DE3244876C2 - Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines kleinen Elektromotors für die Medizin- und Dentaltechnik - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines kleinen Elektromotors für die Medizin- und DentaltechnikInfo
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Abstract
Drehzahlregelvorrichtung für Kleinmotoren für die Medizin- und Dentaltechnik. Die Vorrichtung weist eine Antriebsspannungs-Regelschaltung, ein Stromerfassungsglied zum Erzeugen eines vom Motorstrom abhängigen Meßsignals, ein Spannungserfassungsglied zum Erzeugen eines von der Motorspannung abhängigen Meßsignals und eine Drehzahlregelschaltung auf, die die Antriebsspannungs-Regelschaltung in Abhängigkeit von den Meßsignalen der beiden Erfassungsglieder ansteuert. Zwecks Konstanthaltung der Motordrehzahl auch bei plötzlichen Laständerungen ist die Drehzahlregelschaltung mit dem Meßsignal des Stromerfassungsgliedes als Mitkopplungssignal und mit dem Meßsignal des Spannungserfassungsgliedes als Gegenkopplungssignal beaufschlagt.
Description
gang der Konstantspannungsstufe 7 dar, die eine von der Kennlinie der Z-Diode abhängige stabilisierte
Gleichspannung bereitstellt
Die Reihenschaltung aus Motorspannungsstellglied 2, Elektromotor 1 und einem Widerstand R 5 des Stromerfassungsgliedes
3 ist gleichfalls an die Ausgänge der Gleichstromversorgungsstufe 8 angeschlossen, wobei
dem Stellglied 2 ein Posistor (Kaltleiter) Rp vorgeschaltet ist
Das Motorspannungsstellglied 2 besteht aus zwei 'n Darlington-Sfkaltung miteinander verbundenen Transistoren
Tr i, Tr 2, wobei die Kollektor/Emitter-Strecke des Transistors Tr 2 im Speisespannungskreis des Elektromotors
1 liegt Der Emitter des Transistors Tr 2 ist mit der Basis des Transistors Tr 1 über eine Schutzdiode
D 3 verbunden. Sie liegt in Reihe mit einem Widerstand R 13, dessen anderes Ende an den negativen Ausgang
der Gleichstromversorgungsstufe 8 angeschlossen ist Das Spannungserfassungsglied 4 liegt parallel zu der
Reihenschaltung aus Elektromotor 1 und SuOmerfassungsglied
3. Es weist einen Spannungsteiler in Form einer Reihenschaltung aus Widerständen R7,R8, einem
änderbaren Widerstand VR 4 und einem Widerstand R 9 auf. Parallel zu dem Widerstand R 8 liegt ein Kondensator
C 3. Eine Begrenzerschaltung bestehend aus einer Reihenschaltung aus einer Z-Diode ZD 2 und einem
Widerstand R 10 ist parallel zu der Reihenschaltung der Widerstände R 7 und R 8 geschaltet. Die Verbindungsstelle
von änderbarem Widerstand VT? 4 und Widerstand R 9 ist über einen Widerstand R 11 an den
positiven Ausgang der Konstantspannungsstufe 7 angeschlossen.
Der Drehzahlregler 5 weist einen über einen Widerstand RA gegengekoppelten Operationsverstärker
OP 4 auf, dessen invertierender Eingang an den Koppelpunkt zwischen dem Widerstand R 8 und dem änderbaren
Widerstand VT? 4 angeschlossen ist, während der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers
OP 4 über einen Widerstand R 6 mit dem Koppelpunkt zwischen dem Elektromotor 1 und dem Widerstand R 5
des Stromerfassungsgliedes 3 verbunden ist. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers OP 5
steht ferner über einen Widerstand R 12 mit dem Ausgang des Drehzahlstellglieds 6 in Verbindung. Der Ausgang
des Operationsverstärkers OP 4 ist über eine Diode D 2 an die Basis des Transistors Tr 1 des Motorspannungsstellgliedes
2 angeschlossen.
