DE3637786A1 - Bremssteuerung - Google Patents

Description

Elektronisch kommutierte Gleichstrommotore werden wegen ihrer geringen Geräuschentwicklung und wegen ihrer guten Steuerbar­ keit, z. B. mit Hilfe von Mikroprozessoren, überall dort ein­ gesetzt, wo Präzisionsantriebe gefordert sind. Sie sind im allgemeinen mit Permanentmagneterregung in Rotor- oder Stator­ teil versehen. Dabei werden vorzugsweise mehrpolige Permanent­ magnete in Ringform mit einander abwechselnder Polarität ein­ gesetzt. Über einen axialen oder radialen Luftspalt getrennt, stehen den Magnetpolen die kommutierbaren Spulen gegenüber. Sie sind je nach Auslegung des Motors zwei- oder mehrsträngig ausgeführt. Für die Steuerung der einzelnen Kommutierungs­ schritte sind die Motore mit berührungslos arbeitenden Senso­ ren und damit verbundenen Schaltungen für die Phasenlageerken­ nung des Rotors ausgerüstet. Diese Sensoren arbeiten z. B. optoelektronisch oder mit Hilfe von Hallelementen.

Bei bestimmten Anwendungen ist es erforderlich, einen elektro­ nisch kommutierten Motor möglichst schnell abzubremsen, wobei dieser Bremsvorgang nach bestimmten Kriterien, d.h. gesteuert ablaufen soll.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine derartige Bremssteuerung aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

In jedem Fall wird für einen Bremsvorgang die Kommutierung in beiden Laufrichtungen aufrechterhalten, allerdings mit einer der Laufrichtung des Rotors entgegengesetzt gesteuerten Magne­ tisierung der einzelnen Spulen bzw. Spulenstränge. Dadurch wird auf den Rotor eine magnetische Kraft ausgeübt, die der im Rotor gespeicherten Rotationsenergie entgegenwirkt. Mit der Größe der magnetisch entgegenwirkenden Kommutierung kann die Wirkung der Abbremsung eingestellt werden. So kann z.B. für einen möglichst schnellen Bremsvorgang kurzzeitig der Pe­ gel der Kommutierungsspannung für die Bremsrichtung etwa die gleiche Größenordnung wie die für die Antriebsrichtung bei Vollast haben, ohne daß diese etwa von der einen Polarität über einen Nulldurchgang in eine andere Polarität geändert werden muß. Die Steuerung der Kommutierung, d.h. die Phasenla­ ge und damit der Einschaltzeitpunkt für die einzelnen Stränge ist dabei von der jeweiligen Lage des Rotors abhängig. Sie wird durch Auswertung von Signalen ausgelöst, die von Lagesen­ soren am oder im Motor erzeugt werden.

Die Erfindung wird im folgenden in einem Ausführungsbeispiel anhand der Figuren erläutert.

Darin zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für die Antriebs- und Bremssteuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mit Intensitätssteuerung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild für die Antriebs- und Brems­ steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mit Phasensteuerung,

Fig. 3 ein Diagramm für eine Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 4 ein Diagramm für eine Schaltung nach Fig. 2.

Fig. 5 Blockschaltbild für die schlagartige Umsteuerung zwischen verschiedenen Solldrehzahlen.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild für die Antriebs- und Brems­ steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mit Intensitätssteuerung. Motor 1 ist dreisträngig mit den Strängen d, e und f aufgebaut. Die einzelnen Stränge sind in Sternschaltung angeordnet. Der Sternmittelpunkt ist mit der Betriebsspannung +UB verbunden. Mit Motor 1 sind Sensoren 2 und 3 gekoppelt, die als Optokoppler arbeiten und einen Strichcode auswerten, der am Rotorumfang angebracht ist. Sen­ sor 2 gibt ein Signal an einen Umsetzer 4 ab, welches inner­ halb des Umsetzers, z.B. mit Hilfe eines Mikroprozessors, aus­ gewertet wird. Aus diesem Signal wird im Mikroprozessor die jeweilige Winkellage des Rotors erkannt und eine Schaltspan­ nung auf den Ausgangsleitungen a, b, c und A, B, C ausgegeben, durch welche über steuerbare Verstärker 5-10 der jeweilige Spulenstrang von Motor 1 angeschaltet wird. Die Informationen für die Phasenlage der Kommutierung steht während der gesam­ ten Betriebszeit auf den Leitungen a, b, c und A, B, C an. Dabei sind z.B. die Ausgangsleitungen a, b, und c für eine Kommutie­ rung in Linkslaufrichtung und die Leitungen A, B und C für ei­ ne Kommutierung in Rechtslaufrichtung vorgesehen.

