DE3528765C2 - - Google Patents

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14Electronic commutators

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der US-Patentschrift 36 19 746 ist ein elektronisches Kommutierungssystem für einen Gleichstrommotor mit einer geradzahligen Anzahl von stillstehenden, ringförmig zusammengeschalteten Wicklungen bekannt, dessen Läuferfeld entweder von einem Dauermagneten oder von einem über Schleifringe gespeisten Elektromagneten erzeugt wird. Zur Speisung der Wicklung ist für jeden Wicklungsknoten je ein Thyristorenpaar vorgesehen, das in Abhängigkeit von einer Taktspannungsquelle oder Signalen des Lagedetektors so angesteuert wird, daß von jeweils zwei diametral gegenüberliegenden Knoten einer an einen Pol und der andere an den entgegengesetzten Pol einer Betriebsspannungsquelle angeschlossen wird. Der Aufwand zum Zünden und Löschen der Thyristoren unter Beachtung der Potentialtrennung zwischen der Regelung und der Speisespannung für den Motor ist jedoch außerordentlich hoch.
Außerdem ist aus der DE 29 40 637 A1 ein Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Läufer und elektronischer, von dem Magnetfeld des Läufers gesteuerter Kommutierungsschaltung bekannt, bei welcher Hall-Elemente die jeweilige Läufer-Position detektieren und die Kommutierungsschaltung steuern. Dabei besteht die im Ständer untergebrachte Ankerwicklung aus m in m-Eck oder in Stern geschalteten Strängen, wobei ein Ende jedes Stranges mit der Ausgangsklemme eines als integrierte Schaltung ausgebildeten, magnetisch steuerbaren Schalters verbunden ist. Zwischen einer ersten und zweiten Eingangsklemme eines jeden Schalters ist eine Speisestromquelle angeschlossen. Weiterhin ist zwischen der ersten Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme eines jeden Schalters eine erste Schaltstrecke und zwischen der zweiten Eingangsklemme und der Ausgangsklemme eine zweite Schaltstrecke vorgesehen. Die beiden Schaltstrecken sind so steuerbar, daß, wenn ein Schalter einem Magnetfeld B ausgesetzt ist, seine erste Schaltstrecke geschlossen ist, wenn B<B₀+δB/2 ist, seine zweite Schaltstrecke geschlossen ist, wenn B₁<B₀-δB/2 ist, und beide Schaltstrecken offen sind, wenn |B-B₀|⁻δB/2 * ε ist. Die einzelnen Schalter sind dabei am Ständer des Motors derart angeordnet, daß sie durch das Magnetfeld des Läufers in zyklischer Folge gesteuert werden. Diese bekannte Schaltungsanordnung weist den Nachteil auf, daß das Drehmoment im Verlauf einer Läuferumdrehung erheblichen Schwankungen unterworfen ist.
Weiterhin ist aus der US 36 09 492 ein reversibler bürstenloser Gleichstrommotor bekannt, bei welchem die Statorwindungen in Form eines Ringes geschaltet sind und die einzelnen Teilwindungen über mehrere Schalter mit den Polen einer Gleichspannungsquelle verbunden sind, um abhängig von der mit einem Sensor ermittelten Position des umlaufenden Rotors ein magnetisches Feld zu steuern. Entsprechende Signale zur Steuerung der Schalter werden mit Gattern erzeugt, die von den Sensoren angesteuert werden. Auch diese bekannte Anordnung weist zwischen den jeweiligen Kommutierungszeitpunkten große Schwankungen im Drehmomentverlauf auf.
Ferner ist aus der US 37 83 359 ein bürstenloser Gleichstrommotor bekannt, der ebenfalls Hall-Generatoren zur Kommutierung nutzt. Zur Steuerung des Drehmoments und zur Konstanthaltung der Drehzahl findet eine Amplitudenbreitenmodulation Anwendung. Der Schaltungsaufwand zur Steuerung eines derartigen Gleichstrommotors ist jedoch erheblich, da in rückgekoppelter Form sowohl analoge als auch digitale Signale verarbeitet werden müssen.
