DE2822315C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit permanentmagneti­ schem Rotor, Rotorstellungsdetektor und über eine Halbleiter-Vollbrücke in al­ ternierenden Richtungen mit Strom versorgter Motorwicklung, bei dem der Rotorstel­ lungsdetektor zwei gegenläufige Ausgangssignale abgibt und bei dem im Kommutie­ rungsbereich in Abhängigkeit von diesen Ausgangssignalen alle Halbleiterschalter der Vollbrücke gesperrt sind.

Es ist bekannt (US-PS 34 53 514), daß bei Schaltungen, in denen die Motorwicklung in einer Vollbrücke angeordnet ist, die Gefahr eines Kurzschlusses der Stromversorgung besteht.

Bei einem bekannten Gleichstrommotor der eingangs genannten Art (DE-OS 23 05 163) sind die Ausgänge des Rotorstellungsdetektors über Vorwiderstände mit den Eingängen von Halbleiterschaltern der Vollbrücke unmittelbar verbunden. Zu der gleichzeitigen Sperrung aller Halbleiterschalter der Vollbrücke im Kommutierungsbereich kommt es dort aufgrund der Schwellenspannung U _EB der Vollbrücken-Halbleiterschalter. Eine solche Sperrung vermeidet zwar im allgemeinen Kurzschlüsse der Statorströme im Au­ genblick der Stromwendung. Die erzielbare Kurzschlußsicherheit läßt jedoch zu wün­ schen übrig.

Erhöhte Kurzschlußsicherheit wird bei einem anderen bekannten Motor (DE-PS 12 08 803) mit einem permanentmagnetischen Rotor, einem Rotorstellungsdetektor und einer Motorwicklung, die über eine aus Halbleiterschaltern aufgebaute Vollbrücke in alternie­ renden Richtungen mit Strom versorgt wird, dadurch erreicht, daß mit der Vollbrücke zwei Halbleiterschalter in Serie geschaltet sind, die jeweils im Kommutierungszeitpunkt den Strom zu der Vollbrücke sperren. Diese Ausbildung verhindert zwar wirkungsvoll Kurzschlüsse und darauf zurückzuführende Folgeschäden; sie ist aber aufwendig, weil neben entsprechenden Steuereinrichtungen besonders leistungsstarke und damit teure Halbleiterschalter für die Sperrung des Gesamtbrückenstromes benötigt werden.

Daneben ist ein kollektorloser Gleichstrommotor mit permanetmagnetischem Rotor, einer ein reines Wechselfeld erzeugenden einsträngigen Statorwicklung und einer von einem Rotorstellungsdetektor gesteuerten elektronischen Kommutierungseinrichtung bekannt (DE-OS 24 52 082), bei welchem zwischen dem Rotorstellungsdetektor und dem Schalten des Statorwicklungsstromes dienenden Endstufentransistoren jeweils eine nichtlineare Verstärkerstufe angeordnet ist, welche die Ausgangssignale des Rotorstel­ lungsdetektors derart nichtlinear verstärkt, daß beim Kommutierungsvorgang der Stromfluß in der Statorwicklung unterbrochen wird. Die bekannte Schaltungsauslegung läßt sich jedoch nicht ohne weiteres auf Motoren übertragen, deren Wicklung über eine Vollbrückenschaltung gespeist wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit Vollbrückenspeisung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem für eine beson­ ders hohe Kurzschlußsicherheit auf einfache, kostensparende Weise gesorgt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Maßnahmen der nebengeordneten Pa­ tentansprüche 1, 2 und 3 gelöst.

Die erfindungsgemäßen Schaltungsauslegungen verhindern jeweils sicher Kurzschlüsse der Stromversorgung, ohne daß zusätzliche Leistungstransistoren oder dergleichen für hohe Ströme ausgelegte Halbleiterschalter notwendig werden.

