-
-
Überwachungseinrichtung insbesondere für
-
einen Kollektorlosen Gleichstrommotor Die Erfindung betrifft eine
Überwachungseinrichtung, insbesondere für einen Kollektorlosen Gleichstrommotor,
welcher wenigstens eine einphasige Motorwicklung enthält, der über Schalter eine
H-Brückenschaltung Strom wechselnder Polarität zugeführt wird.
-
Solche Überwachungseinrichtungen sind insbesondere bei Stellantrieben
bekannt.
-
Neuartige Anwendungsbereiche solcher Motoren ergeben sich in der Luftfahrt
und hier vor allem in Flugzeugen bei Antrieben zur Strömungsregelung. Diese Anwendungen
erfordern eine hohe Zuverlässigkeit, die allein durch die bisher bekannten Überwachungseinrichtungen
nicht gegeben war.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist daher in der Schaffung eines Überwachungsystems
zu sehen, das die geforderte hohe Zuverlässigkeit, bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor
gewährl ei stet.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß wenigstens ein den Strom durch
die Wicklung sensierender Stromsensor und eine Schaltung vorgesehen ist, die bei
stillstehendem Rotor Ansteuersignale erzeugt, die ein Schließen der Schalter entsprechend
dem Schalterschema bewirken, so, daß Ströme unterschiedlicher Polarität durch die
Wicklung flieBen.
-
Diese Lösung zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß schon vor der
Inbetriebnahme des Motors durch Simulati on der Kommuti erungssi gnal e und Sensieren
der dadurch verursachten Spulenströme dessen Funktionsfähigkeit festgestellt werden
kann.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, den Motor
mit einer Bremse oder Feststellvorrichtung zu versehen, die eine unzulässige Bewegung
der Motorwelle bei einem von außen einwirkenden Moment unterbindet.
-
Insbesondere bei Stellantrieben ohne Selbsthemmung ist eine Feststellvorrichtung
zur Vermeidung einer Stellbei wegung nötig.
-
Durch diese Feststellvorrichtung wird auch während der Testphase eine
Drehung des Motors verhindert.
-
Eine Ergänzung der Erfindung stellt Anspruch 3 dar, in welchem Mittel
zur Messung eines Summen- oder Kurzschlußstroms beschrieben sind. Sollten einer
oder mehrere Schalter im geschlossenen Zustand verharren, würde dies zu einem kontinuierlichen
Fließen eines hohen Kurzschlußstroms und damit zu einer Zerstörung von Teilen der
Ansteuerschaltung führen. Mit einem Stromsensor der den Summenstrom mißt, kann festgestellt
werden, ob ein
Maximalstrom überschritten wird. Ein Überschreiten
bewirkt eine Unterbrechung der Stromzufuhr und erzeugt wie auch bei nicht ordnungsgemäßer
Funktion der Ansteuerschaltung ein Fehlersignal.
-
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung wird durch den Anspruch
4 beschrieben, in welchem eine dreiphasiger Motor, der durch eine H-Brückenschaltung
mit drei Brückenzweigen und sechs Schalttransistoren angesteuert wird, beschrieben
wird. Dabei wird jede Wicklung mit je einem Stromsensor überwacht, gleichzeitig
kann auch der Summenstrom sensiert werden.
-
Die Überwachungsschaltung enthält zur Aktivierung der Ansteuerschaltung
bevorzugt einen Zähler, dessen Impulse die Schalttransistoren zuordnungsrichtig
ansteuern.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
-
Es zeigen Fig. 1 Die Ansteuerschaltung für einen dreiphasigen Motor,
Fig. 2 die Überwachungseinrichtung, Fig. 3a, b die Spulströme und das Impulsdiagramm
der Überwachungseinrichtung bei ordnungsgemäß funktionierender Ansteuerschaltung,
Fig. 4a, b und Fig. 5a, b die die Spulenströme und das Impulsdiagramm der überwachungseinrichtung
bei fehlerhafter Ansteuerschaltung.
-
Die Ansteuerschaltung in Fig. 1 zeigt drei Motorwicklungen 7, 8, 9,
die ausgangsseitig miteinander verbunden sind und eingangsseitig an jeweils einer
aus zwei Schalttransistoren 1-6 aufgebauten Schaltstufe angekoppelt sind.
-
Die Ströme in den Wicklungen werden durch drei Stromsensoren 10,11,12
getrennt erfaßt, ebenso wird der Summenstrom mit dem Sensor 13 bestimmt.
