DE2642472A1

DE2642472A1 - Kollektorloser gleichstrommotor mit mehreren in stern geschalteten phasenwicklungen

Info

Publication number: DE2642472A1
Application number: DE19762642472
Authority: DE
Inventors: Karl Ing Grad Schalk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-21
Filing date: 1976-09-21
Publication date: 1978-03-23
Also published as: US4132930A; DE2642472C3; JPS5337811A; JPS6226193U; CH618555A5; DE2642472B2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT - Unser Zeichen Berlin und München VPA 75 p

Kollektorloser Gleichstrommotor mit mehreren in Stern geschalteten Phasenwicklungen

Das Hauptpatent (Patentanmeldung P 26 33 047.2)

bezieht sich auf einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit mehreren in Stern geschalteten Phasenwicklungen, die über eine aus steuerbaren Halbleiterelementen bestehende Kommutierungseinrichtung an eine Gleichspannungsquelle schaltbar sind, bei dem jede Phasenwicklung mit ihrem an das steuerbare Halbleiterelement eingeschlossenen Wicklungsende mit dem einen Anschlußpol einer Auskoppeldiode\verbunden ist und die Auskoppeldioden mit ihrem anderen Anschlußpol an einem gerneinsamen Verbindungspunkt liegen. Um einerseits eine Zerstörung der steuerbaren Halbleiterelemente der Kommutierungseinrichtung durch die bei der Abschaltung der einzelnen Phasenwicklungen auftretende SelbstInduktionsspannung zu verhindern und um andererseits einer Verfälschung des Drehzahl-Istwertes durch diese Selbstinduktionsspannung entgegen zu wirken, wird gemäß dem Hauptpatent ein spannungsabhängiges Element mit seinem einen Anschlußpol mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Auskoppeldioden und mit seinem anderen Anschlußpol über einen Reihenwiderstand mit dem Sternpunkt der Phasenwicklungen verbunden und zu dem spannungsabhängigen Element und dem Reihenwiderstand die Laststrecke eines steuerbaren Halbleiter-Schaltelementes parallel geschaltet, wobei der Drehzahl-Istwert über ein aus mindestens einem Widerstand und einem Kondensator bestehendes Glättungsglied zwischen dem

Hs 21 Rid / 9.9.1976

809812/0455 _0Rj_GINAl inspected

Sternpunkt und dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Auskoppeldioden abgegriffen wird.

Es hat sich gezeigt, daß insbesondere bei Motoren mit genutetem Ständer sich der über Dioden ausgekoppelten drehzahlproportionalen EMK motorstromabhängige Anteile überlagern, wodurch sich ein den Drehzahl-Istwert verfälschender lastabhängiger Drehzahlfehler des Antriebs ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach dem Hauptpatent so weiterzubilden, daß nicht nur eine Zerstörung der steuerbaren Halbleiterelemente der Kommutierungseinrichtung durch die Selbstinduktionsspannung vermieden wird, sondern auch die'Xastabhängigkeit des Drehzahl-Istwertes entsprechend berücksichtigt wird.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als steuerbares Halbleiterelement ein Darlington-Transistor verwendet ist, und daß dem mit dem spannungsabhängigen Element in Reihe liegenden Widerstand über einen parallelen Widerstand die Emitter-Basis-Strecke eines weiteren Transistors parallel geschaltet ist, dessen Kollektor derart über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode und einen Reihenwiderstand mit Nullpotential verbunden ist, daß an dem Verbindungspunkt zwischen Diode und Widerstand ein drehzahlproportionaler Stromimpuls koppelbar ist.

Dieser drehzahl- und lastproportionale Stromimpuls kann zur Kompensation des lastabhängigen Drehzahlfehlers des Antriebs oder auch selbst zur Bildung eines den Motorstrom berücksichtigenden Drehzahl-Istwertes herabgezogen werden.

Die Kompensation des lastabhängigen Drehzahlfehlers kann auf einfache Weise derart vorgenommen werden, daß der mit der in Durchlaßrichtung geschalteten Diode in Reihe liegende Widerstand eine Zenerdiode ist und der Verbindungspunkt zwischen diesen beiden mit der Basis eines weiteren Transistors verbunden ist, dessen Emitter über einen Widerstand

809812/0455

mit Nullpotential und dessen Kollektor mit einem Pol des Kondensators des Glättungsgliedes in Verbindung steht.

