DE3919952A1 - Motorstromregelung fuer einen buerstenlosen gleichstrommotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Motorstromregelung für ei­ nen bürstenlosen Gleichstrommotor gemäß des Oberbegrif­ fes des Anspruches 1.

Ein Gleichstrommotor besteht im einfachsten Fall aus einem sich drehenden Anker mit den Ankerspulen und ei­ nem feststehenden Stator mit einem permanenten Feld­ magnet. Der auf der Welle sitzende Kommutator, der mit der Betriebsspannungsquelle verbunden ist, dient zur Vertauschung der Ankeranschlüsse, um einen einheitli­ chen Drehsinn zu erzielen.

Da ein solcher Kommutator einem großen mechanischen Verschleiß ausgesetzt ist, wurden sogenannte bürstenlo­ se oder kommutatorlose Gleichstrommotoren entwickelt, bei denen die Steuerung des Ankerstromes elektronisch erfolgt. Bei solchen Motoren ist jedoch die Ankerwick­ lung als feststehender Teil (Stator) und der Feldmagnet als rotierender Teil (Rotor) ausgebildet, um die Strän­ ge der Ankerwicklung mit der Baugruppe, die die Steuer­ schaltung enthält, starr verbinden zu können.

Aus dem Datenblatt "MC 33034/D" der Firma Motorola, Seiten 7 bis 15, insbesondere Figur auf Seite 7, links unten, ist eine Schaltung zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors bekannt.

Eine solche Schaltung zeigt die Fig. 1, wonach mit den Bezugszeichen 1, 2 und 4 ein bürstenloser Motor, eine Motorsteuereinheit und eine Treiberstufe bezeichnet ist. Der bürstenlose Motor 1 besteht aus einer Ankerwicklung 6, die drei, im Stern geschaltete Stränge aufweist, einem Rotor 7 mit den Feldmagneten und drei Hallsensoren 8, die zur Detektion der Rotorposition dienen. Die Treiberstufe 4 ist aus drei pnp-Transistoren T₁, T₂ und T₃ sowie aus drei Feld­ effekttransistoren T₄, T₅ und T₆ aufgebaut, wobei je­ weils ein pnp-Transistor und ein Feldeffekttransistor unter Bildung eines Steuerstranges in Reihe geschaltet sind. Somit werden durch die drei Transistorpaare (T₁, T₄), (T₂, T₅) und (T₃, T₆) drei Steuerstränge gebildet, die ihrerseits parallel geschaltet sind und an einem Ende mit der Betriebsspannungsquelle U_CC und am anderen Ende über einen Shuntwiderstand R₁ mit dem Bezugspoten­ tial der Schaltung verbunden sind. Die Stränge der An­ kerwicklung 6 sind derart mit den drei Steuersträngen verbunden, daß jeweils der Verbindungspunkt der in Rei­ he geschalteten Transistoren eines Steuerstranges an einen Strang der Ankerwicklung 6 angeschlossen ist, wo­ durch der Strom durch den entsprechenden Strang steu­ erbar ist. Die Basiselektroden der drei pnp-Transisto­ ren T₁, T₂ und T₃ sowie die Steuerelektroden der drei Feldeffekttransistoren T₄, T₅ und T₆ sind jeweils über eine Leitung mit der Motorsteuereinheit 2 verbunden. Die Sensorsignale der Hallsensoren 8 werden über vier Leitungen 14 der Motorsteuereinheit 2 zur Auswertung zugeführt, um entsprechende Steuersignale über die Lei­ tungen 12 und 13 der Treiberstufe 4 zuführen zu können. Weiterhin enthält diese Motorsteuereinheit 2 einen An­ schluß 10 an das Betriebspotential U_CC sowie einen Puls­ weitenmodulator 3, dessen Eingang 9 an den Abgriff ei­ nes Potentiometers R₂ angeschlossen ist und zur Ein­ stellung der Drehzahl des Gleichstrommotors 1 dient.

Liegt beispielsweise das Potential am Eingang 9 des Pulsweitenmodulators gegenüber dem Bezugspotential der Schaltung sehr hoch, so erfolgt keine Pulsweitenmodula­ tion der den Transistoren T₁ bis T₆ der Treiberstufe 4 zugeführten Spannungsimpulse. Wird jedoch das Potential mittels des Abgriffs an dem Potentiometer R₂ in Rich­ tung auf das Bezugspotential der Schaltung erniedrigt, erfolgt eine Pulsweitenmodulation, indem mit abnehmen­ dem Tastgrad der Strom durch die Stränge der Ankerwick­ lung 6 ebenfalls abnimmt, wodurch die Drehzahl des Mo­ tors reduziert wird. Einen beispielhaften Stromverlauf durch einen der drei Stränge zeigt das Diagramm nach Fig. 4a, wonach das Plateau jedes einzelnen Impulses zwei Spitzen mit einem dazwischenliegenden Einbruch aufweist. Da das Drehmoment des Motors ungefähr propor­ tional zu diesem Strom ist, führen diese Stromschwan­ kungen, insbesondere bei niederen Drehzahlen, zu ver­ mehrten Laufgeräuschen des Gleichstrommotors 1, die unerwünscht sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Motorstromregelung der eingangs genannten Art zu schaf­ fen, die den Motorstrom derart regelt, daß dessen Ver­ lauf nahezu rechteckförmig erfolgt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den kennzeich­ nenden Merkmalen des Anspruches 1.

