DE4019778A1 - Schaltungsanordnung zum betreiben eines mehrphasigen synchronmotors an einem gleichspannungsnetz - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Synchronmotors mit mehrphasiger Ankerwicklung an einem Gleichspannungsnetz der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung für einen vierphasigen Synchronmotor (DE 30 42 819 A1) wird das unmittelbar mit der Drehstellung des Rotors verknüpfte Kommutierungssignal nicht aus einem Sensorsignal eines die Rotordrehung überwachenden Sensors, sondern aus den in den gesperrten Wicklungsphasen induzierten Strang- oder Phasenspannungen der Ankerwicklung abgeleitet. Hierzu sind die als Leistungstransistoren ausgebildeten Schalter der Schaltvorrichtung jeweils in Reihe mit einer der Wicklungsphasen der hier im Ständer des Synchronmotors angeordneten Ankerwicklung zwischen dem einen Wicklungsphasenende und dem Nullpotential angeordnet. Die anderen Wicklungsphasenenden der Ankerwicklung sind zu einem Sternpunkt zusammengefaßt, der über einen Netzschalter an das Pluspotential der Netzgleichspannung anschließbar ist. Die Kommutierungslogik ist durch Spannungskomparatoren, durch logische Verknüpfungsglieder und durch einen Ringzähler realisiert, dessen parallele Zählausgänge mit den Steuereingängen der Transistoren verbunden sind. In den Spannungskomparatoren werden jeweils die infolge gesperrter Transistoren in zyklisch aufeinanderfolgenden Wicklungsphasen induzierten Spannungen miteinander verglichen und jeweils ein Ausgangssignal dann ausgegeben, wenn die in der zyklisch folgenden Wickungsphase induzierte Spannung die in der zyklisch vorhergehenden Wicklungsphase induzierte Spannung übersteigt. Diese Ausgangssignale der Spannungskomparatoren sind mit den Zählerausgangsignalen des Ringzählers logisch "UND"- verknüpft, und zwar derart, daß ein Schaltsignal an ein Monoflop dann und nur dann gelangt, wenn die der Wicklungsphase mit der höheren induzierten Spannung zyklisch folgende Wicklungsphase durch Öffnen des zugeordneten Transistors stromdurchflossen ist. Der mit dem Steuereingang des Transistors verbundene Ausgang des Ringzählers führt hierzu H-Potential. Mit der positiven Flanke des Ausgangsimpulses des Monoflops wird der Ringzähler weitergezählt, so daß nunmehr H-Potential an dem nächsten Zählausgang des Ringzählers liegt und der momentan geöffnete Transistor gesperrt und der zyklisch folgende Transistor geöffnet wird.

Bei dieser Schaltungsanordnung werden die Transistoren mit Rechteckimpulsen angesteuert, wobei die positive (Anstiegs-) Flanke des Schaltimpulses für den aufkommutierenden Transistor mit der negativen (Abfall-) Flanke des Schaltimpulses für den abkommutierenden Transistor zusammenfällt. Eine solche Schaltungsanordnung verursacht im Synchronmotor, in Verbindung mit der Schaltungsanordnung auch EC-Motor genannt, erhebliche Geräusche bei der Stromkommutierung, d. h. beim Übergang der Stromführung von der einen momentanen stromleitenden Wicklungsphase (abkommutierenden Wicklungsphase) auf die nachfolgend stromleitende Wicklungsphase (aufkommutierende Wicklungsphase) und ist auch Ursache für Funkstörungen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß unabhängig von der Drehrichtung des Synchron- oder EC-Motors eine Frühkommutierung erzielt wird, d. h. die Kommutierung erfolgt vor dem theoretischen Kommutierungszeitpunkt, der durch die Gleichheit der Strangspannungen in aufeinanderfolgenden Wicklungsphasen festgelegt ist. Durch den damit erzielten Gewinn an magnetischem Fluß steigt die Abgabeleistung des Motors. Die üblicherweise der Kommutierung vorangehenden Stromspitzen treten kaum noch auf, so daß auch die elektromagnetischen Störungen und das Kommutierungsgeräusch reduziert werden.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Schaltungsanordnung möglich.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Schaltungsanordnung eine der Phasenzahl der Ankerwicklung entsprechende Anzahl von Hallsensoren auf. Jeder Hallsensor besitzt in der hier verwendeten Ausführungsform zwei Ausgänge, an denen bei Rotation der Getermagnetanordnung zwei gegeneinander um 90° phasenverschobene Rechteckimpulse mit einem Tastverhältnis größer 1 anstehen. Als ein solcher Hallsensor kann beispielsweise der Hallsensor UGN 3235 K der Fa. Sprague eingesetzt werden. Die beiden Ausgangssignale eines jeden Hallsensors werden in der Kommutierungslogik zur Gewinnung des Steuersignals für den Schalter der zugehörigen Wicklungsphase miteinander logisch verknüpft.

