DE2849216A1

DE2849216A1 - Vorrichtung zur drehzahlregelung von gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE2849216A1
Application number: DE19782849216
Authority: DE
Inventors: Hiromitsu Nakano; Mitsuhara Ota; Isao Yoshida
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1977-11-14
Filing date: 1978-11-13
Publication date: 1979-05-23
Also published as: DE2849216B2; GB2008807B; JPS5469708A; JPS5940000B2; GB2008807A; DE2849216C3; US4234835A

Description

_ _k _ 2649218

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitsregelung von Gleichstrommotoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, der dabei mit einem größeren steuernden Drehmoment und einem größeren anfänglichen Drehmoment wie bei bekannten Anordnungen betrieben werden kann.

Vorrichtungen zur Geschwindigkeitsregelung, die sogenannten Drehzahlregler, sind für kleine Gleichstrommotore so aufgebaut, daß eine der Geschwindigkeit proportionale elektromotorische Gegenkraft von beiden Enden der Motorwicklung abgenommen und mit einer Bezugsspannung verglichen wird; der Gleichstrommotor wird dann mit der daraus abgeleiteten Differenzspannung dieser beiden Spannungen gesteuert. Bei derartigen bekannten Anordnungen tritt als Schwierigkeit auf, daß die Drehzahlregelung mit Hilfe einer Differenzspannung durchgeführt wird, die der Unterschied der Bezugsspannung und der an den beiden Enden der Motorwicklung auftretenden Spannung ist. Die von der Motorwicklung abgenommene Spannung ist im allgemeinen nicht genau gleich der elektromotorischen Gegenkraft sondern wird durch einen Spannungsabfall beeinflußt, der hauptsächlich vom ohmschen Widerstand der Motorwicklung herrührt. Im allgemeinen wurde die Schaltung deshalb so aufgebaut, daß sie eine Widerstandsbrücke umfaßt, die eine genaue Drehzahlregelung dann durch Abnahme und Verwendung der elektromotorischen Gegenkraft von den beiden Enden der Motorwicklung ermöglicht. In einer Drehzahlregelvorrichtung mit einer derartigen Widerstandsbrücke ist es wichtig, daß die Widerstände genau vorgegebene Werte haben. In den letzten Jahren sind viele elektronische Schaltungen aus Halbleiter-Bauelementen oder integrierten Schaltungen aufgebaut worden, und diese Drehzahlregelvorrichtungen sind als integrierte Halbleiterschaltungen ausgeführt worden. Da es aber im allgemeinen schwierig ist, die genauen Widerstandswerte der Brückenwiderstände in eindiffundierten Halbleitergebieten herzustellen,

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werden die Brückenwiderstände im allgemeinen als äußere, an die integrierte Schaltung angeschlossene Widerstände verwendet. Die Verwendung solcher äußerer Widerstände mit einer integrierten Schaltung macht mehrere äußere Anschlußdrähte, die von der integrierten Schaltung ausgehen, notwendig.

Um diesen Nachteil zahlreicher Drahtverbindungen zu überwinden, ist die in Figur 1 dargestellte bekannte Vorrichtung mit integrierten Schaltungen vorgeschlagen worden.

In der bekannten, in Figur 1 dargestellten Vorrichtung bestehen die von gestrichelten Linien umschlossenen Bauteile aus einer monolithischen integrierten Schaltung, die aus einer Steuerschaltung 1, einem Bezugsspannungsgenerator 2, einer Strombegrenzungsschaltung 3» einer Konstantstromschaltung k und einer Stromteilerschaltung 5 besteht. Eine Klemme 6 für die Stromversorgung, eine Ausgangsklemme 7 und ein Anschluß 8 für einen Hegelvfiderstand 10 sind die äußeren Anschlußteile dieser integrierten Schaltung. Ei^e nicht dargestellte Spannungsquelle wird an Klemme 6 und Erde angeschlossen, ein Motor 9 wird an Ausgangsklemme 7 und Erde angeschlossen, und ein Regelwiderstand 10 wird an Klemme 8 und Erde angeschlossen, wobei durch Einstellung des Regelwiderstands die gewünschte Drehzahl des Motors gewählt wird.

In dieser bekannten Vorrichtung zur Drehzahlregelung wird eine der elektromotorischen Gegenkraft E_a des Gleichstrommotors proportionale Bezugs spannung V_re£· an der Ausgangsklemme 7 und der Klemme 8 erzeugt; der Spannungsabfall im Regelwiderstand 10 wird so eingestellt, daß er gleich der Bezugsspannung V ist. Wenn z.B. der durch den Innenwiderstand des Gleichstrommotors 9 bewirkte Spannungsabfall durch äußere Einwirkungen verändert wird, wird der durch Regelwiderstand 10 fließende Strom verändert, sodaß mit Hilfe der Stromteilerschaltung 5 die Bezugsspannung V gleich der elektromotorischen Gegenkraft E gemacht wird. Schwankungen in'der Drehzahl des Gleichstrommotors werden damit unterdrückt.

