DE2314257C2 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommotors - Google Patents

Description

Regelbereich verhindern.

Die Erfindung wird anhand der im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer eriindungsgemä-Ben Schaltungsanordnung für einen einsträngigen Motor ' mit Reluktanz-Hilfsmoment,

F1 g. 2 eine schematische Darstellung eines elnsträngigen kollektorlosen Gleichstrommotors, bei welchem Im Betrieb ein Reluktanz-Moment auftritt,

Fig. 3 Scbaubllder zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1,

F i g. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, welche eine Variante zu der Schaltung nach Flg. 1 darstellt und ebenfalls zur is Regelung eines einsträngigen kollektorlosen Gleichstrommotors mit Reluktanz-Hilfsmoment dient,

F1 g. 5 eine ausführlichere Schaltung, welche gemäß der Prinzipschaltung nach Fig. 1 aufgebaut ist,

F i g. 6 Schaubilder zur Erläuterung der Schaltung nach Fig. 5,

F i g. 7 eine Prinzipdarstellung eines drei Ankerwicklungen aufweisenden kollekxorlosen Gleichstrommotors, und

F i g. 8 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä-Ben Schaltungsanordnung für einen Motor von der In Flg. 7 dargestellten Art.

Gleiche oder gleich wirkende Teile werden in der folgenden Beschreibung jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung, und zwar zur Regelung eines einsträngigen Motors, bei dem Im Betrieb ein Reluktanz-Moment auftritt, wie er Gegenstand der älteren Patentanmeldung gemäß DE-OS 22 25 422 1st. Flg. 2 zeigt als nicht einschränkendes Beispiel eines solchen Motors einen Außenläufermotor 10 mit einem äußeren, als radial polarisierter Dauermagnet ausgebildeten Rotor 11, der wie dargestellt zweipolig ausgebildet Ist und sich im Betrieb in Richtung des Pfeiles 12 dreht.

Der Stator 13 des Motors 10 Ist als Doppel-T-Anker mit einem oberen Pol 14 und einem unteren Pol IS ausgebildet, welche beide etwa die Umrißform eines Regenschirms haben, also fast den gesamten Polbogen überspannen. Der Stator 13 hat zwei in Reihe geschaltete Wicklungen 16 und 17, deren Mittelanzapfung an einen Anschluß 18 geführt 1st und deren freie Enden mit 19 und 20 bezeichnet sind. Ein Hallgenerator 23 Ist an der öffnung der rechten, für die Wicklungen 16 und 17 vorgesehenen Nut 24 am Stator angeordnet.

Der Luftspalt 25 über dem Pol 14 und der Luftspalt 26 über dem Pol 15 sind jeweils so ausgebildet, daß sie sich In Drehrichtung gesehen über einen Winkel σ. verengen und über einen Winkel β wieder erweitern. Der Rotor 11 hat deshalb Immer das Bestreben, sich In die mit strichpunktierten Linien L angedeutete Stellung zu drehen, In welcher seinen beiden Polen ein möglichst kleiner Luftspalt gegenüberliegt, Wird der Rotor 11 z. B. durch elektromagnetische Kräfte (Anschließen der Wicklung 16 oder 17 an eine Gleichspannung) aus dieser Stellung herausgedreht, so wird Im Magnetsystem des Motors 10 magnetische Energie gespeichert. Werden dann die elektromagnetischen Kräfte wieder abgeschaltet, so bewirkt diese gespeicherte Energie ein Reluktanz-Moment, das den Rotor soweit antreibt, bis er wieder die beschriebene, mit strichpunktierten Linien angedeutete Lage L erreicht hat. die man In Analogie zu einer Uhr als 2-Uhr-/8-Uhr-Stellung bezeichnen könnte. Dabei spielt es keine Rolle, ob sich z. B. der Nordpol N des Rotors 11 an der Stellung 2 Uhr oder der Stellung 8 Uhr befindet, da beides stabile Ruhelagen des Rotors 11 sind.

Zur Regelung eines Motors dieser Gattung, der mit einem solchen Reluktanz-Hilfsmoment arbeitet, 1st die Schaltung nach Fig. 1 ausgebildet. Insbesondere bei einem Motor nach DE-OS 22 25 442 1st es aber günstig, zur Regelung eines Motors 10 mit nur zwei Ankerwicklungen 16, 17, welche abwechselnd mit Strom versorgt werden sollen, wobei In den Momentlücken ein Reluktanz-Moment wirksam wird, gemäß Flg. 5 dem Regelverstärker 42 einen die Phase um mindestens nahezu 180° verschiebenden Phasenschieber 31, 34, 63, 64, 65, 66 zuzuordnen, um eine für das antreibende, elektromagnetisch erzeugte Moment (74 in Fig. 6) optimale zeltliche Steuerung der Ströme in den Ankerwicklungen 16, 17 relativ zur jeweiligen Rotorstellung zu erhalten.

