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DE2658321B1 - Regelanordnung fuer einen kollektorlosen Gleichstrommotor - Google Patents

Regelanordnung fuer einen kollektorlosen Gleichstrommotor

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DE2658321B1
DE2658321B1 DE2658321A DE2658321A DE2658321B1 DE 2658321 B1 DE2658321 B1 DE 2658321B1 DE 2658321 A DE2658321 A DE 2658321A DE 2658321 A DE2658321 A DE 2658321A DE 2658321 B1 DE2658321 B1 DE 2658321B1
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Georg Koegler
Hans Dipl-Phys Kuehnlein
Manfred Dr Liska
Karl Schalk
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Siemens Corp
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor, dessen Ständerwicklungen zur Ermöglichung beider Drehrichtungen über eine Brückenschaltung aus Transistoren an eine Gleichspannungsquelle in Abhängigkeit von der Rotorstellung schaltbar sind, mit einem Haupttransistor als Regler-Endstufe zwischen Brückenschaltung und Spannungsquelle zur Steuerung des Motorstroms mit Hilfe eines Zweipunktreglers, wobei der Strom-Istwert an einem den Strom sämtlicher Wicklungen führenden gemeinsamen Widerstand abgegriffen und am invertierenden Eingang des Zweipunktreglers mit dem Strom-Sollwert verglichen wird.
Ein solcher Gleichstrommotor in Verbindung mit einer Regelanordnung ist im wesentlichen durch die DT-OS 25 08 546 bekannt.
Derart geregelte kollektorlose Gleichstrommotoren werden vornehmlich als Schrittmotoren eingesetzt. Wegen der günstigeren Motoreigenschaften werden diese mit Konstantstrom betrieben. Bei höheren Motorströmen werden zur Kommutierung anstelle einfacher Transistoren sogenannte Darlington-Transistören verwendet. Diese bestehen im Prinzip aus zwei kaskadierten Transistoren, wobei sich die Kapazitäten dieser beiden Transistoren summieren. Werden Darlington-Transistoren verwendet, so findet bei jedem Durchschalten des ebenfalls als Darlington-Transistor ausgebildeten Haupttransistors ein Umladen der Transistor-Kapazitäten des elektronischen Kommutators statt. Dadurch treten kurzzeitige Stromspitzen durch die jeweils gesperrten Transistoren der Brückenschaltung auf. Diese Stromspitzen überlagern sich dem Strom-Istwert des Motors und können die Funktion des Zweipunktreglers beeinträchtigen, wenn diese Stromspitzen höher als der vorgegebene Sollwert sind. In diesem Fall arbeitet der Regler instabil.
Die Stromspitzen können durch eine Glättung des Istwertes zumindest teilweise unterdrückt werden, insbesondere bei Verwendung von normalen Transistoren. Nachteilig ist bei einer solchen Lösung jedoch, daß die Stromhysterese von der Motorbetriebsspannung und von der Motorzeitkonstante abhängt. Daher ist eine 30' Schaltung dieser Art bei Transistoren höherer Leistung nicht ohne weiteres für verschiedene Betriebsspannungen und Motortypen einsetzbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, daß sie nicht nur universell einsetzbar ist, sondern daß auch die Stabilität des Reglers jederzeit gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß beim Einschalten des Haupttransistors die Hysterese des Zweipunktreglers für die Dauer der dem Motorstrom infolge der Spannungsänderungen in den Transistoren überlagerten Stromspitze vergrößert wird. Eine besonders einfache Lösung besteht darin, daß zur Vergrößerung der Hysterese der Spannungssprung am Kollektor des Haupttransistors beim Einschalten desselben durch ein ÄC-Glied differenziert auf den Zweipunktregler rückgekoppelt wird. Es kann aber auch mit dem Ausgangssignal des Zweipunktreglers eine Zeitstufe getriggert werden, mit der die Hysterese des Zweipunktreglers kurzzeitig entsprechend vergrößert wird.
