DE3525210C2

DE3525210C2 -

Info

Publication number: DE3525210C2
Application number: DE3525210A
Authority: DE
Inventors: Balarama Vempaty Sterling Heights Mich. Us Murty
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1984-07-20
Filing date: 1985-07-15
Publication date: 1989-06-22
Also published as: US4544868A; DE3525210A1; JPS6139892A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der einen permanentmagnetischen Rotor sowie eine Vielzahl von Statorwicklungen umfaßt, mit einer Gleichspannungsquelle, einer auf die Stellung des Rotors ansprechenden Logikeinheit, um zur Erzeugung einer Rotordrehung in einer festgelegten Richtung den jeweiligen Erregungszustand der Statorwicklungen anzugeben, Schalteinrichtungen zur Erregung der Statorwicklungen durch die Gleichspannungsquelle entsprechend dem durch die Logikeinheit angegebenen Zustand, um dadurch einen Wicklungsstrom zu erzeugen, und mit einer Impulslängen-Modulationseinheit.

Mit der Verwendung bürstenloser Synchron-Gleichstrommotoren entfallen einen Reihe von Nachteilen, welche bei herkömmlichen Gleichstrommotoren auf die dort vorgesehenen Kommutatoren und Bürsten zurückzuführen sind. So erfordern Bürsten nicht nur eine periodische Wartung, sie bewirken auch einen Spannungsabfall, welcher die für die Motorwicklungen verfügbare Maximalspannung reduziert. Beim bürstenlosen Gleichstrommotor wird das Rotorfeld durch Permanentmagnete, und das Statorfeld durch ein aufeinanderfolgendes Erregen einer Vielzahl von stationären Wicklungen erzeugt. Statt der Bürsten und des Kommutators benötigt der bürstenlose Gleichstrommotor eine auf die Stellung des Rotors ansprechende Logikeinheit und Schalteinrichtungen zur entsprechenden Erregung der Statorwicklungen. Zusätzlich ist als Steuerbaustein insbesondere eine Impulslängen-Modulationseinheit erforderlich, um die anliegende Spannung zu steuern und eine möglichst sanfte Beschleunigung beim Anlauf aus dem Stand zu erhalten.

In der EP-00 89 150 A1 ist eine Ansteuerschaltung der eingangs genannten Art beschrieben, bei der der Motorsteuerstrom einen Hystereseverlauf zeigt und die Steuerung eine getrennte Messung des Lade- und Entladestroms für den Motor erfordert. Die Frequenz und das Einschaltverhältnis der angelegten Spannung ist bei geringer Motordrehzahl relativ niedrig, bei mittlerer Motordrehzahl relativ hoch und bei hoher Motordrehzahl wiederum relativ niedrig. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich sowohl die Einschaltzeit als auch die Ausschalt- bzw. Unterbrechungszeit für die Motorspannung mit wachsender Motordrehzahl ändern. Die Erregung der Wicklung wird unterbrochen, bis der Wicklungsstrom auf einen niedrigeren Referenzwert abfällt, welcher in bezug auf den Steuerstrom bestimmt ist.

In der DE-31 19 161 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer selbstgetakteten Vollbrückenschaltung als Vierquadrantensteller für einen Elektromotor beschrieben. Die in den einzelnen Brückenzweigen der Vollbrückenschaltung vorgesehenen steuerbaren Schalter werden in Abhängigkeit davon angesteuert, ob der in der betreffenden Wicklung fließende Strom zwischen einem unteren und einem oberen Grenzwert liegt oder der durch diese beiden Grenzwerte definierte Bereich verlassen wird. In einer jeweiligen Austaktphase fließt der Strom nicht in die Betriebsspannungsquelle zurück, sondern es wird ein Stromkreis über einen Schalter und eine Freilaufdiode geschlossen. Hierdurch ergeben sich bei niedrigen Drehzahlen Taktbereiche mit relativ langsam abfallenden Stromwerten. Im mittleren Drehzahlbereich sind die Stromanstiegs- und Stromabfallszeiten etwa gleich. Im oberen Drehzahlbereich ergeben sich Stromabfallzeiten, welche kürzer als die Stromanstiegszeiten sind. Die kürzeste Taktzeit ergibt sich im mittleren Drehzahlbereich. Um bei einem Generatorbetrieb eine vergleichbare Wirkung zu erzielen, ist in einem Brückenzweig, welcher einem einen getakteten Schalter aufweisenden Brückenzweig diagonal gegenüberliegt, ein Schalter vorgesehen, der für den zuletzt genannten Betriebszustand offengehalten wird, so daß ein betreffendes Gleichrichterelement wirksam werden kann.

Aus der DE-32 26 548 A1 geht eine Steuerung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem programmierbaren Lesespeicher zur Steuerung der Stromversorgung der Wicklungen hervor, welche zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen den Klemmen der Versorgungsspannungsquelle eine Umkehr-Verzögerungsschaltung aufweist. Die Ausgangssignale dieser Umkehr-Verzögerungsschaltung überlagern alle anderen, vor der Umschaltung die jeweiligen Wicklungen beaufschlagenden Signale. Im Ergebnis wird zum Zeitpunkt der Drehrichtungs-Umschaltung die Beaufschlagung aller Wicklungen unterbrochen.

