DE3327761C2

DE3327761C2 -

Info

Publication number: DE3327761C2
Application number: DE3327761A
Authority: DE
Inventors: Makoto Nishinomiya Hyogo Jp Gotou
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1982-07-31
Filing date: 1983-08-01
Publication date: 1993-04-29
Also published as: US4527102A; DE3327761A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem für einen Gleichstrommotor mit einem Permanentmagneten, der eine Mehrzahl von Nord- und Südpolen aufweist, und mit mehrphasigen Spulen, die in dem magnetischen Feld des Permanentmagneten vorgesehen sind, so daß durch die Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Fluß des Permanentmagneten und einem Strom Ia zu den mehrphasigen Spulen eine Kraft erzeugt wird, mit einer eine elektrische Leistung liefernden Gleichspannungsquelle,
mit einem Gleichspannungswandler mit einem Schalttransistor zum Zerhacken der Spannung der Gleichspannungsquelle und einem Filter zum Glätten der Ausgangsspannung des Schalttransistors,
mit einem Verteiler zum Verteilen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers an die mehrphasige Spulen entsprechend der relativen Position zwischen dem Permanentmagneten und den mehrphasigen Spulen,
mit einem Stromdetektor zum Ermitteln des Stromes I_a zu den mehrphasigen Spulen,
mit einer Schaltsteuereinheit mit einem Geschwindigkeitsdetektor zur Ermittlung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Gleichstrommotors, einem Differenzverstärker zur Verstärkung der Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Geschwindigkeitdetektors und der Ausgangsspannung des Stromdetektors und mit einer Einrichtung, die das Ein- und Ausschaltzeitverhältnis des Schalttransistors entsprechend der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers steuert.

Bei einem derartigen aus der DE-OS 18 06 620 bekannten Steuersystem für einen Gleichstrommotor wird der Gleichstrommotor durch einen elektronischen Schalter geregelt, der sowohl beim Überschreiten eines eingestellten Grenzwertes des Ankerstromes als auch beim Überschreiten einer eingestellten Solldrehzahl den Ankerstromkreis unterbricht. Als Eingangssignal für die Schaltanordnung zur Steuerung des elektronischen Schalters dient einerseits eine im Stromkreis des Gleichstrommotors abfallende stromabhängige Spannung und andererseits eine drehzahlabhängige Spannung, die als der EMK proportionale Spannung der Ankerwicklung oder Teilen davon entnommen wird. Zur Erzeugung der stromabhängigen Spannung dient ein im Stromkreis des Gleichstrommotors angeordneter ohmscher Widerstand oder ein im Magnetfeld der Glättungsdrossel angeordneter magnetfeldabhängiger Widerstand oder eine Hallsonde. Die drehzahlabhängige Spannung ist einer spannungsabhängigen Brückenschaltung und der Schaltanordnung zur Steuerung des elektronischen Schalters die Ausgangsspannung der spannungsabhängigen Brückenschaltung zugeführt. Als Eingangsstufe der Schaltanordnung zur Steuerung des elektronischen Schalters dient ein schwellwertgesteuerter Schmitt-Trigger.

Der elektronische Schalter besteht aus einer Reihenschaltung eines für hohe Sperrspannung ausgelegten Thyristors und eines für eine wesentlich niedrigere Sperrspannung ausgelegen Transistors. Parallel zu den Eingangsklemmen der Motorschaltung ist ein Kondensator in Reihe mit einer Parallelschaltung aus einem Widerstand und einer die speisende Gleichspannung sperrenden Diode parallel geschaltet. Der Zündimpuls für den Thyristor gegenüber dem Öffnungsimpuls für den Transistor ist mittels einer Verzögerungsschaltng um mindestens die Durchschaltzeit des Transistors verspätet. Sowohl dem Thyristor als auch dem Transistor ist je ein ohmscher Widerstand parallel geschaltet und die Widerstandswerte der parallelen Widerstände sind im Verhältnis der entsprechenden zulässigen Sperrspannungen des Thyristors bzw. Transistors dimensioniert.

Bei einem ferner bekannten Kleinstantrieb mit Elektronikmotor (Dohrmann, F. und Liska, M.: "Kleinstantriebe mit Elektronikmotoren", ETZ-B, Bd. 24, (1972), H 12, Seiten 295 bis 298) ist ein zweipolig magnetisierter Dauermagnetläufer vorgesehen. Die viersträngige Ständerwicklung, deren Ausgänge in einem Sternpunkt verbunden sind, wird durch eine vierpulsige Kommutator-Endstufe in zyklischer Folge geschaltet. Während einer Läuferumdrehung ist jeder Wicklungsstrang einmal über 90° stromführend.

In Abhängigkeit von der Stellung des Dauermagnetläufers liefern die Hall-Generatoren Spannungen wechselnder Polarität und Höhe. Die Spannungen werden verstärkt und in der Steuerschaltung des Kommutators zur Festlegung der optimalen Kommutierungswinkel weiter verarbeitet. Durch die Verknüpfung der Hall-Spannungen in der Steuerschaltung des Kommutators wird die Drehrichtung des Motors festgelegt.

Um die Drehzahl zu verändern, wird dem Motor ein Strom unterschiedlicher Höhe eingeprägt. Da die in den nicht- stromführenden Wicklungen induzierten Spannungen drehzahlproportional sind, kann aus diesen Spannungen der Istwert für die Drehzahlregelung abgeleitet werden. Ein zusätzlicher Drehzahlgeber ist nicht erforderlich. Reglerstufe ist ein Transistor, der bei Antrieben mit einem Nennmoment von weniger als 1 Ncm kontinuierlich gesteuert wird. Um auch bei Antrieben mit größeren Leistungen einen möglichst gleichbleibenden guten Gesamtwirkungsgrad über den gesamten Drehzahlbereich zu erhalten, ist die Reglerstufe getaktet ausgeführt. Zur Erzeugung des eingeprägten Stromes werden eine Glättungsdrossel und eine Nebenwegdiode verwendet.

Es ist weiterhin eine Transistorsteuerung als Motorsteuerung bekannt (Foch u. a.: "Transistorsteuerung mit 9-kW-Ausgangsleistung", ETZ-B, Bd. 29 (1977), H. 19, Seiten 637 bis 639), bei der der Basisstrom an den gerade fließenden Kollektorstrom angepaßt wird. Hiernach bestimmt die Basissteuerung des Hochvolt-Schalttransistors die Betriebssicherheit der Gesamtschaltung der Motorsteuerung, wobei zur optimalen Basisansteuerung folgende Anforderungen an die Treiberschaltung des Hochvolt-Schalttransistors erfüllt werden:

Beim periodischen Einschalten steigt der Basisstrom schnell an und weist eventuell einen Überschwinger von einigen µs- Dauer auf, so daß der Leistungstransistor schnell und verlustarm geschaltet wird.

