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Anordnung zur getakteten Stromregelung eines elektronisch
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kommutierten Gleichstrommotors Die Erfindung bezieht sich auf eine
Anordnung zur getakteten Stromregelung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors
mit einem Permanentmagnetläufer und in Stern geschalteten Ständerwicklungen, die
mit ihrer einen Anschlußseite mit dem einen Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden
und mit ihrer anderen Anschlußseite über Kommutierungstransistoren an den anderen
Pol der Gleichspannungsquelle anschaltbar sind, wobei die Kommutierungstransistoren
durch eine von einem Rotorstellungsgeber beeinflußte Auswahlschaltung gesteuert
sind, bei welchem Motor ferner ein Freilaufkreis für die Ständerwicklungen und eine
vom Betriebs- und Freilaufstrom durchflossene, den Istwert für den Motorstromregler
liefernde Strommeßeinrichtung rorgesehen sind.
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Eine solche Anordnung ist aus der "ETZ-Bn 197b, Seiten 295 - 298,
bekannt. Für die Stromregelung ist dort eine gesonderte Reglerstufe vorgesehen,
die durch einen Stromregler taktweise gesteuert wird. Die taktweise Steuerung hat
gegenüber einer kontinuierlichen Steuerung den Vorteil, daß die Verluste geringer
sind und damit ein besserer Wirkungsgrad erzielt wird. Diesem Vorteil steht allerdings
der durch die gesonderte Reglerstufe bedingte Aufwand entgegen. Bei der bekannten
Anordnung ist ferner eine Glättungsdrossel vorgesehen. Derartige Glättungsdrosseln
können wegen ihrer großen Abmessungen nicht mit dem Motor zu einer Einheit zusammengefaßt
werden. Die bei einer örtlich getrennten Anordnung von Motor und Glättungsdrossel
erforderlichen Verbindungsleitungen
stellen einen zusätzlichen
Störfaktor dar. Bei einem Kurzschluß auf einer solchen Leitung kann es nämlich zu
einer Uberlastung der Kommutierungstransistoren kommen.
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Durch die DT-AS 23 49 770 ist eine Anordnung zur getakteten Stromregelung
eines kollektorlosen Gleichstrommotors bekannt.
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Bei dieser bekannten Anordnung wird der Motorstrom nicht direkt sondern
in Abhängigkeit von dem im Freilaufkreis fließenden Strom geregelt. Hierzu werden
die Kommutierungstransistoren über einen Stromregler entsprechend getaktet. Infolge
der indirekten Regelung des Motorstromes weicht die Kennlinie eines derart geregelten
Motors stark von der bekannten Kennlinie eines Gleichstromnebenschlußmotors ab.
Das Anlaufmoment eines solchen Motors ist kleiner als das Nennmoment, so daß der
Motor nur für bestimmte Anwendungsfälle geeignet ist. Außerdem ist der Wirkungsgrad
vergleichsweise niedrig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs
beschriebenen Art so auszubilden, daß eine direkte Regelung des Motorstromes ohne
gesonderte Reglerstufe möglich ist.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch,
daß als Freilaufkreis Jeder Ständerwicklung eine Freilaufdiode zugeordnet ist und
alle Freilaufdioden an den einen Anschlußpol einer Spannungsbegrenzungsschaltung
geführt sind, die mit ihrem anderen Anschlußpol an dem einen Pol der Gleichspannungsquelle
liegt, mit dem ferner die Ständerw cklungen über die Strommeßeinrichtung verbunden
sind und daß ferner die Kommutierungstransistoren in Abhängigkeit vom Ausgangssignal
des als Zweipunktregler ausgebildeten Motorstromreglers getaktet sind.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Stromregelung im Bremsbetrieb
dadurch möglich, daß jede Ständerwicklung über einen MeBwiderstand mit dem einen
Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist und die Meßwiderstände untereinander
entkoppelt mit dem Istwerteingang des Motorstromreglers verbunden sind.
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Für den Fall, daß kein Bremsbetrieb erforderlich ist, kann die Anordnung
dadurch vereinfacht werden, daß die Ständerwicklungen über eine gemeinsame Strommeßeinrichtung
an den betreffenden Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.
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Eine einfache Ansteuerung der Kommutierungstransistoren durch den
Zweipunktstromregler wird dadurch erreicht, daß durch das Ausgangssignal des Motorstromreglers
ein Sperrtransistor gesteuert ist, dessen Laststrecke einerseits über Entkopplungsdioden
mit den Basen der Kommutierungstransistoren und andererseits mit deren an dem anderen
Pol der Gleichspannungsquelle liegenden Lastelektroden verbunden ist.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
wird der Gegenstand der Erfindung nachfolgend näher beschrieben.
