DE9204811U1 - Control circuit for collectorless DC motor - Google Patents
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Description
Ansteuerschaltung für kollektorlose Gleichstrommotoren.Control circuit for collectorless DC motors.
Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für kollektorlose Gleichstrommotoren.The invention relates to a control circuit for collectorless DC motors.
Eine solche Schaltung ist bekannt aus der DE-OS 39 32 802 Al.Such a circuit is known from DE-OS 39 32 802 Al.
Eine weitere solche Schaltung ist bekannt aus der DE-OS 37 25 470 Al . Diese bezieht sich auf mehrsträngige kollektorlose Gleichstrommotoren.Another such circuit is known from DE-OS 37 25 470 Al . This relates to multi-phase brushless DC motors.
Die Erfindung betrifft jedoch insbesondere eine Ansteuerschaltung für einsträngige, zweipulsige Gleichstrommotoren welche im folgenden auch einfach als Motoren bezeichnet werden. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte und kostengünstige Ansteuerschaltung zu schaffen, die in vorteilhafter Weise die Beschränkungen und kostenmäßigen Nachteile bekannter Lösungen vermeidet und es darüberhinaus gestattet, die Drehzahl eines kollektorlosen Gleichstrommotors in Abhängigkeit von einem Eingangssignal zu ändern. Insbesondere soll sich die Schaltung für Motoren eignen, wie sie in Gebläsen für Öl- oder Gasbrenner verwendet werden. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn sich die Motordrehzahl möglichst schnell in Abhängigkeit von dem genannten Eingangssignal ändert und sich auf einen neuen Sollwert einstellt. Die Gebläsemotoren sollen sowohl schnell hochlaufen können als auch schnell abgebremst werden können, und zwar mit Zeitkonstanten von besser als etwa 5 see.However, the invention relates in particular to a control circuit for single-phase, two-pulse DC motors, which are also referred to simply as motors below. The object of the invention is to create a simplified and inexpensive control circuit which advantageously avoids the limitations and cost disadvantages of known solutions and also allows the speed of a brushless DC motor to be changed depending on an input signal. In particular, the circuit should be suitable for motors such as those used in fans for oil or gas burners. For this purpose, it is advantageous if the motor speed changes as quickly as possible depending on the input signal mentioned and adjusts to a new setpoint. The fan motors should be able to run up quickly and also be braked quickly, with time constants of better than about 5 seconds.
Hierbei darf jedoch ein vorgegebener maximal zulässiger Motorstrom nicht überschritten werden.However, a specified maximum permissible motor current must not be exceeded.
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Diese Aufgabe wird bei einer Ansteuerschaltung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruchs gelöst.This object is achieved in a control circuit of the type mentioned at the outset by the features of the claim.
Dies geschieht dadurch, daß folgende Einzel-Schaltelemente in vorteilhafter Weise bei vergleichsweise geringen Kosten kombiniert werden:This is achieved by combining the following individual switching elements in an advantageous manner at comparatively low costs:
Eine Vollbrücke mit vier Schaltern , welche zur Bestromung einer Wicklung eines bürstenlosen Elektromotors dient.A full bridge with four switches, which is used to supply current to a winding of a brushless electric motor.
Eine Anzahl von Verknüpfungsschaltungen, welche die Schalter aktivieren oder deaktivieren und die jeweils mindestens zwei, im wesentlichen digital wirkende Eingänge aufweisenA number of logic circuits which activate or deactivate the switches and which each have at least two essentially digital inputs
Eine Bremsindikatorschaltung, welche ein pulsweitenmoduliertes Eingangssignal überwacht und welche bei einem Eingangssignal mit kleinerem als einem vorgegebenen Tastverhältnis ein Ausgangssignal erzeut .A brake indicator circuit which monitors a pulse width modulated input signal and which generates an output signal when the input signal has a duty cycle smaller than a specified one.
Eine Brems-Schaltung, welche ein Brems-Signal auf die Verknüpfungsschaltungen gibt.A brake circuit which sends a brake signal to the connection circuits.
Eine Stromeßeinrichtung 11 , welche die Größe des Motor-Gesamtstroms erfaßt und ein stromproportionales Ausgangssignal abgibt.A current measuring device 11 which detects the size of the total motor current and emits an output signal proportional to the current.
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Eine Strombegrenzungsschaltung, welche den Motorstrom auf einen vorgegebenen Grenzwert limitiert und welche auf mindestens einen Teil der Verknüpfungsschaltungen einwirkt.A current limiting circuit which limits the motor current to a predetermined limit and which acts on at least part of the connection circuits.
