DE69308348T2 - Verfahren zur Regelung eines Motors mit niedriger Geschwindigkeit - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Geschwindigkeit eines Motors, insbesondere eines Motors einer Waschmaschine, dessen Drehzahl innerhalb eines bestimmten Bereichs eingestellt werden kann.
• Figur 1 zeigt schematisch ein klassisches Regelsystem für einen Universalmotor M. Ein erster Anschluß des Motors M ist z.B. mit einer Phase P des Netzes verbunden, und der zweite Anschluß des Motors ist über einen Triac 10 mit dem Neutralleiter N des Netzes verbunden. Die Achse des Motors M ist mit einem Tachometer 12 gekoppelt. Die Ausgangsspannung des Tachometers 12 wird an einen Eingang eines Vergleichers 14 geliefert, dessen anderer Eingang mit einer Bezugsspannung Vref verbunden ist. Das Ausgangssignal Vs des Vergleichers 14 wird an einen Mikrocontroller (oder eine Mikrosteuereinheit) 16 geliefert. Das Signal Vs ist ein Signal, welches die Drehzahl des Motors anzeigt. Ferner empfängt der Mikrocontroller 16 über eine Formungsschaltung 18, welche z.B. mit der Phase P des Netzes verbunden ist, Impulse für die Synchronisierung mit dem Netz. Der Mikrocontroller 16 verwendet das Drehzahlsignal Vs und die Synchronisationsimpulse zum Korrigieren des Durchlaßwinkels oder Schaltwinkels des Triacs 10 als Funktion der Drehzahl informat ion Nc.
• Das Verfahren zum Regeln der Geschwindigkeit des Motors M wird im wesentlichen durch ein Programm des Mikrocontrollers 16 realisiert. Der Tachometer 12 gibt ein periodisches Frequenzsignal mit einer Amplitude ab, welche proportional zu der Drehzahl n des Motors ist. Die positiven Halbwellen des von dem Tachometer abgegebenen Signals, welche die Bezugsspannung Vref überschreiten, werden von dem Veirgleicher 14 in Rechteckimpulse umgewandelt. Die Spannung Vref wird ausreichend groß gewählt, damit Störimpulse kleiner Amplitude nicht in Rechteckimpulse umgewandelt werden.
• Das Regelverfahren stützt sich auf die Messung der Periode des Signals Vs. Hierfür wandelt der Mikrocontroller 16 die Geschwindigkeitsinformation Nc in eine Informationsperiode um, welche mit der Periode des Signals Vs verglichen wird. Als Funktion des Periodenfehlers berechnet der Mikrocontroller 16 gemäß den klassischen Gesetzen der Regelungstechnik den Durchlaßwinkel ai, welchen der Triac 10 haben muß, um die Drehzahl des Motors M zu modifizieren. Im folgenden sprechen wir von Durchlaßwinkeln ai und von Sperrwinkeln a*i = 180º-ai. Die Synchronisationsimpulse aus dem Netz geben dem Mikrocontroller 16 an, zu welchen Zeitpunkten die berechneten Winkel berücksichtigt werden müssen.
• Figur 2 zeigt ein Beispiel des Verlaufs des Geschwindigkeitssignals Vs und der Spannung VM an den Anschlüssen des Motors M. Es wird angenommen, daß sich der Motor M mit konstanter Geschwindigkeit dreht. Somit hat das Signal Vs, wie gezeigt, eine konstante Frequenz.
• Die Spannung VM an den Anschlüssen des Motors ist für eine Periode der Netzspannung dargestellt, wobei die Halbwellen des Netzes gepunktet gezeichnet sind.
• Zu einem Zeitpunkt t&sub0; wächst die Spannung ausgehend von null, wobei plötzlich ein Synchronisierungsimpuls (nicht gezeigt) auftritt, mit dem das Abwärtszählen eines Sperrwinkels a*&sub0; initialisiert werden kann, welcher während der vorhergehenden Halbperiode des Netzes berechnet wurde. Wenn der Winkel a*&sub0; abwärts gezählt wurde, wird der Triac 10 leitend, und der Rest der Halbwelle des Netzes wird an den Motor M angelegt.
• Während dieser Halbperiodedes Netzes, die zum Zeitpunkt t&sub0; beginnt, mißt der Mikrocontroller 16 die nachfolgenden Perioden des Signals Vs und berechnet für jede den Sperrwinkel a*&sub1; für die nachfolgende Halbperiode des Netzes. Der Sperrwinkel a*&sub1; wird endgültig für die letzte vollständige Periode T&sub1; des Signals Vs berechnet, welche vor dem Ende der aktuellen Halbperiode des Netzes verbucht wurde.
• Zu einem Zeitpunkt t&sub1; geht die Netzspannung durch null. Der Triac 10 sperrt. Ein neuer Synchronisierungsimpuls (nicht gezeigt) tritt auf, und das Abwärtszählen des neuen Sperrwinkels a*&sub1; wird initialisiert...
• In der Figur ist die letzte Periode T&sub2; des Signals Vs dargestellt, welche vor dem Ende der Halbperiode des Netzes erfaßt wurde, um den folgenden Sperrwinkel zu berechnen.