Das Drehzahlstellglied 6 weist eine parallel zum Ausgang der Konstantspannungsstufe 7 liegende Reihenschaltung
aus einem Widerstand R 3 und einem Potentiometer VT? 2 auf. Parallel zu der Reihenschaltung R 2,
VT? 2 liegt eine Reihenschaltung aus einem änderbaren Widerstand VT? 1 und einem Widerstand R 2. Zu dem
Drehzahlstellglied 6 gehören ferner drei Operationsverstärker OPl, OP2 und OP3, deren invertierende Eingänge
jeweils mit dem Ausgang des betreffenden Operationsverstärkers verbunden sind. Der nichtinvertierende
Eingang des Operationsverstärkers OPl ist an den Koppelpunkt zwischen dem änderbaren Widerstand
VT? 1 und dem Widestand R 2 angeschlossen, während der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers
OH 2 mit dem Schleifer des Potentiometers VT? 2 verbunden ist. Der nichtinvertierende Eingang des
Operationsverstärkers OP 3 ist an den Schleifer eines Potentiometers VT? 3 angeschlossen, das zwischen den
Ausgängen der Operationsverstärker OP1, OP 2 liegt.
Die im Speisestromkreis des Elektromotors 1 liegende Darlington-Schaltung aus den Transistoren Tr 1 und
Tr 2 des Motorspannungsstellgliedes 2 bestimmt nach Art eines Längstransistors die Speisespannung und damit
die Drehzahl des Elektromotors 1. Der Motorstrom wird in Form des Spannungsabfalls am Widerstand R 5
erfaßt Das Iststromsignal geht über den Widerstand R 6 an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstäncers
OP 4. Dagegen wird das vom Spannungserfassungsglied 4 erzeugte Spannungsmeßsignal, das als
Teilspannung am Spannungsteiler R7, RS, VT?4, R9
abgegriffen wird, dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
OP4 zugeführt, wobei eine Voreinstellung
zur Bereitstellung eines zweckentsprechenden Drehmomentpegels über den änderbaren Widerstand
VT? 4 erfolgt Dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkes OP 4 geht ferner über den Widerstand
R 12 das Ausgangssignal des Drehzahlstellglieds 6 zu. Der Drehzahlregler 5 liefert infolgedessen ein Regelsignal,
das dafür sorgt, daß der Elektromotor 1 mit der am Drehzahlstellglied 6 eingestellten Drehzahl läuft,
wobei der Drehzahlregler 5 das Motorspannungsstellglied 2 über die Schutzdiode Dl ansteuert. Auf diese
Weise kommt es zu einer Ansteuerung des Motorspannungsstellgliedes 2 unter der kombinierten Wirkung des
vom Stromerfassungsglied 3 als Mitkoppelsignal oder positives Rückführungssignal angelieferten Meßsignals
und des vom Spannungserfasssungsglied 4 als Gegenkopplungssignal oder negatives Rückführungssignal angelieferten
Meßsignals.
Wenn bei der geschilderten Schaltungsauslegung der Elektromotor 1 belastet wird und dementsprechend der
Motorstrom ansteigt, wird das Strommeßsignal als Mitkopplungssignal zurückgeführt; der über das Motorspannungsstellglied
2 fließende Strom wird erhöht. Auf diese Weise wird der aufgrund des elektrischen Widerstandes
der Motorwicklungen auftretende Spannungsabfall kompensiert; eine Drehzahlabsenkung wird verhindert.
Ändert sich aber die Motorspannung aufgrund von Schwankungen der Belastung des Motors, wird ein
entsprechendes Gegenkopplungssignal zurückgeführt, aufgrund dessen Motorspannungsänderungen verhindert
werden.
Dementsprechend werden abnormale Drehzahlschwankungen bedingt durch plötzliche Änderungen
der Speisespannung ausgeschlossen; die Motordrehzahl wird konstant gehalten.