Eine Kommutierungsschaltung mit vorzugsweise galvanomagnetischem Sensor, welche in Abhängigkeit von der Rotorstellung des Motors alternierende Signale erzeugt, wobei die Kommutierungsschaltung bevorzugt zwei Ausgänge aufweist zur Erzeugung von antivalent wirkenden Signalen.A commutation circuit with preferably a galvanomagnetic sensor, which generates alternating signals depending on the rotor position of the motor, wherein the commutation circuit preferably has two outputs for generating antivalent signals.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung und den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous embodiments of the invention can be taken from the drawing and the dependent claims.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
Es zeigt:The invention is described below using a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings.
It shows:
Fig. 1 ein Blockschaltbild für ein erfindungsgemäßes AusführungsbeispielFig. 1 is a block diagram for an embodiment of the invention
Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild für eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung.Fig. 2 shows a detailed circuit diagram for a control circuit according to the invention.
Wie das Blockschaltbild Fig. 1 ausweist, kann die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung als "black-box" mit den Versorgungseingängen 10 und 25 sowie Eingang 26 angesehen werden. Der Eingang 2 6 dient zur Entgegennahme eines impulsweitenmodulierten Drehzahlsignals.As the block diagram in Fig. 1 shows, the control circuit according to the invention can be viewed as a "black box" with the supply inputs 10 and 25 as well as input 26. The input 2 6 is used to receive a pulse-width modulated speed signal.
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Als elektrische Ausgänge sind die Anschlußpunkte 121 und für die bevorzugt einzige Wicklung 12 des Motors anzusehen.The connection points 121 and, preferably, the only winding 12 of the motor are to be regarded as electrical outputs.
Die Anschlußpunkte 121 und 122 bilden die Endpunkte einer Brückendiagonalen, wobei die Brücke als Vollbrücke vorliegt und durch die Schalter 13, 15, 23 und 24 gebildet wird. Die Schalter sind vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgeführt und werden mittels Verknüpfungsschaltungen 16, 17, 23 und 24 aktiviert oder deaktiviert. - Die Verknüpfungsschaltungen bedingen daher SchalterStellungen und deren zeitliche Sequenz und erzeugen damit gemäß der Erfindung folgende vier Grundfunktionen des Motors :The connection points 121 and 122 form the end points of a bridge diagonal, whereby the bridge is a full bridge and is formed by the switches 13, 15, 23 and 24. The switches are preferably designed as semiconductor switches and are activated or deactivated by means of logic circuits 16, 17, 23 and 24. - The logic circuits therefore determine switch positions and their temporal sequence and thus generate the following four basic functions of the motor according to the invention:
Kommutierung, d.h. ständig wechselnde Umkehrung des Motorstroms in Abhängigkeit von der Drehlage des Motor-RotorsCommutation, i.e. constantly changing reversal of the motor current depending on the rotational position of the motor rotor
Taktung des Motorstroms , um diesen je nach gewünschter Drehzahl des Motors zu vergrößern oder zu reduzierenTiming of the motor current to increase or reduce it depending on the desired speed of the motor
vorübergehendes Abschalten des Motorstroms , sofern ein Maximalwert erreicht wurde ( Funktion einertemporary switching off of the motor current if a maximum value has been reached (function of a
Motorstrombegrenzung )Motor current limitation )
Umschaltung vom motorischen Betrieb in den ungetakteten GeneratorbetriebSwitching from motor operation to unclocked generator operation
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Diese Vielzahl an Motorfunktionen werden gemäß der Erfindung mit vergleichsweise wenigen Schaltelementen realisiert. Der maßgebliche Teil dieser Schaltelemente besteht aus 10 Universaldioden, so daß sich eine besonders kostengünstige Schaltlogik für die Verknüpfungsschaltungen ergibt, insbesondere wenn handelsübliche Mehrfachdioden in Form eines Moduls oder integrierten Schaltung verwendet werden.According to the invention, this multitude of motor functions are implemented with comparatively few switching elements. The majority of these switching elements consist of 10 universal diodes, resulting in a particularly cost-effective switching logic for the link circuits, especially when commercially available multiple diodes are used in the form of a module or integrated circuit.
Desweiteren ist es möglich, die gesamte erfindungsgemäße Schaltung in Form einer integrierten Schaltung bereitzustellen. Bei höheren Motorleistungen ist es jedoch erforderlich, die elektronischen Schalter 13, 15, 23, 24 als separate Bauteile vorzusehen.Furthermore, it is possible to provide the entire circuit according to the invention in the form of an integrated circuit. However, with higher engine powers it is necessary to provide the electronic switches 13, 15, 23, 24 as separate components.
