DE2634212C2

DE2634212C2 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2634212C2
Application number: DE2634212A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Dipl.-Ing. Hachioji Tokyo Hashimoto; Hiroshi Dipl.-Ing. Tokyo Ishida; Shigeki Dipl.-Ing. Hino Tokyo Kawada; Katsuo Dipl.-Ing. Tachikawa Tokyo Kohari
Original assignee: Fujitsu Fanuc Ltd
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1975-08-08
Filing date: 1976-07-30
Publication date: 1982-10-21
Also published as: GB1561741A; JPS6238956B2; US4088933A; DE2634212A1; FR2320661A1; JPS5220212A; FR2320661B1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere für eine Werkzeugmaschine.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung (GB-PS 41 956) entsprechend dem Oberbegriff des Patentan-Spruchs 1 ist jeder Zündimpulserzeugungsschaltung eine Spannungen abgebende Schaltung vorgeschaltet. Die Bestimmung der zeitlichen Lage der Zündimpulse erfolgt dabei ausschließlich in Abhängigkeit der Drehzahlabweichung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die beim Betrieb mit hoher Drehzahl und hoher Genauigkeit die Regelung schneller ansprechen und stoßfrei arbeiten läßt. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Eine Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch angegeben.

Für die Erfindung ist wesentlich, daß die zeitliche Lage der Zündimpulse sowohl in Abhängigkeit der _b5 Drehzahlabweichung als auch der Motoristdrehzahl bestimmt wird.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert, in der sind F i g. 1 ein Schaltbild einer Antriebsschaltung eines Gleichstrommotors unter Verwendung steuerbarer Gleichrichter nach dem Stand der Technik,

F i g. 2 Darstellungen von Wellenformen zum Erläutern des Prinzips der Phasenanschnittsteuerung nach der Erfindung,

Fig.3(a) ein Schaltbild der Spannung abgebenden Schaltung, die für die Phasenanschnittsteuerung verwendet wird, und

F i g. 3(b) ein Diagramm zum Erläutern der Arbeitsweise dieser Schaltung,

F i g. 4 ein Schaltbild einer Schaltung zum Erzeugen von Zündimpulsen und

F i g. 5 Darstellungen der Wellenformen an bestimmten Punkten der Schaltung zum Erzeugen der Zündimpulse.

F i g. 1 zeigt ein Beispiel einer Gleichstrommotor-Drehzahlregelschaltung unter Verwendung steuerbarer Gleichrichter, wie Thyristoren, wobei es sich um eine Schaltung handelt, bei der die Erfindung angewendet werden kann. Die Schaltung enthält den Transformator 7; dessen Primärwicklung Wp mit der Wechselstromquelle verbunden ist. Thyristoren 51 und 53, die an die Sekundärwicklung Ws des Transformators geschaltet sind und ein positives gleichgerichtetes Ausgangssignal erzeugen, Thyristoren 52 und 54, die ein negatives gleichgerichtetes Ausgangssignal erzeugen, und einen Gleichstrommotor M, der zwischen die anderen Enden dieser Thyristoren und eine Mittelanzapfung der Sekundärwicklung Ws geschaltet ist. Die Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung ist wie folgt. Wenn beispielsweise die Thyristoren 51 und 53 eingeschaltet werden, dreht sich der Motor in normaler Richtung, während sich der Motor in Gegenrichtung dreht, wenn die Thyristoren 52 und 54 eingeschaltet sind. Die Motordrehzahl kann geregelt werden, indem die Einschaltzeit, d. h. der Zündwinkel, gesteuert wird. Üblicherweise wird die Phasenanschnittsteuerung ausgeführt, indem ein Synchronimpuls am Nullpunkt der Wechselspannung erhalten wird und indem ein Zündimpuls zu dem Zeitpunkt erzeugt wird, der um eine bestimmte Zeitperiode gegenüber dem Zeitpunkt verzögert ist, zu dem die Wechselspannung null wird, wobei der Synchronimpuls verwendet wird, um die Phasenanschnittsteuerung kontinuierlich während der Beschleunigung und dem konstanten Umlauf des Motors zu machen.

