DE3874090T2

DE3874090T2 - Buerstenloser gleichstrommotor fuer motorluefter, pumpen und aehnliche geraete.

Info

Publication number: DE3874090T2
Application number: DE8888118574T
Authority: DE
Inventors: Fernando Juarez
Original assignee: ELETTROVAGO SpA
Current assignee: Bitron SpA
Priority date: 1987-11-18
Filing date: 1988-11-08
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2008-11-09
Also published as: IT8767986A0; ATE79991T1; US5053686A; EP0316716A3; EP0316716B1; EP0316716A2; DE3874090D1; ES2035218T3; IT1211537B

Description

Gegenstand dieser Erfindung ist ein elektronisch angetriebenes, bürstenloses Gleichstrom-Motor-System für Motorventilatoren, Pumpen und ähnliche Einrichtungen.
Folgendes sind die Vorteile von bürstenlosen Motoren gegenüber Gleichstrom-Kommutatormotoren: - zehnmal höhere Lebensdauer und Zuverlässigkeit; geringerer mechanischer und elektrischer Lärm; - konkurrenzfähige Leistungsfähigkeit für gleiche Energie und Materialien; - Möglichkeit, sie in verkleinerten Abmessungen oder mit "flachen" Geometrien mit innerem oder äußerem Rotor (die beste Lösung im Falle von Motorventilatoren sowohl unter dem Gesichtspunkt der "Abmessungen" als auch demjenigen der Kühlung des Kupfers) zu verwirklichen; - höhere Beständigkeit gegenüber der Arbeitsumgebung (Gas oder Wasser im Kraftstoff erzeugen bei herkömmlichen Kommutatortypen bei manchen Anwendungen Probleme) - Möglichkeit, sie ohne Schnittstelle mittels einer zentralen Elektronikeinheit zu betreiben.
Das Dokument CH-A-475 667 offenbart einen bürstenlosen, zweiphasigen Gleichstrommotor mit vier unipolaren Wicklungen, wobei jede Phase einer Wicklung so gesteuert wird, daß sie elektrisch um 180º versetzt erregt wird.
Das Dokument US-A-4 162 435 offenbart einen Apparat zur elektronischen Kommutierung eines Gleichstrommotors, der keine Stellungssensoren sondern statt dessen die Abfrage der in einer nichterregten Motorwicklung induzierten Spannung erfordert, um daraus Steuersignale herzuleiten. Eine Motorwicklung wird erregt, während die Spannung an einer anderen Wicklung gelesen und integriert wird, um eine Anzeige für den Fluß zu liefern.
Zweck der Erfindung ist es, ein elektronisches Antriebssystem zu schaffen, welches einen bürstenlosen, zweiphasigen Gleichstrommotor mit vier unipolaren Wicklungen und eine elektronische Steuerung umfaßt, und welches im Vergleich zu den derzeit verwendeten Systemen bei gleichartigen Produktionsmitteln wettbewerbsfähige Qualität und Kosten bietet (vgl. z. B. den in den obigen Dokumente offenbarten Motor).
Dies ergibt sich aus einer Konstruktion, welche bei gleicher Leistung folgende Vorteile aufweist:
a) Weniger kostspieliger Motor, durch verbesserte Verwendung von Kupfer (50%iger statt 33%iger Betrieb des unipolaren Dreiphasen-Typs) und Verwendung eines Komplexes von Schaltungen, welche die Schaltenergie zurückgeben.
b) Es wird als einfache Logik eine kostengünstige Signalelektronik verwendet, welche als integrierte elektronische Schaltung ausgebildet ist, und Hall-Sonden ausschließt.
c) Im Vergleich zu Konkurrenzlösungen: weniger kostspielige und zuverlässigere Leistungselektronik, welche vier Komponenten verwendet, von denen jede mit 50% des Arbeits- und des Anlaufstrom arbeitet;
d) Verfügbarkeit einer äußerst konkurrenzfähigen Zwei- (Drei-)Drehgeschwindigkeits-Version mit Analog- oder Digital-Steuerung und mit Komponenten mit sehr geringem Stromverlust.
e) Lineare Steuerungen (nicht Impulsbreitenmodulation) mit geschlossener Drehgeschwindigkeits-Schleife oder wahlweise Drehmoment-Schleife, mit genauem Überhitzungsschutz und einer elektronischen Schaltung für einen bidirektionellen nichtblockierenden Anzug beim Start.
Die obigen Zwecke und Vorteile werden erreicht durch Verwirklichung eines elektronisches Antriebssystems, welches einen bürstenlosen, zweiphasigen Gleichstrommotor mit vier unipolaren Wicklungen und eine elektronische Steuerung umfaßt, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist.
Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird der Motor und das elektronisches Antriebssystem wie folgt beschrieben:
Fig. 1 ist ein elektrische Diagramm des Motors;
Fig. 2 und 3 sind Wellenformen des erfindungsgemäßen Motors bzw. eine Motors nach dem Stand der Technik;
Fig. 4 ist ein anderes Diagramm der Wellenformen des erfindungsgemäßen Motors;
Fig. 5 veranschaulicht das elektrische Diagramm der Motorphasen;
Fig. 6 ist ein allgemeines Blockdiagramm der elektronischen Steuerung des Motors;
Fig. 7 bis 11 sind detaillierte elektronische Schaltungen verschiedener Blöcke im Diagramm von Fig. 6;
Fig. 12 und 13 sind Wellenform-Diagramme, auf welche die Schaltung von Fig. 11 Bezug nimmt.
Fig. 1 veranschaulicht den erfindungsgemäßen Motor, welcher eine zweiphasige Struktur mit vier unipolaren Wicklungen aufweist.
Der Motor kann als zwei parallele Einphasen-Einheiten betrieben werden, wobei jeder der vier Wicklungen um 180º elektrisch versetzt leitet (siehe Fig. 2). Die zweiphasigen Motoren dieses Typs mit Ortsbatterie leiten gewöhnlich für jede Wicklung um 90º elektrisch versetzt (siehe Fig. 3).
Der zweiphasig betriebene Motor wird daher im Vergleich zur herkömmlichen Nutzung (um etwa 90º elektrisch versetzte Leitung) etwa die doppelte maximale Leistung erbringen.
Mit gleicher mechanischer Leistung kann erreicht werden, daß - weil zwei Phasen immer EIN sind - der insgesamt aufgenommene Strom zwischen den zwei Leistungskomponenten aufgeteilt wird, wobei jede den halben Strom verwendet, verglichen mit diesem Zweiphasen-Typ, wenn er in herkömmlicher Weise verwendet wird, und mit dem mit drei unipolaren Wicklungen verwirklichten Dreiphasen-Typ. Wie in der folgenden Beschreibung gezeigt wird, ist für die Verwendung des Motors unter hochwirtschaftlichen Bedingungen ein besonderer Typ der elektronischen Steuerung notwendig. Diese elektronische Steuerung unterliegt ihrerseits einer besonderen Ausführungsform des Motors.
Die Ausführung (Drahtquerschnitt, Anzahl Windungen) von M&sub1;, M&sub3; (zwei Wicklungen/unipolare Phasen der ersten im Motor verwirklichten einphasigen Steuerung) kann von derjenigen von M&sub2;, M&sub4; (den anderen zwei Wicklungen/unipolaren Phasen der anderen im Motor verwirklichten einphasigen Steuerung, welche gegenüber der ersten um 90º elektrisch versetzt gewickelt ist) verschieden sein.
Diese Ausführungsform erlaubt es, drei Motoren (zwei einphasige und einen zweiphasigen) in einem einzigen zu betreiben, und zwar mittels komplexer Steuerkreise, welche im folgenden beschrieben werden:
Erste Betriebsart: einphasig mit einer maximalen Leistung P&sub1; (wobei nur der erste einphasige Teil M&sub1;, M&sub3; benutzt wird).
Zweite Betriebsart: einphasig mit einer von P&sub1; abweichenden maximalen Leistung P&sub2; (wobei nur der zweite einphasige Teil M&sub2;, M&sub4; benutzt wird).
Dritte Betriebsart: zweiphasig mit beiden einphasigen Teilen "EIN" und einer Leistung Pmax - K (P&sub1; + P&sub2;).
Die obenerwähnten drei Betriebsarten mit Motorlasten wie Ventilatoren oder Pumpen entsprechen drei verschiedenen Drehgeschwindigkeits-Arbeitspunkten