-
Die Rotorwicklungen 7,8,9 werden in folgender Reihenfolge an die Stromquelle
angeschlossen; I. durch Schließen der Schalttransistoren 1 und 4 die Wicklungen
7 und 8, dabei wird der Strom mit dem Sensor 10 und/oder 11 sensiert. Gleichzeitig
kann mit dem Summenstromsensor ein unzulässiger Kurzschluß der Schalttransistoren
2 und 3 festgestellt werden. Liegt ein Kurzschluß hier vor, dann wird der Wicklungsstrom
gegen Null gehen.
-
II. Durch Schließen der Schalttransistoren 3 und 6 die Wicklungen
8 und 9. Dabei wird der Strom mit dem Sensor 11 und/oder 12 sensiert und die Schalttransistoren
4 und 5 auf Kurzschluß überprüft.
-
III. Durch Schließen der Schalttransistoren 2 und 5 die Wicklungen
7 und 9. Dabei wird der Strom mit dem Sensor 10 und/oder 12 sensiert und die Schalttransistoren
1 und 6 auf Kurzschluß überprüft.
-
Es werden also alle Schalttransistoren auf ihre Funktionsfähigkeit
mittels der vier Stromsensoren 10 und 13 überprüft, wobei zur Vereinfachung auch
einer der Stromsensoren 10, 11, 12 nicht unbedingt erforderlich ist, da der Meßstrom
immer zwei Motorwicklungen beaufschlagt.
-
Die Ansteuerung der Schalttransistoren ist hier nicht dargestellt
und erfolgt beispielsweise mittels elektronischer Kommuntierungssensoren, deren
Signale über eine Logik Verknüpfungssignale bilden.
-
Der Test der Ansteuerschaltung, wie in den Pkt. I - III dargestellt,
läuft während eines Motorstillstandes ab und soll dazu dienen, diesen Teil des Motors
auf Funktion zu überprüfen.
-
Der Motor wird eingesetzt bei Stellantrieben, beispielsweise Stabil
i sierungskl appen bei Flugzeugen, und enthält zum Halten des von außen angreifenden
Moments eine Bremse bzw. Arretiervorrichtung.
-
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Test insbesondere während
der Startphase des Motors durchzuführen. Mit dem Start wird ein Signal zum Lösen
der Bremse erzeugt, während des Lösens ergibt sich eine kurze Zeitspanne, in welcher
sich der Motor noch nicht dreht und damit der Test durchführbar ist. Eine Gesamttestzeit
von 2ms ist ausreichend und liegt noch innerhalb der Anfangsphase des Lösens der
Bremse.
-
Die Schaltung mit welcher der Test vorgenommen wird, die sogenannte
Uberwachungseinrichtung, zeigt Fig. 2 und wird üblicherweise als BITE (Build In
Test Equipment) bezeichnet.
-
Die Signale der Stromsensoren 10-13 gelangen zu den invertierenden
Eingängen der Komparatoren 14-17, deren nichtinvertierende Eingänge mit einer Referenzspannung
verbunden sind.
-
Die Ausgänge der Komparatoren 14, 15, 16 sind erstens auf drei NOR-Gatter
20, 21, 22 und auf ein AND-Gatter 23 geschaltet, wobei die Ausgänge der NOR-Gatter
auf ein OR-Gater 24 geschaltet sind, dessen Ausgangssignal ein Taktsignal für den
Zähler 18 darstellt. Drei Zählerausgänge ZO-Z2 schalten indirekt über AND-Gatter
36, 37, 38 und eine Ansteuerlogik (Verknüpfungsschaltung), die Schalttransistoren
1-6 paarweise wie oben erläutert an.
-
Eine Synchronisationsschaltung 18 bildet aus einem Start-und einem
Taktsignal eine BITE-Zeit, in der der Testablauf beendet sein muß. Das BITE-Zeitsignal
wird über die Signalleitung 40 dem NOR-Gatter 29 und dem NAND-Gatter 32 zugeführt.
-
Die Ausgangssignale der Komparatoren 14,15,16 werden außerdem einem
AND-Gatter 23 zugeführt, dessen Ausgangssignal einem Flip-Flop 25 aufgeschaltet
wird. Durch dieses Flip-Flop 25 wird erreicht, daß der Zähler 28 über den Eingang
CE jeweils gesperrt ist, bis ein vorgegebener Schwellwert unterschritten ist.
