DE2743695C2

DE2743695C2 - Drehzahlregeleinrichtung für einen in der Drehrichtung umkehrbaren Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnetrotor und einer elektronischen Kommutierungseinrichtung

Info

Publication number: DE2743695C2
Application number: DE2743695A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. Ebert; Johann Grünleitner; Hans Dipl.-Phys. 8500 Nürnberg Kühnlein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-09-28
Filing date: 1977-09-28
Publication date: 1982-12-16
Also published as: JPS5457110A; JPS6137874B2; NL7808510A; DE2743695A1; US4292573A; FR2408942B1; FR2408942A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehzahlregeleinrichtung für einen in der Drehrichtung umkehrbaren Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnetrotor und einer elektronischen Kommutierungseinrichtung mit Halbleiterbauelementen, bei der in Abhängigkeit von der Soll-Istwert-Differenz der Drehzahl die Kommutierungsfolge der die Ständerwicklungen an eine von einem Drehzahlregler beeinflußte Motorspannung legenden Kommutierungstransistoren umgekehrt wird.

Eine derartige Drehzahlregeleinrichtung ist aus der DE-OS 16 13 438 bekannt. Hierbei werden die vier um 90° gegeneinander versetzten Ständerwicklungen eines kollektorlosen Gleichstrommotors durch in Reihenschaltung zu den Ständerwicklungen angeordnete Leistungstransistoren bestromt, wobei die Leistungstransistoren in Abhängigkeit von der durch zwei Hallgeneratoren erfaßten Rotorstellung alternativ über einen von zwei Sätzen von Vortransistoren angesteuert werden. Je nachdem, welcher der beiden Sätze von Vortransistoren an Spannung gelegt wird, dreht sich der Rotor in der einen oder der anderen Drehrichtung. Das Anspannunglegen der Vortransistorsätze erfolgt in Abhängigkeit von einer Drehzahlregelung, deren Eingang ein der Drehzahlabweichung proportionaler Strom eingespeist wird. Über die Ermittlung des Drehzahlsollwertes, des Drehzahlistwertes sowie der Regeldifferenz, insbesondere im Fall einer geforderten Drehrichtungsumkehr, ist der genannten Druckschrift nichts entnehmbar.

Aus der US-PS 35 18 519 ist eine Drehzahlregeleinrichtung für einen in beiden Drehrichtungen betreibbaren Gleichstrom-Nebenschlußmotor bekannt, der durch ein in der Stromflußrichtung umkehrbares Netzgerät in Abhängigkeit von der Regeldifferenz aus Drehzahlsollwert und Drehzahlistwert gespeist wird. Der Drehzahlistwert wird hierbei aus der EMK des Motors ermittelt, indem die Differenz der Motorspannung einerseits und der Summe aus ohmschem Spannungsabfall und induktivem Spannungsabfall andererseits gebildet wird.

Bei Motoren der eingangs genannten Art kann jedoch der Drehzahlistwert für beide Stromrichtungen — im Gegensatz zu konventionellen Gleichstrommotoren — nicht ohne weiteres aus der durch den Permanentmagnetrotor in den Ständerwicklungen induzierten EMK gewonnen werden, da die EMK mit Hilfe von Dioden ausgekoppelt wird. Die ausgekoppelte EMK ist jedoch nur proportional dem Betrag der Drehzahl und läßt die Drehrichtung unberücksichtigt. Daher läßt sich die Auskopplung der EMK mit Hilfe von Dioden nur begrenzt anwenden.

