DE3209394C2

DE3209394C2 - Schaltungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE3209394C2
Application number: DE19823209394
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 7900 Ulm Schaub
Original assignee: Georg Schick Dental 7957 Schemmerhofen De GmbH
Current assignee: Georg Schick Dental 7957 Schemmerhofen De GmbH
Priority date: 1982-03-15
Filing date: 1982-03-15
Publication date: 1984-06-28
Also published as: DE3209394A1

Abstract

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 anschaltbar sind. Gemäß der Erfindung weist diese Ansteuerschaltung zum Zwecke des schnellstmöglichen Einspringens des Motors in den gewünschten lagegesteuerten Betrieb eine erste Vergleicherschaltung auf, die nach Anschaltung der Gleichspannungsquelle an zunächst einem ersten Wicklungsstrang des Motors prüft, ob danach das in der richtigen Drehrichtung erwartete, aus dem im Motor induzierten Spannungen abgeleitete Lagesignal auftritt und, falls dies zutrifft, den dem ersten Wicklungsstrang in der gewünschten Drehrichtung benachbarten Wicklungsstrang strommäßig beaufschlagt. Ansonsten prüft nach einer vorgegebenen Zeit eine zweite Vergleicherschaltung anhand des eingegangenen Lagesignals, in welchem Winkelsektor sich der Rotor befindet. Danach schaltet sie den in die gewünschte Drehrichtung beschleunigten Wicklungsstrang an die Versorgungsspannung, wobei bei Ausbleiben eines auswertbaren Signals der dem ersten Wicklungsstrang in der gewünschten Drehrichtung benachbarte Wicklungsstrang strommäßig beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft «:ine Schaltungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es wird dabei in erster Linie an Motoren gedacht, die in der Dentaltechnik eingesetzt weiden. Bei solchen zahntechnischen Elektromotoren kann es sich beispielsweise um Antriebe für ein in einem zahnlechnischen Handstück gelagertes Werkzeug handeln. Als Werkzeuge kommen Bohrwerkzeuge. Schleifwerkzeuge oder dergl.. z. B. zum Bearbeiten von Zahnprothesen, in Frage.

Bei solchen kollektorlosen Gleichstrommotoren besteht das Problem, daß eine Einrichtung vorgesehen sein muß, die ein Anlaufen des Rotors in einer bestimmten Drehrichtung gewährleistet

B_ti einer in der Zeitschrift »Elektronik 1971/123« erwähnten bekannten Steuerschaltung wird zur Erzielung eines günstigen Anlaufdrehmomentes des Motors und zur Festlegung einer bestimmten Drehrichtung ein über einen begrenzten Anlauf-Drehzahlbereich wirksamer Hilfkollektor verwendet, der in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors jeweils nur die Ansteuerung eines bestimmten Wicklungsstranges erlaubt und dadurch eine bestimmte Drehrichtung festgelegt. Diese bekannte Einrichtung besitzt jedoch den Nachteil, daß sie mechanisch beanspruchte und daher einer Abnutzung unterworfene und Reibung verursachende Teile aufweist.

Bei einer weiteren aus DE-AS 20 63 351 bekannten Einrichtung wird der mechanische Hilfskollektor durch einen berührungsfreien elektronischen Hilfskollektor ersetzt. Ein solcher elektronischer Hilfkollektor erfordert jedoch einen nicht unbeträchtlichen fertigungs- und schaltungstechnischen Aufwand, der die Steuerschaltung verteuert.

Aus der DE-PS 12 93 320 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der mittels zu einer Kent verbundener Steuerstufen erreicht wird, daß der Motor in der gewünschton Drehrichtung anläuft. Dabei wird jede Steuerstufe über ein erstes RC-GWed einheitlicher Bemessung mit der nachfolgenden Steuerstufe und über ein zweites /?C-Glied einheitlicher, aber von den ersten /?C-Gliedern verschiedener Bemessung mit der vorangehenden Steuerstufe verbunden. Mit einer solchen Steuerschaltung können zwar mechanische oder elektronische Hilfskollektoren vermieden werden, es sind jedoch auch zusätzliche Bauelemente erforderlich, welche kostspielig sind und welche einer Justierung bedürfen. Außerdem wäre die Toleranzanfälligkeit dieser zusätzlichen Bauelemente als Nachteil zu berücksichtigen. Auch ist die Verwendung von /?C-Gliedern wegen ihrer

Frequenz- und damit Drehzahlabhängigkeit nur in einem begrenzten Drehzahlbereich möglich.

Da jedoch nach dem Einschalten und vor dem Anlaufen des Motors eine Aufladung der Kondensatoren über Widerstände erfolgt, ist somit durch diese zeitverzögernden Bauelemente ein schnelles lageabhängig gesteuertes Anlaufen verhindert.