In der US-44 03 177 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor beschrieben, der eine Strombegrenzerschaltung zur Verringerung der in den Wicklungen und den Treiberstufen auftretenden Verlustleistungen aufweist. Übersteigt der in den Wicklungen fließende Strom einen vorgegebenen oberen Grenzwert, so wird der betreffende Stromkreis für eine vorgegebene Zeitdauer von solcher Länge unterbrochen, daß der Wicklungsstrom zur gewünschten Verringerung der Verlustleistung im wesentlichen auf Null abfällt. Während des normalen Betriebs des Gleichstrommotors hat diese Strombegrenzerschaltung keinerlei Einfluß auf die jeweilige Erregung der Wicklungen.

In der US-41 07 593 ist ein Schrittschaltmotor beschrieben, bei dem die Erregung der Motorwicklung für eine vorbestimmte Zeit unterbrochen wird, sobald der Wicklungsstrom einen vorgegebenen Wert erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachstem Aufbau möglichst sanfte und glatte Motoranlauf- und -laufdrehmomente sicherstellt.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß durch die Impulslängen-Modulationseinheit die Erregung der Statorwicklungen jeweils dann für eine vorbestimmte Zeitdauer unterbrochen ist, wenn der Wicklungsstrom einen vorgebbaren Vergleichswert übersteigt, so daß die Statorwicklungen durch eine impulslängenmodulierte Spannung erregbar sind, deren Frequenz und Einschaltverhältnis im Bereich der Drehzahl Null relativ hoch sind und mit ansteigender Drehzahl abnehmen.

Aufgrund dieser Ausbildung wird neben der durch die gewünschte Enddrehzahl vorgegebenen Impulsbreitenmodulation gleichzeitig und automatisch eine Modulation der Zeitdauer der Erregung der Statorwicklungen erreicht, welche zur Erzielung eines möglichst sanften Drehmoments, insbesondere Anfangsdrehmoments, auch von der jeweiligen Motordrehzahl abhängig ist.

Die Unterbrechungszeitdauer ist demnach im Vergleich zur Erregungszeitdauer so bemessen, daß die Impulsfolgefrequenz und das Einschaltverhältnis insbesondere auch in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl variieren. Demnach ist die Impulsfolgefrequenz ebenso wie das Einschaltverhältnis im Bereich der Drehzahl Null zur Erzeugung eines sanften Anfangsdrehmoments relativ hoch, während diese Werte mit ansteigender Motordrehzahl automatisch abnehmen.

Die Erfindung macht sich hierbei den Umstand zunutze, daß bei geringeren Drehzahlen die induzierte Gegen-EMK relativ gering ist und demzufolge der die gewünschte Arbeitsgeschwindigkeit bestimmende Vergleichswert schneller erreicht wird als bei höheren Drehzahlen. Demnach erfolgt auch die gleichbleibende Unterbrechung der Erregung zu einem früheren Zeitpunkt, als dies bei einer höheren Drehzahl der Fall ist. Mit der Drehzahl des Rotors ändert sich so automatisch sowohl die Impulsfolgefrequenz als auch das Einschalt- bzw. Tastverhältnis.

Die vorgesehene Impulslängen-Modulationseinrichtung ist ohne zusätzlichen elektronischen Aufwand bei einer Änderung der Drehrichtung auch zur regenerativen Abbremsung verwendbar. Wirkt die induzierte Gegenspannung in Richtung der angelegten Spannung, so wird wiederum die Impulsfolgefrequenz aufgrund des schnelleren Erreichens des Vergleichswerts erhöht. Bei jeder Unterbrechung der Erregung wird die in den jeweiligen Motorwicklungen gespeicherte induktive Energie zu der Quelle zurückgeführt, was infolge der höheren Frequenz eine verbesserte regenerative Abbremsung des Motors zur Folge hat. Ferner ergibt sich automatisch ein Wechsel der Drehrichtung des Motors, ohne daß bei der Geschwindigkeit Null eine andere Beaufschlagung durch die Logikeinheit erforderlich wäre.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor entsprechend der bevorzugten Ausführung der Erfindung,

Fig. 2A-2C graphische Darstellungen der idealisierten Wellenformen für die Phasenspannung und den Phasenstrom in jeder Statorwicklung,

Fig. 3 ein Schaltbild der in Fig. 1 schematisch dargestellten Impulslängen-Modulationseinheit,

Fig. 4A-4C graphische Darstellungen verschiedener in der Impulslängen-Modulationseinheit nach Fig. 3 auftretender Wellenformen,

Fig. 5A-5C den Strom in einer Statorwicklung in Abhängigkeit von der Zeit bei niedriger, mittlerer bzw. hoher Motordrehzahl,

Fig. 6A-6B die Wellenformen des Quellenstromes und des Statorwicklungsstromes in gedehntem Zeitmaßstab, und

Fig. 7A-7B Motorgeschwindigkeit und -drehmoment über der Zeit bei einer Umkehr der Motordrehrichtung.