Bei stark variabler Last wird der Basisstrom ständig an den gerade fließenden Kollektorstrom angepaßt, wodurch bei hohen Kollektorströmen der Transistor gesättigt wird, bei niedrigen Kollektorströmen aber keine Übersättigung auftritt und die Speicherzeit des Kollektorstroms stets klein bleibt.

Zum periodischen Ausschalten läßt die Treiberstufe den Übergang des Basisstroms von positiven zu negativen Werten hin kontrolliert erfolgen, womit ein gleichzeitiges Sperren der Kollektor-Basis und der Basis-Emitter-Sperrschicht und damit eine geringe Fallzeit des Kollektorstromes erreicht werden.

Die Basis-Emitter-Strecke ist bei ausgeschaltetem Transistor in Sperrichtung polarisiert, wodurch eine große Sicherheit gegen hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors sowie eine große Sicherheit gegen parasitäre Störimpulse an der Transistorbasis gewährleistet sind.

Herkömmlich ist weiterhin bei Bandantrieben für Audio- oder Videokassetten-Rekorder zur Steuerung der Umdrehungsgeschwindigkeit eines Gleichstrommotores ein Antriebstransistor einzusetzen, um dem Gleichstrommotor eine gesteuerte Spannung einer Gleichspannungsquelle zuzuführen. Der Antriebstransistor steuert die elektrische Leistung zum Gleichstrommotor durch Änderung des Spannungsabfalls zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen. In diesem Fall entspricht die von der Gleichspannungsquelle gelieferte Leistung der Summe der effektiven Leistung in dem Gleichsstrommotor und des Leistungsverlustes (Kollektorverlust) des Antriebstransistors. Der Leistungsverlust des Antriebstransistors ist im allgemeinen größer als die effektive Leistung in dem Gleichsstrommotor.

Der Leistungswirkungsgrad, der als ein prozentuales Verhältnis der an den Gleichstrommotor gelieferten effektiven Leistung zu der von der Gleichspannungsquelle gelieferten Gesamtleistung definiert wird, ist daher relativ klein. Insbesondere wird der Leistungswirkungsgrad bei einem Steuersystem für einen Gleichstrommotor, der einen großen Bereich von Ausgangs-Umdrehungsgeschwindigkeiten oder -Drehmomenten aufweist, der Leistungswirkungsgrad bei einer kleinen Geschwindigkeit oder einem kleinen Drehmoment bemerkenswert klein. Beispielsweise muß sich ein Bandantriebsmotor für einen Audio- oder Videokassetten-Bandrekorder in einem großen Bereich der Umdrehungsgeschwindigkeit von einer kleinen Geschwindigkeit im Spielbetrieb bis zu einer hohen Geschwindigkeit im Cue-Betrieb drehen. Der Leistungswirkungsgrad beträgt im Spielbetrieb etwa 20%.

Aus der US-PS 43 59 674 bzw. der DE 30 06 707 A1 geht schließlich ein Steuersystem für einen Gleichstrommotor hervor, das einen Gleichspannungswandler aufweist, um den Leistungswirkungsgrad zu verbessern. Wenn ein derartiges Steuersystem für einen Gleichstrommotor verwendet wird, um die Umdrehungsgeschwindigkeit zu steuern, ist der Strom zu den mehrphasigen Spulen in der Start- oder Beschleunigungsperiode groß genug, um den Gleichstrommotor schnell zu beschleunigen. Der Strom zu den mehrphasigen Spulen wird aber in der gesteuerten Periode entsprechend einem kleinen Lastmoment klein. Beispielsweise beträgt der Strom zu den mehrphasigen Spulen bei der Startperiode 2 A und in der gesteuerten oder geregelten Periode 250 mA.

Der Gleichsspannungswandler liefert den oben genannten Strom durch einen Schalttransistor an die mehrphasigen Spulen. Der Basisstrom des Schalttransistors muß daher für den Strom von 2 A bei der Startperiode groß genug sein.

Angenommen, daß die Stromverstärkung h_FE des Schalttransistors 50 ist und daß der Übersteuerungsfaktor des Schalttransistors 2 ist, beträgt der erforderliche Basisstrom des Schalttransistors wenigstens (2 A/50) × 2 = 80 mA bei der Startperiode. Der Übersteuerungsfaktor ist als das Verhältnis des tatsächlichen Basisstromes des Schalttransistors zu dem minimalen Basisstrom I_c/h_FE, der für den Fluß des Kollektorstromes I_c erforderlich ist, definiert. Andererseits beträgt der erforderliche Basisstrom des Schalttransistors in der gesteuerten Periode entsprechend dem Strom von 250 mA lediglich (250 mA/50) × 2 = 10 mA.

Der überschüssige Basisstrom, 80 mA - 10 mA = 70 mA, bewirkt daher einen Leistungsverlust, der den Leistungswirkungsgrad verringert. Angenommen, daß die Spannung der Gleichspannungsquelle und die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers jeweils 20 V und 7 V betragen, beträgt der Leistungsverlust etwa 20 V × 70 mA × 0,35 = 0,49 W, wobei 0,34 das Einschalt- Zeitverhältnis des Schalttransistors ist, das als das Verhältnis der Einschaltzeit zu einer Zykluszeit definiert ist.

Die an den Gleichstrommotor gelieferte Leistung beträgt 7 V × 250 mA = 1,75 W; der Leistungsverlust von 0,49 W des überschüssigen Basisstromes ist daher gleich 28% der effektiven Leistung von 1,75 W. Da der Gleichstrommotor sich gewöhnlich mit der gesteuerten Umdrehungsgeschwindigkeit dreht, muß der obige Leistungsverlust zur Verbesserung des Leistungswirkungsgrades verringert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuersystem für einen Gleichstrommotor gemäß der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, das einen reduzierten Leistungsverlust des Gleichspannungswandlers bei einem großen Bereich einer Ausgangsumdrehungsgeschwindigkeit oder eines Ausgangsdrehmomentes des Gleichstrommotors gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch

- einen eine dreieckförmige Spannung p erzeugende Oszillator und einen Vergleicher als Einrichtung in der Schaltsteuereinheit, wobei der Vergleicher die Spannung p mit der Ausgangsspannung q des Differenzverstärkers vergleicht und ein Ausgangssignal w mit einem ersten und einem zweiten Pegel bildet,
- eine Stromliefereinrichtung mit einem ersten Stromspiegelverstärker zur Erzeugung eines Stromes I₁₃, der proportional dem vom Stromdetektor erfaßten Strom I_a ist,
- einen Stromverstärker im Gleichspannungswandler zur Lieferung eines Basis-Stromimpulses an den Schalttransistor, wenn das Ausgangssignal W des Vergleichers dem ersten Pegel entspricht und wobei der Basis-Stromimpuls eine Größe aufweist, die proportional dem Strom I₁₃ der Stromliefereinrichtung ist, und
- eine Entladeeinrichtung im Gleichspannungswandler mit einem zweiten Stromspiegelverstärker zur schnellen Entladung der Basis-Emitter-Ladung des Schalttransistors zur Ausschaltzeit des Schalttransistors, wobei der Eingangstransistor des Stromspiegelverstärkers in Abhängigkeit der Schaltsteuereinheit leitend wird, wenn das Ausgangssignal des Vergleichers dem zweiten Pegel entspricht, und der Ausgangstransistor des Stromspiegelverstärkers einen Kurzschlußkreis zwischen der Basis und dem Emitter des Schalttransistors bildet.

