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Kollektorloser Gleichstrommotor
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Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem
Permanentmagnet-Rotor und einer feststehenden mehrpoligen Ankerwicklung mit mehreren,
gleichmäßig am Umfang versetzten Wicklungssträngen, die über eine eine Lagesteuerung
des Rotors bewirkende digitale Ansteuerschaltung an eine Gleichspannungsquelle anschaltbar1
sind.
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Es wird dabei in erster Linie an Motoren gedacht, die in der Dentaltechnik
eingesetzt werden. Bei solchen zahntechnischen Elektromotoren kann es sich beispielsweise
um Antriebe für ein in einem zahntechnischen Handstück gelagertes Werkzeug handeln.
Als Werkzeuge kommen Bohrwerkzeuge, Schleifwerkzeuge oder dergl., z. B. zum Bearbeiten
von Zahnprothesen in Frage.
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Bei solchen kollektorlosen Gleichstrommotoren besteht das Problem,
daß eine Einrichtung vorgesehen sein muß, die ein Anlaufen des Rotors in einer bestimmten
Drehrichtung gewährleistet.
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Bei einer bekannten Steuerschaltung wird zur Erzielung eines günstigen
Anlaufdrehmomentes des Motors und zur Festlegung einer bestimmten Drehrichtung ein
über einen begrenzten Anlauf-Drehzahlbereich wirksamer Hilfskollektor verwendet,
der in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors jeweils nur die Ansteuerung eines
bestimmten Wicklungsstranges erlaubt und dadurch eine bestimmte Drehrichtung festlegt.
Diese bekannte Einrichtung besitzt jedoch den Nachteil, daß sie mechanisch beanspruchte
und daher einer Abnutzung unterworfene und Reibung verursachende Teile aufweist.
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Bei einer weiteren bekannten Einrichtung wird daher der mechanische
Hilfskollektor durch einen berührungsfreien elektronischen Hilfskollektor ersetzt.
Ein solcher elektronischer Hilfskollektor erfordert jedoch einen nicht unbeträchtlichen
fertigungs- und schaltungstechnischen Aufwand, der die Steuer schaltung verteuert.
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Bei einer weiteren, aus der DE-PS 1 293 320 bekannten Anordnung wird
die erläuterte Aufgabe dadurch gelöst, daß jede Steuerstufe über ein erstes RC-Glied
einheitlicher Bemessung mit der nachfolgenden Steuerstufe und über ein zweites RC-Glied
einheitlicher, aber von den ersten RC-Gliedern verschiedener Bemessung mit der vorangehenden
Steuerstufe verbunden wird. Mit einer solchen Steuerschaltung können zwar mechanische
oder elektronische Hilfskollektoren vermieden werden, es sind Jedoch auch zusätzliche
Bauelemente erfordedich,
welche kostspielig sind und welche einer
Justierung bedürfen. Außerdem wäre die Toleranzanfälligkeit dieser zusätzlichen
Bauelemente als Nachteil zu beriicksichtigen. Auch ist die Verwendung von RC-Gliedern
wegen ihrer Frequenz- und damit Drehzahlabhängigkeit nur in einem begrenzten Drehzahlbereich
möglich.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ohne zusätzliche Bauelemente
für den Motor, welche eine Justierung erforderlich machen, das eingangs geschilderte
Problem in der Weise zu lösen, daß der Anlauf des Motors ohne Lagemelder bewirkt
wird. Erfinungsgemäß weist die Ansteuerschaltung zum Zwecke des schnellstmöglichen
Einspringens des Motors in den gewünschten lagegesteuerten Betrieb eine erste Vergleicherschaltung
auf, die nach Anschaltung der Gleichspannungsquelle an zunächst einen ersten Wicklungsstrang
des Motors prüft ob danach das in der richtigen Drehrichtung erwartete, aus den
im Motor induzierten Spannungen abgeleitete Lagesignal auftritt und, falls dies
zutrifft, den dem ersten Wicklungsstrang in der gewünschten Drehrichtung benachbarten
Wicklungsstrang strommäßig beaufschlagt, ansonsten nach einer vorgegebenen Zeit
eine zweite Vergleicherschaltung anhand des eingegagenen Lagesignals prüft, in welchem
Winkelsektor sich der Rotor befindet und danach den in die gewünschte Drehrichtung
beschleunigenden Wicklungsstrang an die Versorgungsspannung schaltet, wobei bei
Ausbleiben eines
auswertbaren Signals der dem ersten Wicklungsstrang
in der gewünschten Drehrichtung benachbarte Wicklungsstrang strommäßig beaufschlagt
wird.
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Zur Durchführung dieser Signalauswertung und Schaltung der Wicklungastränge
des Motors benutzt man zweckmäßigerweise einen Mikroprozessor.
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Weiterhin ist die Ansteuerschaltung gemäß einer Weiterbildung der
ErfindungEso ausgebildet, daß bei einer bestimmten Anzahl von Wiederholungen des
zweiten Vergleichsvorganges der Motor abgeschaltet wird, um eine überlastung" zu
vermeiden; dies kann insbesondere bei blockierter Motorwelle der Fall sein.
