DE2642472C3

DE2642472C3 - Kollektorloser Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2642472C3
Application number: DE2642472A
Authority: DE
Inventors: Karl Ing.(Grad.) 8500 Nuernberg Schalk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-21
Filing date: 1976-09-21
Publication date: 1980-02-14
Also published as: US4132930A; JPS6226193U; DE2642472A1; JPS5337811A; DE2642472B2; CH618555A5

Description

Die Erfindung 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 denen jede Phasenwicklung mit ihrem an das steuerbare Halbleiterelement angeschlossenen Wicklungsende mit dem einen Anschluß einer Auskoppeldiode verbunden ist und die Auskoppelaioden mit ihrem anderen Anschluß an einem gemeinsamen Verbindungspunkt liegen, wobei eine Zenerdiode mit ihrem einen Anschluß mit dem gemeinsamen Verbin-

JO dungspunkt und mit ihrem anderen Anschluß über einen Reihenwiderstand mit dem Sternpunkt der Phasenwicklungen verbunden und zu der Zenerdiode und dem Reihenwiderstand die Laststrecke eines steuerbaren Halbleiter-Schaltelements parallel geschaltet

^J5 ist, und wobei ferner der Drehzahl-Istwert über ein aus mindestens einem Widerstand und einem Kondensator bestehendes Glättungsglied abgegriffen ist. Ein solcher Motor bildet Gegenstand der älteren Patentanmeldung P 2633 047.2. Es hat sich gezeigt,

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß auf einfache Weise ein drehzahlproportionaler Stromimpuls ge-

w wonnen werden kann, mit dem dann die Lastabhängigkeit des Drehzahl-Istwertes kompensiert werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem mit der Zenerdiode 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 auskoppelbar ist.

Dieser drehzahlproportionale Stromimpuls kann zur Kompensation des lastabhängigen Drehzahlfeh-

**· lers des Antriebs oder auch selbst zur Bildung einer den Drehzahl-Istwert proportionalen Spannung herabgezogen werden.

Die Kompensation des lastabhängigen Drehzahl-

fehlers 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 mit Nullpotential und dessen Kollektor mit einem Anschluß des Kondensators des Glättungsg'iedes in Verbindung steht (Anspruch 3).

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß ^Iü der Verbindungspunkt zwischen der in Durchlaßrichtung geschalteten Diode und dem Widerstand mit dem Eingang einer Zeitstufe verbunden ist, deren Ausgang mit der Basis eines zusätzlichen Transistors verbunden ist, dessen Emitter über einen Widerstand mit Nullpo- ι ί tential und dessin Kollektor mit dem einen Pol des Kondensators des Glättungsgliedes verbunden ist, und daß die Basis dieses zusätzlichen Transif'ors 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 (Anspruch 4). -25

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 Durchlaß- i< > richtung 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 (Anspruch 5).

An Hand mehrerer in der Zeichnung dargestellter ^ Ausführungsbeispiele wird der Anmeldungsgegenstand näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild eines kollektorlosen Gleichstrommotors nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Spannungs-Zeit-Diagramm der in einer ·)< > Phasenwicklung induzierten Spannungen,

Fig. 3 eine Schaltungsvariante des in Fig. 1 dargestellten kollektorlosen Gleichstrommotors,

Fig. 4 ein Detail-Schaltbild der Drehzahl-Istwertcrfassung, und Kompensation des lastabhängigen ·)■> Drehzahlfehlers, und

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

In Fig. 1 sind mit 1 bis 4 die Phasenwicklungen eines kollektorlosen Gleichstrommotors bezeichnet. so Mit ihrem einen Wicklungsende sind die Phasenwicklungen Ibis 4 in einem Sternpunkt 5 zusammengefaßt und mit ihrem anderen Wicklungsende an Kominutierungstransistoren 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 9 verbundenen Wicklungsenden der Phasenwicklungen 1 bis f>o 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 Anschluß- b5 pol 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. 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_1n abgenommen werden. Zur Umwandlung dieses Istwertes in einen diesem proportionalen Strom J₁₁₁ 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 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 zusätzlichen Transistors 35 verbunden, dessen Kollektor mit dem einen Anschluß des Glättungskondensators 22 und dessen Emitter über einen Widerstand 36 mit Nullpotential verbunden ist.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird an Hand der Fig. 2 näher erläutert. Die Abszissenachse entspricht dem Nullpotential, das dem negativen Pol der SpannungsqueUe entspricht. Mit einer gestrichelten Linie ist das Potential des Sternpunkts 5 U_am bezeichnet, wobei eine mit 37 bezeichnete Sinuslinie die Spannung darstellt, die der zweipolig magnetisierte Rotormagnet in einer der Phasenwicklungen, z. B. der Phasenwicklung 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 U_slem positive Halbwelle ausgekoppelt, wie durch eine Schraffur angedeutet ist. Wie jedoch Fig. 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 l_M proportional. Die Impulsbreite At hängt bei konstanter Abmagnetisierungsspannung ebenfalls vom Motorstrom ab. Der Mittelwert der beiden Störgrößen ist außerdem von der Motordrehzahl η abhängig.