Vorzugsweise weist der Verteiler einer Mehrzahl von Ausgangstransistoren auf, wobei die Stromliefereinrichtung an den Verteiler einen weiteren Strom liefert, der proportional dem vom Stromdetektor erfaßten Strom I_a ist, so daß der Basisstrom des Ausgangstransistors zur Einschaltperiode sich entsprechend dem Strom zu den mehrphasigen Spulen ändert.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Steuersystems für einen Gleichstrommotor werden nun anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen sind:

Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform des Steuersystems für einen Gleichstrommotor,

Fig. 2a bis 2h Wellenformen zur Erläuterung des Betriebes der Ausführungsform der Fig. 1, und

Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des Steuersystems für einen Gleichstrommotor, das für einen bürstenlosen Gleichstrommotor geeignet ist.

Bei der ersten Ausführungsform des Steuersystems für einen Gleichstrommotor gemäß Fig. 1 erzeugt ein Gleichspannungsschaltwandler 12, der mit einer Gleichspannungsquelle 11 verbunden ist, aus der Spannung V_S (V_S = 20 V) der Gleichspannungsquelle 11 entsprechend dem Einschalt-Zeitverhältnis eines Schalttransistors 21 eine andere Spannung V_M. Ein Verteiler 14 verteilt den Ausgangsstrom von dem Gleichspannungswandler 12 an mehrphasige Spulen 15a, 15b und 15c entsprechend der relativen Position zwischen den mehrphasigen Spulen und einem Permanentmagneten 16. Der Permanentmagnet 16 weist eine Mehrzahl von Nord- und Südpolen auf. Die mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c sind in dem magnetischen Feld des Permanentmagneten 16 angeordnet. Die Wechselwirkung zwischen den Strömen durch die mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c und dem magnetischen Feld des Permanentmagneten 16 erzeugt daher eine Kraft, durch die ein Rotor eines Gleichstrommotors ununterbrochen antreibbar ist. Bei dem Rotor des Gleichsstrommotors handelt es sich um die mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c, die auf einem Ankereisen bzw. einem Ankerkern angeordnet sind, wenn der Verteiler 14 ein mechanischer Kommutator ist. Der Rotor des Gleichstrommotors ist der Permanentmagnet 16, wenn der Verteiler 14 ein elektronischer Kommutator ist, der einen Positionsdetektor und Halbleiterschalter aufweist. Der Gleichstrommotor umfaßt die mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c und den Permanentmagneten 16.

Der Strom I_a zu den mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c wird durch den Spannungsabfall V₁ an dem Widerstand 51 eines Stromdetektors 17 nachgewiesen. Wenn man einen konstanten Strom I₁₀ (I₁₀ = 0,5 mA) vernachlässigt, der viel kleiner als I_a ist, gilt:

V₁ = R₅₁ · I_a (1)

Dabei bezeichnet R₅₁ die Widerstandswerte des Widerstands 51, der gewöhnlich viel kleiner ist als der Widerstandswert der mehrphasigen Spulen. In diesem Fall ist R₅₁ = 0,1 Ω, um den Joulschen Wärmeverlust zu verringern.

Der Ausgang des Stromdetektors 17 ist mit dem invertierenden Anschluß eines Differenzverstärkers 26 einer Schaltsteuereinheit 13 verbunden. Der Ausgang eines Geschwindigkeitsdetektors 25 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 26 verbunden. Der Geschwindigkeitsdetektor 25 erzeugt eine Ausgangsspannung V₂, die der Differenz zwischen der Umdrehungsgeschwindigkeit des Gleichstrommotors und der beabsichtigten Umdrehungsgeschwindigkeit entspricht. Der Differenzverstärker 26 verstärkt die Spannungsdifferenz (V₂-V₁) durch einen vorgegebenen Verstärkungsfaktor. Ein Vergleicher 28 vergleicht die Ausgangsspannung q des Differenzverstärkers 26 mit einem dreieckförmigen Signal p, das etwa 100 kHz aufweist und von einem Oszillator 27 geliefert wird. Das Ausgangssignal w des Vergleichers 28 ist Null oder weist einen niedrigen Pegel auf, wenn q < p. w ist V_S oder weist einen hohen Pegel auf, wenn q < p. Aus diesem Grunde erzeugt der Vergleicher 28 ein PWM-Signal (Signal mit einer modulierten Impulsbreite), dessen Impulsbreite der Differenz (V₂-V₁) entspricht. Das PWM-Signal w der Schaltsteuereinheit 13 bleibt Null, wenn in der Startperiode des Gleichstrommotors ist. Die Beziehungen zwischen den Signalen p, q und w sind in den Fig. 2a und 2b dargestellt.

Eine Stromliefereinrichtung 18 ist mit dem Ausgang V₁ des Stromdetektors 17 verbunden. Eine Konstantstromquelle 53, eine Diode 52, ein Transistor 54 und ein Widerstand 55 erzeugen einen Strom i₁₁, der proportional zum Strom I_a zu den mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c ist. Da der Spannungsabfall an einer Diode 52 gleich oder nahezu gleich der Basis-Emitter-Spannung V_BE eines Transistors 54 ist, ist der Spannungsabfall am Widerstand 55 gleich oder nahezu gleich der Ausgangsspannung V₁ des Stromdetektors 17.

Es gilt daher:

R₅₅ bezeichnet den Widerstandswert des Widerstandes 55 und ist viel größer als R₅₁. Gewöhnlich gilt: R₅₅ ≧ 100 · R₅₁. In diesem Fall beträgt i₁₁ = I_a/1000, wenn R₅₅ = 100 Ω.