Bei kollektorlosen Gleichstrommotoren der eingangs genannten Art erfolgt die Drehrichtungsumkehr — abweichend von konventionellen Gleichstrommotoren — nicht durch Umpoiung der Versorgungsspannung, sondern — wie beispielsweise aus der DE-OS 16 13 438 ersichtlich ist - durch Umkehr der Einschaltreihenfolge der Ständerwicklungen. Die Richtung dos Motorstroms ist daher unabhängig von der Drehrichtung des Permanentmagnetrotors stets gleich, so daß die Gewinnung einer drehrichtungsabhängigen EMK bei in der Drehrichaing umkehrbaren kollektorlosen Motoren nicht ohne weiteres möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drehzahlregeleinrichtung für einen in der Drehrichtung umkehrbaren Gleichstrommotor der eingangs genannten Art anzugeben, die mit geringem Aufwand für beide Drehrichtungen die Ermittlung eines korrekten Drehzahlistwertes gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Regeldifferenz vom Vergleichsglied des Drehzahlreglers auch einem Drehrichtungssignalgeber zugeführt ist, der in Abhängigkeit vom Vorzeichen der eingangsseitigen Regeldifferenz eines von zwei möglichen Ausgangssignalen abgibt, daß als Drehzahl-Istwert-Spannung eine der Motor-EMK proportionale Spannung verwendet ist, die durch Differenzbildung in einem Summierverstärker aus der Motorspannung einerseits sowie den ohmschen Spannungsabfällen im Motor und der Kommutierungseinrichtung und den Durchlaßrestspannungen der Halbleiterbauelemente der Kommutierungseinrichtung andererseits gewonnen ist, und daß das Ausgangssignal des Drehrichtungssignalgebers einerseits der Kommutierungseinrichtung und andererseits dem Steuereingang einer dem Summierverstärker nachgeschalteten Umschalteinrichtung zügeführt ist, die die Polarität der der Motor-EMK proportionalen Spannung in Abhängigkeit von dem am Steuereingang anstehenden Ausgangssignal des Drehrichtungssignalgebers umkehrt oder unverändert läßt.

Es ist daher möglich, einen kollektorlosen Gleichstrommotor, unabhängig vom inneren Aufbau, in gleicher Weise zu regeln wie einen konventionellen Gleichstrom-Kollektormotor.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines drehzahlgoregelten und in der Drehrichtung umkehrbaren Gleichstrommotors,

F i g. 2 eine Schaltung für den Drehzahlregler.

In Fig. 1 ist mit 1 der eigentliche Motor bezeichnet, der einen Permanentmagnetrotor und im Ständer eine mehrphasige Ständerwicklung aufweist, und Zvvar im vorliegenden Falle vier um 90° versetzte Ständerwicklungen, die in Abhängigkeit von der Winkellage des mit dem Permanentmagnetrotor mit Hilfe von mindestens zwei am Ständerumfang um 90° el versetzt angeordneten Hallgeneratoren über eine Kommutierungseinrichtung 2 bestromt werden. Die Kommutierungseinrichtung 2 ist durch eine Leitung 3 mit einem Drehrichtungssignalgeber 4 verbunden, über die ein Drehrichtungssignal auf die Kommutierungseinrichtung 2 gegeben werden kann. Bei einem Wechsel des Drehrichtungssignals von L auf H oder umgekehrt wird in an sich bekannter Weise die Einschaltreihenfolge der zu bestromenden Ständerwicklungen umgekehrt, so daß der Permanentmagnetrotor seine Drehrichtung ändert. Der Drehrichtungssignalgeber 4 erhält vom Vergleichsglied 5 eines Drehzahlreglers 5,6 die der Drehrichtung und der Drehzahlabweichung proportionale Regeldifferenz UN_n. Wie dem Kästchen 4 zu entnehmen ist, wird bei einem negativen Wert von Un_w ein L-Signal (Linkslauf) und bei einem positiven Wert der Regeldifferenz Un_w des Vergleichsgliedes 5 ein H-Signal (Rechtslauf) auf die elektronische Kommutierungseinrichtung 2 gegeben.

Die Regeldifferenz Un_w des Vergleichsgliedes 5 wird auch einer Reglerendstufe 6 zugeführt, die unabhängig von der Drehrichtung eine der Größe der Regeldifferenz proportionale positive Spannung Um abgibt Diese Spannung Um nimmt linear mit der Regeldifferenz Un_n zu. Am Ausgang der Reglerendstufe 6 erscheint somit die Motorspannung Um, die dem Motor 1 und der Kommutierungseinrichtung 2 zugeführt wird.