Wie aber Im folgenden anhand von F i g. 8 gezeigt wird, eignet sich dasselbe Prinzip auch für Motoren mit mehr als zwei Wicklungen und auch für Motoren, bei welchen kein Reluktanz-Hilfsmoment verwendet wird, sondern der Rotor nur durch elektro-magnetisch erzeugte Momente angetrieben wird.

Es ist vorteilhaft, das Potential der dem Regelverstärker 42 bzw. 117 In FIg. 5 bzw. 8 zugeführten Differenzspannung im Rhythmus der In den Ankerwicklungen rotatorlsch induzierten EMK relativ zur zugeführten Betriebsgleichspannung zu verändern und zur Erzeugung einer Im gleichen Rhythmus relativ zur zugeführten Betriebsgleichspannung ihr Potential ändernden, in sich etwa konstanten Betriebsspannung des Regelverstärkers ein Konstantspannungsglled nach Art einer Zenerdiode 163 bzw. 114 vorzusehen, bei welchem das Potential eines Anschlusses durch ein Potential der Differenzspannung bestimmt 1st.

In Fig. 1 sind die beiden Wicklungen 16 und 17 des Motors 10 dargestellt, deren Mittelanzapfung 18 an den Pluspol einer Gleichspannungsquelle von z. B. 24 Volt angeschlossen ist. An den Anschluß 19 der Wicklung 16 Ist die Kathode einer Diode 30, ein Widerstand 31 und der Kollektor eines npn-Translstors 32 angeschlossen. In gleicher Welse ist an den Punkt 20 die Kathode einer Diode 33, ein Widerstand 34 und der Kollektor eines Transistors 35 angeschlossen. Die Anoden der Dioden 30 und 33 sind miteinander und - über eine Leitung 38 mit einem Anschluß eines Potentiometers 36 verbunden, dessen Abgriff 37 etwa in der Mitte des Potentiometerwiderstandes steht, also diesen In zwei etwa gleich große Widerstände unterteilt, wobei durch geringfügige Verschiebungen des Abgriffs 37 In der einen oder der anderen Richtung eine Mit- oder eine Gegenkopplung erreicht werden kann, wie das im folgenden noch ausführlich beschrieben wird. Der andere Anschluß des Potentiometers 36 Ist an die Plusleitung 18 angeschlossen.

Die anderen Anschlüsse der beiden Widerstände 31 und 34 sind ebenfalls miteinander und - über eine Leitung 39 - mit dem einen Eingang eines Reglers 42 verbunden, mit dessen anderem Eingang der Abgriff 37 über _N eine Leitung 43 verbunden Ist.

Der Ausgang des Reglers 42 1st über eine Leitung 44 mit dem einen Steuekslngang des Hallgenerators 23 (vgl. auch Flg. 2) verbunden, dessen anderer Eingang an der Minusleltung 46 liegt, an welche auch die Emitter der Transistoren 32 und 35 angeschlossen sind, während die Basen dieser Transistoren an die beiden Ausgänge des Hallgenerators 23 angeschlossen sind.

Bei Rotation des Läufers 11 (Fig. 2) werden in den

beiden Spulen 16 und 17 gegenphaslge Spannungen induziert, welche je nach Form des magnetischen Kreises z. B. etwa sinusförmig aussehen können. Nimmt man an, der Rotor 11 In Flg. 2 werde angetrieben, so sieht man, daß relativ zum Punkt 18 der Punkt 19 dann positiver wird, wenn der Punkt 20 negativer wird, und umgekehrt, und zwar erfolgen wegen der Symmetrie der Anordnung diese Potentialänderungen in genau symmetrischer Welse. Wenn man die beiden Widerstände 31 und 34 gleich groß wählt, so erkennt man In F1 g. 2 an der Symmetrie der Anordnung sehr gut, daß beim äußeren Antrieb des Rotors 11 die Punkte 18 und 39 dasselbe Potential haben müssen, oder anders ausgedrückt, der Punkt 39 1st ein künstlicher Nullpunkt des dort gezeigten Systems.

Wenn nun die Anordnung als Motor läuft, so weicht das Potential des Punktes 39 dann vom Potential der Plusleitung 18 ab, wenn einer der Transistoren 32 oder 35 eingeschaltet wird und ein Strom durch die zugehörige Wicklung 16 oder 17 fließt.

F1 g. 3 zeigt In der obersten Reihe schmeatlsch die Spannungen, die hierbei an den stromführenden Wicklungen auftreten, und zwar 1st E die durch den Rotor 11 In einer Wicklung rotatorisch induzierte EMK, und mit /„ · R₀ 1st der Spannungsabfall bezeichnet, der durch den Strom /„ und den Wicklungswiderstand R₀ In dieser selben Wicklung entsteht. Bei einem langsam laufenden Motor kann z. B. E etwa 5 V betragen und i„ ■ R₀ z. B. etwa 20 V.

