DE1924233C3 - Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines rotierenden Elementes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines rotierenden Elements, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Signals entsprechend der Drehbewegung des rotierenden Elements, ferner mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Sägezahnsignals entsprechend dem frequenzmodulierten Signal, weiterhin mit einer Einrichtung zur Steuerung der Drehzahl des rotierenden Elements mit dem SägezahnsignaL

Die bekannten Vorrichtungen zur Drehzahlregelung der vorstehend genannten Art sind mit dem Nachteil behaftet, daß sich die Drehzahl nicht innerhalb eines sehr weiten Bereiches regeln läßt, daß die Folgeeigenschaften der Regelschaltung avht zufriedenstellend sind und daß sich uie Regelschaltung nur mit großen Schwierigkeiten als integrierte 5-haltung ausbilden läßt

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch einen weiten Drehzahlregelbereich auszeichnet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zur Änderung der Neigung des Sägezahnsignals vorgesehen ist

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung veranschaulicht Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Drehzahlregelungsvorrichtung,

F i g. 2 eine Anzahl von Diagrammen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung der F i g. 1,

Fig.3 ein Prinzipschaltbild eines weiteren Ausfüh rungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 4 eine Anzahl von Diagrammen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß F i g. 3.

Die Schaltung gemäß Fig. 1 enthält einen Signalgenerator I, der auf der sich drehenden Welle eines Motors M sitzt und sich mit dieser Welle dreht Der Signalgenerator 1 liefert ein Signal Si (vgl. F i g. 2A) das eine Frequenzmodulation entsprechend der Winkelgeschwindigkeit des Motors M aufweist Das frequenzmodulierte sinusförmige Signal 5t wird einem Signalformkreis 2 zugeführt, der beispielsweise durch einen npn· Transistor Tn gebildet wird, und der ein rechteckförmiges Signal S₂ liefert das in Fig.2B dargestellt ist und das dem frequenzmodulierten Signal Si entspricht Das Signal S₂ wird einem Differentiationskreis 3 zugeführt, der einen Kondensator G und einen Widerstand R\ enthält. Dieser Kreis liefert infolgedessen durch Differentiation Impulse S3 und S₄ an der Anstiegs- bzw. Ab

fallflanke des Signals S₂ (vgl. F i g. 2C).

Die Impulse S3, St werden einem Sägezahngenerator 4 zugeführt Dadurch erhält man ein Sägezahnsignal S₅ (vgl. F i g. 2D), dessen Periode der des Impulses S₃ entspricht und dessen Scheitelwert demgemäß von der Periode abhängt

In diesem Falle ist die Neigung des Sägezahnsignals S₅ variabel gemacht Zu diesem Zweck ist eine veränderbare Ladezeitkonstante des Signals S₅ "orgesehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kollektor des Transistors Tr₂ des Generators 4 mit einem Kontakt Sf eines Umschalters S verbunden, während drei Gegenkontakte Svi, Sy₂ und Sv3 des Schalters S mit einem Stromquellenanschluß 6a über Reihenwiderstände Ä10, R₂O und Λ30 in Verbindung stehen, die jeweils aus den Widerständen An, R₂i, Rn und den veränderbaren Widerständen R\₂, R₂₂ und Rn bestehen.

Bei einer solchen Anordnung hat eine Umschaltung des Schalters Soder eine Einstellung der veränderbaren Widerstände R\₂, R₂₂, Rj₂ eine Änderung der Ladezeitkonstante zur Folge, wodurch die Neigung des Sägezah.isignals S₅ geändert wird. Man kann diesen Zweck natürlich ohne Änderung des Widerstandswertes des veränderlichen Widerstandes auch dadurch erreichen, daß Jm Kondensator G des Generators 4 als variabler Kondensator ausgebildet wird oder daß eine Anzahl von Kondensatoren an Stellt; des Kondensators G umgeschaltet werden ader daß schließlich sowohl die Widerstände als auch die Kondensatoren einstellbar ausgebildet werden.

Zweckmäßig verbessert man die Linearität des Sägezahnsignals S₅ durch einen positiven Rückkopplungskreis, in dem das Kollektor-Ausgangssignal des Transistors Tr₂ der Basis des Transistors Tn zugeführt wird, während das Emitter·Ausgangssignal des Transistors Th über einen Kondensator C3 einem Kollektor-Las tkreis des Transistors Tr₂ zugeführt wird.