Fig. 1 zeigt nun eine Kompensationsschaltung, bei der I_m sowohl dem Motorstrom als auch der Motordrehzahl proportional ist. Dies wird dadurch erreicht, daß beim Ansprechen der Zenerdiode 16 über den zusätzlichen Widerstand 30 und dem Transistor 31 ein Stromimpuls Ip ausgekoppelt wird. Die Impulsbreite At ist dem Motorstrom I_M proportional, während die Impulsfrequenz von der Motordrehzahl η abhängig ist. An der Zenerdiode 33 entsteht ein Span-

nungsimpuls konstanter Amplitude, der den Transistor 35 aufsteuert, so daß vom positiveren Pol des Glättungskondensators 22 ein Kompensationsstrom I_k 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 I_K X At 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 Fig. 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 l_f ausgekoppelt werden kann. Die Kompensation des lastabhängigen Drehzahlfehlers erfolgt dann in gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 3 ist die Höhe des Stromimpulses durch die Zenerdiode 33 bestimmt, während die Impulsbreite At proportional dem Motorstrom /_M ist.

In F i g. 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem die Impulsbreite At des ausgekoppelten Stromimpulses konstant gehalten wird, und zwar mit Hilfe einer Zeitstufe 40, während die Impulshöhe proportional dem Motorstrom I_M gemacht wird. Wirkungsmäßiggleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. An Stelle 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 als weiteren bezeichneten 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 Zeitstufe 40 spricht also bei jedem ausgekoppelten drehzahlproportionalen Stromimpuls Ip an und steuert den Transistor 35 an. Das Potential der Basis des Transistors 35 wird in Abhängigkeit vom Motorstrom I_M beeinflußt und zwar dadurch, daß die Basis des Transistors 35 einerseits über einen Widerstand 44 mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung U_B und andererseits über eine Diode 45 und einem ohmsehen Widerstand 46 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.

ίο 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_B Strom, der auch über den Widerstand 46 fließt. Der Strom durch den Widerstand 46 ist jedoch gegenüber dem Motorstrom I_M vernachlässigter 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 l_M proportional. Der Mittelwert des Kollektorstroms hängt von der Motordrehzahl ab. Durch entsprechende Wahl des Widerstandes 36 kann somit der Kompensationsstrom I_k vorgegeben werden, der - wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 - die Ladung des Glättungskondensators 22 verringert.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Gewinnung eines dem Drehzahl-Istwert proportionalen Signals. Die Auskopplung des drehzahlproportionalen Stromimpulses /_p erfolgt wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen über den dem Widerstand 17 parallelgeschalteten Widerstand 30 und Transistor 31. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 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 Ausgarg 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 /I₀, proportionale Spannung führt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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

(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 Nulipotential verbunden ist, daß an dem Verbindungs· punkt (34) zwischen Diode (32) und Widerstand (33 bzw. 41) ein drehzahlproportionaler Stromimpuls [I) auskoppelbar ist.

2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Zenerdiode (16) in Reihe liegende Widerstand

(17) aus zwei in Reihe liegenden Dioden (37, 38) gebildet ist (Fig. 3).

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, 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) verbunden ist, dessen Emitter über einen Widerstand (36) mit Nullpotential und dessen Kollektor mit dem einen Anschluß des Kondensators (22) des Glättungsgliedes in Verbindung steht (Fig. 1).

4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt (34) zwischen der in Durchlaßrichtunggeschalteten Diode (32) und dem Widerstand (41) mit dem Eingang einer Zeitstufe (40) verbunden ist, deren Ausgang mit der Basis eines zusätzlichen Transistors (35) verbunden ist, dessen Emitter über einen Widerstand (36) mit Nullpotential und dessen Kollektor mit dem einen Pol des Kondensators (22) des Glättungsgliedes verbunden ist, und daß die Basis dieses zusätzlichen 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 Verbindungsteht und daß in dem Verbindungspunkt (47) zwischen Diode (45) und Widerstand (46) ein dem Motorstrom proportionaler Strom (7_Λί) eingespeist ist (Fig. 4).

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) verbanden ist, an deren Ausgang zur Bildung einer dem Drehzahl-Istwert proportionalen Spannung ein Glättungsglied (52, 53, 54) angeschlossen ist (Fig. 5).