In Fig. 1 ist allgemein ein bürstenloser Gleichstrommotor 10 gezeigt, der einen permanentmagnetischen Rotor 12 und drei in Sternform angeschlossene Statorwicklungen 14 a, 14 b und 14 c besitzt. Die Statorwicklungen 14 a bis 14 c sind ausgelegt, mit Strom von einer Batterie oder Gleichspannungsquelle 16 über einen Vollwellen-Brückenwandler 18 beaufschlagt zu werden. Der Brückenwandler 18 enthält sechs Leistungstransistoren 20, 22, 24, 26, 28 und 30, die in der üblichen Brückenkonfiguration geschaltet sind, und Freilaufdioden 32, 34, 36, 38, 40 und 42, die jeweils über die Emitter/Kollektor- Strecke eines jeweiligen Leistungstransistors gelegt sind. Die Erregung der Statorwicklungen 14 a, 14 b, 14 c durch einen Festwertspeicher (ROM) 44 oder durch eine stattdessen eingesetzte programmierbare Logikeinheit gesteuert, welche jeweils einen Ansteuerkreis 46 über Datenleitungen D 0 bis D 5 anregen, um den verschiedenen Leistungstransistoren des Brückenwandlers 18 über Leitungen 48, 50, 52, 54, 56 und 58 Treiberstrom zuzuführen. Weisen die Datenleitungen D 0 und D 5 einen Spannungspegel logisch 1 auf, so spannen die Ansteuerkreise 46 die Leistungstransistoren 20, 30 derart vor, daß sie über die Leitungen 48 bzw. 58 zur Erregung, der Statorwicklungen 14 a bzw. 14 c leitend werden, um Strom in der durch den Pfeil 60 gekennzeichneten Richtung fließen zu lassen. Fällt die Spannung an den Datenleitungen D 0 und D 5 auf den Pegel logisch Null ab, so wird die Erregung der Statorwicklungen über die Leistungstransistoren 20 und 30 unterbrochen. Die in den Statorwicklungen 14 a und 14 c gespeicherte induktive Energie wird dann über die Freilaufdioden 34 bzw. 40 zur Gleichspannungsquelle 16 zurückgeleitet. Die anderen Leistungstransistoren des Brückenwandlers 18 werden in gleicher Weise durch die Datenleistungen D 0-D 5 des Festwertspeichers 44 gesteuert, um unterschiedliche Abläufe der Erregung der Statorwicklungen zu erzeugen.

Die an den Datenleitungen D 0 bis D 5 des ROM bzw. Festwertspeichers 44 vorhandenen Logikpegel und damit der Erregungsablauf für die Statorwicklungen wird in Abhängigkeit vom Logikpegel der fünf Adresseneingänge A 0-A 4 des Festwertspeichers 44 gesteuert. Die Pegel für die Adreßeingänge A 0, A 1 und A 2 werden direkt über Leitungen 62, 64 bzw. 66 von Fühlern 68, 70 bzw. 72 erhalten, die im Abstand von 120 elektrischen Graden im Magnetfeld des Rotors 12 des Gleichstrommotors 10 angeordnet sind und eine Anzeige der Rotorlage liefern. Bei der dargestellten Ausführung sind die Fühler 68, 70 und 72 Hall-Sensoren. Es können jedoch auch Fühler anderer Art oder irgendein Motorstellungs-Codierer vorgesehen sein. Die Fühler 68, 70 und 72 sind normalerweise im Zustand hoher Impedanz und fallen in den Zustand niedriger Impedanz ab, wenn sich der Rotor 12 des Gleichstrommotors 10 in einer vorbestimmten Lage befindet. Ein Spannungsregler VR 74 gibt über eine Leitung 76 eine verringerte Versorgungsspannung ab. Hochzieh-Widerstände 78, 80 und 82 verbinden die Leitung 76 mit den zu den Adreßeingängen A 0-A 4 führenden Leitungen 62, 64 bzw. 66. So werden die Adreßeingänge A 0, A 1 und A 2 normalerweise auf dem Spannungspegel logisch 1 gehalten und fallen auf einen Spannungspegel logisch Null ab, wenn der jeweilige Fühler 68, 70 bzw. 72 in seinen Zustand niedriger Impedanz abfällt.

Das Eingangssignal für den Adreßeingang A 3 des Festwertspeichers 44 wird über einen Widerstand 83 und eine Leitung 84 von einem Vorwärts-Rückwärts- Schalter 86 erhalten. Befindet sich der Schalter 86 in der in Fig. 1 gezeigten Stellung, so ist der Adreßeingang A 3 mit der eine Versorgungsleitung bildenden Leitung 76 über eine Leitung 87 verbunden. Damit wird angezeigt, daß eine Motordrehung in Vorwärtsrichtung erwünscht ist. Wird der Vorwärts-Rückwärts-Schalter 86 umgelegt, so wird der Adreßeingang A 3 über einer Leitung 85 auf Masse gelegt, womit angezeigt wird, daß die umgekehrte Motordrehrichtung gewünscht wird. Selbstverständlich kann ein weiteres Eingangssignal vorgesehen werden, um anzuzeigen, daß der Motor ausgeschaltet oder nicht angesteuert sein soll. Das Eingangssignal für den Adreßeingang A 4 des Festwertspeichers 44 wird über eine Leitung 88 von der Impulslängen-Modulationseinheit (ILM) 90 erhalten. Die Impulslängen-Modulationseinheit 90 ist über eine Leitung 92 mit der eine Versorgungsleitung bildenden Leitung 76 verbunden. Ein Überbrückungswiderstand 96 ist in Reihe zwischen die Gleichspannungsquelle 16 und den Brückenwandler 18 geschaltet. Eine Leitung 98 verbindet die Wandlerseite des Überbrückungswiderstandes 96 mit der Impulslängen-Modulationseinheit, um ein Eingangssignal zu erzielen. Die Spannung über dem Überbrückungswiderstand 96 und damit die Spannung an der Leitung 98 ist mit einem bekannten Faktor direkt dem Strom porportional, der dem Gleichstrommotor 10 durch die Gleichspannungsquelle 16 zugeführt wird. Diese Spannung bzw. dieses Signal sei als Leitungsgleichstrom-Signal i _m bezeichnet. Die Impulslängen-Modulationseinheit 90 wird im einzelnen später anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben.