Der Strom i₁₁ wird zu dem konstanten Strom I₁₂ = 0,1 mA einer Stromquelle 56 hinzuaddiert und der aufsummierte Strom (i₁₁+I₁₂) wird an den Gleichspannungswandler über einen Stromspiegel von Transistoren 57 und 58 geliefert. Der Ausgangsstrom i₁₃ der Stromliefereinrichtung 18 beträgt daher:

i₁₃ = i₁₁+i₁₂ (3)

Ein Stromverstärker 23 des Gleichspannungswandlers 12 weist einen Stromspiegelkreis auf, der durch Dioden 34 und 35, Transistoren 37 und 38 und Widerstände 36 und 39 gebildet wird. Dieser Kreis verstärkt den Eingangsstrom i₁₃ von der Stromliefereinrichtung 18 und liefert den verstärkten Strom I_B1 an die Basis eines Schalttransistors 21. Da der Spannungsabfall an den Dioden 34 und 35 gleich oder nahezu gleich der Basis-Emitter- Spannung der zusammengesetzten Transistoren (Transistoren 37 und 38) ist, ist der Spannungsabfall am Widerstand 39 gleich oder nahezu gleich dem Spannungsabfall am Widerstand 38. Wenn w = Null ist, gilt:

Dabei bezeichnen R₃₆ und R₃₉ Widerstandswerte der Widerstände 36 und 39. R₃₆/R₃₉ ist bei der Ausführungsform gleich 40. Die Markierung ×10 unter dem Transistor 38 bedeutet, daß die Zellengröße des Transistors 38 zehnmal so groß ist wie die Zellengröße eines gewöhnlichen Transistors oder einer gewöhnlichen Diode (Transistor 37, Diode 34 oder 35). Da die Schaltsteuereinheit 13 einen Transistor 40 des Stromverstärkers 23 so steuert, daß der Strom I_B1 zerhackt wird, handelt es sich bei dem Basisstrom I_B1 des Schalttransistors 21 um einen Stromimpuls, dessen Größe proportional zum Eingangsstrom I₁₃ ist. Dies bedeutet:

Die Wellenform von I_B1 ist in der Fig. 2c dargestellt.

Die Schaltsteuereinheit 13 steuert auch eine Entladeeinrichtung 24. Wenn w = V_S (hoher Pegel) ist, erzeugt die Entladeeinrichtung 24 einen konstanten Strom I_d (etwa 1 mA) am Kollektor eines Transistors 43. Der Strom I_d wird hauptsächlich durch den Widerstandswert eines Widerstandes 45 bestimmt, wenn die Widerstandswerte von Widerständen 41 und 42 gleich sind. Transistoren 46, 48 und Widerstände 47 und 49 bilden einen Stromspiegelverstärker. Die Zellengröße des Transistors 48 ist fünf mal größer als diejenige des Transistors 46. Die Widerstandswerte der Widerstände 47 und 49 betragen jeweils 100 Ω und 20 Ω. Der konstante Strom I_d wird daher fünffach verstärkt und der Ausgangstransistor 48 des Stromspiegelverstärkers stellt einen Kurzschlußkreis zwischen der Basis und dem Emitter des Schalttransistors 21 dar. Der Ausgangsstrom I_B2 der Entladeeinrichtung 24 ist fünf mal I_d, wenn die Basis-Emitter-Ladung des Schalttransistors 21 groß ist. I_B2 fällt aber entsprechend der Abnahme der Basis-Emitter- Ladung ab. Wenn der Ausgang w der Schaltsteuereinheit 13 Null wird (niedriger Pegel), wird der Strom I_d Null und ist der Ausgangsstrom I_B2 der Entladeeinrichtung 24 Null. Die Wellenformen von I_d und I_B2 sind in den Fig. 2d und 2e dargestellt.

Der Stromverstärker 23 und die Entladeeinrichtung 24 arbeiten entsprechend der Ausgangsspannung w der Schaltsteuereinheit 13 komplementär. Der Basisstrom I_B des Schalttransistors 21 beträgt daher:

Es wird daher das Einschalt-Zeitverhältnis des Schalttransistors 21 durch die Schaltsteuereinheit 13 genau gesteuert. Der Kollektorstrom I_c und die Kollektorspannung V_C des Schalttransistors 21 sind in den Fig. 2f und 2g dargestellt.

Ein Filter 22 ändert den Spannungsimpuls V_C des Schalttransistors 21 in die Gleichspannung V_M, die dem Einschalt- Zeitverhältnis des Schalttransistors 21 entspricht. Wenn der Schalttransistor 21 eingeschaltet wird (gesättigt), ist V_C ≈V_S und die Gleichspannungsquelle 11 liefert eine elektrische Leistung an eine Induktivität 32, einen Kondensator 33 und den Verteiler 14. Wenn der Schalttransistor 21 ausgeschaltet wird (gesperrt), schaltet eine Freilaufdiode 31 durch, gilt V_C = -V_D31 (Spannungsabfall an der Diode 31) und wird die in der Induktivität 32 gespeicherte induktive Energie an den Verteiler 14 freigegeben. Der Kondensator 33 vermindert Welligkeiten in der Ausgangsspannung V_M des Gleichspannungswandlers 12. Die Wellenform der Ausgangsspannung V_M ist in der Fig. 2h dargestellt.

Der Gleichspannungswandler 12 ändert daher die Ausgangsspannung V_M entsprechend dem Einschalt-Zeitverhältnis des Schalttransistors 21. Der Schalttransistor 21 kann im eingeschalteten Zustand gehalten werden, wenn eine maximale Ausgangsleistung benötigt wird.

Im folgenden wird der Betrieb dieser Ausführungsform zur Steuerung der Umdrehungsgeschwindigkeit erläutert. Zuerst sind die Ausgangsspannung V_M des Gleichspannungswandlers 12 und der Strom I_a für die mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c Null. Die Ausgangsspannung V₂ des Geschwindigkeitsdetektors 25 ändert sich von 0 V nach 0,2 V, um die Drehung des Gleichstrommotors einzuleiten. Der Differenzverstärker 26 verstärkt die Differenz V₂-V₁ = 0,2 V. Der Ausgang q des Differenzverstärkers 26 ist größer als die dreieckförmige Welle p des Oszillators 27. Der Ausgang w des Vergleichers 28 ist Null. Der Stromverstärker 23 liefert den Basisstrom I_B1, um den Schalttransistor 21 einzuschalten, während die Entladeeinrichtung 24 nicht arbeitet. Da der Gleichspannungswandler 12 die Ausgangsspannung V_M vergrößert, vergrößert sich der Strom I_a zu den mehrphasigen Spulen, bis der Spannungsabfall V₁ des Stromdetektors 17 der Spannung V₂ vergleichbar wird (diese Arbeitsweise wird später ausführlich erläutert werden). Wenn V₁ V₂, d. h. wenn I_a 2A ist, wird der Ausgang q zum Differenzverstärker 26 der dreieckförmigen Welle p des Oszillators vergleichbar und wird der Ausgang w der Schaltsteuereinheit 13 ein PWM-Impuls. Der PWM-Impuls w steuert das Einschalt- Zeitverhältnis des Schalttransistors 21 und daher die Ausgangsspannung V_M des Gleichspannungswandlers 12. Der Stromdetektor 17, die Schaltsteuereinheit 13 und der Gleichspannungswandler 12 bilden daher eine negativere Kopplungsschleife, für die die Ausgangsspannung V₁ des Stromdetektors 17 gleich der Ausgangsspannung V₂ des Geschwindigkeitsdetektors 25 wird. Der Strom I_a zu den mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c ist daher proportional zur Ausgangsspannung V₂ des Geschwindigkeitsdetektors.

