DE29606952U1 - Anordnung mit einem über mindestens einen Halbleiterschalter mit Strom versorgten Verbraucher - Google Patents

Description

Anordnung mit einem über mindestens einen Halbleiterschalter mit Strom versorgten Verbraucher

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem über mindestens einen Halbleiterschalter mit Strom versorgten Verbraucher, insbesondere einem elektronisch kommutierten Motor.

Wird bei einem Elektromotor die Drehzahl geregelt, und der Sollwert für diese Drehzahl wird abgesenkt, so wird der Motor durch die in ihm wirksame Reibung bzw. durch das Drehmoment der angeschlossenen Last abgebremst. Die Folge ist, daß es sehr lange dauern kann, bis sich die gewünschte neue Drehzahl einstellt. Ein schnelles Einstellen dieser neuen Drehzahl ist somit nicht möglich.

Ein ähnliches Problem stellt sich, wenn ein Motor bei bestimmten Betriebsbedingungen durch seine Last angetrieben wird. Dies ist z.B. bei einem Rolladenantrieb der Fall, wenn der Rolladen durch den Motor abgesenkt wird. Der Antrieb durch das Gewicht des Rolladens hat dann zur Folge, daß der Motor eine höhere Drehzahl annimmt, als eigentlich gewünscht wird.

Eine Lösung für diese Probleme ist, daß ein solcher Motor zeitweilig gebremst wird. Wenn z.B. die Drehzahl reduziert werden soll, kann man dies sehr schnell erreichen, indem man den Motor kurzzeitig elektrisch bremst. Ebenso kann man bei einem Rolladenantrieb durch Bremsen des Motors erreichen, daß seine Drehzahl nicht höher wird als gewünscht.

Die zu diesem Zweck bekannten Lösungen sind aber sehr teuer und eignen sich deshalb nicht für einfache Anwendungen, wie z.B. den Antrieb eines Rolladens oder dergleichen.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Anordnung mit einem über mindestens einen Halbleiterschalter mit Strom versorgten Verbraucher bereitzustellen.

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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Anordnung mit einem über mindestens einen Halbleiterschalter mit Strom versorgten Verbraucher, insbesondere einem elektronisch kommutierten Motor, mit einem von einem Stellsignal steuerbaren PWM-Steller, der bei einer Veränderung dieses Stellsignals innerhalb eines vorgegebenen Stellsignalbereichs, nicht aber außerhalb dieses Stellsignalbereichs, sein Tastverhältnis ändert, und der dazu dient, abhängig von der Höhe dieses Stellsignals den mindestens einen Halbleiterschalter mit einem der Größe des Stellsignals zugeordneten Tastverhältnis aus- und einzuschalten, und mit einer Regelanordnung zur Regelung eines Verbraucherparameters, insbesondere einer Motor-Drehzahl, deren Regler-Ausgangssignal dem PWM-Steller als Stellsignal zuführbar ist und einen Signalbereich aufweist, der größer ist als der vorgegebene Stellsignalbereich des PWM-Stellers. Sobald das Regler-Ausgangssignal außerhalb des vorgegebenen Stellsignalbereichs des PWM-Stellers liegt, was leicht festgestellt werden kann, stellt dies ein Signal dafür dar, daß etwas mit dem Verbraucher, z.B. der Drehzahl eines Motors, nicht in Ordnung ist, und durch Auswertung dieser Abweichung kann man z.B. in einfacher Weise eine elektrische Bremsung eines Elektromotors bewirken.

Dabei geht man mit besonderem Vorteil so vor, daß eine vom Regler-Ausgangssignal gesteuerte Umschaltvorrichtung vorgesehen ist, welche in einem Bereich des Regler-Ausgangssignal, das einer zu hohen Drehzahl des Motors entspricht und außerhalb des vorgegebenen Stellsignalbereichs liegt, den Motor auf Bremsbetrieb umschaltet, um dessen Drehzahl rasch auf die Solldrehzahl abzusenken. Dies bewirkt ein sehr schnelles Ansprechen und eine schnelle Abbremsung des Motors auf die gewünschte Solldrehzahl.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung geht man so vor, daß bei einem Regler-Ausgangssignal, das einer zu hohen Drehzahl eines Motors entspricht und außerhalb des vorgegebenen Stellsignalbereichs liegt, das Regler-Ausgangssignal durch ein anderes Stellsignal für den PWM-Steller substituiert wird. Man kann so beim Bremsvorgang den PWM-Steller, der für die normale Drehzahlregelung des Motors verwendet wird, weiterhin verwenden, wobei dieser aber - durch das substituierte Stellsignal - nunmehr den Motor so steuert, wie es der Bremsvorgang erfordert. Dabei kann zweckmäßig zugleich mit dieser

Substitution der Motor auf Bremsen umgeschaltet werden.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Verbraucher, der als Kollektormotor ausgebildet ist,

Fig. 2 ein Schaltbild, welches Einzelheiten der Anordnung nach Fig. 1 zeigt, Fig. 3a, 3b und 3c Schaubilder zur Erläuterung der Anordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches die Anwendung bei einem elektronisch kommutierten Motor zeigt,

Fig. 5 ein Schaltbild, welches Einzelheiten der Anordnung nach Fig. darstellt,

Fig. 6 ein Schaltbild, welches eine Variante zu Fig. 5 zeigt, Fig. 7 ein Blockschaltbild eines elektronisch kommutierten Motors, Fig. 8A eine Tabelle mit logischen Gleichungen,

Fig. 8B eine Brückenschaltung für den Motor nach Fig. 7, die gemäß der Tabelle in Fig. 8A angesteuert wird,

Fig. 9 eine Darstellung der Hallsignale des Motors nach Fig. 7, und der zugehörigen Strangströme,

Fig. 10 eine Darstellung einer Kommutierungssteuerung für den Motor der Fig. 7, und

Fig. 11 eine Darstellung analog Fig. 10, welche zusätzliche Elemente enthält, die für den Bremsbetrieb des Motors und für dessen PWM-Steuerung erforderlich sind.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung 10, welche dazu dient, die Drehzahl eines als induktiver Verbraucher angeschlossenen Gleichstrommotors

12 zu regeln und dabei den durch diesen Motor fließenden, impulsförmigen Motorstrom i_mot auf einen vorgegebenen Höchstwert zu begrenzen. Ferner dient diese Anordnung dazu, bei Überschreiten einer durch einen Drehzahlregler 11 vorgegebenen Drehzahl n_son den Motor 12 auf Bremsbetrieb umzuschalten, bis dessen Drehzahl so weit abgesenkt ist, daß die gewünschte Drehzahl annähernd wieder erreicht ist. Antiparaliel zum Motor 12 ist eine Freilaufdiode

13 geschaltet.

In Reihe mit dem Motor 12 ist ein steuerbarer Halbleiterschalter 14 angeordnet, der von einem PWM-Steller 15 gesteuert wird, welch letzterer hinsichtlich seines Aufbaus eine Besonderheit aufweist, die anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert wird. In Reihe mit dem Halbleiterschalter 14 liegt ein Meßwiderstand 18, an dem im Betrieb eine Meßspannung u_m entsteht, die zur Strombegrenzung verwendet wird.

Der Motor 12 ist über einen Umschalter 17 in der dargestellten Weise an eine Plusleitung 16 angeschlossen, und von dieser Plusleitung ausgehend geht der Strompfad über den Umschalter 17 zum Motor 12, dann zum Halbleiterschalter 14, zum Meßwiderstand 18, und zu einer Minusleitung 20. Wird der Umschalter 17 in seine Stellung 17' umgeschaltet, so stellt er eine Kurzschlußverbindung 21 für den Motor 12 her, über die dieser Motor gebremst wird, wobei die Höhe des Bremsstroms dadurch bestimmt wird, daß der Halbleiterschalter 14 mit einem entsprechenden Tastverhältnis durch den PWM-Steller 15 aus- und eingeschaltet wird. Dabei wird ebenfalls über den Meßwiderstand 18 der Bremsstrom gemessen, und durch die Strombegrenzung wird verhindert, daß ein zu hoher Bremsstrom fließt. Dies ist besonders dann wichtig, wenn der Motor 12 einen permanentmagnetischen Rotor enthält, da ein zu hoher Bremsstrom zur teilweisen oder vollständigen Entmagnetisierung des Rotormagneten führen könnte. (Eine teilweise Entmagnetisierung bedeutet eine Schwächung des Rotormagneten.)