-
Ebenso wird der Zähler 28 gesperrt, wenn ein Signal am Zählerausgang
Z3 ansteht. Der Sensor 13, der einen Summenstrom sensiert, erzeugt mittels des Komparators
17 bei einem Überschreiten des Summenstroms über einen Grenzwert ein Überstromsignal,
das mit einem Signal SD, das einen Überstrom in einer der Phasen 1-3 anzeigt, OR-verknüpft
(26) einem Flip-Flop 35 zugeführt wird, dessen Ausgangssignal über ein NOR-Gatter
34 eine sofortige Unterbrechung des Ansteuersignals bewirkt.
-
Die Überwachungseinrichtung wird im folgenden anhand der Fig. 3,4
und 5 näher erläutert.
-
Mit einem Startimpuls an die Synchronisationsschaltung 18 wird die
Bremse zum Lösen aktiviert, und mit dem Taktsignal, das ebenfalls der Synchronisationsschaltung
18 zugeführt wird, ein BITE-Zeit-Impuls auf Signalleitung 40 ausgegeben. Dieser
Impuls aktiviert die Ansteuerung der Schalttransistoren 1 und 4, da der Ausgang
Z0 des Zählers 28 einen H-Pegel aufweist. Wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist, werden
in den Phasen 1 und 2 Ströme erzeugt, die mit den Stromsensoren 10 und 11 sensiert
werden, und die über die Komparatoren 14, 15 bei Überschreiten einer bestimmten
Schwellenspannung Signale I1, I2 erzeugen.
-
Diese Signale gelangen über das NOR-Gatter 20 und über das OR-Gatter
24 zum Takteingang des Zählers 28, der daraufhin um 1 wei-ter geschaltet wird und
nun dessen Ausgang Z1 einen H-Pegel aufweist. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal
des OR-Gatters 24 auf den Set-Eingang des Flip-Flops 25 geführt, wodurch über das
OR-Gatter 27 ein Weiterschalten des Zählers 28 verhindert wird. Außerdem erfolgt
über den Q-Ausgang des Flip-Flops 25 und über die Gatter 32, 33, 34 ein Sperren
der Ausgänge ZO, Z1, Z2 des Zählers 28 und damit ein Sperren der Ansteuerlogik 39.
Dadurch verringern sich die Ströme in den Phasen 1 und 2. Nach Unterschreiten einer
bestimmten Schwelle gehen die Ausgangssignale der Komparatoren 14, 15, 16 in die
Ausgangslage zurück, das AND-Gatter 23 erzeugt ein Ausgangssignal'das auf den Reset-Eingang
des Flip-Flops 25 geführt wird, das damit den Zähler 28 freigibt und die Sperre
der Ausgänge ZO, Z1, Z2 aufhebt. Dadurch bedingt werden die Schalttransistoren 3
und 6 angesteuert, ein in den Phasen 2 und 3 fließender Strom mittels den Stromsensoren
11 und 12 sensiert. Auch hier werden wieder Signale I2, I3 gebildet, die den Zähler
28 auf Z2 weiterschalten. Wie oben beschrieben, wird ein Weiterschalten des Zählers
28 verhindert und dessen Ausgänge gesperrt, wodurch die Ströme in den Phasen 2 und
3
abnehmen. Nach Unterschreiten der bestimmten Schwelle wird wiederum
der Zähler 28 freigegeben und die Sperre der Ausgänge ZO, Z1, Z2 aufgehoben. Nach
Ansteuern der Schalttransistoren 2 und 5 und dadurch bedingtes Weiterschalten des
Zählers, d. h. Sensieren der Wicklungsströme in den Phasen 1 und 3 und Erzeugen
von Signalen I1, I3, blockiert das H-Pegel-Signal Z3 über das OR-Gatter 27 den Zähler
28. Nach Ablauf der BITE-Zeit wird über die AND-Verknüpfung des H-Pegels des Zählerausganges
Z3 und des Signals BITE-Zeit-Signal mit dem Gatter 31 ein Frei -gabe-Signal erzeugt,
das ein ordnungsgemäßes Funktionieren der Ansteuerschaltung bzw. der Schalttransistoren
anzeigt. Außerdem wird mit dem Freigabe-Signal die Kommutierungsschaltung aktiviert,
der Motor läuft an.