Das Vergleichsglied 5 erhält seinen Sollwert Un_5Ou von einem Sollwertsteller 7, dem die Drehzahl n_soii als Spannung eingegeben wird, eine dem Istwert der Drehzahl proportionale Spannung Unj_s, wird einer Anpassungsstufe 8 entnommen, die über eine Leitung 9 eine der EMK proportionale Spannung erhält. Mit 10 ist eine Strommeßeinrichtung angedeutet, die beispielsweise aus einem ohmschen Widerstand bestehen kann. Von dieser wird über eine Leitung 11 eine dem Stromistwert Im ■ R proportionale Größe auf einen Summierverstärker 12 gegeben, dem über eine Leitung 13 die Motorspannung Um sowie über einen Strom-Istwert-Verstärker 14 eine Kompensationsspannung zugeführt wird, die von der Motorspannung Um abgeleitet und über eine Leitung 15 zugeführt wird. Der Ausgang 16 des Summierverstärkers 12 führt praktisch eine dem Betrag der EMK proportionale Spannung. Diese wird einer Umschalteinrichtung 17 zugeführt, welche in Abhängigkeit von dem Drehrichtungssignal des Drehrichtungssignalgebers 4 über eine Leitung 18 angesteuert werden kann, so daß der an das Vergleichsglied 5 entweder die nichtinvertierte oder invertierte, der EMK proportionalen Spannung abgeben kann.

Soll der Motor 1 gestartet werden, so wird der Sollwert n_son dem Sollwertstelier 7 eingegeben. Dessen Ausgangssignal LZn₅₀;/ steuert die Reglerendstufe 6 voll aus, da bei Stillstand des Permanentmagnetrotors Uitj_S, gleich Null ist. Am Ausgang des Drehrichtungssignalgebers 4 bzw. am Eingang der Kommutierungseinrichtung 2 erscheint Η-Signal, die Ständerwicklungen werden entsprechend der Läuferstellung bestromt und der Motor läuft an. Während sich der Permanentmagnetrotor dreht, entsteht eine der Motorspannung Um entgegenwirkende EMK, die sich mit wachsender Drehzahl ebenfalls erhöht. Der Motorstrom geht mit wachsender EMK zurück, falls kein unterlagerter Stromregler vorhanden ist. Die Motordrehzahl erhöht sich so lange, bis der Drehzahlistwert Un,_s, gleich dem Sollwert Un_sou'\s\.. Die Regeldifferenz Un_n ist dann Null. Sobald sich die Drehzahl dadurch erniedrigt, wird über den Drehzahlregler 5, 6 die Motorspannung Um wiederum stetig erhöht.

Wenn sich die Motordrehzahl so weit erhöht, daß Unis, größer als Un_son ist, d. h. Un„ negativ wird, spricht der Drehrichtungssignalgeber 4 an und gibt über die Leitung 3 ein dieser Drehrichtungsänderung entsprechendes Signal an die Kommutierungseinrichtung 2 ab. Dies bewirkt eine Umkehr der Kommutierungsfolge der Kommutierungstransistoren, so daß ein Bremsvorgang einsetzt, bis n,_sl = n_so//ist.

Soll der Motor reversiert werden, so springt n_son auf — n_Soii, d.h. die Drehzahlabweichung n_w = 2 ■ n_son. Die Polarität der Regeldifferenz Un₁₁ kehrt sich um, so daß der Drehrichtungssignalgeber 4 über die Leitung 3 L-Signal an die Kommutierungseinrichtung 2 gibt; d. h. daß sofort ein starker Bremsvorgang einsetzt. Selbstverständlich wird über einen nicht dargestellten Stromregler dieser Bremsstrom in Grenzen gehalten.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel wie aus der Motorspannung Um durch I.R.-Krmpensation eine der Drehzahl proportionale EMK gewonnen werden kann. Hierbei ist die Formel zugrunde gelegt:

U_M = E + l„- R + Ui + γ- R- I_M.

Hierin ist LA/ die Motorspannung, Edie EMK, Im ■ R der ohmsche Spannungsabfall in den Ständerwicklungen, Uk die Summe aus der Kollektor-Emitter-Restspannung Uce der Kommutierungsendstufe 2 sowie der Durchlaßspannung Uo einer dieser vorgeschalteten Diode, k ein Proportionalitätsfaktor, R der ohmsche Widerstand der Ständerwicklung und Im der Motorstrom. Daraus ergibt sich für

25

E = L'u- U_k-I ■ R

(■♦*)■

In F i g. 2 ist allgemein mit 20 die Kommutierungseinrichtung 2 mit dem Stromregler, der Drehrichtungssignalgeber 4 und die Reglerendstufe 6 gemäß Fig. 1 bezeichnet. Über die Leitung 11 wird eine dem Strom-Istwert Im ■ R proportionale Größe über einen ersten Widerstand 21 dem Strom-Istwert-Verstärker 14 zugeführt. Der Eingang des Verstärkers ist über einen weiteren Widerstand 22 mit dem Verbindungspunkt der Reihenschaltung eines dritten Widerstandes 23 und einer Diode 24 verbunden. Die Reihenschaltung liegt an der die Motorspannung Um führenden Leitung 13. Mit der Diode 24 wird die Diodendurchlaßspannung Ud und die Koüektor-Err.itter-Restspannung Uce der Kommutierungseinrichtung im Motorwicklungszweig kompensiert. Eine weitere Diode 25 dient zur Spannungsbegrenzung.