Diese Spannung /„ · R_a bewirkt also, daß der Punkt 39 jetzt ein relativ zur Leitung 18 negatives Potential u₃₉ erhält, dessen Verlauf der Form von /„ ■ R₁₁ proportional Ist, aber durch die Spannungsteilerwirkung der etwa gleich großen Widerstände 31 und 34 nur die halbe Größe hat, also 0,5 ■ i_a ■ R₀. Dieses Potential Ist In Flg. 3 in der dritten Reihe von oben dargestellt.

Zur besseren Veranschaulichung sind in Fig. 1 auch Kurven für die Potentiale U_n^₉ und ΐ/₁₈__2Ο (an den Punkten 19 und 20, bezogen auf die Leitung 18) sowie für die Spannung «18-39 eingezeichnet. Man erkennt auch dort, daß die Potentiale der Punkte 19 und 20 mit Ausnahme des durch den Ankerstrom verursachten Spannungsabfalls symmetrisch zueinander verlaufen, und daß an der Leitung 39 nur ein Signal auftritt, das dem Spannungsabfall an der jeweils stromführenden Wicklung proportional 1st.

Die Spannung m_i8_₃₈, welche in Fig. 3 In der oberen Reihe dargestellt ist, wird mittels der Dioden 30 und 33 erfaßt und steht an der Leitung 38 zur Verfügung. Mit Hilfe des Potentiometers 36 wird sie auf etwa die Hälfte reduziert, so daß am Abgriff 37 des Potentiometers 36 etwa die Hälfte dieser Spannung vorhanden ist, und diese haibe Spannung isi in Fig. 3 in der zweiten Reihe von oben dargestellt.

Diese halbe Spannung wird über die Leitung 43 dem Regler 42 zugeführt, ebenso die Spannung an der Leitung 39. Der Regler 42 erfaßt also die Differenz zwischen den beiden gewlchteten (bewerteten) Spannungen an den Leitungen 38 und 39; die Wlchtung (Bewertung) erfolgt mit Hilfe des Potentiometers 36, denn durch Verschieben des Abgriffs 37 kann entweder die Spannung an der Leitung 43 oder die Spannung an der Leitung 39 überwiegend gemacht werden.

Zum Beispiel zeigt Fig. 3 In der untersten Reihe den Fall, daß der Abgriff 37 etwas über die Mittelstellung nach oben verstellt wurde, d. h., daß das Reduzierungsverhältnis größer ist als 2:1, so daß am Scheitel der in der unteren Reihe von Flg. 3 dargestellten Halbwellen Im Betrieb eine Einsattelung 48 auftritt, die mit steigendem Ankerstrom größer w!rd, so daß sich der Glelchspannungsantell dieser Spannung 47 verringert, also dem Regler ein niedrigerer Istwert vorgetäuscht wird, wenn der Motorstrom zunimmt.

Wird umgekehrt das Reduzierungsverhältnis kleiner als 2:1 gemacht, so erhält man an den Scheiteln einen Höcker 49, wie er In Flg. 3 mit gestrichelten Linien nur an einer Stelle dargestellt 1st. Dies bewirkt eine Gegen-

to kopplung, da sich der Glelchspannungsantell der Spannung 47 hierdurch erhöht. Naturgemäß kann man auch das Potentiometer 36 so einstellen, daß weder eine Einsattelung noch ein Höcker entsteht, und da der Ankerstrom direkt an den Ankerwicklungen gemessen wird, gilt dann diese Einstellung ebenfalls für alle Betriebszustände des Motors.

Der Regler 42 steuert In Abhängigkeit von der ihm zugeführten Spannung den Strom Im Hallgenerator 23 so, daß die Drehzahl des Motors 10 konstant gehalten wird,

d. h., wenn die Drehzahl zu hoch wird, wird der Strom In der Leitung 44 reduziert; wird dagegen die Drehzahl zu niedrig, so wird dieser Strom erhöht, so daß die Transistoren 32 bzw. 35 mehr Strom führen und die Motordrehzahl ansteigt. (Im folgenden wird Im Zusammenhang mit F1 g. 5 eine Reglerschaltung noch ausführlich beschrieben.)

Die Schaltung nach F1 g. 4 ist mit derjenigen nach Flg. 1 weitgehend identisch, und es werden deshalb nur die abweichenden Teile beschrieben.

Während bei der Schaltung nach Flg. 1 die Bewertung (Wlchtung) der beiden Spannungen mit Hilfe des Potentiometers 36 erfolgt, ist in Fig. 4 zur Bewertung ein Verstärker 50 vorgesehen, der etwa um den Faktor η = 2, nämlich die Zahl η der verwendeten Wicklungen, verstärkt, so daß man am Reglereingang eine doppelt so hohe Spannung erhält wie bei Fig. 1, was besonders bei langsam laufenden Motoren Vorteile hat, da dort die induzierte Spannung eine relativ niedrige Größe aufweist.