• Man erkennt in der Figur 2, daß es ein Problem gibt, wenn die Periode des Signals Vs größer wird als die Halbperiode des Netzes. In diesem Fall kann man den Sperrwinkel für die nachfolgenden Halbperiode des Netzes nicht mehr berechnen. Was dann passiert, ist, daß ein Sperrwinkel, welcher für eine Periode des Signals Vs berechnet wurde, für zwei aufeinanderfolgende Halbperioden des Netzes verwendet wird.
• Es hat s-ich herausgestellt, daß die Regelung der Motordrehzahl für Perioden des Signals Vs, die in der Nähe der Netzperiode liegen, noch gut funktioniert, wobei ein und derselbe Sperrwinkel dann für vier aufeinanderfolgende Halbperioden des- Netzes verwendet wird. Die Geschwindigkeit, welche mit einem Regelsystem des in Figur 1 gezeigten Typs noch gut geregelt werden kann, nennt man minimale Geschwindigkeit. Bei einem Motor, der mit einem Tachometer mit acht Polpaaren ausgestattet und aus einem Netz mit 50 Hz versorgt wird, liegt die minimale Geschwindigkeit in der Größenordnung von 375 Umdrehungen pro
• Minute (entsprechend dem Fall, daß die Periode des Signals Vs gleich der Periode des Netzes ist).
• Wenn man versucht, den Motor auf eine geringere Geschwindigkeit als die minimale Geschwindigkeit zu regeln, wird ein und derselbe Sperrwinkel für eine zu große Anzahl Halbperioden des Netzes verwendet, was Beschleunigungen oder Abbremsungen des Motors erzeugt, welche nicht rechtzeitig für eine Korrektur erfaßt werden können. Demzufolge schwingt die Geschwindigkeit des Motors zwischen null und einem Wert, der über der minimalen Geschwindigkeit (oben: 375 Umdrehungen pro Minute) liegt.
• Bei bestimmten Anwendungen kann es auch sein, daß man eine besonders langsame Drehzahl wünscht. Zum Beispiel bei einer Waschmaschine, welche eine Vorrichtung zum Bremsen der Trommel bei einer vorgegebenen Position aufweist, wird die Trommel von einer Bremse auf einem kurzen Stück angehalten. Wenn sich die Trommel zu schnell dreht, entsteht bei der Bremsung ein starker Schlag. Neben dem unangenehmen Lärm, den dies erzeugt, muß die Bremsvorrichtung ausreichend robust ausgestaltet sein.
• Man beachte, daß durch die Wahl eines Tachometers mit einer größeren Anzahl Polpaare die minimale Geschwindigkeit vermindert wird. Solche Tachometer sind jedoch schwer erhältlich, und viele Motoren werden mit einer Standardausrüstung des Tachos von acht Polpaaren und manchmal sogar vier Polpaaren geliefert.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung mit einem Regelsystem des in Figur 1 gezeigten Typs eine Motordrehzahl zu erhalten, welche unterhalb der minimalen Geschwindigkeit liegt, die das System normalerweise regeln kann.
• Eine weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unabhängig von der Anzahl der Polpaare des vewendeten Tachometers eine solche niedrige Geschwindigkeit zu erhalten.
• Diese Aufgaben werden mit Hilfe eines Regelverfahrens gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren während der Regelung der Geschwindigkeit innerhalb eines Wertebereichs, der über der besagten langsamen Geschwindigkeit liegt, die folgenden Schritte: Vergleichen der Periode des Geschwindigkeitssignals mit einer Bezugsperiode; Modifizieren des Durchlaßwinkels eines Schalters, welcher den Motor ausgehend vom Netz ansteuert, als eine Funktion der Differenz zwischen der Bezugsperiode und der Periode des Geschwindigkeitssignals.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Steuerstrom des Motors progressiv erhöht, indem der Durchlaßwinkel über mehrere Halbwellen des Netzes erhöht wird.
• Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einer Waschmaschine eingesetzt, um den Antriebsmotor der Trommel mit langsamer Geschwindigkeit zu drehen.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Geschwindigkeitssignal von einem Tachometer erzeugt, mit dem der Motor standardmäßig ausgestattet ist.
• Die obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind im einzelnen in der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In den Figuren zeigt:
• Figur 1, welche bereits erläutert wurde, ein Blockdiagramm eines klassischen Systems zum Regeln der Motordrehzahl;
• Figur 2, welche bereits beschne-ben wurde, zeigt den Verlauf verschiedener Signale in dem System der Figur 1; und die Figuren
• 3A bis 3C zeigen den Verlauf unterschiedlicher Parameter und Signale, welche man bei der Realisierung der vorliegenden Erfindung in dem System der Figur 1 erhält.