Die Kommutierungsfunktion wird in an sich bekannter Weise durch Aktivierung von je zwei diametral liegenden Schaltern 13, 24 oder 15, 23 ausgeführt.The commutation function is carried out in a known manner by activating two diametrically opposite switches 13, 24 or 15, 23.
Dies geschieht dadurch, daß die Kommutierungsstufe 19 ihre antivalenten, d. h. im wesentlichen komplementären digitalen Ausgangssignale auf Eingänge 163, 173, 211 und der vier Verknüpfungsschaltungen 16 , 17, 21 und 22 schaltet, und zwar nach Maßgabe der Rotorposition des Motors.This is done by the commutation stage 19 switching its antivalent, i.e. essentially complementary, digital output signals to inputs 163, 173, 211 and the four logic circuits 16, 17, 21 and 22, depending on the rotor position of the motor.
Ohne Einwirkung von weiteren Signalen auf die genannten Verknüpfungsschaltungen stellen sich auf diese Weise die gewünschten Schalterstellungen der Schalter 13, 15, 23 und 24 wechselweise ein.In this way, without the influence of further signals on the aforementioned logic circuits, the desired switch positions of switches 13, 15, 23 and 24 are set alternately.
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Hierdurch resultiert ein Stromfluss durch die Motorwicklung in gewünschter Richtung.This results in a current flow through the motor winding in the desired direction.
Die beschriebene Bestromungsfunktion ist am wenigsten priorisiert und wird gewöhnlich von der Stromtaktungsfunktion begleitet und modifiziert.The described current supply function is the least prioritized and is usually accompanied and modified by the current timing function.
Eine hochfrequente Impulsfolge, welche am Eingang 26 anliegt und auf die Eingänge 212 und 222 weitergeschaltet wird, bewirkt ein hochfrequentes Ein- und Ausschalten der Schalter 23 und 24. Diese Schalter werden durch die genannte Stromtaktungsfunktion gleichzeitig ein- bzw. ausgeschaltet, und zwar mit einem Tastverhältnis, wie es am Eingang vorgegeben wird.A high-frequency pulse sequence, which is present at input 26 and is passed on to inputs 212 and 222, causes switches 23 and 24 to be switched on and off at high frequency. These switches are switched on and off simultaneously by the current timing function mentioned, with a duty cycle as specified at the input.
Unabhängig von einer einzustellenden Stromrichtung durch die Spule 12 findet auf diese Weise in jedem Falle eine Taktung des MotorStroms statt.In this way, regardless of the current direction to be set through the coil 12, a clocking of the motor current takes place in each case.
Die Stromtaktungsfunktion ihrerseits wird durch die höher priorisierte Strombegrenzungsfunktion gegebenenfalls deaktiviert, d.h. wirkungslos gemacht.The current timing function itself may be deactivated, i.e. rendered ineffective, by the higher priority current limiting function.
Diese beruht darauf, daß aktive Signale an den Eingängen 161 und 171 die Schalter 13 und 15 öffnen, sofern nicht die noch höher priorisierte Bremsfunktion aktiv ist. Bei geöffneten Schaltern 13 und 15 kann kein Strom durch durch Spule 12 fließen, ein schädlicher Überstrom wird verhindert. Um diesen Effekt zu erreichen, ist eine Strommeßeinrichtung 11 vorgesehen. DieseThis is based on the fact that active signals at inputs 161 and 171 open switches 13 and 15, unless the even higher priority braking function is active. When switches 13 and 15 are open, no current can flow through coil 12, a damaging overcurrent is prevented. To achieve this effect, a current measuring device 11 is provided. This
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gibt ein Analog-Signal, welches dem Gesamtstrom von Schaltung und Motor entspricht, an die Strombegrenzungsstufe 14. Deren Ausgänge werden bei Erreichen eines Strom-Limits für eine kurze Zeit aktiviert. Hieraus resultiert die Öffnung der Schalter 13 und 15 und damit ein Zusammenbruch des Motorstroms. Die Ausgänge der Strombegrenzungsstufe werden automatisch nach einer kurzen Zeit im Milli-bis Submillisekundenbereich deaktiviert. Hierdurch beginnt ein erneuter Stromfluß, der aber wegen der Motorinduktivität nicht schlagartig einsetzt.sends an analog signal, which corresponds to the total current of the circuit and motor, to the current limiting stage 14. Its outputs are activated for a short time when a current limit is reached. This results in the opening of switches 13 and 15 and thus a collapse of the motor current. The outputs of the current limiting stage are automatically deactivated after a short time in the millisecond to sub-millisecond range. This causes a new flow of current to begin, but due to the motor inductance, this does not start suddenly.