Schließlich ist durch die DE-OS 30 12 833 eine Schaltungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnet-Rotor und mit einer feststehenden mehrpoligen Ankerwicklung mit mehreren gleichmäßig am Umfang versetzten Wicklungssträngen bekannt, bei der die Winkellage des Rotors durch die in den Wicklungssträngen induzierte Spannung ermittelt ist und die Wicklungsstränge nacheinander über eine von der Lage des Rotors abhängig gesteuerte digitale Ansteuerschaltung an eine Gleichspannungsquelle anschaltbar sind und vor Anlaufbeginn ein erster Wicklungsstrang erregt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorausgesetzte An-

bo Ordnung derart auszubilden, daß der Motor möglichst schnell in einer gewünschten Drehrichtung lagegesteuert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches I gelöst.

h^ri Zur Durchführung dieser Signalauswertiing und Schaltung der Wicklungsstränge des Motors benutzt man zweckmäßigerweise einen Mikroprozessor. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß der

Einsatz von Mikroprozessoren für Signalverarbeitung ^;n Antriebsregelungen aus »Regelungstechnik Praxis« 1978, Seite 355/359 an sich bekannt ist.

Weiterhin ist die Ansteuerschaltung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung so ausgebildet, daß bei einer bestimmten Anzahl von Wiederholungen des zweiten Vergleichsvorganges der Motor abgeschaltet wird, um eine Überlastung zu vermeiden; dies kann insbesonderen bei blockierter Motorwelle der Fall sein.

Das Prinzip- der Erfindung sowie ein Ausführungsbeispiel soll nun an Hand der Zeichnungen an einem Schaltbild erläutert werden. In

F i g. 1 ist zunächst eiü Blockschaltbild gezeichnet, aus dem das Prinzip der Erfindung hervorgeht. In

Fig.2 ist ein Schaltbild der wesentlichen Teile der Ansteuerschaltung gezeichnet, während in den

F i g. 3,4 und 5 Teilschaltbilder vom Mikroprozessor, vom Nulldurchgangsschalter und von einer Einrichtung zur Erzeugung der Steuerimpulse für die WLklungseinschaltung wiedergegeben sind.

Gemäß dem Blockschaltbild nach F i g. 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 +10V aufweist, ist ein Spannungsteiler 2 angeschlossen, welcher eine positive und negative, dem Betrag nach gleich große Gleichspannung von 10—40 V abgeben kann. Die Ladekondensatoren dieses Spannungssteller sind herausgezeichnet und mit 3 bezeichnet.

Der an diese Spannungsquelle anzuschließende Motor 6 besteht aus zwei um 90° 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 Spannungssteller 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 Spannungssteller 2 entnommenen Versorgungsspannung angeschaltet sind.

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 10 gehen dann auch Steuerleitungcn aus, welche über die Operationsverstärker 13 und die Leitungen 14 und 15 die Betätigung der Schalter 4 und 5 bewirken.

Wenngleich die Schalter 4 und 5 in dem Blockschaltbild der Fig. 1 als mechanischer Schalter gezeichnet sind, so werden jedoch hierfür sehr viel schneller schaltende Halbleiterschalter, insbesondere Transistoren benutzt.

Der Start und Stop des Motors 6 erfolgt über Schalter 18 und 19, die zum Mikroprozessor führen.

Beim Start durch Einlegen des Schalters 18 hat der Rotor 9 des Motors 6 eine beliebige Lage. Wenngleich am Mikroprozessor noch ein weiterer Schalter 28 vorgesehen ist, durch dessen Einschalten beispielsweise ein Rechtslauf des Motors vorgeschrieben wird, so besteht die Möglichkeit, daß der Motor doch zunächst mit einem Linkslauf beginnt, je nachdem welche zufällige Stellung der Rotor bezüglich der zuerst besiromten Wicklung besitzt. Um nun ein schnellstmögliches Einspringen des Motors in den gewünschten lagegesteuerten Betrieb zu erreichen, wird erfindungsgemiiß beim Einlegen des Schalters 18 über den Mikropozessor 10 zunächst eine Wicklung, beispielsweise die Wicklung 7 durch einen kurzzeitigen Impuls erregt. Anschließend geht der Schalter 4 sofort auf die Leerlaufstellung. So-

■i fern 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 Abfrageschallung 11 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. 1st 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.
Tritt das oben beschriebene Signal während einer bestimmten Vergleichszeit nicht auf, prüft eine zweite digitale Vergleicherschaltung anhand des zuletzt eingegangenen Signals nach, in welchen der vier vor der Abfrageschaltung unterscheidbare Quadranten sich der Rotor befindet und schaltet den entsprechenden Wicklungsstrang so gepolt an die Versorgungsspannung, daß der Rotor aus semer 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, ist 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 90°-Bewegung in die gewünschte Drehrichtung ausgelöst wird. Danach wird wiederum die oben beschriebene Signalprüfung in der ersten Vergleicherschaltung durchgeführt usw.