Der Verstärker 50 verstärkt hier die Spannung an der Leitung 39, also das Signal, welches dem vom Ankerstrom hervorgerufenen Spannungsabfall proportional ist, und er verstärkt dieses Signal etwa auf den wirklichen Wert dieses Spannungsabfalls. Deshalb kann auch der wirkliche Wert der Spannung an der Leitung 38 verwendet und dem anderen Reglereingang direkt zugeführt werden.

Der eine Reglereingang erhält also die in Fig. 3 in der obersten Reihe dargestellte Spannung zugeführt, der andere eine Spannung, welche eine doppelt so große Amplitude hat wie die Spannung, die in Flg. 3 in der dritten Reihe von oben dargestellt ist. Man erhält dann am Reglereingang eine Spannung mit der Form der untersten Reihe von Fig.3, aber der doppelten Amplitude.

Eine Mitkopplung ergibt sich, wenn der Verstärker 50 eine Verstärkung hat, welche größer 1st als 2, eine Gegenkopplung dagegen bei einer Verstärkung von kleiner als 2. Es ergeben sich dann dieselben Einsattelungen 48 bzw. Höcker 49, wie sie in Fig. 3 unten dargestellt sind.

Fig. 5 zeigt eine ausführliche Darstellung einer bevorzugten Regelschaltung für die Schaltung nach Flg. 1, also für den drehzahlgeregelten Betrieb eines Motors der in Fig. 2 dargestellten Gattung. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind auch hier mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie In Fig. 2 und werden nicht nochmals beschrieben.
Die Emitter der Transistoren 32 und 35 sind hier mit-

einander und über einen Widerstand 54 mit der Leitung 46 verbunden. Ebenso ist der eine Steueranschluß des Hallgenerators 23 über einen Widerstand 55 mit der Leitung 46 verbunden. Der andere Anschluß des Hallgenerators 23 ist mit dem Emitter eines npn-Translstors 56 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand 57 an die Leitung 18 geführt Ist. Der Transistor 56 wirkt also als variabler Widerstand in der Steuerleitung des Hallgenerators 23.

Statt des Potentiometers 36 nach F1 g. 1 sind hier zwei In Reihe geschaltete Festwiderstände 58 und 59 (z. B. 740 bzw. 750 Ohm) verwendet, an deren Verbindungspunkt 60 die Kathode eines Konstantspannungsglieds In Form einer Zenerdlode 163, ferner der Emitter eines pnp-Translstors 62 und jeweils die eine Elektrode von zwei Kondensatoren 63 und 64 (z. B. je 2 \iF) angeschlossen sind. Der Punkt 39 ist über einen Kaltleiterwiderstand 65 mit der anderen Elektrode des Kondensators 63 verbunden, und diese ist ihrerseits über einen Widerstand 66 (z. B. 15 kO.) mit der anderen Elektrode des Kondensators 64 und der Basis des Transistors 62 verbunden, welche Ihrerseits über einen zur Einstellung der gewünschten Drehzahl dienenden Widerstand 67 mit der Anode der Zenerdlode 163 verbunden ist, die ihrerseits über einen Widerstand 68 (z. B. 68 kQ) an die Minusleitung 46 angeschlossen 1st.

Der Kollektor des Transistors 62 ist über eine Leitung 69 mit der Basis des Transistors 56 verbunden.

Der Drehzahl-Sollwert wird hler mit Hilfe der Zenerdiode 163 und der Spannungstellerkette 67, 66, 65 und 31 bzw. 34 gebildet. Der Widerstand 65 In dieser Kette Ist temperaturabhängig, um die Temperaturabhängigkeit der Induktion des permanentmagnetischen Läufers (z. B. 11 in Fig. 2) zu kompensieren.

Die Kondensatoren 63 und 64 bilden zusammen mit den Widerständen 31 bzw. 34, 65 und 66 ein phasenschiebendes Filter, welches die Welligkeit der dem Regler als Istwert zugeführten Spannung 47, die in der untersten Reihe von F1 g. 3 und der obersten Reihe von F i g. 6 dargestellt ist, vermindert und gleichzeitig die Phase dieser Spannung 47, Fig. 3, um annähernd 180° dreht, wie das Gegenstand der Patentanmeldung gemäß der DE-OS 22 52 727 ist. Diese Glättung und Phasenverschiebung der mit M₇₀ bezeichneten Spannung gegenüber der Spannung 47 ist in Flg. 6 in der zweiten Reihe von oben dargestellt. Sie dient dem Zweck, die Transistoren 32 und 35 nur in den Zeitabschnitten einzuschalten, in denen dies für den Antrieb des Motors am günstigsten ist, d. h. in den Zeitabschnitten, in denen der Rotor 11 in den Wicklungen 16 und 17 annähernd die maximale Spannung E induziert, während diese Transistoren zu den Zeiten ausgeschaltet sind, in denen der Motor gespeicherte magnetische Energie in Form eines Reiuktanzmoments abgibt. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Motor im Betrieb ein lückenloses und praktisch konstantes Moment abgeben kann.