Schließlich ist aus der DE-AS 12 44 286 eine Einrichtung für den Anlauf kommutatorloser Gleichstrommotoren mit über steuerbare Stromrichter gespeister Ankerwicklung im Ständer bekannt, bei der zum Löschen der abzulösenden steuerbaren Stromrichter während des Anlaufs im Zusammenwirken mit einer Stromrichtersteuerung durch eine Veränderung des Haupterregerfeldes eine transformatorische EMK in der Ankerwicklung des Motors induziert wird. Die transformatorische EMK wird durch eine kurzzeitige Veränderung des Haupterregerfeldes des Motors bzw. seines Erregerstromes infolge Zu- oder Abschalten von reellen bzw. komplexen Widerständen im Erregerstromkreis erzeugt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung nach der eingangs genannten Art weiterzubilden, um die Laufeigenschaften eines bürstenlosen Gleichstrommotors zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil des einfacheren Aufbaus. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die Schaltungsanordnung durch den Wegfall jeglicher Übertrager zur Integration und Miniaturisierung geeignet ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Steuerschaltung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung logischer Schaltelemente zum Aufbau einer mit der erfindungsgemäßen Steuerschaltung aufgebauten Kommutierungsschaltung und die günstigen Laufeigenschaften eines damit ausgerüsteten Motors.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig 1 das Ersatzschaltbild der Stator-Wicklung eines Motors mit 11 Teilspulen,
Fig. 2 schematisch die Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Motors entsprechend Fig. 1
In Fig. 1 sind mit 1 bis 11 die Speisepunkte der ringförmig zusammengeschalteten Gesamtwicklung des Motors dargestellt, die aus 11 Teilspulen besteht. Zwischen den Speisepunkten A und B erstreckt sich die Teilspule I, zwischen den Speisepunkten B und C die Teilspule II, zwischen den Speisepunkten C und D die Teilspule III, und weiter fortlaufend schließlich zwischen den Speisepunkten K und A die Teilspule XI, womit der Kreis geschlossen ist. Die Ausführung der Teilspulen I bis IX entspricht dem Stand der Technik, wie er bei Rotorwicklungen in Gleichstrommotoren mit mechanischem Kollektor üblich ist. Inmitten des Wicklungsschemas ist schematisch als Dauermagnet der Läufer L mit einem ausgebildeten Nordpol N an einem und einem ausgebildeten Südpol S am anderen Ende dargestellt. Der Läufer L ist um den Mittelpunkt M frei drehbar, wobei an dieser Stelle auch eine Welle zur Abgabe eines Drehmomentes vorhanden sein kann.
In Fig. 2 sind wieder mit A bis K die Speisepunkte der Teilspulen I bis XI bezeichnet. Jeder Speisepunkt ist durch ein Schalterpaar sowohl mit dem positiven Pol 15 als auch dem negativen Pol 16 einer Betriebsspannungsquelle verbindbar. Für den Speisepunkt A ist das Schalterpaar mit 20.1 und 21.1 bezeichnet, für den Speisepunkt B mit 20.2 und 21.2, für den Speisepunkt C mit 20.3 und 21.3, usw. und schließlich für den Speisepunkt K mit 20.11. Dabei verbinden die Schalter 20 die jeweiligen Speisepunkte mit dem negativen Pol 16, die Schalter 21 die Speisepunkte jeweils mit dem positiven Pol 15 der Betriebsspannungsquelle. Aus Gründen der besseren Anschaulichkeit sind die Schalter als Relaiskontakte dargestellt, von denen jeder durch eine eigene Relaisspule betätigt wird. So gehört zum Schalter 20.1 die Relaisspule 22.1, zum Schalter 21.1 die Relaisspule 23.1, zum Schalter 20.2 die Relaisspule 22.2, zum Schalter 21.2 die Relaisspule 23.2 usw. In einer tatsächlichen Ausführungsform werden diese Relais durch trägheitsarme Halbleiterschalter ersetzt. In der Zuleitung zu jeder Relaisspule ist ein Verstärker angeordnet. Diese Verstärker sind für die Relaisspulen 22 mit dem Bezugszeichen 24 und für die Relaisspulen 23 mit dem Bezugszeichen 25 und dem entsprechenden Index für den betreffenden Speisepunkt versehen.