Fig.2(1) zeigt die Wellenformen der Spannungen Vl und V2, während Fig.2(2) den Bezugsimpuls Pl zeigt. Bei der Erfindung wird dieser Bezugsimpuls P1 in Übereinstimmung mit der tatsächlichen Motordrehzahl verschoben. Bei hoher Drehzahl wird der Impuls um einen ausreichenden Phasenwinkel (Zeit) T2 verzögert, wie in F i g. 2 (3) gezeigt ist. Es ist empfehlenswert, diese Zeit T2 gleich mit der Zeit Ti gerade im Maximum auszuwählen, wenn die Gegen-EMK. diejenige bei der erwarteten maximalen Drehzahl ist. Durch diese Auswahl wird der Zündimpuls P2 mit einer Verzögerung des Phasenwinkels β (T2+ß) im Sinne des Zündwinkels) gegenüber dem verschobenen Bezugsimpuls Pi' erzeugt, wird der Motor Mdurch Zuführen des Stroms während der gestrichelten Periode in Fig.2(1) angetrieben, wird der Zündimpuls P3 durch eine weitere Verzögerung des Phasenwinkels um γ erzeugt und kann eine kleine Bremskraft durch Zuführen eines Stroms zu dem Thyristor für einen umgekehrten Umlauf in der in Fig. 2(4) gestrichelten Periode erzeugt

werden. Wenn dieser Zündimpuls dem Thyristor für den umgekehrten Umlauf S 2 zugeführt wird, wie dies aus F i g. 2 entnommen werden kann, wird der Thyristor für mehr als den halben Zyklus eingeschaltet. Dieser Impuls wird deshalb nicht dem Thyristor 5 2 zugeführt

Der Zündwinkel wird durch das Regeleingangssignal bestimmt und das Regeleingangssignal das die Differenz der Motorsolldrehzahl und der Motoristdrehzahl ist, ändert sich üblicherweise kontinuierlich. Da der Zündimpuls in jedem Zyklus erzeugt wird, ändert sich die Zeit zum Erzeugen des Zündippulses schrittweise zwischen dta Winkeln β und j¹ in Übereinstimmung mit der Motoristdrehzahl. Wenn der Zündimpuls den Kreuzungspunkt der Spannung VI und EMK übersteigt, wird dann, wie aus Fig.2 zu sehen ist, der Thyristor S1 nicht leitfähig, auch wenn der Zündimpuls zugeführt wird und der Motor M in dem Zustand bleibt, in dem der Strom unterbrochen ist. Nachfolgend wird der Thyristor S 4, wie durch die gestrichelte Fläche in Fig.2(4) gezeigt ist, mit dem Zündimpuls P3 eingeschaltet, wodurch eine geringe Bremskraft erzeugt wird. Auf diese Weise kann eine Regelung mit konstanter Drehzahl oder eine Steuerung der Verzögerung immer glatt ausgeführt werden. F i g. 2 (5) zeigt die Wellenform des Ankerstroms des Motors in dem Fall, in dem der Thyristor durch Verschieben des Bezugsimpulses PX entsprechend der Motoristdrehzahl gesteuert wird. Aus dieser Wellenform wird ersichtlich, daß sich der Ankerstrom glatt, d. h. nicht sprunghaft, ändert.

Wenn der Motor M mit niedriger Drehzahl läuft, befindet sich eine Gegen-EMK auf einem niedrigen Pegel, wie durch EMK' angezeigt ist. Wenn die Motordrehzahl null ist, ist die Gegen-EMK null, d. h. auf der horizontalen Achse. In diesem Fall ist es nicht notwendig, den Bezugsimpuls PX zu verschieben, und die Regelung der Beschleunigung und Verzögerung kann unter Bezugnahme auf den in F i g. 2 (2) gezeigten Nullpunktimpuls glatt ausgeführt werden.

F i g. 3(a) zeigt die Spannung abgebende Schaltung nach der Erfindung, die zum Verschieben des Bezugsimpulses P1 entsprechend der Motoristdrehzahl verwendet wird. F i g. 3(b) erläutert die Wirkungsweise dieser Schaltung. Die Schaltung weist Inverterverstärker A X und A 2 auf, die in Reihe geschaltet sind. Am Eingangsanschluß EINX tritt eine Differenz zwischen der Spannung der Motorsolldrehzahl und der Spannung der Motoristdrehzahl, d.h. eine Spannung der Drehzahlabweichung Δ V, auf, während an dem Eingangsanschluß EIN2 eine Vorspannung -Bund am Eingangsanschluß EINi der absolute Wert | V| der Motorist- drehzahl vorhanden sind. Die durch die Linien C X und C 2 in F i g. 3(b) gezeigten Ausgangssignale können von den Ausgangsanschlüssen AUSX und AUS2 erhalten werden. Der Kreuzungspunkt Q dieser Linien CX, C2 und der die Ausgangsspannung anzeigenden vertikalen Achse ist durch die Vorspannung — B bestimmt und der absolute Wert | V\ der Motoristdrehzahl bewirkt dessen vertikale Verschiebung.