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Mit 1 bis 4 sind die Ständerwicklungen eines Gleichstrommotors bezeichnet.
Die Ständerwicklungen 1 - 4 sind mit ihrer einen Anschlußseite Jeweils über einen
als Strommeßeinrichtung dienenden Meßwiderstand 5 - 8 mit dem einen Pol (+) einer
Gleichspannungsquelle U verbunden. Mit ihrer anderen Anschlußseite sind die Ständerwicklungen
1 - 4 über Kommutierungstransistoren 8 -12 an den anderen Pol (-) der Gleichspannungsquelle
anschaltbar.
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An die mit den Kommutierungstransistoren 9 - 12 verbundenen Anschlußseiten
der Ständerwicklungen 1 - 4 ist jeweils eine Freilaufdiode 13 bis 16 angeschlossen.
Die Freilaufdioden 13 bis 16 sind gemeinsam an eine Spannungsbegrenzvsgsschaltung
geführt. Die Spannungsbegrenzungsschaltung besteht aus der Reihenschaltung einer
Zenerdiode 17 mit einem ohmschen Widerstand 18 und einem zu dieser Reihenschaltung
parallel geschalteten Begrenzungs-Transistor 19. Der Begrenzungs-Transistor 19 liegt
mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke parallel zu der Zenerdiode 17 und dem ohmschen
Widerstand 18. Mit seiner Basis ist der Begrenzungs-Transistor 19 zwischen der Zenerdiode
17 und dem Widerstand 18 angeschlossen. Die beschriebene Spannungsbegrenzungsachaltung
verbindet die Freilaufdioden 13 bis 16 mit dem einen Pol (+) der Gleichspannungsquelle.
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Zwischen jeder Ständerwicklung 1 bis 4 und dem betreffenden Meßwiderstand
5 bis 8 ist Jeweils ein Entkoppelungskreis angeschlossen, in dem Jeweils ein Entkoppelungswiderstand
20 bis 23 mit einer Entkoppelungsdiode 24 bis 27 in Reihe liegt. Die Entkoppelungsdioden
24 bis 27 sind über einen gemeinsamen Vorwiderstand 28 an den einen Eingang eines
als Motorstromregler dienenden Operationsverstärkers 29 geführt. Mit dem gleichen
Eingang des Operationsverstärkers 29 ist ferner ein Einstellwiderstand 30 verbunden,
über den ein Sollwert vorgegeben wird.
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Dieser Eingang bildet somit den Soll-Istwert-Eingang des Motorstromreglers.
Zwischen diesem Soll-Istwert-Eingang des Operationsverstärkers 29 und dem Ausgang
desselben ist weiterhin noch ein Rückkoppelwiderstand 31 angeschlossen. Der andere
Eingang des Operationsverstärkers 29 ist mit dem einen Pol (+) der Gleichspannungsquelle
verbunden. Der Operationsverstärker 29 bildet somit einen Zweipunktregler, der die
Kommutierungstransistoren 9 bis 12 taktet. Hierzu ist an den Ausgang ein Steuertransistor
32 angeschlossen, der mit seinem Emitter über einen Emitter-Widerstand 33 an dem
einen Pol (+) der Gleichspannungsquelle liegt. Mit seinem Kollektor ist der Steuertransistor
32 mit der Basis eines Sperrtransistors 34 verbunden.
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Zwischen der Basis und dem anderen Pol (-) der Gleichspannungsquelle
ist ein Basiswiderstand 35 angeordnet. Der Kollektor des Sperrtransistors 34 ist
über Entkopplungsdioden 36 bis 39 mit den Basen der Kommutierulgstransistoren 9
bis 12 verbunden.
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Die Basen der Kommutierungstransistoren 9 bis 12 sind außerdem an
eine Auswahlschaltung 40 geführt, die von einem Rotorstellungsgeber 41 beeinflußt
wird. ueber die Auswahlschaltung 40 werden somit die Kommutierungstransistoren 9
- 12 jeweils dann angesteuert, wenn entsprechend der jeweiligen Rotorstellung der
Strom von der einen auf die andere Ständerwicklung kommutieren muß. Als Rotorstellungsgeber
können beispielsweise Hallgeneratoren verwendet werden, die durch das Magnetfeld
des Permanentmagnetläufers des Gleichstrommotors gesteuert werden. Derartige Rotorstellungageber
sind allgemein bekannt.