Die tatsächliche Kommutierungsrichtung und die Intensität der Kommutierung wird durch steuerbare Verstärker 5-10 vorgege­ ben, die als Stellglieder zwischen den Ausgangsleitungen von Umsetzer 4 und den Spulenanschlüssen von Motor 1 geschaltet sind. Die Ausgangsleitungen für Linkslaufrichtung a, b, c sind mit den Eingängen der Verstärker 7, 6 und 5 und die Ausgangs­ leitungen für Rechtslaufrichtung A, B und C mit den Eingängen der Verstärker 10, 9 und 8 verbunden.

Somit bilden die Verstärker 5, 6 und 7 eine Gruppe, deren par­ allelgeschaltete Steuereingänge mit einer PLL-Schaltung 11 über die Leitung 13 verbunden sind, während die Gruppe der Verstärker 8, 9 und 10 mit ihren ebenfalls parallelgeschalte­ ten Steuereingängen über Leitung 12 an die PLL-Schaltung ange­ schaltet sind. Die Ausgänge der Verstärker 5 und 8 speisen Strang d, die der Verstärker 6 und 9 Strang f und die der Ver­ stärker 7 und 10 Strang e von Motor 1.

Über die Steuerleitungen 12 bzw. 13 werden die Verstärkergrup­ pen 5-7, bzw. 8-10 aktiviert, d.h. das an den Verstärkern anstehende Kommutierungssignal von Umsetzer 4 wird in Abhän­ gigkeit der Steuersignale auf den Leitungen 12 bzw. 13 an die Spulenstränge von Motor 1 "durchgeschaltet". Dabei ist die Größe des Kommutierungsstromes abhängig vom Innenwiderstand des "durchgeschalteten" Verstärkers, also abhängig von der Größe der auf den Steuerleitungen 12 bzw. 13 anstehenden Span­ nung. Diese Spannung bzw. Spannungen werden in der PLL-Schal­ tung 11 generiert. Ihre Größe und auch die Auswahl der je­ weils mit Spannung beaufschlagten Leitung 12 oder 13 ergibt sich aus dem Vergleich einer von der Motordrehzahl abgeleite­ ten Tachofrequenz f 1 mit einer Referenzfrequenz f 2. Die Tacho­ frequenz f 1 wird in Sensor 3 durch Auswertung eines Strich­ codes am Rotorumfang erzeugt. Die Frequenz f 2 hat für eine vorgegebene Laufrichtung von Motor 1 einen festeingestellten Wert.

Solange f 1 kleiner als f 2 ist, wird von der PLL-Schaltung auf einer der Leitungen 12 oder 13 eine Spannung zur Steuerung der Regelverstärkergruppe 5-7 oder 8-10 ausgegeben, die für die Kommutierung in Rotorlaufrichtung zuständig ist. Wird dagegen z.B. durch Lastminderung eine Drehzahl erreicht, durch die im Tachogenerator eine höhere Frequenz als die von f 1 erzeugt wird, kehrt sich der Vorgang der Verstärkeransteue­ rung um.