Es gilt:

Der Verteiler 14 verteilt den Strom I_a an die mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c entsprechend der relativen Position zwischen dem Permanentmagneten 16 und den mehrphasigen Spulen. Ein ununterbrochenes Drehmoment, das dem Strom I_a proportional ist, wird erzeugt und beschleunigt den Gleichstrommotor.

Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des Gleichstrommotors der beabsichtigten Umdrehungsgeschwindigkeit vergleichbar wird, fällt die Ausgangsspannung V₂ des Geschwindigkeitsdetektors 25 vom Wert 0,2 V ab. Dann dreht sich der Gleichstrommotor mit der beabsichtigten Umdrehungsgeschwindigkeit. Der Strom I_a zu den mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c nimmt entsprechend der Abnahme der Spannung V₂ ab und erreicht einen kleinen Wert (etwa 250 mA) entsprechend dem Lastdrehmoment des Gleichstrommotors.

Da gegenelektromotorische Kräfte in den mehrphasigen Spulen erzeugt werden, die der Umdrehungsgeschwindigkeit proportional sind, entspricht die Ausgangsspannung V_M des Gleichspannungswandlers 12 der Summe der gegenelektromotorischen Kraft und dem durch den Strom I_a in der stromführenden Spule bewirkten Spannungsabfall.

Nachfolgend wird nun die Arbeitsweise zur Verringerung des Leistungsverlustes des Schalttransistors 21 beschrieben. Da der Kollektorstrom I_c des Schalttransistors 21 während der Einschaltzeit gleich oder nahezu gleich dem Strom I_a zu den mehrphasigen Spulen ist, ist während der Start- oder Beschleunigungsperiode I_c=2A. Wird angenommen, daß h_FE des Schalttransistors 50 ist, und daß der Übersteuerungsfaktor 2 ist, beträgt der Basisstrom I_B während der Einschaltzeit wenigstens (2A/50)×2=80 mA. Aus den Gleichungen (2), (3) und (4) ergibt sich mit i₁₁ =2A/1000=2 mA und I₁₂=0,1 mA, daß I_B1=40×2,1= 84 mA ist. Der Schalttransistor 21 kann daher mit dem Basisstrom von 84 mA eingeschaltet (gesättigt) werden.

Wenn der Kollektorstrom I_C des Schalttransistors 21 in der gesteuerten Periode klein (250 mA) wird, beträgt der erforderliche Basisstrom I_B während der Einschaltzeit nur (250 mA/50)×2=10 mA. In diesem Fall ist für i₁₁ =250/1000=0,25 mA und I₁₂ =0,1 mA, i_B1 =40×0,35 =14 mA. Der Schalttransistor 21 kann daher mit dem Basisstrom von 14 mA eingeschaltet sein.

Wird dies mit dem herkömmlichen Fall verglichen, bei dem der konstante Basisstrom von 84 mA an den Schalttransistor 21 geliefert wird, ist der Leistungsverlust bei der Ausführungsform beträchtlich verringert. Die verringerte Leistung beträgt (84-14) mA×20 V×0,35 =0,49 W, wenn das Einschalt-Zeitverhältnis 0,35 beträgt.

Da V_M20 V×0,35=7 V ist, beträgt die Ausgangsleistung des Gleichspannungswandlers 12 7 V×250 mA=1,75 W. Aus diesem Grunde ist der Leistungswirkungsgrad der Ausführungsform beträchtlich verbessert. Da der Schalttransistor 21 im eingeschalteten Zustand gehalten werden kann, ist der Bereich der Ausgangsspannung V_M des Gleichspannungswandlers 12 weit. Die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsform ist daher für einen Gleichstrommotor mit einem weiten Bereich der Ausgangsumdrehungsgeschwindigkeit oder des Ausgangsdrehmomentes geeignet.

Im folgenden wird nun die Arbeitsweise des Schalttransistors 21 zur Zeit der Einschwingperiode am Anfang beschrieben. Da der anfängliche Basisstrom des Schalttransistors 21 nur proportional zum konstanten Strom I₁₂ ist, wenn V_M=0 und I_a=0 gilt, kann der Schalttransistor 21 nicht eingeschaltet (gesättigt) sein. Er arbeitet aber in dem aktiven Bereich als ein Stromverstärker. Es gilt daher: I_B1=40×0,1=4 mA und I_c=50×4=200 mA. Dann wird I_a gleich I_c und V₁ = 0,152×200 mA = 20 mV. Es sind daher i₁₁=20 mA/1000=0,02 mA und i₁₃=0,12 mA. Dann gilt: I_B1=4,8 mA und I_c=240 mA.

Der Stromdetektor 17, die Stromliefereinrichtung 18, der Stromverstärker 23 und der Schalttransistor 21 bilden eine positive Rückkopplungsschleife. Die Ausgangsspannung V_M des Gleichspannungswandlers 12 und der Strom I_a zu den mehrphasigen Spulen vergrößert sich entsprechend der Zunahme des Stromes I_c des Schalttransistors 21. Der Ausgangsstrom i₁₃ der Stromliefereinrichtung 18 nimmt entsprechend der Zunahme des Stromes I_a zu und der Basisstrom i_B1 und der Kollektorstrom I_c des Schalttransistors 21 nehmen entsprechend der Zunahme des Stromes i₁₃ zu. Schließlich wird der Schalttransistor 21 eingeschaltet (gesättigt). Die Einschwingzeit der positiven Rückkopplung ist kleiner als 10 ms, d. h. kurz genug, um keinen Einfluß auf die Beschleunigungscharakteristik des Gleichstrommotors auszuüben. Gewöhnlich beträgt die Beschleunigungszeit etwa 2 s.

Nach diesem Einschalt- bzw. Einschwingvorgang arbeitet der Schalttransistor 21 normal und schaltet entsprechend der Ausgangsspannung w der Schaltsteuereinheit 13 ein oder aus.

Die nächsten Bedingungen sind erforderlich, um den Schalttransistor 21 normal zu betreiben und um den Leistungsverlust zu vermindern, der durch den Basisstrom des Schalttransistors 21 verursacht wird.

Bedingung A

Ein kleiner Strom wird an die Basis des Schalttransistors 21 während der Einschaltzeit immer dann angelegt, wenn der Strom I_a zu den mehrphasigen Spulen Null ist. Wegen des Stromes I₁₂ (0,1 mA) wird der Schalttransistor 21 zum erstenmal aktiv.

Bedingung B

Angenommen, daß die Verstärkung vom Strom I_a zum Strom i₁₃ der Stromliefereinrichtung 18 A₁ (A₁=R₅₁/R₅₅) ist, daß die Verstärkung vom Strom i₁₃ zum Ausgang I_B1 des Stromverstärkers 23 A₂ (A₂=R₃₆/R₃₉) und daß die Stromverstärkung des Schalttransistors 21 A₃ (A₃=h_FE) sind, ist das Produkt A₁×A₂×A₃ nicht kleiner als 1.

