DE3418276A1

DE3418276A1 - Schutzschaltung zum blockierschutz bei kollektorlosen gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE3418276A1
Application number: DE19843418276
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Lipp (FH), 7119 Hohebach; Wilhelm 7187 Schrozberg Reinhardt
Original assignee: Elektrobau Mulfingen and Co EBM GmbH
Current assignee: Elektrobau Mulfingen and Co EBM GmbH
Priority date: 1984-05-17
Filing date: 1984-05-17
Publication date: 1985-11-21
Also published as: GB8511286D0; US4694371A; GB2160036B; GB2160036A; DE3418276C2

Description

DR. HASSE

DR. SOLF & ZAPF

Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt

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II/d/M 301

ebm Elektrobau MuIfingen GmbH & Co., 7119 Mulfingen

Schutzschaltung zum Blockierschutz bei kollektorlosen Gleichstrommotoren

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltung zum Blockierschutz bei kollektorlosen, mit Hall-IC's gesteuerten Gleichstrommotoren, wobei ein in Reihe mit den Statorwicklungen jeweils liegendes Halbleiter-Schaltelement in Abhängigkeit von einer in den Statorwicklungen induzierten Steuerspannung geöffnet oder geschlossen wird.

Eine derartige Schutzschaltung ist bereits aus der DE-OS 32 03 829 bekannt. Bei dieser wird zur Vermeidung einer thermischen Überlastung der Statorwicklung bei einer Blockierung ein Transistor leitend, dessen Emitter-Kollektor-Strecke in Serie zu den Statorwicklungen und den diesen zugeordneten Speisetransistoren liegt, und dessen Basis die in den Statorwicklungen induzierte Spannung führt. Diese Schaltung ist für Motoren kleinerer Leistungsaufnahme geeignet. Bei Motoren höherer Leistung besteht

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Telex: 5214168 soza d Patentanwalt Dr. Ing. Dipl.-Ing. W. Hasse (München) (1982)

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die Gefahr der Überhitzung und damit der Zerstörung des Blockierschutztransistors. Ebenso ergeben sich bei größeren Motoren Schwierigkeiten in der Anlaufphase. Dies ist darauf zurückzuführen, daß aufgrund des erforderlichen höheren Antriebsmomentes ein für den selbsttätigen Anlauf vorgesehenes RC-Glied wesentlich größer dimensioniert werden müßte, wozu aber der im Motor zur Verfügung stehende Raum nicht ausreichen würde.

Des weiteren ist aus der DE-AS 23 61 645 eine elektronische Überstromschutz-Schaltungsanordnung bekannt. Bei dieser ist in Serie zu den Antriebswicklungen ein Widerstand zur Erfassung der Erregerströme vorhanden. Parallel zu diesem Widerstand ist eine Verzögerungsschaltung vorgesehen, die ausgangsseitig mit einer aus zwei Transistoren bestehenden Transistor-Schalteinrichtung verbunden ist, deren einer Transistor im Speisekreis der Wicklungen liegt und deren Stromkreise er bei Überstrom sperrt. Weiterhin ist eine von außen betätigbare Aufhebeeinrichtung vorgesehen, die die bei Überstrom durch den einen Transistor verursachte Sperrung wieder aufhebt.

Aus der DE-PS 31 39 545 ist eine Schaltungsanordnung zur Stromsteuerung eines Gleichstrommotors bekannt, bei der die an einem Meßwiderstand abfallende Spannung als Steuerspannung für einen Transistor verwendet wird. Bei dessen Durchsteuerung wird die Entladung eines Zeitgliedes veranlaßt, was über eine Verstärkerschaltung zur Unterbrechung des Motorstromes und damit zum Absinken der Spannung am Meßwiderstand führt. Ist die Ansprechspannung des Transistors unterschritten, erfolgt dessen Sperrung, und das Zeitglied wird wieder freigegeben. In Abhängigkeit der in den Wicklungen während der Drehung des

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Motors entstehenden Induktionsspannungen erfolgt nun wieder die Durchsteuerung des Zeitgliedes, und die Stromzuführung zu den Wicklungen wird wieder veranlaßt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung zu entwickeln, die einen wirksamen Sch"'3 des Motors bei einer Blockierung des Rotors sichert «.lit und äußerst platzsparend eingebaut werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß als Steuerspannung die Summe aus der an der jeweiligen antriebsstromlosen Wicklung anliegenden Betriebsspannung und der in dieser induzierten Gegen-EMK verwendet wird, wobei für den Fall, daß die Summe der Spannungen größer als die Betriebsspannung ist, das der jeweilig stromführenden Wicklung zugeordnete Halbleiter-Schaltelement geöffnet und für den Fall, daß die Gegen-EMK Null wird oder einen bestimmten Abschaltspannungswert unterschreitet, das jeweilige Halbleiter-Schaltelement gesperrt wird. Demnach erfolgt das Abschalten des Motors in Abhängigkeit von der Höhe der in der jeweiligen antriebsstromlosen Wicklung erzeugten Gegen-EMK, was deshalb vorteilhaft ist, da die Gegen-EMK hinsichtlich ihrer Größe unmittelbar abhängig ist von der Drehzahl des Motors. Erfindungsgemäß ist es demnach möglich, nicht nur eine Abschaltung beim Stillstand des Motors zu erreichen, sondern auch bereits dann, wenn die Drehzahl des Motors eine Mindestdrehzahl unterschritten hat.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn in der Anlaufphase des Gleichstrommotors eine Anlaufüberbrückung mittels eines Verzögerungsgliedes erfolgt, so daß für die Zeitspanne, in der der Spannungswert der Gegen-EMK Null