Eine andere vorteilhafte Lösung desselben Problems besteht darin, daß der Verbindungspunkt zwischen der in Durchlaßrichtung geschalteten Diode und dem Widerstand mit dem Eingang einer Zeitstufe yerbunden ist, deren Ausgang mit der Basis eines weiteren Transistors verbunden ist, dessen Emitter über einen Widerstand mit Nullpotential und dessen Kollektor mit dem einen Pol des Kondensators des Glättungsgliedes verbunden ist, und daß die Basis des Transistors einerseits über einen Widerstand mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung und andererseits über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode und einen Widerstand mit Nullpotential in Verbindung steht und daß in dem Verbindungspunkt zwischen Diode und Widerstand ein dem Motorstrom proportionaler Strom eingespeist ist.

Wie vorstehend bereits ausgeführt, kann die Auskopplung des drehzahl- und lastproportionalen Stromimpulses auch unmittelbar zur Drehzahl-Istwert-Bildung verwendet werden und zwar dadurch, daß der Verbindungspunkt zwischen der in Durchlaßrichtung geschalteten Diode und dem Widerstand mit dem Eingang einer Zeitstufe verbunden ist, an deren Ausgang zur Bildung eines digitalen Drehzahl-Istwertes ein Glättungsglied angeschlossen ist.

Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird der Anmeldungsgegenstand näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 das Schaltbild eines kollektorlosen Gleichstrommotors nach der Erfindung,

Figur 2 ein Spannungs-Zeit-Diagramm der in einer Phasenwicklung induzierten Spannungen,

Figur 3 eine Schaltungsvariante des in Figur 1 dargestellten kollektorlosen Gleichstrommotors,

809812/0455

Figur 4 ein Detail-Schaltbild der Drehzahl-Istwerterfassung, und Kompensation des lastabhängigen Drehzahlfehlers, und

Figur 5 ein Detail-Schaltbild einer digitalen Drehzahl-Istwerterfassung.

In Figur 1 sind mit 1 bis 4 die Phasenwicklungen eines kollektorlosen Gleichstrommotors bezeichnet. Mit ihrem einen Wicklungsende sind die Phasenwicklungen 1 bis 4 in einem Sternpunkt 5 zusammengefaßt und mit ihrem anderen Wicklungsende an Kommutierungstransistoren 6 bis 9 angeschlossen. Die Steuerung der Kommutierungstransistoren 6 bis 9 erfolgt über eine Auswahlschaltung 10, die ihrerseits über in der Zeichnung nicht dargestellte vom Läufer des Motors beeinflußte Lagermelder gesteuert wird. An die mit den Kommutierungstransistoren 6 bis verbundenen Wicklungsenden der Phasenwicklungen 1 bis 4 sind Auskoppeldioden 11 bis 14 mit ihrem einen Anschlußpol angeschlossen. Der andere Anschlußpol dieser Auskoppeldioden 11 bis 14 ist an einen gemeinsamen Verbindungspunkt 15 geführt.

Eine Zenerdiode 16 ist mit ihrem einen Anschlußpol an den gemeinsamen Verbindungspunkt 15 angeschlossen und über einen Reihenwiderstand 17 mit dem Sternpunkt 5 verbunden. Zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt 15 und dem Sternpunkt 5 ist weiterhin als steuerbares Halbleiter-Schaltelement ein Transistor 18' angeordnet, der als Darlington-Transistor ausgebildet ist. Bekanntlich besteht ein solcher Transistor aus zwei kaskadierten gewöhnlichen Transistoren. Die Basis des Darlington-Transistors 18' liegt an dem gemeinsamen Anschlußpunkt 25 des Reihenwiderstands 17 und der Zenerdiode 16. Über ein aus Widerständen 20' und 21' und einem Kondensator 22 bestehendes Glättungsglied kann der Drehzahl-Istwert als Spannung U_is+ abgenommen werden. Zur Umwandlung dieses Istwertes in einen diesem proportionalen Strom I_ist kann in an sich bekannter Weise ein Transistor 26 verwendet werden. Ferner ist in der gemeinsamen Zuleitung der Kommutierungstransistoren 6 bis 9 ein ohmscher Widerstand 27 vorgesehen, an dem über einem Punkt 28 eine dem Motorstrom I_M

809812/045 5

η Ρ 3 20 6 BRD

proportionale Spannung U_M abgenommen wird, wie durch einen Pfeil 29 angedeutet ist.

