DE1463866C - Steuerschaltung fur Elektromotoren mit elektronischer Kommutierung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für Elektromotoren mit elektronischer Kommutierung, deren Motorwicklung über wenigstens zwei auf unterschiedlichem Potential liegende Leistungstransistoren abwechselnd in beiden Strom richtungen erregbar ist, mit wenigstens zwei Steuerspannungsgebern, welche die für die eine oder andere Motorstromrichtung vorgesehenen Leistungstransistoren über monostabile Kippstufen beeinflussen, sowie mit stromabhängig gesteuerten Schaltgliedern, welche bei Überschreiten eines vorgegebenen maximalen Stromwertes den Steuerstrom unterbrechen und damit die Leistungstransistoren sperren, wobei der auf tieferem Potential liegende Leistungstransistor galvanisch mit dem Ausgang der ihm zugeordneten monostabilen Kippstufe verbunden ist.

Wenn man eine Motorwicklung über Leistungstransistoren in beiden Stromrichtungen abwechselnd speisen will, dann muß der eine Leistungstransistor auf höherem Potential liegen als der andere. Bei der so bisher üblichen Verwendung einer rein galvanischen Ankopplung aller Leistungstransistoren an die Steuerschaltung muß daher eine verhältnismäßig komplizierte Schaltungsanordnung aufgebaut werden, wobei Rückwirkungen beim Schalten des einen Transistors auf den anderen kaum vermeidbar sind. Besonders kritisch wird das Problem der Steuerung derartiger Leistungstransistoren, wenn man mit einer Brückenschaltung, also mit vier Leistungstransistoren arbeitet, von denen jeweils ein Diagonalpaar gleichzeitig ein- bzw. ausgeschaltet werden muß.

Man hat die Lösung des obengenannten Problems bei einer bekannten Schaltung dadurch umgangen, daß zwei getrennte Spannungsquellen zur Steuerung der beiden Transistorgruppen verwendet werden, welche den Stromfluß in der einen und in der anderen Richtung durch die Motorwicklung schalten. Zwei getrennte Spannungsquellen bedeuten jedoch einen erhöhten Aufwand. Bei einem über einen steuerbaren Halbleiter aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten Elektromotor ist es ferner bekannt, den Steuerkreis dieses Halbleiters als Sekundärkreis eines Kopplungstransformators auszubilden, in dessen Primärkreis eine Wechselspannungsquelle sowie eine vom Läufer des Motors gesteuerte Fotozelle liegen. Dieser Kopplungstransformator hat hierbei die Aufgabe, den die Fotozelle enthaltenden Steuerkreis galvanisch vom Motorkreis zu trennen und für eine geeignete Spannungsumformung zu sorgen. Ähnliche, der galvanischen Trennung zwischen Speise- oder Steuerkreis und Lastkreis dienende Kopplungstransformatoren sind auch in Generator- und Umformerschaltungen bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung des eingangs beschriebenen Typs mit -55 nur einer gemeinsamen Arbeitsspannungsquelle derart zu verbessern, daß durch Verwendung eines an sich bekannten Kopplungstransformators eine unerwünschte Rückwirkung der abwechselnd den die Motorwicklung in der einen und in der anderen Riehtung durchfließenden Strom schaltenden Transistoren vermieden wird und gleichzeitig Teile des Kopplungstransformators für zusätzliche Schaltfunktionen ausgenutzt werden, so daß der Schaltungsaufbau nur gering ist.

Ausgehend von einer Steuerschaltung der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Basis des auf höherem Potential liegenden Leistungstransistors induktiv über einen Transformator gekoppelt ist, dessen Primärwicklung im Ausgangskreis der monostabilen Kippstufe liegt und gleichzeitig Teil eines von dieser Kippstufe gesteuerten Sperrschwingers ist.

Hierbei dient also der Transformator nicht nur für eine induktive Ankoppelung des auf höherem Potential liegenden Leistungstransistors und damit zur Ausschaltung aller bei einer galvanischen Verbindung möglichen Rückwirkungen, sondern dieser Transformator ist gleichzeitig Teil eines von einer monostabilen Kippstufe gesteuerten Sperrschwingers, so daß die Schaltung besonders einfach und raumsparend aufgebaut werden kann.

