DE2931686C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung mit einem kollektorlosen Gleich
strommotor mit permanentmagnetischem Rotor und mit einer elektronischen
Kommutierungseinrichtung, die zwei Halbleiterschaltstufen aufweist, welche über
die beiden Ausgänge eines ein magnetfeldabhängiges Fühlerelement bildenden
Hallgenerators in Abhängigkeit von der Rotorstellung gesteuert werden.
Bei einer bekannten Antriebsanordnung dieser Art (DE-OS 27 47 036) besteht
das Problem, daß Hallgeneratoren einen nicht unerheblichen Temperaturgang
haben und auch relativ große Exemplarstreuungen auftreten können. Dadurch
kann die erwünschte lückende Strombeaufschlagung der Wicklungsanordnung,
d. h. die Sperrung des Wicklungsstromflusses im Bereich der Kommutierungszeit
punkte, gefährdet werden. Es kann zu übermäßigem Stromfluß in dem wirkungs
losen Zwischenbereich des Magnetfeldes und damit zu unerwünschten Wirkungs
gradvermietungen oder gar zur Zerstörung der Halbleiterschaltstufen
und/oder der Wicklungsanordnung kommen.
Es ist auch bekannt (DE-Z"Elektronik", 1969, Heft 4, Seiten 97 bis 99), bei Hall
generatoren für eine Temperaturkompensation mit Hilfe einer temperaturabhän
gigen Steuerstromregulierung über eine Heißleiter-Widerstandskombination und
eine Z-Diode zu sorgen. Dies erfordert jedoch einen relativ großen zusätzlichen
Schaltungsaufwand.
Bei einer anderen bekannten Temperaturkompensationsschaltung für Hallgene
ratoren (US-PS 36 22 898) wird der Umstand, daß Temperaturänderungen Ein
fluß nicht nur auf die Ausgangsspannung, sondern auch auf den Innenwiderstand
des Hallgenerators haben und daß sich dementsprechend der Hallgenerator-In
nenwiderstand zusammen mit der Hallkonstanten ändert, in der Weise genutzt,
daß der eine Ausgang des Hallgenerators über einen Kondensator an den inver
tierenden Eingang eines rückgekoppelten Verstärkers angekoppelt wird, während
der andere Hallgeneratorausgang an den nichtinvertierenden Eingang dieses
Verstärkers angeschlossen wird. Dadurch wird von dem Hallgenerator ein am
Ausgang des Verstärkers auftretendes, einziges, temperaturkompensiertes Aus
gangssignal abgeleitet. Bei Antriebsanordnung der vorliegend betrachteten Art
sind aber zwei Steuersignale zum getrennten Ansteuern der beiden Halbleiter
schaltstufen erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Antriebsanordnung der ein
gangs genannten Art für eine einfache und besonders wirkungsvolle Kompensa
tion des Temperaturgangs und/oder der durch Exemplarstreuungen bedingten
Hallgeneratorempfindlichkeit zu sorgen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen jeden der
beiden Ausgänge des Hallgenerators und die beiden Halbleiterschaltstufen je
weils eine rückgekoppelte Verstärkerstufe geschaltet ist, deren mit dem Verstär
kerstufenausgang über einen im Vergleich zu dem hallseitigen Innenwiderstand
des Hallgenerators großen Rückkopplungwiderstand verbundener Eingang an
jeweils einen der Hallgeneratorausgänge unmittelbar derart angeschlossen ist,
daß der hallseitige Innenwiderstand des Hallgenerators als Teil der Rückkopp
lung sowohl der einen als auch der anderen Verstärkerstufe wirkt.
Durch die erfindungsgemäße Art der Einbeziehung des temperaturabhängigen
hallseitigen Innenwiderstands des Hallgenerators in den Rückkopplungskreis
beider Verstärkerstufen wird auf vergleichsweise einfache und verläßliche Weise
über die in der Praxis in Betracht kommenden Temperaturbereiche hinweg eine
relativ genaue Temperaturkompensation für die Ansteuersignale beider Halblei
terschaltstufen erreicht. Weil im allgemeinen Hallgeneratoren mit geringem In
nenwiderstand auch ein relativ kleines Ausgangssignal abgeben, lassen sich durch
die erfindungsgemäße Ausnutzung des Hallgeneratorinnenwiderstandes als Teil
der Rückkopplung der beiden anschließenden Verstärkerstufen auch Empfind
lichkeitsstreuungen der einzelnen Hallgeneratoren weitgehend kompensieren.