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oder kleiner gleich dem Abschaltspannungswert ist, das jeweilige, der stromführenden Wicklung zugeordnete Halbleiter-Schaltelement geöffnet ist. Hierdurch wird verhindert, daß beim Anlaufen des Motors aus dem Stillstand ein ungewolltes Abschalten auftreten kann.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn in der Anlaufphase eine Anlaufstrom-Begrenzungsschaltung wirksam ist, die in Abhängigkeit von einer bestimmten Höhe des Anlaufstromes die Halbleiter-Schaltelemente solange sperrt und öffnet, bis die Gegen-EMK in den Motorwicklungen derart ausgeprägt ist, daß nur noch ein begrenzter Motorstrom fließen kann. Dabei wird die Tatsache berücksichtigt, daß die Gegen-EMK der Betriebsspannung entgegengerichtet ist, so daß hierdurch eine automatische Begrenzung des durch die Wicklungen fließenden Stromes erfolgt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen berücksichtigt. 20

Anhand des in den beiliegenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels wird nunmehr die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kommutierungsschaltung eines zwei-

strängigen, zweipulsigen kollektorlosen Gleichstrommotors mit einer eingebauten erfindungsgemäßen Schutzschaltung, Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Verzögerungsglied, das als Integrierglied realisiert ist,

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Verzögerungsglied,

bestehend aus einer Timer-Schaltung, Fig. 4 den Verlauf der Betriebsspannung U und der

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Gegen-EMK U. in Abhängigkeit von der Drehzahl, Fig. 5 den Verlauf der Kollektor-Emitterspannung des

Transistors 9 in Fig. 1,

Fig. 6 den Verlauf der Spannung U am nicht invertieren den Eingang des Operationsverstärkers 21 in

Fig. 1,
Fig. 7 den Verlauf der Spannung U am invertierenden

Eingang des Operationsverstärkers 21,

Fig. 8 den Verlauf der Ausgangsspannung U₂. des Operationsverstärkers 21,

Fig. 9 den Verlauf der Ausgangsspannung U des Zeitgliedes gemäß Fig. 1,

Fig. 10 den Verlauf der Zündspannung U_G am Thyristor gemäß Fig. 1,

Fig. 11 die Beeinflussung der Abschaltdrehzahl durch den Widerstand 29 gemäß Fig. 1.

Zunächst soll die allgemeine Funktionsweise kurz erläutert werden.

Bei Anlauf eines Motors ist dessen Stromaufnahme wesentlich höher als im Nennbetrieb und oft unerwünscht, da dies z. B. bei gleichzeitigem Anlassen mehrerer Motoren zu einer meist starken Belastung der Spannungsquelle führt. Um diese erhöhte Stromaufnahme zu verhindern, ist eine Anlaufstrombegrenzung eingebaut, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromwertes die Stromzuführung zu den Wicklungen unterbricht bzw. begrenzt.

Weiterhin ist es üblich, daß die Kommutierungsschaltung von kollektorlosen Gleichstrommotoren mittels digital schaltender Hall-IC's erfolgt, wobei jedoch es im Rahmen der Erfindung liegt, auch andere Schaltelemente zu

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— Cs —

verwenden.

Um bei einer Blockierung des Motors durch irgendwelche Einflüsse dessen Zerstörung aufgrund zu starker Erhitzung der Wicklungen bzw. der elektronischen Bauteile infolge des ansteigenden Motorstroms zu verhindern, erhalten die bekannten Motoren eine Abschaltautomatik. Nach der automatischen Abschaltung kann der Motor nach Beseitigung der Blockierung und kurzzeitiger Abschaltung der anliegenden Spannung wieder in Betrieb genommen werden.

Im folgenden wird nun die Erfindung näher erläutert.

Nennbetrieb

Es wird hierbei zunächst von einem einpulsigen, zweipoligen, kollektorlosen Gleichstrommotor ausgegangen. Zweipulsig bedeutet in diesem Zusammenhang, daß den Wicklungen 1, 2 (Fig. 1) des Motors zwei Impulse pro Rotordrehung zugeführt werden.

Die Erfindung ist aber keinesfalls auf Motoren dieser Bauart beschränkt, sondern kann, wie später noch ausgeführt wird, ohne Einschränkung auch bei Motoren höherpulsiger und höherpoliger Bauart verwendet werden.

Während des Betriebes des Motors werden durch das Zusammenwirken von Rotor und Rotorstellungssensor Rotorstellungssignale erzeugt, mit Hilfe derer die Statorwicklungen 1, 2 angesteuert werden. Dabei ist ein Rotorstellungssensor als digial schaltendes Hall-IC 3 ausgebildet, dessen Ausgang 3a je nach Rotorstellung die logischen Werte "L" oder "H" annehmen kann. Der Wert "L" bedeutet,

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daß am Ausgang 3a Nullpotential anliegt, wohingegen beim Wert "H" nahezu die gesamte Betriebsspannung anliegt.

Im folgenden wird nun auf die Kommutierungseinrichtung eingegangen werden, die in Fig. 1 dargestellt ist. Liegt am Ausgang 3a des Hall-IC 3 Nullpotential, also der Wert "L", dann hat dies zur Folge, daß dieses Potential an Basisanschlüssen von Transistoren 4 und 15 über dersra Vorwiderstände 6 und 33 anliegt. Dadurch werden die Transistoren 4 und 15 gesperrt. Durch die Sperrung der Kollektor-Emitter-Strecke der Transistoren 4 und 15 liegt nun jeweils an den Kollektoren dieser Transistoren der "H"-Pegel an. Hierbei ist vorausgesetzt, daß im normalen Betrieb leitende Transistoren 8 und 9 der erfindungsgemäßen Schaltung bzw. einerAnlaufStrombegrenzungsstufe, die später beschrieben wird, durchgesteuert sind.

Aufgrund des hohen Kollektorpotentials von Transistor 4 erfolgt über den Widerstand 7 die Durchsteuerung des Transistors 5, so daß der Wicklungsstrom der Wicklung 1 fließen kann. Dies erfolgt ausgehend von einer Plus-Leitung 10 über Wicklung 1, Transistor 5 und im wesentlichen über einen sehr niederohmigen Widerstand 11 zur Minusleitung 34.

Außerdem wird über einen Widerstand 12 ein Transistor durchgeschaltet, was aber zur Folge hat, daß das Basispotential eines Transistors 14 auf Nullpotential gelegt wird. Dadurch wird ein Durchschalten von Transistor 14 verhindert, die Wicklung 2 kann nicht vom Strom durchflössen werden.

Hat sich der Rotor des Motors um eine halbe Umdrehung weitergedreht,-ändert sich das Magnetfeld des Rotormagneten, das dem Hall-IC 3 gegenübersteht. Dadurch

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ändert sich dessen Ausgangspotential am Ausgang 3a von "L" auf "H", d. h. nahezu die gesamte Betriebsspannung liegt am Ausgang 3a an. Dadurch steuern die Transistoren 4 und 15 durch, und der Transistor 5 wird aufgrund des an seiner Basis anliegenden Minuspotentials gesperrt. Der Wicklungsstrom der Wicklung 1 wird dadurch unterbrochen. Ebenso wird an die Basis von Transistor 13 Nullpotential gelegt, was zu dessen Sperrung führt. Dadurch steigt dessen Kollektorpotential an, und der Transistor 14 kann durchschalten. Der Wicklungsstrom der Wicklung 2 fließt nun ausgehend von der Plusleitung 10 zur Wicklung 2, über die Kollektor-Emitter-Strecke von Transistor 14 und auch hier im wesentlichen über den sehr niederohmigen Widerstand 11 zur Minusleitung.

Diese Umschaltung von einer Wicklung zur anderen erfolgt nach jeder halben Rotordrehung.

Während des Laufes des Motors entsteht in den Wicklungen 1, 2 eine Gegen-EMK, die der angelegten Betriebsspannung entgegenwirkt. Diese Induktionsspannung U. wird zu den Zeitpunkten, in denen die jeweilige Statorwicklung nicht erregt ist, über Dioden 16 bzw. 17 ausgekoppelt. Es entsteht also, wenn z. B. der Transistor 5 gerade gesperrt ist, am Punkt B eine Spannung IL·, die sich aus der Addition von Betriebsspannung ü_v und der in Wicklung 1 induzierten Spannung .U. zusammensetzt. Ebenso verhält es sich mit der Wicklung 2, wenn Transistor 14 gesperrt ist und aufgrund des dann leitenden Transistors 5 die Wicklung 1 stromführend ist.

Diese addierte Spannung ist höher als die Betriebsspannung und wird dem Emitter eines Transistors 18 zugeführt. An der Basis des Transistors 18 liegt die Betriebsspannung U_v

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an, so daß nun aufgrund der negativen Basis-Emitter-Spannung U_Dr, der Transistor 18 durchgesteuert wird. Dies ist

ÖL·

auch in Fig. 5 zwischen den Zeitpunkten t_Q und t, dargestellt. Dies hat zur Folge, daß die aus Betriebsspannung und Gegen-EMK zusammengesetzte Spannung an der Serienschaltung der Widerstände 19, 20 anliegt. Eine am Verbindungspunkt C zwischen der Serienschaltun.g der Widerstände 19 und 20, entsprechend dem Teilerverhältnis anliegende Spannung wird abgenommen und dem invertierenden Eingang 21e eines Operationsverstärkers 21 zugeführt.

Am nicht invertierenden Eingang 21f des Operationsverstärkers 21 liegt eine feste Bezugsspannung an, die ebenfalls an einem Spannungsteiler abgenommen wird, und zwar am gemeinsamen Verbindungspunkt D von Widerständen 22, 23. Der zweite Anschluß des Widerstandes 22 ist über eine Verpolschutzdiode 24 mit der Plus-Leitung 10 verbunden, während der zweite Anschluß des Widerstandes 23 mit der Minus-Leitung 34 verbunden ist.

Die Spannungsteiler 19, 20 bzw. 22, 23 weisen dabei ein solches Widerstandsverhältnis auf, daß im Normalbetrieb, d. h. bei störungsfreiem Lauf des Motors am invertierenden Eingang 21e eine höhere Spannung anliegt als am nicht invertierenden Eingang 21f (siehe Fig. 6 und 7).

Dies- hat zur Folge, daß am Ausgang 21a des Operationsverstärkers 21 Nullpotential ("L"-Pegel) anliegt (Fig. 8). Dieses Potential ist über einen Widerstand 25 an den Gate-Anschluß eines Thyristors 26 geführt und gleichzeitig auch an den Kollektoranschluß des Transistors 28. Durch diesen "L"-Pegel wird verhindert, daß der Thyristor 26 zündet. Durch die Sperrung der Anoden-

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Kathoden-Strecke des Thyristors 26 liegt an der Basis des Transistors 8 der "H"-Pegel an. Dies führt dazu, daß dieser, wie bereits oben erwähnt, während des störungsfreien Laufes durchgesteuert ist und über den ebenfalls durchgesteuerten Transistor 9 die Betriebsspannung an die Kollektoren der Transistoren 4 und 13 anliegt.

Abschaltung

Wird der Motor durch irgendwelche Einflüsse blockiert oder unterschreitet er eine bestimmte Drehzahl, so muß eine automatische Abschaltung in Kraft treten. Dies ist deshalb erforderlich, weil z. B. bei Stillstand des Motors infolge des ansteigenden Motorstromes eine thermische Zerstörung der Wicklungen 1, 2 bzw. der Leistungstransistoren 5 bzw. 14 erfolgen kann. Dies ist darauf zurückzuführen, daß mit abnehmender Drehzahl bzw. bei Stillstand des Motors die Gegen-EMK abnimmt bzw. nicht mehr vorhanden ist. Dadurch tritt eine Erhöhung des Stromes mit damit verbundener Wärmeentwicklung ein, was zu einer Zerstörung der Bauteile führen kann.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung arbeitet mittels der im Nennbetrieb an den Wicklungen 1, 2 entstehenden Gegen-EMK-Spannungen. Sind diese vorhanden, ist sie außer Betrieb. Sind sie nicht vorhanden bzw. unterschreiten diese einen vorgegebenen Wert, so tritt sie in Kraft.

Wird nun der Motor zum Stillstand gebracht, so entfallen in den Wicklungen 1, 2 die Gegen-EMK-Spannungen. Dadurch liegt nunmehr z.B. bei gerade leitendem Transistor 5 und eingeschalteter Wicklung 1 am Punkt B zwischen den beiden Wicklungen über die Wicklung 2 die Betriebsspannung U an. Somit liegt sowohl am Emitter als auch an der Basis des

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Transistors 18 etwa gleiches Potential, was dazu führt, daß seine Kollektor-Emitter-Strecke gesperrt wird, sobald seine erforderliche Basis-Emitter-Spannung unterschritten wird. Dies geschieht zum Zeitpunkt t 1 der Fig. 5.

Diese Sperrung hat ein Absinken des Potentials am Punkt C des Spannungsteilers 19, 20 auf Null zur Folge. Dieses Nullpotential wird dem invertierenden Eingang 2Ie des Operationsverstärkers 21 zugeführt (Fig. 7). Da am nicht invertierenden Eingang 2If eine fest durch den Spannungsteiler 22, 23 eingestellte positive Spannung anliegt (Fig. 6), erscheint nunmehr an seinem Ausgang das logische Signal "H" (Fig. 8, Zeitpunkt ti). Dieses Signal wird über den Widerstand 25 dem Gate-Anschluß des Thyristors 26 zugeführt und leitet damit die Zündung dieses Thyristors ein (Fig. 10, Zeitpunkt t 1). Es erfolgt somit dessen Durchschaltung, so daß die Basis des Transistors 8 über einen Widerstand 27 an die Minus-Leitung 34 gelegt wird. Dies führt zu einer Sperrung des Transistors 8, sobald dessen erforderliche Basis-Emitter-Spannung unterschritten wird. Damit wird die Versorgungsspannung für die Basen der Transistoren 5 und 14 unterbrochen, so daß diese Transistoren in den sperrenden Zustand übergehen und somit den Stromfluß für beide Wi cklungen 1, 2 unterbrechen. Bei diesen Betrachtungen wird davon ausgegangen, daß der Transistor 28 sich in gesperrtem Zustand befindet.

Die oben beschriebenen Zustände bleiben erhalten, bis eine Abschaltung der Betriebsspannung vorgenommen wird (Fig. 4, Zeitpunkt t 2).

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Um eine Beeinflussung der Abschaltdrehzahl vornehmen zu können, sind Widerstände 29 bzw. 30 vorgesehen. Der Widerstand 29 ist dabei zwischen den Punkt B und den positiven Versorgungsspannungsanschluß über der Diode 24 gelegt. Der veränderbare Mittenanschluß ist mit dem Emitter des Transistors 18 verbunden.

Mit Hilfe dieses Widerstandes kann die Spannung U„ am Punkt R der Schaltung eingestellt werden. Ist z. B. der Mittenkontakt des Widerstandes 29 in seiner unteren Stellung, so liegt am Emitter des Transistors 18 die Spannung U_n des Punktes B an. Wird der Abgriff des Widerstandes nach oben verändert, so verringert sich die Spannung U_n.

Da zur Durchschaltung des Transistors 18 eine gewisse Differenz zwischen Betriebsspannung und der Gegen-EMK vorhanden sein muß, bedeutet dies, daß die Spannung U_D

höher sein muß als vorher. In Fig. 11 ist dies nochmals dargestellt. Ohne Widerstand 29 bzw. mit eingebautem Widerstand 29,aber bei ganz nach unten gedrehtem Abgriff, würde die erforderliche Basis-Emitter-Spannung des Transistors 18 am Punkt 1 unterschritten. Dies bedeutet die Abschaltung des Motors bei einer Drehzahl η 1.

Wird der Abgriff des Widerstandes nach oben verändert, so verringert sich die Spannung U_.. Da der Transistor 18 stets bei der gleichen Schaltschwelle sperrt bzw. durchschaltet, muß die ausgekoppelte Gegen-EMK höher sein als vorher. Punkt 2 zeigt die zum Durchschalten des Transistors 18 erforderliche Spannung, wozu aber eine Gegen-EMK entsprechend Punkt 3 notwendig ist. Diese Gegen-EMK kann aber nur bei einer Drehzahl n₂ erreicht werden, die größer ist als n,. Die Abschaltung des Motors kann also zu höheren Drehzahlen hin verlegt werden.

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Wirf! dagegen ein Widerstand 30 zwischen der Basis des Transistors 18 und der Minus-Leitung 34 eingefügt, so kann die Abschaltdrehzahl hin zu kleineren Drehzahlen verlegt werden.

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Anlauf des Motors

Bei den folgenden Erläuterungen wird zunächst die erfindungsgemäß ebenfalls eingebaute Anlaufstrombegrenzung nicht in Betracht gezogen, da sie separat beschrieben wird. Es ist lediglich darauf hinzuweisen, daß der Transistor 9 als durchgeschaltetes Bauteil zu betrachten ist.

Wird die Betriebsspannung eingeschaltet, so ist zunächst davon auszugehen, daß sich die in den Motorwicklungen 1, 2 entstehende Gegen-EMK U. mit zunehmender Drehzahl des Motors vom Wert Null auf ihren Maximalwert aufbaut.

Zu Beginn der Drehung ist also die Gegen-EMK an den Austastdioden 16, 17 gleich oder nahezu Null (Fig. 4, Zeitpunkt t 3).

Dies hat zur Folge, daß der Transistor 18 nicht durchgesteuert hat, so daß, wie bereits beschrieben, das Nullpotential am Punkt C des Spannungsteilers 19, 20 an- liegt. Dadurch ist der invertierende Eingang 21e des Operationsverstärkers 21 negativer als der nicht invertierende Eingang 2If (Fig. 6 und 7, Zeitpunkt t 3). Als Folge dessen erscheint am Ausgang des Operationsverstärkers 21 der Wert logisch "H" (Fig. 8, Zeitpunkt; t 3), was zur Zündung des Thyristors 26 und damit zur Sperrung des Transistors 8 führen würde. Dies hätte dann die Sperrung der Transistoren 5 und 14 zur Folge, so daß der AnlaufVorgang sofort unterbrochen wäre.

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Um dies zu verhindern, ist erfindungsgemäß eine sogenannte Anlaufüberbrückung vorgesehen, mittels der die kritische Anlaufphase, in der die an den Wicklungen 1, 2 entstehende Gegen-EMK noch zu gering ist, um den Ausgang des Operationsverstärkers 21 der Abschaltautomatik vom Wert logisch "H" auf "L" zu schalten, überbrückt werden kann. Diese Anlaufüberbrückung besteht aus einer Verzögerungsstufe 31, die beim Anlegen der Betriebsspannung über einen gewissen Zeitraum hinweg eine positive Ausgangsspannung abgibt.

Diese positive Ausgangsspannung der Verzögerungsstufe ist über den Widerstand 32 der Basis des Transistors 28 zugeführt, der infolge der anliegenden positiven Basis-Emitter-Spannung durch steuert und damit "L"-Potential an den Gate-Anschluß des Thyristors 26 anlegt. Dies hat zur Folge, daß das vom Ausgang des Operationsverstärkers 21 her ebenfalls am Gate-Anschluß anliegende "H"-Signal unterdrückt wird, so daß die Zündung des Thyristors 26 nicht erfolgen kann. Durch die Sperrung des Thyristors 26 ist der Transistor 8 leitend, so daß die Schaltung nach der eingangs beschriebenen Kommutierungsschaltung arbeitet.

Mit zunehmender Drehung des Rotors steigt auch die Gegen-EMK in den Motorwicklungen 1, 2 an. Wird die für

Transistor 18 erforderliche Basis-Emitter-Spannung überschritten, schaltet er durch. Dadurch steigt das Potential am Punkt C der Reihenschaltung 19, 20 an. Dies geschieht entsprechend Fig. 5 ff zum Zeitpunkt t 4. 30

Überschreitet diese Spannung, die am invertierenden Eingang 21e anliegt, die am nicht invertierenden Eingang 21f anliegende Spannung, dann wechselt die Ausgangs-

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spannung des Operationsverstärkers 21 von logisch "H" auf "L" (Fig. 6, 7, 8). Dies bedeutet, daß der Thyristor 26 vom Operationsverstärker 21 ausgehend nicht mehr gezündert werden kann und deshalb die mittels Verzögerungsglied 31 realisierte Anlaufüberbrückung nicht mehr erforderlich ist. Die Anlaufüberbrückung durch das Verzögerungsglied 31 muß also solange wirksam sein, bis die in den Wicklungen 1,2 induzierte Gegen-EMK ausreicht, um den Operationsverstärker 21 von logisch "H" auf "L" zu schalten. Nach Ablauf des Verzögerungsgliedes liegt dessen Ausgang auf "L", und es erfolgt die Sperrung des Transistors 28, und damit ist die Abschaltautomatik wieder für den Blockierßchutz betriebsbereit. Dies ist etwa zuw Zeitpunkt t 5 der Fig. 9 der Fall.

Die Verzögerungsstufe 31 der Anlaufüberbrückung kann entweder als Integratorschaltung (Fig. 2) ausgeführt sein oder als monostabile Kippstufe (Fig. 3).

ist die Anlaufüberbrückung als Integratorschaltung vorgesehen (Fig. 2), wird sie durch einen beschalteten Operationsverstärker 35 realisiert. Hierbei ist der Ausgang des Operationsverstärkers über einen Kondensator 36 auf den invertierenden Eingang 35e zurückgeführt, der dann über einen Widerstand 37 mit einer stabilisierten Spannungsquel].e verbunden ist. Der nicht invertierende Eingang 35f ist zum einen über einen Widerstand 38 ebenfalls mit der stabilisierten Spannungsquelle verbunden und zum anderen über einen Widerstand 39 mit der Minus-Leitung 34.

Wird die Betriebsspannung zugeschaltet, so wird der Integrator eingeschaltet. Es entsteht eine Ausgangs-

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spannung nach Fig. 9, Kurve a, die ausgehend von einem Maximalwert linear auf Null absinkt und dadurch nach einer bestimmten Zeit den Transistor 28 sperrt.

Ist die AnIaufüberbrückung als monostabile Kippstufe ausgeführt, so kann dies z. B. entsprechend Fig. 3 durch einen Timer (Typ SE 555) 40 realisiert sein. Dieser ist von seinem Eingang 4Oe ausgehend über einen Kondensator 41 mit Nullpotential und über einen Widerstand 42 mit Pluspotential verbunden. Wird die Betriebsspannung eingeschaltet, lädt sich der Kondensator 41 auf, und am Ausgang 40a des Timers erscheint eine Rechteckspannung (Fi.g. 9, Kurve b) . Die zeitliche Dauer dieser Spannung ist abhängig von der Zeitkonstante der Beschaltung durch einen Kondensator 43 und einen Widerstand 44. Diese Spannung schaltet bis zum Ablauf des Timers den Transistor 28 durch.

Wie bereits erwähnt, ist die Schaltung mit einer Anlaufstrombegrenzung ausgestattet, die es erlaubt, den hohen Anlaufstrom während der Anlaufphase zu begrenzen. Hierzu sind die Emitter der Transistoren 5 und 14 miteinander verbunden und über eine Parallelschaltung des Widerstandes 11 mit einer Serienschaltung von Widerständen 46, 47 an die Minusleitung 34 angeschlossen. Das Teiler-Verhältnis dieser Parallelschaltung ist dabei so bemessen, daß die Wicklungsströme im wesentlichen über den Widerstand 11 fließen.

Am Verbindungspunkt E zwischen den Widerständen 46 und 47 ist die Basis eines Transistors 48 angeschlossen, dessen Emitter mit der Minus-Leitung 34 und dessen Kollektor sowohl mit einem Widerstand 49 als auch der Basis des Transistors 9 verbunden ist. Das andere Ende des

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Widerstandes 49 ist mit dem Kollektor des Transistors 9 und u:.a. über die Diode: 24 mit der Plusleitung 10 verbunden.

Fließt nun, wie während des Anlaufes üblich, ein hoher Strom durch die Motorwicklungen 1, 2, so fließt entsprechend dem Teilerverhältnis der größte Teil des Stromes durch den niederohmigen Widerstand 11 und ein geringfügig kleiner Teil durch die Serienschaltung der Widerstände 46, 47. Der Widerstand 47 ist dabei so bemessen, daß z.B. bei einem Wicklungsstrom von ca. 4 A der Spannungsabfall an ihm so groß wird, daß der Transistor 48 durchsteuert und dadurch die Basis des Transistors 9 in Richtung Nullpotential zieht. Dadurch wird er gesperrt und unterbricht mit einer Kollektor-Bmitter-Strecke die BasisstrÖme der Transistoren 5 und 14, die dadurch in den sperrenden Zustand übergehen. Dies hat zur. Folge, daß die Wicklungsströme unterbrochen werden, so daß nun kein Spannungsabfall an der Widerstandskombination 11, 46, 47 mehr auftritt. Der Transistor 48 wird wieder gesperrt, so daß aufgrund seines ansteigenden Kollektorpotentials der Transistor 9 wieder durchsteuert und damit die Basisströme für die Transistoren 5 und 14 wieder freigibt. Dieser Vorgang wiederholt sich nun, bis eine entsprechende Drehzahl des Motors erreicht ist. Dann fließt infolge der inzwischen angestiegenen Gegen-EMK in den Wicklungen 1, 2 ein soweit verringerter Motorstrom, daß der Spannungsabfall an dem Widerstand 47 nicht mehr ausreicht, um den Transistor 48 durchzusteuern.

Durch geeignete Wahl der Widerstände 11, 46, 47 ist es ,η möglich, die Höhe des AnIaufstromes zu verändern, wobei insbesondere durch die Verwendung eines verstellbaren Widerstandes 47 der Anlaufstrom stufenlos eingestellt werden kann.

I)R-KASSE

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Wie bereits erfindungsgemäß erwähnt, ist erfindungsgemäß die Abschaltautomatik einschließlich der Anlaufstrombegrenzungsstufe nicht nur für zweipulsige, zweipolige Motoren geeignet, sondern auch für höherpulsige und höherpolige Motoren. Es ist hier lediglich entsprechend der bereits oben beschriebenen Schaltung die Gegen-EMK aller Stränge auszukoppeln und am Punkt B zur Verfügung zu stellen. Außerdem ist der Emitter des Transistors 8 mit den der beschriebenen Schaltung äquivalenten Punkten zu verbinden, damit die Steuerung der Basisströme der Leistungstransistoren erfolgen kann.

Ebenso ist eine einfache Integration der Anlaufstrombegrenzung möglich. Es sind hier nur die Wicklungsströme über entsprechend obiger Schaltung angeordnete Widerstände 11, 46, 47 zu führen, damit der Motor nach der bereits beschriebenen Art arbeitet.

Weiterhin sei noch folgendes in bezug auf die Erfindung erläutert.

Die Dioden 24 und 24a sind Verpolschutzdioden, die die Motorsteuerung gegen versehentlichen Falschanschluß der Betriebsspannung schützen. Ein Kondensator 50 zwischen der Plus- und Minus-Leitung dient der Glättung der anliegenden Gleichspannung sowie der teilweisen Funkentstörung. Eine Zenerdiode 51 parallel zum Hall-IC 3 dient zur Stabilisierung der Spannung am Hall-IC.

Die Zenerdiode 52, die parallel zum Widerstand 20 angebracht sein kann, dient dazu, daß die Spannung am invertierenden Eingang 21e des Operationsverstärkers begrenzt werden kann. Dadurch ist es möglich, die Schaltung bei

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geeigneter Widerstandskombination von 19, 20 für einen wesentlich höheren Betriebsspannungsbereich zu verwenden

Die erfindungsgemäße Schaltung kann zumindest teilweise als integrierter baustein oder in Hybridtechnik ausgebildet sein, wodurch sich eine wesentliche Platzersparnis ergibt und eine erhöhte Betriebssicherheit erreicht wird_f

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Claims

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II/d/M 301

ebm Elektrobau MuIfingen GmbH & Co., MuIfingen

Ansprüche:

. l.V Schutzschaltung zum Blockierschutz bei kollektorlosen, -— mit Hall-Generatoren, insbesondere Hall-IC's gesteuerten Gleichstrommotoren, wobei ein in Reihe mit den Statorwicklungen jeweils liegendes Halbleiter-Schaltelement in Abhängigkeit von einer in den Statorwicklungen induzierten Steuerspannung geöffnet oder geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerspannung (U_ß) die Summe aus der an der jeweiligen antriebsstromlosen Wicklung (1,2) anliegenden Betriebsspannung und der in dieser induzierten Gegen-EMK-Spannung verwendet wird, wobei für den Fall, daß die Summe der Spannungen größer als die Betriebsspannung ist, das der jeweilig stromführenden Wicklung (1,2) zugeordnete Schaltelement (5,14) geöffnet, und für den Fall, daß die Gegen-EMK Null wird oder einen bestimmten Abschaltspannungswert unterschreitet, das jeweilige Halbleiter-Schaltelement (5,14) gesperrt wird.

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10 15

25 30
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anlaufphase des Gleichstrommotors eine Anlaufüberbrückung mittels eines Verzögerungsgliedes (31) erfolgt, so daß für die Zeitspanne, in der der Spannungswert der Gegen-EMK Null oder kleiner gleich dem Abschaltspannungswert ist, das jeweilige, der stromführenden Wicklung (1,2) zugeordnete Halbleiter-Schaltelement (5, 14) geöffnet, ist.
3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anlaufphase eine AnlaufStrombegrenzungsschaltung (9;46,47,48,49) wirksam ist, die in Abhängigkeit von einer bestimmten Höhe des Anlaufstroms die Halbleiter-Schaltelemente (5,14) sperrt und öffnet, bis die erzeugte Gegen-EMK-Spannung in den Motorwicklungen (1,2) derart ausgeprägt ist, daß nur noch ein begrenzter Motorstrom fließen kann.
4. Schutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Motorwicklungen (1,2) und den mit diesen mit ihrer Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe geschalteten, die Halbleiter-Schaltelemente bildenden Leistungstransistoren (5,14) die Summenspannung (U-.) abgegriffen und auf den Emitter eines Transistors (18) geleitet wird, dessen Kollektor mit dem invertierenden Eingang (2Ie) eines Operationsverstärkers (21) verbunden ist und die Basis des Transistors (18) auf dem Potential der Betriebsspannung liegt sowie in Abhängigkeit vom Hall-IC (3) der Ausgang des Operationsverstärkers (21) die Basis der Leistungstransistoren (5, 14)

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derart ansteuert, daß bei "L"-Pegel am Ausgang ¹¹H"-Pegel an der Basis der Leistungstransistoren ist und diese hierdurch durchgeschaltet sind, und daß bei "H"-Pegel am Ausgang des Operationsverstärkers (21) "L"-Pegel an der Basis der Leistungstransistoren (5,14) ist, so daß diese gesperrt sind.
5. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (21a) des Operationsverstärkers (21) mit dem Gate-Anschluß eines Thyristors (26) verbunden ist, so daß dieser bei einem "L"-Pegel am Ausgang (21a) sperrt und bei einem "H"-Pegel öffnet und der Thyristor (26) zwischen der Plus- lind Minus-Leitung (10,34) angeschlossen ist und mit seiner Anode mit der Basis eines Transistors (8) verbunden ist, dessen Emitter die Basis der Leistungstransistoren (5,14) steuert, wobei bei Sperrung des Thyristors (26) der Transistor (8) durchgesteuert ist und damit ebenfalls die Leistungstransistoren (5,14) und bei Durchschaltung des Thyristors (26) der Transistor

(8) gesperrt ist und somit ebenfalls die Leistungstransistoren (5,14).
6. Schutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied aus einer Verzögerungsstufe (31) besteht, die beim Anlegen der Betriebsspannung über einen gewissen Zeitraum hinweg eine positive Ausgangsspannung abgibt, die an der Basis eines Transistors (28) anliegt, wobei dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen dem Gate-Anschluß des Thyristors (26) und der Minus-Leitung (34) liegt, so daß beim Durchschalten des Transistors (28) ein am Ausgang (21a) des Operationsverstärkers (21) anstehender "H"-Pegel unterdrückt wird und am Gate-

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Anschluß des Thyristors (26) ein "L"-Pegel ansteht, so daß dieser sperrt.
7. Schutzschaltung nach Anspruch 6, dadurch g e kennzeichnet, daß die Verzögerungsstufe

(31) als Integrator (35,36,37) oder als monostabile Kippstufe (40) ausgebildet ist.
8. Schutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufstrombegrenzungsschaltung aus einer Parallelschaltung aus einem niederohmigen Widerstand (11) und zwei in Reihe geschalteten, hochohmigen Widerständen (46,47) zwischen den Emittern der Leistungstransistoren (5,14) und der Minus-Leitung (34 ) besteht, wobei zwischen den Widerständen (46,47) die Basis eines Transistors (48) angeschlossen ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen der Plus- und Minus-Leitung (10,34) liegt und weiterhin mit seinem Kollektor mit der Basis eines Transistors (9) verbunden ist, dessen Emitter mit dem Kollektor des Transistors (8) und dessen Kollektor mit der Plus-Leitung (10) verbunden ist, so daß bei Durchschaltung des Transistors (48) der Transistor (9) sperrt und damit über den Transistor (8) der Basisstrom der Leistungstransistoren (5,14) unterbrochen wird und diese gesperrt werden.
9. Schutzschaltung nach einem"oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff der Steuerspannung jeweils über eine Diode (16,17) und einen veränderbaren Widerstand (29) erfolgt.

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10. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Transistors (18) über eine Reihenschaltung von Widerständen (19,20) mit der Minus-Leitung (34) verbunden ist und der invertierende Eingang (2Ie) des Operationsverstärkers (21) zwischen den als Spannungsteiler wirkenden Widerständen (19,20) angeschlossen ist.
11. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht invertierende Eingang (2If) des Operationsverstärkers (21) über einen Spannungsteiler aus den Widerständen (22,23) auf ein festes Spannungsniveau geschaltet ist.
12. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis der Transistoren (5,14,8,28,13,15) jeweils über Basiswiderstände angeschlossen ist.
13. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie zumindest teilweise als integrierter Baustein oder in Hybridtechnik ausgebildet ist.

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