Die Fig. 2A bis 2C zeigen idealisierte Spannungs- und Stromwellenformen in den Statorwicklungen 14 a bis 14 c während einer Vorwärtsdrehung des Gleichstrommotors 10 in Abhängigkeit von der Rotorlage. Fig. 2A zeigt die Phasenspannung V _an und den Phasenstrom i _a für die Statorwicklung 14 a; Fig. 2B die Phasenspannung V _bn und den Phasenstrom i _b für die Statorwicklung 14 b und Fig. 2C die Phasenspannung V _cn und den Phasenstrom i _c für die Statorwicklung 14 c. Da die Leistungstransistoren 20-30 des Brückenwandlers 18 gleichzeitig paarweise leitend geschaltet werden, wie vorher mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, sind sechs unterschiedliche Erregungszustände für die Statorwicklungen möglich. Diese Erregungszustände werden als AC, AB, CA, CB, BA und BC bezeichnet. Der erste Buchstabe einer jeweiligen Bezeichnung bezieht sich auf die Statorwicklung 14 a, 14 b oder 14 c, die über einen Leistungstransistor des Brückenwandlers 18 mit der positiven Klemme der Gleichspannungsquelle 16 verbunden ist, während sich der zweite Buchstabe der Bezeichnung auf die Statorwicklung bezieht, die über einen Leistungstransistor des Brückenwandlers 18 mit Masse verbunden ist. Jeder Erregungszustand der Statorwicklungen 14 a-14 c erzeugt ein bestimmtes Magnetfeld des Stators. Der Leitzustand der verschiedenen Leistungstransistoren 20-30 des Brückenwandlers 18 wird durch den Festwertspeicher 44 und die die Rotorlage abtastenden Fühler 68 bis 72 so gesteuert, daß die magnetische Achse des Stators eine vorbestimmte Beziehung bezüglich des Magnetfeldes des Rotors 12 einhält. Im einzelnen werden die Erregungszustände der Statorwicklungen so gewählt, daß die magnetische Achse des Stators der Rotorfeldachse um zwischen 60 und 120 elektrischen Graden vorläuft, wobei das dadurch erzeugte Motordrehmoment maximal wird, wenn der Phasenunterschied 90 elektrische Grade beträgt. Die Information zum Aufrechterhalten dieser Erregung wird von den die Rotorlage abtastenden Fühlern 68 bis 72 abgeleitet, die infolge ihrer Ausrichtung bezüglich der Rotor-Magnetfelds sechs unterschiedliche Bereiche der Rotorlage anzeigen. Falls die Vorwärtsrichtung der Motordrehung als im Uhrzeigersinn verlaufend definiert wird, ist die korrekte Abfolge der Erregung, der Statorwicklungen AC, BC, BA, CA und AB. Jede derartige Statorwicklungserregung wird während 60 elektrischen Graden der Rotordrehung aufrechterhalten, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die einzelnen Erregungen zusammen nehmen 360 elektrische Grade oder einen vollständigen Zyklus der Statorwicklungserregung ein. Zur Erläuterung der graphischen Darstellungen der Fig. 2 kann gesagt werden, daß der Erregungszustand AC eine positive Phasenspannung (V _an) und einen positiven Phasenstrom (i _a) in der der Statorwicklung 14 a, sowie eine negative Phasenspannung (V _cn) und einen negativen Phasenstrom (i _c) in der Statorwicklung 14 c erzeugt. Der darauffolgende Erregungszustand BC behält den vorhergehenden Phasenstrom und die vorhergehende Phasenspannung in der Statorwicklung 14 c bei und erzeugt eine positive Phasenspannung (V _bn) und einen positiven Phasenstrom (i _b) in der Statorwicklung 14 b.

Die umgekehrte Motordrehung wird dadurch erhalten, daß bei einer bestimmten Rotorlage entgegengesetzte Erregungen für die Statorwicklungen geschaffen werden. Damit ist die Abfolge der Statorwicklungserregung für eine Motor-Rückwärtsdrehung CA, BA, BC, AC, AB und CB.