• Das Regelsystem gemäß der Erfindung kann von einem üblichen Mikrocontroller realisiert werden, welcher in ein übliches Regelsystem eingebaut wird, wie das in Figur 1 gezeigte. Die folgende Beschreibung bezieht sich somit auf die Komponenten der Figur 1.
• Der Mikrocontroller 16 wird programmiert, um von einer Funktionsweise gemäß einem klassischen Regelverfahren auf eine Funktionsweise gemäß dem Verfahren der Erfindung umzuschalten, wenn z.B. die Bezugsgeschwindigkeit Nc kleiner wird als ein Wert, welcher der minimalen Geschwindigkeit entspricht, die das System normalerweise regeln kann.
• Die Figuren 3A und 3C zeigen jeweils den Verlauf des Durchlaßoder Durchlaßwinkels a des Triacs 10, der Drehzahl n des Motors und des Geschwindigkeitssignals Vs, welches von dem Vergleicher 14 geliefert wird, wenn er eine Regelung bei niedriger Geschwindigkeit gemäß der Erfindung erzeugt.
• Zu einem Zeitpunkt t&sub1;&sub0; fällt die Entscheidung, daß der Motor mit langsamer Geschwindigkeit drehen soll, wobei der Motor am Anfang z.B. steht. Der Durchlaßwinkel wird auf einen Wert am geführt, welcher einen Strom in den Motor fließen läßt, der nicht ausreicht, damit der Motor anläuft. Ab einem Zeitpunkt t&sub1;&sub0; wird der Durchlaßwinkel über mehrere Halbperioden des Netzes progressiv erhöht. Zu einem Zeitpunkt t&sub1;&sub1; ist der Strom ausreichend, damit der Motor anläuft, welcher in dem Maße immer schneller dreht, wie der Durchlaßwinkel zunimmmt. Gleichzeitig mit der Erhöhung der Drehzahl des Motors erhöht sich auch die Amplitude des Signals, welches von dem Tachometer gliefert wird, es bleibt jedoch am Anfang noch unter der Bezugsspannung Vref. Zu einem Zeitpunkt t&sub1;&sub2; nimmt die Amplitude des von dem Tachometer 12 gelieferten Signals den Wert Vref an, und der Motor hat eine Drehzahl, welche N&sub1; entspricht. Das Signal Vs gibt nun einen Impuls wider, welcher von dem Mikrocontroller 16 erfaßt wird, der den Durchlaßwinkel auf seinen Anfangswert am zurückführt, der nicht ausreichend ist, um den Motor anlaufen zu lassen. Ab dem Zeitpunkt t&sub1;&sub2; beginnt daher die Geschwindigkeit des Motors wieder abzunehmen, der Durchlaßwinkel wird jedoch von neuem progressiv über mehrere Halbperioden des Netzes erhöht; zu einem gegebenen Zeitpunkt wächst die Geschwindigkeit des Motors nicht mehr von neuem. Zu einem Zeitpunkt t&sub1;&sub3; nimmt die Drehzahl des Motors erneut den Wert N&sub1; an, ein neuer Impuls des Signals Vs tritt auf, und der Durchlaßwinkel wird erneut auf den Anfangswert geführt...
• Somit bleibt die Drehzahl des Motors in der Nähe des Wertes N&sub1;, welcher der Wert ist, für den die Amplitude des von dem Tachometer gelieferten Signals den Wert Vref annimmt. Der Wert Vref entspricht im allgemeinen einer Drehzahl N&sub1;&sub1; welche deutlich niedriger als die klassische minimale Geschwindigkeit ist. In der Praxis kann man den Wert N&sub1; variieren, indem die Bezugsspannung Vref verändert wird.
• Man beachte, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren auf die Messung der Amplitude des von dem Tachometer gelieferten Signals stützt, wobei es in einem klassischen System eingesetzt wird, welches sich auf eine Messung der Periode dieses Signals stützt.
• Die maximalen Werte, welche für den Durchlaßwinkel erreicht werden, und die maximale Amplitude der Schwingung der Drehzahl um den Wert N&sub1; hängt von der Belastung des Motors ab. Bei einer einfachen Ausführungsform wird der minimale Durchlaßwinkel am so gewählt, daß der unbelastete Motor gerade unterhalb seiner Anlaufkraft gespeist wird. Bei einer höher entwickelten Ausführungsform kann eine Anpassung des minimalen Wertes von am vorgesehen werden, indem man z.B. bei jedem Impuls des Signals Vs den Durchlaßwinkel um einen konstanten Wert oder um einen Wert vermindert, der proportional zu dem Durchlaßwinkel ist und ausreicht, damit der Motor sich verlangsamt.
• Die Programmierung des Mikrocontrollers 16 zum Erhalten der oben beschriebenen Funktionen wird jedem Programmierer möglich sein.
• Zahlreiche Varianten und Modifikationen der vorliegenden Erfindung ergeben sich dem Fachmann, insbesondere in Bezug auf die Wahl des Durchlaßwinkels am und die Geschwindigkeit für die Erhöhung des Durchlaßwinkels, welche durch Versuche leicht ermittelt werden können.