Zum Verständnis der Wirkungsweise des Reglers 42 soll zunächst darauf hingewiesen werden, daß dessen konstante - Betriebsspannung durch die Zenerdiode 163 bestimmt wird, und daß diese Regler-Betriebsspannung Ihre Potentiallage relativ zur Betriebsspannung zwischen den Leitungen 18 und 46 periodisch ändert, und zwar Im Rhythmus der Spannung, die in Flg. 3 In der zweiten Reihe von oben dargestellt ist. (Bildlich kann man sich dies etwa wie einen Block vorstellen, der oben und unten an einer Feder in einem starren Rahmen aufgehängt ist und nun in diesem Rahmen periodisch nach oben und nach unten bewegt wird.)

Beim Anlaufen wird In den Wicklungen 16 und 17 praktisch keine Spannung Induziert, und es treten dort nur die ohmschen Spannungsabfälle auf. Sowohl das Potential am Punkt 60 wie das Potential am Punkt 39 haben deshalb denselben, Identischen Verlauf gemäß der dritten Zelle von Fig. 3 (U_x^y₉), mit anderen Worten, dem Eingang des Reglers wird bei diesem Betriebszustand keine Spannung zugeführt. Da der Transistor 62 In diesem Zustand über den Widerstand 67 einen Baslsstrom erhält, Ist er ständig leitend und hält auch den Transistor 56 ständig leitend, so daß die Kommutierung des maximalen Motorstroms durch den Hallgenerator 23 erfolgt.

Bei höheren Drehzahlen dagegen wirkt der Hallgenerator 23 nicht mehr allein als Kommutierglied, sondern hat die Funktion eines UND-Glieds, das die durch die Induktion des rotierenden Rotors 10 gegebene Information logisch mit den Signalen vom Regler 42 verknüpft.
Bei Erreichen der Nenndrehzahl nähert sich nämlich während seiner negativen Abschnitte das Potential des Punktes 60 soweit dem Basispotential des Transistors 62, daß letzterer während dieser Maxima relativ sanfi In den sperrenden und danach wieder in den leitenden Zustand übergeht. Dies 1st in Flg. 6 z. B. zwischen den Zeitpunkten I_x und I₂ der Fall. Im Zeitpunkt I₂ wird der Transistor 62 wieder leitend, sperrt wieder Im Zeltpunkt /₃, usw., vgl. Fig. 6.

Steigt nun die Drehzahl welter, so wird das mit 7"₄ bezeichnete Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten r, und I₂ größer und das Zeitintervall T₅ zwischen den Zeltpunkten I₂ und /₃ wird kleiner. Bei fallender Drehzahl ist es umgekehrt, d. h. T₄ wird kleiner und T₅ wird größer.

Man erkennt also, daß der Stromflußwinkel zu- oder abnimmt, und daß der Strom immer im richtigen Augenblick fließt, nämlich etwa im Maximum der Spannung 47 (vgl. F i g. 6, oberste Reihe). Da das im Motor 10 erzeugte Reluktanzmoment 73 durch Wahl der Winkel ar, β und γ und der Luftspaltdimensionen so gewählt ist, daß es die Lücken zwischen den in Fig. 6 mit 74 bezeichneten elektrlschen Antriebsmomentabschnitten ausfüllt, ergibt sich bei richtiger Auslegung bei einem solchen Motor ein lükkenloses und praktisch konstantes Antriebsmoment, d. h. ein solcher Motor läuft von selbst mit vollem Moment an und kann eine Last ohne störenden Momentenverlauf antreiben, welche etwa das Moment benötigt, für das er ausgelegt 1st. Zum Beispiel eignet sich ein solcher Motor ausgezeichnet zum Antrieb von Lüftern, Plattenspielern, Kassetten-Tonbandgeräten etc. Sehr vorteilhaft 1st bei dieser Schaltung, daß die Kommutierung im Betrieb durch die Transistoren 56 und 62 gesteuert wird und daß deshalb bei entsprechend dimensioniertem Filter 63, 64, 31, 34, 65, 66 ein sehr »welches« Ein- und Ausschalten der Transistoren 32 und 35 möglich ist, wie das z. B. bei Antrieben für Plattenspieler oder dgl. zum Vermeiden von sogenannten Rumpelgeräuschen erforderlich ist.

In Fig.6 ist die schraffierte Fläche 75 derjenige Teil des Reluktanzmoments, der als magnetische Antriebsenergie im Motor sozusagen gespeichert wird, und die schraffierte Fläche 76 ist derjenige Teil, der In den Lükken zwischen den elektrischen Momenten 74 wirksam wird. Die Flächen 75 und 76 sind jeweils gleich groß.