Wenn die Motordrehzahl hoch wird, verschieben sich also die Linien Cl und C 2 entsprechend der Drehzahl nach unten. Bei maximaler Drehzahl kann das durch die Linien CV und C 2' gezeigte Ausgangssignal von den Ausgangsanschlüssen AUSX und AUS2 erhalten werden. Wenn der Motor anhält, wird die Spannung S jeweils von den Ausgangsanschlüssen AUSX und A US 2 erhalten.

Die Ausgangsanschlüsse AUSX und AUS2 werden jeweils auf den Eingang der Schaltung zum Erzeugen des Zündimpulses für den umgekehrten und normalen Umlauf gegeben, wie später beschrieben wird. Die Schaltung zum Erzeugen des Zündimpulses steuert den Zündwinkel des Zündimpulses entsprechend den Ausgangsspannungswerten von AUSX und AUS2 und macht den Zündwinkel kleiner, da die Spannung größer ist.

Die Schaltungskonstanten werden so bestimmt, daß die Schaltung zum Erzeugen der Zündimpulse den Bezugsimpuls P X zu einer Zeit erzeugt, die in F i g. 2 (2) gezeigt ist, wenn die Motordrehzahl null ist, d. h. die von den Ausgangsanschlüssen AUSX und AUS2 erzeugte Spannung ist B, wobei die Steuerung der Motorbeschleunigung und der Verzögerung in folgender Weise ausgeführt werden können.

Beschleunigungssteuerung

(1) Wenn angenommen wird, daß sich der Motor nicht im Betriebszustand befindet, ist der Arbeitspunkt am Punkt Q X in F i g. 3(b) anzusetzen. Deshalb wird der Zündimpuls mit der Zeitfolge in F i g. 2 (2) erzeugt. Deshalb sind beide Thyristoren für die normale und entgegengesetzte Drehrichtung nicht gezündet und dies führt dazu, daß kein Strom durch den Motor fließt.

(2) Wenn die maximale Drehzahl bei der normalen Drehrichtung befohlen wird, wird eine Drehzahlabweichung Δ V erzeugt Der Motor kann jedoch dieser Drehzahlabweichung nicht folgen und der Arbeitspunkt verschiebt sich zum Punkt Q2.

Bei dem Vorgang, bei dem sich der Arbeitspunkt von Q X nach Q 2 verschiebt, steigt die Ausgangsspannung des Ausgangsanschlusses AUS2 und verschiebt sich die den Zündimpuls erzeugende Zeit. Der Zündwinkel verringert sich nämlich allmählich, während sich der durch die Motorwicklung fließende Durchlaßstrom allmählich erhöht.

(3) Als Ergebnis beginnt der Motor sich zu drehen und eine Spannung [ V| entsprechend der Motoristdrehzahl tritt an dem Eingangsanschluß E//V3 der F i g. 3(a) auf. Dadurch werden die Ausgangskennlinien C X und C2 nach der unteren Seite verschoben und die Motordrehzahl erreicht den maximalen Wert, der nach einer bestimmten Periode spezifiziert ist. Zu dieser Zeit geht der Arbeitspunkt zum Punkt Q 3. Der durch die schraffierte Fläche in Fig.2(1) angegebene Strom fließt nämlich durch die Motorwicklung und der Motor fährt fort, sich mit der maximalen Drehzahl zu drehen.

Verzögerungssteuerung

(1) Wenn der Arbeitspunkt am Punkt ζ>3 liegt, beginnt, wenn der Verzögerungsbefehl gegeben wird, die Solldrehzahl, sich zu verringern. Als Ergebnis fällt die Drehzahlabweichurig Δ V plötzlich ab. Die Motordrehzahl kann jedoch dieser Drehzahlabweichung Δ V nicht folgen und der Motor fährt fort, sich mit der maximalen Drehzahl zu drehen. Bei dem Vorgang, bei dem sich der Arbeitspunkt von Q 3 nach QA verschiebt, verringert sich die Ausgangsspannung des Anschlusses AUS2 allmählich. Deshalb wird der Zündwinkel allmählich groß. Andererseits fällt der durch die Motorwicklung fließende Strom allmählich ab und wird am Arbeitspunkt (?4null.

(2) Folglich nimmt der Zündw<nkel zu und kommt zu dem Arbeitspunkt Q 5. Bei dem Vorgang, bei dem der Arbeitspunkt sich von Q4 nach Q5 verschiebt,

wird der Zündinipuls erzeugt. Da jedoch die Gegen-EMK des Motors größer als die zugeführte Spannung ist, wird der Thyristor für die normale Drehrichtung in Gegenrichtung vorgespannt. Deshalb wird er nicht gezündet.