Der Hauptnützlichkeit dieses Motors besteht darin, daß (für die obenerwähnten Lasten) drei Arbeitsgeschwindigkeiten erhalten werden können mit Leistungs-Steuerkomponenten, welche stets mit Sättigung und nicht mit Pulsbreitenmodulation oder im "Linear"-Betrieb arbeiten.
Die obige Lösung hat zur Folge, daß - die Energiedissipation im Dissipator unter allen erwähnten Leistungs-/Drehgeschwindigkeits-Bedingungen minimal ist; - sich bezüglich der Betriebskosten Vorteile ergeben; und - sich die Möglichkeit ergibt, kleinere Motor-/Elektronik- Einheiten zu verwirklichen, welche im Vergleich zu den bekannten Lösungen bessere Leistungen ermöglichen.
Es ist zu betonen, daß mit den erwähnten bekannten Lösungen verschiedene Drehgeschwindigkeiten verwirklicht werden können, entweder mit einer hochdissipierenden "Linear"-Steuerung oder mit der Pulsbreitenmodulation, welche elektrisch-und manchmal mechanisch lärmig und in jedem Falle teurer und bezüglich der Leistungskomponenten dissipierender ist.
Eine Ausführungsform umfaßt die mit einer Statorpolhorn-Geometrie gekoppelten Magnetisierungs-Geometrie von Permanentmagneten, um eine im wesentlichen trapezoidale Welle der elektromotorischen Kraft zu erhalten (siehe Fig. 4).
Das Verhältnis Wechselstrom/Gleichstrom muß als ein Kompromiß zwischen den folgenden einander entgegengesetzten Anforderungen verwirklicht werden:
a) Man maximiere den Querschnitt FB/DC, um mit gleichen Materialien eine größere mittlere Spannung E zu erzielen.
b) Man erzeuge ein geeignetes Verhältnis Wechselstrom/Gleichstrom, um es dem elektronischen Antrieb - siehe die Logik zur Ermittlung der Rotorstellung und Vorschaltkreis für einen hohen Wirkungsgrad des Motors - zu ermöglichen, den Schaltbereich so zu identifizieren, daß in ihm die Spannung E gegenüber ihrem Emax-Wert erniedrigt wird und daß ein Vorlauf auf den Nulldurchgang von E (Punkt D) erhalten wird, um für das Arbeiten des Motors einen maximalen Wirkungsgrad zu erhalten.
Der erwähnte Schaltvorlauf (z. B. Fig. 4, Punkt P) erzeugt eine Anzahl Effekte, um die Leistung und Wirksamkeit des Motors zu verbessern, welche alle in der richtigen Richtung gehen:
A) Er beschleunigt den Schaltstoß im Anfangsbereich DF des Schaltvorganges und erzeugt daher mehr "i", d.i. Strom, um die Leitungsstrom-Harmonischen, welche dem Gleichstrom überlagert und mit der Form/Dauer des Schaltstoßes verknüpft sind, zu vermindern.
B) Er schneidet den Spitzenstrom, welcher im Schlußbereich BC infolge der Verminderung von E auftreten würde, ab. Diese Tatsache verbessert den Wirkungsgrad, weil diese "Spitze" nur dissipierte Energie erzeugen würde, welche mit einer niedrigen Spannung E&sub2; (Ei niedrig, Ri hoch) fließt.
Dies trägt zu einem wirkungsvollen Schalten bei, da es verhindert, daß die zurückzuspeisende gespeicherte Energie ½LI² nutzlos hoch ist. Schließlich vermindert es den Gehalt an Strom-Harmonischen indem es i ausbreitet und so die Schlußspitze vermeidet.
C) Er erlaubt es, ½·LI²-Energie (z. B. ½·LIM1²) durch die Übertragung mittels des Transformators auf die 180º-Wicklung (z. B. M&sub3;) zurückzuspeisen.
Tatsächlich ist, infolge der verschiedenen Wicklungsrichtung, die z. B. in M&sub3; induzierte Spannung beim Abschalten von M&sub1; so, daß sie den Strom in M&sub3; durch eine parallel zur "aktiven" Leistungskomponente angeordnete Diode fließen läßt. "i" in M&sub3; befindet sich mit dem in M&sub3; induzierten E in jenem Zeitpunkt in einem solchen Phasenverhältnis, daß aktive Leistung erzeugt wird, und zwar infolge des Vorlaufes, mit welchem der Schaltvorgang stattfand, und er erlaubt dann die in M&sub1; während des EIN-Zyklus gespeicherte magnetische Energie zurückzuspeichern.
D) Er begrenzt den inhärenten Fehler beim "Ablesen" von E in der AUS-Phase, welcher mit Di/DT in der leitenden 180º-Phase in Zusammenhang steht (z. B. VM3 OFF - EM&sub3; + M·DiM1/DT). Diese Signal M·DiM1/DT, welches E überlagert ist, kann eine unrichtige Information über den korrekten Schaltzeitpunkt erzeugen. Je vernachlässigbarer es ist, umso kleiner ist Di/DT im Schaltzeitpunkt. Dies bedeutet, daß er, wenn der Vorlauf "korrekt" ist, die "Spitze" im Bereich BC (wie bereits erwähnt) in der leitenden Phase verhindert.
Die Wahl der oben beschriebenen Motorstruktur, neben den unter den Punkten A, B und C erwähnten Vorteilen, bietet die Verfügbarkeit von "sauberen" Wellenformen an, da die Wicklungen M&sub1;, M&sub3;, welche gegenüber M&sub2;, M&sub4; um 90º versetzt gewickelt sind, die Effekte gegenseitiger Induktionssignale nicht (oder nur teilweise) fühlen. Dies ist mit einem Dreiphasen-Motor nicht erreichbar. Diese Tatsache bedeutet eine Vereinfachung im "Lese"-Komplex von Schaltungen zum Lesen der Signale auf den Phasen, insbesondere bei elektronischen Antrieben, welche keine Hall-Sonden verwenden.
Weiter ist eine Schaltung zur schnellen "Stromentdeckung" verwirklichbar, da dann, wenn zwei Widerstände in Differentialschaltung mit jeder der zwei Phasen, d. h. mit den zwei unipolaren Wicklungen, verbunden werden (M&sub1; und M&sub3; sind im Gegensinn gewickelt und erzeugen induzierte Spannungen E, welche gleich groß aber entgegengesetzt gerichtet sind), eine Spannung Vc, welche Rm·im+t proportsignal ist, erhalten wird. Diese folgt im, da die Zeitkonstante RC im Vergleich zur Dauer jeder Halbperiode von i sehr kurz ist (siehe Fig. 5).
Unter Hinweis auf Fig. 6 werden das Blockdiagramm des oben beschriebenen elektronischen Antriebs- und Motorsteuerung geprüft. Der Motorblock 10 besteht auf vier Wicklungen und einer zweiphasigen Struktur, d. h. zwei Paaren von Wicklungen, von denen jedes eine der zwei Phasen des zweiphasigen System darstellt. Jede Phase besteht aus zwei unipolaren Wicklungen, welche gegensinnig zu einander gewickelt sind, und von denen jede eine Halbwelle der Phase abdeckt.
Der zweite Block 11 kann als "Motor-Sensoren-Block" bezeichnet werden. Dieser Block 11 hat die Aufgabe, von den Phasen M, M, M und M4t des Moto 10 einen Satz Informationen einzuholen. Auf Grund der Wellenformen werden am Schluß jeder Phase Informations-Verarbeitungen vorgenommen.
Der Block 11 weist eine Logik 12 zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit auf, welche auf Grund der obenerwähnten Wellenformen Drehgeschwindigkeits-Informationen erhält. Im Block 11 ist auch eine Logik 13 zur Ermittlung des Motorstroms und der Motortemperatur auf Grund des Abfalls von R·i in jeder Motorwicklung untergebracht. Diese im Motor-Sensoren-Block 11 enthaltene Logik 13 hat die Aufgabe, diese Information an die Logik anderer Blöcke weiterzugeben. Der Abfall von r·i soll das Produkt R·i bedeuten, in welchem sowohl die Information über i - falls R als konstant zu betrachten ist - als auch die Temperatur-Information enthalten sind, da der Widerstand des Motors mit zunehmender Temperatur zunimmt. Bei gleichbleibenden i nimmt das Produkt R·i somit zu und damit auch das erwähnte Signal. Beide Werte, d. h. der im Motor fließende Strom und seine Temperatur, sind für den Schutz des Motors interessant, so daß das Produkt R·i eine guter Anzeige ist.