Das Sägezahnsignal S₅ gelangt an die Basis eines Transistors Tu eines Differentia!-Verstärkerkreises, der die Transistoren Tr·, und 7h beispielsweise eines Vergleichskreises 5 enthält

Der Differential-Verstärkerkreis kann so ausgebildet sein, daß der Basis des Transistors Trs eine Bezugs-Gleichspannung ^zugeführt wird, die durch Spannungsteilung beispielsweise der aim Anschluß 6a vorhandenen Speisespannung mittels des veränderlichen Widerstandes Ri und der Widerstände R3 und Ra gewonnen wird; hierbei wird der Verbindungspunkt der Emitter der Transistoren Tn und Tr₄ mit dem anderen Anschluß %b der Speisespannungsquelle über einen Emitterwiderstand Rj verbunden.

Das der Basis des Transistors Tn zugeführte Sägezahnsignal Ss wird daher mit der Summe E\ einer Spannung verglichen, die nn den Emittern der Transistoren Tr₄ und Trs durch die erwähnte Bezugs-Gleichspannung E (die der Basis des Transistors Th zugeführt wird) und einen Vorwärts-Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter des Transistors Tr₄ geliefert wird Auf diese Weise nimmt man beispielsweise vom Kollektor des Transistors Tr₄ ein Signal Sj' (vgl. Fig.2D')ab.

Im Differential-Verstärkerkreis kann man erforderlichenfalls die Amplitude de» Signals S₅' dadurch einstellen, daß der Widerstand R₂ veränderlich gestaltet wird, wodurch die Bezugs-Gleichspannung E variiert werden kann. Dies führt zu Änderungen in der Impulsbreite eines nachstehend beschriebenen Signals Se und ermöglicht eine Einstellung der Umdrehungszahl

des Motors M. Die Differentialverstärkerverbindung der Transistoren Tr* und Tis führt ferner zu einer Verringerung der Drehzahländerung des Motors durch den Einfluß, den Schwankungen der Umgebungstemperatur auf das Signal S₅' ausüben. Das Signal S₅' ist eine Dreieckwelle mit veränderlichem Scheitelwert Um dieses Dreiecksignal Ss' in eine Rechteckwelle mit modulierter Breite umzuwandeln, wird das Signal Ss beispielsweise der Basis eines Emitterfolge-Transistorverstärkers zugeführt, der einen Transistor Tr₆ enthält >°

Das hierdurch verstärkte Ausgangssignal wird einem Impulsbreite-Modulatorkreis 7 zugeführt

Dieser Kreis 7 ist beispielsweise mit einem npn-Transistor Trj versehen, dessen Emitter direkt mit dem Spannungsanschluß 6b verbunden ist, während der Kollektor mit dem Anschluß 6a Ober einen Kollektor-Lastwiderstand verbunden ist Die Basis ist mit dem Emitter beispielsweise des erwähnten Transistors Tre (oder mit dem Kollektor des Transistors Tr*) wenigstens über eine Zener-Diode Zo verbunden.

Der Transistor Tn ist infolgedessen leitend, wenn der Wert des Signals 5s' die Summe der Zener-Spannung der Zener-Diode Zo und des Durchlaß-Spannungsabfalles zwischen Basis und Emitter des Transistors Tn übersteigt; der Transistor Tn ist dagegen nicht leitend, wenn das Signal Ss' kleiner als die Summe dieser Spannungen wird. Der Impulsbreite-Modulatorkreis 7 erzeugt infolgedessen ein Rechteckwellen-Vergleichssignal Ss (vgl. Fig.2E), dessen Impulsbreite entsprechend dem Scheitelwert des Dreiecksignals Ss' moduliertist

Bei der obigen Anordnung kann die Frequenz, die einen Impuls Ss einer Amplitude zuführen kann, die den Start der Impulsbreite-Modulation des Impulsbreite-Modulationskreises ermöglicht, d. h. die Frequenz des Ausgangssignals Si des Signalgenerators 1 in Abhängigkeit von der Bezugs-Gleichspannung bestimmt werden, die der Basis des Transistors Trs des Differenzverstärkerkreises zugeführt wird. Zusätzlich wird der Bezugswert, d.h. die Umdrehungszahl des Motors, entspre- chend der Summe £2 der Zener-Spannung der Zener-Diode Zd des Impulsbreite-Modulatorkreises 7 und des Durchlaß-Spannungsabfalles zwischen Basis und Emitter des Transistors Tn eingestellt; ein Emitterfolge-Transistorkreis wird als Puffer zwischen den Differenzverstärkprkreis und den Impulsbreite-Modulationskreis geschaltet, um dadurch eine ausreichende Schaltwirkung des Impulsbreite-Modulatorkreises zu gewährleisten.