Die logische Verknüpfung der Ausgangssignale bei Verwendung solcher Hallsenoren erfolgt gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zweckmäßigerweise mittels eines flankengesteuerten JK-Flip-Flops, an dessen J- bzw. K-Eingang die beiden Ausgänge des Hallsensors liegen und an dessen Takt- oder Clockeingang die beiden Ausgänge des Hallsensors über jeweils ein Differenzierglied angeschlossen sind.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Gebermagnetanordnung des Sensors zur Erfassung der Rotordrehstellung von den Rotorpolen des Synchronmotors selbst gebildet. In diesem Fall ist der Drehwinkelversatz der am Rotorumfang angeordneten Hallsensoren, deren Anzahl der Phasenzahl der Ankerwicklung entspricht, gleich dem durch das Produkt aus Phasenzahl m der Ankerwicklung und Polpaarzahl p des Rotors dividierten Vollwinkel von 360° festgelegt.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines EC-Motors,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Verknüpfungseinheit in der Kommutierungslogik des EC-Motors gemäß Fig. 1,

Fig. 3 verschiedene Signalverläufe in Abhängigkeit vom Drehwinkel α des Rotors des EC-Motors in Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In dem in Fig. 1 dargestellten Prinzipschaltbild eines sog. EC-Motors ist mit 10 die dreiphasige Ankerwicklung eines Synchronmotors bezeichnet, die mit ihren Wicklungssträngen oder Wicklungsphasen u, v, w im Ständer oder Stator des Synchronmotors untergebracht ist. Der Rotor 11 des Synchronmotors ist beispielhaft zweipolig (Polpaarzahl p = 1) dargestellt. Das Erregerfeld wird im dargestellten Beispiel von einem Dauer- oder Permanentmagnet 12 erzeugt.

Die Wicklungsphasen u, v, w sind an einem Wicklungsende zu einem Sternpunkt zusammengefaßt und an dem Minuspotential der Gleichspannung eines durch "+" und "-" gekennzeichneten Gleichspannungsnetzes angeschlossen. Die anderen Wicklungsenden der Wicklungsphasen u, v, w sind jeweils über einen Leistungstransistor 13-15 einer Schaltvorrichtung mit dem Pluspotential der Netzgleichspannung verbunden. Die Steuereingänge der Transistoren 13-15 sind an den Ausgängen einer Kommutierungslogik 16 angeschlossen. Die Kommutierungslogik 16 stellt das folgerichtige Ansteuern der Transistoren 13-15 in Übereinstimmung mit der Drehstellung des Rotors 11 sicher. Hierzu ist die Kommutierungslogik 16 mit einem die Drehstellung des Rotors 11 erfassenden Sensor verbunden. Dieser Sensor besteht aus einer sychron mit dem Rotor 11 umlaufenden Gebermagnetanordnung, die hier von dem zweipoligen Rotor 11 des Synchronmotors selbst gebildet ist, und aus einer räumlich feststehenden magnetoelektrischen Wandlervorrichtung, die eine der Phasenzahl der Ankerwicklung 10 entsprechende Anzahl von am Umfang des Rotors 11 um gleiche Drehwinkel gegeneinander versetzt angeordnete Hallelemente aufweist, hier also drei, und pro Wicklungsphase u, v, w ein elektrisches Sensorsignal ausgibt, das dem Verlauf der Feldstärke oder magnetischen Induktion des bei Rotation der Gebermagnetanordnung die jeweilige Wicklungsphase u, v, w durchsetzenden magnetischen Feldes entspricht. Ein solches Sensorsignal ist beispielsweise für die Wicklungsphase u der Ankerwicklung 10 in Fig. 3a in Abhängigkeit vom Drehwinkel α des Rotors 11 dargestellt. Aus diesem Sensorsignal wird nunmehr pro Wicklungsphase u, v, w ein Steuersignal für den zugeordneten Transistor 13-15, im Falle des Beispiels der Wicklungsphase u für den Transistor 13, derart abgeleitet, daß jeder Transistor 13-15 in der betragsmäßig abfallenden Flanke des negativen Sensorsignals schließt und in der abfallenden Flanke des positiven Sensorsignals öffnet. Das abgeleitete Steuersignal für den Transistor 13 ist in Fig. 3d dargestellt. Das Steuersignal besteht aus einer Folge von Steuerimpulsen. Bei einem Vergleich mit dem Sensorsignal in Fig. 3a ist deutlich zu erkennen, daß die Anstiegsflanken der Steuerimpulse in der betragsmäßig abfallenden Flanke des negativen Sensorsignals und die Abfallflanken der Steuerimpulse in der abfallenden Flanke des positiven Sensorsignals liegt.