Parallel zu dem Widerstand 17 bzw. der Basis-Emitter-Strecke des Darlington-Transistors 18' ist über einen Widerstand 30 die Basis-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors 31 parallelgeschaltet. Der Kollektor des Transistors 31 ist über eine Diode 32 und eine Zenerdiode 33 an Nullpotential gelegt. Der Verbindungspunkt 34 zwischen der in Durchlaßrichtung geschalteten Diode 32 und der Zenerdiode 33 ist mit der Basis eines Transistors 35 verbunden, dessen Kollektor mit dem einen Pol des Glättungskondensators 22 und dessen Emitter über einen Widerstand 36 mit Nullpotential verbunden ist.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Figur 1 wird anhand der Figur 2 näher erläutert. Die Abszissenachse entspricht dem Nullpotential, das dem negativen Pol der Spannungsquelle entspricht. Mit einer gestrichelten Linie ist das Potential des Sternpunktes 5 ^u _s-tern ^Dezeiclme"^t» wobei eine mit 37 bezeichnete Sinuslinie die Spannung darstellt, die der zweipolig magnetisierte Rotormagnet in einer der Phasenwicklungen, z. B. der Phäsenwicklung 1 induziert, sofern diese Wicklung nicht unter Strom gesetzt ist. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel führt diese Wicklung Strom zwischen dem Winkel von 135° bis 225° (bei einer 90°-Aussteuerung der einzelnen Phasenwicklungen). Durch die Dioden 11 bis 14 wird jedoch nur die gegenüber ^_a^_ern positive Halbwelle ausgekoppelt, wie durch eine Schraffur angedeutet ist. Wie jedoch Figur 2 zeigt, überlagern sich dieser Wicklungsspannung (EMK) die Abschaltspannungsspitze A und ein transformotorischer Anteil B aus der um 180° elektrisch versetzten Phasenwicklung 3. Die Höhe der Abschaltspannungsspitze A wird entsprechend der Hauptanmeldung durch die Zenerdiode 16 in der Höhe entsprechend begrenzt. Die beiden Größen A und B sind dem Motorstrom I„ proportional. Die Impulsbreite A t hängt bei konstanter Abmagnetisierungsspannung ebenfalls vom Motorstrom ab. Der Mittelwert der beiden Störgrößen ist außerdem von der Motordrehzahl η abhängig.

809812/0455

76 P 3 20 6 BRD

Figur 1 zeigt nun eine Kompensationsschaltung, die sowohl dem Motorstrom als auch der Motordrehzahl proportional ist. Dies wird dadurch erreicht, daß beim Ansprechen der Z-Diode 16 über den zusätzlichen Widerstand 30 und dem Transistor 31 ein Stromimpuls Ip ausgekoppelt wird. Die Impulsbreite Δ t ist dem Motorstrom L. proportional, während die Impulsfrequenz von der Motordrehzahl η abhängig ist. An der Z-Diode 33 entsteht ein Spannungsimpuls konstanter Amplitude, der den Transistor 35 aufsteuert, so daß vom positiveren Pol des Glättungskondensators 22 ein Kompensationsstrom I^ fließt, der von der Größe des Widerstandes 36 abhängt. Damit wird die Ladung des Glättungskondensators 22 um einen Anteil verringert, der proportional dem Produkt von Ι_κ χ Δ t ist. Durch entsprechende Wahl der Größe des Widerstandes 36 kann also der Einfluß der beiden Störgrößen A und B exakt ausgeglichen werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist der Darlington-Transistor 18' gemäß Fig. 1 durch einen einfachen Transistor 18 ersetzt. In diesem Falle muß jedoch der Widerstand. 17 durch zwei Dioden 37 und 38 ersetzt werden und die Basis des Transistors 18 muß über einen Widerstand 39 mit dem Anschlußpunkt 25 verbunden sein. Nur auf diese Weise kann das Potential des Anschlußpunktes 25 so hoch gesetzt werden, daß über den Widerstand 30, Transistor 31 und Diode 32 ein entsprechender Stromimpuls I ausgekoppelt werden kann. Die Kompensation des lastabhängigen Drehzahlfehlers erfolgt dann in gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur

Bei den Ausführungsbeispielen nach Figur 1 und 3 ist die Höhe des Stromimpulses durch die Zenerdiode 33 bestimmt, während die Impulsbreite /^ t proportional dem Motorstrom ¹M ^ist·

In Figur k ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem die Impulsbreite -Δ t des ausgekoppelten Stromimpulses konstant gehalten wird, und zwar mit Hilfe einer Zeitstufe 40, während die Impulshöhe proportional dem Motorstrom L· gemacht wird. Wirkungsmäßig gleiche Teile sind mit gleichen Bezugs-

809812/0455

76 ^p 3 20 6 BRD

zeichen wie in Figur 1 versehen. Anstelle der Zenerdiode 33 kann nun ein ohmscher Widerstand 41 verwendet werden. Der Anschlußpunkt 34 zwischen diesem Widerstand 41 der Diode 32 ist nicht unmittelbar mit der Basis des Transistors 35 verbunden, sondern über die besagte Zeitstufe 40, deren Laufzeit in bekannter Weise durch einen Widerstand 42 und einen Kondensator 43 bestimmt werden kann. Der Ausgang Q der Zeitstufe 40 ist mit der Basis des Transistors 35 verbunden. Die Zeltstufe 40 spricht also bei Jedem ausgekoppelten drehzahlproportionalen Stromimpuls Ip an und steuert den Transistor an. Das Potential der Basis des Transistors 35 wird in Abhängigkeit vom Motorstrom I« beeinflußt und zwar dadurch, daß die Basis des Transistors 35 einerseits über einen Widerstand 44 mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung U_ß und andererseits über eine Diode 45 und einem ohmschen Widerstand mit Nullpotential verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen der Diode 45 und dem Widerstand 46 ist mit 47 bezeichnet und steht mit einer Leitung 48 in Verbindung, über die ein dem Motorstrom I_M proportionaler Strom eingespeist wird. Dieser fließt über den Widerstand 46 und hebt damit das Potential des Verbindungspunktes 47 entsprechend an. Die Basisspannung von dem Transistor 35 wird also bestimmt durch den Spannungsabfall an dem Widerstand 46 und der Durchlaßspannung der Diode 45. Die Diode 45 soll hierbei nur die Basis-Emitter-Diode von dem Transistor 35 kompensieren. Über den Widerstand 44 erhält die Diode 45 aus der Versorgungsspannungsquelle U_ß Strom, der auch über den Widerstand 46 fließt. Der Strom durch den Widerstand 46 ist jedoch gegenüber dem Motorstrom L· vernachlässigbar klein, so daß die an dem Widerstand 46 abfallende Spannung praktisch allein durch den dem Motorstrom I_M proportionalen Strom bestimmt wird. Der Kollektorstrom des Transistors 35 ist demnach auch dem Motorstrom I_M proportional. Der Mittelwert des Kollektorstromes hängt von der Motordrehzahl ab. Durch entsprechende Wahl des Widerstandes 36 kann somit der Kompensationsstrom I^ vorgegeben werden, der - wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 - die Ladung des Glättungskondensators 22 verringert.

809812/0455

78 P 3 20 6 BRD

Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Gewinnung eines dem Drehzahl-Istwert proportionalen Signals. Die Auskopplung des drehzahlproportionalen Stromimpulses I erfolgt wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen über des dem Widerstand 17 parallelgeschalteten Widerstand 30 und Transistor 31. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist der Verbindungspunkt 34 zwischen der Diode 32 und dem ohmschen Widerstand 41 mit dem Eingang einer Zeitstufe 49 verbunden, deren Laufzeit durch einen ohmschen Widerstand 50 und Kondensator 51 bestimmt ist. Der Ausgang Q der Zeitstufe 49 ist über ein aus Widerständen 52 und 53 sowie einem Kondensator 54 bestehendes Glättungsglied mit einem Ausgang 55 verbunden, der eine dem Drehzahl-Istwert n_is^ proportionale Spannung führt.