Bei übermäßiger Mitkopplung könnte die Motordrehzahl bei größer werdender Belastung ansteigen,
was eine befriedigende Drehzahlregelung unter Umständen ausschließen könnte. Daher ist vorliegend die
von der Z-Diode ZD 2 und dem Widerstand R 10 des Spannungserfassungsgliedes 4 gebildete Begrenzerschaltung
vorgesehen, welche eine Gegenkopplungswirkung aktiviert und einen übermäßigen Drehzahlanstieg
verhindert. Wenn die Motorspannung so groß wird, daß der Spannungspegel der Z-Diode ZD2 überschritten
wird, wird die Diode stromführend. Der Widerstand R 10 wird funktionsmäßig parallel zu den Widerständen
R 7, R 8 gelegt. Dadurch steigt der Pegel des dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
OP 4 zugeführten Meßsignals. Der Betrag der Gegenkopplung wird erhöht. Auf diese Weise ist sichergestellt,
dau cm Aiisiicg dci moiüfspännüng aufgrund eines Anwachsens
des Laststroms nicht zu einer übermäßigen Kompensation des Spannungsabfalls führt, der auf den
elektrischen Widerstand der Motorwicklungen zurückgeht.
Fig. 2 zeigt in erster Annäherung die gegenseitige Beziehung zwischen Drehmoment und Drehzahl. Es ist
zu erkennen, daß eine Drehzahlregelung der gewünschten Art erzielt wird. Insbesondere wird für jede Drehzahleinstellung
(d. h. jeden Solldrehzahlwert) eine nahezu konstante Istdrehzahl erhalten; der Spannungsabfall,
der auf den elektrischen Widerstand der Motorwicklungen zurückzuführen ist, wird auskompensiert, wobei das
Lastdrehmoment entsprechend erhöht wird.
Der Widerstand All, der zwischen den Ausgang der
Konstantspannungsstufe 7 und den Koppelpunkt zwischen dem änderbaren Widerstand VT? 4 und dem Widerstand
R 9 des Spannungserfassungsgliedes 4 eingesetzt
ist, bildet einen Gegenkopplungskreis für einen Betrieb mit niedriger Drehzahl. Mittels des Widerstands
All wird dem Meßsignal des Spannungserfassungsgliedes
4 eine konstante Spannung als Gegenkopplungssignal überlagert Dadurch wird es möglich, den unteren
Grenzwert der Motordrehzahl weiter zu verringern, indem beispielsweise die kleinste Motorspannung von 2 V
auf 1 V herabgesetzt wird.
Bei Regelvorrichtungen mit Längsregelung besteht die Gefahr der Überhitzung aufgrund der Energieverluste,
die bei Überlastung des Systems in dem Motorspannungsstellglied 2 auftreten. Außerdem vertragen Kleinmotoren,
wie sie für den Antrieb von zahnärztlichen Handstücken verwendet werden, keinen Dauerbetrieb
unter Überlast Um eine Überhitzung und Beschädigung des Motorspannungsstellgliedes 2 und des Elektromotors
1 im Dauerbetrieb auszuschließen, ist der Posistor Rp mit dem Hauptkreis in Reihe geschaltet. Der
Posistor oder Kaltleiter Rp hat einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten, und er beschränkt den Stromfluß
im Hauptkreis bei Überlastung. Diese Funktion ist um so ausgeprägter, je höher der Strom ansteigt; die
Dauerbetriebszeiu wird um so kürzer gemacht, je höher
der Strom ist In F i g. 3 ist die Beziehung zwischen der Dauerbetriebszeiu und dem Motorstrom dargestellt.