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Das Prinzip der Erfindung sowie ein Ausführungsbeispiel soll nun
an Hand der Zeichnungen an einem Schaltbild erläutert werden.
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In Fig. 1 ist zunächst ein Blockschaltbild gezeichnet, aus dem das
Prinzip der Erfindung hervorgeht.
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In Fig. 2 ist ein Schaltbild der wesentlichen Teile der Ansteuerschaltung
gezeichnet, während in den Fig. 3, 4 und 5 Teilschaltbilder vom Mikroprozessor,
vom Nulldurchgangsschalter und von einer Einrichtung zur Erzeugung der Steuerimpulse
für die Wicklungseinschaltung wiedergegeben sind.
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Gemäß dem Blockschaltbild nach Fig. 1 ist das Netzgerät, welches
an eine 220 V-Wechselspannungsquelle
angeschlossen wird, mit 1 bezeichnet.
An dieses Netzgerät, das auch noch einen weiteren Ausgang für eine Spannungsquelle
+ 5 V und + 10 V aufweist, ist ein Spannungssteller 2 angeschlossen,welcher eine
positive und negative, dem Betrag nach gleich große Gleichspannung von 10 - 40 V
abgeben kann. Die Ladekondensatoren dieses Spannungsstellers sind herausgezeichnet
und mit 3 bezeichnet.
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Der an diese Spannungsquelle anzuschließende Motor 6 besteht aus zwei
um 900 gegeneinander versetzten Statorwicklungen 7 und 8 und dem drehbaren Dauermagnet-Anker
oder Rotor 9. Die beiden Wicklungen 7 und 8 des Motors 6 sind jeweils über dreipolige
Schalter 4 und 5 an den Ausgang des Spannungsstellers 2 anschaltbar. Die Mittelstellungen
der Schalter 4 und 5 sind Leerlaufstellungen, während die Statorwicklungen 7 und
8 in den beiden Endstellungen der Schalter 4 und 5 entweder mit dem Plus-Pol oder
dem Minus-Pol der dem Spannungasteller 2 entnommenenVersorgungsspannung angeschaltet
sind.
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Die Wicklungen 7 und 8 des Motors 6 sind weiterhin noch mit ihrem
heißen Pol mit einer Abfrageschaltung 11 verbunden, und zwar mit den Nulldurchgangsschaltern
12 dieser Abfrageschaltung 11, welche andererseits zu einem Mikroprozessor 10 führen.
Vom Mikroprozessor r gehen dann auch Steuerleitungen aus, welche über die Operationsverstärker
13 und die Leitungen 14 und 15 die Betätigung der Schalter 4 und 5 bewirken.
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Wenngleich die Schalter 4 und 5 in dem Blockschaltbild der Fig. 1
als mechanische Schalter gezeichnet sind, so werden jedoch hierfür sehr viel schneller
schaltende Halbleiterschalter, insbesondere Transistoren benutzt.
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Der.Start und Stop des Motors 6 erfolgt über Schalter 18 und 19, die
zum Mikroprozessor führen.
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Beim Start durch Einlegen des Schalters 18 hat der Rotor 9 des Motors
6 eine beliebige Lage. Wenngleich ani Mikroprozessor noch ein weiterer Schalter
28 vorgesehen ist, durch dessen Einschalten beispielsweise ein Rechtslauf des Motors
vorgeschrieben wirdj so besteht die MAglichkeit, daß der Motor doch zunächst mit
einem Linkslauf beginnt, je nachdem welche zufällige Stellung der Rotor bezüglich
der zuerst bestromten Wicklung besitzt. Um nun ein schnellstmögliches Einspringen
des Motors in den gewünschten lagegesteuerten Betrieb zu erreichen, wird erfindungsgemäß
beim Einlegen des Schalters 18 über den Mikroprozessor 10 zunächst eine Wicklung,
beispielsweise die Wicklung 7 durch einen kurzzeitigen Impuls erregt.
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Anschließend geht der Schalter 4 sofort auf die Leerlaufstellung.
Sofern die kurzzeitige Erregung zu einer Drehbewegung des Rotors geführt hat, werden
in den beiden Wicklungen 7 und 8 Spannungen induziert, welche über die dafür vorgesehenen
Leitungen der Abfrageschaltung ii zugeführt werden. Eine erste digitale Vergleicherschaltung
prüft nun, ob das von der
Abfrageschaltung 11 gelieferte Signal
demjenigen entspricht, welches bei stationärem lagegesteuertem Betrieb in der gewünschten
Drehrichtung nach Bestromung der Wicklung 7 eintreffen würde. Ist dies der Fall,
befindet sich der Motor schon jetzt im lagegesteuerten Betrieb in der gewünschten
Drehrichtung und die weiteren Stromimpulse werden nur noch lageabhängig geschaltet,
was einen schnellen Anlauf des Motors bewirkt.