Anhand der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Schaltungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit Zweipunktregler,
F i g. 2 das Symbol für einen Darlington-Transistor,
F i g. 3 die Schaltung eines Darlington-Transistors,
Fig.4 den Stromverlauf durch den gemeinsamen Widerstand,
F i g. 5 einen Verlauf der an den Verstärkereingängen auftretenden Signale,
F i g. 6 eine Schaltungsvariante des Zweipunktreglers nach F i g. 1,
f>5 F i g. 7 den Verlauf der Signale an den Verstärkereingängen der Regelanordnung nach F i g. 6,
F i g. 8 eine weitere Schaltungsvariante,
F i g. 9 den Verlauf der Signale an den Verstärkerein-
gangen der Regelanordnung nach F i g. 8,
F i g. 10 eine weitere Schaltungsvariante und
Fig. 11 den zeitlichen Verlauf der Signale an den Verstärkereingängen der Regelanordnung nach Fig. 10.
Mit 1 ist ein Schrittmotor bezeichnet, der drei im Dreieck geschaltete Ständerwicklungsstränge aufweist. Die Enden der miteinander verbundenen Ständerwicklungsstränge sind an eine Kommutierungseinrichtung 2 angeschlossen. Die Kommutierungseinrichtung 2 besteht aus in Brückenschaltung angeordneten Darlington-Transistoren 3 bis 8, wobei die Transistoren 3 bis 5 die eine Brückenhälfte und die Transistoren 6 bis 8 die andere Brückenhälfte bilden. Zu jedem Transistor 3 bis 8 ist eine Diode 9 bis 14 antiparallel geschaltet Über einen Haupttransistor 15, der ebenfalls als Darlington-Transistor ausgebildet ist, ist die Kommutierungseinrichtung 2 mit ihrem einen Eingang an den Pluspol einer Gleichspannungsquelle UM angeschlossen, an deren Minuspol 0 V über einen Widerstand 16 der andere Eingang der Kommutierungseinrichtung liegt In F i g. 2 ist das Symbol und in F i g. 3 die Schaltungsweise eines Darlington-Transistors dargestellt.
Die Transistoren 3 bis 8 sind mit ihren Basen an eine Steuerschaltung 17 angeschlossen. Dieser Steuerschaltung arbeitet in Abhängigkeit von in der Zeichnung nicht dargestellten Rotorstellungsgebern. Die Transistoren 3 bis 8 werden somit über die Steuerschaltung 17 in einer der Rotorstellung entsprechenden Folge auf- und zugesteuert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Steuerschaltung 17 ferner ein Taktgeber 18 vorgeschaltet. Dieser gibt Impulse für eine schrittweise Steuerung des Motors 1 ab.
Zur Regelung des Motors auf konstantem Strom ist ein Zweipunktregler 19 vorgesehen, dessen Ausgang über eine Treiberstufe 20 mit der Basis des als Reglerendstufe arbeitenden Haupttransistors 15 verbunden ist. Zur Erfassung des Strom-Istwertes dient der Widerstand 16, an dem an einem Anschluß 21 eine dem Strom proportionale Spannung abgenommen werden kann, die über eine Leitung 22 und einem aus den beiden Widerständen 23 und 24 sowie einem Kondensator 25 bestehenden Glättungsglied 26 einem Punkt 27 zugeführt wird, wo sie mit einem Strom-Sollwert verglichen wird, der über einen mit dem negativen Pol der Versorgungsspannung verbundenen Widerstand 28 gewonnen wird. Die am Punkt 27 auftretende Soll-Istwert-Differenz wird dem invertierenden Eingang des Zweipunkt-Reglers 19 zugeführt An einem am Ausgang des Zweipunktreglers angeschlossenen Spannungsteiler, der aus den beiden Widerständen 29 und 30 besteht, werden die beiden Schwellwerte des Zweipunktreglers 19 eingestellt. Der Verbindungspunkt 31 zwischen den Widerständen 29 und 30 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Zweipunktreglers 19 verbunden.
An einem Verbindungspunkt 32 zwischen Haupttransistor 15 und Brückenschaltung 2 ist über eine Freilaufdiode 33 eine positive Haltespannung + UH angelegt, die bei gesperrtem Haupttransistor 15 die Motorwicklungen unter Spannung hält, damit der Läufer seine jeweilige Stellung beibehält (Haltemoment).
Die drei Phasenwicklungen des Motors 1 werden von der Kommutierungseinrichtung 2 mit den Transistoren 3 bis 8 zur Erzeugung eines Drehfeldes zyklisch umgeschaltet. Die Wirkungsweise eines solchen Motors ist an sich bekannt und braucht hier nicht weiter erläutert zu werden. Dadurch, daß der Motorstrom mit Hilfe des Zweipunktreglers 19 auf einen konstanten Wert geregelt wird, ergibt sich der in der Fig.4 dargestellte Stromverlauf durch den Widerstand 16. Hierbei ist der Strom-Istwert über die Zeit aufgetragen. Mit a ist der obere und mit b der untere Grenzwert (Schwellwert) bezeichnet, die durch die Widerstände 29 und 30 einstellbar sind. Die Differenz a-b bezeichnet man die Hysterese des Zweipunktreglers 19.