Die Ausgangsspannung der Konstantspannungsstufe 7 wird einerseits von der Reihenschaltung aus Widerstand
R 3 und Potentiometer VT? 2 sowie andererseits von der Reihenschaltung aus änderbarem Widerstand
VR 1 und Widerstand R 2 heruntergeteilt Die heruntergeteilte Spannung geht jeweils dem nichtinvertierenden
Eingang des Operationsverstärkers OP 2 bzw. des Operationsverstärkers OPi zu, deren Ausgänge über das
Potentiometer VT? 3 untereinander verbunden sind, von
dem das Ausgangssignal der Operationsverstärker OP1
und OP 2 zum nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP3 geht Diese Schaltungsauslegung
gestattet es, den Sollwert unabhängig mittels des änderbaren Widerstandes VT? 1 und den Operationsverstärker
OPi sowie der Kombination aus Potentiometer VT? 2 und Operationsverstärker OP 2 einzustellen. Der
eingestellte Sollwert wird mittels des Operationsverstärkers OP 3 verstärkt und dem nichtinvertierenden
Eingang des Operationsverstärkers OP 4 des Drehzahlreglers 5 über den Widerstand T? 12 zugeführt
Das Drehzahlstellglied 6 und der Drehzahlregler 5 sind nicht unmittelbar aus der Gleichstromversorgungsstufe
8, sondern aus der Konstantspannungsstufe 7 gespeist Dadurch ist gewährleistet, daß selbst bei einem
Absinken der Spannung in der Gleichstromversorgungsstufe 8 eine stabile Regelung erfolgt Auf den
Glättungskondensator Ci kann dadurch gegebenenfalls verzichtet werden.
Die Reihenschaltung bestehend aus der Diode D 3 und dem Widerstand R13, die zwischen dem Koppelpunkt
von Motorspannungsstellglied 2 und Elektromotor 1 sowie der negativen Seite der Gleichstromversorgungsstufe
8 liegt, schützt das Motorspannungsstellglied 2 vor Übersteuerung.
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung läßt sich auch in Verbindung mit einem Schaltregler anwenden,
dessen Stromversorgung eine vollweggleichgerichtete, pulsierende Spannung bereitstellt. In diesem Falle
handelt es sich bei den Spannungs- und Strommeßsignaleii
um pulsierende Signale. Dies ist durch entsprechende Schaltungsauslegung zu berücksichtigen, beispielsweise
indem parallel zu dem Widerstand R 4 ein Kondensator geschaltet wird, um eine Integrationsschaltung
für die Meßsignale zu erhalten. Das erläuterte Ausführungsbeispiel kommt ohne eine solche Integrationsschaltung aus. Sein Lastansprechverhalten ist infolgedessen
besonders günstig.
Bei der beschriebenen Schaltungsanordnung wird die Motordrehzahl durch die kombinierte Wirkung einer
Mitkopplung des Motorlaststroms bezüglich der Motorantriebsspannung und einer Gegenkopplung der Antriebsspannung
geregelt, während gleichzeitig die Begrenzerschaltung ZD 2, R 10 einem übermäßigen Drehzahlanstieg
entgegenwirkt. Die Schaltungsanordnung erlaubt es, die Motordrehzahl weitestgehend konstant
zu halten, indem sie auch auf plötzliche Lastschwankungen wirkungsvoll anspricht. Die Schaltungsanordnung
eignet sich daher für medizinische und zahnmedizinische Geräte, vor allem zahnärztliche Handstücke, wo
solche plötzlichen Lastschwankungen häufig auftreten.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl Anstieg der Drehzahl begrenzt, sobald die Z-Diode leieines
kleinen Elektromotors für die Medizin- und 5 tend wird. Es wird auf diese Weise für eine verbesserte
Dentaltechnik, mit einem Motorspannungs-Stell- Konstanz der Istdrehzahl bei sich änderndem Lastdrehglied
(2), einem Stromerfassungsglied (3, RS) zum moment gesorgt
Erzeugen eines vom Motorstrom abhängigen Meß- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die