Zur Gewinnung des Steuersignals aus dem Sensorsignal ist jedes Hallelement in einem an sich bekannten Hallsensor 17-19 integriert, in welchem das Ausgangssignal über zwei Schmitt-Trigger mit unterschiedlicher Schaltschwelle geführt wird und damit an den beiden Ausgängen des Hallsensors 17-19 bei Rotation der Gebermagnetanordnung zwei gegenüber um 90° phasenverschobene Rechteckimpulsfolgen mit einem Tastverhältnis größer 1 anstehen.

Die Signale an den beiden Ausgängen Q1 und Q2 sind beispielsweise für den Hallsensor 17 in Fig. 3b und 3c dargestellt. Solche Hallsensoren 17-19 sind handelsübliche Bauteile. Die beiden Ausgänge eines jeden Hallsensors 17-19 sind über eine Zweidrahtleitung mit je einer Verknüpfungseinheit 20 in der Kommutierungslogik 16 verbunden. Das Schaltbild einer Verknüpfungseinheit 20 ist in Fig. 2 für den Hallsensor 17 dargestellt. Die Verknüpfungseinheit 20 für die Hallsensoren 18 und 19 sind identisch aufgebaut.

Die beiden Ausgänge Q1 und Q2 des Hallsensors 17 sind mit einem flankengesteuerten JK-Flip-Flop 21 verbunden, und zwar ist der Q1-Ausgang an dem J-Eingang und der Q2-Ausgang an dem K-Eingang des Flip-Flops 21 angeschlossen. Weiterhin sind die beiden Ausgänge Q1 und Q2 des Hallsensors 17 über je ein Differenzierglied mit dem Takteingang "clock" des JK-Flip-Flops 21 verbunden. Das eine Differenzierglied wird dabei von der Reihenschaltung eines Kondensators 22 und eines Widerstandes 24 und das andere Differenzierglied von der Reihenschaltung eines Kondensators 23 und des gleichen Widerstandes 24 gebildet. Die Anstiegsflanke eines jeden Impulses in den beiden Rechteckimpulsfolgen an den Ausgängen Q1 und Q2 des Hallsensors 17 erzeugt einen Taktimpuls am Takteingang des Flip-Flops 21, das mit jedem Taktimpuls das am J- bzw. K-Eingang anstehende Potential auf seinen Ausgang durchschaltet. Demzufolge tritt am Ausgang des Flips-Flops 21 das in Fig. 3d dargestellte Steuersignal auf, das über einen Verstärker 25 an die Basis des Transistors 13, der in Reihe mit der Wicklungsphase u der Ankerwickung 10 liegt, geführt ist. Der Transistor 13 wird damit vor dem theoretischen Kommutierungszeitpunkt aufgesteuert und übernimmt die Stromführung. Die Steuersignale für die beiden anderen Transistoren 14, 15 werden in gleicher Weise von den weiteren Verknüpfungseinheiten 20 erzeugt, wobei die Steuersignale jedoch gegeneinander um 120° phasenverschoben sind.

Werden für die Ansteuerung der Transistoren inverse Steuerimpulse benötigt, so ist die logische Verknüpfungseinheit 20 so auszubilden, daß die Abfallflanken der Steuerimpulse in der Steuerimpulsfolge in der betragsmäßig abfallenden Flanke des negativen Sensorsignals und die Anstiegsflanken der Steuerimpulse in der abfallenden Flanke des positiven Sensorsignals liegen. Hierzu sind lediglich die Anschlüsse der Ausgänge Q1 und Q2 des Hallsensors 17 an den Eingängen J, K des Flip-Flops 21 zu vertauschen, so daß nunmehr der Ausgang Q1 mit K-Eingang und der Ausgang Q2 mit dem J-Eingang des Flip-Flops 21 verbunden ist. Gleiche Änderungen müssen bei den Verknüpfungseinheiten 20, die mit den Hallsensoren 18 und 19 verbunden sind, vorgenommen werden.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann der Rotor 11 mehr als zwei Pole aufweisen, also vier, sechs oder mehr Pole, also insgesamt p-Polpaare, wobei p eine von eins anlaufende Zahl ist. Die Ankerwicklung kann auch mehr Wicklungsphasen aufweisen, z. B. vierphasig ausgeführt sein. Allgemein wird mit m die Phasenzahl der Ankerwicklung 10 bezeichnet. In allen Fällen ist die Anzahl der erforderlichen Hallsensoren gleich der Phasenzahl m der Ankerwicklung 10 und der Drehwinkelversatz in der Anordnung der Hallsensoren am Rotorumfang gleich dem durch das Produkt aus Phasenzahl m der Ankerwicklung 10 und Polpaarzahl p des Rotors 11 dividierten Vollwinkels von 360°.