Wenn die Drehzahl eines Gleichstrommotors mit dieser Vorrichtung eingeregelt wird, ergibt sich als Schwierigkeit, ein großes anfängliches Drehmoment zu erhalten. Es dauert deshalb ziemlich lange, bis die Drehgeschwindigkeit des Motors einen vorgegebenen Wert erreicht hat und das maximale steuernde Drehmoment ist klein.

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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen, bei bekannten Drehzahlreglern von Gleichstrommotoren auftretenden Schwierigkeiten zu beseitigen.

Die vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Vorrichtung zur Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren, durch die der Gleichstrommotor mit einem größeren steuernden Drehmoment und mit einem größeren anfänglichen Drehmoment wie bei bekannten Vorrichtungen betrieben werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren umfaßt eine Schaltung mit einem ersten Transistor 11 und zweiten Transistoren 12-14, deren Basisanschlüsse zusammengeschaltet sind, wohingegen die Kollektoranschlüsse der zweiten Transistoren in Reihe mit dem Gleichstrommotor 9 geschaltet sind, um damit den Motorstrom einzuregeln. Den Basisanschlüssen der Transistoren wird ein zur Sättigung der Transistoren ausreichender Strom zugeführt, wodurch das maximale steuernde Drehmoment und das anfängliche Drehmoment des Gleichstrommotors erhöht werden.

Figur 1 ist ein Blockschaltbild und zeigt schematisch den Aufbau einer bekannten Vorrichtung zur Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren.

Figur 2 zeigt die Schaltung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drehzahlregelung.

Figur 3 zeigt graphisch im Vergleich die Beziehung zwischen den Drehmomenten und der Drehzahl für Gleichstrommotore, die mit bekannten Vorrichtungen zur Drehzahlregelung und der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrieben werden.

Figur 4 zeigt schließlich eine Schaltung einer abgeänderten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In der in Figur 2 dargestellten vorzugsweisen Ausführungsform sind der erste Transistor 11 und die zweiten Transistoren 12, 13, ···, l4 von der gleichen Type (npn-Transistoren), haben die gleichen elektrischen Kennlinien und sind mit ihren Basisanschlüssen zusammengeschaltet. Die Emitteranschlüsse der Transistoren 11, 12, 13, ··♦, l4 sind über gleichartige Emitterwiderstände zusammengeschaltet und mit dem negativen Anschluß 30, d.h. der Erdung der Stromquelle verbunden. Die Transistoren 11-14, deren Basisanschlüsse zusammengeschaltet sind, bilden

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eine spiegelbildliche Schaltung, in der der Kollektoranschluß des ersten Transistors 11 über den Verbindungspunkt 19 und einen Widerstand 20 mit dem positiven Anschluß 21 der Stromquelle verbunden ist; die Kollektoranschlüsse der zweiten Transistoren 12-14 sind gemeinsam an einen Anschlußpunkt 22 geführt. Der Gleichstrommotor 9 ist an Anschlußpunkt 22 und den positiven Anschluß 21 geschaltet. Der gesamte Kollektorstrom der zweiten Transistoren 12-14 fließt durch den Gleichstrommotor. Durch Einstellung der Basisströme der zweiten Transistoren 12-l4 können damit der Strom I des Gleichstrommotors und damit seine Drehzahl eingestellt werden. Die Transistoren 23 und 24 sind pnp-Transistoren und bilden einen Differentialverstärker 3*ι in dem der Basisanschluß des Transistors 23 mit Anschlußpunkt 22 verbunden ist, während der Basisanschluß des Transistors 24 mit dem negativen Anschluß 251 einer Bezugsspannungsquelle 25 verbunden ist. Die Emitteranschlüsse der Transistoren 23 und 24 sind zusammengeschaltet und über eine Konstantstromschaltung 101 an den Anschlußpunkt 19 geführt. Mit den Kollektoranschlüssen der Transistoren 23 und 24 sind die entsprechenden Kollektoranschlüsse von zwei npn-Transistoren 26 und 27 verbunden« die so geschaltet sind, daß sie die spiegelbildliche Schaltung 3' bilden. Die Emitteranschlüsse der Transistoren 26 und 27 sind mit dem negativen Anschluß 30 der Stromquelle verbunden. Der Basisanschluß eines pnp-Transistors 28 ist mit dem negativen Anschluß 251 der Bezugsspannungsquelle 25 verbunden; der Emitteranschluß dieses Transistors ist mit Verbindungspunkt 22 und sein Kollektoranschluß mit dem Emitter des ersten Transistors 11 verbunden. Der Verbindungspunkt der Kollektoranschlüsse der Transistoren 24 und 27 ist mit dem Basisanschluß eines pnp-Transistors 31 verbunden, dessen Emitter über Konstantstromschaltung 29 mit Verbindungspunkt 19 verbunden ist, während der Kollektoranschluß des Transistors mit dem negativen Anschluß 30 der Stromquelle verbunden ist. Der Basisanschluß eines Transistors 33 ist mit dem Emitteranschluß des Transistors Jl verbunden, während der Kollektoranschluß des Transistors 33 mit Verbindungspunkt 19 verbunden ist. Der Emitteranschluß dieses Transistors ist mit den Basisanschlüssen des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12-14 und über Widerstand 32 mit dem negativen Anschluß 30