Die eben beschriebenen Erregungen werden durch die im einzelnen in Fig. 3 dargestellte Impulslängen-Modulationseinheit 90 impulslängenmoduliert. In den Fig. 1 und 3 sind gleiche Leitungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen. So verbindet die Leitung 88 die Impulslängen-Modulationseinheit 90 mit dem Adreßeingang A 4 des Festwertspeichers 44, die Leitung 92 die Impulslängen-Modulationseinheit mit der an die Leitung 76 anliegenden Versorgungsspannung und die Leitung 98 die Impulslängen-Modulationseinheit 90 mit der Wandlerseite des Überbrückungswiderstandes 96. Die Impulslängen-Modulationseinheit 90 erzeugt eine Referenzspannung, die einem Referenz-Leitungsgleichstrom entspricht, und unterbricht die Erregung, der Motor- bzw. Statorwicklungen 14 a-14 c während einer vorbestimmten Zeitdauer, stets dann, wenn der tatsächliche Leitungsgleichstrom den Referenz-Leitungsgleichstrom übersteigt. Die Referenzspannung wird durch einen Spannungsteiler aus den Widerständen 102 und 104 an einer Leitung 100 erzeugt. Vorzugsweise ist diese Referenzspannung entweder in der gezeigten Weise durch den Einstellwiderstand 102, oder durch einen (nicht dargestellten) Motorgeschwindigkeits- Regelkreis einstellbar, wie später erklärt wird. Die Referenzspannung an der Leitung 100 wird an den invertierenden Eingang eines Komparators 106 angelegt. Die Spannung an der Leitung 98, die für den tatsächlichen Leitungsgleichstrom repräsentativ ist, wird über einen Eingangswiderstand 108 an den nicht-invertierenden Eingang des Komparators 106 angelegt. Solange der tatsächliche Leitungsgleichstrom unter dem Referenzstrom bleibt, wird der Komparator 106 in seinen Zustand niedriger Impedanz vorgespannt, so daß seine Ausgangsklemme 110 im wesentlichen auf Massepotential, bleibt. Übersteigt der Leitungsgleichstrom den Referenzstrom, so wird dagegen der Komparator 106 in seinen Zustand hoher Impedanz vorgespannt. Die Spannung an der Ausgangsklemme 110 steigt dann plötzlich auf eine durch die relativen Widerstandswerte von Widerständen, 112 und 114 bestimmte Spannung. Daraufhin lädt sich ein Kondensator 116 bis zur Versorgungsspannung an der Leitung 92 über die Widerstände 112 und 114 auf. Der nicht-invertierende Eingang des Komparators 106 wird über einen Widerstand 120 auf einem relativ hohen Spannungswert gehalten. Damit kann der Komparator 106 während der Aufladezeit des Kondensators 116 seinen Zustand nicht ändern, auch wenn die an der Leitung 98 vorhandene Spannung unter den Referenzspannungspegel abfällt.

Die Ausgangsklemme 110 ist über eine Leitung 122 mit dem invertierenden Eingang eines Komparators 124 verbunden. Ein Spannungsteiler aus den Widerständen 126 und 128 bestimmt eine Referenzspannung an einer Klemme 134. Diese Referenzspannung wird über eine Leitung 136 an den nicht-invertierenden Eingang des Komparators 124 gelegt. Ein Hochziehwiderstand 138 hält normalerweise den Spannungswert an der Ausgangsklemme 139 des Komparators 124 auf einem relativ hohen Pegel. Der Komparator 124 wird dann wirksam, wenn die Spannung an der Ausgangsklemme 110 des Komparators 106 über den Referenzspannungspegel an der Klemme 134 ansteigt. Dann erniedrigt dieser Komparator 124 den Spannungswert an der Ausgangsklemme 139 auf im wesentlichen Massepotential. Wie bereits angedeutet, wird die an der Ausgangsklemme 139 herrschende Spannung über die Leitung 88 an den Adreßeingang A 4 des Festwertspeichers 44 angelegt, um die Erregung der Statorwicklungen zu steuern. Jedesmal, wenn das am Adreßeingang A 4 des Festwertspeichers 44 anliegende Signal zu einem Spannungspegel logisch Null abfällt, werden alle Leistungstransistoren 20-30 des Brückenwandlers 18 in den Sperrzustand gesteuert, um die Statorwicklungserregung zu unterbrechen. Kehrt das am Adreßeingang A 4 des Festwertspeichers 44 anliegende Signal zu einem Spannungspegel logisch 1 zurück, so wird die auf der Rotorlage basierende Erregung wieder hergestellt.