Wenn die Steuerschaltung mit im Mittelzweig einer vier Leistungstransistoren enthaltenden Brückenschaltung angeordneter Motorwicklung arbeitet, wobei jeweils zwei diagonal gegenüberliegende Leistungstransistoren gleichzeitig geschaltet werden und je einer der Leistungstransistoren beider Diagonalpaare auf dem höheren Potential liegt, dann wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der auf tieferem Potential liegende Leistungstransistor jedes Diagonalpaares galvanisch an den Ausgang des ihm zugeordneten Sperrschwingers angeschlossen und in seinem Basiskreis eine weitere Sekundärwicklung des erwähnten Transformators angeordnet. Andererseits kann, gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform, der Transistor des Sperrschwingers gleichzeitig von dem auf dem tieferen Potential liegenden Leistungstransistor gebildet werden, in dessen Emitterkreis die Primärwicklung und in dessen Basiskreis die Rückkoppelungswicklung des Sperrschwingers geschaltet ist.

Zur Beschleunigung des Anschwingens bzw. Sperrens des Sperrschwingers kann es empfehlenswert sein, im Arbeitskreis der monostabilen Kippstufe wenigstens eine weitere, zum Transformator gehörende Wicklung anzuordnen.

Das Schaltglied, welches die Leistungstransistoren bei. Überschreiten eines vorgebbaren maximalen Stromwertes sperrt, kann, einem weiteren Erfindungsgedanken gemäß, entweder durch die monostabile Kippstufe selber oder, aber durch den Steuerspannungsgeber gebildet werden. Damit wird in eleganter Weise eine der sowieso vorhandenen Schaltungseinheiten für die · Zerhackung des Motorstromes nach Art eines Phasenanschnitts ausgenutzt, ohne daß für diese Funktion zusätzliche Schaltglieder erforderlich wären. Außerdem hat diese Lösung einer Stromzerhackungsschaltung den Vorteil, daß zur Steuerung der Leistungstransistoren nur eine sehr geringe, die Vorspannung der Kippstufe bzw. des Steuerspannungsgebers beeinflussende Spannung, wie sie beispielsweise durch den Spannungsabfall an einem vom Motorstrom durchflossenen Widerstand erzeugt werden kann, erforderlich ist, so daß nicht die mitunter schon recht erheblichen Basisströme der Leistungstransistoren geschaltet werden müssen. Nach einer Unterbrechung des Steuerflusses infolge Überschreitens des vorgegebenen Motorstroms wird zweckmäßigerweise, einem weiteren Erfindungsgedanken gemäß, die Wiedereinschaltung des Steuerflusses durch den Spannungsabfall an einem anderen, nur vom Selbstinduktionsstrom der Motorwicklung durchflossenen Widerstand gesteuert.

Ferner kann der Schwellwert des stromabhängig gesteuerten Schaltglieds, also entweder der mono-

stabilen Kippstufe oder des Steuerspannungsgebers, durch ein Regelorgan veränderbar sein, so daß auf diese Weise, ohne zusätzliche Bauelemente, beispielsweise efne Drehzahlregelung des Motors in Abhängigkeit von bestimmten Betriebsgrößen möglich ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Nach Fig. 1 liegt die Erregerwicklung 31 einer Motorphase im Mittelzweig einer von den vier Leistungstransistoren 32 bis 35 gebildeten Brückenschaltung, welche an die Betriebsgleichspannung, im vorliegenden Falle 30 Volt, angeschlossen ist. Und zwar sind die Emitter der Leistungstransistoren 32 und 34 an Masse und die Kollektoren der Leistungstransistoren 33 und 35 an das Potential —30 Volt angeschlossen. Die Leistungstransistoren 32 bis 35 bilden also die die Kommutierung des Erregerstromes steuernden Elemente.

Die Erregerwicklung 31 des Motors wird während jeder Halbperiode der betreffenden Motorphase erregt; in der einen Halbperiode sind die beiden diagonal gegenüberliegenden Leistungstransistoren 32 und 33 leitend, während in der anderen Halbperiode die Leistungstransistoren 34 und 35 leitend sind; die beiden anderen Leistungstransistoren der Brücke sind jeweils gesperrt. Die Stromrichtung durch die Erregerwicklung 31 wechselt also von einer Halbperiode zur andern.