Der Grund für die Gewinnung des Bezugswertes in so zwei Stufen liegt in der Verbesserung der Servosteuerungs-Empfindlichkeit durch Erhöhung der Anstiegssteilheit des Signals, das einem im folgenden beschriebenen Integrationskreis 8 zugeführt wird, wenn die Umdrehungszahl des Motors den eingestellten Wert übersteigt

Das vom Vergleichskreis 5 gewonnene Signal Ss bzw. Sj' ist eine Dreieckwelle, deren Höhe und Basis sich ändern; der Anstieg des Signals S₅ bzw. S₅' ist daher nicht besonders scharf; dies stellt besonders dann ein Problem dar, wenn eine genaue Servosteuerung gewünscht wird. Zur Lösung dieses Problems wird bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel das Signal 5s bzw. Ss' durch den Impulsbreite-Modulatorkreis in ein in seiner Impulsbreite moduliertes Signal 5« umgeformt, dessen Scheitelwcrt konstant ist, dessen Impulsbreite sich jedoch bei einer Änderung der Basis des Signals S₅ bzw. 5s' entsprechend ändert

Da der Scheitelwert des Signals Ss am Anstieg gleich groß wie bei den folgenden Impulsen ist, kann der Anstieg des Signals steil gemacht werden; der Welligkeitsfaktor des durch den Integrationskreis 8 integrierten Wertes kann dadurch verringert werden, daß die Zener-Spannung der Zener-Diode so ausgewählt wird, daß die Impulsbreite des in seiner Impulsbreite modulierten Signals etwa der Basislänge der Dreieekwelle entspricht Wenn derselbe Welligkeitsfaktor zulässig ist, kann die Integrationszeitkonstante verringert werden, was eine erhöhte Fulgecharakteristik der Servosteuerung gewährleistet

Der Anstieg und Abfall des Signals S4 kann dadurch verbessert werden, daß der Kollektor des Transistors Tn wie dargestellt über den Widerstand Re mit der Basis des Transistors Tr* verbunden wird und daß das rechteckförmige Vergleichssignal Sg in einer positiven Rückkopplung vom Transistor Tr₆ zu der vorausgehenden Stufe zurückgeführt wird.

Das rechteckförmige Vergleichssignal Se wird einem Tiefpaßfilter zugeführt, d.h. dei:: Integrationskreis 8, der aus einem Widerstand A₅ und ei;.em Kondensator Ci besteht und ein Gleichspannungssignal liefert das in F i g. 2F dargestellt ist Es entspricht der Impulsbreite des rechteckförmigen Vergleichssignals Se, ist also ein demeduliertes Signal Si des frequenzmodulierten Signals Si des Signalgenerators 1 (vgl. Fig.2A). Das demodulierte Signal Si wird einem Gleichspannungsverstärker 9 zugeführt, der die Transistoren Tr% und Trs enthält Der Motor Mliegt beispielsweise zwischen dem Kollektor eines Ausgangstransistors 7>g des Gleichspannungsverstärkers 9 und dem Speisespannungsanschluß 6a und wird mit einem Strom gespeist, der vom Wert des Gleichspannungssignals Sj abhängt, das dem Verstärker 9 zugeführt wird.

Bei der obigen Anordnung bewirkt ein Anstieg in der Drehgeschwindigkeit des Motors Meine Vergrößerung der Frequenz des vom Sigiialgenerator 1 gelieferten, frequenzmodulierten Signals Si, wodurch die Periode des differenzierten Impulses S₃, d. h. die Wiederholungsperiode des Sägezahnsignals S₅ verkürzt wird. Dies führt zu einer Verringerung des Scheitelwertes des Sägezahnsignals S₅, wodurch die Impulsbreite des rechteckförmigen Vergleichssignais S₆ den Wert der dem Gleichspannungsverstärker 9 zugeführten Gleichspannung S₇ verringert Infolgedessen verkleinert sich der Kollektorstrom des Ausgangstransistors Tr$ und damit der durch den Motor fließende Strom, so daß sich die Motordrehzahl verringert Eine Verkleinerung der Drehgeschwindigkeit des Motors Af bewirkt demgegenüber eine Vergrößerung des dem Motor zugeführten Stromes und damit eine Erhöhung seiner Drehzahl. Ein Selbststart des Motors M ist möglich; seine Drehzahl wild stets auf einem konstanten Wert gehalten.