Vorzugsweise ist die Antriebsanordnung so ausgelegt, daß der hallseitige Innen
widerstand des Hallgenerators zusammen mit dem konstanten Rückkopplungswi
derstand einen Spannungsteiler bildet, an dem die Summe aus der Verstärker
ausgangsspannung und der Hallspannung anliegt , und daß der Teilerabgriff mit
dem Eingang der betreffenden Verstärkerstufe verbunden ist. Die Verstärkung
der rückgekoppelten Verstärkerstufen ist dann durch den Quotienten aus Rück
kopplungswiderstand und Hallgeneratorinnenwiderstand bestimmt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Ausgänge des Hallgene
rators mit dem Eingang der nachgeschalteten Verstärkerstufe jeweils unmittelbar
verbunden. Nachdem die Verstärkerstufeneingänge gleichzeitig den Knotenpunkt
der zum Ausgang der Verstärkerstufen führenden Rückkopplungsschleifen bil
den, wird der Hallgenerator weitgehend im Kurzschluß betrieben.
Vorzugsweise sind ferner die beiden Verstärkerstufen aus Operationsverstärkern
aufgebaut, mit deren negierendem Eingang der betreffende Ausgang des Hallge
nerators unmittelbar verbunden ist. Solche Verstärker sind in der Lage, ein relativ
großes Ausgangssignal bei gleichzeitig verbesserter Kompensationswirkung
abzugeben. Der Hallgenerator arbeitet ausgangsseitig nahezu vollkommen im
Kuzschluß.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Antriebsanordnung nach der Erfindung
sind anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Hallgenerators mit nachgeschaltetem,
rückgekoppeltem Verstärker,
Fig. 2 ein Schaltbild einer Antriebsanordnung nach der Erfindung mit
einer gemischten Halbleiterschaltung- und Spulenbrücke, sowie
Fig. 3 ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der An
triebsanordnung mit einer Halbleiterschalter-Vollbrücke.
In Fig. 1 stellt 1 das Ersatzschaltbild eines Hallgenerators bestehend aus der die
Hallspannung U H abgebenden Spannungsquelle H und dem hallseitigen Innen
widerstand oder Bahnwiderstand R H dar. Der Ausgang des Hallgenerators ge
mäß dem Ersatzschaltbild 1 ist mit dem negierenden Eingang eines Verstärkers 2
verbunden, von dessen Ausgang ein Rückkopplungswiderstand R R
zu dem negierenden Eingang zurückführt. Bei dieser Schaltungs
auslegung ist die Ausgangsspannung U A des Verstärkers 2 gege
ben durch
U A=V · U H (1).
Die Verstärkung V des rückgekoppelten Verstärkers 2 ergibt
sich zu
Falls der Rückkopplungswiderstand R R wesentlich größer als der hallseitige
Innenwiderstand R H gewählt ist, vereinfacht sich die Gleichung
(2) zu
Für die Temperaturabhängigkeit der Hallspannung U H und des
Innenwiderstandes R H gilt
U H=U OH · KT (4)
sowie
R H=R OH · KT (5)
wenn mit K T der Temperaturkoeffizient bezeichnet wird. Durch
Einsetzen der Gleichung (3), (4) und (5) in die Gleichung
(1) folgt
bzw.
Aus der Gleichung (7) ist zu erkennen, daß die Ausgangsspannung U A
unabhängig von dem Temperaturkoeffizienten K T wird, und daß
dies nicht nur für einen bestimmten Abgleichpunkt, sondern
über den vollen Temperaturbereich gilt, solange nur die Tempe
raturkoeffizienten für die Hallspannung und für den hallseiti
gen Innenwiderstand einander entsprechen, eine Bedingung, die
in der Praxis innerhalb des infragekommenden Temperaturbe
reichs erfüllt ist.
Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Antriebsanordnung,
bei der ein kollektorloser Gleichstrommotor mit permanentmag
netischem Rotor und einer aus zwei
Statorspulen 5, 6 bestehenden Wicklungsanordnung vorgesehen
ist. Die Statorspulen 5, 6 sind jeweils mit einem Schalttran
sistor 7, 8 in Reihe geschaltet. Sie bilden gemeinsam mit
diesen Transistoren eine gemischte Spulen-Halbleiterschalter
brücke. Die Schalttransistoren 7, 8 werden über Vorwiderstände
9 bzw. 10 von einem zugeordneten Treibertransistor
11 bzw. 12 angesteuert. In Reihe mit den parallelen Brücken
zweigen 5, 7 und 6, 8 liegt ein niederohmiger Meßwiderstand
13, an dem eine Spannung abfällt, die proportional zu dem
über die Spulenanordnung 5, 6 fließenden Strom ist. Der Kop
pelpunkt 14 zwischen dem Meßwiderstand 13 und der Brücken
schaltung 5, 6, 7, 8 ist an den Emitter eines Vergleicher
transistors 15 angeschlossen. Die Emitter-Kollektor-Strecke
des Meßtransistors 15 und ein diesem Transistor zugeordneter
Kollektorwiderstand 16 liegen in Reihe mit der Emitter-Kollek
tor-Strecke der beiden Treibertransistoren 11, 12.
Ein als magnetfeldabhängiges Fühlerelement dienender Hall
generator 18 liegt in Reihe mit Widerständen 19, 20, 21 so
wie einer Diode 22 an der Betriebsspannung (OV, +UB). Die
Hallgeneratorausgänge 23, 24 sind an die negierenden Eingänge
26 bzw. 27 von Operationsverstärkern 29, 30 unmittelbar an
geschlossen. Zwischen dem negierenden Eingang 26, 27 und dem
Ausgang der Operationsverstärker 29, 30 liegt jeweils ein
Rückkopplungswiderstand 31 bzw. 32. Der jeweils andere Ein
gang der Operationsverstärker 29, 30 steht mit der Mittelan
zapfung eines von zwei Widerständen 33, 34 gebildeten Spannungs
teile in Verbindung, der parallel zu der Steuerstrecke des
Hallgenerators 18 liegt.
Die Ausgänge der Operationsverstärker 29, 30 sind an die
Basen jeweils eines der Treibertransistoren 11, 12 ange
schlossen. Sie stehen ferner über jeweils einen Kondensa
tor 35, 36 mit den beiden Eingängen einer Vollweggleich
richterbrücke 37 in Verbindung. Die Brücke 37 liegt in
Reihe mit einem Widerstand 38 zwischen +UB und der Basis
des Vergleichertransistors 15. Parallel zu der Reihenschal
tung aus Brücke 37 und Widerstand 38 ist ein Widerstand 39
geschaltet.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 arbeitet wie folgt:
In Abhängigkeit von der Rotorstellung liefert der Hallgenerator
18 eine magnetfeldabhängige Hallspannung, die in den
rückgekoppelten Operationsverstärkern 29, 30 phasenrichtig
verstärkt und an die Eingänge der Treibertransistoren 11, 12
sowie über die Kondensatoren 35, 36 auf die Gleichrichter
brücke 37 gegeben wird. Die verstärkte Hallspannung wird
mittels der Brücke 37 gleichgerichtet. Am Ausgang der Brücke
37 wird ein Signal erzeugt, das im wesentlichen proportional
dem Betrag des vom Hallgenerator 18 erfaßten Magnetfeldes
ist. Dieses Signal liegt an der Basis des Vergleichertran
sistors 15 und wird von diesem mit dem am Meßwiderstand 13
gebildet, dem Strom in den Statorspulen 5 bzw. 6 propor
tionalen Signal verglichen. Anhand dieses Vergleichs regelt
der Transistor 15 über seine Kollektor-Emitter-Strecke den
von den Treibertransistoren 11, 12 für die Endstufen-Schalt
transistoren 7, 8 angelieferten Steuerstrom derart, daß der
Motorstrom weitgehend proportional dem Betrag des erfaßten
Magnetfeldes ist.
Wird beispielsweise über den Operationsverstärker 29 bei hin
reichend großem Feld der Treibertransistor 11 angesteuert,
wird der Schalttransistor 7 leitend. Die Statorspule 5 wird
mit Strom beaufschlagt. Wenn dann im Verlauf der Rotordrehung
das Magnetfeld schwächer wird, wird der Transistor 7 über den
Treibertransistor 11 gesperrt. Nach der Kommutierungslücke
wird umgekehrt über den Treibertransistor 12 der Schalttran
sistor 8 leitend gemacht, so daß Strom über die Statorspule 6
fließt. Da der Vergleichstransistor 15 eine relativ große
Basis-Emitter-Schwellspannung hat, ist im Bereich kleiner
Felder eine starke Nichtlinearität gegeben. Der Steuerstrom
des betreffenden Treibertransistors 11 oder 12 wird vorzeitig
gesperrt.