Die vorher inaktive Leitung 12 oder 13 wird aktiv, d.h., der Motor wird entgegen seiner Drehrichtung kommutiert. Die Inten­ sität dieser Kommutierung ist dabei abhängig von der zu hohen Drehzahl in Verbindung mit der gespeicherten Rotationsener­ gie, die durch diese aktive Bremsung gesteuert abgebaut wer­ den soll. Bei einem derartigen Bremsvorgang kann die Größe der an die einzelnen Spulenstränge d, e und f angelegte Kom­ mutierungsspannung in Bremsrichtung durchaus die Größe der bei Vollast anliegenden Spannung in Laufrichtung annehmen. Eine aktive Bremsung bzw. Drehzahlregelung kann bei der be­ schriebenen Schaltung auch gesteuert dadurch bewirkt werden, indem die Referenzfrequenz f 2 z.B. durch einen Schaltvorgang in eine andere Frequenz f 2 geändert wird, die kleiner als f 1 ist.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild für die Antriebs- und Brems­ steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mit Phasensteuerung. Analog zu Fig. 1 wird in Sensor 2 ein Signal für die jeweilige Winkellage des Rotors von Motor 1 abgegeben und in Umsetzer 4 als Kommutierungssignal auf den Leitungen g, h und i ausgegeben. Diese Kommutierungssignale werden über nicht geregelte Verstärker 14, 15 und 16 an die Motorstränge d, e und f weitergeleitet. In dieser Schaltung werden im Umsetzer 4 mittels eines Mikroprozessors je nach der von der PLL-Schaltung 11 aktivierten Leitungen 12 oder 13 Signale erzeugt, die für Rechtslauf- oder für Links­ laufrichtung dienen, wobei Wirkungsweise und Ansteuerung der PLL-Schaltung 11 von Fig. 1 und Fig. 2 identisch sind. Durch die Größe der auf den Leitungen 12 oder 13 stehenden Spannung wird die Phasenlage der Kommutierungsschritte vorgegeben. Die einzelnen Spulenstränge werden also mit konstantem Strom und/oder Spannung aber mit unterschiedlicher Phasenlage ange­ steuert. Ähnlich wie nach Fig. 1 können daher bei Lastände­ rung oder gewollter Geschwindigkeitsänderung die Phasenwinkel der Kommutierung so angepaßt werden, daß mit Hilfe der PLL die gewünschte Geschwindigkeit eingestellt wird oder erhalten bleibt.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm für eine Schaltung nach Fig. 1. Die Abzisse gibt in positiver Richtung ein Maß für das Drehmoment z.B. in Beschleunigungsrichtung +M und in negativer Richtung ein Maß für das Drehmoment in Gegenrichtung -M an. Auf der Ordinate ist bei konstanter Phasenlage für die Beschleunigung ϕ1 und bei konstanter Bremsphasenlage ϕ2 der Strom I bzw. die Spannung U angegeben.

Die Motorkennlinie in Antriebsrichtung ergibt sich vom Koordi­ natennullpunkt aus aufsteigend in positiver Richtung, während aufsteigend in negativer Richtung, gestrichelt, die Motorkenn­ linie in gegenläufiger Antriebsrichtung verläuft. Es ist je­ weils nur der annähernd lineare Ast der Kennlinien darge­ stellt, da die Arbeitsbereiche in diesen Teilen der Kennlini­ en liegen.

Entsprechend der Schaltung nach Fig. 1 ist es möglich, für ei­ nen Bremsvorgang die Kommutierung gleichzeitig mit zwei Strö­ men entgegengesetzter Phasenlage durchzuführen, so daß sich aus der Differenz dieser Kräfte ein resultierendes Drehmoment einstellt. Dies ist in Fig. 3 als Beispiel eingezeichnet.

Bei einem Strom bzw. Spannung für die Beschleunigung von +5 ergibt sich ein Drehmoment in Beschleunigungsrichtung von M=+5. Wird bei diesem Arbeitszustand für einen Bremsvor­ gang zusätzlich ein Strom bzw. Spannung von +2 mit Bremspha­ senlage d2 ausgegeben, stellt sich für die Dauer der anliegen­ den Gegensteuerung ein resultierendes Drehmoment von M=+3 ein. Dieses ergibt sich aus der Differenz der Drehmomente, nämlich +5 in Beschleunigungsrichtung und -2 in Bremsrichtung =+3, d.h. der Motor wird schlagartig von M=+5 auf M=+3 umgesteuert.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm für eine Schaltung nach Fig. 2. Ähnlich wie bei Fig. 3 ist in positiver Richtung ein Maß für das Drehmoment z.B. in Beschleunigungsrichtung +M und in nega­ tiver Richtung ein Maß für das Drehmoment in Gegenrichtung -M angegeben. Auf der Ordinate ist bei konstantem Strom I die Phasenlage ϕ angegeben, wobei die Phasenlage ϕ bei Steuerung in Antriebsrichtung positive und in Gegenrichtung negative Werte annimmt.

Die Motorkennlinie in Antriebsrichtung ergibt sich vom Koordi­ natennullpunkt aus aufsteigend in positiver Richtung, während aufsteigend in negativer Richtung, gestrichelt, die Motorkenn­ linie in gegenläufiger Antriebsrichtung verläuft. Es ist je­ weils nur der annähernd lineare Ast der Kennlinien darge­ stellt, da die Arbeitsbereiche in diesen Teilen der Kennlini­ en liegen.