(3) Wenn der Arbeitspunkt den Punkt Q5 übersteigt, wird die Ausgangsspannung kleiner als die Vorspannung B. Deshalb wird der Zündimpuls von PX in Fig. 2(2) verzögert und am Arbeitspunkt QS wird der Zündimpuls bis zu der Erzeugungszeit von P Γ in Fi g. 2 (3) verzögert.

(4) Wenn der Arbeitspunkt den Punkt Q6 übersteigt, wird die Spannung des Ausgangsanschlusses A US 2 für die normale Drehrichtung negativ und wird die Ausgangsspannung am Ausgangsanschluß AUS2 für die entgegengesetzte Drehrichtung positiv. Auf diese Weise wird der Thyristor für die entgegengesetzte Drehrichtung gezündet. Gleichzeitig ist jedoch die Ausgangsspannung an AUSX geringer als die Vorspannung B zwischen <p6 und QT. Aus diesem Grund beginnt der Zündwinkel, sich unter Bezugnahme auf die Erzeugungszeit von P1' in F i g. 2 (3) zu verringern, und der Rückwärtsstrom in der Motorwicklung steigt allmählich an, wie in Fi g. 2 (4) gezeigt ist.

(5) Am Arbeitspunkt QS beginnt die Wirkung aufgrund des durch die Motorwicklung fließenden Stroms, die vun positiv nach null nach negativ wechselt, und die Motordrehzahl nimmt ab und schließlich kehrt der Arbeitspunkt zum Punkt Q X zurück. Gleichzeitig hält die Motordrehung an. Da der durch die Motorwicklung fließende Strom allmählich während der Beschleunigung zunimmt, bzw. während der Verzögerung abnimmt und nach Nulldurchgang allmählich in negativer Richtung ansteigt, wird eine glatte Änderung der Motordrehzahl möglich.

Bei der Beschleunigungs-/Verzögerungssteuerung wird die Motorsolldrehzahl bei der maximalen Drehzahl ίο angegeben. Wenn jedoch die Motorsolldrehzahl gering ist, verschieben sich, die Arbeitspunkte entsprechend den strichpunktierten Linien CX" und C2". Als Ergebnis wird der Zündimpuls während des Übergangs von der normalen Drehung in die umgekehrte Drehung schneller als der Impuls PV erzeugt, wie in Fig. 2(3) gezeigt ist. Mit anderen Worten ändert sich die Bezugszeit des Zündimpulses entsprechend der Motordrehzahl.

Die Schaltung nach Fig.4 ist für jeden der Thyristoren 51 bis 54 vorgesehen. R ist ein Widerstand und C ist ein Kondensator, welche eine Integrierschaltung bilden. Diese Schaltung gibt das Rumpfsignal ab, das zu der Zeit abfällt, zu der der an den Eingangsanschluß EIN% angelegte Rückstellimpuls Pr auftritt. Dieser Rückstellimpuls Pr wird eine bestimmte Periode nach der Erzeugung des Impulses Pi erzeugt, und zwar etwa 30° nach PX bei der dargestellten Ausführungsform. TrI ist ein Transistor und A 3 ist ein Verstärker zum Steuern des Ladestroms des Kondensators C. An den Eingangsanschluß EIN4 dieses Verstärkers wird die Spannung Vi des Ausgangsanschlusses AUS2, beispielsweise für einen Thyristor für die normale Drehrichtung, oder A USX, beispielsweise für einen Thyristor für die entgegengesetzte Drehrichtung, angelegt, wahrend an den Linderen Eingangsanschluß der Spannungsabfall des Widerstands R durch den Ladestrom des Kondensators ( 'angelegt wird. Auf diese Weise wird der Ladestrom ; ' auf einen Wert proportional zur Eingaiigsspanriui;: V/ an dem Anschluß E//V4 eingestellt, indem die Leitfähigkeit des Transistors Ir I geändert wird.