Die Anordnung 10 enthält ferner eine Überwachungsschaltung 23, welche die Spannung zwischen der Plusleitung 16 und der Minusleitung 20 überwacht und welche ebenfalls dazu dient, den Strom im Motor 12 dann zu reduzieren, wenn diese Spannung Uzwk zu hoch wird. Die Schaltung 23 ist naturgemäß dann besonders von Vorteil, wenn eine regeneratorische Bremsung verwendet wird, wie sie in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, da hierbei durch den Bremsvorgang die Spannung zwischen den Leitungen 16 und 20 kurzzeitig beträchtlich ansteigen kann, was zu Problemen führen könnte, wenn dieser Anstieg nicht begrenzt würde.

Dem Drehzahlregler 11 wird, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Drehzahl-Sollwert n_son zugeführt, ferner ein Drehzahl-Istwert nj_St, der z.B. von einem {nicht dargestellten) Tachogenerator geliefert werden kann, der mit dem Motor 12 gekoppelt ist. Bei einem elektronisch kommutierten Motor wird dieser Drehzahlistwert bevorzugt den Hallsignalen dieses Motors entnommen, vgl. hierzu das DE-UM 9 414 498.2 (D181i = DE-3009 Gi).

Der Drehzahlregler 11 erzeugt an seinem Ausgang ein Regler-Ausgangssignal REG-OUT, das einem Bremsregler 24 zugeführt wird. Wenn dieses Regler-Ausgangssignal in einem Bereich liegt, der in Fig. 3a mit 86 bezeichnet ist, zeigt dies an, daß die Drehzahl des Motors zu hoch ist, und daß folglich der Motor 12 gebremst werden muß. Der Bremsregler 24 bewirkt dann über eine in ihm enthaltene Bremslogik gleichzeitig eine Umschaltung des Umschalters 17 in die Stellung 17', die Öffnung eines Schalters 25, und das Schließen eines Schalters 26. Der Schalter 25 dient, wenn er geschlossen ist, dazu, das Signal REG-OUT über einen hochohmigen Widerstand 28 (z.B. 470 kQ) dem Eingang 30 des PWM-Stellers 15 als Steuerspannung Ust zuzuführen. Der PWM-Steiler 15 schaltet entsprechend der Höhe dieses Signals ust den Halbleiterschalter 14 aus und ein, wobei das Tastverhältnis k der Höhe der Spannung u§t entspricht. Ist das Signal REG-OUT hoch, so bedeutet dies, daß der Motor zu langsam ist, und das Tastverhältnis k der Ausgangsignale 32 des PWM-Stellers 15 wird folglich hoch. (Die Definition des Tastverhältnisses k ist unten in Fig. 3 angegeben.) Steigt die Drehzahl an, so wird das Signal REG-OUT niedriger, und das Tastverhältnis der Signale 32 nimmt folglich ab, bis es an der Stelle B der Fig. 3a zu Null wird.In diesem Fall erhält dann der Motor 12 über den

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Halbleiterschalter 14 keinen Strom mehr zugeführt.

Steigt nun die Drehzahl trotzdem weiter an, weil der Motor 12 von seiner Last angetrieben wird, so wird das Signal REG-OUT noch kleiner, und an der Stelle C der Fig. 3a bewirkt die Bremslogik im Bremsregler 24 die Umschaltung der Schalter 17, 25 und 26. - Es ist also darauf hinzuweisen, daß das Signal ust einen Verstellbereich 85 hat, der in Fig. 3 schraffiert dargestellt ist und der größer ist als der vorgegebene Bereich 84 der Fig. 3a (von A bis B), in welchem sich das Tastverhältnis k abhängig von ust kontinuierlich ändert.

Durch die Umschaltung an der Stelle C wird das Signal REG-OUT vom Eingang 30 des PWM-Stellers 15 abgeschaltet, und an seiner Stelle wird über den Schalter 26 ein anderes Signal PWM-STELL (von der Bremslogik 24) über den hochohmigen Widerstand 28 dem Eingang 30 des PWM-Stellers 15 zugeführt. Dieses Signal PWM-STELL bestimmt dann als neues Steuersignal ust während des Bremsvorgangs das Tastverhältnis k der Ausgangsimpulse 32 des PWM-Stellers 15, also den Bremsstrom, der durch den Motor 12 fließt, und dieser Bremsstrom wird durch die vorhandene Strombegrenzung (Transistor 34) nach oben hin begrenzt, was nachfolgend noch näher beschrieben wird, z.B. anhand von Fig. 6..

Sinkt durch den Bremsvorgang die Drehzahl des Motors 12 in Richtung auf die gewünschte Drehzahl, so steigt das Signal REG-OUT wieder an, und wenn es in Fig. 3a den Wert D erreicht hat, bewirkt die Bremslogik im Bremsregler 24 ein erneutes Umschalten des Umschalters 17 in die in Fig. 1 dargestellte Stellung, ebenso eine Umschaltung der Schalter 25 und 26, so daß dem Eingang des PWM-Stellers 15 wieder das Regler-Ausgangssignal REG-OUT als Steuersignal zugeführt und der substituierte Stellwert PWM-STELL wieder abgeschaltet wird.

Auf diese Weise wird es möglich, bei einem Überschreiten der gewünschten Drehzahl n_sou die Drehzahl schnell wieder auf den gewünschten Wert zurückzuführen und so zu vermeiden, daß eine Last mit zu hoher Drehzahl angetrieben wird. Ebenso wird dann, wenn der Drehzahl-Sollwert rasch reduziert werden soll, z.B. von 3000 &eegr; auf 1200 n, ein solcher Bremsvorgang automatisch eingeleitet, und die Drehzahl wird dann ebenfalls, gesteuert durch

den PWM-Ste!ler 15, sehr rasch auf den neuen Sollwert heruntergefahren.

Die Strombegrenzung

Die Spannung u_m am Meßwiderstand 18 wird über einen Widerstand 32 der Basis eines npn-Transistors 34 zugeführt, dessen Emitter mit der Minusleitung 20 verbunden ist. Ais Vorfilter ist zwischen dieser Basis und der Minusleitung 20 ein Kondensator 36 vorgesehen. Der Kollektor des Transistors 34 ist über ein T-Filter 38 (Zeitglied 1. Ordnung) mit dem Eingang 30 des PWM-Stellers 15 verbunden und führt diesem das Signal STBGR zu. Das T-Filter 38 enthält zwei in Reihe geschaltete Widerstände 39,40, die zwischen dem Kollektor des Transistors 34 und dem Eingang 30 angeordnet sind, und deren Verbindungspunkt 42 über einen Kondensator 43 (z.B. 100 nF) mit der Minusleitung 20 verbunden ist.

Wie man ohne weiteres erkennt, wird dann, wenn die Spannung u_m am Meßwiderstand 18 zu hoch ist, die Basis-Emitter-Schwellenspannung des Transistors 34 überschritten, so daß dieser leitend wird und den Eingang 30 des PWM-Stellers 15 über die Widerstände 39 und 40 mit der Minusleitung 20 verbindet. Da der Widerstand 28 hochohmig ist, die Widerstände 39 und 40 dagegen niederohmig (z.B. je 1 kO), bewirkt das Leitendwerden des Transistors 34, daß die Steuerspannung ust am Eingang 30 umso mehr abgesenkt wird, je stärker der Transistor 34 leitend wird, und zwar unabhängig von der Höhe des Signals REG-OUT oder des Signals PMW-STELL, d.h. das Signal STBGR für die Strombegrenzung ist diesen beiden anderen Signalen hierarchisch übergeordnet. - Für den Transistor 34 werden bevorzugt Transistoren verwendet, die hinsichtlich ihrer Basis-Emitter-Schwellenspannung selektiert sind, um ein exakt definiertes Einsetzen der Strombegrenzung zu erreichen.