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Tritt das oben beschriebene Signal während einer bestimmten Vergleichszeit
nicht auf, prüft eine zweite digitale Vergleicherschaltung anhand des zuletzt eingegangenen
Signals nach, in welchem der vier von der Abfrageschaltung unterscheidbaren Quadranten
sich der Rotor befindet und schaltet den entsprechenden Wicklungsstrang so gepolt
an die Versorgungsspannung, daß der Rotor aus seiner ermittelten Position heraus
in der gewünschten Drehrichtung beschleunigt wird. Wird ein auswertbares Signal,
z. B. wegen Blockierung des Rotors oder weil sich der Rotor zufällig in der Lage
befindet, in die er bei Bestromung der Wicklung 7 gezogen wird, während einer vorgegebenen
Vergleichszeit nicht gefunden, so wird die Wicklung 8 so gepolt an die Versorgungsspannung
geschaltet, daß gegenüber der Position, in die der Rotor bei der vorherigen Bestromung
der Wicklung 7 gezogen wurde, eine 900 - Bewegung in die gewünschte Drehrichtung
ausgelöst wird. Danach wird wiederum die oben beschriebene Signalprüfung in der
ersten Vergleicherschaltung durchgeführt usw.
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ist der Signalvergleich in der ersten Vergleicherschaltung mehrmals
erfolglos, wird also während einer Anlaufphase mehrmals die zweite Vergleicherschaltung
eingeschaltet, so wird der Motor nach einer einstellbaren Zahl von WiMerholungen
des zweiten Vergleiches abgeschaltet, weil er sonst überlastet werden könnte.
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Um ein Einspringen des Motors in den lagegesteuerten Betrieb möglichst
schon nach dem ersten Stromimpuls zu erreichen, ist es zweckmäßig, den Mobr nach
dem Abbremsen bei Stillstand durch kurzes, schwaches Bestromen einer Wicklung in
einer definierten Stellung anzuhalten. Dies wird in idealer Weise durch Einsatz
eines Triacs in der Bremseinrichtung 26 gemäß Fig. 2 erzielt. Nach Stillstand des
Motors ist die Spannung an der Wicklung 8 null geworden. Wird der Gatestrom des
Triacs über den Stillstand hinaus für etwa 1 Stunde gehalten, so fließt dieser wegen
der Stromdurchlässigkeit des Gate zu beiden Anoden A1 und A2, ein Teil des Gatestromes
fließt also über A durch die Motorwicklung 8 und hält den Anker in einer definierten
Lage fest. Durch Abschalten des Stromes nach ca.
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1 Sekunde kann Steuerenergie gespart werden. Wird nun beim Start des
Motors die der Festhalteposition in der gewünschten Drehrichtung folgende Wicklung
zuerst bestromt, so geht der Motor sofort in den lagegesiaerten Betrieb über.
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Man erreicht auf diese Weise, daß der Motor in der Anlaufphase in
äußerst kurzer Zeit in der gewünschte ten Drehrichtung anläuft.
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Aus dem Blockschaltbild der Fig. 1 ist weiterhin noch die Drehzahlregelung
zu erkennen. Die gewünschte Drehzahl wird an einem Potentiometer 20 eingestellt,
die abgegriffene Analogspannung wird in einem Analog- Digital-Wandl er 21 digitalisiert
und dem Mikroprozessor 10 zugeführt. Dort erfolgt der Vergleich dieser Solldrehzahl
mit der Istdrehzahl. Durch vom Mikroprozessor erfolgte Steuerung des Spannungsstellers
2 entsprechend der Solldrehzahl über einen Digital-Analog-Wandler 22 und eine Phasenanschnittschaltung
23 wird die Ausgangsspannung des Spannungsstellers 2 so vorgegeben, daß den Statorwicklungen
7 und 8 des Motors 6 Spannungen zugeführt werden, die stets etwas größer als der
Scheitelwert der induzierten EMK sind.
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Aus dem detailierten Schaltbild der Fig. 2 ist der Aufbau des Spannungsstellers
2 näher zu erkennen. An die Schaltung des zwei Triacs enthaltenden Spannungsstellers
2 schließt sich ein Schaltungsteil 17 für die Entladung der. Ladekondensatoren 3
an; anschließend folgen die Treiberstufen 24 und die in Darlingtonschaltung geschalteten
Leistungsschalter 25. Über diese Leistungsschalter 25 werden dann die Statorwicklungen
7 und 8 des Motors 6 mit Strom beaufschlagt.
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In Fig. 2 ist schließlich noch die Schaltung 26 für die bereits erläuterte
Bremseinrichtung des Motors gezeichnet. Außerdem enthält die Schaltung nach Fig.
2 noch einen vom Netztransformator gespeisten Spannungsregler 27, der die Spannungen
für die Operationsverstärker und den Mikroprozessor liefert.
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Als Mikroprozessor wird der im Handel befindliche unter der Typenbezeichnung
8048 bekannte Mikroprozessor eingesetzt, dessen Beschaltung sich aus Fig. 3 ergibt.
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In Fig. 4 ist die Schaltung für die im Blockschaltbild der Fig. 1
eingezeichnete Nulldurchgangsschaltung wiedergegeben und schließlich ergibt sich
aus dem Teilschaltbild nach Fig, 5 die Schaltung für die Steuerimpulse zur Wicklungseinschaltung.
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L e e r s e i t e