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der Stromquelle verbunden. Ein veränderlicher Widerstand 34 wird zur Einstellung der Drehzahl verwendet und ist zwischen Anschlußpunkt 22 und Anschlußpunkt 19 eingesetzt. Eine Konstantstromschaltung 35 ist zwischen Anschlußpunkt 19 und dem negativen Anschluß 30 der Stromquelle geschaltet. Aufgabe der Konstantstromschaltung 35 ist es, Veränderungen des durch Anschlußpunkt 19 fließenden Stroms bei Veränderungen des Kollektorstroms des Transistors 33 zu verhindern»

Die Drehzahlregelung mit Hilfe des in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiels findet bei Schwankungen der Drehzahl in der folgenden Weise statt.

1. Vorgänge bei Erhöhung der Drehzahl: Wenn die Drehzahl des Motors schwankt und einen vorgegebenen Viert überschreitet, übersteigt die elektromotorische Gegenkraft E des Gleichstrommotors

Gl

9 einen vorgegebenen Wert und damit sinkt das Potential an Anschlußpunkt 22 unter einen bestimmtan Wert ab. Durch diese Abnahme des Potentials am Anschlußpunkt 22 kommt ein Anstieg der Basisvorspannung des Transistors 23 zustande, der einen Teil des Differentialverstärkers 3' bildet. Die Basisspannung übersteigt damit die des anderen Transistors 24, wodurch der Kollektorstrom des Transistors 23 und damit der Kollektorstrom des Transistors 26 zunehmen. Der Kollektorstrom des Transistors 27, der zur spiegelbildlichen Schaltung 3" gehört, nimmt auch zu, wodurch der Basisstrom des pnp-Transistors 31 ansteigt (der Basisstrom fließt vom Basisanschluß des Transistors 31 an den Kollektoranschluß des Transistors 27)· Die weitere Folge ist, daß der Emitterstrom des Transistors Jl ansteigt. Da der Emitterstrom des Transistors 31 und der Basisstrom des Transistors 33 von der gemeinsamen Konstantstromschaltung 29 kommen, nimmt der Basisstrom des Transistors 33 zu dem Zeitpunkt ab, zu dem der Emitterstrom des Transistors 31 zunimmt. Die Folge ist, daß die Basisströme und damit auch die Kollektorströme des ersten Transistors 11 und der aweiten Transistoren 12-14: abnehmen. Durch diese Abnahme der Kollektorströme der zweiten Transistoren 12-lA wird der den Gleichstrommotor durchfließende Strom reduziert, was wiederum eine Verringerung der Drehzahl zur Folge hat. Diese Regelung zur Verringerung der Drehgeschwindigkeit des Motors hält an, bis dis olelctromotorisclie Gegenkraft auf sisien

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vorgegebenen Wert gekommen ist, wodurch dann die Basisvorspannun-■ίι-·η der Transistoren 23 und 2k des Differentialverstärkers 3' ins Gleichgewicht kommen.

2. Vorgänge bei Verringerung der Drehzahl: Wenn die Drehzahl des Motors schwankt und unter einen vorgegebenen Wert absinkt, sinkt auch die elektromotorische Gegenkraft E des Gleichstrom-

Si

motors 9 unter einen vorgegebenen Wert ab und damit steigt das Potential an Anschlußpunkt 22 über einen vorgegebenen Wert an. Durch diesen Anstieg des Potentials am Verbindungspunkt 22 wird die Basisvorspannung des Transistors 23, der einen Teil des
Differentialverstärkers 3' bildet, verringert. Die Basisvorspannung wird damit kleiner als die des anderen Transistors 24 und dadurch werden der Kollektorstrom dieses Transistors und
auch der des Transistors 26 verringert. Die weitere Folge ist, daß auch der Kollektorstrom des Transistors 27» der einen Teil der spiegelbildlichen Schaltung 3" bildet, abnimmt, wodurch der Basisstrom des pnp-Transistors 31 reduziert wird. Dadurch wird auch der Emitterstrom des Transistors 31 verringert. Die Folge dieser Verringerung des Emitterstroms des Transistors 31 ist
ein Ansteig des Basisstroms des Transistors 33« Dies hat wiederum zur Folge, daß die Basisströme und damit auch die Kollektorströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12-1^
zunehmen. Durch diese Zunahme der Kollektorströme der zweiten
Transistoren 12-I^ wird der Motorstrom erhöht und die Drehzahl steigt an. Diese Regelung zur Erhöhung der Drehgeschwindigkeit hält an, bis die elektromotorische Gegenkraft auf einen vorgegebenen Wert gekommen ist, wodurch die Basisvorspannungen der
Transistoren 23 und 2k des Differentialverstärkers 3' ins
Gleichgewicht kommen.