Vorzugsweise ist A₁×A₂×A₃ gleich dem Übersteuerungsfaktor 2 des Schalttransistors 21. Da aber die Stromverstärkung A₃ sich in großem Maße ändert, ist zur Aufrechterhaltung der positiven Rückkopplungsschleife normalerweise A₁×A₂×(A₃)min≧1 erforderlich, wobei (A₃)min der minimale Wert der Stromverstärkung A₃ ist.

Im folgenden wird die Wirkung der Entladeeinrichtung 24 zur Verringerung der Speicherzeit des Schalttransistors 21 erläutert. Obwohl der Schalttransistor 21 gemäß der Ausgangsspannung w der Schaltsteuereinheit 13 schaltet, bewirkt die zwischen der Basis und dem Emitter des Schalttransistors 21 gespeicherte Ladung während der Einschaltzeit die Speicherzeit t_s. Der Schalttransistor 21 verbleibt in der Speicherzeit t_s im eingeschalteten Zustand, nachdem der Basisstrom I_B1 Null wird.

Wird angenommen, daß die Entladeeinrichtung 24 in der Ausführungsform der Fig. 1 weggelassen würde, würde die Speicherzeit t_s sehr groß, etwa 5 µs. Dies ist für die Steuerung des Gleichstrommotors bei kleinen Umdrehungsgeschwindigkeiten schädlich, weil das Einschalt-Zeitverhältnis des Schalttransistors 21 nicht unter 5 µs/10 µs=0,5 gesteuert werden kann (10 µs entsprechen einer Zykluszeit). Es muß daher die Schaltfrequenz des Schalttransistors 21 beträchtlich um etwa 1/5 verringert werden. Die Abnahme der Schaltfrequenz verursacht eine Zunahme der Größe der Induktivität 32 und des Kondensators 33 zur Verringerung der Welligkeiten der Ausgangsspannung V_M des Gleichspannungswandlers 12. Dies ist ein großes Handicap, wenn die Ausführungsform der Fig. 1 als ein Steuersystem für einen Bandantriebsmotor in einem tragbaren Audio- und Videokassetten-Bandrekorder verwendet wird.

Der herkömmliche Weg zur Verringerung der Speicherzeit besteht darin, einen Widerstand mit dem Widerstandswert 1 kΩ zwischen die Basis und den Emitter des Schalttransistors 21 zu schalten. Dies ist aber nicht genug, um die Speicherzeit zu verkürzen. Andererseits entlädt die in der Fig. 1 dargestellte Entladeeinrichtung 24 die Basis-Emitter-Ladung schnell durch einen Entladestrom von etwa 5 mA. Außerdem verringert sie die Speicherzeit beträchtlich (etwa 1 µs). Das Einschalt-Zeitverhältnis des Schalttransistors 21 kann daher von 0,1 bis 1 ununterbrochen gesteuert werden, selbst wenn die Schaltfrequenz 100 kHz beträgt. Die Speicherzeit des Transistors 48 der Entladeeinrichtung 24 ist sehr klein, weil die Transistoren 46 und 48 und die Widerstände 47 und 49 den Stromspiegel bilden. Der dynamische Widerstand zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 48 beträgt etwa 150 Ω und die Basis-Emitter-Ladung des Transistors 48 entlädt sich sehr schnell durch den kleinen dynamischen Widerstand.

Da die Entladeeinrichtung 24 und der Stromverstärker 23 komplementär arbeiten, wurde der Stromverstärker 23 von der Entladeeinrichtung 24 nicht beeinflußt. Der Schalttransistor 24 nicht beeinflußt. Der Schalttransistor 21 schaltet entsprechend der Ausgangsspannung w der Schaltsteuereinheit 13 scharf vom Einschaltzustand zum Ausschaltzustand oder vom Ausschaltzustand zum Einschaltzustand. Die Entladeeinrichtung 24 verringert auch die Absink- bzw. Abfallzeit des Schalttransistors 21 und die Abnahme der Abfallzeit verringert einen Leistungsverlust des Schalttransistors 21 bei der Einschwingzeit, der als Schaltverlust bezeichnet wird.

Der Stromdetektor 17, die Stromliefereinrichtung 18, der Stromverstärker 23 und die Entladeeinrichtung 24 sind nur aus Widerständen, Transistoren, Dioden und Stromquellen aufgebaut. Aus diesem Grunde sind diese Blöcke leicht auf einem Siliciumchip durch eine monolithische integrierte Kreistechnik aufbaubar. Dadurch wird der Raum verringert, den der Kreis dieser Ausführungsform in Anspruch nimmt.

Im folgenden wird die zweite Ausführungsform des Steuersystems anhand von Fig. 3 beschrieben, das für einen bürstenlosen Gleichstrommotor geeignet ist, wobei die Gleichspannungsquelle 11, der Gleichspannungswandler 12, die Schaltsteuereinheit 13, die mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c und der Permanentmagnet 16 den jeweiligen in der Fig. 1 gezeigten Teilen entsprechen, so daß die Bezugszeichen dieselben sind und eine entsprechende Erläuterung weggelassen wird.

Ein Verteiler 101 umfaßt Ausgangstransistoren 111, 112 und 113, einen Positionsdetektor 114 zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die der relativen Position zwischen dem Permanentmagneten 16 und den mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c entsprechen, und einen Selektor 115 zur selektiven Aktivierung der Ausgangstransistoren 111, 112 und 113 entsprechend den Ausgangssignalen vom Positionsdetektor 114. In einem bürstenlosen Gleichstrommotor ist der Permanentmagnet 16 an dem Rotor angeordnet, während die mehrphasigen 15a, 15b und 15c an dem Stator angeordnet sind.

Eine Stromliefereinrichtung 102 erzeugt die Ströme i₁₁ und i₂₁, die proportional zum Strom I_a zu den mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c sind. Der Strom i₁₁ ist derselbe wie der der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform und er wird durch die Gleichung (2) berechnet. Für den Strom i₂₁ gilt:

Dabei bedeutet R₁₃₂ den Widerstandswert eines Widerstandes 132. Es sind: R₁₃₂=100 Ω und i₂₁=I_a/1000. Der Strom i₁₁ wird zum Strom I₁₂ der Konstantstromquelle 56 addiert und der aufsummierte Strom wird an den Stromverstärker 23 des Gleichspannungswandlers 12 durch den Stromspiegelkreis (Transistoren 57 und 58) geliefert. Es gilt daher: i₁₂=i₁₁+I₁₂.

Der Strom i₂₁ wird dem Strom I₂₂ (I₂₂=0,1 mA) einer Konstantstromquelle 133 hinzuaddiert. Es gilt:

i₂₃ = i₂₁ + I₂₂ (9)

Der aufsummierte Strom i₂₃ wird an den Selektor 115 des Verteilers 101 über einen Stromverstärker geliefert, der durch Dioden 134 und 135, Transistoren 134 und 138 und Widerständen 136 und 139 gebildet wird. Da die Basis-Emitter-Spannung der zusammengesetzten Transistoren (Transistoren 137 und 138) gleich oder nahezu gleich dem Spannungsabfall an Dioden 134 und 135 ist, ist der Spannungsabfall an einem Widerstand 139 gleich oder nahezu gleich dem Spannungsabfall an einem Widerstand 136. Der Ausgangsstrom i₂₄ des Stromverstärkers ist daher:

Dabei bezeichnen R₁₃₆ und R₁₃₉ jeweils Widerstandswerte der Widerstände 136 und 139. In diesem Fall gilt: R₁₃₆/R₁₃₉=20.