In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Kollektor und Emit­ ter der nichtlinearen Verstärker bildenden Transistoren jeweils ein Rückkopp­ lungswiderstand geschaltet. Dadurch läßt sich auf einfache Weise eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals des Rotorstellungsdetektors, bei­ spielsweise der Hallspannung eines als Rotorstellungsdetektor vorgesehenen Hallgene­ rators, erreichen.

Ausführungsbeispiele des kollektorlosen Gleichstrommotors nach der Erfindung sind im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Motorschaltungsanordnung mit Zenerdioden im Vorverstärker zur Aufbereitung der Steuerspannung für die Treibertransistoren der Vollbrücke,

Fig. 2 eine Schaltungsauslegung, bei welcher die Treibertransistoren der Vollbrücke über Kondensatoren mit dem Steuersignal des Rotor­ stellungsdetektors beaufschlagt werden, und

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung, bei der zusätzlich für eine Temperatur­ kompensation der Steuerspannung des Rotorstellungsdetektors ge­ sorgt ist.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung für einen zweipoligen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einsträngiger Statorwicklung 1, in welcher ein reines Wechselfeld erzeugt wird, das durch einen als Rotorstellungsdetektor wirkenden Hallgenerator 2 in Abhängigkeit von der Rotorstellung gesteuert wird. Der Hallgenerator 2 liegt in Reihe mit Widerständen 5, 6 an der Betriebsspannung, während die Hallgeneratorausgänge 3, 4 direkt mit den Basen von Transistoren 7, 8 eines Differenzverstärkers verbunden sind. Signaländerungen als Folge einer geänderten Rotorstellung führen zu Änderungen der in den Transistoren 7, 8 fließenden Ströme und damit zu wechselnden Spannungsabfällen an Widerständen 9, 10. Diese Spannungsabfälle werden nicht direkt zur Steuerung von Treibertransistoren 11, 12 und Endstufentransistorpaare 13, 14 und 15, 16 einer Vollbrückenschaltung B verwendet, da zwischen dem Sperr- und dem Durchsteuersignal eine ausreichend große zeitliche Differenz gegeben sein muß, um zu verhindern, daß eines der Endstufentransistorpaare durchgesteuert wird, während das andere noch leitend ist.

Diese erwünschte zeitliche Differenz zwischen dem Sperren und Durchschalten der Endstufentransistorpaare 13, 14 bzw. 15, 16 zum Kommutierungszeitpunkt wird durch einen nichtlinearen Verstärker erreicht, der aus Widerständen 17, 20, Zenerdioden 18, 21 und Transistoren 19, 22 aufgebaut ist. Gesperrt werden die Treibertransistoren 11, 12 jeweils sofort, wenn der Potentialunterschied an den Widerständen 9, 10 unter die Ze­ nerspannung der Zenerdiode 18 bzw. 21 sinkt, während zur Durchsteuerung eines Trei­ bertransistors der Potentialunterschied mindestens den Wert der Zenerspannung errei­ chen muß, um über die Transistoren 19 bzw. 22 den zugehörigen Treibertransistor 11 bzw. 12 und das Transistorendstufenpaar 13, 14 bzw. 15, 16 durchzuschalten.

Zum Schutz der Endstufentransistoren 13, 14, 15, 16 gegen Spannungsspitzen durch Umwandlung der in der Statorwicklung 1 gespeicherten magnetischen Energie in elektrische Energie beim Wechsel der Endstufentransistoren in den gesperrten Zustand sind den Kollektor-Emitterstrecken Dioden 113, 114, 115, 116 parallel geschaltet.