Die Lageerfassung für den Motor gemäß dem Ausführungsbeispiel ist aus 11 den jeweiligen Speisepunkten zugeordneten, als Reflexlichtschranken ausgebildeten Lagesensoren 26.1 . . . .26.11 und einer auf dem Läufer L (Fig. 1) aufgebrachten Marke 27 aufgebaut. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die Reflexlichtschranken 26.1 bis 26.11 kreisförmig um den Läufer L angebracht sind und die Marke 27 1,5 Teilungen überdeckt.
Zwischen den Reflexlichtschranken 26 und den Verstärkern 24 und 25 ist eine Steuerlogik geschaltet, die in Abhängigkeit von der Lage der Marke 27 in Bezug auf die Reflexlichtschranken 26 die jeweils zur Erzielung des maximalen Motordrehmomentes "richtigen" Speisepunkte mit den entsprechenden Polen der Betriebsspannungsquelle verbindet. Die Steuerlogik besteht für jeden Speisepunkt aus einer Parallelschaltung eines ODER-Gatters 28 und eines NICHT-ODER-Gatters 29, deren Ausgänge mit den beiden Eingängen eines UND-Gatters 30 verbunden sind. Der Ausgang des UND-Gatters 30 führt zum Eingang des Verstärkers 24, der die Relaisspule 22 treibt. Jeweils ein Eingang eines NICHT-ODER-Gatters 29 ist mit dem Ausgang der Reflexlichtschranke 26 verbunden, an dem auch parallel dazu der Eingang des Verstärkers 25 liegt. Die beiden weiteren Eingänge der NICHT-ODER-Gatter 29 und die beiden Eingänge der ODER-Gatter 28 sind in Harfenstruktur mit den Ausgängen der Reflexlichtschranken ausgewählter anderer Steuerkreise verbunden. So ist ein Eingang des ODER-Gatters 28.1 mit dem Ausgang der Reflexlichtschranke 26.6, der zweite Eingang mit dem Ausgang der Reflexlichtschranke 26.7 verbunden. Der zweite Eingang des NICHT-ODER-Gatters 29.1 ist mit dem Ausgang der Reflexlichtschranke 26.5, der dritte mit dem Ausgang der Reflexlichtschranke 26.8 verbunden. Die entsprechende Belegung für die beiden Eingänge des ODER-Gatters 28.2 lautet 7 und 8 und für den zweiten und dritten Eingang des NICHT-ODER-Gatters 29.2 lauten 6 und 9. Für die beiden Eingänge des ODER-Gatters 28.11 lautet die Belegung 5 und 6 für den zweiten und dritten Eingang des NICHT-ODER-Gatters 29.11 lautet sie 4 und 7.
Die Wirkungsweise der aus den ODER- und NICHT-ODER-Gattern 28 und 29 zusammen mit den UND-Gattern 30 aufgebauten Steuerlogik ist folgende: Wenn beispielsweise, wie in Fig. 2 dargestellt, die Marke 27 der Reflexlichtschranke 26.2 gegenübersteht, so wird diese aktiviert und über den Verstärker 25.2 erhält die Relaisspule 23.2 Spannung, so daß der Schalter 21.2 geschlossen und der Speisepunkt B mit dem positiven Pol 15 der Betriebsspannungsquelle verbunden wird. Der Ausgang der Reflexlichtschranke 26.2 ist weiter jeweils einem Eingang des NICHT-ODER-Gatters 29.6, der ODER-Gatter 28.7 und 28.8 und einem Eingang des NICHT-ODER- Gatters 29.9 zugeführt. Durch die Aufschaltung eines Signals vom Ausgang der Reflexlichtschranke 26.2 auf einen Eingang des NICHT-ODER-Gatters 29.6 wird das Ausgangssignale dieses NICHT-ODER-Gatters 0 und damit auch der Ausgang des UND-Gatters 30.6: Die Relaisspule 22.6 erhält keine Spannung. Das Aufschalten eines Signals von der Leitung .2 vom Ausgang der Reflexlichtschranke 26.2 auf einen Eingang des ODER-Gatters 28.7 schaltet dieses Signal durch auf einen Eingang des UND-Gatters 30.7. Da alle drei Eingänge des NICHT-ODER-Gatters 29.7 ohne Signal sind, erscheint an dessen Ausgang ein Signal und das UND-Gatter 30.7 