Mit dem beschriebenen Drehzahl-Regelsystem kann eine stabile und sehr empfindliche Regelung erreicht werden; da die Neigung des Sägezahnsignals S₅ veränderbar ist, kann die Bezugsdrehzahl des rotierenden Teiles, beim dargestellten Ausführungsbeispiel also die Bezugsdrehzahl des Motors, in einem weiten Bereich gewählt werden.

Selbst wenn die Drehzahl des Motors unveränderlich ist, ist das frequenzmodulierte Signal 5_t oft leicht amplitudenmoduliert, wie in Fig.2A durch die gestrichelte Linie Si' -,ngedeutet ist Dies beruht auf einer Verschiebung der Signalgeneratoreinheit zwischen dem magnetischen Zentrum des Rotors und dem des Stators, was durch eine Änderung des axialen Druckes der

Motorwelle verursacht wird. Wenn nun das rechteckförmige Signal S₂ in der erläuterten Weise durch Umformung der Wellenform des Signals Si erzeugt wird, so besteht die Möglichkeit, daß sich die Impulsbreite des Signals auch dann ändert, wenn die Frequenz des Signals Si sich nicht geändert hat. Nimmt man an, daß die Periode des Signals S₂ beispielsweise im Anstiegsteil mit der des frequenzmodulierten Signals Si übereinstimmt, so liegt dann keine Übereinstimmung der Periode des Signals S₂ im abfallenden Teil mit der des Signals Si vor. Wird also ein Servosignal (das Signal Ss in F i g. 2) erzeugt, in dem sowohl der Anstieg und der Abfall des Signals Sj benutzt wird, so ergibt sich ein Fehler, der die Erzielung eines genauen Vergleichs-Ausgangssignals unmöglich macht; bei Steuerung der Drehzahl eines Motors würde sich dadurch eine (unerwünschte) Änderung der Motordrehzahl einstellen.

Bei dem erfindungsgemiäßen Drehzahl-Steuersystem wird dagegen das frequienzmodulierte Signal Si, das entsprechend der Drehbewegung des rotierenden Teiles, beim dargestellten Ausführungsbeispiel also des Motors erzeugt wird, in seiner Wellenform so umgeformt, daß sich das rechteckförmige Signal S₂ ergibt; der Sägezahngenerator 4 wird dabei durch einen der beiden differenzierten Impulse S₁ oder S» des Signals Sj (in der Anstiegs- oder Abfallflanke) ausgesteuert; beim dargestellten Ausftlhrungsbeispiel nur durch den differenzierten Impuls .Sj. Dadurch ergibt sich ein Sägezahnsignal S₅ und damit ein rechteckförmiges Vergleichssignal S₆ pro Periode des frequenzmodulierten Signals Si. Selbst wenn daher das frequenzmodulierte Signal Si eine Amplitudenmodulation aufweist, wodurch sich der differenzierte Impuls, beispielsweise S₄, ändert, besteht nicht die Gefahr, daß eine Änderung des Impulses S₄ als Fehlerkomponente auftritt. Das erfindungsgemäße Drehzahl-Regelsystem zeichnet sich daher durch eine besonders hohe Genauigkeit aus und gewährleistet eine stabile Steuerung des Motors, die durch Änderungen der Belastung der Motorwelle nicht beeinflußt wird.

Wie oben erläutert wurde, ist die Bezugsdrehzahl des Motors M abhängig von der Neigung des Sägezahnsignals Ss, der Summe £1 der Emitterspannungen der Transistoren Tn und Tr₅ und dem Durchlaß-Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter des Transistors Tr₄ sowie von der Summe £j der Zener-Spannung der Zener-Diode Zo und des Durchlaß-Spannungsabfalles zwischen Basis und Emitter des Transistors Tn. Erfindungsgemäß sind jedoch Maßnahmen zur Ände- 5» rung der Neigung desSsigezahnsignals S₅ vorgesehen, d. h. Maßnahmen zur Änderung der Ladezeitkonstante des Signals S₅, so daß die EtezugsHrehzahl des Motors M beliebig in einem weiten Bereich geändert werden kann, indem der Schalter S entsprechende Widerstände Äio, 5$ R20 bzw. R_x auswählt