In Fig. 2 ergibt sich die erforderliche zeitliche Differenz zwischen dem Sperren und Durchschalten der Endstufentransistorenpaare 13, 14 bzw. 15, 16 aus der Ansteuerspan­ nung der Treibertransistoren 11, 12. Als Folge einer geänderten Rotorstellung und der damit geänderten Spannung am Ausgang 3, 4 des Hallgenerators 2 werden die Transistoren 7, 8 wechselweise gesperrt und durchgeschaltet. Eine Durchschaltung des Transistors 8 bewirkt parallel zum Widerstand 10 einen Stromfluß über einen Konden­ sator 24 und einen Widerstand 22′ und damit die Durchschaltung des Treibertransistors 11 und des zugehörigen Endstufentransistorpaares 15, 16. Die während dieser Zeit ge­ gebene Aufladung des Kondensators 24 führt zu einer vorgezogenen Sperrung des Trei­ bertransistors 11 und des Endstufentransistorpaares 15, 16, sofern die Hallspannung am Ausgang 4 des Hallgenerators 2 absinkt. Dies geschieht, bevor der Transistor 7 und da­ mit der Treibertransistor 12 über einen Kondensator 25 und einen Widerstand 23 und nachfolgend das Endstufentransistorpaar 13, 14 durchgesteuert werden. Während dieser Zeit entlädt sich der Kondensator 24 über die Widerstände 10 und 22′, so daß nach ei­ ner weiteren Drehbewegung des Rotors über die absinkende Hallspannung am Ausgang 3 des Hallgenerators 2 der Transistor 7 gesperrt wird und der Vorgang sich in wechseln­ der Folge wiederholen kann. Damit fließt in der Statorwicklung, abhängig von der Ro­ torstellung, Strom in wechselnden Richtungen.

In der Fig. 3 wird die Temperaturabhängigkeit der Hallspannung durch eine Rück­ kopplung über Widerstände 30 bzw. 31 kompensiert, so daß die Steuerspannungen an den Basen von Transistoren 32 bzw. 33 unabhängig von der Umgebungstemperatur blei­ ben. Da sich die Ausgangsspannung am Hallgenerator U _Ho um ca. 2%/K und dessen Innenwiderstand R _iH um ca. 1,8%/K ändert, beeinflußt diese Innenwiderstandsände­ rung die Verstärkung des Transistors 7 bzw. 8 in der Weise, daß z. B. bei höherer Umge­ bungstemperatur die geringere Hallspannung als Folge des niedrigeren Innenwiderstan­ des des Hallgenerators und der damit verbundenen geringeren Gegenkopplung höher verstärkt wird.

Bei ungefähr gleichen Hallspannungen an den Ausgängen 3, 4 des Hallgenerators 2 lie­ gen an den Basen der Transistoren 32, 33 die gleichen Spannungen, so daß durch die kreuzweise Verbindung der Emitter und Basen der Transistoren 32, 33 diese und damit die Treibertransistoren 11, 12 und die Endstufentransistorpaare 13, 14 bzw. 15, 16 ge­ sperrt sind.

Eine Hallspannungsänderung am Ausgang 3 des Hallgenerators 2 und die Durchschal­ tung des Transistors 7 und die damit vorab zwangsläufig gegebene Hallspannungsänderung am Ausgang 4 und Sperrung des Transistors 8 führen zur Durchsteuerung des Transistors 32, des Treibertransistors 12 und des Transistorendstu­ fenpaares 13, 14. Eine absinkende Hallspannung an der Basis des Transistors 7, bedingt durch die Drehung des Rotors, führt zur Sperrung des Transistors 32, des Treibertransistors 12 und des Endstufentransistorpaares 13, 14. Erst die ausreichend höhere Hallspannung am Ausgang 4 zum Ausgang 3 des Hallgenerators 2 führt zur Durchsteuerung des Transistors 33, des Treibertransistors 11 und des Endstufentransistorpaares 15, 16. Da die Hallspannungsänderungen an den Ausgängen 3 und 4 des Hallgenerators 2 von den Positionsänderungen des Rotors abhängig und somit zeitbehaftet sind, ist sichergestellt, daß kurz vor dem Kommutierungszeitpunkt beide Endstufentransistorpaare 13, 14 und 15, 16 gesperrt sind, wodurch ein Kurz­ schließen der Betriebsspannung zum Kommutierungszeitpunkt unmöglich ist.

Claims (5)

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor, Rotorstel­ lungsdetektor und über eine Halbleiterschalter-Vollbrücke in alternierenden Rich­ tungen mit Strom versorgter Motorwicklung, bei dem der Rotorstellungsdetektor zwei gegenläufige Ausgangssignale abgibt und bei dem im Kommutierungsbereich in Abhängigkeit von diesen Ausgangssignalen alle Halbleiterschalter der Vollbrücke gesperrt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Sperren der Halbleiterschalter (13, 14, 15, 16) der Vollbrücke (B) im Kommutierungsbereich zwischen den Rotorstel­ lungsdetektor (2) und die Halbleiterschalter ein nichtlinearer Verstärker (17 bis 22) geschaltet ist, der zwei Verstärkerstufen (19, 22), deren Eingang jeweils über eine Zenerdiode (18, 21) mit einem von dem einen der Ausgangssignale des Rotorstel­ lungsdetektors (2) abhängigen Eingangssignal sowie jeweils ohne Zwischenschaltung einer solchen Zenerdiode mit einem von dem jeweils anderen Ausgangssignal des Rotorstellungsdetektors (2) abhängigen Eingangssignal beaufschlagt ist, aufweist.

2. Kollektorloser Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor, Rotorstel­ lungsdetektor und über eine Halbleiterschalter-Vollbrücke in alternierenden Rich­ tungen mit Strom versorgter Motorwicklung, bei dem der Rotorstellungsdetektor zwei gegenläufige Ausgangssignale abgibt und bei dem im Kommutierungsbereich in Abhängigkeit von diesen Ausgangssignalen alle Halbleiterschalter der Vollbrücke gesperrt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Sperren der Halbleiterschalter (13, 14, 15, 16) der Vollbrücke (B im Kommutierungsbereich zwischen den Rotorstel­ lungsdetektor (2) und die Halbleiterschalter ein nichtlinearer Verstärker (11, 12, 24, 25) geschaltet ist, der zwei Verstärkerstufen (11, 12) mit zugeordneten RC-Zeitglie­ dern (22 bis 25), die im Kommutierungsbereich ein Sperren der jeweils einen Ver­ stärkerstufe vor dem Durchschalten der jeweils anderen Verstärkerstufe erzwingen, aufweist.

3. Kollektorloser Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor, Rotorstel­ lungsdetektor und über eine Halbleiterschalter-Vollbrücke in alternierenden Rich­ tungen mit Strom versorgter Motorwicklung, bei dem der Rotorstellungsdetektor zwei gegenläufige Ausgangssignale abgibt und bei dem im Kommutierungsbereich in Abhängigkeit von diesen Ausgangssignalen alle Halbleiterschalter der Vollbrücke gesperrt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Sperren der Halbleiterschalter (13, 14, 15, 16) der Vollbrücke (B) im Kommutierungsbereich zwischen den Rotorstel­ lungsdetektor (2) und die Halbleiterschalter ein nichtlinearer Verstärker (30 bis 33) geschaltet ist, der zwei Transistoren (32, 33) aufweist, deren Basen mit jewils ei­ nem Signal beaufschlagt sind, das von jeweils einem der beiden Ausgangssignale des Rotorstellungsdetektors (2) abhängt, und daß die Emitter und Basen dieser Transisto­ ren kreuzweise untereinander verbunden sind.

4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kollektor und Emitter der nichtlinearen Verstärker bildenden Transi­ storen (32, 33) jeweils ein Rückkopplungswiderstand (30, 31) geschaltet ist.

5. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen die Ausgänge (3, 4) des magnetfeldabhängigen Steuerelements (2) und den nichtlinearen Verstärker (17 bis 22; 11, 12, 24, 25; 30 bis 33) ein Differenzverstärker (7 bis 10) geschaltet ist.