3* Ursache des hohen maximalen steuernden Drehmoments: Ein Kennzeichen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, daß das
maximale steuernde Drehmoment des erfindungsgemäß geregelten
Gleichstrommotors sehr hoch ist. Das maximale steuernde Drehmoment ist der Maximalwert des Drehmoments, das die Drehzahl auf einem Nennwert hält. Das maximale steuernde Drehmoment wird
erreicht, wenn das Potential am Anschlußpunkt 22 den kleinsten

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;/ert annimmt, vv'enn die zweiten Transistoren 12-14 deshalb im oättigungsbereich arbeiten, wird das maximale steuernde Drehmoment groß.

In der oben erwähnten, in Figur 2 dargestellten Vorrichtung ist Anschlußpunkt 19 mit dem Kollektoranschluß des Transistors 33 verbunden, wodurch durch den Emitter die Basisströme der Transistoren 11-14 geschickt werden. Da der Bezugsspannungsgenerator 25 für die Spannung Vf einerseits an Anschlußpunkt 19 und andrerseits an den Basisanschluß des Transistors 28 angeschlossen ist (dessen Emitteranschluß an Anschlußpunkt 22 geführt ist), überschreitet das Potential des Anschlußpunkts 19 das des Anschlußpunkts 22 um die Bezugsspannung Vf (V ~ beträgt gewöhnlich etwa 1,2 Volt). Das Kollektorpotential des Transistors 33 ist damit höher als das der zweiten Transistoren 12-14. Der Transistor 33 kann damit Ströme an die Bas isanschlüsse der zweiten Transistoren 12-14 liefern, die zur Sättigung dieser Transistoren ausreichen,, Durch die Sättigung der Transistoren 12-14 wird ein starker Motorstrom zugeführt, wie im folgenden noch erläutert.

Das maximale steuernde Drehmoment <(>,,, das bei den oben erwähnten, zur Sättigung ausreichenden Basisströmen auftritt, ist gegeben durch die folgende Gleichung:

V - E - V
i. T₇- cc ao ce /₁ \

max ^{= K}t

α. eo

wobei K₄. die Drehmomentkonstante des Gleichstrommotors 9, V die an Anschlüssen 21 und 30 auftretende Spannung der

Stromquelle, E die elektromotorische Gegenkraft bei der

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IIenndrehsahl, Y die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung der Transistoren 12-14, R₀ den Innenwiderstand des Gleiehstrommotors und R den äquivalenten Widerstand der Widerstände 16-18 (d.h.. den η-ten Teil des Widerstandswerts jeder der Widerstände 16-18 bei η Widerständen 16-18) bedeuten.

Wenn z.B. in der in i'igur 2 dargestellten Regelanordnung K_t = 96 g.cm/A, V_cc = 4,5 V, V_ce = 0,5 V, E₃₀ = 2,45 V, R_& = 6,3 S und R = 1 Ω, so erhält man durch Rechnung für das maximale steuernde Drehmoment iJL,_Q.„:

W - 96· = 20,4 g.om (2) Dieser Wert des maximalen steuernden Drehmoments ist damit für den speziellen Gleichstrommotor etwa doppelt so groß wie de^, der mit bekannten Drehzahlreglern erreicht wird.

4. Ursache des hohen anfänglichen Drehmoments: Sin weiteres Kennzeichen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, daß das anfängliche Drehmoment des von der erfindungsgemäßen Vorrichtung geregelten Gleichstrommotors sehr groß ist. Dieses hohe anfängliche Drehmoment ergibt sich aus folgenden Gründen.

Wenn in dem beschriebenen, in i'igur 2 dargestellten Beispiel der Gleichstrommotor blockiert wird, wird die elektromotorische Gegenkraft null und das Potential am Anschlußpunkt 22 nimmt damit beträchtlich zu. Als Folge dieser Zunahme des Potentials sinkt die Basisvorspannung des Transistors 23 ab, damit nimmt der Kollektorstrom dieses Transistors ab, der Kollektorstrom des Transistors 26 nimmt ebenfalls ab, und dementsprechend nimmt der Kollektorstrom des Transistors 27 ab. Als weitere Folge nimmt der Basisstrom des Transistors 31 ab. Da der gesamte, aus

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ORIGINAL IN&PECTED

dem Emitterstrom des Transistors 31 und dem Basisstrom des Transistors 33 bestehende Strom von der Konstantstromschaltung 29 gesteuert wird, nimmt der Basisstrom des Transistors 33 infolge der Abnahme des Emitterstroms des Transistors 31 zu. Die Basisströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12-lA nehmen deshalb zu und infolgedessen nimmt das Potential am Anschlußpunkt 22 ab. Ein starker Motorstrom fließt damit durch Gleichstrommotor 9·