Die Spannungsbegrenzung 23

Diese weist zwei Spannungsteilerwiderstände 46, 47 auf, die in Reihe zwischen die Plusleitung 16 und die Minusleitung 20 geschaltet sind. Ihr Verbindungspunkt 48 ist mit der Basis eines npn-Transistors 50 verbunden, dessen Emitter mit der Minusleitung 20 und dessen Kollektor mit dem Kollektor des Transistors 34 verbunden ist. Das Signal am Kollektor des Transistors 50 wird mit ZK bezeichnet. Wird die Spannung Uzwk zwischen den Leitungen 16 und 20 zu hoch, so wird der Transistor 50 leitend und stellt dann - ebenso wie

der leitende Transistor 34, für den das bereits beschrieben wurde - eine Verbindung vom Eingang des PWM-Stellers 15 zur Minusleitung 20 her, wodurch auch in diesem Fall das Tastverhältnis der PWM-Signale 32 reduziert wird, um der zu hohen Spannung Uzwk Rechnung zu tragen. Auf diese Weise wird, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben, eine sehr einfache Überwachung und Begrenzung der Zwischenkreisspannung Uzwk bei einem Motor mit regenerativer Bremsung möglich. - Der Transistor 50 entspricht den gleichen Kriterien wie der Transistor 34 (selektierter Transistor).

Fig. 2 erläutert einen bevorzugten Aufbau des PWM-Stellers 15, bei dem das verwendete Dreieckssignal 88 (Fig. 3a) zwischen einem dem Betrag nach von verschiedenen Mindestwert 91 und einem dem Betrag nach höheren Maximalwert 93 oszilliert.

Der PWM-Steller 15 enthält als wesentliche Bestandteile einen Dreiecks-Oszillator 60, der z.B. mit einer Frequenz von 20 kHz schwingt, dazu einen Komparator 62, und einen Signal-Invertierer 64, an dessen Ausgang das impulsförmige PWM-Signal 32 auftritt, das auch in Fig. 3c dargestellt ist und das den Strom durch das Halbleiter-Schaltglied 14 steuert. (Bei einem Tastverhältnis von 100 % wird das Signal 32 zu einem Gleichspannungssignal).

Der Dreiecksoszillator 60 enthält einen Komparator 66, der zweckmäßig zusammen mit dem Komparator 62 als Doppelkomparator ausgebildet ist. Beide sind in der üblichen Weise zur Spannungsversorgung an die Plusleitung 16 und die Minusleitung 20 angeschlossen. Vom Ausgang 68 des Komparators 66 führt ein Mitkopplungswiderstand 70 (z.B. 4,3 kQ) zu dessen Pluseingang 72, und ebenso führt ein Gegenkopplungswiderstand 74 (z.B. 22 kQ) vom Ausgang 68 zum Minuseingang 76 des Komparators 66. Ein Kondensator 78 (z.B. 1 nF) liegt zwischen dem Minuseingang 76 und der Minusleitung 20. Der Ausgang 68 ist ferner über einen Widerstand 80 (z.B. 2,2 kQ) mit der Plusleitung 16 verbunden. Der Pluseingang 72 ist über zwei gleich große Widerstände 82, 84 (z.B. je 10 &Igr;<&OHgr;) mit der Plusleitung 16 bzw. der Minusleitung 20 verbunden.

Ein derart aufgebauter Dreiecksoszillator 60 schwingt mit einer Frequenz von etwa 20 kHz, und die von ihm erzeugte Dreieckspannung 88 verläuft etwa symmetrisch zur halben Spannung zwischen den Leitungen 16 und 20. Z.B.

beträgt bei den angegebenen Werten und einer Betriebsspannung von 12 V die Signalhöhe bei der unteren Spitze 91 (Fig. 3a) des Dreieckssignals 88 etwa 2 V, ist also von 0 verschieden, und bei der oberen Spitze 93 etwa 9 V. Der Hub des Signals 88 ist in Fig. 3a mit 84 bezeichnet und ist, wie bereits beschrieben, kleiner als der mögliche Gesamthub 85 des Signals Ust· Das Dreieckssignal

hat also einen Offset 86 (Fig. 3a) zur Spannung 0 V, also zum Potential der Minusleitung 20, und dieser Offset beträgt beim Ausführungsbeispiel etwa 2 V, kann aber naturgemäß auch größer oder kleiner sein, je nach der Dimensionierung des Oszillators 60.

Das Dreieckssignal 88 am Minuseingang 76 wird dem Pluseingang 90 des Komparators 62 zugeführt. Dessen Minuseingang entspricht dem Eingang 30 der Fig. 1, und diesem Minuseingang 30 wird über den hochohmigen Widerstand 28 (470 kQ) das Steuersignal Ust zugeführt, wie bereits bei Fig. 1 beschrieben. Dieses Steuersignal ust kann entweder bestimmt sein

- vom Signal STBGR vom Strombegrenzungstransistor 34,

- oder von der Spannungsüberwachung 23 (Signal ZK in Fig. 1),

- oder vom Stellwert PWM-STELL für den Bremsvorgang,

- oder vom Regler-Ausgangssignal REG-OUT.

Das Signal STBGR wird durch die Höhe des Stromes i_mot im Motor 12 bestimmt, d.h. je höher dieser Strom ist, um so mehr wird - ab einem vorgegebenen Schwellwert - der Transistor 34 leitend und zieht das Potential des Minuseingang 30 nach unten, wodurch das Tastverhältnis k reduziert wird, und zwar umso mehr, je höher der Motorstrom wird.

Der Ausgang 92 des Komparators 62 ist über einen Widerstand 94 (z.B. 2 kQ) mit der Plusleitung 16 verbunden, ferner mit dem Eingang des Invertierglieds 64, an dessen Ausgang das PWM-Signal 32 (Fig. 3c) erzeugt wird, welches das Halbleiter-Schaltglied 14 steuert.

Arbeitsweise von Fig. 2

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Dreiecksgenerators 60 wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Dort sind drei Potentiale angegeben, nämlich das Potential P1 am Minuseingang 76 des Komparators 66 (z.B. LM 2901), das Potential P2

an dessen Pluseingang 72, und das Potential P3 an dessen Ausgang 68.

Beim Einschalten der Anordnung wird zunächst durch den (entladenen) Kondensator 78 (z.B. 1 nF) das Potential P1 auf dem Potential der Minusleitung 20 gehalten. Dies entspricht der Anfangsbedingung für einen Reset. Das Potential P3 nimmt folglich den Wert der Plusleitung 16 an, da in diesem Fall das Potential des Pluseingangs 72 des Komparators 66 höher ist als das Potential des Minuseingangs 76. Der Kondensator 78 beginnt deshalb, sich über die Widerstände 80 und 74 zu laden. Dies ist in Fig. 3 der ansteigende Teil 87 des Dreieckssignals 88, welches dem Potential P1, also der Spannung am Kondensator 78, entspricht. Das Potential P2 ergibt sich aus

a) der Parallelschaltung der Widerstände 82, 80 und 70, und

b) der Größe des unteren Spannungsteilerwiderstands 84.

Die Widerstände 82 und 84 sind bevorzugt gleich groß, z.B. je 10 kß, der Widerstand 70 hat z.B. 4,3 kQ, und der Widerstand 80 z.B. 2,2 kQ. Der Widerstand 74 hat z.B. 22 kQ. Bei einer Betriebsspannung von 12 V zwischen den Leitungen 16 und 20 beträgt das Potential P2 in diesem Fall etwa 9 V.

Durch das Aufladen des Kondensators 78 wird schließlich das Potential P1 höher als das Potential P2, und dadurch schaltet der Ausgang 68 auf das Potential der Minusleitung 20 um, d.h. das Potential P3 macht einen Sprung in negativer Richtung. Deshalb beginnt nun der Kondensator 78, sich über den Widerstand 74 zu entladen, und dies ist in Fig. 3 der abfallende Teil 89 des Dreieckssignals 88. Das Potential P2, also der Schwellwert des Komparators 66, ändert sich hierdurch ebenfalls, und ergibt sich nun aus

a) der Parallelschaltung der Widerstände 84 und 70, und

b) dem Spannungsteilerwiderstand 80.
Dieses neue Potential P2 beträgt etwa 2 V.

Fällt durch die Entladung des Kondensators 78 das Potential P1 unter das Potential P2, so schaltet der Komparator 66 wieder auf "Ein", d.h. das Potential P3 an seinem Ausgang wird wieder hoch.

Der beschriebene Vorgang wiederholt sich periodisch, und das Potential P1 steigt deshalb wieder an bis zum Potential P2, das durch die Widerstände 80, 70 und 82 bestimmt ist. Danach springt das Potential P3 am Ausgang 68 des

Komparators wieder auf das Potential der Minusleitung, etc. Hierdurch entsteht das Dreieckssignal 88.

