DE3528765C2 - - Google Patents
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
- H02P6/14—Electronic 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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