Der Motor-Sensoren-Block 11 enthält auch eine Logik zur Ermittlung der Stellung des Rotors 14. Die Wellenformen an M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;, M&sub4; werden durch die genannte Logik verarbeitet; dann werden die Signale an einen nachgeschalteten Block weitergegeben. Aus den genannten Signalen wird eine nützliche Information über die Rotorstellung erhalten, um die Schalter weiter in der richtigen Reihenfolge zu steuern. Ein Vorlauf-Schaltkreis 15 für den hohen Wirkungsgrad des Motors und die Schaltstoßunterdückung ist im Motor-Sensoren-Block 11 ebenfalls enthalten. Der genannte Schaltkreis benützt die aus der Geschwindigkeitsbestimmungs-Logik 12 hergeleiteten Informationen. Das genannte Signal wird zurückgeführt, um die Logik 14 zur Feststellung der Rotorposition derart zu steuern, daß die Phasenlage der Ausgangssignale korrigiert werden und den Schaltelementen einen Vorlauf erteilt wird. Gleichzeitig bildet sie ein passives Filter für die Schaltstöße. Das Ausgangssignal der Geschwindigkeitsbestimmungs-Logik 12 wird auch für andere Logiken in nachfolgenden Blöcken verwendet.
Ein weiterer Block 18 kann als "Start- und Steuerkreis- Logik" bezeichnet werden. Er besteht aus einer unidirektionellen Rotationslogik und digitalen Schaltstoß-Filtern 16. Die genannte Logik verarbeitet die Signale, welche sich von der Logik 14 für die Ermittlung der Rotorstellung - die sich im Motor-Sensoren-Block 11 befindet - herleiten, wobei eine sog.
"verriegelte Logik" (Logik die als Logik-Schaltkreis ausgelegt ist) verwendet wird, und gibt aus ihrem Block Steuersignale für die verschiedenen Phasen ab, so daß eine Rotation des Motors in der unerwünschen Richtung vermieden wird. Mit anderen Worten: Sie ermöglicht den Durchgang von Logiksignalen, wenn der Rotor sich in der richtigen Richtung dreht, während sie abblockt, wenn der Rotor sich in der falschen Richtung dreht.
Der genannte Rotationslogik-Block 16 enthält auch eine digitale Filterlogik für alle Stöße, welche sich aus dem Schaltvorgang des vorgelagerten Blocks ergeben können, wie die Signale, die aus M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;, M&sub4; hervorgehen, und durch die Logik 14 für die Ermittlung der Rotorstellung durchlaufen und Scheinsignale für den Schalteffekt enthalten. Die dynamische unidirektionelle Logik 16 geht, bevor sie die Leistungstransistoren steuert, durch einen Startoszillator 17 durch. Dieser Oszillator ist in diesem System notwendig, weil er bewirkt, daß eine der beiden Phasen nach Zufallskriterien EIN/AUS geschaltet wird, und zwar anstelle von Hall-Sonden, die dem Schaltkreis mitteilen würden, welche der Phasen und in welcher Reihenfolge eingeschaltet werden sollen. Dies wird getan, um die Motorstellung durchzuschütteln und mit dieser Bewegung die Bildung von Signalen an M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;, M&sub4; zu erlauben. Diese können dann in der Logik gelesen werden, wodurch die die richtige Phasenlage der EIN-Schaltungen eingeleitet wird.
Da die Signale M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;, M&sub4; dynamisch sind, ist es notwendig, daß der Motor läuft, so daß eine Spannung E gebildet und angemessen gelesen werden kann, damit der gesamte Schaltvorgang der Logik übertragen werden kann. Da der Motor am Anfang stillsteht, werden keine Spannungen ES erzeugt. Es ist daher etwas, was den Motor bewegt, notwendig. Dies ist der Zweck des Startoszillators 17, da er eine Phase mit einer sehr niedrigen vorbestimmten Frequenz in Schwingung versetzt, so daß der Motor anlaufen kann. Sobald der Motor läuft, treten die obenerwähnten Logiken für die richtige Phasenlage in Aktion. Der Startoszillator 17 wird auf der Frequenz der Hauptsteuerung verriegelt und funktioniert nicht mehr als Oszillator. Der genannte Oszillator arbeitet als solcher nur bei stillstehendem Motor. Sobald das System startet und das Aufschalten durchführt, wird der Oszillator auf der Steuerfrequenz verriegelt.
Die Antriebslogik 18 enthält eine Startmedium-Logik 19. Falls der Motor mit Strombegrenzung betrieben wird, d. h. wenn Instruktionen, daß er mit sehr geringer Drehgeschwindigkeit laufen soll, eingegeben werden, ist es notwendig, daß der Motor mit einem ziemlich hohen Drehmoment startet, weil dies eine Anforderung des Marktes ist. Wenn Ungelegenheiten auftreten können, wie Eisbildung im Ventilator, welche geringe statische Drehmomente hervorrufen, startet der Motor mit hohem Drehmoment. Die genannte Startmedium-Logik empfängt das von der Geschwindigkeitsbestimmungs-Logik 12 herrührende Signal. Wenn der Motor unterhalb einer bestimmten Drehgeschwindigkeit läuft, steuert sie mittels eines Signals den Strombegrenzer 20 so, daß ein hoher Strom, welcher durch den elektronischen Antrieb definiert werden kann, durch die vier Wicklungen geschickt wird. Dadurch wird ein Bypass für den EINGANG gebildet und der Motor mit hoher Nennleistung gestartet, auch wenn die EINGANG- Kontrolle eine niedrige Nennleistung anzeigt.
Wenn die Startmedium-Logik 19 die Information erhält, daß die Minimalgeschwindigkeit erreicht ist und der Motor gestartet ist, verschwindet das Signal, und der Motor läuft mit der normalen Strombegrenzung 20.
Der eigentliche Steuerkreis 21 des Motors ist der Startlogik 18 nachgeschaltet. Von unten nach oben besteht dieser Block aus Wattkomponenten 22, welche vier Leistungs-Brückenschaltungen nach Darlington oder vier MOS-Elemente sein können. Der Schaltkreis zur Steuerung der Wattkomponenten gibt an den Eingang ein proportionales Signal ab. Dieses ist entweder eine Drehgeschwindigkeits- oder eine Drehmoments-Kontrolle. Der Schaltkreis 20 steuert die Wattkomponenten 22 linear. Der genannte Schaltkreis 20, welcher die Wattkomponenten linear steuert, wird seinerseits durch die Antriebslogik 23 der AUS-Zustände gesteuert, zwecks Auswahl derjenigen Leistungstransistoren, welche in der erforderlichen Weise linear gesteuert werden sollen.
Die genannte Logik 23 schaltet abwechselnd die eine oder die andere Wicklung, und damit die eine oder andere Komponente, welche die Strombegrenzungs-Steuerung der Wattkomponenten durchführt, ab.
Der Block 24 wird als "Motor- und Steuerungsschutz- Block" bezeichnet. Er umfaßt einen Schutz des Motors 25 und einen Schutz des elektronischen Antriebs 25'. Der Motorschutzblock 25 sammelt einen Satz Information im EINGANG und, wie dem Diagramm entnommen werden kann, einen Satz Information aus verschiedenen Ebenen,
Er besteht im wesentlichen aus einem Oszillator mit einer kurzen EIN-Periode und einer sehr langen AUS-Periode. Letztere tritt ein, falls das System findet, daß der Motorstrom einen "Warnungs-Wert" genannten Wert überschreitet. Nach einiger Zeit empfängt ein Integrator das Signal, daß der genannte Wert überschritten ist. Dann hält der Oszillator 25 den Motor für eine oder zwei Sekunden im EIN-Zustand und etwa fünfzehn Sekunden im AUS-Zustand, um ihn abkühlen zu lassen; danach versucht er das System erneut zu starten.
Wenn das Abschalten des Motors eine mechanische Ursache hat, z. B. wenn ein Lappen in den Ventilator gefallen ist und das Lager angefressen ist, fährt der genannte Block fort, das Starten zu versuchen, ohne die Wicklungen zu verbrennen, da ihre Temperatur niedrig ist, weil die EIN-Periode im Vergleich zur AUS-Periode sehr kurz ist.
