zu diesem in Reihe geschalteten Kondensator 96 enthält, ist zu dem Widerstand 78 parallel geschaltet, um das Einschwingverhalten der Schaltung zu verbessern.

Das an der Ausgangsklemme des Verstärkers 80 gebildete Signal stellt das Steuersignal dar, das an die Zerhackerschaltung 20 angelegt wird, um das Tastverhältnis der Spannungsimpulse einzustellen, die an den aus dem Anker 10 und der Wicklung 12 bestehenden Gleichstrommotor angelegt werden.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise führte zwar die bevorzugte empirische Kurvenbestimmung zu einem Polynom 4. Ordnung, es hat sich jedoch gezeigt, daß ein Polynom 3. Ordnung, d. h. ein Ausdruck von K\ Vm+ K₂ Vm³, ebenfalls eine relativ genaue Drehzahlregelung ergibt. So haben sich Polynome von K\ Vm+K₂ IV*, wobei X Werte zwischen 2 und 5 einschließlich Bruchteilwerten, wie beispielsweise 3,1, annehmen kann, als geeignet erwiesen, annehmbare Annäherungen des gewünschten Verhaltens zu erzeugen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zum Regeln des Ankerstromes eines Gleichstrommotors (10) mit einem Stromistwertgeber (22), dessen Stromsignal (Im) einem Stromregler (26, 44) zugeführt ist, welchem eine Motorstrom-Steuereinrichtung (20) nachgeschaltet ist, mit einem Motorklemmspannungsgeber (28), dessen Spannungssignal (Vm) einen Funktionsgenerator (32) steuert, wobei das Ausgangssignal des Funktionsgenerators (32) dem Stromregler (26, 44) als Führungsgröße zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal / des Funktionsgenerators (32) der Gleichung

1-KM+K₂V^

entspricht, wobei K\ und K2 konstante Faktoren sind, die aus motorspezifischen Strom/Spannungskurven (Rg. 2) mit der Drehzahl als Parameter herleitbar sind, Vm die Größe der Motorklemmenspannung ist und deinen Wert zwischen 2 und 5 hat

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (32) zwei die beiden Summanden der Gleichung berechnenden Blöcke (34, 36) aufweist, von welchem der eine (34) einen Widerstand (66) und ein Potentiometer (68) zum Einstellen von K\ und der andere (36) eine aktive, die Exponentialfunktion (Vm*) liefernde Schaltung und ein Potentiometer (70) zum Einstellen von K2 enthalten.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Summierstelle (26) des Reglers außer dem Stromsignal und dem Ausgangssignal des Funktionsgenerators (32) noch ein kleines Vorspannungssignal (aus 42) zugeführt ist.