Da sich die Ströme und Spannungen in dem Regelsystem nur intermittierend ändern, ergibt sich eine geringe Wärmeentwicklung; das Drehzahlregelsystem kann infolgedessen ohne weiteres in Form einer ^ integrierten Schaltung aufgebaut werden. In Fig.3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, das in seinem prinzipiellen Aufbau weitgehend der Anordnung gemäß Fig. 1 entspricht; gleiche Elemente sind demgemäß mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und im einzelnen nicht näher erläutert. Die Schaltung der Fig.3 ist insofern gegenüber der der F i g. I vereinfacht, als der Sägezahngenerator 4 nur einen Transistor Tr₂ enthält und der aus dem Transistor Tr₆ und der Zener-Diode Z_D (Fig. I) bestehende Emitterfolge-Transistorverstärker weggelassen ist. Die Zener-Diode Zd ist zur Stabilisierung der Speisespannung vorgesehen.

Die prinzipielle Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 3 entspricht der der Fig. 1. In Fig.4 sind die einzelnen Spannungen in gleicher Weise wie in Fig.2 bezeichnet. Ein Sägezahnsignal Ss (vgl. Fig.4D), das von einem Sägezahngenerator 4 abgeleitet ist, wird der Basis eines Transistors Tr₄ eines Differenzverstärkers zugeführt, der aus den Transistoren Tr₄ und Tr$ eines Vergleichskreises 5 besteht Das Signal Si wird mit der Summe E\ der Emitierspannungen der Transistoren Tr₄ und 7h und des Durchlaß-Spannungsabfalles zwischen Basis und Emitter des Transistors Tr₄ (wie im Fall der F i g. I) verglichen, so daß am Kollektor des Transistors Tr₄ ein Signal Ss' (vgl. F i g. 4D') erzeugt wird und an der Basis eines Transistors Tn ein Signal S₅" (Fig.4D") entsteht Das resultierende Signal S₅" wird mit dem Durchlaß-Spannungsabfall E₂ zwischen Basis und Emitter des Transistors Tn verglichen und ergibt am Kollektor des Transistors Tn ein rechteckförmiges Vergleichssignal S₆ (F i g. 4E). Die folgenden Vorgänge entsprechen dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1.

Auch mit der Anordnung der F i g. 3 kann eine stabile und sehr empfindliche Regelung erreicht werden; die Bezugsdrehzahl des Motors M kann beliebig in einem weiten Bereich geändert werden, indem mittels des Schalters S(wie im Falle der Fig. 1) die Neigung des Sägezahnsignals S₅ variiert wird.

Wenngleich bei den erläuterten Ausführungsbeispielen das Sägezahnsignal S₅, das vom Generator 4 geliefert wird, dem Vergleichskreis 5 zugeführt und das aus dem Vergleich dieses Signals S₅ mit der Bezugsgleichspannung gewonnene, rechteckförmige Vergleichssignal S₆ einem Integrationskreis 8 zugeführt wird, so kann man statt dessen auch das Sägezahnsignal vom Generator 4 dem Integratioriskreis zuführen und das Ausgangssignal des Integrationskreises zum Zwekke des Vergleiches mit der Bezugsgleichspannung dem Vergleichskreis zuführen.

Die Erfindung wurde an Hand des Falles erörtert daß ein entsprechend der Winkelgeschwindigkeit des Motors M frequenzmoduliertes Signal von einem auf der rotierenden Welle des Motors M angeordneten Signalgenerator 1 geliefert und zur Regelung der Drehzahl des Motors demoduliert wird. Das frequenzmodulierte Signal kann jedoch auch nach anderen Verfahren gewonnen werden. Die Erfindung ist ferner ganz allgemein zur Drehzahlregelung rotierender Teile geeignet, beispielsweise von Motoren, Antriebswellen, beispielsweise von Vorrichtungen zur magnetischen Aufzeichnung und Wiedergabe, wobei eine auf einer Drehwelle des rotierenden Teiles angeordnete Bremse gesteuert werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines mit verschiedenen SoUdrehzahlen rotierenden Elements, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Signals entsprechend der Drehbewegung des rotierenden Elements, ferner mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Sägezahnsignals entsprechend dem frequenzmodulierten Signal, weiterhin mit einer Einrichtung zur Steuerung der Drehzahl des rotierenden Elements mit dem Sägezahnsignal, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (S, Rio, R₂O, Rx) zur Änderung der Neigung des Sägezahnsignals vorgesehen ist