gibt ein Signal ab, das über den Verstärker 24.7 die Relaisspule 22.7 erregt und den Schalter 20.7 schließt, mit dem der Speisepunkt G mit dem negativen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden wird. In gleicher Weise bewirkt die Verbindung der Leitung .2 mit einem Eingang des ODER-Gatters 28.8 eine Erregung der Relaisspule 22.8, da an allen drei Eingängen des NICHT-ODER-Gatters 29.8 kein Signal anliegt und deshalb das UND-Gatter 30.8 durchschaltet. Wie aus dem Schaltungsschema der Fig. 1 erkennbar, wird also dem Speisepunkt A positive Spannung und den beiden Speisepunkten Knoten G und H negative Spannung zugeführt. Die zwischen den Speisepunkten G und H liegende Teilspule VII ist für diese Rotorstellung kurzgeschlossen. Alle anderen Teilspulen tragen zum Aufbau eines Drehmomentes bei analog der Wirkungsweise eines mechanischen Kollektors.
Wenn die Marke 27 durch die Drehbewegung des Läufers L sich weiter bewegt und sowohl die Reflexlichtschranke 26.2 als auch 26.3 überdeckt, ergibt sich folgendes Bild: Sowohl die Relaisspule 23.2 als auch die Relaisspule 23.3, welche über die zugehörigen Schalter die Speisepunkte B und C mit dem positiven Pol 15 der Betriebsspannungsquelle verbinden können, sind erregt, die Schalter also geschlossen und die zwischen den Speisepunkten B und C liegende Teilspule II ist kurzgeschlossen. Die Verbindung des Ausgangs der Reflexlichtschranke 26.3 mit dem zweiten Eingang des NICHT-ODER-Gatters 29.7 bewirkt, daß der Ausgang des NICHT-ODER-Gatters 29.7 kein Signal abgibt und daher wegen der UND-Verknüpfung über das Gatter 30.7 die Relaisspule 22.7 stromlos wird. Der Schalter 20.7 fällt ab und der Speisepunkt G wird von dem negativen Pol 16 der Betriebsspannungsquelle getrennt. Die Relaisspule 22.8 des Schalters 20.8 bleibt weiter beaufschlagt. Der Speisepunkt I wird wegen der gegensätzlichen Wirkung der Leitungen .2 und .3 an jeweils einem Eingang des ODER-Gatters 28.9 bzw. des NICHT-ODER-Gatters 29.9 ebenfalls nicht beaufschlagt. Das Magnetfeld der Wicklung ist daher entsprechend der Bewegung der Marke 27 um eine halbe Teilung weitergerückt.
Wenn im weiteren Verlauf der Drehbewegung die Marke 27 lediglich der Reflexlichtschranke 26.3 gegenübersteht, wiederholt sich die eingangs beschriebene Schaltstellung, jedoch mit jeweils um 1 erhöhten Index für alle logischen Bausteine, Relaisspulen und Schalter.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat also den großen Vorteil, daß nur durch logische Bausteine der Digitaltechnik eine Steuerlogik gebildet ist, die einen Motorbetrieb an einer Gleichspannungsquelle genau analog der Wirkungsweise eines mechanischen Kollektors erlaubt.
Dadurch ist die angegebene Schaltung vorzüglich zur Integration und Miniaturisierung geeignet. Weiter ist vorteilhaft, daß durch einfaches Vertauschen der Pole 15 und 16 der Betriebsspannungsquelle die Drehrichtung des Motors veränderbar ist. Dies führt zu einer wesentlichen Vereinfachung der Steuerschaltung für einen elektronischen bürstenlosen Gleichstrommotor.
Die Abtastung der Rotorstellung kann auch mit einem codierten Lagegeber (z. B. einer Scheibe mit Gray-Code) erfolgen, der entsprechend der Anzahl der Teilwicklungen mindestens die doppelte Anzahl von Stellungen aufweist. Mit einer Decodierschaltung lassen sich daraus die Ansteuersignale für die Schalter wie oben beschrieben ableiten.
