ELECTRONIC CONTROL AND REGULATING DEVICE

Abstract: An electronic control and regulating device is proposed which reacts to changes in the input voltage as well as increasing the effective motor voltage counteracting the expected speed drop, in the event of a change in the motor lead, for example in the event of an increase in the torque. The control and regulating device has a feedback path for this purpose which consists of at least two elements, one element of which is used for storage and other elements being used for propagation time delay of the load-dependent signal which is to be fed back. <IMAGE>

Description: Elektronische Steuer- und Regeleinrichtung Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Steuer- und Regeleinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 23 25 256 ist bereits eine Steuer- und Regelungseinrichtung bekannt, die sowohl auf Änderungen der Eingangsspannung reagiert als auch bei Änderungen der Motorbelastung die effektive Motorspannung erhöht, so dass einem Drehzahlabfall entgegengearbeitet wird. Diese Schaltung hat sich als sehr betriebssicher erwiesen, jedoch tritt der Regelungseffekt in Abhängigkeit von der Motorbelastung in den Hintergrund bezüglich des Regelungseffektes, der durch eine Änderung der Eingangsspannung hervorgerufen wird. Insbesondere die Belastungsregelung erfüllt daher nicht alle Erwartungen, insbesondere im Bereich niedrigerer Drehzahlen. Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemässe Steuer- und Regelungseinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass zur Regelung zusätzlich zur Ankerrestspannung die Phasenverschiebung zwischen dem Motorstrom und der Eingangsspannung herangezogen wird. Dies bewirkt, dass eine sehr zuverlässige Regelung mit einer hohen Regelungsdynamik gegeben ist, die auch bei niederen Motordrehzahlen sicher arbeitet. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Steuer- und Regeleinrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, die Kette aus RC Gliedern zu bilden. Hierdurch wird die erfindungsgemässe Einrichtung besonders preisgünstig, so dass sie auch in kleine Verbrauchsgüter, beispielsweise elektrische Werkzeuge oder Haushaltsmaschinen, einsetzbar ist. Die weiteren Unteransprüche zeigen Möglichkeiten auf, wie durch aufwendigere Sample- und Hold-Schaltungen bzw. aktiven elektrischen Laufzeitschaltungen ein optimales Ergebnis erzielbar ist. Zwar sind so ausgebildete Schaltungsanordnungen aufwendiger, jedoch lassen sich dadurch besondere Gegebenenheiten des Motors auf einfache Art und Weise berücksichtigen und ausjustieren. Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Beschreibung des Ausführungsbeispiels An den Klemmen 1 und 2 des Ausführungsbeispiels liegt die Netzwechselspannung U1 an. Die Netzwechselspannung gelangt über den Triac 10 zur Klemme 3. Zwischen den Klemmen 2 und 3, an denen der Universalmotor 5 angeschlossen ist, ist die Wechselspannung U2 abgreifbar, die von der Regelungsschaltung bestimmt wird. Der Triac 10 wird über eine an sich bekannte Triggerdiode 9 gezündet, die an seinem Steuergitter angeschlossen ist. Der Zündkreis weist eine Zündschaltung bestehend aus einer Reihenschaltung des Kondensators 8, dem einstellbaren Widerstand 7 und dem Widerstand 6 auf, die in ihrer Gesamtheit parallel zum Triac 10 geschaltet ist. Zwischen dem Kondensator 8 und dem Widerstand 7 ist die Triggerdiode 9 angeschlossen. An die Klemme 1 ist weiterhin ein Widerstand 17 angeschlossen, der mit einem Kondensator 18 in Reihe geschaltet ist. Der Kondensator 18 steht seinerseits mit den Basen zweier Transistoren 12 und 15 in Verbindung. Die Emitter der Transistoren 12 und 15 sind miteinander verbunden und über einen Widerstand 13 zur Klemme 3 geführt. An die Kollektoren der Transistoren 12 und 15 ist jeweils antiparallel eine Diode 14 bzw. 11 angeschlossen, die ihrerseits an den Abgriff zwischen dem Kondensator 8 und dem Widerstand 7 angeschlossen sind. Von der Klemme 2 ausgehend führt ein Widerstand 20 und ein Widerstand 21 sowie ein Widerstand 16 in Reihenschaltung ebenfalls zu den Basen der Transistoren 12 und 15. Zwischen dem Widerstand 20 und 21 ist ein Kondensator 22 und zwischen dem Widerstand 21 und 16 ein Kondensator 23 angeschlossen, deren weiterer Anschluss wiederum mit der Klemme 3 verbunden ist. Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung soll nun im folgenden näher erläutert werden. Steigert man die Eingangsspannung U1 von 0 beginnend, dann folgt die Spannung U2 mit annähernd konstantem Spannungsabstand der Grenzlinie U2 = U1. Da die Schaltung transformatorlos und mit Phasenanschnitt arbeitet, kann die Spannung U2 die Spannung U1 nicht erreichen bzw. überschreiten. Erreicht die Spannung U1 einen bestimmten Wert, dann setzt der Regelvorgang ein. Dies äussert sich darin, dass eine weitere Steigerung von U1 keine weitere Zunahme von U2 zur Folge hat. Die Ausgangsspannung bleibt weitgehend konstant. Der Regeleffekt wird dadurch erreicht, dass der Stromflusswinkel des Triac 10 von einem Maximalwert kontinuierlich verkleinert wird, sobald die Spannung U7 einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dies wird dadurch erreicht, dass der Zündkondensator 8 über die Widerständen 6 und 7 abwechselnd positiv und negativ geladen wird. Erreicht die Kondensatorspannung den Wert der Durchbruchsspannung der Triggerdioden 9, dann wird der Kondensator 8 über die Triggerdiode 9 und den Gatestromkreis des Triac 10 entladen, der Triac zündet. Mit dem jetzt beschriebenen Schaltungsteil ergibt sich ein Verbraucherstrom, dessen Stromflusswinkel von der Amplitude der Netzwechselspannung U1 praktisch unabhängig ist. Damit die effektive Verbraucherspannung konstant bleibt, ist jedoch eine Abnahme des Stromflusswinkels bei zunehmender Amplitude der Netzwechselspannung Ul und umgekehrt erforderlich. Die Einstellung des Stromflusswinkels wird dadurch erreicht, dass der Ladestrom des Kondensators 8 beeinflusst wird. Ein Teil des Ladestroms wird in Abhängigkeit von der Amplitude der Spannung Ul über die Dioden 11, 14, die Transistoren 12, 15 und den Widerstand 13 abgeleitet. Mit zunehmender Amplitude der Wechselspannung U1 wird somit die Ladegeschwindigkeit des Kondensators reduziert. Der Zündzeitpunkt wird zurückverlegt und damit der Zündwinkel verkleinert. Der Abfluss des Teilladestroms erfolgt bei positivem Wert der Spannung U1 über den pnp-Transistor 12 und bei negativem Wert über den npn-Transistor 15 zur Klemme 3 hin. Die beiden Transistoren 12, 15 bilden ein komplementäres Transistorpaar im Parallel-Gegentaktbetrieb. Der Emitterwiderstand 13 erzeugt eine Gegenstromkopplung, mit der die Stromverstärkung der Transistoren auf das geeignete Mass herabgesetzt und linearisiert wird. Die Dioden 11 und 14 dienen zum Entkoppeln der Kollektoren der beiden Transistoren 12 und 15. Ohne diese Dioden würde der Strom nicht über die Kollektor-Emitter-Strecke des betreffenden gesteuerten Transistors, sondern über die Kollektor-Basis-Strecke des gegenüberliegenden Transistors unkontrolliert abfliessen. Damit die Spannung U2 konstant bleibt, muss der abfliessende Teilladestrom im Zeitpunkt zwischen den Nulldurchgängen der Spannung U1 und dem Zündzeitpunkt des Triacs 10 so gesteuert werden, dass sich bei einer Änderung der Wechselspannung U1 am Anfang jeder Halbwelle eine grössere Änderung des Stromflusswinkels und gegen Ende jeder Halbwelle eine kleine Änderung ergibt. Dies wird durch die Ansteuerung der Transistoren durch die Elemente 17 und 18 erreicht. Die Spannung U1 wird abgegriffen und diesem RC-Glied zugeführt. Der durch das RC-Glied fliessende Strom weist gegenüber der Spannung U1 eine voreilende Phasenverschiebung auf und erzeugt an dem Widerstand 16 eine Spannung, die gegenüber der Spannung U1 ebenfalls um einen vorgegebenen Winkel voreilend ist. Die an dem Widerstand 16 anliegende Spannung, durch die das Transistorenpaar 12, 15 und damit der über die Transistoren 12, 15 fliessende Teilladestrom gesteuert wird, weist aufgrund der Phasenverschiebung nach dem Nulldurchgang von U1 in jeder Halbwelle eine Maximum auf und klingt nach dem Maximum von U1 wieder bis 0 ab. Damit wird erreicht, dass eine Spannungskonstanz gegeben ist. Die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung kann noch dadurch erhöht werden, wenn parallel zum Widerstand 7 und dem Kondensator 8 eine Stabilisierungsschaltung, beispielsweise mit Zenerdioden geschaltet ist. Zur Ausregelung der Motorbelastung dient der zweite Steuerzweig mit den Widerständen 20 und 21 und 16, sowie den Kondensatoren 22 und 23. Bei dieser Schaltungsanordnung wird zur Regelung neben der Ankerrestspannung die Phasenverschiebung zwischen dem Motorstrom im Motor 5 und der Speisespannung Ul herangezogen. Diese Phasenverschiebung ist lastabhängig, wobei die Phasenverschiebung mit wachsendem Strom grösser wird. Der Strom ist gegenüber