Auch können die Transistoren zwischen den Wicklungsphasen u, v, w der Ankerwicklung 10 und dem Minuspotential der Netzgleichspannung angeordnet werden. Der Sternpunkt liegt dann am Pluspotential.

Weiterhin können Hallsensoren eingesetzt weeden, deren interne Schaltung bereits derart geschaltet ist, daß sie bereits ein Ausgangssignal liefern, das dem in Fig. 3d dargestellten Steuersignal entspricht. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, daß die Schmitt-Trigger so ausgelegt werden, daß ihre Umschaltpunkte in den jeweils betragsmäßig fallenden Flanken der Feldstärke der Gebermagnetanordnung liegen. Eine externe Beschaltung, wie diese in Fig. 2 dargestellt und beschrieben ist, kann dann entfallen. Die so abgewandelten Hallsensoren können auch zwei Ausgänge aufweisen. An dem einen Ausgang steht dann das Steuersignal gemäß Fig. 3d an, an dem anderen ein dazu inverses Ausgangssignal.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann anstelle der mit den Wicklungsphasen in Reihe geschaltenen elektronischen Schalter eine Brückenschaltung aufweisen, wobei die Wicklungsphasen der Ankerwicklung an den Verbindungsleitungen zwischen den jeweils beiden, einem Brückenzweig zugehörigen elektronischen Schaltern angeschlossen sind.

Die Funktion der Gebermagnetanordnung muß nicht von den Permanentmagneten des Rotors übernommen werden. Es kann auch ein spezieller Gebermagnet vorgesehen werden, der fest mit dem Rotor verbunden ist.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Synchronmotors mit mehrphasiger Ankerwicklung an einem Gleichspannungsnetz mit einer eine Mehrzahl von elektronischen Schaltern aufweisenden Schaltvorrichtung zum sukzessiven Anschließen der Wicklungsphasen der Ankerwicklung an die Netzgleichspannung, mit einer Kommutierungslogik zum folgerichtigen Anlegen von Steuersignalen an die elektronischen Schalter in Übereinstimmung mit der Rotordrehstellung des Synchronmotors und mit einem Sensor zum Erfassen der Rotordrehstellung, der eine mit dem Rotor synchron umlaufende Gebermagnetanordnung und eine räumlich feststehende magnetoelektrische Wandlervorrichtung aufweist, die ein elektrisches Sensorsignal ausgibt, das dem Verlauf der Feldstärke oder Induktion des von der Gebermagnetanordnung in der Wicklungsphase erzeugten magnetischen Feldes entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß aus jedem Sensorsignal ein Steuersignal für den der Wicklungsphase (u, v, w) zugeordneten elektronische Schalter (13, 14, 15) derart abgeleitet ist, daß dieser in der betragsmäßig abfallenden Flanke des negativen Sensorsignals schließt und in der abfallenden Flanke des positiven Sensorsignals öffnet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlervorrichtung eine der Phasenzahl der Ankerwicklung (10) entsprechende Anzahl von Hallelementen aufweist und daß aus jedem von den Hallelementen ausgegebenen Sensorsignal das Steuersignal als Steuerimpulsfolge derart gebildet ist, daß die Anstiegsflanken der Steuerimpulse in der betragsmäßig abfallenden Flanke des negativen Sensorsignals und die Abfallflanken der Steuerimpulse in der abfallenden Flanke des positiven Sensorsignals oder umgekehrt liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Hallelement Bestandteil eines an sich bekannten Hallsensors (17-19) mit zwei Ausgängen (Q1, Q2) ist, an denen bei Rotation der Gebermagnetanordnung (11) zwei gegeneinander um 90° phasenverschobene Rechteckimpulsfolgen mit einem Tastverhältnis größer 1 anstehen, und daß zur Gewinnung der Steuersignale jeweils die beiden Ausgangssignale eines Hallsensors (17-19) miteinander logisch verknüpft werden.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Verknüpfung mittels eines flankengesteuerten JK-Flip-Flops (21) vorgenommen ist, an dessen J- bzw. K-Eingang die beiden Ausgänge (Q1, Q2) des Hallsensors (17-19) liegen und an dessen Takteingang (Clock) die beiden Ausgänge (Q1, Q2) des Hallsensors (17-19) über jeweils ein Differenzierglied (22, 24; 23, 24) angeschlossen sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebermagnetanordnung des Sensors von den Rotorpolen des vorzugsweise permanentmagneterregten Rotors (11) gebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallelemente bzw. Hallsensoren (17-19) am Rotorumfang um gleiche Drehwinkel versetzt angeordnet sind, die jeweils gleich dem durch das Produkt aus Phasenzahl (m) der Ankerwicklung (10) und Polpaarzahl (p) des Rotors (11) dividierten Vollwinkel von 360° sind.