Die graphischen Darstellungen in Fig. 4A bis 4C zeigen den Betrieb der Impulslängen-Modulationseinheit 90. Fig. 4A zeigt den Wicklungsstrom i _a, Fig. 4B die an der Ausgangsklemme 110 der Impulslängen- Modulationseinheit 90 vorhandene Spannung V₁₁₀ und Fig. 4C, die an der Ausgangsklemme 139 der Impulslängen-Modulationseinheit 90 vorhandene Spannung V₁₃₉. Beginnend mit dem Zeitpunkt T₀ werden zwei Leistungstransistoren des Brückenwandlers 18 entsprechend dem im Festwertspeicher 44 gespeicherten Statorwicklungs-Erregungszustand AC jeweils leitend geschaltet, um die Gleichspannungsquelle 16 an die Statorwicklungen 14 a und 14 c anzulegen. Der hindurchgehende Strom, der mit dem Überbrückungswiderstand 96 gemessen wird, steigt zum Referenzstrom I _ref hin an, wie in Fig. 4A gezeigt ist, bis dieser Referenzstrom I _ref zu einem Zeitpunkt A₁ erreicht wird. Vor dem Zeitpunkt A₁ wird der Ausgang des Komparators 106 an der Ausgangsklemme 110 im wesentlichen auf Massepotential gehalten, die dies Fig. 4B zeigt. Der Ausgang des Komparators 124 an der Ausgangsklemme 139 wird, wie Fig. 4C zeigt, im wesentlichen auf dem Potential der Versorgungsspannung gehalten. Zum Zeitpunkt A₁ ändert jedoch der Komparator 106 seinen Zustand. Die Spannung an der Ausgangsklemme 110 steigt schlagartig auf die Spannung V _A an, wie dies in Fig. 4B dargestellt ist. Daraufhin lädt sich der Kondensator 116 über die Widerstände 112 und 114 zur Versorgungsspannung hin auf, so daß die Spannung an der Ausgangsklemme 110 zur Versorgungsspannung hin ansteigt, wie dies in Fig. 4B zu sehen ist. Auf den abrupten Spannungsanstieg an der Ausgangsklemme 110 hin ändert der Komparator 124 ebenfalls seinen Zustand. Dessen Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme 139 wird im wesentlichen auf Massepotential abgesenkt, was in Fig. 4C gezeigt ist. Wie oben erklärt, ist die Ausgangsklemme 139 über die Leitung 88 an den Adreßeingang A 4 des Festwertspeichers 44 angeschlossen. Fällt die an diesem Adreßeingang A 4 anliegende Spannung auf einen Spannungswert logisch Null ab, so wird die Erregung, die der Statorwicklungen 14 a und 14 b durch den Festwertspeicher 44 unterbrochen. Demzufolge fällt der Strom i _a gegen Null hin ab, wie in Fig. 4A zu sehen ist. Während dieser Zeit wird die Spannung am Überbrückungswiderstand 96 und damit die Spannung an der Leitung 98 infolge der Rückführung der induktiven Energie zur Gleichspannungsquelle 16 negativ, wie es mit Bezug auf Fig. 1 erklärt wurde und später mit Bezug auf Fig. 6 nochmals angeführt wird. Während dieser Zeit erzeugt der Kondensator- Ladestrom durch den Widerstand 114 eine positive Spannung, die über den Widerstand 120 an den nicht-invertierenden Eingang des Komparators 106 angelegt wird, um diesen Komparator 106 in seinem Zustand hoher Impedanz zu halten, obwohl der Strom i _a unter den Referenzstrom I _ref abfällt. Zu einem Zeitpunkt B₁ wird jedoch der Ladestrom im wesentlichen auf Null erniedrigt und der Komparator 106 ändert, wie in Fig. 4B zu sehen ist, infolge des reduzierten Wertes des Stromes i _a seinen Zustand. Daraufhin entlädt sich der Kondensator 116 durch eine Diode 140, einen Widerstand 142 und den Komparator 106. Zusätzlich kehrt der Komparator 124 in seinen Zustand hoher Impedanz zurück, siehe Fig. 4C. Kehrt die Spannung an der Ausgangsklemme 139 zum Zeitpunkt B₁ zu ihrem normalen Spannungspotential logisch 1 zurück, so bewirkt der Festwertspeicher 44 die Wiederaufnahme der Erregung der Statorwicklungen 14 a und 14 b. Zu diesem Zeitpunkt beginnt der Strom i _a, wie in Fig. 4A zu sehen, wieder anzusteigen, bis er wieder zu einem Zeitpunkt A₂ den Referenzstrom I _ref übersteigt, worauf sich der eben beschriebene Vorgang wiederholt.

Dieses eben beschriebene An- und Abschalten des Motor- bzw. Wicklungsstromes ergibt in seiner Auswirkung eine Impulslängenmodulation für die Erregung der Statorwicklungen 14 a-14 c. Die Zeitdauer t _aus zwischen den Zeitpunkten A₁ und B₁ ist, wie oben erklärt, durch die RC-Zeitkonstante der Widerstände 112 und 114 und des Kondensators 116 bestimmt. Diese Schaltelemente werden so ausgewählt, daß sich eine Abschalt-Zeitdauer t _aus ergibt, die kurz genug ist, ein Abfallen des Wicklungsstromes auf Null zu verhindern. Diese Zeitdauer kann in Abhängigkeit vom Referenzstromwert I _ref und der L/R-Zeitkonstante der Statorwicklungen 14 a-14 c des Gleichstrommotors 10 ausgewählt werden. Andererseits ist die Zeitdauer t _ein zwischen den Zeitpunkten B₁ und A₂, wie in Fig. 4A definiert, in Abhängigkeit von der Rück-EMK des Motors veränderlich. Bei hoher Motordrehzahl ist auch die Rück-EMK hoch und die Zeitdauer t _ein relativ lang. Falls die Motordrehzahl gering ist, ist auch die Rück-EMK gering, und die Zeitdauer t _ein relativ kurz. Damit ergeben niedrige Motordrehzahlen ein relativ niedriges Einschaltverhältnis der Impulslängenmodulation, während hohe Motordrehzahlen ein relativ großes Einschaltverhältnis der Impulslängenmodulation ergeben.