In Tat und Wahrheit ist Motorschutzblock 24 eine ziemlich hochentwickelte Vorrichtung: Sie ist fähig, verschiedene Typen von Information, wie Stromstärke und Ventilatorgeschwindigkeit, zu empfangen. Das Drehgeschwindigkeitssignal erreicht sie, wie im folgenden beschrieben wird, als eine Information, welche auch bezüglich der Ventilatorgeschwindigkeit verwendet wird.
Der letzte Block 26 ist der Eingabe-Block. Er besteht lediglich aus einem Steuereingang, nämlich dem Potentiometer 27, da 28 ein Eingang ist, welcher den Schutzkreis unterstützt und als fakultativ betrachtet werden kann. Letzterer ist in jedem Falle nicht ein echter Steuereingang sondern eine Einstellung der gewünschten Schutzschwelle 32. Block 26 enthält eine EIN/AUS-Logik 29, welche das tatsächliche Eingangssignal liest. Wenn das genannte Signal kleiner als die minimale Schutzschwelle ist, z. B. kleiner als 0,6 Volt, nimmt sie dies als Signal, um das ganze Modul abzuschalten. In Tat und Wahrheit schaltet sie den ganzen Schaltkreis ab. Wenn das genannte Signal größer als 0,6 Volt ist, schaltet der Block auf EIN, und der Block 30 tritt in Aktion. Der genannte Block führt verschiedene Funktionen aus, je nachdem wie die Komponenten und die Stifte der integrierten Schaltung verbunden sind. Der genannte Block 30 kann je nach dem Wert des am Eingang angelieferten Signals zwei feste Drehgeschwindigkeitskontrollen, eine kontinuierliche Drehgeschwindigkeitskontrolle und eine kontinuierliche Drehmomentkontrolle ausführen.
Nachstehend folgt eine detaillierte Beschreibung jedes der obenerwähnten Blöcke, wobei auf die Fig. 7 bis 11 Bezug genommen wird.
Wie oben erwähnt, können die folgenden Unterblöcke im Motor-Sensoren-Block 11 (Fig. 7) angeordnet sein: - Logik 13 für die Ermittlung des Stroms und der Motortemperatur; - Logik 14 für die Ermittlung der Rotorstellung; - Vorlauf-Schaltkreis 15 für einen hohen Motor-Wirkungsgrad und die Schaltstoßunterdrückung; - Geschwindigkeitsbestimmung Logik 12.
Die Ermittlung des Stromsignals in jeder der Motorwicklungen M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;, M&sub4; und die Verarbeitung desselben durch die den Strom kontrollierende Steuerung in der Logik 13 erfolgt unter Anwendung einer Methode, welche direkt den Abfall von R·i in jeder der Phasen mißt und die Information für die Spannung jeder Wicklung erarbeitet, wobei die herkömmlichen Methode, mit jeder Wicklung einen Widerstand in Serie zu schalten angewendet wird.
Eines der Hauptkennzeichen dieses Motors ist es, für jede Phase zwei gegensinnig gewickelte Wicklungen zu haben. Dieses Merkmal macht, daß, wenn die Signale M&sub1;, M&sub3; durch die Potentialteiler R&sub1;&sub8;, R&sub2;&sub0; zurückgeführt werden, das Signal, das aus deren Summe entsteht, das Signal R·i der leitenden Phase ist. Tatsächlich weisen in jedem Moment, sowohl für M&sub1; als auch für M&sub3;, die elektromotorischen Kräfte in den beiden Phasen stets entgegengesetzte Vorzeichen auf. Die beiden Spannungen ES ergeben ein Nullsignal (siehe Fig. 5).
Die andere Spannung in den Wicklungen ist induktiv L·di/dt. Aber auch sie ist vom selben Typ und in den zwei Wicklungen von entgegengesetztem Vorzeichen, da die beiden Wicklungen entgegengesetztsinnig gewickelt sind, so daß diese Spannungsabfälle sich in den Knoten der Widerstände R&sub1;&sub8;, R&sub2;&sub0; aufheben. In jeder Halbwelle ist jedoch nur eine der Wicklungen, M&sub1; oder M&sub3;, leitend. Es ist die leitende Wicklung, welche ein R·i auf ihrem Signal aufweist. Das genannte R·i existiert auf der anderen Wicklung nicht. Das aus diesem Potentialteiler resultierende Signal, aus welchem durch den Kondensator C&sub4; die schnellen Signale ausgefiltert werden und welches durch den Widerstand R&sub2;&sub2; abgeschwächt wird, ergibt ein Signal CL&sub1;, wenn M&sub1; leitend ist, und ein Signal CL&sub3;, wenn M&sub3; leitend ist, welche gleich dem entsprechenden Produkt Ri sind. Dasselbe gilt für M und M4t, so daß der sie die Erläuterung nicht wiederholt wird. Jede der beiden Linien von Ausgangssignalen deckt dann 50% des Signals einer Wicklung und 50% des Signals der anderen Wicklung ab.
Da die Signale CL1,3 und CL2,4 gleich dem Produkt von R der Wicklungen mit i und der Widerstand der Wicklungen in Abhängigkeit von deren Temperatur veränderlich ist, neigen die genannten Signale CL1,3 und CL2,4 dazu, mit einem Anwachsen von i anzuwachsen, ebenso mit einem Anwachsen von R, was mit dem Anwachsen der Wicklungstemperatur eintrifft. Dies ist der Grund, weshalb der Block 13 auch "Block zur Erfassung der Motortemperatur" benannt wird.
Der Block 14 besteht aus vier Komparatoren OA&sub3;, OA&sub4;, OA&sub5;, OA&sub6;, welche analoge Eingangssignale M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;, M&sub4; aufweisen und Rechteckwellen als Ausgang erzeugt mit Zustandsübergängen in Übereinstimmung mit den Durchgängen von M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;, M&sub4; für die durch die Potentialteiler R&sub2;, R&sub3; des Blocks 15 vorgegebenen Werte.
Die Ermittlungen im Block 14 werden auf Grund der durch die genannten Potentialteiler R&sub2;, R&sub3; vorgegebenen Nullwerte durchgeführt. Die Signale, welche in der nachfolgenden Logik verwendet werden können, sind 1, 2, und . Dabei sind die Komparatoren des Blocks 14 so verbunden, daß die Einfügung von Umkehrungen vermieden wird, so daß die Signale , erhalten bleiben.
Während des Schaltvorganges können die Signale an M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;, M&sub4; in den AUS-Zuständen jedes Transistors zusätzliche Spannungen erzeugen, und zwar infolge Streuinduktivitäten, welche die Leistungstransistoren beschädigen können. Um dies zu vermeiden, weist der Block 15 Dioden D&sub1;, D&sub2;, D&sub3;, D&sub4; auf, durch welche ein Kondensator C&sub1; erreicht wird. Dieser hat die Aufgabe, diese Spannungen, welche nie gleichzeitig auftreten, vor den Transistoren zu absorbieren. Der genannte Block 15 hat, neben der Aufgabe, die genannten zusätzlichen Spannungen durch C&sub1; auszufiltern, auch die Aufgabe, den Wert von E im Verhältnis zu VB für jede Phase festzustellen, da das genannte Signal verwendet wird, um den Schaltkreis 14, der bereits betrachtet wurde, über die Widerstände R&sub2;, R&sub3; mit einer Vorspannung zu versorgen, was einen variablen Bezug zur Drehgeschwindigkeit des Motors ergibt.
Ein Vorlauf auf den Schaltvorgang wird erzeugt, weil die Ermittlung an den Rechteckwellen an 1, 2, , mit Bezug auf einen Spannungswert erfolgt, welcher mit der Drehgeschwindigkeit mehr und mehr ansteigt. Tatsächlich bestehen die Signale, welche von D&sub1;, D&sub2;, D&sub3; und D&sub4; ausgegeben werden, aus dem Schaltstoß des Schaltvorganges und der elektromotorischen Kraft, welche abwechselungsweise auf einer der Phasen vorhanden sind. Dieses als VB bezeichnete Signal wird gegenüber VB im Verhältnis R&sub4;/(R&sub1;+R&sub4;) abgeschwächt, wobei die genannte Abschwächung von Motor zu Motor ausgelöst wird, je nach dem gewünschten Vorlauf gegenüber dem Schaltvorgang. Das im Verhältnis R&sub4;/(R&sub1;+R&sub4;) abgeschwächte Signal ist dasjenige, welches nach dem Potentialteiler R&sub2;, R&sub3; erscheint. Das Signal nach D&sub1;, D&sub2;, D&sub3;, D&sub4; wird durch den Kondensator C&sub2; gefiltert, um eine kontinuierliche Komponente eines zur Drehgeschwindigkeit des Motors proportionalen Signals zu ergeben.