Die Arbeitsweise zur Steuerung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Gleichstrommotors und die Arbeitsweise zur Verringerung des durch den Basisstrom des Schalttransistors 21 verursachten Leistungsverlustes sind dieselben wie diejenigen, der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform. Eine Erläuterung dieser Arbeitsweisen wird daher weggelassen.

Die Ausführungsform der Fig. 3 weist einen weiteren Vorteil der Verringerung eines Leistungsverlustes auf, der durch die Basisströme der Ausgangstransistoren 111, 112 und 113 verursacht wird. Dies wird weiter unten erläutert werden.

Transistoren 121, 122 und 123 des Selektors 115 arbeiten differentiell und verteilen einen gemeinsamen Emitterstrom entsprechend den Ausgangssignalen des Selektors 115 zu den Kollektorströmen. Bei den Kollektorströmen der Transistoren 121, 122 und 123 handelt es sich jeweils um die Basisströme der Ausgangstransistoren 111, 112 und 113. Die Ausgangstransistoren 111, 112 und 113 schalten daher zum Ein-Zustand (gesättigt) zum Aus-Zustand (gesperrt) oder vom Aus-Zustand zum Ein-Zustand und verteilen den Strom I_a an die mehrphasigen Spulen 15a, 15b und 15c entsprechend den Ausgangssignalen des Positionsdetektors 114.

Bei dem gemeinsamen Emitterstrom des Selektors 115 handelt es sich um den von einer Stromliefereinrichtung 102 gelieferten Strom i₂₄.

Wird angenommen, daß der Transistor 121 aktiv bzw. eingeschaltet ist, und daß die restlichen Transistoren 122 und 123 gesperrt sind, ist der Ausgangstransistor 111 durch den Basisstrom i₂₄ eingeschaltet und sind die restlichen Ausgangstransistoren 112 und 113 ausgeschaltet. Wird angenommen, daß die Stromverstärkung des Ausgangstransistors 60 beträgt und daß der Übersteuerungsfaktor 1,2 beträgt, so beträgt der Basisstrom des Ausgangstransistors 111 bei der Start- oder Beschleunigungsperiode des Gleichstrommotors wenigstens (2 A/60)×1,2×40 mA, um die ausgewählte mehrphasige Spule 15a mit dem Strom I_a=2 A zu beliefern. Aus den Gleichungen (8), (9) und (10) und mit i₂₁=2A/1000=2 mA und I₂₂=0,1 mA ergibt sich: i₂₃=2,1 mA und i₂₄=20×2,1 mA=42 mA. Der Ausgangstransistor 111 kann daher bei einem Basisstrom von 42 mA eingeschaltet sein.

Wenn der Strom I_a den Mehrphasenspulen in der gesteuerten Periode klein (250 mA) wird, beträgt der erforderliche Basisstrom des Ausgangstransistors 111 nur (250 mA/60)× 1,2 = 5 mA. in diesem Fall gelten mit i₂₁ = 250/1000 = 0,25 mA und I₂₂ = 0,1 mA : i₂₃ = 0,35 mA und i₂₄ = 29 × 0,35 = 7 mA. Der Ausgangstransistor 111 kann daher bei einem Basisstrom von 7 mA eingeschaltet sein.

Wird dies mit dem herkömmlichen Fall verglichen, in dem der konstante Basisstrom von 42 mA an den Ausgangstransistor angelegt wird, wird der dem Basisstrom entsprechende Leistungsverlust beträchtlich reduziert. Die reduzierte Leistung beträgt: (42-7) mA × 20 V = 0,7 W. Aus diesem Grunde ist der Leistungswirkungsgrad der Ausführungsform weiter verbessert.

Da der anfängliche Basisstrom des ausgewählten Ausgangstransistors nur proportional zum Strom I₂₂ ist, wenn V_M = 0 und I_a = 0 sind, kann der Ausgangstransistor nicht eingeschaltet (gesättigt) sein. Er arbeitet aber in dem aktiven Bereich als ein Stromverstärker. Es gelten daher: i₂₄ = 20 × 0,1 = 2 mA und I_a = 61 × 2 mA = 122 mA. Dann gilt: V₁ = 0,1 Ω × 122 mA = 12,2 mV. Es gelten daher: i₂₁ = 12,2/1000 = 0,0122 mA und i₂₃ = 0,1122 mA. Dann gelten: i₂₄ = 2,244 mA und I_a = 136,884 mA.

Der Stromdetektor 17, die Stromliefereinrichtung 102, der Selektor 115, die Ausgangstransistoren 111, 112 und 113 bilden eine weitere positive Rückkopplungsschleife.

Der Ausgangsstrom i₂₄ der Stromliefereinrichtung 102 vergrößert sich entsprechend der Zunahme des Stromes I_a und der Strom I_a vergrößert sich entsprechend der Zunahme des Ausgangsstroms I₂₄ der Stromliefereinrichtung 102.

Schließlich wird der ausgewählte Ausgangstransistor eingeschaltet (gesättigt). Die Einschwingzeit der positiven Rückkopplungsschleife ist sehr kurz, weil keine Zeitverzögerungselemente in der positiven Rückkopplungsschleife angeordnet sind. Daher übt sie keinen Einfluß auf die Beschleunigungscharakteristik des Gleichstrommotors aus. Nach diesem Einschwingvorgang arbeitet der ausgewählte Ausgangstransistor normal und die Ausgangstransistoren 111, 112 und 113 schalten entsprechend den Ausgangssignalen des Positionsdetektors 114 vom Ein- Zustand zum Aus-Zustand oder vom Aus-Zustand zum Ein- Zustand.

Die nächsten Bedingungen sind erforderlich, um die Ausgangstransistoren normal zu betreiben und um den durch die Basisströme der Ausgangstransistoren bewirkten Leistungsverlust zu verringern.
Bed. C:
Ein kleiner Strom wird an die Basis des ausgewählten Ausgangstransistors immer dann geliefert, wenn der Strom I_a zu den mehrphasigen Spulen Null ist. Wegen des Stromes I₂₂ (0,1 mA) wird der ausgewählte Ausgangstransistor zum ersten mal aktiv.
Bed. D:
Wird angenommen, daß die Verstärkung vom Strom I_a zum Ausgangsstrom i₂₄ der Stromliefereinrichtung 102

beträgt, und daß die Stromverstärkungen der Ausgangstransistoren gleich D₂ (D₂ = h_FE) sind, ist das Produkt D₁×D₂ nicht kleiner als 1. Vorzugsweise ist D₁×D₂ gleich dem Übersteuerungsfaktor 1,2 der Ausgangstransistoren. Da aber die Stromverstärkung D₂ stark variiert, ist eine Verstärkung D₁(D₂)min ≧ 1 erforderlich, um die positive Rückkopplungsschleife normal zu halten, wobei (D₂)min der minimale Wert der Stromverstärkung D₂ ist.