Die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Statorwicklungsstrom ist graphisch in den Fig. 5A bis 5C dargestellt. Fig. 5A zeigt relativ niedrige Motordrehzahlen von 680 U/min, Fig. 5 mittlere Motordrehzahl von 975 U/min und Fig. 5C relativ hohe Motordrehzahl von 1335 U/min. Jedes Diagramm zeigt einen Statorwicklungsstrom i _a in Abhängigkeit von der Zeit, und bezieht sich damit direkt auf den Idealverlauf von i _a, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Die Diskontinuität in der Mitte jeder Erregungs-Polarität entspricht einer Erregungsänderung, beispielsweise vom Erregungszustand AB zu AC oder vom Erregungszustand BA zu CA.

Fig. 5 zeigt deutlich, daß die Erregungsfrequenz und das Einschaltverhältnis der Impulslängenmodulation mit ansteigender Motordrehzahl abnimmt, so daß sich eine im wesentlichen optimale Erregung zur Erzeugung eines sanften Motordrehmoments ergibt. Darüber hinaus ist bei sehr geringen Geschwindigkeiten in der Nähe des Anlaufens die Welligkeit des Stromes infolge der Impulslängenmodulation am geringsten und die Wellenform nahezu rechtwinklig. Da die Rück-EMK bei derartig geringen Drehzahlen bei einem Permanentmagnetmotor trapezförmig ist, sollte das Drehmoment pro Ampere maximal und der Nutzungsgrad der magnetischen und elektrischen Kreise des permanentmagnetischen Gleichstrommotors 10, im wesentlichen optimal sein. Mit anderen Worten, das Verhalten sollte im wesentlichen gleich dem eines üblichen Gleichstrommotors sein, bei dem die induzierte EMK und der Strom gleiche Form haben.

Die Rückführung der induktiven Energie zur Gleichspannungsquelle 16, die am Ende einer Wicklungserregung erfolgt, wie dies oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, tritt auch jedesmal auf, wenn die Impulslängen-Modulationseinheit 90 eine Unterbrechung der Statorwicklungserregung innerhalb eines Erregungszustands bewirkt. Dieser Betrieb ist graphisch in Fig. 6A und 6B dargestellt, wo 6A den Leitungs-Gleichstrom, wie er am Überbrückungswiderstand 96 gemessen wird, bezüglich der Zeit, und Fig. 6B den Strom i _a als Funktion der Zeit zeigt. Es wird ein Erregungszustand AB angenommen. Der Zeitpunkt T₀ entspricht dem Zeitpunkt, an welchem die Leistungstransistoren 20 und 30 des Brückenwandlers 18 durch den Festwertspeicher 44 und die Ansteuerkreise 46 in den Leitzustand gebracht werden. Danach ist der Strom i _a gleich dem Leitungsgleichstrom. Wenn der Leitungsgleichstrom zum Zeitpunkt T₁ den Referenzstrom I _ref übersteigt, bewirken die Impulslängen-Modulationseinheit 90 und der Festwertspeicher 44 eine Vorspannung der Leistungstransistoren 20 und 30 derart, daß diese nichtleitend werden und die Erregung der Statorwicklung 14 a unterbrechen. Danach wird die in der Wicklung 14 a gespeicherte induktive Energie über die Freilaufdioden 40 und 34 in die Gleichspannungsquelle 16 zurückgeführt, so daß sich ein negativer Batteriestrom ergibt. Zum Zeitpunkt T₂ ist die durch die Impulslängen-Modulationseinheit 90 erzeugte vorbestimmte Ausschalt-Zeitdauer t _aus beendet. Die Leistungstransistoren 20 und 30 werden wieder in den leitenden Zustand geschaltet, um die Gleichspannungsquelle 16 an die Statorwicklungen 14 a und 14 b anzulegen, wonach sich der oben beschriebene Zyklus wiederholt.

Eine wichtige Eigenschaft ist darin zu sehen, daß ein regeneratives Abbremsen des Motors vorgesehen ist, wenn dessen Drehrichtung umgekehrt werden soll. Insoweit ist von grundlegender Bedeutung, daß zusätzliche Verschaltungen oder zusätzliche Logikelemente nicht erforderlich sind, und keine Änderungen der Logik bei der Drehzahl Null hergestellt werden müssen, um den Anlauf in der neuen Richtung sicherzustellen. Wird der Vorwärts-Rückwärts-Schalter 86 von der Vorwärts-Stellung in die Rückwärts-Stellung umgelegt (oder umgekehrt), so werden die durch den Festwertspeicher 44 an den Datenleitungen D 0 bis D 5 erzeugten Erregungszustände einfach in ihrem Ablauf umgekehrt, wie oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde. Infolge der Umkehr unterstützt die an den Statorwicklungen durch die Gleichspannungsquelle 16 angelegte Spannung die in diesen Statorwicklungen vorhandene Rück-EMF, und läßt den Leitungsgleichstrom rasch auf den Referenzwert ansteigen. Damit bewirkt die Impulslängen-Modulationseinheit 90 eine Stromschwingung mit relativ hoher Frequenz in den Statorwicklungen 14 a bis 14 c. Jedesmal, wenn der Strom unterbrochen wird, wird ein Stromimpuls mit hohem Energieinhalt über die entsprechenden Freilaufdioden 32 bis 42 zur Gleichspannungsquelle 16 zurückgeführt, wie oben mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben ist, wodurch ein relativ starkes regeneratives Abbremsen des Motors bewirkt wird. Während sich der Motor verlangsamt, steigt die Frequenz der Impulslängenmodulation an, bis der Motor auf die Drehzahl Null abfällt, woraufhin er automatisch in entgegengesetzter Richtung beschleunigt, da die durch den Festwertspeicher 44 erzeugte Erregungsabfolge für eine umgekehrte Motordrehung richtig ist. Mit anderen Worten, die Abfolge der Erregungszustände für das Bremsen bei einer Drehung in Vorwärtsrichtung ist die gleiche wie das für das Anlaufen in Rückwärtsrichtung. Entsprechend ist die Abfolge der Erregungszustände für das Bremsen in Rückwärtsrichtung die gleiche wie für das Anlaufen in Vorwärtsrichtung. Dies ist eine wichtige Eigenschaft der geschriebenen Ansteuerschaltung und ergibt ein rasches Ansprechen auf eine Richtungsumkehr, da keine Änderung der Logik bei der Drehzahl Null erforderlich ist.