Ist der Signalvergleich in der ersten Vergleicherschaltung mehrmals erfolglos, wird also während einer Anlaufphase mehrmals die /weite Vergleicherschaltung eingeschaltet, so wird der Motor nach einer einstellbaren Zeit von Wiederholungen des zweiten Vergleiches abgeschaltet, weil er sonst überlastet werden könnte.

Um ein Einspringen des Motors in den lagegesteuerten Betrieb möglichst schon nach dem ersten Stromimpuls zu erreichen, ist es zweckmäßig, den Motor 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 Sekunde gehalten, so fließt dieser wegen der Stromdurchlässigkeit des Gate zu beiden Anoden A\ und A2, ein Teil des Gatestromes fließt also über Ai durch die Motorwicklung 8 und hält den Anker in einer definierten Lage fest. Durch Abschalten des Stromes nach ca. 1 Sekunde kann

bo 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 lagegesteuerten Betrieb über.

M Man erreicht auf diese Weise, daß der Motor in der Anlaufphase in äußerst kurzer Zeit in der gewünschten Drehrichtung anläuft.
Aus dem Blockschaltbild der F i g. 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-Wandler 21 digitalisiert und dem Mikroprozessor 10 zugeführt. Dort erfolgt der Vergleich dieser Solldrehzahl mit der Istdrehzahl. Durch vom Mikroprozessor erfolgte Steuerung des Spannungsteilers 2 entsprechend der Solldrehzahl über einen Digital-Analcg-Wandler 22 und eine Phascnanschnitischahung 23 wird die Ausgangsspannung des Spannungsteilers 2 so vor- 1« gegeben, daß den Statorwicklungen 7 und 8 des Motors 6 Spannungen zugeführt werden, die stets etwas größer als der Scheitelwert der induzierten EMK sind.

Aus dem deiailierten Schaltbild der F i g. 2 ist der Aufbau des Spannungssteller 2 näher zu erkennen. An die Schaltung des zwei Triacs enthaltenden Spannungssteller 2 schließt sich ein Schaltungsteil 17 für die Entladung der Ladekondesatoren 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.

In F i g. 2 ist schließlich noch die Schaltung 26 für die bereits erläuterte Bremseinrichtung des Motors gezeichnet. Außerdem enthält die Schaltung nach F i g. 2 noch einen vom Netztransformator gespeisten Spannungsregler 27, der die Spannungen für die Operationsverstärker und den Mikroprozessor liefert.

Als Mikroprozessor wird der im Handel befindliche unter der Typenbezeichnung 8048 bekannte Mikropro- jo zessor eingesetzt, dessen Beschallung sich aus Fig. 3 ergibt.

In Fig.4 ist die Schaltung für die im Blockschaltbild der Fig.) eingezeichneten Nulldurchgangsschaltung wiedergegeben und schließlich ergibt sich aus dem Teil- jj schaltbild nach F i g. 5 die Schaltung für die Steuerimpulse zur Wicklungseinschaltung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnet-Rotor und mit einer feststehenden mehrpoligen Ankerwicklung mit mehreren gleichmäßig am Umfang versetzten Wicklungssträngen, bei der die Winkellage des Rotors durch die in den Wicklungssträngen induzierte Spannung ermittelt ist und die Wicklungsstränge nacheinander über eine von de* Lage des Rotors abhängig gesteuerte digitale Ansteuerschaltung aii eine Gleichspannungsquelle anschaltbar sind und vor Anlaufbeginn ein erster Wicklungsstrang erregt ist, gekennzeichnet durch eine erste Vergleichseinrichtung, die nach kurzzeitiger Erregung eines ersten Wicklungsstranges prüft, ob das in der gewünschten Drehrichtung erwartete Lagesignal auftritt, und danach den dem ersten Wicklungsstrang in der gewünschten Drehrichtung benachbarten Wicklungsstrang erregt, sowie eine zweite Vergleichseinrichtung, die nach erfolglosem ersten Vergleichsvorgang mit dem eingegangenen Lagesignal prüft, in welchem Winkelsektor der Rotor steht und danach den zum Anlauf in der gewünschten Drehrichtung erforderlichen Wicklungsstrang erregt, wobei bei Ausbleiben eines auswertbaren Lagesignals der dem ersten Wicklungsstrang in der gewünschten Drehrichtung benachbarte Wicklungsstrang erregt wird.

2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung einen Mikroprozessor enthält, welcher aufgrund der Lageermittlung des Rotors das Schalten der Statorwicklungen (7,8) bewirkt.

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung so ausgebildet ist, daß nach einer einstellbaren Anzahl von Wiederholungen des /weiten Vergleichsvorganges der Motor abgeschaltet wird.

4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Bremsschaltung versehen ist, welche nach seinem Abbremsen bei Stillstand eine kurze schwache Bestromung eines Wicklungsstranges bewirkt.

5. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsschaltung einen dem Wicklungsstrang einen Widerstand parallel schaltenden Triac aufweist, dessen Steuerstrom teilweise über den Wicklungsstrang fließt.