Die Ladezeit des Kondensators 78 ergibt sich durch die Reihenschaltung der Widerstände 80 und 74. Seine Entladezeit ergibt sich durch den Widerstand 74. Das Potential P2 am Pluseingang 72 schwankt bei den beschriebenen Werten etwa zwischen 9 V und 2 V und liegt etwa symmetrisch zu einer mittleren Spannung von ca. 5,5 V, die etwa der halben Spannung zwischen den Leitungen 16 und 20 entspricht. Eine kleine Unsymmetrie des Signals 88 ergibt sich durch den Widerstand 80.

Wesentlich erscheint, daß ein Tastverhältnis k von 0 % bereits bei einer Spannung von 2 V und darunter erreicht wird, so daß also im gesamten Spannungsbereich von 0 bis 2 V der Motorstrom auf 0 gehalten wird. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer Strombegrenzung der dargestellten Art, da auch bei einem hohen Wert des Signals u_m am Meßwiderstand 18, also einem hohen Motorstrom i_mot, das Signal am Ausgang des T-Filters 38, das dem Minuseingang 30 des Komparators 62 zugeführt wird, nicht völlig bis auf das Potential der Minusleitung 20 fällt, sondern etwas positiv bleibt. Diese kleine Restspannung liegt aber dann im Spannungsbereich von 0 bis 2 V, innerhalb dessen das Tastverhältnis k auf 0 % eingestellt wird, so daß die Strombegrenzung trotz solcher kleinen Restspannungen sicher funktioniert.

Anders gesagt, fällt im Betrieb das Potential P1 am Pluseingang des Komparators 62 nicht unter 2 V, so daß jedes Potential ust am Minuseingang 30 dieses Komparators, das unter 2 V, also außerhalb des vorgegebenen Bereichs 84, liegt, ein Tastverhältnis des PWM-Signals 32 von 0 % zur Folge hat.

Im normalen Betrieb bewirkt die Strombegrenzung (über den Transistor 34) nur eine Reduzierung des Motorstroms, d.h. das Potential am Punkt 30 liegt dann im vorgegebenen Bereich 84 oberhalb 2 V, entsprechend einem Tastverhältnis k von größer als 0 %, aber das Tastverhältnis wird durch das Einsetzen der Strombegrenzung in Richtung zu einem niedrigeren Wert verschoben.

Durch den Offsetbereich 86 wird auch vermieden, daß bei Transistoren 34 oder

50 mit stärkeren Toleranzabweichungen eine fehlerhafte Strombegrenzung auftritt. Außerdem wird zur Steuerung des Bremsvorgangs der Umstand ausgenützt, daß bei einer zu hohen Motordrehzahl das Regler-Ausgangssignal REG-OUT im Bereich 86 von O bis 2 V liegt. Deshalb werden, wenn REG-OUT in diesem Spannungsbereich 86 liegt, der Bremsregler 24 und die Bremslogik betätigt, um einen Bremsvorgang des Motors 12 einzuleiten, wie bereits bei Fig. 1 beschrieben.

Im Betrieb erzeugt also der Dreiecksoszillator 60 die in Fig. 3a dargestellte dreieckförmige Spannung 88. Je nach der Höhe des Potentials am Minuseingang 30 des Komparators 62, das in Fig. 3a mit U30 bezeichnet ist und das der Spannung ust entspricht, erhält man am Ausgang des Komparators 62 Rechteckimpulse 98, die umso kürzer werden, je höher das Potential U₃₀ am Minuseingang 30 wird. Die Höhe dieses Potentials bestimmt also das Tastverhältnis der Impulse 92, und durch das Invertierglied 64 werden diese Impulse invertiert, und man erhält dann am Ausgang des Invertierglieds 64 die PWM-Impulse 32, deren Tastverhältnis k, das unten in Fig. 3 definiert ist, ebenfalls von der Höhe des Steuersignals ust am Minuseingang 30 abhängt. Wird dieses Signal positiver, so nimmt das Tastverhältnis k und damit der Motorstrom zu, und wird dieses Signal negativer, so nimmt das Tastverhältnis und damit der Motorstrom ab.

Im Normalbetrieb wird dem Minuseingang 30 über den hochohmigen Widerstand 28 das positive Regler-Ausgangssignal REG-OUT zugeführt. Dieses bestimmt dann das Tastverhältnis des PWM-Signals 32. Nimmt jedoch der Strom durch den Motor 12 über einen bestimmten Grenzwert hinaus zu, so wird der Transistor 34 leitend, und dadurch entsteht am Minuseingang 30 das Signal STBGR, d.h. das Potential an diesem Eingang verschiebt sich in negativer Richtung, weil ein Strom vom Eingang 30 über den Transistor 34 zur Minusleitung 20 fließt. Dadurch nimmt das Tastverhältnis k der PWM-Impulse 32 ab, und zwar umso mehr, je höher der Motorstrom wird. Auf diese Weise erhält man eine sanfte Strombegrenzung, die praktisch in analoger Weise arbeitet und keine zusätzlichen Motorgeräusche oder zusätzlichen EMV-Störungen verursacht.

In gleicher Weise arbeitet die Strombegrenzung dann, wenn dem Minuseingang

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30 bei einem Bremsvorgang das Signal PWM-STELL zugeführt wird.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 werden für die Umschaltung auf Bremsen durch einen niedrigen Wert des Signals REG-OUT - mechanische Schalter 17, 25 und 26 verwendet. Dies ist bei einem Regler weniger erwünscht, da solche Schalter Geräusche verursachen und eine begrenzte Lebensdauer haben.

Fig. 4 zeigt deshalb eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 110, die stattdessen elektronische Schalter verwendet, wobei als Motor 112 ein elektronisch kommutierter Motor (ECM) verwendet wird. Gleiche oder gleichwirkende Teile wie in den vorhergehenden Figuren werden auch hier mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nicht nochmals beschrieben.

Der ECM 112 ist hier - als Beispiel - dreisträngig dargestellt, mit drei Statorsträngen (Statorphasen) U, V und W, die im Beispiel in Stern geschaltet sind. Ebenso wäre eine Dreiecksschaltung möglich, und ebenso eine andere Strangzahl. Der Motor arbeitet sechspulsig, d.h. pro Rotordrehung von 360° el. erhält sein Stator sechs Stromimpulse. Hierzu wird auf den Aufsatz von Dr. Rolf Müller in "asr - digest für angewandte Antriebstechnik", 1977, S. 27 bis 31, verwiesen, wo viele derartige Motoren beschrieben sind. Der permanentmagnetische Rotor des Motors 112 ist mit 113 bezeichnet und nur symbolisch dargestellt. Selbstverständlich kann der Motor 112 auch einen Rotor 113 haben, der durch Zuführung von Strom erregt wird, und nicht durch Permanentmagnete.

Der Motor 112 hat ferner bei dieser Version drei Hallgeneratoren 115, 116 und 117, deren Ausgangssignale einer Kommutierungssteuerung 120 zugeführt werden, die aus diesen Hallsignalen auch ein Drehzahl-Istwertsignal nj_St ableitet, das dem Drehzahlregler 11 (gewöhnlich einem PI-Regler) zugeführt wird. Zur Erzeugung eines Signals nj_st vgl. z.B. das bereits erwähnte DE-UM 9 414 498.2.

Außerdem ist diese Kommutierungssteuerung 120 dazu ausgebildet, in der üblichen Weise Kommutierungssignale für die Halbleiterschalter der Brückenschaltung 122 zu liefern. Die Form dieser Kommutierungssignale wird

durch das Ausgangssignal des PWM-Stellers 15 bestimmt, d.h. diese werden durch das PWM-Signal mit einer hohen Frequenz (z.B. 20...25 kHz) ständig ein- und ausgeschaltet, wie das nachfolgend anhand von Fig. 11 an einem Beispiel erläutert wird, vgl. dort die logische Verknüpfung der PWM-Signale 32 mit den Rotorstellungssignalen H1/ und H2, um den Brückentransistor 125 zu steuern.

Die Hallgeneratoren 115 bis 117 sind nur rein schematisch dargestellt. Es ist auch ein Betrieb ohne Hallgeneratoren möglich, wenn die sogenannte Sensorless-Technik verwendet wird.