ίο Zum Zeitpunkt f 0 wird die Motorbetriebsspannung + UM mit Hilfe des Haupttransistors 15 an die Kommutierungseinrichtung 2 gelegt. Zum Zeitpunkt 11 hat der Strom den durch die Widerstände 29 und 30 vorgegebenen Schwellwert a erreicht, so daß der Zweipunktregler 19 den Transistor 15 zusteuert. Zum Zeitpunkt ί 3 ist der Strom auf den unteren Schwellwert b abgesunken, der durch die Haltespannung + UH und Widerstand 30 vorgegeben ist. Der Transistor 19 wird also wieder eingeschaltet. Wird der Transistor 15 in den leitenden Zustand geschaltet, so erscheint am Kommutator 2 die wesentlich höhere Motorbetriebsspannung + UM. Diese Spannungsänderung am Kommutator bewirkt ein Umladen der Kapazitäten der Transistoren 3 bis 8, welche besonders hoch sind, wenn sogenannte Darlington-Transistoren verwendet sind. Durch dieses Umladen werden kurzzeitige Stromspitzen A durch gesperrte Transistoren in der Kommutierungseinrichtung 2 hervorgerufen. Diese Stromspitzen überlagern sich dem Motorstrom-Istwert am Widerstand 16 und beeinträchtigen die Funktion des Reglers 19 dann, wenn diese Stromspitzen höher als der Strom-Sollwert sind. Diese Stromspitzen können durch das Glättungsglied 26 zumindest teilweise unterdrückt werden. Nachteilig ist bei dieser Lösung jedoch, daß die Stromhysterese von der Motorbetriebsspannung UM und von der Motorzeitkonstante abhängt, d. h„ die Schaltung ist nicht ohne weiteres für verschiedene Betriebsspannungen und Motortypen einsetzbar.
Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, arbeitet der Regler nur stabil, wenn dafür gesorgt wird, daß durch die kurzzeitigen Stromspitzen A die eingestellten Schwellwerte des Zweipunktreglers 19 nicht überschritten werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß beim Einschalten von Transistor 15 kurzzeitig die Hysterese des Zweipunktreglers 19 vergrößert wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 wird dies dadurch erreicht, daß der Verbindungspunkt 32 zwischen Transistor 15 und Kommutierungseinrichtung 2 über ein aus einem Widerstand 34 und
so einem Kondensator 35 bestehendes ÄC-Glied mit dem Verbindungspunkt 31 verbunden ist. Auf diese Weise wird der Spannungssprung am Kollektor des Transistors 15 durch das ÄC-Glied differenziert und der aus den beiden Widerständen 29 und 30 bestehenden Mitkopplung überlagert. Die Zeitkonstante des RC-Gliedes wird auf die Impulsdauer der Stromspitzen abgestimmt.
Fig.5 zeigt die Signale U(+), t/(—) an den Verstärkereingängen in Abhängigkeit von der Zeit. Und zwar ist in gestrichelten Linien das Signal £/(—) am invertierenden Eingang (—) und mit ausgezogenen Linien das Signal U(+) am nichtinvertierenden Eingang (+) dargestellt Die Stromspitzen A am invertierenden Verstärkereingang werden durch die gleichzeitige Erhöhung der Schaltschwelle von a auf a' am nichtinvertierenden Verstärkereingang unwirksam. Dadurch ist mit Sicherheit vermieden, daß der Zweipunktregler 19 durch die Stromspitzen instabil
wird. Mit a und b sind wiederum die Schwellwerte des Zweipunktreglers 19 angedeutet. Die beim Abschalten durch das ÄC-Glied 34, 35 auftretende kurzzeitige Absenkung B der unteren Schaltschwelle b auf b' ist hierbei ohne Bedeutung.