Durch die erfindungsgemäße Schaltung wird ein dynami­ scher Regelkreis aufgebaut, der den Motorstrom so re­ gelt, daß im wesentlichen keine Spitzen und Einbrüche in dessen Verlauf erzeugt werden, indem ein Teil der Transistoren der Treiberstufe so angesteuert werden, daß sie jeweils als Vorschaltwiderstand wirken, an dem dann ein gewisser Spannungsabfall auftritt, weshalb eine solche Regelung auch als Verlustleistungsregelung bezeichenbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Ausgang des Reglers und den das dritte Spannungssignal zugeführten Steuerelektroden der Tran­ sistoren der Treiberstufe jeweils eine Diode geschal­ tet. Gemäß einer weiteren Ausbildung ist hierbei der Ausgang des Reglers jeweils mit den Kathoden der Dioden und deren Anoden jeweils mit einer einzigen Steuerelek­ trode der Transistoren verbunden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Regler als Komparator ausgebildet, wobei dem nichtinvertierenden Eingang das erste Spannungssignal und dem invertierenden Eingang das zweite Spannungssi­ gnal zugeführt ist.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Ausgang des Komparators mit der Basis eines Treibertransistors verbunden, während die Kollektor­ elektrode des Treibertransistors mit den Kathoden der Dioden verbunden ist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Regler als Differenzintegrator ausge­ bildet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von speziellen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Motorstromregelung,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Motorstromregelung und

Fig. 4b einen beispielhaften Stromverlauf durch einen Strang einer Ankerwicklung eines Motors bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Motorstromregelung gemäß den Fig. 2 und 3.

In Fig. 2 ist mit den Bezugszeichen 1, 2 und 4 ein Gleichstrommotor, eine Motorsteuereinheit und eine Trei­ berstufe bezeichnet, wobei diese Teile denjenigen der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 entsprechen. Auf die Erläuterung der Verschaltung dieser Teile sowie deren Funktionsweise soll an dieser Stelle verzichtet werden, da dies schon bei der Beschreibung der Schaltung nach Fig. 1 erfolgte. Mit dem Bezugszeichen 5 ist ein Reg­ ler bezeichnet, dem einerseits ein dem Istwert des Mo­ torstromes entsprechendes Spannungssignal U_Ist über die Leitung 11 und andererseits ein dem Sollwert des Motor­ stromes entsprechendes Spannungssignal U_Soll über die Leitung 16 zugeführt ist. Das Spannungssignal U_Ist wird als Spannungsabfall an dem Shunt R₁ abgegriffen, da es den Verlauf des Motorstromes darstellt. Es kann daher zur Ausregelung des Strangstromes benutzt werden, da immer genau einer der Transistoren T₄, T₅ und T₆ durch­ geschaltet ist. Das Spannungssignal U_Soll ist durch den Abgriff an dem Potentiometer R₂ einstellbar. Der Poten­ tiometerwiderstand R₂ ist mit seiner einen Elektrode mit dem Betriebspotential U_CC und mit seiner anderen Elektrode mit dem Bezugspotential der Schaltung verbun­ den, Der Ausgang 17 des Reglers 5 ist an die Kathoden von drei Dioden D₁, D₂ und D₃ angeschlossen, wobei de­ ren Anoden jeweils mit einer einzigen Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors T₄, T₅ bzw. T₆ verbunden sind. Der Regler 5 erzeugt in Abhängigkeit der Diffe­ renz der Spannungssignale U_Ist und U_Soll ein Spannungs­ signal U_Stell, das als Stellgröße die Gate-Source-Span­ nung der Feldeffekttransistoren T₄, T₅ und T₆ derart steuert, daß der Strom durch die zwei in einem Längs­ strang liegenden Transistoren T₁ und T₄, T₂ und T₅ bzw. T₃ und T₆ zu- oder abnimmt. Diese Stellgröße wird durch den Regler 5 solange ausgegeben, bis der Motorstrom, der durch den Shunt R₁ fließt, ein Spannungssignal U_Ist erzeugt, dessen Wert mit demjenigen des an dem Poten­ tiometer R₂ eingestellten Spannungssignales U_Soll über­ einstimmt. Mit einem gut dimensionierten Regelkreis ergibt sich ein Stromverlauf gemäß der Fig. 4b, wonach gegenüber dem ungeregelten Motorstrom gemäß Fig. 4a keine Stromspitzen mehr erzeugt werden. Diese nahezu idealen Rechteckimpulse gewähren einen geräuscharmeren Verlauf des Motors.