Wenn das Verhältnis des gesamten Kollektorstroms I , der zweiten Transistoren 12-l4 zum Kollektorstrom I₁₁ des ersten Transistors 11 K ist, d.h. für K = I_ct/I_cll, fließt ein Strom, der der K-te Teil des Stroms durch den Motor ist, durch Anschlußpunkt 19 (und an den Kollektoranschluß des Transistors 11). Es wird hierbei angenommen, daß die Summe der Ströme durch Konstantstromschaltungen 29 und 101, des Kollektorstroms des Transistors 33 und des Stroms durch Bezugsspannungsgenerator 25 vernachlässigbar klein gegenüber dem Kollektorstrom des ersten Transistors 11 ist. Wenn man deshalb den Widerstandswert des Widerstands 20

gleich K-R wählt (wobei R den Widerstand des Gleichstrommotors a a

bezeichnet), können die Potentiale der Anschlußpunkte 19 und 22 gleich gemacht werden. Durch diese Wahl werden nämlich die Spannungsabfälle am Widerstand und am Gleichstrommotor 9 einander gleich. In diesem Fall gleichen aioh die Basispotentiale der Transistoren 23 und 24 nicht. Das Potential an der Basis des Transistors 2k ist um die vom Bezugsspannungsgenerator 25 erzeugte Bezugsspannung V _ kleiner als das Potential am Transistor 23· Durch diese Verringerung des Basispotentials des Transistors 2k wird auch das Basispotential des Transistors 28 verringert und damit wird die Basisvorspannung des Transistors 28 erhöht. Die Folge ist, daß auch der Kollektorstrom dieses Transistors ansteigt. Da der Kollektorstrom des Transistors 28 durch den Emitterwiderstand 15 des ersten Transistors 11 fließt, wird das Emitterpotential des ersten Transistors Ii erhöht. Damit ist die Bedingung nicht mehr erfüllt, daß die von Transistoren 11-lk gebildete spiegelbildliche Schaltung das gleiche Potential aufweist. Der Kollektorstrom des ersten Transistors 11 wird

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damit kleiner als der jedes der zweiten Transistoren 12-lk. Durch diese Verringerung des Kollektorstroms des Transistors 11 wird der Spannungsabfall am Widerstand 20 kleiner als der am Gleichstrommotor 9· Dadurch wird das Potential am Anschlußpunkt 19 über das am Anschlußpunkt 22 angehoben. Durch die Erhöhung des Potentials am Anschlußpunkt 19 wird die Kollektorspannung des Transistors 33 erhöht und damit steigt auch der Kollektorstrom des Transistors 33· Infolge der Erhöhung des Kollektorstroms des Transistors 33 wird es möglich, den Basisanschlüssen der Transistoren 12-l4 zur Sättigung dieser Transistoren ausreichende Ströme zuzuführen. Die Kollektorströme der zweiten Transistoren 12-l4, d.h. der durch Gleichstrommotor 9 fließende Strom, nehmen damit beträchtlich zu.

Das anfängliche Drehmoment (j> des Gleichstrommotors 9 ist gegeben durch die folgende Formel:

V - V
φ « κ- -SS SSL (3).

³ * R + R

a eo

Nimmt man an, daß die Konstanten der Schaltung die gleichen wie im Falle der mit Formel (2) durchgeführten Berechnungen sind, so erhält man für das anfängliche Drehmoment <j> :

♦. - ⁹⁶· ^{= 52}'^{6 g}'^Cm ^ik)'

Dieser Wert ist etwa doppelt so groß wie der üblicherweise mit bekannten Reglern erhaltene Wert.

Figur 3 zeigt den Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehzahl von Gleichstrommotoren. Kurve A zeigt die Drehzahl, bei Drehzahlregelung mit bekannten Regelvorrichtungen. Kurve B zeigt die Drehzahl im Falle der erfindungsgemäßen Drehzahlregelung.

Auf der Abszissenachse ist das Drehmoment in g*cm aufgetragen; auf der Ordinatenachse ist die Drehgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute angegeben. Aus Figur 3 ersieht man, daß das maximale steuernde Drehmoment, oberhalb dessen die Drehzahl vom Nennwert abweicht, fast doppelt so groß ist wie im Falle der bekannten Vorrichtungen. Das anfängliche Drehmoemnt, d.h. das Drehmoment am Anstieg der Kurve ist ebenfalls fast doppelt so

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groß wie bei bekannten Vorrichtungen.

In der abgeänderten, in Figur 4 dargestellten Ausführungsform ist die Schaltung einfacher als im Falle der Figur 2 aufgebaut, doch ähnelt die Betriebsart dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Der Hauptunterschied ergibt sich daraus, daß ein pnp-Transistor 36 anstelle des npn-Transistors 33 t des zugehörigen pnp-Transistors 31 und der Konstantstromschaltung 29 verwendet wird. Ferner ist der in Figur 2 dargestellte Transistor 28 weggelassen. Die Basisanschlüsse der Transistoren 23 und 24 in Differentialverstärker 3' sind mit dem negativen Anschluß 251 des Bezugsspannungsgenerators 25 bzw. mit Anschlußpunkt 22 verbunden. Der Basisanschluß des Transistors 36 ist mit den Kollektoranschlüssen der Transistoren 24 und 27 verbunden; der Emitteranschluß des Transistors 36 ist an Anschlußpunkt 22 geführt.