Fig. 7 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines kollektorlosen Gleichstrommotors 80, dessen Regelschaltung in Fig. 8 dargestellt ist. Dieser Motor hat drei um 120° elektrisch versetzte Wicklungen 81, 82, 83, die im Stern geschaltet sind und deren an + angeschlossener Sternpunkt mit 84 bezeichnet 1st Die freien Anschlüsse dieser

Wicklungen sind mit 85 bis 87 bezeichnet. Ferner Ist ein zweipoliger permanentmagnetischer Rotor 88 vorgesehen, und als Kommutierungsglieder dienen drei Feldplatten 91, 92, 93, das sind Widerstände, die unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes hochohmlg werden.

Wie Flg. 8 zeigt, sind diese Feldplatten 91 bis 93 jeweils mit einem Anschluß an eine Minusleitung 94 und mit Ihrem anderen Anschluß mit der Basis eines zugeordneten npn-Translstors 95 bzw. 96 bzw. 97 verbunden, deren Emitter zusammengefaßt und über einen Widerstand 98 an die Minusleitung 94 angeschlossen sind. Die Kollektoren der Transistoren 95 bis 97 sind mit den Punkten 85 bzw. 86 bzw. 87 verbunden, an welche auch Widerstände 101, 102, 103 sowie die Kathoden von drei Dioden 104, 105, 106 angeschlossen sind, deren Anoden über eine Leitung 107 und ein Potentiometer 108 mit der Plusleitung 84 verbunden sind.

Die freien Enden der Widerstände 101 bis 103 sind mit einer Leitung 110 verbunden, welche wie aus der Schaltung ersichtlich einen künstlichen Nulleiter darstellt, d. h., wenn der Rotor 88 (Flg. 7) von außen angetrieben wird, hat der Leiter 110 dasselbe Potential wie die Pluslettung 84, welche der eigentliche Nulleiter des Dreiphasensystems 81, 82, 83 1st. Im Betrieb dagegen erhält man an dieser Leitung 110 gegenüber der Leitung 84 eine Spannung, welche gleich einem Drittel der Spannung i_a ■ /?„, also gleich einem Drittel des ohmschen Spannungsabfalls in der jeweils stromführenden Wicklung 81, 82 oder 83 1st. Um denselben Faktor η = 3 (entsprechend der verwendeten Phasenzahl) muß auch die Spannung zwischen der Leitung 107 und der Leitung 84 reduziert werden, damit beide Spannungen sozusagen wieder denselben Maßstab erhalten. Dieser Vorgang wird In der vorliegenden Beschreibung als Bewertung bezeichnet. (Alternativ könnte natürlich auch hier die Spannung an der Leitung 110 um den Faktor 3 verstärkt werden, analog zur Schaltung nach Fig. 4.) Zur Reduzierung dient das Potentiometer 108, dessen oberer Widerstand z. B. 400 und dessen unterer 810 Ω beträgt, falls eine Mitkopplung erwünscht wird.

Der Abgriff 113 des Potentiometers 108 ist mit der Kathode einer Zenerdiode 114, der einen Elektrode eines Kondensators 115 und dem Emitter eines pnp-Translstors 116 verbunden, weiche alle Bestandteile eines Reglers 117 sind. Die Leitung 110 Ist über einen Kaltleiterwiderstand 120 (dessen Funktion derjenigen des Widerstandes 65 in Fig. 5 entspricht), mit der anderen Elektrode des Kondensators 115, der Basis des Transistors 116 und einem zur Einstellung der Solldrehzahl dienenden Widerstand 123 verbunden, dessen anderer Anschluß an die Anode der Zenerdiode 114 geführt ist, welche ihrerseits über einen Widerstand 124 mit der Minusleitung 94 verbunden ist.

Der Kollektor äss Transistors 116 ist an die Basis eines npn-Transistors 125 geführt, dessen Kollektor mit der Plusleitung 84 verbunden lsi und dessen Emitter über je einen Widerstand 126 bzw. 127 bzw. 128 mit der Basis des Transistors 95 bzw. 96 bzw. 97 verbunden 1st.

Der Regler 117 arbeitet praktisch ebenso wie der Regler 42 nach Flg. 5, so daß auf die dortige Beschreibung verwiesen werden kann. Jedoch Ist hler nicht unbedingt eine Phasenverschiebung der dem Regler als Istwert zugeführten Spannung erforderlich, da es zu jedem Zeitpunkt

ίο (d. h. In jeder Rotorstellung) sinnvoll ist, daß einer der Transistoren 95, 96 oder 97 stromleltend Ist. Eine geringe Phasenverschiebung (ca. 60°), die z. B. durch den Glättungs-Kondensator 115 erfolgen kann, ist allerdings zur Verbesserung des Wirkungsgrades sehr zweckmäßig. Je nach der Größe der zwischen Emitter und Basis des Transistors 116 wirksamen Spannung wird dieser also stromleltend oder gesperrt, wobei auch hler der Transistor 116 beim Anlauf über den Widerstand 123 zunächst leitend gehalten wird. Die Regelung erfolgt dann dadurch, daß den In Reihe geschalteten Widerstandspaaren 126-91 bzw. 127-92 bzw. 128-93 mehr oder weniger Strom zugeführt wird, so daß der Transistor, dessen Feldplatte 91, 92 oder 93 gerade in den hochohmigen Zustand kommutiert worden 1st, einen mehr oder weniger hohen Basisstrom erhält. Da der Motor hler nur durch die elektromagnetisch erzeugten Momente angetrieben wird, genügt für die Steuerung des Transistors 116 eine Gleichspannung, während die Kommutierung der Ströme durch die Feldplatten und den gemeinsamen Widerstand 98 bewirkt wird.