Aufgrund der vorstehend anhand der Fig. 1 erläuterten Art der
Rückkopplung der Verstärker 29, 30 unter Einbeziehung des hall
seitigen Innenwiderstands des Hallgenerators 18 bleiben Tempe
raturänderungen ebenso wie Empfindlichkeitsschwankungen des
Hallgenerators 18 im wesentlichen ohne Einfluß auf die Ar
beitsweise der Antriebsanordnung. Durch den Temperaturgang
der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 15 läßt sich eine
etwaige restliche Temperaturabhängigkeit des Hallgenerators
kompensieren.
Sollte der Motor blockieren, wird durch Aufladung des Kon
densators 35 und/oder 36 die weitere Stromzufuhr zu der Wick
lungsanordnung 5, 6 unterbrochen. Der Motor wird dadurch ge
gen Beschädigung wirkungsvoll geschützt.
Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Antriebsanordnung
mit einem zweipoligen kollektorlosen Gleichstrom
motor, der einen permanentenmagnetischen Rotor
und eine einsträngige Statorwicklung 41 aufweist,
die über eine Gleichrichtervollbrücke mit Endstufentransistoren
42, 43, 44, 45 mit Strom in wechselnder Richtung beauf
schlagt wird.
In der Statorwicklung 41 wird ein Wechselfeld erzeugt, das
durch einen Hallgenerator 46 in Abhängigkeit von der Rotor
stellung gesteuert wird. Der Hallgenerator 46 liegt in Reihe
mit Widerständen 47, 48 an der Betriebsspannung (+UB, 0).
Die Hallgeneratorausgänge 49, 50 sind mit den Basen von
Transistoren 51, 52 eines Differenzverstärkers verbunden.
Die Transistoren 51, 52 sind über Widerstände 53 bzw. 54
rückgekoppelt, die zusammen mit dem hallseitigen Innenwider
stand des Hallgenerators 46 das Rückkopplungsnetzwerk für die
Transistoren 51, 52 bilden. Die Kollektoren der Transistoren
51, 52 sind mit den Basen von Transistoren 56, 57 sowie dem
Emitter des jeweils anderen dieser beiden Transistoren ver
bunden. Die Transistoren 56, 57 dienen der Pegelumsetzung und
Schwellspannungsbildung, um für die notwendigen Lücken in der
Bestromung der Statorwicklung 41 im Bereich kleiner Feldstär
ken, d. h. im Bereich der Kommutierungszeitpunkte, zu sorgen.
Dies wird dadurch erreicht, daß bei kleinen Feldern die von
den Transistoren 51, 52 abgegebene Spannung kleiner als die
Basisemitterspannung der Transistoren 56, 57 bleibt.
Über die Transistoren 56, 57 werden Treibertransistoren 59, 60
für die Endstufentransistorpaare 42, 43 bzw. 44, 45 angesteuert.
Den Kollektor-Emitter-Strecken der Endstufentransistoren 42 bis
45 sind Dioden 61, 62, 63 bzw. 64 zum Schutz gegen Spannungs
spitzen durch Umwandlung der in der Statorwicklung 41 gespeicherten
magnetischen Energie in elektrische Energie beim Über
gang der Endstufentransistoren in den gesperrten Zustand pa
rallelgeschaltet.
Die Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:
Wird der Hallgenerator 46 vom Magnetfeld erregt, wird einer der
beiden Transistoren 51, 52, z. B. der Transistor 51, leitend.
Bei hinreichend großem Feld und dadurch bedingtem Überschreiten
der Basis-Emitter-Schwellspannung des Transistors 56 wird auch
dieser Transistor angesteuert. Der Transistor 56 zieht über die
Kollektor-Emitter-Strecke des Treibertransistors 59 Strom.
Der von dem Transistor 59 gebildete Treiberkreis wird durch
gesteuert. Dadurch werden die Endstufentransistoren 42 und
43 leitend. Die Statorwicklung 41 wird in der durch den Pfeil
66 angedeuteten Richtung von Strom durchflossen.