Bei Drehzahländerungen geht die automatische Regelung der Drehgeschwindigkeit beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 in der folgenden Weise vor sich.

1.' Vorgänge bei Erhöhung der Drehgeschwindigkeit: Wenn die Motorgeschwindigkeit schwankt und die Drehzahl einen vorgegebenen Wert überschreitet, übersteigt die elektromotorische Gegenkraft einen bestimmten Wert und damit sinkt das Potential am Anschlußpunkt 22 unter einen bestimmten Wert ab. Durch Verringerung des Potentials am Anschlußpunkt 22 steigt die Basisvorspannung des Transistors 24 im Differentialverstärker 3' an, wodurch die Basisvorspannung größer als die des anderen Transistors 23 wird. Der Kollektorstrom des Transistors 24 steigt dementsprechend an und damit nimmt der Kollektorstrom des Transistors 23 ab; dadurch nehmen auch die Kollektorströme der Transistoren 26 und 27 ab. Die Abnahme des Kollektorstroms des Transistors 27 führt zu einer Verringerung des Basisstroms des Transistors 36, wodurch sein Kollektorstrom abnimmt und deshalb auch die Basisströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12-l4 verkleinert werden. Durch diese Abnahme der Basisströme nehmen die Kollektorströme der zweiten Transistoren 12-l4 ab. Dies hat eine Verringerung des Motorgeschwindigkeit zur Folge. Diese Steuerwirkung zur Verringerung der Drehgeschwindigkeit hält an, bis die elektromotorische Gegenkraft wieder den vorgegebenen Wert erreicht hat. Dann kommen die Basisvorspannungen der Transistoren

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23 und 24 des Differentialverstärkers 3' ins Gleichgewicht.

2.' Vorgänge bei Erhöhung der Drehgeschwindigkeit: Wenn die Motorgeschwindigkeit schwankt und unter einen vorgegebenen Wert abfällt, sinkt die elektromotorische Gegenkraft unter einen bestimmten Wert ab und damit steigt das Potential am Anschlußpunkt 22 über einen vorgegebenen Wert an- Durch diesen Anstieg des Potentials am Anschlußpunkt 22 sinkt die Basisvorspannung des Transistors 2k des Differentialverstärkers 3' ab, wodurch die Basisvorspannung kleiner als die des anderen Transistors 23 wird. Der Kollektorstrom des Transistors 2k nimmt deshalb ab und der Kollektorstrom des Transistors 23 nimmt deshalb zu. Dadurch steigen die Kollektorströme der Transistoren 26 und 27 an. Der Anstieg des Kollektorstroms des Transistors 27 hat zur Folge, daß der Basisstrom des Transistors 36 ansteigt, wodurch sein Kollektorstrom zunimmt und damit auch die Basisströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12-lk zunehmen. Durch diese Zunahme der Basisströme nehmen auch die Kollektorströme der zweiten Transistoren 12-lk zu. Dies hat eine Erhöhung der Drehzahl des Motors zur Folge.

3. Ursache des hohen anfänglichen Drehmoments: Wenn im Falle des in Figur k dargestellten Ausführungsbeispiels der Gleichstrommotor blockiert wird, sinkt die elektromotorische Gegenkraft des Motors auf den Wert null ab. Die Folge ist, daß das Potential am Anschlußpunkt 22 beträchtlich ansteigt. Dieser Anstieg des Potentials hat zur Folge, daß die Basisvorspannung des Transistors 2k abnimmt und daß deshalb sein Kollektorstrom auch abnimmt. Der Kollektorstrom des Transistors 23 und damit auch die Kollektorströme der Transistoren 26 und 27 steigen dementsprechend an. Der Basisstrom des Transistors 36, der auch in den Kollektoranschluß des Transistors 27 fließt, steigt deshalb an. Der Strom I der Konstantstromschaltung 38 ist so eingestellt, daß durch diesen Strom eine Sättigung des Transistors 36 hervorgerufen wird. Wenn die Basisströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12-14 durch die Sättigung des Transistors 36 zunehmen, nehmen auch die Kollektorströme der Transistoren 11-14 zu. ■Das Potential am Anschlußpunkt 22 sinkt dementsprechend ab,

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wodurch dem Gleichstrommotor 9 ein starker Strom eingespeist wird.

Nimmt man an, daß das Verhältnis des Gesamtwerts I , der Kollektorströme der zweiten Transistoren 12-l4 zum Wert des Kollektorstroms I₁₁ des ersten Transistors 11 gleich K ist, d.h., daß K=I /I , so fließt ein Strom, der etwa den K-ten Bruchteil des Motorstroms ausmacht, durch Anschlußpunkt 19 und damit auch in den Kollektoranschluß des Transistors 11. (Es wird angenommen, daß der Gesamtstrom durch Konstantstromschaltung 38 und der Strom durch Bezugsspannungsgenerator 25 gegenüber dem Kollektorstrom des ersten Transistors Ii vernachlässigbar klein sind.) Wählt man daher für den Widerstand 20 den Wert K-R (wobei R den Widerstand