5 Patentansprüche
5 Figuren

809812/0455

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit mehreren in Stern geschalteten Phasenwicklungen, die über eine aus steuerbaren Halbleiterelementen bestehende KommutierungseinT richtung an eine Gleichspannungsquelle schaltbar sind, bei denen jede Phasenwicklung mit ihrem an das steuerbare Halbleiterelement angeschlossenen Wicklungsende mit dem einen Anschlußpol einer Auskoppeldiode verbunden ist und die Auskoppeldioden mit ihrem anderen Anschlußpol an einem gemeinsamen Verbindungspunkt liegen, wobei ein spannungsabhängiges Element mit seinem einen Anschlußpol mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt und mit seinem anderen Anschlußpol über einen Reihenwiderstand mit dem Sternpunkt der Phasenwicklungen verbunden und zu dem spannungsabhängigen Element und dem Reihenwiderstand die Laststrecke eines steuerbaren Halbleiter-Schaltelementes parallel geschaltet ist, und wobei ferner der Drehzahl-Istwert über ein aus mindestens einem Widerstand und einem Kondensator bestehendes Glättungsglied abgegriffen ist,

nach Patent (Patentanmeldung P 26 33 047),

dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbares Halbleiterelement ein Darlington-Transistor (18¹) verwendet ist, und daß dem mit dem spannungsabhängigen Element (16) in Reihe liegenden Widerstand (17) über einen weiteren Widerstand (30) die Emitter-Basis-Strecke eines weiteren Transistors (31) parallel geschaltet ist, dessen Kollektor derart über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode (32) und einen Reihenwiderstand (33 bzw. 41) mit Nullpotential verbunden ist, und daß an dem Verbindungspunkt (34) zwischen Diode (32) und Widerstand (33 bzw. 41) ein drehzahlproportionaler Stromimpuls (Ι_Ό) auskoppelbar ist.

2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der in Durchlaßrichtung geschalteten Diode (32) in Reihe liegende Widerstand eine Zenerdiode (33) ist und der Verbindungspunkt (34) zwischen diesen beiden mit der Basis eines weiteren Transistors (35) ver-

809812/0A56

76 P 3 20 6 BRD

- verbunden ist, dessen Emitter über einen Widerstand (36) mit Nullpotential und dessen Kollektor mit dem einen Pol des Kondensators (22) des Glättungsgliedes in Verbindung steht.

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines normalen Transistors (18) anstelle des Darlington-Transistors (18') der mit dem spannungsabhängigen Element (16) in Reihe liegende Widerstand (17) durch zwei in Reihe liegende Dioden (37, 38) ersetzt ist. ·

4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt (34) zwischen der in Durchlaßrichtung geschalteten Diode (32) und dem Widerstand (41) mit dem Eingang einer Zeitstufe (40) verbunden ist, deren Ausgang mit der Basis eines weiteren Transistors (35) verbunden ist, dessen Emitter über einen Widerstand (30) mit Nullpotential und dessen Kollektor mit dem einon Pol deo Kondemmtars (22) des Glättungsgliedes verbunden ist, und daß die Basis des Transistors (35) einerseits über einen Widerstand (44) mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung (48) und andererseits über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode (45) und einen Widerstand (46) mit Nullpotential in Verbindung steht und daß ein dem Verbindungspunkt (47) zwischen Diode (45) und Widerstand (46) ein dem Motorstrom proportionaler Strom (Im) eingespeist ist.

5. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt (34) zwischen der in Durchlaßrichtung geschalteten Diode (32) und dem Widerstand (41) mit dem Eingang einer Zeitstufe (49) verbunden ist, an deren Ausgang zur Bildung eines digitalen Drehzahl-Istwertes ein Glättungsglied (52, 53, 54) angeschlossen ist.

80981 2/0455