Die Kommutierungssteuerung 120 ist in üblicherweise ausgebildet, um die sechs steuerbaren Halbleiterschalter der Vollbrückenschaltung 122 anzusteuern. Diese Halbleiterschalter sind zur besseren Veranschaulichung als mechanische Schalter dargestellt, sind aber in der Realität Leistungstransistoren, z.B. MOSFETs. Ein erster Zweig der Brückenschaltung 122 enthält zwei Halbleiterschalter 124,125, an deren Verbindungspunkt 126 der Strang U angeschlossen ist. Ein zweiter Zweig enthält zwei Halbleiterschalter 128,129, an deren Verbindungspunkt 130 der Strang V angeschlossen ist. Ein dritter Zweig enthält oben einen Halbleiterschalter 133 und unten einen Halbleiterschalter 134, an deren Verbindungspunkt 135 der Strang W angeschlossen ist. Antiparallel zu den einzelnen Halbleiterschaltern liegen jeweils Dioden 124', 125', 128', 129', 133' und 134', wie in Fig. 4 dargestellt.

Die oberen Halbleiterschalter 124,128 und 133 sind an eine Plusleitung 16 angeschlossen. In Reihe mit den unteren Halbleiterschaltern 125, 129 und 134 liegt jeweils ein Strommeßwiderstand 138, 139 bzw. 140, die aile an eine Minusleitung 20 angeschlossen sind. Zwischen den Leitungen 16 und 20 liegt eine sogenannte Zwischenkreisspannung Uzwk von z.B. 24 V, die beim regenerativen Bremsbetrieb des Motors 112 auf mehr als das Doppelte ansteigen kann, weshalb die bereits bei Fig. 1 beschriebene Spannungsbegrenzung 23 vorgesehen ist, die beim Bremsbetrieb diese Zwischenkreisspannung nach oben hin begrenzt, z.B. auf 48 V.

Die äußeren Anschlüsse zur Stromzufuhr sind mit 16' und 20' bezeichnet. Vom Anschluß 16' führt eine Sicherung 142 zu einem

Siebkondensator 143 und einer Schutzdiode 144, welche gegen hohe Überspannungen schützt, z.B. gegenüber Spannungen von mehr als 68 V. Außer der Sicherung 142 ist auch eine Siebdrossel 146 in die Verbindung vom Anschluß 16' zur Plusleitung 16 eingeschaltet. Links von der Drossel 146 ist noch ein Siebkondensator 148 vorgesehen. Die Spannungsüberwachung 23 ist, wie dargestellt, parallel zu diesem Siebkondensator 148 angeordnet und entspricht in ihrem Aufbau exakt der Anordnung 23 nach Fig. 1, so daß auf die dortige Beschreibung verwiesen werden kann.

Die Spannung am Meßwiderstand 138 wird - ebenfalls völlig analog zu Fig. 1 über einen Widerstand 32 der Basis eines npn-Transistors 34 zugeführt, dem ein Fiiterkondensator 36 zugeordnet ist. Der Kollektor des Transistors 34 ist über das T-Filter 38 mit dem Eingang 30 des PWM-Stellers 15 verbunden.

Den Meßwiderständen 139 und 140 sind, wie dargestellt, völlig analoge Meßschaltungen zugeordnet, die deshalb mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind, aber mit einem nachgestellten Apostroph oder mit zwei nachgestellten Apostrophen. Die Kollektoren der vier Transistoren 34, 34', 34" und 50 sind miteinander verbunden; diese vier Transistoren sind selektierte Transistoren mit einer im wesentlichen identischen Basis-Emitter-Schwellenspannung Ubei so daß sie alle bei derselben Spannung zu leiten beginnen und dann eine Verbindung vom Eingang 30 zur Minusleitung 20 herstellen, wodurch die Steuerspannung ust am Eingang 30 reduziert und damit das Tastverhältnis k verringert wird.

Das Regler-Ausgangssignal REG-OUT des Drehzahlreglers 11 wird dem Bremsregler 24 zugeführt, und es wird über einen Widerstand 150 (z.B. 22 kß) einem Knotenpunkt 152 zugeführt, der über den hochohmigen Widerstand 28 (z.b. 460 k&OHgr;) mit dem Eingang 30 des PWM-Stellers 15 verbunden ist.

Der Bremsregler 24 erzeugt an seinem Ausgang 154 dann ein das Signal REG-OUT substituierendes Stellsignal PWM-STELL, wenn die Drehzahl des Motors 112 so weit über den eingestellten Wert angestiegen ist, daß REG-OUT in Fig. 3a den niedrigen Wert C erreicht. Da REG-OUT dem Knotenpunkt 152 über den relativ hochohmigen Widerstand 150 (22 kO) zugeführt wird, PWM-STELL dagegen direkt, ersetzt (substituiert) das Signal PWM-STELL bei seinem

Auftreten, also bei einer zu hohen Drehzahl des Motors 112, das Signal REG-OUT.

Wenn der Bremsregler 24 das Signal PWM-STELL an seinem Ausgang 154 erzeugt, erzeugt er auch an seinem Ausgang 156 ein Signal OB, das der Kommutierungssteuerung 120 zugeführt wird, wodurch diese dann die oberen Halbleiterschalter 124,128 und 133 der Brückenschaltung 122 öffnet, also nichtleitend macht, und die unteren Brückenschalter 125,129 und 134 ständig leitend macht, also einschaltet, wie in Fig. 4 beispielhaft dargestellt. Der Motor 112 arbeitet dann als Generator, und seine generatorisch erzeugte Spannung wird über die Dioden 124', 128' und 133' der Plusleitung 16 zugeführt, so daß die Zwischenkreisspannung an dieser Leitung beträchtlich ansteigen kann, wie bereits beschrieben, was zu Schäden durch Überspannungen führen kann.

Auch können bei einem solchen Bremsvorgang durch die generatorische Bremsung erhebliche Ströme im Motor 112 fließen, die zu einer teilweisen Entmagnetisierung der im Motor verwendeten Dauermagnete führen können, und das muß unbedingt vermieden werden.

Ein Anstieg der Zwischenkreisspannung Uzwk. ^&zgr;·&Bgr;. über 48 V hinaus, wird durch die Spannungsüberwachung 23 vermieden, denn deren Transistor 50 wird in diesem Fall leitend und reduziert hierdurch die Steuerspannung ust am Eingang 30 des PWM-Stellers 15, so daß dieser die unteren Brückentransistoren 125,129 und 134 mit dem Tastverhältnis k periodisch öffnet und schließt, das der Steuerspannung ust entspricht. Hierdurch wird die Zwischenkreisspannung Uzwk nach oben hin sicher begrenzt.

Ein zu hoher Strom durch die Statorstränge U, V oder W wird durch die Meßwiderstände 138, 139 und 140 verhindert, welche den einzelnen Strängen U, V, W zugeordnet sind und welche bei Überstrom ein Ansprechen der einzelnen Transistoren 34 bzw. 34' bzw. 34" bewirken, die ebenfalls die Spannung ust am Eingang 30 reduzieren und dadurch das Tastverhältnis k umso stärker reduzieren, je höher diese Ströme werden.

Da also bei einem solchen transienten Bremsvorgang sowohl die generatorisch erzeugte Spannung Uzwk des Motors 112 wie auch dessen Statorströme

begrenzt werden, kann man diese Begrenzung auch als Leistungsbegrenzung oder "Wattbegrenzung" bezeichnen, d.h. der Bremsvorgang verläuft rasch, aber strikt innerhalb der Leistungsgrenzen des angeschlossenen Motors 112. (In der Praxis dauert ein solcher Bremsvorgang meist nur wenige Sekunden, bei einem Rolladenmotor z.B. ca. 30 Sekunden.) Die gewünschte Drehzahl wird auch nach einer Änderung des Drehzahl-Sollwerts n_soii innerhalb kürzester Zeit und

praktisch ruckfrei wieder erreicht.

Nach dem Bremsvorgang, wenn der Motor 112 wieder mit der gewünschten Drehzahl arbeitet, steigt die Regler-Ausgangsspannung REG-OUT wieder an, und wenn sie in Fig. 3a den Wert D erreicht hat, werden die Signale PWM-STELL und OB wieder abgeschaltet. Am Eingang 30 wirkt dann wieder das Signal REG-OUT, und die Kommutierungssteuerung 120 bewirkt wieder eine normale Kommutierung der Brückenschaltung 122 im motorischen Betrieb. Da derartige Brückenschaltungen in vielerlei Varianten bekannt sind, wird dieser normale motorische Betrieb nicht beschrieben.