a a

des Gleichstrommotors bedeutet), so können die Potentiale an den Anschlußpunkten 19 und 22 gleich gemacht werden. Der Spannungsabfall am Widerstand ist damit gleich dem Spannungsabfall am Gleichstrommotor 9· In diesem Fall sind die Spannungen an den Basisanschlüssen der Transistoren 23 und 2k nicht einander gleich. Das Potential am Basisanschluß des Transistors 23 sinkt unter das des Transistors 2k um den Wert der Bezugsspannung V ab, die vom Generator 25 erzeugt wird. Durch diese Abnahme der Basisspannung des Transistors 23 wird Differentialverstärker 3' so ausgesteuert, daß er Transistor 23 einschaltet und eingeschaltet hält und Transistor 2k abschaltet und abgeschaltet hält.

Wenn bei einer Blockierung des Motors V die Spannung zwischen Anschlullpunkt 22 und Klemme 30» V die an den Anschlüssen 21

C C

und 30 für die Stromversorgung angelegte Spannung, R den äqui-

GO

valenten Widerstand der Widerstände 16-18 (d.h. den η-ten Teil des Widerstandswerts jeder der Widerstände I6-I8 bei η Widerständen 16-18), R den Innenwiderstand des Gleichstrommotors,

EL

V die Basis-Emitter-Spannung der zweiten Transistoren 12-lk (wenn sie alle eingeschaltet sind), und V „_c die Kollektor-

ces3o

Emitter-Spannung im Sättigungszustand des Transistors 36 bedeuten,

so ist die Spannung V_T durch die folgende Formel gegeben: V -V₁

ν +V

ben c

R eo ben ces3o

eo a cc eo a L ben ces3o ^J

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— ι ( —

Löst man Gleichung (H) na-jh V, auf, so erhält man:

⁷L^e(A ^{+ 1}) = ^eO⁷V⁷OC ~ ^Vcen ^{f 7}ees36 ⁽⁶⁾ Durch eine Umordnung erhält r.an für die Spannung zwischen Anschlußpunkt 22 und Klemme 30:

(R /r )«V + Y, + V
r_T _ ^K eo a^y cc oen cea^b ₍.₇\

ITimmt man für ein Beispiel in der in Figur 4 dargestellten Schaltung an, daß R_a = 6,3 Ω, R₈₀ = 1,0 Ω, V_ben = 0,8 V, V ^g = 0,1 V und V = 4,5 V, so erhält man für die Spannung Ij₁ an den Punkten 22 und 33:

ν - (1.0/6,3)'4,,5 + 0,6 + 0,1 _

^VL * 11,0/6,3) " '^

Der Strom Ιχ zum Zeitpunkt der Blockierung beträgt:

I₁- ^i O)

Setzt man die Werte V_cc = 4,5 V, V_L = 1,39 V und H_a =6,3 ί* in Gleichung (9) ein, so erhält man den hohen Blockierungsstrom I₁ = 0,494 A.

Das anfängliche Drehmoment (j> des Gleichstrommotors erhält man durch Multiplikation der Drehmomentkonstanten K^ = 96 g.cm/A mit dem Blockierungsstrom It:

Setzt man Ιχ = 0,494 A in Gleichung (10) ein, so erhält man für das anfängliche Drehmoment:

<j>_s = 96-0,494 = 47,4 g-cin.

Dieses anfängliche Drehmoment von 47,4 g«cm ist viel größer als der Durchschnittswert von etwa 20 g-crn, der mit bekannten Drehzahlreglern erreicht werden kann.

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Bei der praktischen Ausführung der in Figur k dargestellten Schaltung in Form einer integrierten Schaltung mit Halbleitern muß der pnp-Transistor 3° als bekannter vertikal angeordneter Transistor ausgebildet werden, d.h. Kollektoranschluß, Basisanschluß und Emitteranschluß folgen einander in Vertikalrichtung in Bezug auf die Hauptfläche des Halbleiter-Trägerplättchens. Man erhält dann eine brauchbare Sättigung der zweiten Transistoren 12-i4 und damit einen ausreichenden Blockierungsstrom für den Gleichstrommotor. Die vertikale Ausführungsform ist für den speziellen Zweck aus folgenden Gründen notwendig. Um einen hohen Motorstrom zu erzielen, müssen die Basisströme der zweiten Transistoren 12-14 sehr groß sein, was bedeutet, daß auch der Kollektorstrom des Transistors 3° groß sein muß. Nimmt man als Beispiel an, daß für h__ der zweiten Transistoren 12-l4 ein