Zur Erzeugung einer Mitkopplung muß auch hler der Abgriff 113 nach oben, also zur Leitung 84 hin, verschoben werden, und zur Erzeugung einer Gegenkopplung in entgegengesetzter Richtung. Diese Möglichkeit hat sich besonders bei der Bemessung der Daten des Reglers im Laborversuch als äußerst günstig erwiesen, während naturgemäß bei einem Serienerzeugnis Festwiderstände mit einem vorher festgelegten Verhältnis verwendet werden.

In derselben Weise kann auch ein Motor mit vier, fünf, sechs etc. Ankerwicklungen geregelt werden, wobei in allen Fällen der Ankerstrom äußerst präzise direkt an der zugehörigen Wicklung erfaßt wird. Dabei sollten aber Motor und Regler so ausgebildet sein, daß Im geregelten Betriebsbereich von den zur Regelung benutzten Ankerspulen zu jedem Zeltpunkt nie mehr als eine vom Ankerstrom durchflossen 1st. Bei solchen Motoren mit mehr als drei Wicklungen genügt es dann unter Umständen, die Spannungen an nur einem Teil der Wicklungen für die Regelung zu erfassen. Versuche haben z. B. ergeben, daß man bei einem Motor mit vier Wicklungen, wie ihn die eingangs genannte Literaturstelle Siemens-Zeitschrift zeigt, nur die Spannung an zwei Wicklungen zu erfassen braucht und damit bereits eine sehr gute Regelung erhält.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

230 242/109

Claims (7)

Aus der Siemens-Zeitschrift 1966, Heft 6, Selten 690 Patentansprüche: bis 693, oder der DE-OS 2031141 ist eine derartige Schaltungsanordnung bekannt. Die Dioden sind so

1. Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung gepolt, daß die In den jeweils vom Ankerstrom nicht eines kollektorlosen Gleichstrommotors mit perma- 5 durchflossenen Ankerwicklungen vom Rotor induzierten nentmagneiischem Läufer und In Stern geschalteten Spannungen mittels der Dioden entnommen werden. Ankerwicklungen, wobei die Ankerwicklungen jeweils Min erhält dann an den zusammengeschalteten Ausgän-In Serie mit der Kollektoremitterstrecke eines Steuer- gen der Dioden eine wellige Gleichspannung, deren transistors geschaltet und bei wenigstens zwei der Amplitude etwa drehzahlproportional und unabhängig Ankerwicklungen an den Verbindungspunkten der io von der Höhe des Ankerstroms 1st.
Ankerwicklungen und Transistoren zur Gewinnung Es ist auch bekannt, bei herkömmlichen, mit einem einer den Drehzahl-Istwert entsprechenden einem Kollektor versehenen Gleichstrommotoren die Drehzahl-Regler zugeführten Spannung jeweils eins Diode mit regelung dadurch zu verbessern, daß man eine ankerihrer gleichnamigen Elektrode angeschaltet 1st und die stromabhängige Größe zu der vom Anker dieses Motors abgewandten anderen Elektroden aller Dioden zusam- 15 abgenommenen Gegen-EMK addiert, wie das die US-PS mengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, 22 36 086 in Fig. 3 zeigt. Diese Maßnahme ist aber bei daß jeweils die Diode (30, 33; 104, 105 106) und der der eingangs genannten Schaltung für einen kollektorzugehörige Transistor (32, 35; 95, 96, 97) so gepolt losen Gleichstrommotor nicht ohne zusätzliche Mittel sind, daß von dem einen Bauelement die Kathode möglich, und dies stellt in vielen Fällen einen Nachteil und von den anderen die Anode zusammengeschaltet 20 dar. Wolke man bei der bekannten Schaltung den Ankersind, daß an den Verbindungspunkten (19, 20; 85, 86, strom bei der Regelung berücksichtigen, so müßte man 87) der Ankerwicklungen (16, 17; 81, 82, 83) und der einen Meßwiderstand im Ankerkreis verwenden (DE-OS Transistoren (32, 35; 95, 96, 97) weiterhin jeweils ein 16 38 078, Davis, Weed: Grundlagen der Industriellen ohm'scher Widerstand (31, 34; 101, 102, 103) gleicher Elektronik, Stuttgart 1955, S. 348 bis 351), der erstens Größe angeschaltet Ist und die abgewandten 25 zusätzliche Verluste verursacht, und der zweitens, selbst Anschlüsse aller Widerstände (31, 34; 101, 102, 103) bei Ausbildung als Kaltleiterwiderstand, den Ankerzusammengeschaltet sind (Leitung 39; 110), daß die widerstand nicht genau nachbilden könnte, da sich die am Zusammenschaltungspunkt (Leitung 38; 107) aller Ankerwicklung Im Betrieb nach einer anderen Kennlinie Dioden (30, 33; 104,105,106) liegende erste Spannung erwärmt als der Meßwiderstand. Man wäre daher («18-38 ^ln FIg-3) zu der am Zusammenschaltungs- 30 gezwungen, die Verstärkung des Regelkreises so niedrig punkt (Leitung 39; 110) aller Widerstände (31, 34; zu halten, daß der Regler selbst im ungünstigsten Fall 101, 102, 103) liegenden zweiten Spannung («18-39) noch stabil arbeitet, wodurch sich ein relativ großer etwa Im Verhältnis 1: η gewlchtet wird, wobei η die Drehzahlabfall bei Belastung, also ein ungünstiges p-Ver-Anzahl der verwendeten Ankerwicklungen (16,17; 81, halten eines solchen Reglers, ergeben würde.