Entsprechend der Schaltung nach Fig. 2 kann für einen Bremsvor­ gang die Phasenlage kontinuierlich geändert werden, d.h. es gibt nur eine Ansteuerungsmöglichkeit für einen Arbeitspunkt. Eine Drehmomentänderung ist also nur möglich wenn die Motor­ kennlinie durchlaufen wird.

Fig. 5 zeigt in einer Abwandlung von Fig. 1 eine Schaltung für die schlagartige Umschaltung zwischen verschiedenen Soll­ drehzahlen. Im Unterschied zu Fig. 1 werden für einen Brems­ vorgang die steuerbaren Verstärker 8, 9 und 10 nicht von der PLL-Schaltung 11, sondern über Schalter S 1 von einer Steuer­ quelle an f 3 mit definierten, aus dem Gesamtsystem abgeleite­ ten Signalwerten in Gegenrichtung gesteuert. Die Gegensteue­ rung, d.h. die Umsteuerung von einer höheren in eine niedrige­ re Drehzahl erfolgt durch einen nicht dargestellten Impulsge­ nerator an f 3, wobei die Wirkung dieser Steuerung nach den in Fig. 3 dargestellten Kennlinien erfolgt.

Um auf eine niedrigere Drehzahl umschalten zu können, muß gleichzeitig bei Einleitung des Bremsvorganges die bisherige Referenzfrequenz f 2 a an die neue Drehzahl durch Umschaltung mittels Schalter S 2 auf die neue Referenzfrequenz f 2 b angegli­ chen werden, damit die PLL-Schaltung 11 nach wie vor auch für diese Drehzahl wirksam ist. Nach erfolgter Abbremsung auf die neue Drehzahl wird der Impulsgenerator abgeschaltet und die weitere Feinregelung für konstante Drehzahl wird von der PLL 11 fortgesetzt.

Soll eine höhere Drehzahl eingestellt werden, werden von den Verstärkern 5, 6 und 7 höhere Ströme in die Motorspulen einge­ speist. Dabei wird gleichzeitig die Referenzfrequenz f 2 der jeweiligen Stromstärke angeglichen um sicherzustellen, daß auch in diesem Betriebszustand die PLL-Schaltung 11 wirksam ist.

Claims (9)

1. Bremssteuerung für einen elektronisch kommutierten Gleich­ strommotor, mit zugeordneten Sensoren für Rotorlageerken­ nung und Drehzahl, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Sensor für Rotorlageerkennung (2) in einem Umsetzer (4) Kommutierungssignale gleichzeitig sowohl für Rechtslauf­ als auch für Linkslaufsteuerung abgeleitet werden.

2. Bremssteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer vorgegebenen Rotordrehrichtung für einen Bremsvorgang die Kommutierung in Gegenrichtung bewirkt wird.

3. Bremssteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Bremsvorgang sowohl die Kommutierung in Laufrichtung als auch die Kommutierung in Gegenrichtung bewirkt wird.

4. Bremssteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Kommutierung in Lauf- und/oder Ge­ genrichtung steuerbar ist.

5. Bremssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Kommutierung durch die Größe der Kommutierungsspannung und/oder des Kommutierungstromes einstellbar ist.

6. Bremssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Kommutierung abhän­ gig von der Größe der Drehzahl in Laufrichtung ist, wenn diese Drehzahl einen vorgegebenen Wert überschreitet.

7. Bremssteuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl in Laufrichtung in einer PLL mit einer Referenzdrehzahl verglichen wird und bei Überschreitung der Drehzahl daraus ein Signal für die Intensitätssteue­ rung der Kommutierung in Gegenrichtung abgeleitet wird.

8. Bremssteuerung für einen elektronisch kommutierten Gleich­ strommotor, mit zugeordneten Sensoren für Rotorlageerken­ nung und Drehzahl, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Sensor für Rotorlageerkennung (2) in einem Umsetzer (4) Kommutierungssignale gleichzeitig sowohl für Rechtslauf- als auch für Linkslaufsteuerung abgeleitet werden, deren Phasenlagen von Rechtslaufrichtung kontinuierlich bis Linkslaufrichtung oder umgekehrt steuerbar sind.

9. Bremssteuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl in Laufrichtung in einer PLL mit einer Referenzdrehzahl verglichen wird und bei Überschreitung der Drehzahl daraus ein Signal für die Phasenlage der Kom­ mutierung in Gegenrichtung abgeleitet wird.