Der Verstärker /4 3, der Transistor TrI und der Widerstand R sind so ausgewählt, daß tue Emitterspannung 17. dos Transistors gleich iiei l.ingangsspannung Vi wird. Wenn deshalb die Vorspannung für die Komlcnsatorlndung mit I ß angenommen wird, sind der Ladestrom ic und die Kondensatorhidcspannung VcA durch die folgenden Gleichungen gegeben:

ic = VE/R = Vi/R Veh = ic ■ / = VV ■ t/R Vc = VB-(ViZR) ■ t

Der Eingangsanschluß des Verstärkers A 4 ist an den Kondensator C angeschlossen Lind an den anderen Eingangsanschluß EINS wird die Vergleichsspannung VR angelegt. Da der Verstärker A 4 aK Komparator arbeitet, wird, wenn die Koliektorspannung des Transistors Vc die Vergleichsspannung VR übersteigt, der Zündimpuls erzeugt. Der /ündimpuls Jp kann nämlich erhalten werden, indem das Ausgangssignal des Verstärkers A 4 durch die Differenzierschaltung DIF differenziert wird. FF ist ein Flip-Flop-Kreis. Dieser Kreis wird durch das Ausgangssignal von dem Verstärker A 4 eingestellt, wodurch das Ausgangssignal »0« von dem (^-Anschluß erzeugt wird, oder durch den Rückstellimpuls Pr zurückgestellt, der an den anderen Eingangsanschluß EIN6 angelegt wirdL_wodurch das Ausgangssignal »1« von dem Anschluß Q erzeugt wird. Bei der in Fig. 4 gezeigten Schaltung wird der Flip-Flop-Kreis FFdurch den Ausgangsimpuls von dem Verstärker^ 4 eingestellt. Wenn das Ausgangssignal von dem Q-Anschluß »0« ist, wird der Transistor Tr2 eingeschaltet, was den Kondensator Cabschließt. Wenn jedoch der Klip-Flop-Kreis FFdurch den Rückstellimpuls Pr, der das Eingangssignal zu dem Anschluß ΕΙΝβ ist, zurückgestellt wird, wird das Ausgangssignal des Anschlusses Q »1« und der Transistor Tr2 wird ausgeschaltet. Deshalb wird der Kondensator von dem Abschluß freigegeben und beginnt sich zu laden. Der Ladestrom ic ist proportional der Ausgangsspannung der in F i g. 3 gezeigten Verschiebeschaltung. Wie sich aus der Linie C1 oder C'2 in F i g. 3(b) ergibt, ändert sich deshalb der Ladestrom entsprechend der Drehzahlabweichung AV und des absoluten Werts |V| der Motoristdrehzahl. Als Ergebnis ändert sich die Zeit, bis die Spannung des Kondensators C die Vergleichsspannung VR erreicht, entsprechend der Drehzahlabweichung Δ Vund der lstdrenzahl j V | und die Phase des von dem Verstärker A 4 abgegebenen Zündimpulses ändert sich auch entsprechend den vorstehend angegebenen Größen.

Gemäß der Erfindung kann ein Gleichstrommotor, der über steuerbare Gleichrichter in Phasenanschnittsteuerung gespeist wird, glatt beschleunigt oder verzögert werden, was zu einem guten Ergebnis für den Antrieb einer Last, beispielsweise einer Werkzeugmaschine, führt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors mit Phasenanschnittsteuerung, mit wenigstens einen ersten steuerbaren Gleichrichter, der an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist und ein positives, gleichgerichtetes Ausgangssignal erzeugt, mit wenigstens einem zweiten steuerbaren Gleichrichter, der ein negatives, gleichgerichtetes Ausgangssignal erzeugt, und mit Zündimpulserzeugungsschaltungen zum Steuern der Zündwinkel des ersten und des zweiten steuerbaren Gleichrichters, wobei den Zündimpulserzeugungsschaltungen Spannungen abgebende Schaltungen vorgeschaltet sind, wobei durch die Höhe der Spannungen die seitliche Lage der Zündimpulse in Abhängigkeit der Drehzahlabweichung (AV) bestimmt ist, wobei die Drehzahlabweichung die eine Spannung erhöht und die andere erniedrigt und wobei die Zündimpulse des das jeweils negative, gleichgerichtete Ausgangssignal erzeugenden steuerbaren Gleichrichters über 180° hinaus verschoben werden können, dadurch gekennzeichnet, daß den Zündimpuiserzeugungsschaltungen eine gemeinsame, Spannungen abgebende Schaltung (A 1, A 2) vorgeschaltet ist, die jeder Zündimpulserzeugungsschaltung (A3, A4, DlF, F i g. 5) eine Spannung zuführt und die einen weiteren Eingangsanschluß (EIN3) aufweist, dem der Betrag (|V|) der Motoristdrehzahl zugeführt wird, wobei die zeitliche Lage der Zündimpulse auch von dieser Motoristdrehzahl bestimmt ist, in dem die Motoristdrehzahl beide Spannungen im gleichen Sinne verändert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung abgebende Schaltung zwei in Reihe geschaltete Inverterverstärker (A 1, A 2) enthält, von denen jeweils die Spannungen für die Zündimpulserzeugerschaltungen abgenommen werden (F i g. 4A).