Bei erneutem Erreichen des vorgegebenen Stromlimits setzt die beschriebene Strombegrenzungsfunktion abermals ein. Dieses Spiel wiederholt sich solange, bis der Gesamtstrom unterhalb des Stromlimits bleibt. Die entsprechende Taktfrequenz ist in einem weiten Bereich durch Dimensionierung der Schaltelemente variabel.When the specified current limit is reached again, the current limiting function described above is activated again. This process repeats itself until the total current remains below the current limit. The corresponding clock frequency can be varied over a wide range by dimensioning the switching elements.
Darüberhinaus existiert eine weitere Funktion mit einer noch höheren Priorisierungsstufe. Die Aufgabe dieser Funktion ist es, den Motor in schneller und intensiver Weise auf eine möglichst niedrige Drehzahl abzubremsen.There is also another function with an even higher priority level. The task of this function is to brake the engine quickly and intensively to the lowest possible speed.
Dieses geschieht gemäß der Erfindung dadurch , daß ein Ausgangssignal einer Bremseinheit 18 auf die Eingänge 162, 172, 213 und 223 der Verknüpfungsschaltungen gegeben wird.This is done according to the invention in that an output signal of a braking unit 18 is fed to the inputs 162, 172, 213 and 223 of the logic circuits.
Dieses Signal veranlaßt die Verknüpfungsschaltungen 21 und 22, die Schalter 23 und 24 zu öffnen.This signal causes the logic circuits 21 and 22 to open the switches 23 and 24.
Gleichzeitig bewirken die Verknüpfungsschaltungen 17 und 16 das Schließen der Schalter 13 und 15.At the same time, the logic circuits 17 and 16 cause the switches 13 and 15 to close.
Bei drehendem Motor wird im Stator eine Gegen-EMK als Wechselspannung erzeugt. Bei geschlossenen Schaltern 13, 15 arbeitet der Motor somit als Generator imWhen the motor is rotating, a counter EMF is generated in the stator as an alternating voltage. When the switches 13, 15 are closed, the motor works as a generator in the
PAPST-MOTOREN GmbH & Co KG 06 4 April 1392PAPST-MOTORS GmbH & Co KG 06 4 April 1392
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Kurzschlußbetrieb. Die kinetische Energie des Rotors wird schnell in elektrische und letztendlich in thermische Energie umgewandelt. Der Rotor wird dadurch in an sich bekannter Weise stark abgebremst.Short-circuit operation. The kinetic energy of the rotor is quickly converted into electrical and ultimately thermal energy. The rotor is thereby braked significantly in a known manner.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, daß zur Auslösung der Bremsfunktion keine separate Signalleitung benötigt wird.A further aspect of the invention is that no separate signal line is required to trigger the braking function.
Vielmehr ist eine Bremsüberwachungsschaltung 27 vorgesehen, welche ständig das an Eingang 26 anliegende pulsweitenmodulierte Signal überwacht. Bei Ausfall oder bei Unterschreiten eines vorgegebenen Minimal-Tastverhältnisses dieses Signals wird die Bremsschaltung 18 aktiviert.Instead, a brake monitoring circuit 27 is provided, which constantly monitors the pulse width modulated signal present at input 26. If this signal fails or falls below a predetermined minimum duty cycle, the brake circuit 18 is activated.
Diese erzeugt zwei zueinander komplementäre Ausgangssignale, welche im aktiven Status den bereits beschriebenen Schaltzustand der Verknüpfungsschaltungen zum Abbremsen des Motors erzwingen.This generates two complementary output signals, which in the active state force the switching state of the logic circuits described above to brake the motor.
Sofern die genannten Schalter als Halbleiterschalter ausgeführt sind, ist folgendes zu beachten: Ein für den Bremsbetrieb geschlossener Schalter muß auch einen Stromfluß entgegen dessen nomineller Stromflußrichtung führen können.If the switches mentioned are designed as semiconductor switches, the following must be observed: A switch closed for braking operation must also be able to carry a current flow opposite to its nominal current flow direction.
Dies wird am einfachsten dadurch erreicht, daß eine Inversdiode zu den Emitter-Kollektor-Strecken der beteiligten Transistoren parallel geschaltet wird.This is most easily achieved by connecting an inverse diode in parallel to the emitter-collector paths of the transistors involved.
Diese Invers-Dioden (Rückfluß-Dioden) sind in modernen Darlington- und Feldeffekttransistoren bereits enthalten und brauchen normalerweise nicht als separates Bauteil vorgesehen werden.These inverse diodes (reflux diodes) are already included in modern Darlington and field effect transistors and normally do not need to be provided as a separate component.
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