Fig. 5 zeigt Einzelheiten der Fig. 4, wobei gleiche oder gleichwirkende Teile wie in Fig. 4 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind wie dort und gewöhnlich nicht nochmals beschrieben werden. Auch sind nicht alle Einzelheiten der Fig. 4 nochmals wiederholt, sondern es sind nur die wesentlichen Teile dargestellt.

Die Teile des Bremsreglers 24 sind hier mit einer strichpunktierten Linie umrandet. Vom Ausgang des Drehzahlreglers 11, wo das Ausgangssignal REG-OUT im Betrieb anliegt, führt ein Widerstand 150 zur Basis eines npn-Transistors 152, der zusammen mit einem npn-Transistor 154 eine Kippstufe 156 bildet, die eine Schalthysterese hat und die auf Bremsen umschaltet, wenn das Signal REG-OUT in Fig. 3a den niedrigen Wert C erreicht, und die wieder auf motorischen Betrieb (mit Drehzahlregelung) zurückschaltet, wenn REG-OUT in Fig. 3a wieder den höheren Wert D erreicht.

Zur Stromversorgung der Kippstufe 156 und der angeschlossenen Teile wird eine geregelte Gleichspannung von z.B. 12 V verwendet, die zwischen einer Plusleitung 160 und einer Minusleitung 165 liegt, welch letztere, ebenso wie die Minusleitung 20, an Masse (GND) angeschlossen ist.

Die Basis des Transistors 152 ist über einen Widerstand 158 mit der Minusleitung 165 und über einen Widerstand 162 (z.B. 100 kQ) mit dem Kollektor des Transistors 154 verbunden, dessen Basis ihrerseits über einen Widerstand 164 (z.B. 22 kn) mit dem Kollektor des Transistors 152 verbunden ist. Die Kollektoren der Transistoren 152,154 sind jeweils über einen Widerstand 166 bzw. 168 (z.B. 22 &Igr;<&OHgr;) mit der Plusleitung 160 verbunden.

An den Kollektor des Transistors 154 ist die Basis eines Transistors 170 angeschlossen, dessen Emitter mit der Minusleitung 165 und dessen Kollektor über einen Widerstand 172 mit der Plusleitung 160, über einen Widerstand 174 mit der Basis eines npn-Transistors 176 und über einen Widerstand 178 mit der Basis eines npn-Transistors 180 verbunden ist.

Der Emitter des Transistors 176 ist mit der Minusleitung 165, sein Kollektor über einen Widerstand 182 mit der Plusleitung 160 verbunden. An diesem Kollektor wird beim Bremsvorgang das Signal OB erzeugt, welches über die Kommutierungsschaltung 120 die oberen Brückentransistoren 124,128 und 133 öffnet und die unteren Brückentransistoren 125,129 und 134 leitend macht, sofern nicht für die unteren Brückentransistoren ein vorrangiges PWM-Signal vom PWM-Steller 15 vorliegt.

Der Emitter des Transistors 180 ist mit der Minusleitung 165, sein Kollektor über einen Widerstand 186 mit der Plusleitung 160 und über einen Widerstand 188 mit der Basis eines pnp-Transistors 190 verbunden. Der Emitter des Transistors 190 ist über einen Widerstand 192 (z.B. 2,2 kQ) mit der Plusleitung 160 verbunden. Sein Kollektor, an dem beim Bremsvorgang, wenn der Transistor 190 leitend ist, das Signal PWM-STELL vorhanden ist, ist mit dem Knotenpunkt 152 zwischen den Widerständen 150 und 28 verbunden.

Arbeitsweise

Wenn das Signal REG-OUT genügend hoch ist, also in Fig. 3a oberhalb des Wertes B Hegt, ist der Transistor 152 leitend und folglich der Transistor 154 der Kippstufe 156 gesperrt.

Wird, weil die Drehzahl auf zu hohe Werte ansteigt, das Signal REG-OUT sehr

klein und unterschreitet den Wert C der Fig. 3a, so wird der Transistor 152 gesperrt, und der Transistor 154 wird leitend, wobei die Umschaltung durch die Kippstufe 156 schlagartig erfolgt.

Wenn der Transistor 154 leitend wird, wird der zuvor leitende Transistor 170 gesperrt und macht seinerseits den Transistor 176 leitend, so daß an dessen Kollektor das (niedrige) Signal OB für die Kommutierungssteuerung 120 erzeugt wird.

Ebenso macht der gesperrte Transistor 170 den Transistor 180 leitend, und dieser bewirkt seinerseits ein Leitendwerden des Transistors 190, so daß letzterer das Signal PWM-STELL erzeugt, das als Ersatz-Stellwert anstelle des Signals REG-OUT dem PWM-Steller 15 beim Bremsvorgang zugeführt wird und dann während des Bremsens das Tastverhältnis k des PWM-Stellers 15 bestimmt, sofern nicht die - vorrangige - Strombegrenzung und/oder die ebenfalls vorrangige - Spannungsbegrenzung einsetzt.

Auf diese Weise erfolgt also die Umschaltung, die in Fig. 1 durch die Schalter 25 und 26 symbolisiert ist, hier rein elektronisch und mit hoher Zuverlässigkeit. Die Hysterese zwischen den Punkten C und D der Fig. 3a ist durch die Schaltelemente der Kippstufe 156 einstellbar. Der Wert D sollte nahe beim Wert B liegen. Letzterer entspricht dem unteren Ende des vorggegebenen Verstellbereichs 84 für das Tastverhältnis k.

Alternativ ist es auch möglich, die Größe des Ersatz-Stellwerts PWM-STELL davon abhängig zu machen, wie groß die Abweichung des Signals REG-OUT vom Wert B (Fig. 3a) ist, d.h. bei kleinen Überschreitungen der gewünschten Drehzahl wird in diesem Fall nur schwach gebremst, bei hohen Überschreitungen dagegen stärker. Diese verbesserte Alternative ist in Fig. 6 dargestellt.

Fig. 6 zeigt also eine Variante zu der Schaltung des Bremsreglers 24, die in Fig. 5 dargestellt ist. Während bei Fig. 5 bei der Umschaltung auf Bremsen ein konstanter Ersatz-Stellwert PWM-STELL erzeugt wird, ist dieser Ersatz-Stellwert bei Fig. 6 abhängig davon, wie groß die Überschreitung der gewünschten Drehzahl n_son ist: Wird diese Drehzahl nur wenig überschritten, so

wird nur ein niedriger Ersatz-Stellwert erzeugt, d.h. das Tastverhältnis der PWM-Signaie 32, welche die Höhe des Bremsstroms beim Bremsvorgang bestimmen, wird in diesem Fall relativ klein. Wird aber diese Drehzahl stark überschritten, so wird ein höherer Ersatz-Stellwert erzeugt, und der Bremsstrom wird folglich entsprechend höher. Dies hat den Vorteil, daß das Einschalten und Ausschalten der Bremse ruckfrei vor sich geht, d.h. der Übergang zum Bremsen, und der Übergang vom Bremsen zum motorischen Betrieb, geschieht sanft und ohne merkbare Diskontinuitäten.

Bei Fig. 6 werden zwei Operationsverstärker 200,201 verwendet. Dem Pluseingang beider Verstärker wird durch einen entsprechend eingestellten Spannungsteiler aus zwei Widerständen 204, 205 ein Potential zugeführt, das dem Potential B in Fig. 3a entspricht, also dem Wert von ust. bei dem das Tastverhältnis k den Wert 0 % erreicht. Dies entspricht den unteren Spitzen 91 des Dreieckssignals 88, also beim Ausfürungsbeispiel etwa +2 V.