82, 83) ist, und daß die Differenz (w₃₉_₄₃ In Flg. 3; 35 Es 1st deshalb Aufgabe der Erfindung, die eingangs

M₅L₃₈ In Flg. 4) der so gewichteten Spannungen als genannte Schaltungsanordnung so weiterzubilden, daß

Drehzahl-Istwert dem Regler (42; 117) zugeführt ist. auch der Ankerstrom bei der Regelung berücksichtigt

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch wird.

gekennzeichnet, daß die mit Hilfe der Dioden (30, 33; Erfindungsgemäß wird dies bei der eingangs genannten

104, 105, 106) entnommene erste Spannung (U₃₈-I₈) 40 Schaltungsanordnung durch die Im Anspruch 1 gekennvor der Differenzbildung etwa Im Verhältnis η: 1 zeichneten Merkmale erreicht,
durch Spannungsteller (36; 58, 59; 108) reduziert wird. Hierbei werden also die Ankerwicklungen selbst nach-

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch einander als Meßwiderstände zur Erfassung des in ihnen gekennzeichnet, daß zum Erzeugen einer Mitkopp- jeweils fließenden Ankerstroms verwendet, so daß man lung des Ankerstroms OJ das Reduzierungsverhältnis 45 den Ankerstrom sehr genau erfassen kann und bei der größer ist als η : 1. Verstärkung des Regelkreises keine Rücksicht auf die

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch zuvor beschriebenen Schwierigkelten zu nehmen braucht, gekennzeichnet, daß zum Erzeugen einer Gegenkopp- Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der

|j lung des Ankerstroms OJ das Reduzierungsverhältnis Erfindung sind In den Unteransprüchen gekennzeichnet.

ψ kleiner als η: 1 Ist. 50 Der gemessene Ankerstrom kann erfindungsgemäß je

P

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch nach den Erfordernissen Im Sinne einer Mitkopplung

£; gekennzeichnet, daß die zweite Spannung (u₃₉_|₈) vor oder einer Gegenkopplung verwendet werden, was sich

U der Differenzbildung um etwa den Faktor η verstärkt In der Praxis bei Konstruktion und Bemessung einer sol-

Ij (Verstärker 50) wird. chen Regelschaltung außerordentlich vorteilhaft erweist.

p

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch 55 Eine Mitkopplung ermöglicht es z. B., mit geringem AuF-

ijj gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Mitkopp- wand eine hohe Kreisverstärkung im Regelkreis zu erzle-

jJi; lung des Ankerstroms (i_a) der Verstärkungsfaktor grö- len. Auch kann mit ihrer Hilfe eine unstetige Zwelpunkt-

H ßer als η Ist. regelung erreicht werden, sofern sich der Anwendungs-

fe?

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch fall des betreffenden Motors hierfür eignet. (Eine Zwel-

j| gekennzeichnet, daß 7ur Erzeugung einer Gegenkopp- 60 punktregelung ergibt ein Moment, welches relativ

t^:i lung des Ankerstroms OJ der Verstärkungsfaktor ungleichförmig 1st und sich deshalb z. B. für Antriebe In

|,j kleiner als η ist. Tongeräten weniger gut eignet.)

I; Eine Gegenkopplung kann zur Linearisierung des

Regelkreises zweckmäßig sein, da viele In kollektorlosen

, 65 Gleichstrommotoren verwendete Bauelemente, z. B.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Transistoren, Dioden oder Hallgeneratoren, mehr oder

^l: Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommo- weniger unllneare Eigenschaften haben, welche eine

tors der eingangs genannten Art. gleichmäßig hohe Kreis verstärkung über einen größeren