Der der Anpassung und der Koppelung dienende Transformator wird durch die Spulen eines Sperrschwingers gebildet, der die Primärwicklung 36, die Rückkopplungswicklung 37, die Wicklung 38 zur Ankopplung des Leistungstransistors 32 sowie die Wicklung 39 zur Ankopplung des Leistungstransistors 33 enthält.

Im betrachteten Schaltbild nach F i g. 1 ist lediglich die Steuerschaltung für die beiden Leistungstransistoren 32 und 33 dargestellt, d. h. also lediglich diejenige Steuerschaltung, die während einer der beiden Halbperioden wirksam ist. Die Steuerschaltung für die anderen beiden Leistungstränsistoren 34 und 35, die während der anderen Halbperiode gesteuert werden, ist völlig analog aufgebaut.

Der Steuerspannungsgeber, der von einem mit der Motorwelle umlaufenden, nicht dargestellten Steuerorgan jeweils während einer bestimmten Winkelstellung des ebenfalls nicht dargestellten Läufers des Motors beeinflußt wird, ist mit 40 bezeichnet und besteht aus einem Transistor sowie einer im Basiskreis dieses Transistors liegenden Spule. Dieser Spannungsgeber 40 wird beispielsweise während der durch das Steuerorgan auf dem Läufer bestimmten Erregerphase mittels eines Oszillators erregt, während außerhalb dieser Erregerphase das in Form einer Abschirmscheibe ausgebildete Steuerorgan die Spule des Spannungsgebers 40 von diesem Oszillator entkoppelt.

Der Transistor des Spannungsgebers 40 ist also im Ruhestand gesperrt und während der Erregerphase leitend und steuert eine monostabile KioDStiife, zu welcher die beiden Komplementärtransistoren 41 und 42 gehören; diese Kippstufe ist vom Typ des bekannten Schmitt-Triggers. Beide Transistoren 41 und 42 sind im Ruhestand gesoerrt und während der Arbeitsphasen leitend. Die Kippstufe steuert den Transistor 43, der das aktive Element des Sperrschwingers bildet; im Basiskreis dieses Transistors 43 liegt die Rückkopplungswicklung 37 und im Emitterkreis die Wicklung 38 zur Ankopplung des Leistungstransistors 32.

Die aus den vier Transistoren 40, 41, 42 und 43 gebildete Steuerschaltung wird durch eine Hilfsspannungsquelle gespeist, die nach F i g. 5 die Klemmen + 6 Volt, Masse sowie — 6 Volt aufweist.

Solange der Spannungsgeber 40 nicht erregt ist, befinden sich alle vier Transistoren 40 bis 43 und damit auch die beiden Leistungstransistoren 32 und 33 im

ίο Sperrzustand. Wenn dagegen der Spannungsgeber 40 während einer Halbperiode erregt wird, dann wird sein Transistor leitend, was zur Folge hat, daß auch die Transistoren 41 und 42 der Kippstufe sowie der Transistor 43 und damit die beiden Leistungstransistoren 32 und 33 leitend werden; die Erregerwicklung 31 des Motors ist also stromführend.
' Dieser Motorstrom durchfließt einen Widerstand 44, der im Emitterkreis des Leistungstransistors 32 liegt. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand 44 dient zur Steuerung des eigentlichen »Phasenanschnitts«. Wenn der Erregerstrom, bei dem es sich auch um einen Bremsstrom handeln kann, einen bestimmten vorgebbaren Schwellwert übersteigt, und damit die am Widerstand 44 abfallende Spannung einen Grenzwert überschreitet, dann kippt infolge Sperrens des Transistors 41 die Kippstufe in den Sperrzustand, was eine Sperrung des Transistors 43 und damit der beiden Leistungstransistoren 32 und 33 zur Folge hat. Dieser Spannungsgrenzwert, bei welchem die Abschaltung der Leistungstransistoren 32 und 33 erfolgt, wird durch die Diode 45 sowie die Einstellung des Potentiometers 46, das die Funktion

eines Regelorgans hat, bestimmt. ,.