Claims (5)

1. Verfahren zum Regeln der Geschwindigkeit eines Motors (M), mit den folgenden Verfahrensschritten während der Regelung bei niedriger Geschwindigkeit:

Erzeugen eines Geschwindigkeitssignals, dessen Amplitude sich in derselben Richtung wie die Geschwindigkeit des Motors ändert; und

Vergleichen der Amplitude des Signals mit einem vorgegebenen Schwellwert (Vref);

dadurch gekennzeichnet, daß es abwechselnd die folgenden Schritte aufweist:

so lange die Amplitude niedriger als der vorgegebene Schwellwert ist, progessives Erhöhen des Steuerstroms des Motors ausgehend von einem Wert, der ein Abbremsen des Motors bewirkt, und

sobald die Amplitude den Schwellwert überschreitet, plötzliches Vermindern des Steuerstroms bis zu einem Wert, der ein Abbremsen des Motors bewirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Regelung der Geschwindigkeit innerhalb eines Wertebereichs über der besagten langsamen Geschwindigkeit die folgenden Schritte ausgeführt werden:

Vergleichen der Periode des Geschwindigkeitssignals mit einer Bezugsperiode und

Modifizieren des Schaltwinkels (a) eines Schalters (10) , welcher den Motor ausgehend vom Netz ansteuert, als eine Funktion der Differenz zwischen der Bezugsperiode und der Periode des Geschwindigkeitssignals

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Regelung bei niedriger Geschwindigkeit der Steuerstrom des Motors progressiv erhöht wird, indem der Schaltwinkel (a) über mehrere Halbwellen des Netzes erhöht wird.

4. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum langsamen Drehen des Antriebsmotors der Trommel einer Waschmaschine.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschwindigkeitssignal von einem Tachometer (12) erzeugt wird, mit dem der Motor standardmäßig ausgestattet ist.