Das Regler-Ausgangssignal REG-OUT vom Drehzahlregler 11 wird in der dargestellten Weise dem Minuseingang beider Operationsverstärker 200, 201 zugeführt. Der Minuseingang des Operationsverstärkers 200 ist über einen Widerstand 207 mit dessen Ausgang verbunden, so daß dieser Operationsverstärker als Verstärker mit einstellbarer Verstärkung arbeitet, und dieser Ausgang ist über eine Diode 202 mit einem Anschluß verbunden, die wie in Fig. 4 mit 154 bezeichnet ist. An ihm tritt beim Bremsen der Ersatz-Stellwert PWM-STELL auf. Da der Operationsverstärker 200, wie gesagt, als Verstärker arbeitet, ist das Signal PWM-STELL = 0, wenn das Signal REG-OUT höher ist als das Potential B. Wird das Signal REG-OUT niedriger, so nimmt PWM-STELL immer mehr zu, je niedriger REG-OUT wird, d.h. die Bremse setzt mit einem sehr niedrigen Bremsstrom ein, und am Ende des Bremsvorgangs liegt ebenfalls ein sehr niedriger Bremsstrom vor, der praktisch unmerklich in den Wert Null übergeht, bevor der motorische Betrieb (mit normaler Drehzahlregelung durch das Stellsignal REG-OUT) wieder aufgenommen wird.

Der Operationsverstärker 201 ist als Komparator geschaltet und erzeugt an seinem Ausgang 156 das Signal OB, wenn REG-OUT niedriger wird als das Potential B. Dieses Signal OB bewirkt, daß die oberen Halbleiterschalter 124, 128 und 133 der Brückenschaltung 122 geöffnet werden, daß die unteren

Halbleiterschalter 125,129 und 134 geschlossen werden, und daß diese unteren Halbleiterschalter der Steuerung durch das PWM-Signal 32 unterliegen. Dies wird nachfolgend noch näher erläutert.

Fig. 7 zeigt nochmals - in Form eines Blockschaltbilds - den grundsätzlichen Aufbau der Elektronik für den ECM 112. Diese verwendet bei diesem Beispiel drei Hallgeneratoren 115,116 und 117, welche vom Rotormagneten 113 gesteuert werden und Hallsignale H1, H2 und H3 erzeugen, welche der Kommutierungssteuerung 120 zugeführt werden, die ihrerseits die Brückenschaltung 122 steuert. Fig. 9a zeigt das Hallsignal H1, Fig. 9b das Hallsignal H2, und Fig. 9c das Hallsignal H3. Der PWM-Steller 15 (Fig. 2) wirkt auf die Kommutierungssteuerung 120 ein (vgl. nachfolgend Fig. 11), ebenso das Signal OB von der Bremslogik, das in Fig. 4, 5 und 6 dargestellt ist.

Fig. 8B zeigt den prinzipiellen Aufbau der Brückenschaltung 122 mit drei oberen pnp-Brückentransistoren 124,128 und 133 sowie drei unteren npn-Brückentransistoren 125,129 und 134. Fig. 8A zeigt die zugehörigen Steuersignale von den Hallgeneratoren 115,116 und 117. Z.B. wird der obere Brückentransistor 124 gesteuert durch das Signal T1, das aus der logischen Verknüpfung (Konjunktion) des Hallsignals H1 und des negierten Hallsignals H2/ gebildet wird. Fig. 8A zeigt die logischen Gleichungen für alle sechs Brückentransistoren. Diese Gleichungen betreffen den Betrieb ohne PWM-Steuerung. Diese hat bei normalem Antrieb (mit Kommutierung) keinen Einfluß auf die oberen Brückentransistoren. Bei Bremsbetrieb kommt für die oberen Brückentransistoren noch eine Verknüpfung mit dem Signal OB (am Ausgang 156) hinzu, d.h. wenn OB = 1 ist, werden die oberen Brückentransistoren gesperrt.

Bei den unteren Brückentransistoren bewirkt das Signal OB = 1, daß diese ständig eingeschaltet und nur dann gesperrt werden, wenn das Signal 32 des PWM-Stellers 15 (Fig. 2) niedrig ist, d.h. hier erfolgt zusätzlich eine Verknüpfung mit dem PWM-Signal 32, um eine Motorstrombegrenzung oder eine Begrenzung der Spannung Uzwk (bei der generatorischen Bremsung) zu ermöglichen, vgl. nachfolgend Fig. 11.

Fig. 9 zeigt die Hallsignale H1, H2 und H3 sowie die Kommutierung der Stränge

U (Fig. 9d), V (Fig. 9&thgr;) und W (Fig. 9f) des ECM 112 für den Fall, daß keine Drehzahlregelung, Bremsung und auch keine Strombegrenzung stattfindet.

Fig. 10 zeigt die Auswertung der Hallsignale H1, H2 und H3 und der - jeweils durch einen Transistor 210, 210' bzw. 210" invertierten - Hallsignale H1/, H2/ bzw. H3/ zur Ansteuerung der Brückentransistoren, und zwar, aus didaktischen Gründen, zunächst ohne PWM-Steuerung (letztere wird bei Fig. 11 gezeigt.)

Wie man erkennt sind die drei Abschnitte der Schaltung nach Fig. 10 weitgehend identisch aufgebaut, mit Ausnahme der für die Ansteuerung verwendeten Hallsignale, die in Fig. 8A aufgeführt sind.

Wie bereits beschrieben (Fig. 8A), dienen zur Ansteuerung des oberen Brückentransistors 124 die Signale H1 und H2/, die über zwei als UND-Glied dienende Dioden 212, 213 zur Basis eines Phasenumkehrtransistors 216 (npn) geführt sind, dessen Kollektor über einen Widerstand 218 mit des Basis des Brückentransistors 124 verbunden ist. Ist das Signal H1 oder das Signal H2/ niedrig, so wird der Transistor 216 gesperrt, und durch ihn auch der Brückentransistor 124. Sind beide Signale H1 und H2/ hoch, so leitet folglich der Brückentransistor 124.

Der untere Brückentransistor 125 wird über die ebenfalls als UND-Glied wirkenden Verknüpfungsdioden 220, 221 gesteuert durch die Signale H1/ und H2. Sind beide Signale hoch, so wird der Brückentransistor 125 leitend. Sonst ist er gesperrt.

Der Brückentransistor 128 wird in völlig analoger Weise gesteuert durch seinen Steuertransistor 216', und der Brückentransistor 133 über seinen Steuertransistor 216". Für den Fachmann ergibt sich alles Wesentliche aus der Schaltung.

Fig. 11 zeigt nur die Ansteuerung der beiden Brückentransistoren 124 und 125, da die Ansteuerung der anderen Brückentransistoren völlig analog erfolgt.

Es geht um folgendes:

a) Die zusätzliche Ansteuerung des unteren Brückentransistors 125 durch das

PWM-Signal 32 (vgl. Fig. 2). Diese findet statt al) bei einer Begrenzung des Stroms, der durch den antreibenden Motor 112

fließt;
a2) bei einer Begrenzung des Stroms, der durch den bremsenden Motor 112 fließt;

a3) bei der Drehzahlregelung des Motors; und a4) bei der Begrenzung der Spannung Uzwk beim Bremsen.

b) Die Umschaltung der Brücke 122 durch das Signal OB (von der Bremslogik), z.B. in Fig. 6 vom OP-Verstärker 201.

Das Signal OB wird durch einen npn-Transistor 224 invertiert, an dessen Ausgang man das Signal OB/ erhält, das also niedrig ist, wenn OB hoch ist. Das Signal OB/ wird über eine Diode 226 einem Knotenpunkt S1 zugeführt, an den auch die Dioden 212 und 213 angeschlossen sind. Man erhält also an S1 die logische Verknüpfung H1&H2/&0B/, d.h. wenn OB/ niedrig ist, wird der obere Brückentransistor 124 gesperrt, und in völlig analoger Weise die oberen Brückentransistoren 128 und 133.

Das Signal OB/ wird auch der Basis eines npn-Transistors 230 zugeführt und sperrt diesen, wenn es niedrig ist, wodurch die Basis des Brückentransistors 125 ständig über einen Widerstand 232 einen Einschaltstrom von der Plusleitung 16 erhält, d.h. beim Bremsen werden die unteren Brückentransistoren dauernd eingeschaltet, und die Kommutierung wird abgeschaltet. Dazu ist der Emitter des Transistors 230 über die Diode 220 mit dem Signal H1/ und über die Diode 221 mit dem Signal H2 verbunden. Der Kollektor des Transistors 230 ist mit einem Knotenpunkt S2 und über den Widerstand 232 mit der Plusleitung 16 verbunden.