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Die Anordnung arbeitet wie folgt: Es wird angenommen; daß der Kommutierungstransistor
9 durch die Auswahlschaltung 40 ein Steuersignal erhält. Solange der Sperrtransistor
34 durch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 29 gesperrt ist, wird der
Kommutierungstransistor 9 durch das Steuersignal der Auswahlschaltung 40 durchgesteuert
und es fließt ein Strom in der Ständerwicklung 1, der einen Spannungsabfall an dem
MeBwiderstand 5 erzeugt. Über den Entkopplungswlderstand 20, die Entkoppelungsdiode
24 und den Vorwiderstand 28 wird die an dem Meßwiderstand 5 abfallende Spannung
zum Soll-Istwert-Vergleich an den Soll-Istwert-Eingang des Operationsverstärkers
29 geführt. Übersteigt der Istwert den Sollwert, wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers
29 in seiner Polarität umgeschaltet und über den Steuertransistor 32 der Sperrtransistor
34 aufgesteuert. Dadurch wird die Basis des Kommutierungstransistors über die Entkopplungsdiode
36 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Sperrtransistors 34 an den anderen Pol
(-) der Gleichspannungsquelle geschaltet, was zum Sperren des Kommutierungstransistors
9 führt.
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Nach dem Sperren des Kommutierungstransistors 9 wird der in der Ständerwicklung
1 fließende Strom durch die Induktivität dieser Wicklung weiter getrieben. Sobald
die Selbstinduktionsspannung der Ständerwicklung 1 die Zenerspannung der Zenerdiode
17 übersteigt, wird der Begrenzungs-Transistor 1Ci aufgesteuert und der Strom (Freilaufstrom)
fließt über die Frr5laufdiode 13, den Begrenzungs-Transistor 19 und den Neßwiderst
nd 5 zu der Ständerwicklung 1 zurück. Durch den Begrenzungs-Transistor 19 wird die
Selbstinduktionsspannung auf den Wert der Zenerspannung der Zenerdiode 17 begrenzt.
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Der Freilaufstrom erzeugt ebenso wie der Betriebsstrom an dem Meßwiderstand
5 einen Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall wird dem Operationsverstärker 29
ebenfalls als Istwert zugeführt. Sobald dieser Istwert den vorgegebenen Sollwert
um ein bestimmtes Maß unterschreitet, schaltet der Operationsverstärker 29 wiederum
sein Ausgangssignal um, wodurch der Sperrtransistor 34 wieder gesperrt wird. Daraufhin
wird der Kommutierungstransistor 9 durch das von der Auswahlschaltung 40 her anstehende
Steuer-
signal wieder aufgesteuert. Der Kommutierungstransistor
9 wird damit im Takt der von dem Operationsverstärker 29 abgegebenen Signale auf-
und zugesteuert. Sobald sich der Rotor soweit weitergedreht hat, daß die nächste
Ständerwicklung eingeschaltet werden muß, schaltet die Auswahlschaltung 40 das Steuersignal
auf den betreffenden Kommutierungstransistor weiter. Dieser Kommutierungstransistor
wird dann in der gleichen Weise wie für den Kommutierungstransistor 9 beschrieben,
durch den Operationsverstärker 29 getaktet.
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Während des Bremsbetriebes wird die Kommutierungsfolge der vom mutierungstransistoren
9 -12 so geändert, daß der Motor als Generator arbeitet. Im Generatorbetrieb besteht
die Gefahr, daß über den jeweils aufgesteuerten Kommutierungstransistor und den
zu diesem um 1800 el. versetzt gesteuerten Kommutierungstransistor Ausgleichsströme
fließen, da der letztgenannte Kommutierungstransistor aufgrund der anliegenden Emitter-Kollektorspannung
trotz eines Sperrsignales in den leitenden Zustand versetzt wird (inverser Betrieb).
Die unzulässige Beanspruchung der Kommutierungstransistoren durch diese Ausgleichsströme
kann verhindert werden, wenn zu den Kommutierungstransistoren Sperrdioden in Reihe
oder Überbrückungsdioden zu deren Kollektor-Emitter-Strecke-antiparallel geschaltet
werden. Diese zusätzlichen Dioden müssen allerdings für einen wesentlich höheren
Strom als den Motornennstrom bemessen werden, da die Ausgleichsströme normalerweise
nicht begrenzt sind. Bei der erfindungsgemaßen Anordnung können diese Ausgleichsströme
durch den vorhandenen Motorstromregler 29 durch entsprechendes Takten der Kommutierungstransistoren
9 - 12 auf den Motornennstrom begrenzt werden. Hierzu wird der Strom über die Meßwiderstände
5 - 8 in Jeder Ständerwicklung erfaßt. Die zusätzlichen Dioden brauchen dann nur
für den Motornennstrom bemessen zu werden. Sie können vollkommen entfallen, wenn
als Kommutierungstransistoren 9 - 12 Darlington-Transistoren verwendet werden, die
bereits eine zu der Kollektor-Emitter-Strecke antiparallel geschaltete Diode aufgrund
des Herstellungsprozesses enthalten.
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4 Patentansprüche 1 Figur