-
Der gesamte Testlauf wird in einer Zeit von ca. 2ms durchgeführt.
Unter der Annahme, daß die Bremse zum Lösen eine Zeit von 20ms benötigt, ist ein
Zeitverlust beim Starten des Motors nicht zu erwarten und damit der Test bei jedem
Startvorgang durchführbar.
-
In Fig. 4 ist der Testverlauf bei einem fehlerhaft geschlossenen Schalttransistor,
d. h. Transistor 5 hat Kurzschluß, dargestellt. Nach Aktivierung des Testvorgangs
durch Starten der BITE-Zeit werden wieder die Schalttransistoren 1 und 4 angesteuert
und erzeugen in den Phasen 1 und 2 Ströme, die mit den Sensoren 10 und 11 erfaßt
werden. Gleichzeitig fließt aber auch durch den Kurzschluß ein Strom in Phase 3,
dieser wird aber noch nicht als fehlerhaft erkannt. Wie in Fig. 3 beschrieben, müssen
zur Freigabe der Ausgangssignale des Zählers 28 die Ströme in den Phasen den Schwellwert
unterschritten haben, d.h., auch der Strom in Phase 3 unterliegt dieser Bedingung.
Erst bei Ansteuern der Schalttransistoren 3 und 6 wird festgestellt, daß in den
Phasen
2 und 3 kein Strom fließt und damit ein Weiterschalten des Zählers 28 aufgrund fehlender
Komparatorausgangssignale verhindert. Durch diese Blockierung wird nach Ablauf der
BITE-Zeit aufgrund eines fehlenden Signals Z3 kein Freigabe-Signal gebildet.
-
Außerdem sensiert der Summenstromsensor 13 einen Kurzschlußstrom,
der über den Komparator 17 ein Signal an den ersten Eingang eines Flip-Flops 35
liefert. Dessen Ausgangssignal unterbricht daraufhin über das NOR-Gatter 34 und
die AND-Gatter 36, 37, 38 die Eingangssignale der Ansteuerlogik 39. Somit wird eine
Zerstörung weiterer Schalttransistoren durch das schnelle Unterbrechen der Ansteuerung
weitgehend vermieden. Nach Ablauf der BITE-Zeit wird ein Fehlersignal erzeugt und
die Bremsenansteuerung aufgehoben.
-
Fig. 5 zeigt den Verlauf des Testvorgangs bei unterbrochenem Schalttransistor
2 oder 5. Das Testprogramm beginnt in der üblichen Weise zu laufen, bis der Zähler
durch einen H-Pegel an Ausgang Z2 die Schalttransistoren 2 und 5 ansteuert. Durch
Unterbrechung eines oder beider Transistoren oder auch durch Unterbrechung der Leitungen
zu den Wicklungen oder der Wicklungen selbst bilden die Stromsensoren keine Signale
zur Fortschaltung des Zählers 28. Damit liegt der Ausgang Z3 des Zählers nach Ablauf
der BITE-Zeit noch auf einem O-Pegel, wodurch das Freigabe-Signal nicht erzeugt
wird. Dieses führt wiederum zum Unterbrechen der Bremsenansteuerung und der Ausgabe
eines Fehlersignals.
-
Mit der beschriebenen Testschaltung können nicht nur die Schalttransistoren
auf Funktionsfähigkeit überprüft werden, sondern, wie auch schon angeführt, Kabelverbindungen
zu den Wicklungen und die Wicklungen selbst. Außerdem lassen sich auch die Stromsensoren,
die Ansteuerlogik und die Treiberstufen auf Fehler untersuchen.
-
Bezugszeichenliste 1 Schalttransistor 2 " 3 " 4 5 " 6 " 7 Motorwicklung
8 9 10 Stromsensor 11 II 12 13 Summenstromsensor 14 Komparator 15 II 16 17 18 Synchronisationsschaltung
19 AND-Gatter 20 NOR-Gatter 21 " " 22 " " 23 AND-Gatter 24 OR-Gatter 25 Flip-Flop
26 OR-Gatter 27 OR-Gatter 28 Zähler 29 NOR-Gatter 30 NOR-Gatter
31
AND-Gatter 32 NAND-Gatter 33 OR-Gatter 34 NOR-Gatter 35 Flip-Flop 36 AND-Gatter
37 AND-Gatter 38 AND-Gatter 39 Ansteuerlogik 40 Signalleitung BITE-+