Vom Knotenpunkt S2 führt eine Diode 234 zur Basis des Brückentransistors 125. Ebenso ist der Knotenpunkt S2 über eine Diode 236 mit dem Ausgang des Invertierers 64 (vgl. Fig. 2) verbunden und erhält von dort das PWM-Signal 32. Jedesmal, wenn dieses Signal 32 niedrig wird, erhält der Knotenpunkt S2 ein niedriges Potential und sperrt den unteren Brückentransistor 125. Ist dagegen das PWM-Signal 32 hoch, so bleibt der Brückentransistor 125 dann leitend, wenn er durch die anderen Signale (das Signal OB/, oder die Kombination der Signale H1/ und H2) leitend gesteuert wird. Analoges gilt für die beiden

anderen unteren Brückentransistoren 129 und 134.

Das PWM-Signal 32 hat also hier Vorrang, d.h. wenn es niedrig wird, sperrt es den Brückentransistor 125 auf jeden Fall, und in analoger Weise die Brückentransistoren 129 und 134, so daß der Strom im Motor unterbrochen wird, wenn das PWM-Signal 32 niedrig wird. Hierdurch wird, wie bereits beschrieben, eine Strombegrenzung beim Bremsen und eine Begrenzung der Spannung Uzwk ermöglicht.

Auf diese Weise werden beim normalen Betrieb, also mit Kommutierung, jeweils die unteren Brückentransistoren 125,129 und 134 durch das PWM-Signal 32 gesperrt, wenn der Motorstrom zu hoch wird. Beim Bremsen werden die unteren Brückentransistoren nicht kommutiert, sondern durch das Signal OB (von der Bremslogik) ständig leitend gesteuert, aber auch beim Bremsen werden diese Brückentransistoren dann (durch das PWM-Signal) unterbrochen, wenn der Bremsstrom und/oder die Zwischenkreisspannung Uzwk zu hoch werden.

Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich, ohne das erfinderische Konzept zu verlassen.

Claims (18)

Schutzansprüche

1. Anordnung für einen über mindestens einen Ha!bleiterschalter(14; 124,125, 128,129, 133,134) mit Strom versorgten Verbraucher (12; 112), insbesondere einen elektronisch kommutierten Motor,

mit einem von einem Stellsignal (ust) steuerbaren PWM-Steller (15), der bei einer Veränderung dieses Stellsignals innerhalb eines vorgegebenen Stellsignalbereichs (Fig. 3a: 84), nicht aber außerhalb dieses Stellsignalbereichs, sein Tastverhältnis (k) ändert, und der dazu dient, abhängig von der Höhe dieses Stellsignals (ust) den mindestens einen Halbleiterschalter mit einem der Größe des Stellsignals (ust) zugeordneten Tastverhältnis (k) repetitiv aus- und einzuschalten, und mit einer Regelanordnung (11) zur Regelung eines Verbraucherparameters, insbesondere einer Motor-Drehzahl, deren Regler-Ausgangssignal (REG-OUT) dem PWM-Steller (15) als Stellsignal zuführbar ist und einen Signalbereich (Fig. 3a: 85) aufweist, der größer ist als der vorgegebene Stellsignalbereich (Fig. 3a: 84) des PWM-Stellers (15).

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher eine vom Regler-Ausgangssignal (REG-OUT) gesteuerte Umschaltvorrichtung (Fig. 1: 24, 25, 26; Fig. 5:156) vorgesehen ist, welche in einem Bereich (Fig. 3a: 86) des Regler-Ausgangssignals (REG-OUT), das einer zu hohen Drehzahl eines Motors (12; 112) entspricht und außerhalb des vorgegebenen Stellsignalbereichs (Fig. 3a: 84) des PWM-Stellers (15) liegt, den Motor auf Bremsbetrieb umschaltet, um dessen Drehzahl rasch auf die gewünschte Solldrehzahl (n_son) abzusenken.

3. Anordnung nach Anspruch 2, bei welcher bei einem Regler-Ausgangssignal (REG-OUT), das einer zu hohen Drehzahl eines Motors entspricht und außerhalb des vorgegebenen Stellsignalbereichs (Fig. 3a: 84) des PWM-Stellers (15) liegt, das Regier-Ausgangssignal durch ein anderes Stellsignal (PWM-STELL) für den PWM-Steller (15) substituiert wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, bei weicher das substituierte Stellsignal (PWM-STELL) eine Funktion der Größe des Regler-Ausgangssignals (REG-OUT) ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei welcher das substituierte Stellsignal (PWM-STELL) von der Größe des Bremsstroms eines Motors (12; 112) beeinflußt ist.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein Widerstands-Netzwerk (150, 28, 39,40) vorgesehen ist, um dem PWM-Steller (15) im Betrieb unterschiedliche Signale (REG-OUT, PWM-STELL, STBGR, ZK) unterschiedlicher Hierarchiestufen zuzuführen.

7. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher eine von der Betriebsspannung (Uzwk) eines Motors beeinflußte Anordnung (23, 46, 47, 50) zur Erzeugung eines von dieser Betriebsspannung abhängigen Stellsignals (ZK) vorgesehen ist, welches in einem vorgegebenen Wertebereich Vorrang vor anderen dem PWM-Steller (15) zugeführten Stellsignalen (REG-OUT, PWM-STELL) hat.

8. Anordnung nach Anspruch 7, bei welcher als Betriebsspannung die Gleichspannung (Uzwk) zwischen zwei Leitungen (16, 20) dient, welche den Motor mit Strom versorgen.

9. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher eine von einem Motorstrom beeinflußte Anordnung (34, 32, 18) zur Erzeugung eines vom Motorstrom abhängigen Stellsignals (STBGR) vorgesehen ist, welches in einem vorgegebenen Wertebereich Vorrang vor anderen dem PWM-Steller (15) zugeführten Stellsignalen (REG-OUT, PWM-STELL) hat.

10. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der vorgegebene Stellsignalbereich (Fig. 3a: 84) des PWM-Stellers (15) einen Offset (86) zur Spannung Null aufweist, so daß bei Werten des Stellsignals (ust). die innerhalb dieses Offsets (86) liegen, durch den PWM-Steller (15) ein Tastverhältnis (k) von 0 % eingestellt wird.

11. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der PWM-Steller (15) einen Dreiecksgenerator (60) und einen

ryj ·* ·*· ft··

Komparator (62) aufweist, dessen einem Eingang (90) im Betrieb eine Dreiecksspannung (88) vom Dreiecksgenerator (60) und dessen anderem Eingang (26) ein Stellsigna! (ust) zuführbar ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, bei welcher im Betrieb das Dreieckssignal (88) des Dreiecksgenerators (60) zwischen einem von Null verschiedenen Mindestwert (91) und einem von Null verschiedenen Höchstwert (93) oszilliert.

13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, bei welcher der Dreiecksgenerator (60) einen Komparator (66) aufweist, dessen Ausgang (68) über eine Gegenkopplung (74) mit seinem Minuseingang (76) und über eine Mitkopplung (70) mit seinem Pluseingang (72) verbunden ist, wobei dem Minuseingang (76) ein Ladekondensator (78) zugeordnet ist.

14. Anordnung nach Anspruch 9, bei welcher zur Erfassung eines Motorstroms (i_mot) ein Meßwiderstand (18; 138, 139,140) vorgesehen ist, und die Spannung (u_m) an diesem Meßwiderstand dem Eingang eines bei einer vorgegebenen Schwellenspannung ansprechenden Transistors (34), oder einem Komparator,
zuführbar ist.

15. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Strommeßvorrichtung (18,138) für einen Motorstrom, und mit mindestens einem Filter (38), welches zwischen dieser Strommeßvorrichtung (18, 138) und dem Eingang (30) des PWM-Stellers (15) vorgesehen ist.

16. Anordnung nach Anspruch 15, bei welcher das Filter als T-Filter (38) ausgebildet ist.

17. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche für einen elektronisch kommutierten Motor (112) mit mehreren Phasen (U, V, W), die im Betrieb über eine Brückenschaltung (122) mit Strom gespeist werden, wobei separate Strommeßschaltungen für einzelne Brückenzweige vorgesehen sind,

und die Ausgangssignale dieser Strommeßschaltungen gemeinsam dem PWM-

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Steller (15) zuführbar sind.

18. Anordnung nach Anspruch 17, bei welcher sowohl den einzelnen Strommeßschaltungen wie deren gemeinsamem Ausgangssignal Filteranordnungen (38, 36, 36', 36") zugeordnet sind.