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung des Motorbetriebs während einer Umkehr der Drehrichtung. Fig. 7A zeigt die Motorgeschwindigkeit Φ _m in Abhängigkeit von der Zeit und Fig. 7B das Motordrehmoment T _m in Abhängigkeit von der Zeit. Die Motordrehzahl und das Motordrehmoment werden so definiert, daß sie für die in den Figuren dargestellte anfängliche Motordrehrichtung negativ sind. vor dem Zeitpunkt T₀ besitzen Motordrehzahl und -drehmoment ihre Gleichgewichtswerte. Zum Zeitpunkt T₀ wird der Vorwärts-Rückwärts-Schalter 86 umgelegt, wodurch angezeigt wird, daß die entgegengesetzte Drehrichtung des Gleichstrommotors 10 gewünscht wird. Zu diesem Zeitpunkt wird durch den Festwertspeicher 44 die gerade vorhandene Abfolge der Erregungszustände der Statorwicklungen umgekehrt, so daß das regenerative Bremsen beginnt. Dadurch wird eine Umkehr des Motordrehmomentes mit einer relativ hohen Bremsmomentspitze T _b erzeugt, wie dies in Fig. 7B gezeigt ist. Da die Motordrehzahl abnimmt, nehmen die Größe des regenerativen Bremsstromes und damit das Motorbremsmoment ab. Wenn die Motordrehzahl zum Zeitpunkt T₁ auf Null abfällt, wird das Motordrehmoment ein Beschleunigungsmoment T _a, welches den Motor in der neuen Richtung beschleunigt. Während die Motordrehzahl in der neuen Richtung zunimmt, steigt die Rück-EMK an und läßt das Beschleunigungsdrehmoment des Motors entsprechend abnehmen, bis zum Zeitpunkt T₂ das Motordrehmoment und die -drehzahl ihre neuen Gleichgewichtswerte erreichen.

Da der Referenzstrom I _ref der Impulslängen-Modulationseinheit 90 den Gleichgewichtswert des Statorwicklungsstromes bestimmt, besteht eine direkte Beziehung zwischen dem Referenzstrom I _ref und der sich ergebenden Motordrehzahl im Gleichgewichtszustand. Obwohl der Referenzstrom bei der dargestellten Ausführung als feststehend beschrieben wurde, kann dessen Wert, beispielsweise mit dem als Stellwiderstand dienenden Widerstand 102 in Fig. 3, verändert werden, um die Gleichgewichts-Motordrehzahl zu verändern. Darüber kann die Ansteuerschaltung in Verbindung mit einer Proportional- Integral-(PI) oder einer anderen Regelung verwendet werden, um ein Motordrehzahl-Regelsystem zu bilden. Bei einer solchen Verwendung kann das Ausgangssignal der Geschwindigkeitssteuerung benutzt werden, um den Wert des Referenzstromes zu ändern. Falls die Motordrehzahl zu gering ist, wird der Referenzstrom erhöht, und falls die Motordrehzahl zu hoch ist, wird der Referenzstrom erniedrigt.

Dazu können der Festwertspeicher 44 oder eine gleichwertige programmierbare Logikeinheit nötigenfalls durch eine einfache logische Digitalschaltung ersetzt werden.

Claims

Ansteuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der einen permanentmagnetischen Rotor sowie eine Vielzahl von Statorwicklungen umfaßt, mit einer Gleichspannungsquelle, einer auf die Stellung des Rotors ansprechenden Logikeinheit, um zur Erzeugung einer Rotordrehung in einer festgelegten Richtung den jeweiligen Erregungszustand der Statorwicklungen anzugeben, Schalteinrichtungen zur Erregung der Statorwicklungen durch die Gleichspannungsquelle entsprechend dem durch die Logikeinheit angegebenen Zustand, um dadurch einen Wicklungsstrom zu erzeugen, und mit einer Impulslängen-Modulationseinheit,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Impulslängen-Modulationseinheit (90) die Erregung der Statorwicklungen (14 a, 14 b, 14 c) jeweils dann für eine vorbestimmte Zeitdauer (t _aus) unterbrochen ist, wenn der Wicklungsstrom einen vorgebbaren Vergleichswert (I _ref) übersteigt, so daß die Statorwicklungen (14 a, 14 b, 14 c) durch eine impulslängenmodulierte Spannung erregbar sind, deren Frequenz und Einschaltverhältnis im Bereich der Drehzahl Null relativ hoch sind und mit ansteigender Drehzahl abnehmen.