Wird nun im Verlauf der Rotordrehung das auf den Hallgenerator
46 einwirkende Magnetfeld schwächer, wird kurz vor der bevor
stehenden Kommutierung die am Transistor 51 anliegende Steuer
spannung so klein, daß die Leitfähigkeit des Transistors 56
verringert wird. Wegen der Nichtlinearität, die zwischen der
Basis-Emitter-Spannung und dem Kollektorstrom eines Transistors
besteht, wird der Transistor 56 relativ schnell vom voll lei
tenden Zustand in den voll gesperrten Zustand gesteuert. Da
durch wird der Treibertransistor 59 mit Sicherheit gesperrt,
bevor das Magnetfeld gegen Null geht. Durch diese rasche
Sperrung wird ferner der Wirkungsgrad der Anordnung verbessert.
Bei weiterer Rotordrehung kehrt das Feld, nachdem es zu Null
geworden ist, seine Polarität um. Der Transistor 52 wird lei
tend. Die Spannung zwischen den Kollektoren der Transistoren
51, 52 wird allmählich größer. Wenn die Differenzspannung den
der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 57 entsprechenden
Schwellwert erreicht hat, wird der Transistor 57 schnell vom
gesperrten in den leitenden Zustand gesteuert. Über den Trei
bertransistor 60 wird das Enstufentransistorpaar 44, 45 lei
tend gemacht. Die Statorwicklung 41 wird in der dem Pfeil 66
entgegengesetzten Richtung von Strom durchflossen.
Auch bei dieser Schaltungsauslegung stellt die Einbeziehung
des hallseitigen Innenwiderstandes des Hallgenerators 46 in
das Rückkopplungsnetzwerk der von den Transistoren 51, 52
gebildeten Differenzverstärkerstufe eine wirkungsvolle Temperatur
kompensation sicher. Der Hallgenerator 46 wird ausgangs
seitig im wesentlichen im Kurzschluß betrieben.
Claims (4)
1. Antriebsanordnung mit einem kollektorlosen Gleichstrommotor mit perma
nentmagnetischem Rotor und mit einer elektronischen Kommutierungsein
richtung, die zwei Halbleiterschaltstufen aufweist, welche über die beiden
Ausgänge eines ein magnetfeldabhängiges Fühlerelement bildenden Hallgenerators in Abhängigkeit von der Rotorstellung gesteuert werden,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeden der beiden Ausgänge (23, 24; 49, 50) des
Hallgenerators (18, 46) und die beiden Halbleiterschaltstufen (7, 8, 11, 12; 43, 45, 59, 60) jeweils eine rückgekoppelte Verstärkerstufe (29, 30; 51, 52, 56,
57) geschaltet ist, deren mit dem Verstärkerstufenausgang über einen im
Vergleich zu dem hallseitigen Innenwiderstand (R H) des Hallgenerators
großen Rückkopplungswiderstand (31, 32; 53, 54) verbundener Eingang an
jeweils einen der Hallgeneratorausgänge (23, 24; 49, 50) unmittelbar derart
angeschlossen ist, daß der hallseitige Innenwiderstand (R H) des Hallgenerators
(18, 46) als Teil der Rückkopplung sowohl der einen als auch der anderen
Verstärkerstufe (29, 30; 51, 52, 56, 57) wirkt.
2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hall
seitige Innenwiderstand (R H) des Hallgenerators (18, 46) zusammen mit dem
konstanten Rückkopplungswiderstand (31, 32; 53, 54) einen Spannungsteiler
bildet, an dem die Summe aus der Verstärkerausgangsspannung und der
Hallspannung anliegt, und daß der Teilerabgriff mit dem Eingang der betreffenden
Verstärkerstufe (29, 30; 51, 52, 56, 57) verbunden ist.
3. Antriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei
den Ausgänge (23, 24; 49, 50) des Hallgenerators (18, 46) mit dem Eingang
der nachgeschalteten Verstärkerstufe (29, 30; 51, 52, 56, 57) jeweils unmittelbar
verbunden sind.
4. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstärkerstufen aus Operationsver
stärkern (29, 30) aufgebaut sind, mit deren negierendem Eingang der betreffende
Ausgang (23, 24) des Hallgenerators (18) unmittelbar verbunden ist.
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