Γ CrS

Wert von 50 oder mehr vorliegt und daß der gesamte Motorstrom im gesperrten Zustand O_f494 A beträgt, so muß der gesamte Basisstrom der Transistoren 12-l4, der durch I./h.,,-, gegeben ist, etwa 9,9 mA betragen. Um derartig hohe Basisströme für die Transistoren 12-14 zu erreichen, muß der Kollektor- oder Emitterstrom des Transistors 36 9,9/hpp , mA betragen, wobei h^ /- den Stromverstarkungsfaktor des Transistors 36 bezeichnet. In einer bekannten seitlichen Ausführungsform von pnp-Transistoren, die einen hohen Stromverstarkungsfaktor haben, muß ein starker Basisstrom dem Transistor 36 vom Differentialverstärker zugeführt werden, was große Schwierigkeiten mit sich bringt. Wenn dagegen ein vertikaler pnp-Transistor, der im allgemeinen einen ausreichend hohen Stromverstärkungsfaktor hat, verwendet wird, kann der Basisstrom des Transistors 36 beträchtlich kleiner sein.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines Plattenspielers ergibt sich als Vorteil der rasche Anstieg der Drehgeschwindigkeit, da bei dieser Vorrichtung das maximale steuernde Drehmoment sehr groß ist.

Verwendet man die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Tonbandgerät, so ergibt sich als Vorteil, daß sogar eine beträchtliche Erhöhung der Belastung durch starke Reibung des Bandes nicht zur Blockierung des Motors führt, da das anfängliche Drehmoment sehr hoch ist.

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Claims

KLAUS D. KIRSCHNER WOLFGANG GROSSE DIP L.-PHYSIKER D I P L-I N G E N I E U R HERZOG-WILHELM-STR. 17 D-8 MÜNCHEN 2 .HR ZEICHEN VCUR REFERENCE .NSERZBCHEN. H 3325 K/kn Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.OURREFERENCE: 1oo6, Oaza-Kadoma, Kadoitia City, Osaka Pref., Japan datum: 13. November 1978 Vorrichtung zur Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren Patentansprüche

1.) Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommo- » s

tors, gekennzeichnet durch einen ersten Transistor (ll), dessen Kollektoranschluß über einen ersten Widerstand (20) mit einem ersten Ende (21) einer Stromquelle und dessen Emitteranschluß über einen zweiten Widerstand (15) mit dem zweiten Ende (30) einer Stromquelle verbunden ist; einen oder mehrere zweite Transistoren (12-1*1) des gleichen Leitfähigkeitstyps wie der erste Transistor (ll), deren Basisanschlüsse mit dem Basisanschluß des ersten Transistors (ll) verbunden sind, deren Kollektoranschlüsse über den Gleichstrommotor (9) mit dem ersten Ende (2l) der Stromquelle verbunden sind, und deren Emitteranschlüsse durch dritte Widerstände (16-I8) mit dem zweiten Ende der Strom quelle verbunden sind; einen Differentialverstärker (3') mit einem Paar von Transistoren (23j 24) des gleichen Leitfähigkeitstyps, deren Emitteranschlüsse zusammengeschaltet sind und

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über eine Konstantstromschaltung (lOl) mit dem Kollektoranschluß des ersten Transistors (ll) verbunden sind, wobei der Basisanschluß eines ersten des Paares von Transistoren (23» 2-1) mit den Kollektoranschlüssen der zweiten Transistoren (l2-lA) verbunden ist und der Basisanschluß des zweiten des Paares von Transistoren (23, 24) über eine Bezugsspannungsquelle (2.5) mit dem Kollektoranschluß des ersten Transistors (ll) verbunden ist; einen dritten Transistor (33)» dessen Emitteranschluß mit den üasisanschlüssen des ersten Transistors (ll) und der zweiten Transistoren (12-1.4) verbunden ist, um die Basisströme bei Veränderungen des Kollektorstroms einer der Transistoren (23 oder 24) des Differentialverstärkers (3') zu steuern; und einen veränderlichen Widerstand (34) zur Drehzahlregelung, der zwischen den Kollektoranschluß des ersten Transistors (ll) und die Kollektoranschlüsse der zweiten Transistoren (l2-l4) geschaltet ist.

2. Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Transistoren (l2-l4) aus einer bestimmten Anzahl parallel geschalteter Transistoren mit gleichen Kennlinien bestehen, deren Kollektoranschlüsse zusammengeschaltet sind und deren Emitteranschlüsse über gleichartige Emitterwiderstände zusammengeschaltet und mit dem zweiten Ende der Stromquelle verbunden sind.

3· Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (20) und der veränderliche Widerstand (34) zur Drehzahlregelung äußere Widerstände sind, während der Rest der Schaltung aus einer monolithischen integrierten Halbleiterschaltung besteht, und daß die äußeren Widerstände an bestimmte Anschlüsse dieser monolithischen integrierten Halbleiterschaltung angeschlossen sind.

4. Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoranschlüsse der Transistoren des Differentialverstärkers (3*) mit entsprechenden Kollektoranschlüssen anderer Transistoren (26, 27) verbunden sind, die so geschaltet sind, daß sie eine

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spiegelbildliche Schaltung zum Differentialverstärker bilden.

5· Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Verhältnis K des Gesamtwerts I , der Kollektorströme der

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zweiten Transistoren (12-14) zum Kollektorstrom I .. des

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ersten Transistors (ll) (K = I /I ) der Widerstandswert des ersten Widerstands K mal so groß wie der Innenwiderstand des Gleichstrommotors (9) gewählt wird.

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