Der Ausgang des Strom-Istwert-Verstärkers 14 ist mit seinem invertierenden Eingang über einen Rückkopplungswiderstand 26 verbunden. Der Ausgang des Strom-Istwert-Verstärkers 14 ist über einen einstellbaren Widerstand 27 mit einem Eingang des Summierverstärkers 12 verbunden. Diesem Eingang wird über einen vierten Widerstand 28 die Motorspannung

U_M = EMK + /_v ■ R + U_k + 4" ■ R ■ Jm zugeführt. Die Kompensation von

/„ · R + £4 + \ · R ■ Iμ

wird mit dem Widerstand 27 eingestellt. Am Ausgang 16 des Summierverstärkers 12 erscheint dann eine der EMK proportionale Spannung. Durch die beiden Zenerdioden 29 und 30 wird die Ausgangsspannung des Summierverstärkers 12 begrenzt.

Der im Vorstehenden beschriebene Schaltungsteil der F i g. 2 stellt eine vorteilhafte konkrete Realisierung der in Fig. 1 angegebenen prinzipiellen Veranschaulichung für die Ermittlung der EMK dar. Im Summierverstärker 12 werden hierzu in Fig. 1 von der auf der Leitung 13 zugeführten Motorspannung Um die auf den Leitungen 11 und 15a zugeführten Spannungen, die zusammen die EMK zur Motorspannung ergänzen, subtrahiert. In Fig. 2 wird das gleiche Resultat erzielt, indem der Strom-Istwert-Verstärker 14, lür den ein Operationsverstärker eingesetzt ist, zur Summation der Spannungen auf den Leitungen 11 und 15a und anschließender Invertierung genützt wird, so daß im Summationsverstärker 12 nur noch die Motorspannung Um auf der Leitung 13 mit dem Ausgangssignal des Strom-Istwert-Verstärkers 14 summiert werden muß.

Der Ausgang 16 des Summierverstärkers 12 ist über zwei gleiche Widerstände 32 und 33 mit dem invertierenden und nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers der Umschalteinrichtung 17 verbunden. Der invertierende Eingang des Verstärkers der Umschalteinrichtung 17 ist über einen Widerstand 34 mit seinem Ausgang verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers der Umschalteinrichtung 17 ist über einen Feldeffekttransistor 35 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Die Ansteuerung erfolgt über die Leitung 3, die von dem Drehrichtungssignalgeber 4 gemäß Fi g. 1 kommt. Eine Diode 36 und Widerstände 37 dienen zur Signalanpassung an den Feldeffekttransistor, damit dieser in jedem Falle anspricht. Ist der Feldeffekttransistor 35 nicht durchlässig, so führen beide Eingänge des Verstärkers der Umschalteinrichtung 17 das Signal am Ausgang 16 des Summierverstärkers 12, so daß dieses auch am Ausgang des Verstärkers der Umschalteinrichtung 17 mit gleicher Polarität erscheint. Wird jedoch der Feldeffekttransistor 35 über die Leitung 3 von einem entsprechenden Drehrichtungssignal angesteuert, so wird der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers der Umschalteinrichtung 17 auf Null gelegt. Erhält der nichtinvertierende Eingang das Eingangspotential, so arbeitet der Verstärker in an sich bekannter Weise invertierend, d. h., bei einem positiven Signal am Eingang entsteht am Ausgang des Verstärkers der Umschalteinrichtung 17 ein entsprechend großes negatives Signal.

Der Ausgang des Verstärkers der Umschalteinrichtung 17 führt also eine dem Drehzahl-Istwert proportionale Spannung Un_isl, die dem Eingang des Vergleichsgliedes 5 zusammen mit dem Sollwert über Widerstände 38 bis 40 zugeführt wird. Mit einem Schalter 41 kann der Drehzahlsollwert UN_soii dem Vergleichsglied 5 zum Inbetriebsetzen des Motors zugeführt werden.