Die Erfindung ist sinngemäß für jede Anzahl n von Teilwicklungen anwendbar, wobei n vorzugsweise ungeradzahlig und größer 3 sein sollte.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit
  • - einem magnetischen Rotor und
  • - einem Stator, welcher eine Wicklung mit einer ungeraden Anzahl von Teilspulen (I, II, . . . XI) aufweist, wobei die Teilspuren (I, II, . . . XI) gleichmäßig über den Umfang des Stators verteilt und unter Zwischenschaltung von Speisepunkten (A, B, . . . K) ringförmig miteinander verbunden sind,
    wobei jeder Speisepunkt (A, B, . . . K) abhängig von der jeweiligen Stellung einer mit dem Rotor umlaufenden Marke (27) durch Schalter (20, 21) mit Polen (15, 16) einer Gleichspannungsquelle verbindbar ist und
    wobei die Schalter (20, 21) von Lagesensoren (26) unter Zwischenschaltung jeweils eines Steuerkreises steuerbar sind,
gekennzeichnet durch den Speisepunkten (A, B, . . . K) zugeordnete Steuernetzwerke (101, 102, . . . 111) mit jeweils
  • - einem ersten gesteuerten Schalter (21), welcher über einen der Speisepunkte (A, B, . . . K) mit einem ersten Pol (15) der Gleichspannungsquelle verbunden ist,
  • - einem zweiten gesteuerten Schalter (20), welcher über einen anderen der Speisepunkte (A, B, . . . K) mit einem zweiten Pol (16) der Gleichspannungsquelle verbunden ist und
  • - einem Steuerkreis (22, 23, 24, 25, 28, 29, 30), welcher abhängig von der jeweiligen Stellung eines Lagesensors (26), dessen Wirkungsbereich sich über dem 1,5fachen Betrag der Umfangsteilung einer der Teilspulen (I, II, . . . XI) erstreckt, den ersten gesteuerten Schalter (21) direkt schaltet und den zweiten gesteuerten Schalter (20) über logische Verknüpfungsglieder (28, 29, 30), welche eingangsseitig mit den Ausgängen (1, 2, . . . 11) der wirkungsmäßig gegenüberliegenden Lagesensoren (26.1, 26.2, . . . 26.11) verbunden sind, schaltet.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Steuerkreise (22, 23, 24, 25, 28, 29, 30) aus einer Parallelschaltung eines ODER-Gatters (28 . . .) und eines NICHT-ODER-Gatters (29 . . .) und einem nachgeschalteten UND-Gatter (30 . . .) besteht, wobei die Steuerkreise (22, 23, 24, 25, 28, 29, 30) der Steuernetzwerke (101, 102, . . . 111) in folgender Weise mit den Zuleitungen zu den ersten Schaltern (21) verharft sind:
  • - den beiden Eingängen jedes ODER-Gatters (28 . . .) sind jeweils die Ausgänge (1, 2, . . . 11) der beiden wirkungsmäßig gegenüberliegenden Lagesensoren (26.1, 26.2, . . . 26.11) zugeführt,
  • - den drei Eingängen jedes NICHT-ODER-Gatters (29 . . .) sind jeweils die beiden Ausgänge (1, 2, . . . 11) der sich den beiden wirkungsgradmäßig gegenüberliegenden Lagesensoren (26.1, 26.2, . . . 26.11) beidseitig direkt anschließenden Lagesensoren (26.1, 26.2, . . . 26.11) sowie der Ausgang des zum jeweiligen Steuernetzwerk (101, 102, . . . 111) gehörenden Lagesensors (26.1, 26.2, . . . 26.11) zugeführt.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (20 . . ., 21 . . .) zum Anlegen der Speisespannung an die Speisepunkte (A, B, . . . K) als Halbleiterschalter ausgebildet sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (20 . . ., 21) und die logischen Verknüpfungsglieder (28 . . ., 29 . . ., 30 . . .) der Steuernetzwerke (101, 102, . . . 111) auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind.
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