Der Stromdetektor 17 weist die Emitterströme der Ausgangstransistoren 111, 112 und 113 in der Ausführungsform der Fig. 3 nach. In diesem Fall sind die Basisströme der Ausgangstransistoren in dem Strom I_a enthalten, weshalb die zusätzliche Bedingung erforderlich ist, um den durch die Basisströme verursachten Fehler zu verringern.
Bed. E.
Da die Verstärkung von dem Strom I_a zu dem Basisstrom des ausgewählten Ausgangstransistors D₁ beträgt, ist D₁ viel kleiner als 1, gewöhnlich gilt: D₁ ≦ 1/10. In dem Fall der Ausgangsform der Fig. 3 gilt: D₁ = 20/1000 = 1/50.

Die Ausführungsform der Fig. 3 weist, abgesehen von der Steuerschleife für die Umdrehungsgeschwindigkeit, zwei positive Rückkopplungsschleifen und eine negative Rückkopplungsschleife auf. Da die zwei positiven Rückkopplungsschleifen sofort arbeiten, schalten der Schalttransistor 21 und der Ausgangstransistor 111, 112 oder 113 nach der kurzen Einschwingzeit entweder in den Ein- oder Auszustand. Die beiden positiven Rückkopplungsschleifen haben daher nach der oben genannten Einschwingzeit keinen Einfluß auf die negative Rückkopplungsschleife und die Umdrehungsgeschwindigkeit des Gleichstrommotors wird genau gesteuert.

Das Steuersystem für einen Gleichstrom- Drehmotor oder einen Gleichstrom-Linearmotor weist daher einen hohen Leistungswirkungsgrad auf, der vor allem für einen tragbaren Audio- oder Videokassetten-Bandrekorder geeignet ist.

Auch wenn Ausführungsformen des Steuersystems für einen Gleichstrommotor mit 3-Phasen-Spulen beschrieben worden ist, kann das Steuersystem auch für einen Gleichstrommotor mit beliebigen Phasen der Spulen angewendet werden.

Außerdem ist der Verteiler durch die obigen Ausführungsformen nicht beschränkt. Beispielsweise ist der in der Fig. 6 der US-PS 43 59 674 gezeigte Verteiler verwendbar, um einen Strom an mehrphasige Spulen der in den Fig. 1 oder 3 dargestellten Ausführungsformen zu verteilen. Weiterhin kann das Steuersystem auch im Zusammenhang mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor angewendet werden, um einen Strom in zwei Richtungen an vielphasige Spulen (beispielsweise die elektronische Steuereinrichtung der US-PS 40 35 700) zu liefern.

Claims

1. Steuersystem für einen Gleichstrommotor mit einem Permanentmagneten (16), der eine Mehrzahl von Nord- und Südpolen aufweist, und mit mehrphasigen Spulen (15a, 15b, 15c), die in dem magnetischen Feld des Permanentmagneten (16) vorgesehen sind, so daß durch die Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Fluß des Permanentmagneten (16) und einem Strom Ia zu den mehrphasigen Spulen (15a, 15b, 15c) eine Kraft erzeugt wird, mit einer eine elektrische Leistung liefernden Gleichspannungsquelle (11),
mit einem Gleichspannungswandler (12) mit einem Schalttransistor (21) zum Zerhacken der Spannung der Gleichspannungsquelle (11) und einem Filter (22) zum Glätten der Ausgangsspannung des Schalttransistors (21),
mit einem Verteiler (14, 101) zum Verteilen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (12) an die mehrphasigen Spulen (15a, 15b, 15c) entsprechend der relativen Position zwischen dem Permanentmagneten (16) und den mehrphasigen Spulen (15a, 15b, 15c),
mit einem Stromdetektor (17) zum Ermitteln des Stromes I_a zu den mehrphasigen Spulen (15a, 15b, 15c),
mit einer Schaltsteuereinheit (13) mit einem Geschwindigkeitsdetektor (25) zur Ermittlung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Gleichstrommotors, einem Differenzverstärker (26) zur Verstärkung der Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Geschwindigkeitsdetektors (25) und der Ausgangsspannung des Stromdetektors (17) und mit einer Einrichtung (27, 28), die das Ein- und Ausschaltzeitverhältns des Schalttransistors (21) entsprechend der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers (26) steuert, gekennzeichnet durch

- einen eine dreieckförmige Spannung p erzeugenden Oszillator (27) und einen Vergleicher (28) als Einrichtung (27, 28) in der Schaltsteuereinheit (13), wobei der Vergleicher (28) die Spannung p mit der Ausgangsspannung q des Differenzverstärkers (26) vergleicht und ein Ausgangssignal w mit einem ersten und einem zweiten Pegel bildet,
- eine Stromliefereinrichtung (18, 102) mit einem ersten Stromspiegelverstärker (57, 58) zur Erzeugung eines Stromes i₁₃, der proportional dem vom Stromdetektor (17) erfaßten Strom I_a ist,
- einen Stromverstärker (23) im Gleichspannungswandler (12) zur Lieferung eines Basis-Stromimpulses an den Schalttransistor (21), wenn das Ausgangssignal w des Vergleichers (28) dem ersten Pegel entspricht und wobei der Basis-Stromimpuls eine Größe aufweist, die proportional dem Strom i₁₃ der Stromliefereinrichtung (18, 102) ist, und
- eine Entladeeinrichtung (24) im Gleichspannungswandler (12) mit einem zweiten Stromspiegelverstärker (46, 48) zur schnellen Entladung der Basis-Emitter-Ladung des Schalttransistors (21) zur Ausschaltzeit des Schalttransistors (21), wobei der Eingangstransistor (46) des Stromspiegelverstärkers (46, 48) in Abhängigkeit der Schaltsteuereinheit (13) leitend wird, wenn das Ausgangssignal w des Vergleichers (28) dem zweiten Pegel entspricht, und der Ausgangstransistor (48) des Stromspiegelverstärkers (46, 48) einen Kurzschlußkreis zwischen der Basis und dem Emitter des Schalttransistors bildet.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler (14) eine Mehrzahl von Ausgangstransistoren (111, 112, 113) aufweist und daß die Stromliefereinrichtung (102) an den Verteiler (101) einen weiteren Strom liefert, der proportional dem vom Stromdetektor (17) erfaßten Strom I_a ist, so daß der Basisstrom des Ausgangstransistors (111, 112, 113) zur Einschaltperiode sich entsprechend dem Strom zu den mehrphasigen Spulen (15a, 15b, 15c) ändert.