der Spannung U1 nacheilend. Aufgrund der Wirkungsweise des Triacs 10 wird der Motor 5 erst vom Netz getrennt, wenn der Strom seinen Nulldurchgang hat, während die voreilende Spannung U1 bereits betragsmässig wieder ansteigt. Im Zeitraum zwischen dem Spannungsnulldurchgang und dem Stromnulldurchgang entsteht daher zwischen den Klemmen 2 und 3 ein Winkel und damit ein lastabhängiger Sinusspannungsrest, der in der Polarität mit der neu beginnenden Halbwelle identisch ist. Dieser Sinusrest ist der generatorischen Ankerrestspannung überlagert, tritt aber im Gegensatz zu dieser nur sehr kurzzeitig auf. Der Sinusrest ist als Signal für die Regelung gut geeignet, muss aber zeitlich gespeichert und verlängert werden, wenn er für die Regelung wirksam werden soll. Dieser Sinusrest wird nun in die RC-Kette mit den Widerständen 20 und 21 und den Kondensatoren 22 und 23 eingespeist. Die RC Kette bewirkt eine Speicherung und Glättung des Signais kombiniert mit einer Laufzeitverzögerung hin zu der Basis der Transistoren 12 und 15. Um besonders wirksam in die Drehzahlregelung eingreifen zu können, muss der Ladevorgang des Kondensators 8 möglichst im gesamten Zeitraum zwischen dem Stromnulldurchgang dem darauf folgenden Zündzeitpunkt beeinflusst werden. Die Speicherung und Verzögerung des Sinusrestes ist daher so auszuwählen, dass diese Bedingung erfüllt ist. Dies ist insbesondere bei kleinen Motordrehzahlen kritisch, da hier der Zündzeitpunkt zeitlich sehr weit vom Stromnulldurchgang entfernt ist, so dass sich die Wahl der Verzögerung insbesondere daran orientieren muss, bei welchen unteren Motordrehzahlen noch eine gute Regelung angestrebt ist. Während die Speicherung insbesondere durch den Kondensator 22 bewirkt wird, wird die Laufzeitverzögerung durch den Widerstand 21 und dem Kondensator 23 erreicht. Werden grössere Laufzeitverzögerungen benötigt, so ist es möglich, weitere RC-Glieder anzuschliessen, bis die notwendige Laufzeit erreicht ist. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, andere Schaltungsanordnung für die Speicherung bzw. die Laufzeitverzögerung zu verwenden. Zur Speicherung eignen sich beispielsweise besonders Sampleund Hold-Schaltungen und für die Laufzeitverzögerung aktive Laufzeitschaltungen, z.B. Eimerkettenschaltungen, mit denen sehr grosse Laufzeiten auch bei Verwendung von kleinen Kondensatoren realisierbar sind. Durch die Schaltungsanordnung wird erreicht, dass nicht nur eine Regelung bei einer Änderung. der Eingangsspannung U1 erfolgt, sondern dass auch eine lastabhängige Regelung gegeben ist, wobei die lastabhängige Regelung im beschriebenen Ausführungsbeispiel dominant ist. Je nach Anwendungsgebiet ist es jedoch möglich, durch die Ausgestaltung der Signalstärke, die der Basis der Transistoren 12 und 15 zugeführt wird, zu erreichen, dass der Spannungsregelungs- bzw. der Momentregelungseffekt überwiegt.

Claims: Electronic open-loop and closed-loop control device for loads (5), operated with ac voltage, for example for an electric motor with a triac phase control which has a trigger capacitor (B) which can be charged via a charging resistor (6, 7) and a proportional amplifier (11 - 18) for each half wave, it being possible to control the proportional amplifiers by means of the ac supply voltage (U1) and by means of the residual armature voltage (U2) which drops at the motor and which can be tapped off at a voltage divider (20 - 23) with a storage element (22), and it being possible to tap off a portion of the charge current for the trigger capacitor by means of the proportional amplifiers, characterised in that at least one propagation time delay element (21, 23) is connected in parallel to the storage element (22) of the voltage divider (20 - 23). Electronic open-loop and closed-loop control device according to Claim 1, characterised in that the voltage divider (20 - 23) consists at least partially of RC elements (20, 22; 21, 23). Electronic open-loop and closed-loop control device according to Claim 1 or 2, characterised in that a sample and hold circuit serves for storage. Electronic open-loop and closed-loop control circuit according to one of Claims 1 to 3, characterised in that the propagation time delay element (21, 23) is formed by means of an active electrical propagation time circuit.

Inventors: HORNUNG, FRIEDRICH, DIPL.-ING.
Applicants: ROBERT BOSCH GMBH
Application year: 1986
Main classification: H02P7
IPC codes: H02P25