Das von dem Drehrichtungssignalgeber 4 abgegebene Drehrichtungssignal wird also in zweifacher Weise verwendet, und zwar zum einen zur Beeinflussung der Drehrichtung des Motors 1 und zum anderen zur Bestimmung des Vorzeichens der der aus dem Motorstrom und der Motorspannung errechneten EMK proportionalen Spannung. Es ist daher möglich, einen kollektorlosen Gleichstrommotor, unabhängig vom inneren Aufbau, in gleicher Weise zu regeln wie einen Gleichstrom-Kollektormotor.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehzahlregeleinrichtung für einen in der Drehrichtung umkehrbaren Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnetrotor und einer elektronischen Kommutierungseinrichtung mit Halbleiterbauelementen, bei der in Abhängigkeit von der Soll-Istwert-Differenz der Drehzahl die Kommutierungsfolge der die Ständerwicklungen an eine von einem Drehzahlregler beeinflußte Motorspannung legenden Kommutierungstransistoren umgekehrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeldifferenz (Un_n) vom Vergleichsglied (5) des Drehzahlreglers (5, 6) auch einem Drehrichtungssignalgeber (4) zugeführt ist, der in Abhängigkeit vom Vorzeichen der eingangsseitigen Regeldifferenz (ün_w) eines von zwei möglichen Ausgangssignalen (H, L) abgibt, daß die Drehzahl-Istwert-Spannung eine der Motor-EMK proportionale Spannung verwendet ist, die durch Differenzbildung in einem Summierverstärker (12) aus der Motorspannung (Um) einerseits sowie den ohmschen Spannungsabfällen im Motor (1) und der Kommutierungseinrichtung (2) und den Durchlaßrestspannungen der Halbleiterbauelemente der Kommutierungseinrichtung (2) andererseits gewonnen ist, und daß das Ausgangssignal (H; L) des Drehrichtungssignalgegers (4) einerseits der Kommutierungseinrichtung (2) und andererseits dem Steuereingang einer dem Summierverstärker (12) nachgeschalteten Umschalteinrichtung (17) zugeführt ist, die die Polarität der der Motor-EMK proportionalen Spannung in Abhängigkeit von dem am Steuereingang anstehenden Ausgangssignal (H; L)des Drehrichtungssignalgebers (4) umkehrt oder unverändert läßt.

2. Drehzahlregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daP an einer im Motorstromkreis liegenden Strommeßeinrichtung (10) der Strom-Istwert abgenommen und über einen ersten Widerstand (21) dem Eingang eines Strom-Istwertverstärkers (14) zugeführt ist, welcher über einen weiteren Widerstand (22) an einem Verbindungspunkt einer an der Motorspannung (U_M) liegenden Reihenschaltung eines dritten Widerstandes (23) und einer Diode (24) zur Kompensation der Kollektor-Emitter-Restspannung der Kommutierungsendstufe im Ständerwicklungskreis und der Durchlaßspannung einer dieser vorgeschalteten Diode angeschlossen ist.

3. Drehzahlregeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Strom-Istwertverstärkers (14) über einen einstellbaren Widerstand (27) mit dem Eingang des Summierverstärkers (12) verbunden ist, dem über einen vierten Widerstand (28) die Motorspannung (Um) zugeführt ist.

4. Drehzahlregeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Summierverstärkers (12) mit Hilfe zweier Z- Dioden (29,30) begrenzt ist.

5. Drehzahlregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (17) als Verstärker ausgeführt ist, der in Abhängigkeit von dem am Steuereingang anstehenden Signal invertierend oder nichtinveriierend betrieben werden kann.

6. Drehzahlregeleinrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verstärkers der Umschalteinrichtung (17) über einen Rückführwiderstand (34) mit dem invertierenden Eingang verbunden ist, daß das Ausgangssignal des Summierverstärkers (12) über jeweils einen Widerstand gleichen Widerstandswertes (32, 33) dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers zugeführt ist und daß der Steuereingang der Umschalteinrichtung (17) durch den Steuereingang eines Feldeffekttransistors (35) gebildet ist, durch den der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers mit dem negativen Pol der speisenden Gleichspannungsquelle bzw. dem Bezugspotential verbindbar ist.