F i g. 6 zeigt eine andere Variante der Regelanordnung nach Fig. 1, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Strom-Istwert J,si wird wiederum an dem Meßwiderstand 16 abgenommen und über einen Widerstand 36 dem Vergleichspunkt 27 zugeführt, und der Strom-Sollwert wird durch den Widerstand 28 vorgegeben. Die Soll-Istwert-Differenz des Stroms wird dem invertierenden Eingang (—) des Zweipunktverstärkers 19 zugeführt. Der Ausgang des Zweipunktreglers 19 ist wiederum über eine Treiberstufe 20 mit der Basis des als Reglerendstufe wirkenden Transistors 15 gemäß F i g. 1 verbunden. Wie F i g. 6 zeigt, ist zur kurzzeitigen Vergrößerung der Hysterese des Zweipunktreglers 19 eine Zeitstufe 37 vorgesehen, die vom Ausgang des Zweipunktreglers 19 getriggert wird. Die Laufzeit der Zeitstufe 37 ist durch einen Widerstand 38 und den Kondensator 39 einstellbar vorgegeben. Der Ausgang Q der Zeitstufe 37 ist über eine Diode 40 und einen Widerstand 41 mit dem Verbindungspunkt 31 verbunden. Mit dem Ausgangssignal des Zweipunktreglers 19 zum Zeitpunkt i3 wird also die Zeitstufe 37 getriggert, die während ihrer Laufzeit Ti über den Widerstand 41 und die Diode 40 einen zusätzlichen Strom in den Widerstand 30 einspeist. Das Potential des Punktes 31 wird also entsprechend erhöht und damit auch die Hysterese des Zweipunktreglers 19.
F i g. 7 zeigt die Signale an den Eingängen des Zweipunktreglers 19. Mit gestrichelten Linien i/(—) sind wiederum die Signale am invertierenden Eingang (-) und mit ausgezogenen Linien t/(+) die Signale am nichtinvertierenden Eingang (—) angedeutet. Mit a und b sind der obere bzw. der untere Schwellwert des Zweipunktreglers 19 angegeben. Zur Zeit £3 wird die Regelendstufe 15 aufgesteuert und im Strom-Istwert Jm erscheint die Spitze A, die über die Schwelle a reicht. Durch die Zeitstufe 37 wird nun der obere Schwellwert a auf a' angehoben und verbleibt auf diesem Wert, solange die Zeitstufe läuft. Die Laufzeit Ti der Zeitstufe 37 ist auf die Impulsbreite der Stromspitzen A abgestimmt. Nach Ablauf der Zeit Ti sinkt die obere Ansprechschwelle a'wieder auf den durch den Widerstand 30 vorgegebenen Wert a ab.
Fig.8 zeigt eine weitere Schaltungsvariante der Regelanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach Bild 1, wobei für wirkungsmäßig gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet sind. Der Strom-Istwert JBt wird wiederum über den Widerstand 16 abgenommen und über den Widerstand 36 dem Vergleichspunkt 27 zugeführt, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.6. Ein stabiles Verhalten des Zweipunktreglers 19 kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel auch dadurch erreicht werden, daß zumindest im Bereich des Auftretens von Stromspitzen der Strom-Istwert kompensiert wird. Dies kann gemäß F i g. 8 durch einen Kondensator 44 erreicht werden, der zwischen dem Vergleichspunkt 27 am invertierenden Eingang (-) des Zweipunktreglers 19 und dem Ausgang der Treiberstufe 20 eingeschaltet ist. Der Einfluß der Stromspitzen wird also dadurch beseitigt, daß die Spannungsänderung am Ausgang der Treiberstufe 20 über den Kondensator 44 auf den Strom-Istwert am invertierenden Eingang (—) des Zweipunktreglers 19 koppelt.
Fig.9 zeigt die Signale an den Eingängen des Zweipunktreglers 19, wobei mit gestrichelten Linien t/(—) wiederum die Signale am invertierenden Eingang (-) und mit durchgezogenen Linien t/(+) die Signale am nichtinvertierenden Eingang (+) dargestellt sind. Mit a und b sind die beiden Schwellwerte des Zweipunktreglers 19 angedeutet, die, wie zuvor ausgeführt, die Stromhysterese bilden.
Die Stromhysterese bleibt bei diesem Ausführungsbeispiel konstant. Beim Durchlässigwerden des die Reglerendstufe bildenden Transistors 15 zum Zeitpunkt i3 wird also der Strom-Sollwert kurzzeitig erhöht, so daß die im Zeitpunkt f3 auftretende Stromspitze A unter dem Schwellwert a des Zweipunktreglers 19 bleibt. Der Transistor 15 bleibt dann so lange eingeschaltet, bis der obere Schwellwert a wieder erreicht wird. Dies ist zum Zeitpunkt t4. Die beim Abschalten des Transistors 15 vorübergehende Anhebung des Sollwertes bis zum Punkt C hat für den Regelvorgang keine Bedeutung, da diese Anhebung über dem Schwellwert a liegt und dieser konstant ist.