signals, einem Spannungserfassungsglied (4) zum Er- Schaltungsanordnung einen zusätzlichen Gegenkoppzeugen
eines von der Motorspannung abhängigen 10 lungskreis auf, der dem Meßsignal des Spannungserfas-Meßsignals
sowie einem Drehzahlregler (5), der das sungsgliedes ein im wesentlichen konstantes Signal
Motorspannungs-Stellglied (2) in Abhängigkeit von überlagert Durch dieses Signal des zusätzlichen Gegenden
Meßsignalen der beiden Erfassungsglieder an- kopplungskreises läßt sich das Meßsignal des Stromersteuert
und der mit dem Meßsignal des Stromerfas- fassungsgliedes kompensieren, das darauf zurückzufühsungsgliedes
als Mitkopplungssignal und mit dem 15 ren ist daß zum Starten des Elektromotors eine gewisse
Meßsignal des Spannungserfassungsgliedes als Ge- Reibungskraft überwunden werden muß. Die Konstantgenkopplungssignal
beaufschlagt ist, g e k e η η - haltung der Istdrehzahl bei Drehmomentschwankungen
zeichnet durch eine ein Spannungsgegen- wird dadurch insbesondere im unteren Drehzahlbereich
kopplungssignal erzeugende, einem übermäßigen weiter verbessert
Drehzahlanstieg entgegenwirkende Begrenzer- 20 Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
schaltung (ZD 2, R 10), die eine Reihenschaltung aus ist anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt
einer Z-Diode (ZD 2) und einem Widerstand (R 10) Fi g. 1 das Schaltbild einer Schaltungsanordnung geaufweist, die parallel zu einem Teil (R 7, R 8) eines maß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
die Motorspannung erfassenden Spannungsteilers Fig.2 Drehmoment/Drehzahl-Kennlinien einer (R 7, R 8, VR 4, R 9) des Spannungserfassungsgliedes 25 Schaltungsanordnung nach der Erfindung, und
(4) liegt, und einen einem Teil (R 8) des Spannungs- F i g. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der teilers parallelgeschalteten Kondensator (C3). Dauerbetriebszeit und dem Motorstrom bei der Schal-
einer Z-Diode (ZD 2) und einem Widerstand (R 10) Fi g. 1 das Schaltbild einer Schaltungsanordnung geaufweist, die parallel zu einem Teil (R 7, R 8) eines maß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
die Motorspannung erfassenden Spannungsteilers Fig.2 Drehmoment/Drehzahl-Kennlinien einer (R 7, R 8, VR 4, R 9) des Spannungserfassungsgliedes 25 Schaltungsanordnung nach der Erfindung, und
(4) liegt, und einen einem Teil (R 8) des Spannungs- F i g. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der teilers parallelgeschalteten Kondensator (C3). Dauerbetriebszeit und dem Motorstrom bei der Schal-
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, ge- tungsanordming nach F i g. 1 erkennen läßt,
kennzeichnet durch einen zusätzlichen Gegenkopp- Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 ist ein kleilungskreis (RH), der dem Meßsignal des Span- 30 ner Elektromotor 1 in Form eines Gleichstrom-Mikronüngserfassungsgliedes (4) ein im wesentlichen kon- motors vorgesehen, der beispielsweise dem Antrieb eistantes Signal überlagert nes zahnärztlichen Handstücks dient Im Speisestromkreis des Elektromotors 1 liegt ein Motorspannungs-
kennzeichnet durch einen zusätzlichen Gegenkopp- Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 ist ein kleilungskreis (RH), der dem Meßsignal des Span- 30 ner Elektromotor 1 in Form eines Gleichstrom-Mikronüngserfassungsgliedes (4) ein im wesentlichen kon- motors vorgesehen, der beispielsweise dem Antrieb eistantes Signal überlagert nes zahnärztlichen Handstücks dient Im Speisestromkreis des Elektromotors 1 liegt ein Motorspannungs-