Die Fig. 3 zeigt eine Ausführung des Reglers 5 als Komperator, mit ansonsten gleichen Elementen wie die Schaltung gemäß Fig. 2. Der Regler 5 umfaßt in dieser Fig. 3 alle in dem gestrichelt gezeichneten Kasten dargestellten Bauelemente. Dem nichtinvertierenden Ein­ gang des Komparators 15 ist über die Leitung 11 das dem Istwert des Motorstromes entsprechende erste Spannungs­ signal U_Ist und dem invertierenden Eingang des Kompara­ tors 15 über die Leitung 16 das dem Sollwert des Motor­ stromes entsprechende zweite Spannungssignal U_Soll zu­ geführt. Der Ausgang des Komparators steuert über einen Widerstand R₃ die Basis eines Treibertransistors T an, dessen Emitterelektrode auf dem Bezugspotential der Schaltung liegt und dessen Kollektorelektrode einer­ seits über einen Widerstand R₄ mit dem Betriebspoten­ tial U_CC und andererseits mit dem Ausgang 17 des Reg­ lers 5 verbunden ist, an dem das Spannungssignal U_Stell zur Ansteuerung der Steuerelektroden der Feldeffekt­ transistoren T₄, T₅ und T₆ abgreifbar ist. Schließlich ist der Ausgang des Komparators 15 über einen Kondensa­ tor C mit seinem invertierenden Eingang verbunden, wo­ durch der Komparator als Differenzintegrator wirkt.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel einer erfindungsge­ mäßen Motorstromregelung ergibt sich ein Stromverlauf durch die Stränge der Ankerwicklung 6 gemäß der Fig. 4b, so daß auch bei niederen Drehzahlen des Gleichstrom­ motors keine vermehrten Laufgeräusche auftreten.

Bei beiden Ausführungsbeispielen der Erfindung gemäß den Fig. 2 und 3, ist der Ausgang 9 des Pulsweiten­ modulators hochohmig über einen Widerstand R₅ auf das Bezugspotential der Schaltung gelegt.

Claims (6)

1. Motorstromregelung für einen bürstenlosen Gleich­ strommotor (1), der Sensoren (8) zur Detektion der Ro­ torposition enthält, mit einer Motorsteuereinheit (2), die mit den Sensoren (8) verbunden ist, und einer meh­ rere Schalttransistoren (T₁, ..., T₆) aufweisenden Trei­ berstufe (4), die Mittel zum Erzeugen eines dem Istwert des Motorstromes entsprechendes erstes Spannungssignal (U_Ist) aufweist′ und sowohl an die Motorsteuereinheit (2) als auch an die Wicklung (6) des Gleichstrommotors (1) angeschlossen ist, wobei jeder Strang der Wicklung (6) mit einem Steuerstrang verbunden ist und jeder Steu­ erstrang aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Transi­ storen ((T₁, T₄), (T₂, T₅), (T₃, T₆)) der Treiberstufe (4) aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß das er­ ste Spannungssignal (U_Ist) sowie ein dem Sollwert des Motorstromes entsprechendes zweites Spannungssignal (U_Soll) einem Regler (5) zugeführt ist, daß der Regler (5) in Abhängigkeit der Differenz des ersten und zwei­ ten Spannungssignales ein drittes Spannungssignal (U_Stell) erzeugt, daß das dritte Spannungssignal (U_Stell) jedem Steuerstrang der Treiberstufe (4) zuge­ führt wird, indem ein Ausgang (17) des Reglers (5) je­ weils mit der Steuerelektrode einer der den Steuerstrang bildenden Transistoren (T₄, T₅, T₆) verbunden wird.

2. Motorstromregelung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Ausgang (17) des Reglers (5) und den das dritte Spannungssignal (U_Stell) zugeführten Steuerelektroden der Transistoren (T₄, T₅, T₆) der Trei­ berstufe (4) jeweils eine Diode (D₁, D₂, D₃) geschaltet ist.

3. Motorstromregelung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang (17) des Reglers (5) jeweils mit den Kathoden der Dioden (D₁, D₂, D₃) und deren An­ oden jeweils mit einer einzigen Steuerelektrode der Transistoren (T₄, T₅, T₆) verbunden ist.

4. Motorstromregelung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler ein Komparator (15) ist, daß das erste Spannungssignal (U_Ist) dem nichtinvertierenden Eingang und das zweite Spannungssignal (U_Soll) dem invertierenden Eingang zu­ geführt ist.

5. Motorstromregelung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang des Komparators (15) die Ba­ sis eines Treibertransistors (T) ansteuert und daß die Kollektorelektrode des Treibertransistors (T) mit den Kathoden der Dioden (D₁, D₂, D₃) verbunden ist.

6. Motorstromregelung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (15) durch eine RC- Beschaltung als Differenzintegrator wirkt.