Fig. 10 zeigt eine weitere Schaltungsvariante, die dem Prinzip der Regelanordnung nach Fig.8 und 9 entspricht. Gleiche Teile sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 ist eine Zeitstufe 45 vorgesehen, die vom Ausgang des Zweipunktreglers 19 getriggert wird.
Die Laufzeit kann über einen Widerstand 46 und Kondensator 47 eingestellt werden. Von der Zeitstufe 45 wird aber nicht der Strom-Sollwert für den Zweipunktregler 19 kurzzeitig erhöht, sondern der Strom-Istwert wird im Bereich des Auftretens der unerwünschten Stromspitzen kurzzeitig erniedrigt, so daß wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 8 und 9 die Stromspitzen A den oberen Schwellwert a des Zweipunktreglers nicht erreichen, wie F i g. 11 zeigt. Dies wird bei der Regelanordnung nach Fig. 10 dadurch erreicht, daß der komplementäre Ausgang ~Q über einen Widerstand 48 mit dem Punkt 27 in Verbindung steht, so daß während der Laufzeit der Zeitstufe 45 über Widerstand 48 zusätzlich Strom zur Sollwert-Spannungsquelle US fließt Das Ausgangssignal der Zeitstufe 45 ist in diesem Fall auf die Spannungsquelle C/Sbezogen.
In Fig. 11 sind wiederum die Signale an den Eingängen des Zweipunktreglers 19 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, wobei mit gestrichelten Linien C/(—) die Signale am invertierenden Eingang und die durchgezogenen Linien U(+) die Signale am nichtinvertierenden Eingang bedeuten. Zum Zeitpunkt 13 wird das Signal am invertierenden Eingang für die Dauer T2 herabgesetzt, daß die Stromspitzen A unwirksam bleiben, d.h., der Schwellwert a durch diese Spitzen nicht erreicht wird, so daß der Regler stabil arbeitet.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Regelanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor, dessen Ständerwicklungen zur Ermöglichung beider Drehrichtungen über eine Brückenschaltung aus Transistoren an eine Gleichspannungsquelle in Abhängigkeit von der Rotorstellung schaltbar sind, mit einem Haupttransistor als Regler-Endstufe zwischen Brückenschaltung und Spannungsquelle zur Steuerung des Motorstroms mit Hilfe eines Zweipunktreglers, wobei der Strom-Istwert an einem den Strom sämtlicher Wicklungen führenden gemeinsamen Widerstand abgegriffen und am invertierenden Eingang des Zweipunktreglers mit dem Strom-Sollwert verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einschalten des Haupttransistors (15) die Hysterese (a-b) des Zweipunktreglers (19) für die Dauer der dem Motorstrom (J,st) infolge der Spannungsänderungen in den Transistoren (3 bis 8) überlagerten Stromspitze fA^ vergrößert wird.
2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der Hysterese (a-b) des Zweipunktreglers (19) der Spannungssprung am Kollektor des Haupttransistors (15) beim Einschalten desselben über ein ÄC-Glied (34,35) auf den Zweipunktregler (19) rückgekoppelt wird (Fig. 1).
3. Regelanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgangssignal des Zweipunktreglers (19) eine Zeitstufe (37) getriggert wird, die während ihrer Laufzeit (Tt) die Hysterese (a-b) des Zweipunktreglers (19) vergrößert(Fig.6).
4. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einschalten des Haupttransistors (15) der Sollwert (fsoii)des Zweipunktreglers (19) kurzzeitig vermindert wird.
5. Regelanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Haupttransistor (15) zugeführte Steuersignal mit Hilfe eines Kondensators (44) auf den invertierenden Eingang (+) des Zweipunktreglers (19) rückgekoppelt wird (F i g. 8).
6. Regelanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgangssignal des Zweipunktreglers (19) eine Zeitstufe (45) getriggert wird, deren komplementärer Ausgang (ä) über einen Widerstand (48) mit dem invertierenden Eingang (—) des Zweipunktreglers (19) verbunden ist (dadurch (F ig. 10).
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