stellglied 2, das nach Art eines Längstransistors die Mo-
35 torspannung vorgibt Der Motorstrom wird mittels eines Stromerfassungsgliedes 3 bestimmt, während zum
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Motorspannung ein Spannungserfas-
Regeln der Drehzahl eines kleinen Elektromotors für sungsglied 4 vorgesehen ist. Die Erfassungsglieder 3, 4
die Medizin- und Dentaltechnik, mit einem Motorspan- liefern ihre Signale an einen Drehzahlregler 5, der sei-
nungs-Stellglied, einem Stromerfassungsglied zum Er- 40 nerseits das Motorspannungsstellglied 2 steuert. Zur
zeugen eines vom Motorstrom abhängigen Meßsignals, Einstellung der Solldrehzahl dient ein Drehzahistell-
einem Spannungserfassungsglied zum Erzeugen eines glied 6, das eine Bezugsspannung erzeugt, die dem
von der Motorspannung abhängigen Meßsignals sowie Drehzahlregler 5 zugeführt wird. Eine stabile Steuerung
einem Drehzahlregler, der das Motorspannungs-Stell- wird mittels einer Konstantspannungsstufe 7 erzeugt,
glied in Abhängigkeit von den Meßsignalen der beiden 45 Der Elektromotor 1 und die vorstehend genannten
Erfassungsglieder ansteuert und der mit dem Meßsignal Glieder und Stufen werden aus einer Gleichstromver-
des Stromerfassungsgliedes als Mitkopplungssignal und sorgungsstufe 8 gespeist.
mit dem Meßsignal des Spannungserfassungsgliedes als Die in F i g. 1 veranschaulichte Schaltungsanordnung
Gegenkopplungssignal beaufschlagt ist. wird mit Wechselspannung von beispielsweise 30 V ge-
Bei einer durch die DE-OS 26 22 656 bekannten 50 speist. Parallel zu den Speisespannungsklemmen liegt
Schaltungsanordnung dieser Art besteht die Gefahr, am Eingang der Gleichstromversorgungsstufe 8 ein Va-
daß Laststeigerungen eine übermäßige Mitkopplung ristor V zum Auffangen von Spannungsstößen. Vom
bewirken und die Motordrehzahl unerwünscht anstei- Varistor V wird die Eingangswechselspannung einem
gen lassen. Vollweggleichrichter SR zugeführt. Parallel zu den Aus-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine 55 gangsklemmen des Vollweggleichrichters SR ist ein
Schaltungsanordnung zu schaffen, die es erlaubt, bei Glättungskondensator C1 geschaltet, dessen Größe in
Laständerungen die Motordrehzahl innerhalb eines ver- Abhängigkeit von der in der Praxis zu erwartenden Last
hältnismäßig großen Bereiches von wahlweise einstell- ausgewählt werden kann. Angesichts der mit der vorlie-
baren Solldrehzahlen weitestgehend konstant zu halten. genden Schaltungsanordnung erzielten Regelung kann
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch 60 aber der Glättungskondensator Ci auch ganz eingeeine
ein Spannungsgegenkopplungssignal erzeugende, spart werden. Parallel zu den Ausgängen der Gleicheinem
übermäßigen Drehzahlanstieg entgegenwirken- Stromversorgungsstufe 8 liegt eine Reihenschaltung aus
de Begrenzerschaltung, die eine Reihenschaltung aus einer Diode D 1 und einem Kondensator C2 der Koneiner
Z-Diode und einem Widerstand aufweist, die par- stantspannungsstufe 7. Parallel zum Kondensator C 2 ist
allel zu einem Teil eines die Motorspannung erfassen- 65 eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R 1 und
den Spannungsteilers des SpannungserfassungsglLJ.j einer Z-Diode ZDl geschaltet. Die Koppelstelle von
liegt, und einen einem Teil des Spannungsteilers parallel Widerstand R 1 und Kathode der Z-Diode ZD1 stellt
eeschalteten Kondensator. den einen und die Anode der Z-Diode den anderen Aus-
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