Der Block 12 gibt das Signal SO aus. Dieses ist proportional zur Drehgeschwindigkeit des Motors. Es wird erhalten als Differenz zwischen dem am Ende des Potentialteilers R&sub2;, R&sub3; durch das Betriebselement OA&sub1; gelesenen Signal und einem durch das Betriebselement OA&sub2; zwecks seiner Löschung gelesenen Signal VB, welches auf dem Potentialteiler R&sub2;, R&sub3; aus der diffenzierenden Verwendung der beiden Betriebselemente OA&sub1; und OA&sub2; ebenfalls vorhanden ist. Dies erzeugt ein Signal welches am Widerstand R&sub6; nur der Drehgeschwindigkeit des Motors proportional ist.
Der Steuerkreis 21 (Fig. 8) umfaßt einen Block von Wattkomponenten 22, welche aus vier Leistungstransistoren B&sub1;, B&sub2;, B&sub3;, B&sub4; und vier mit diesen parallelgeschalteten, umgekehrt mit Vorspannung versorgten Dioden, um die Stöße in den durch jeden der Transistoren gesteuerten Wicklungen, welche den Kommutator umpolen würden, zu absorbieren.
Der Block 20 hat die Aufgabe, die Information der Signale CL1,4 und CL2,4 betreffend die Abfälle R·i in den verschiedenen Wicklungen weiterzugeben um die Wattkomponenten zu steuern. Da die Schaltkreise für die Signale CL1,3 und CL2,4 identisch sind, wird nur der CL1,3 betreffende geprüft.
Neben R·i enthält das Signal CL1,3 auch ein "Fehlersignal". Dies infolge der Tatsache, daß die Wicklungen M&sub1;, M&sub2; mit VB gespiesen werden, so daß eine Variation der Speisespannung auf den Potentialteiler R&sub1;&sub8;, R&sub2;&sub0; (siehe oben) übertragen wird.
Dadurch wird in CL1,3 ein Signal erzeugt, welches die Variation der Speisespannung angibt. Um die genannte Information zu löschen, wird am Widerstand R&sub4;&sub0; ein Signal erzeugt, welches der Differnz zwischen CL1,3 und VB proportional ist und diese Information, die im Zusammenhang mit dem benötigten Abfall R·i nicht sachdienlich ist, ausschließt.
Das Signal am Widerstand R&sub4;&sub0; geht zu einem Verstärker OA&sub1;&sub1;, welcher durch seinen Ausgang mittels der Leistungsverstärkung durch die Transistoren TR&sub1;&sub2; und TR&sub1;&sub4; im Linearmodus die betreffenden Leistungstransistoren der Wicklungen M&sub1;, M&sub3; steuert. Diese Methode der linearen Steuerung des Motors durch Stromsteuerung ergibt nicht nur die beste dynamische Antwort des Drehgeschwindigkeits-Steuersystem, wie es von automatischen Steuerungen bekannt ist, sondern bewirkt, als begleitende Leistung, auch eine "Abflachung" der Stromwellenform in den Wicklungen. Dies ergibt eine praktisch Gleichstrom entsprechende Stromwellenform mit einem minimalen Gehalt an Harmonischen und reduziert den mechanischen und elektrischen Lärm auf ein Minimum. Die Steuerung durch OA&sub1;&sub1; erfolgt über die Widerstände R&sub5;&sub6; und R&sub5;&sub8;. Da zur Steuerung beider Wicklungen von OA&sub1;&sub1; nur ein Ausgang besteht, muß das Signal an der Wicklung, welche nicht einzuschalten ist, für eine bestimmt Zeit gelöscht werden. Die Logik 23 erdet dann das Ausgangssignal R&sub5;&sub6; oder R&sub5;&sub8;, und das gewünschte Signal wird an die entsprechende Wicklung weitergeleitet. Die sauberen Signale, welche an den Widerständen R&sub4;&sub0; und R&sub4;&sub9; vorhanden sind und PL&sub1; und PL&sub2; genannt werden, werden auch im Schaltkreis 32 verwendet, dessen Beschreibung folgt.
Der Schaltkreis 20 enthält auch die Signale SA und 2SC, welche durch die in in den Zeichnungen dargestellte Logik die beiden Leistungstransistoren abschalten. Die genannten Transistoren steuern M&sub2; und M&sub4; und setzen die Transistoren TR&sub1;&sub0; und TR&sub1;&sub1; auf EIN. Zwei der vier Wicklungen, welche eine der beiden Phasen darstellen, werden daher abgeschaltet, und der Motor läuft einphasig.
Die Logik 23 setzt mit dem Signal OFFL die vier Transistoren TR&sub8;, TR&sub9; TR&sub1;&sub0; und TR&sub1;&sub1; auf EIN und schaltet alle Leistungstransistoren aus, während D1,3 und D2,4 - welches Logiksignale, die ein Einschalten der Leistungstransistoren ermöglichen, sind - die verschiedenen Transistoren TR&sub8;, TR&sub9;, TR&sub1;&sub0; und TR&sub1;&sub1; an- und abschalten, um die Leistungstransistoren in der gewünschten Reihenfolge auf EIN zu schalten.
Im Eingabe-Block 26 (Fig. 9) findet sich als erstes der EIN/AUS-Block 29, welcher zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweist. Das erste Eingangssignal AI wird zu einem Verstärker OA&sub1;&sub3;, welche Hysteresis aufweist, gesandt, welcher das Eingangssignal AI an die Diode D&sub1;&sub2; mit einem vorbestimmten Schwellenwert überstellt. Wenn die Signalstärke, welche durch das Betriebselement OA&sub1;&sub3; mit einer gewissen Hysteresis gelesen wird, den genannten Schwellenwert übertrifft, erfolgt, dank der Widerstände R&sub7;&sub1; und R&sub7;&sub4;, im Betriebsausgang eine Änderung des Zustandes, um dem gesamten Modul das Zustimmungssignal zu erteilen. Das genannte EIN/AUS-Signal steuert den bereits beschriebenen Logik-Block 23.
Von dem genannte Block 29 geht ein Signal OFFL aus, welches vom vorangehenden verschieden ist, weil es in OR mit O&sub6; mit einem sich vom Schutzkreis MOP hergeleiteten Signal eine andere Logik steuert.
Der zweite Block 30 erfüllt zwei verschiedene Funktionen: Die eine betrifft die Behandlung des Signal AI, welches durch das Betriebselement OA&sub1;&sub4; die Ausgangssignale 2SC und TC erzeugt, die dem Steuereingang proportional sind. Das Betriebselement OA&sub1;&sub4; kann in verschiedener Weise verkörpert sein, z. B. in der in den Fig. 9a bis 9f klar dargestellten Weise. Dabei führt der Steuerkreis von Fig. 9a eine Drehmoment-Steuerung aus, während derjenige von Fig. 9b eine Drehgeschwindigkeits- Steuerung und der Steuerkreis von Fig. 9c mit dem Sensor NTC eine Zwei-Drehgeschwindigkeiten-Steuerung ausführt. Der Steuerkreis von Fig. 9d ist gleich wie derjenige von Fig. 9a, weist jedoch einen NTC-Eingang auf. Der Steuerkreis von Fig. 9e ist gleich wie derjenige von Fig. 9b, weist aber einen NVT-Eingang auf, und der Steuerkreis von Fig. 9f ist gleich wie derjenige von Fig. 9c, weist aber ein Drei-Zustände-Eingang auf, um den EIN/AUS-Zustand sowie zwei Drehgeschwindigkeiten zu steuern.
Der andere Teil des Blocks 30 ist mit dem Signal SA verknüpft und setzt den Transistor TR&sub1;&sub6; auf EIN. Dies zwingt den Ausgang des Rückkopplungs-Verstärkers, welcher das Betriebselement OA&sub1;&sub4; verwendet, den höchstmöglichen Wert anzunehmen. Dieser wird durch die Zenerdiode DZ unabhängig vom Ausgangssignal AI begrenzt. Da das Signal SA im Moment des Motorstarts vorhanden ist und verschwindet, wenn der Minimalwert der vorbestimmten Drehgeschwindigkeit erreicht ist, ist das Vorhandensein von 2SC und TC mit ihrem Maximalwert beim Start auf die Tatsache zurückzuführen, daß für den Start des Motors immer das maximale Drehmoment verlangt wird, um beim Start des Motors Probleme infolge von angesammeltem Schmutz oder Frost zu vermeiden. Das Signal TC wird für die laufende Stromsteuerung im Steuerkreis 21 verwendet, während das Signal 2SC verwendet wird, wenn die Anwendung mit einem auf einer oder beiden Phasen gesteuerten Motor gewünscht wird.
Der dritte Schaltkreis 32 erzeugt ein Signal PM, welches mit dem Block 25, den der Schutzkreis in Betrieb gesetzt hat) kommuniziert. Das Signal PM existiert, d. h. es befindet sich im Zustand i, wenn einer der Ausgänge PL&sub1;, PL&sub2; durch das Betriebselement OA&sub1;&sub5; oder OA&sub1;&sub6; (dasjenige mit dem höchsten Wert) dem Eingang von OA&sub1;&sub7; einen Wert zuführt, der höher als der im anderen OA&sub1;&sub7;-Eingang vorhandene ist. Der Wert PL&sub1;, PL&sub2; ist, wie erwähnt, dem Strom in den Phasen proportional. Mit anderen Worten: Am plus-Eingang von OA&sub1;&sub7; tritt der höhere Stromwert jedes der vier Wicklungen auf. Auf der minus-Seite von OA&sub1;&sub7; können zwei Signalarten auftreten: Die eine ist SO, welche der Drehgeschwindigkeit des Motors proportional ist. Eine andere leitet sich vom Potentialteiler R&sub1;&sub1;&sub4;, R&sub1;&sub1;&sub5; ab und kann von außen vorbestimmt werden. Der Ausgangszustand 1 von OA&sub1;&sub7; tritt auf, wenn die Ströme in den Phasen auf der minus-Seite von OA&sub1;&sub7; für jeden Wert von SO und jeden durch den Potentialteiler R&sub1;&sub1;&sub4;, R&sub1;&sub1;&sub5; vorbestimmten Schwellenwert diese Werte überschreiten. Die genannte Bedingung, welche dank des Potentialteilers Motor um Motor behandelt werden kann, bewirkt die Entdeckung einer Gefahrensitutation, welche in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Motors verschieden sein kann-, da bei gleichem Strom am Eingang der Schwellenwert des Vergleichs von Stromsignalen durch das SO-Signal mit der Drehgeschwindigkeit variiert. Tatsächlich werden der Motor und sein elektronischer Antrieb durch die Drehgeschwindigkeit des Motors gekühlt, so daß höhere Ströme mit höheren Drehgeschwindigkeiten erlaubt sind, ohne daß dies eine Gefahrenbedingung darstellt. Die Bedingung niedriger Drehgeschwindigkeit mit hohen Stromwerten dagegen wird durch die Tatsache herausgehoben, daß mit abnehmendem SO der Schwellenwert für den Vergleich von Stromwerten erniedrigt wird.
Der Motor- und Steuerungsschutz-Block 24 umfaßt (siehe Fig. 10) für den elektronischen Schutz 25' wobei dessen Eingangssignal VB durch R&sub8;&sub4; und den Kondensator C&sub9; gefiltert wird. VB erzeugt eine +Vcc-Einspeisung, welche dem durch die Zenerdiode DZ&sub2; und durch den Transistor TR&sub1;&sub8; regulierten elektronischen Antrieb zur Verfügung steht.
Weiter ist am Kommutator TR&sub1;&sub8; ein Widerstand R&sub9;&sub3; vorgesehen, welcher unter normalen Betriebsbedingungen so ausgelegt ist, daß er an seinen Enden einen niedrigeren Spannungsabfall aufweist als die Spannung, mit welcher die Emitter TR&sub2;&sub0;, TR&sub2;&sub1;, TR&sub2;&sub3;, TR&sub2;&sub4; durch den Potentialteiler R&sub8;&sub8;, R&sub8;&sub9; versorgt werden. Dies bedeutet, daß unter normalen Betriebsbedingungen der DZ&sub2; und TR&sub1;&sub8; einschließende Schaltkreis nur als VB-Spannungs- Einsteller funktioniert, welcher eine mehr oder weniger konstante Vcc für den elektronischen Antrieb erzeugt. Falls VB einen vorbestimmten Wert übersteigt, hat der Transistor TR&sub1;&sub8; immer mehr Strom zu absorbieren, da Vcc dazu neigt, konstant zu bleiben. Der genannte Strom erzeugt einen ständig ansteigenden Abfall von R&sub9;&sub3;, bis er den Spannungs-Schwellenwert der Emitter TR&sub2;&sub0;, TR&sub2;&sub1;, TR&sub2;&sub3;, TR&sub2;&sub4; übersteigt und sie auf EIN setzt. In diesem Moment setzen sie die vier Basen B&sub1;, B&sub2;, B&sub3;, B&sub4; der Transistoren auf EIN, und eine bemerkenswerte Menge an Kurzschlußstrom wird durch die von allen vier Motorwicklungen abgehenden Leitungen absorbiert. Die genannte anormale Stromabsorption kann die Sicherung durchbrennen oder den Übergangsstrom an der Batterie herabsetzen. In beiden Fällen findet ein Schutz der elektronischen Antriebes statt.
Der zweite Block 25 ist im wesentlichen ein Kippgenerator, der angetrieben wird durch TR&sub1;&sub7;, TR&sub1;&sub9;, TR&sub2;&sub2; und die Signale SA, PM und EIN/AUS, welche ein durch die Logik 29 verwendetes Ausgangssignal MOP erzeugen. Das EIN/AUS-Signal durch TR&sub2;&sub2; ermöglicht es dem Oszillator, in Betrieb zu sein, wenn das Modul in Betrieb ist, und hält den Kondensator geerdet, wenn das Modul außer Betrieb ist. TR&sub1;&sub7; dagegen wird durch PM, SA und MOP angetrieben. Wenn es im EIN-Zustand gehalten wird, schaltet es TR&sub1;&sub9; aus, wobei es die Basis geerdet hält. Der Kondensator C&sub1;&sub0; des Oszillators wird in die Lage versetzt zu oszillieren, so daß der Oszillator beginnt, ein rechteckwelliges MOP-Signal als Steuersignal für EIN/AUS-Schutzzustände zu erzeugen. Das MOP-Signal wird durch R&sub8;&sub7; zum Eingang zurückgeführt, um zu verhindern, daß dann, wenn der Schutzkreis die Wattkomponenten abschaltet, das genannte Signal am PM- oder SA-Eingang verschwindet, und den Betrieb des Oszillators wieder zu ermöglichen. Wenn der elektronische Antrieb im AUS-Zustand sein muß, weil er geschützt ist, wird TR&sub1;&sub7; durch das MOP-Signal und den Widerstand R&sub8;&sub7; im EIN-Zustand gehalten, so daß der Oszillator während der ganzen Schutzphase nicht gestört wird.
Die EIN- und AUS-Perioden des Oszillators sind verschieden, wobei die EIN-Periode wenige Sekunden dauert und die AUS- Periode fünf- bis sechsmal länger ist. Der Mittelwert der EIN- Periode muß sehr klein sein, so daß die mittlere Erhitzung des Motors geringer ist als die Erhitzung unter normalen Betriebsbedingungen. Dank dieses Verhältnisses von kurzer EIN-Periode zu langer AUS-Periode treten im Motor keine thermischen Schäden auf.
Der Motor versucht bei jedem Zyklus wieder zu starten. Dies gelingt, wenn die Behinderung weggefallen ist. Wenn nicht, fährt der Oszillator fort, eine nichtgefährliche Überspannungs- und Überstrom-Bedingung aufrechtzuerhalten.
Der Ausgang des Lade- und Entlade-Kondensator C&sub1;&sub0; ist auf die Widerstände R&sub9;&sub5; und R&sub9;&sub6; aufgeteilt, um eine von der AUS-Periode verschiedene EIN-Periode zu erhalten. Der genannte Widerstand R&sub9;&sub5; ist in einer Richtung parallel zum Widerstand R&sub9;&sub6;, wenn der Kondensator geladen wird, während in der anderen Richtung R&sub9;&sub6; nur darum arbeitet, weil die Diode 16 nun dem R&sub9;&sub5; zu arbeiten erlaubt. Demzufolge sind Lade- und Entlade-Zeiten verschieden und erzeugen, wie erwähnt verschiedene EIN- und AUS-Perioden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 11 wird nur die im gestrichelten Teil A des Diagramms von Block 16 enthaltene Einheit, "Logik für undidirektionelle Rotation und digitales Schaltstoßfilter" genannt besprochen. Dieser Teil betrifft die Steuerung von M&sub1;, M&sub3;, welche mit der im gestrichelten Teil B veranschaulichten Steuerung von M&sub2;, M&sub4; identisch ist.
Die Steuerung der zwei Wicklungen der Phase M&sub1;, M&sub3; ist mit der Verarbeitung der Signale 1, , . welche aus dem bereits besprochenen "Block für die Ermittlung der Rotorstellung" herrühren, zusammen.
Fig. 12, welche die Wellenformen an den vier Wicklungen des Motors (M&sub1;/M&sub3; für die eine Phase, M&sub2;/M&sub4; für die andere) mit den zugehörigen Logiksignalen, welche durch den Motor-Sensoren-Block für die gewünschte Drehrichtung erzeugt werden, veranschaulicht, zeigt eine mögliche Antriebslogik (die Steuerung von M&sub3; wird durch das Steuersignal von M&sub1; einfach aufgehoben, da die verlangte Speisung von M&sub1; und M&sub3; um 180º elektrisch versetzt ist). Die genannte Steuerlogik ist 1 + , d. h. "ODER" zwischen Signal " " und "UND" von Signal "1 und ". Tatsächlich kann, da die Steuerungen von M&sub1; und M&sub3; um 180º elektrisch versetzt und in Phase mit der elektromotorischen Kraft sein müssen, gesehen werden, daß M&sub1; im EIN-Zustand sein muß, bis an M&sub3; eine positive elektromotorische Kraft gelesen wird, die eine höhere VB ist, insbesondere den durch den Bezugs-Schwellenwert bestimmten Wert. Dabei wir ein hoch erzeugt.
Das "UND" von "1" und "2", welches über die ersten 90º erhalten bleibt, während welcher Zeit das 3 hoch erzeugt wird, wird auf "ODER" gesetzt, um zu verhindern, daß der auf M&sub3; vorhandene Schaltstoß beim Abschalten des betreffenden Transistors (Fig. 12, Teil A - nur im schraffierten Bereich gezeigt) das Signal niedrig erzeugen kann (Fig. 12, Teil B). Dies würde nämlich M&sub1; abschalten und M&sub3;, welche die Schwingungen triggert, anschalten, wodurch der Schaltstoß am soeben beschriebenen " " maskiert würde. Diese Basis-Logik wurde durch andere Kunstgriffe verstärkt, um sie sowohl immun zu machen gegen die Schaltstöße, welche bei den um 90º versetzten Phasen induziert werden, als auch in die Lage zu versetzen, eine Sequenz von Steuersignalen nur dann zu erzeugen, wenn die Drehrichtung die verlangte ist. Es wird eine verzögerte Immunität gegenüber den an " " vorhandenen Schaltstößen bei einer Versetzung um 90º gegenüber dem Abschalt-Zeitpunkt von M (Fig. 12, Punkte C, D, E) erhalten, wobei das Signal "2" mit der Gruppe R&sub2;&sub4; C&sub6; und dem aus R&sub2;&sub6;, R&sub2;&sub7;, OA&sub7; bestehenden Komparator verzögert wird. Auch das "2"-Signal wird umgekehrt, da es für den "umkehrenden" Eingang von OA&sub7; bestimmt ist (Fig. 13).
Auf diese Weise wird "UND" 1 r auf den Schaltstoß an " ", welcher sich, wie bereits beschrieben, von den Schaltvorgängen in den Wicklungen M&sub2;/M&sub4; ableiten, erstreckt. Das Suffix r wurde " " beigefügt, um die am Signal "2" vorgenommene Verschiebung anzuzeigen. Die Erzeugung einer Steuersequenz (welche am Ausgang des Gate A&sub7; verfolgt werden kann) nur dann, wenn die Drehrichtung die richtige ist, erfolgt mit dem "Block", welcher die Gates A&sub3;, I&sub2;, I&sub3;, A&sub4;, A&sub7; benützt.
Der genannte Schaltkreis hat die Aufgabe zwischen den Signalen "1" und " " "UND" nur dann auszuführen> wenn das Signal "1" im Ausgang A&sub3; nach dem Signal " r" im Ausgang A&sub4; erscheint. Wenn die Sequenz korrekt ist (Fig. 12), erscheint das Signal " r" tatsächlich zuerst, und man erhält am Eingang des Schaltkreises eine Situation, wie in der folgenden Tabelle: Signale "vorher"-Wert "nachher"-Wert
Das Signal 0 am Eingang A&sub3; übernimmt den Ausgang von A&sub4; mit dem Wert 1. Es kann leicht gesehen werden, daß der Ausgang von A&sub4; im genannten Zustand verbleibt, auch wenn die Eingabe "1" vom Wert 0 auf den Wert 1 geht. Wenn dies geschieht, geht der Ausgang von "UND" A&sub7; auf den Wert 1, d. h. der Block hat "UND" der Signale "1" und "2" ausgeführt.
Falls die Drehrichtung entgegengesetzt der gewünschten ist, ist die Situation wie folgt: Signale "vorher"-Wert "nachher"-Wert
Eine 0 am Eingang von A&sub4; erzeugt eine 0 am Ausgang von A&sub4;. Da der andere Eingang von A&sub4; auf 0 gestellt wird, läßt der Übergang des Signals " r" vom Wert 0 zum Wert 1 den Ausgang von A&sub7; auf dem Wert 0.
Daher wird bei dieser zweiten Hypothese das "UND" der Signale "1" und " r" nicht ausgeführt. Das Gate O&sub4; wurde dem Steuerkreis mit dem Zweck angefügt, die Steuerlogik gegenüber jeder Art von Störsignalen unempfindlich zu machen und sie nur im Falle der richtigen Drehrichtung zu betreiben. Das genannte Gate hat den Zweck, im Ausgangs-Steuersignal bei A&sub7; eine Verriegelung zu schaffen, welche bezüglich der am Eingang "1" vorhandenen Schaltstöße in gleicher Weise wirkt wie ein Filter, wenn der Ausgangswert von A&sub7; den Wert 1 erreicht hat.
Die Gates A&sub1; und O&sub2; erzeugen das "ODER" von 1 r+ nur, wenn der Ausgabe von A&sub7; den Wert 1 hat. Dies tritt nur dann ein, wenn die Drehrichtung die richtige ist.
Wie dem Diagramm 12 (Punkt B - schraffierter Bereich) entnommen werden kann, ist die Steuerung bezüglich der Wicklungen M&sub2;/M&sub4; der zweiten Phase genau identisch mit dem, was soeben bezüglich der Wicklungen M&sub1;/M&sub3; der ersten Phase ausgeführt wurde. Dabei wird die Logik 2 1+4r verwirklicht> wobei das "UND" der Signale "1" und "1r" nur ausgeführt wird> wenn "2" nach "1r" eintrifft.
Der Block 19 ist im wesentlichen ein Hysteresis-Schaltkreis, welcher die Drehgeschwindigkeits-Signale SO mit vorgegebenen Schwellenwerten vergleicht. Das Ausgangssignal SA ist "hoch", wenn die Drehgeschwindigkeit unterhalb des vorgegebenen Wertes liegt und entspricht normalerweise einer Drehgeschwindigkeit, welche nur wenige Prozent der Arbeits-Drehgeschwindigkeit beträgt. Diese Logik dient dazu, die Anfangs-Schaltstöße und die Drehgeschwindigkeits-Bedingung zu diskriminieren.
Der Block 17 besteht aus einem Kippgenerator vom bekannten Typ. Er wird durch das Betriebselement OA&sub1;&sub0; und die Widerstände R&sub3;&sub4;, R&sub3;&sub5;, R&sub3;&sub6;, R&sub3;&sub7; verwirklicht. Er ist in die Steuerleitung D1,3 eingefügt und dadurch gekennzeichnet, daß er Schwellenwerte überträgt, wobei der Kondensator C&sub8; durch den Widerstand R&sub3;&sub3; abwechslungsweise zwischen den Zuständen 0 und 1 von D&sub1; oszillieren kann. Die Ausgestaltung von R&sub3;&sub3;, R&sub3;&sub4;, R&sub3;&sub5;, R&sub3;&sub6; ist so, daß für den Fall, wo D&sub1; konstant ist (entspricht dem "Lesen" des stillstehenden Motors), der Oszillator mit seiner Eigenfrequenz schwingt und abwechslungsweise D1,3 ändert. Er schaltet somit nacheinander auf M&sub1; und M&sub3;, wobei die richtige Phasenlage ignoriert wird. Dies erzeugt eine gelegentliche Bewegung des Motorrotors, welcher, indem er eine elektromotorische Kraft erzeugt, der oben beschriebenen Drehgeschwindigkeits-Logik die Information für die Erzeugung der korrekten Signale an D&sub1; aus dem Synchronisationspunkt liefert, damit die Drehung in der verlangten Drehrichtung erfolgt. Die Zusandsänderungen von D&sub1; sind derart, daß der Oszillator dazu gebracht wird, daß er sich mit der Frequenz und der Phase von D&sub1; verriegelt. Mit anderen Worten: Was die Zustandänderungen von D&sub1; betrifft, so entspricht das Signal D1,3 am Ausgang des Oszillators genau dem Signal D&sub1;.
Der obenerwähnte synchronisierte Oszillator ist auch dadurch gekennzeichnet, daß eine Betriebsverriegelungs-Logik gesteuert wird entweder durch das Signal OFFL hoch mit dem Motor AUS, oder durch das Betriebselement O&sub1;, welches verriegelt ist durch die Logik A&sub9;, I&sub6;> die ein hohes Signal - somit ein Verriegelungssignal - abgibt, wenn das SA hoch ist und der Motor in der falschen Richtung dreht, und ebenso, wenn 0 an D1 und abwechslungsweise 0 und 1 am Ausgang von O&sub4; vorliegen. Diese letzte Lösung ist notwendig, um zu vermeiden, daß der Oszillator unerwünschte Schaltvorgänge an M&sub1;, M&sub3; durchführt, wenn ein gelegentlicher Start in der falschen Drehrichtung stattfindet.

Claims

1. Elektronisches Antriebssystem, welches einen bürstenlosen, zweiphasigen Gleichstrommotor mit vier uni polaren Wicklungen (M&sub1;-M&sub4;) und eine elektronische Steuerung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, - daß der Motor eine derartige Geometrie der Nuten und des Magnetfeldes aufweist, daß in jeder Wicklung eine trapezförmige Spannung erzeugt wird, die es dem elektronischen Antrieb erlaubt, den bestmöglichen Schaltzeitpunkt an den trapezförmigen Wellen durch Analyse der in den Wicklungen induzierten Spannungen zu bestimmen; - daß jede Wicklung jeder Phase so gesteuert wird, daß sie um 180 Grad versetzt erregt wird; - daß die Wicklungen des Motors so gesteuert werden, daß der Motor arbeitet - als erster einphasiger Motor, wenn lediglich die erste (M&sub1;) und die dritte Wicklung (M&sub3;) erregt werden; - als zweiter einphasiger Motor, wenn lediglich die zweite (M&sub2;) und die vierte Wicklung (M&sub3;) erregt werden; und - als zweiphasiger Motor, wenn nacheinander die vier Wicklungen erregt werden.

2. Elektronisches Antriebssystem nach Anspruch 1, bei welchem der durch die Steuerung unter den drei unterschiedlichen Betriebsmodi gewählte Motormodus aus dem Netz einen Strom aufnimmt, welcher im wesentlichen ein Gleichstrom ist, indem jede Phase mit einem Leitwinkel betrieben wird, welcher für jeden der zwei einphasigen Motoren um 360 Grad (180 Grad + 180 Grad) verschoben ist.

3. Elektronisches Antriebssystem nach Anspruch l, welches aufweist: - einen "Motor-Sensoren"-Block (11), welcher durch Verarbeitung der an den enden der genannten Wicklungen vorhandenen Spannungswellen-Formen die Stellung des Rotors (14), die Geschwindigkeit und den Ri-Spannungsabfall an den Wicklungen erfaßt; - einen "Start und Steuer-Schaltkreis"-Block (18), welcher die Signale des "Motor-Sensoren"-Blocks (11) so verarbeitet, daß das Startsignal und eine Sequenz der Steuersignale für das Schalten jeder Wicklung erzeugt werden, um sicherzustellen, daß die Rotation nur in der gewünschten Richtung stattfindet und die beste Wirkung der genannten Schaltungen erhalten wird; - einen einen analogen oder digitalen Eingang umfassenden "Eingabe"-Block (26), welcher die Geschwindigkeit oder das Drehmoment des Motors kontinuierlich steuert, oder welcher den Betriebsmodus von einphasig bis zweiphasig auswählt, wobei der genannte Block auch den EIN/AUS-Zustand steuert und es erlaubt, an einem anderen Eingang für jede Motor-Betriebsart einen vorbestimmten Motor- Schutz-Schwellwert festzulegen; - einen "Motor- und Steuerungsschutz"-Block (24), welcher die Signale der Motorgeschwindigkeit, des Stromes in den Wicklungen und des vorbestimmten Motorschutz-Schwellwerts verarbeitet und über das Eingreifen eines Oszillators entscheidet, welcher den Motor EIN/AUS schaltet mit genügend kurzen EIN-Zeiten im Verhältnis zu den AUS-Zeiten, um die Wicklung und elektronischen Komponenten zu schützen, solange der anomale Zustand besteht; und - einen "Steuerkreis"-Block, welcher das Verbindungsglied zwischen allen obenerwähnten Blöcken und Wicklungen des Motors bildet und sowohl den EIN/AUS-Zustand und den Strompegel der genannten Wicklungen steuert.

4. Elektronisches Antriebssystem nach Anspruch 3, bei welchem der "Motor-Sensoren"-Block (11) eine Definitions-Logik (12) für den Schaltpunkt umfaßt, mit einem mit der Motorgeschwindigkeit variierenden Schwellwert, wobei der genannte "Motor-Sensoren"-Block mit zunehmender Geschwindigkeit einen zunehmenden Pegel an elektromotorischer Kraft empfängt und einen dynamischen Schaltvorlauf erzeugt.

5. Elektronisches Antriebssystem nach Anspruch 3, bei welchem im "Motor-Sensoren"-Block (11) der Ri-Abfall durch einen Schaltkreis (13) festgestellt wird, welcher die Differenz zwischen den Signalen auf den zwei Wicklungen der gleichen Phase feststellt.

6. Elektronisches Antriebssystem nach Anspruch 3, bei welchem der "Start- und Steuerkreis" (18) das Startsignal mittels eines "synchronisierten" Oszillators (17) erzeugt, welcher den Motor speist, um auf der Frequenz, auf welche der Oszillator synchronisiert ist, elektromotorische Kraft zu erzeugen.

7. Elektronisches Antriebssystem nach Anspruch 3, bei welchem der "Steuerkreis"-Block (21) die Steuersignale erzeugt, welche die Rotation in einer Richtung sicherstellen, indem er logische Signale nicht nur in statischer Weise sondern auch in Abhängigkeit von der zeitlichen Reihenfolge der genannten Signale erzeugt.

8. Elektronisches Antriebssystem nach Anspruch 3, bei welchem der "Eingabe"-Block (26) stets den Start im zweiphasigen Modus und in der gewünschten Drehrichtung sicherstellt, wenn der Einphasen-Motor arbeitet.

9. Elektronisches Antriebssystem nach Anspruch 3, bei welchem der "Eingabe"-Block (26) einen Schaltkreis umfaßt, welcher den Start des Motors mit dem maximal erlaubte Strom sicherstellt, um mögliche statische Reibungen zu überwinden und den genannten Zustand aufrechterhält, bis eine gewisse vorgegebene minimale Geschwindigkeit erreicht ist.

10. Elektronisches Antriebssystem nach Anspruch 3, bei welchem der in einphasigem/zweiphasigem Modus laufende Motor die Möglichkeit ergibt, ein Zwei-Geschwindigkeits-System zu erhalten, welches in beiden Betriebszuständen die Leistungstransistoren in gesättigtem Zustand leitend erhält, so daß sie möglichst wenig Verlustleistung abgeben.

11. Elektronisches Antriebssystem nach Anspruch 3, bei welchem der "Motor- und Steuerungsschutz"-Block (24) den für die Rotationsgeschwindigkeit maximal zulässigen Strom beeinflußt, indem er die Einflüsse der Kühlung auf den und die Steuerung berücksichtigt.

12. Elektronisches Antriebssystem nach Anspruch 3, bei welchem der "Steuerkreis"-Block (21) in den Einheiten für die Geschwindigkeits- und die Drehmoment-Kontrolle im "Ausgabe"-Block eine lineare Stromsteuerung bewirkt, welche die beste dynamische Antwort ergibt und den elektrischen und mechanischen Lärm auf ein Minimum bringt.