Die bei der Abschaltung des Erregerstrorns auftretende Selbstinduktionsspannung an der Erregerspule 31 wird durch die Dioden 47 und 48 begrenzt. Der dabei über die Diode 47 fließende Strom ist nun entsprechend dem Schaltbild nach F i g: 1 über den Widerstand 49 geleitet, so daß die am Widerstand 49 abfallende Spannung den Sperrzustand des Transistors 41 so lange aufrecht erhält, bis der den Widerstand 49 durchfließende Strom einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Dieser Stromwert, unterhalb,dessen der Transistor 41 und damit die Kippstufe wieder in den leitenden Zustand schaltet, wird im wesentlichen durch den Widerstand 49 selber bestimmt.

Voraussetzung dafür, daß der Transistor 41 und damit alle folgenden Transistoren wieder in den leitenden Zustand schalten, ist, daß der Steuerspannungsgeber40 nach wie vor erregt ist, daß sich also das den Spannungsgeber 40 steuernde Organ · noch in der die Erregerphase bestimmenden Winkelstellung befindet. In diesem Falle wird die Erregerwicklung 31 erneut so lange erregt, bis. der Motorstrom wiederum den maximal vorgegebenen Wert erreicht hat, woraufhin die erneute Abschaltung der Leistungstransistoren 32 und 33 erfolgt. Dieses Spiel des periodischen Phasenabschnitts wiederholt sich so lange, wie der Spannungsgeber 40 erregt ist.

In genau der gleichen Weise werden durch einen analogen Steuerspannungsgeber mit nachgeschalteten analogen Einheiten die beiden anderen Leistungstransistoren 34 und 35 während ihrer Erregerphase in der anderen Halbperiode gesteuert, während der der Spannungsgeber 40 und damit die Leistungstransistoren 32 und 33 gesperrt sind.

Auf F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Unterschied zum ersten Beispiel be-

nötigt die Schaltung nach F i g. 2 keine Hilfsspannung, sondern wird von der Betriebsspannungsquelle gespeist.

Die Erregerspule 31 des Motors liegt wiederum in einer aus vier Leistungstransistoren gebildeten Brükkenschaltung, bei welcher im folgenden nur die beiden gegenüberliegenden, während der einen Halbperiode gesteuerten Leistungstransistoren 51 und 52 betrachtet werden sollen. Der den Transformator enthaltende Sperrschwinger wird durch die Betriebsgleichspannung (30VoIt) erregt. Zu diesem Zweck ist die Primärwicklung 50 des Transformators in den Emitterkreis des, Leistungstransistors 51 geschaltet. Die Rückkopplungswicklung 53 liegt im Basiskreis des Leistungstransistors 51, während die Sekundärwicklung 54 zur Erregung des Leistungstransistors 52 im Basiskreis dieses Transistors liegt. Die Wicklungen 55 und 56 des gleichen Transformators liegen in den Kollektorkreisen der beiden Transistoren 58 bzw. 59, welche wiederum eine monostabile Kippstufe bilden und vom Transistor 57 des Steuerspannungsgebers gesteuert werden. Solange sich der Transistor 57 im Sperrzustand befindet, sind alle erwähnten Transistoren mit Ausnahme des Transistors 58 der Kippstufe gesperrt. Im Augenblick, in dem der Transistor 57 erregt wird, schaltet der Transistor 58 in den Sperrzustand, während der andere Transistor 59 der Kippstufe leitend wird. Die dabei im Transformator durch die Stromänderüng in den Wicklungen 55 und 56 induzierte Spannung steuert die Leistungstransistoren 51 und 52 in den leitenden Zustand, wodurch der Sperrschwinger infolge der Wirkung der Rückkopplungsspule 53 entsperrt wird.

Maßgebend für die Abschaltung des Erregerstromes bei Überschreiten eines bestimmten, vorgebbaren Grenzwertes ist in diesem Falle der Widerstand 60 im Emitterkreis des Leistungstransistors 51. Wenn die an diesem Widerstand 60 abfallende Spannung einen bestimmten Schwellwert überschreitet, wird der Transistor 57 des Spannungsgebers gesperrt, was ein Rückkippen der Kippstufe und damit eine Sperrung des Transformators infolge der durch diese Kippung in den Wicklungen 55 und 56 induzierten Spannung zur Folge hat. Derjenige minimale Stromwert, bei dessen Unterschreitung der Spannungsgeber die Leistungstransistoren 51 und 52 wieder in den leitenden Zustand schaltet, wird durch den Widerstand 61 bestimmt.

Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 wird also der Transistor 57 des Steuerspannungsgebers selber durch den Motorstrom gesteuert und besorgt die Steuerung der Phasenanschnittsschaltung, wie vorstehend beschrieben, wobei der Schwellwert bzw. Ansprechwert des Steuerspannungsgebers durch das wiederum als Regelorgan fungierende Potentiometer 62 einstellbar bzw. veränderbar ist.

Claims (7)

Patentansprüche: 60

1. Steuerschaltung für Elektromotoren mit elektronischer Kommutierung, deren Motorwicklung über wenigstens zwei auf unterschiedlichem Potcntial liegende Leistungstransistoren abwechselnd in beiden Stromrichtungen erregbar ist, mit wenigstens zwei Stcucrspannungsgebern, welche die für die eine oder andere Motorstromrichtung vorgesehenen Leistungstransistoren über monostabile Kippstufen beeinflussen, sowie mit stromabhängig gesteuerten Schaltgliedern, welche bei Überschreiten eines vorgegebenen maximalen Stromwertes den Steuerstrom unterbrechen und damit die Leistungstransistoren sperren, wobei der auf tieferem Potential liegende Leistungstransistor galvanisch mit dem Ausgang der ihm zugeordneten monostabilen Kippstufe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des auf höherem Potential liegenden Leistungstransistors (33; 52) induktiv über einen Transformator (36, 39; 50, 54) gekoppelt ist, dessen Primärwicklung (36; 50) im Ausgangskreis der monostabilen Kippstufe (41, 42; 58, 59) liegt und gleichzeitig Teil eines von dieser Kippstufe gesteuerten Sperrschwingers (36, 37, 43; 50, 51, 53) ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1 mit im Mittelzweig einer vier Leistungstransistoren enthaltenden Brückenschaltung angeordneten Motorwicklung, wobei jeweils zwei diagonal gegenüberliegende Leistungstransistoren gleichzeitig geschaltet werden und je einer der Leistungstransistoren beider Diagonalpaare auf dem höheren Potential liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der auf tieferem Potential liegende Leistungstransistor (32) jedes Diagonalpaares galvanisch an den Ausgang des ihm zugeordneten Sperrschwingers (43) angeschlossen und in seinem Basiskreis eine weitere Sekundärwicklung (38) des Transformators angeordnet ist.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 mit im Mittelzweig einer vier Leistungstransistoren enthaltenden Brückenschaltung angeordneten Motorwicklung, wobei jeweils zwei diagonal gegenüberliegende Leistungstransistoren gleichzeitig schaltbar sind und je einer der Leistungstransistoren beider Diagonalpaare auf dem höheren Potential liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor des Sperrschwingers gleichzeitig von dem auf dem tieferen Potential liegenden Leistungstransistor (51) gebildet ist. in dessen Emitterkreis die Primärwicklung (50) des Transformators und in dessen Basiskreis die Rückkopplungswicklung (53) des Sperrschwingers geschaltet ist.

4. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Arbeitskreis der monostabilen Kippstufe wenigstens eine weitere, zum erwähnten Transformator gehörende Wicklung (55, 56) zur Beschleunigung des Anschwingens oder Sperrens des Sperrschwingers (50, 51, 53) angeordnet ist.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die monostabile Kippstufe (41,42) als stromabhängig gesteuertes Schaltglied ausgebildet ist, dessen Schwellwert durch ein Potentiometer (46) veränderbar ist.

6. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerspannungsgeber (57) selbst als stromabhängig gesteuertes Schaltgiied ausgebildet ist, dessen Schwellwert durch ein Potentiometer (62) veränderbar ist.

7. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung des Steuerstromes durch den Spannungsabfall an einem vom Motorstrom durchflossenen

Widerstand (44; 60) steuerbar ist, während die Wiedereinschaltung des Steuerstromes durch den Spannungsabfall an einem anderen, nur vom Selbstinduktionsstrom der Motorwicklung (31) durchflosscnen Widerstand (49: 61) steuerbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen