DE4209998A1 - Stromversorgungsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Stromversorgungsschaltung ist insbesondere zum Antrieb von Elek­ tromotoren geeignet. Bürstenlose Gleichstrommotoren werden durch eine Kommu­ tatorschaltung angetrieben, welche eine Versorgungsspannung an die verschiedenen Statorspulen in einer Schaltsequenz anlegt, wodurch ein sich drehendes magnetisches Feld erzeugt wird, welches eine Drehung des magnetischen Rotors bewirkt. Die Drehmoment-/Drehzahleigenschaft eines bürstenlosen Gleichstrommotors ist eine Funktion der Motorgröße, der Statorwicklungseigenschaften, des Lastmoments und der angelegten Spannung. Für einen gegebenen Motor und ein vorgegebenes Lastmo­ ment ist daher die Drehzahl der Motorwelle proportional der angelegten Spannung.

Wo ein bürstenloser Gleichstrommotor bei unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden soll, ist es übliche Praxis, ihn in eine Rückkoppelungsschleife einzubin­ den und einen Impulsbreitenmodulationsverstärker zu verwenden, um die Dreh­ zahlregelung zu bewirken. Derartige Impulsbreitenmodulationsverstärker liefern eine veränderliche Amplitude der Ausgangsantriebsspannung durch Verändern des Impuls-Pausenverhältnisses einer Rechteckausgangsspannung. Das Schalten zwi­ schen den Ein- und Ausgangszuständen bei derartigen Verstärkern erfolgt bei ei­ ner wesentlich höheren Frequenz als die Ansteuerung der verschiedenen Spulen des Motors. Die Induktivität der Statorspulen glättet die hochfrequente Rechteckspan­ nung, so daß sich eine mittlere Gleichstromspannung ergibt, welche proportional dem Impuls-Pausenverhältnis ist. Impulsbreitenmodulationsverstärker weisen ei­ nen hohen Wirkungsgrad auf, da ihre Ausgangstreiberschaltung entweder im Ein- oder im Ausgangszustand sich befindet. Der Leistungsverlust in der Ausgangstrei­ berschaltung ist relativ gering, so daß die meiste Leistung vom Motor aufgenommen wird.

Die dem Motor zugeführte Spannung ist proportional sowohl zu dem Impuls-Pau­ senverhältnis des Ausgangssignals des Impulsbreitenmodulationsverstärkers, das der Kommutatorschaltung zugeführt wird, als auch der Versorgungsschaltung, wel­ che über diese Kommutatorschaltung am Motor anliegt. In vielen Anwendungsfällen kann sich die Versorgungsspannung stark ändern, was sich auf das Drehmoment-/Dreh­ zahlverhalten des Motors auswirkt. Obwohl die Versorgungsspannung mit konventionellen Mitteln gesteuert werden kann, sind wegen der hohen Lastströme, die bei bürstenlosen Gleichstrommotoren benötigt werden, in Serie geschaltete Ver­ sorgungsspannungsregulatoren ineffektiv. Getaktete Stromversorgungsschaltungen dagegen sind teuer und können zu elektromagnetischen Interferenzen führen.

Es besteht die Aufgabe, die Stromversorgungsschaltung so auszubilden, daß Ände­ rungen in der Amplitude der Versorgungsspannung kompensiert werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel einer Stromversorgungsschaltung zum Antrieb eines bürstenlosen Gleichstrommotors wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der Stromversorgungsschaltung und

Fig. 2 verschiedene Kurvenformen an verschiedenen Stellen der Schaltung.

Die Schaltung nach Fig. 1 weist einen bürstenlosen Gleichstrommotor 1 und ein Stromversorgungsteil 2 auf, welches die Drehzahl bzw. das Drehmoment des Motors in Übereinstimmung mit einer Führungsgröße V_D in der Leitung 3 regelt.

Der Motor ist ein konventioneller bürstenloser Gleichstrommotor mit Statorspulen, die zur Erzeugung eines sich drehenden Magnetfelds bestromt werden, so daß ein Magnetrotor und seine Welle 10 in Drehung versetzt werden.

Das Stromversorgungsteil 2 umfaßt eine Triggerschaltung 22, die ein Triggersignal fester Frequenz erzeugt. Die Triggerschaltung 21 umfaßt eine Stromquelle 22 kon­ stanter Spannung, welche über den Widerstand 23 einen konstanten Strom einem ersten Integrator 24 zuführt. Der Integrator 24 erzeugt eine Sägezahnspannung mit einer festgelegten Periode, welche über die Ausgangsleitung 25 einem Eingang ei­ nes Komparators 26 zugeführt wird. Der andere Eingang des Komparators 26 ist an eine feste Spannung angeschlossen, welche von der Quelle 22 abgeleitet wird. Der Komparator 26 erzeugt einen Triggerausgang in Form eines Impulses, wenn die Sägezahnspannung eine feststehende Spannung überschreitet. Dieser Triggeraus­ gang wird auf den ersten Integrator 24 zurückgeführt und triggert dort den Beginn jedes Sägezahns und wird weiterhin einem zweiten Integrator 27 zugeführt, der sich außerhalb der Triggerschaltung 21 befindet.

Dieser zweite Integrator 27 wirkt ebenfalls als Sägezahngenerator, dessen weiterer Eingang über einen Widerstand 31 mit einer weiteren Stromquelle 30 verbunden ist, die eine ungeregelte Versorgungsspannung V_S aufweist, so daß dem zweiten Inte­ grator 27 ein ungeregelter Strom I_S zugeführt wird proportional zur Spannung der Stromquelle 30. Die ungeregelte Versorgungsspannung V_S wird weiterhin über die Leitung 32 Schaltmitteln in Form einer Kommutatorschaltung 20 zugeführt. Der zweite Integrator 27 erzeugt in der Leitung 33 eine Sägezahnsignal V_R mit einer festen Wiederholungsfrequenz, die durch die Triggerschaltung 21 bestimmt wird. Die Amplitude des Sägezahnsignals V_R verändert sich in Abhängigkeit von der Ver­ sorgungsspannung V_S von einem Minimalwert, beispielsweise von 0, auf einen Ma­ ximalwert. Dies bedeutet, daß die Steigung des Sägezahnsignals sich entsprechend dem Wert der Versorgungsspannung V_S ändert, wobei bei höheren Versorgungs­ spannungen die Anstiegsflanke steiler wird. Der Sägezahnausgang V_R des zweiten Integrators 27 wird einem Eingang eines zweiten Komparators 34 zugeführt. Der andere Eingang des Komparators 34 ist die Führungsgröße V_D, mit welcher die Drehzahl bzw. das Drehmoment des Motors 1 gewählt wird. Der Komparator 34 erzeugt ein Rechtecksignal V_C, das über die Leitung 35 einem Steuereingang der Kommutatorschaltung 20 zugeführt wird. Die Kommutatorschaltung 20 umfaßt eine Anzahl von Festkörperschaltvorrichtungen, welche in verschiedenen Kombina­ tionen durch den Steuereingang geschlossen werden, um die Speisespannung V_S an die Statorspule bzw. -spulen in der korrekten Polarität anzuschließen.

In Fig. 2 ist der Effekt einer Änderung der Speisespannung V_S auf das dem Motor 1 zugeführte Signal V_M dargestellt. Die Fig. 2A zeigt die Versorgungsspannung V_S, die anfänglich einen gleichförmigen Wert V_S1 aufweist und dann allmählich auf einen höheren Wert V_S2 ansteigt und dort verharrt und letztlich auf den niederen Wert V_S3 abfällt. Dies bewirkt, daß das Sägezahnsignal V_R des zweiten Integrators 27 sich auf die in Fig. 2B gezeigte Weise verändert. Anfänglich steigt jeder Sägezahnimpuls auf den gleichen Wert V_R1 an. Die Sägezahnimpulse wachsen dann auf einen höheren Wert V_R2 an und nehmen letztlich eine geringere Maximalamplitude V_R3 an. Die Anstiegsflanke ist also bei V_R2 am steilsten und am flachsten beim Wert V_R3. Die Wiederholungsfrequenz des Sägezahnsignals bleibt jedoch konstant. Nachfolgend sei vorausgesetzt, daß die Führungsgröße V_D konstant bleibt, wie in Fig. 2B einge­ zeichnet ist. Der Komparator 24 erzeugt ein Rechtecksignal V_C derart, wie in Fig. 2C gezeigt. Jeder Rechteckimpuls beginnt zusammen mit einem Sägezahnimpuls und endet, wenn ein Sägezahnimpuls V_R das sich nichtändernde Führungssignal V_D schneidet. Die Länge jedes Rechteckimpulses ist somit gleich der Zeitdauer, über welche das Führungssignal V_D größer ist als die Sägezahnspannung V_R. Die Signalpause zwischen benachbarten Impulsen ist daher gleich der Zeitdauer, über welche die Sägezahnspannung V_R das Führungssignal V_D übersteigt. Über die Zeit hinweg, wo die Versorgungsspannung V_S1 beträgt, ist das Impuls-Pausenverhältnis des Signals V_C konstant. Steigt die Versorgungsspannung an, dann fällt das Impuls-Pau­ senverhältnis von V_C, während bei einem Abfall der Versorgungsspannung auf den Wert V_S3 das Impuls- Pausenverhältnis ansteigt. Während der Impulsinter­ valle führt die Kommutatorschaltung 20 Versorgungsspannung V_S dem Motor 1 zu, während zwischen den Impulsen die Versorgungsspannung blockiert wird. Da die Versorgungsspannung variiert, verändert sich auch die Amplitude der am Motor an­ liegenden Spannung während der Impulsintervalle, wie dies die Kurvenform V_M in Fig. 2D zeigt. Das Impuls-Pausenverhältnis verändert sich jedoch umgekehrt zur Höhe der Versorgungsspannung auf eine solche Weise, daß der Effekt einer Ände­ rung der Versorgungsspannung kompensiert wird, wenn die Kurvenform V_M durch die Induktivität der Motorspulen geglättet und gemittelt wird. Dies führt zu einer gleichmäßigen Spannung in den Windungen, wie durch die Gerade V_W in Fig. 2E dargestellt.

Da die Abstiegsflanke der Sägezahnspannung V_R senkrecht abfällt, fällt sie zusam­ men mit der Anstiegsflanke der Spannung V_C.

Die vorbeschriebene Schaltungsanordnung kompensiert die Ausgangsspannung in Bezug auf Veränderungen der Versorgungsspannung, ohne daß dabei der Wirkungs­ grad herabgesetzt wird. Die Stromversorgungsschaltung kann auch für andere Zwecke als für den Antrieb von Motoren verwendet werden. Die Schaltungsanord­ nung kann auch digital arbeiten, wobei dann die Integratoren Zähler sind, die ein digitales Ausgangssignal erzeugen. Der erste Integrator kann mit einer konstanten Frequenz getaktet werden, während der zweite Integrator durch einen spannungsge­ steuerten Oszillator getaktet werden kann, der von der Amplitude der Versorgungs­ spannung V_S gesteuert wird.

Claims (4)

1. Stromversorgungsschaltung mit einer Taktschaltung, der eine sich verändernde Versorgungsspannung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sägezahngenerator (27) vorgesehen ist, der eine Sägezahnausgangsspannung (V_R) konstanter Frequenz erzeugt, deren Impulse von einem vorgegebenen Wert auf einen zweiten Wert ansteigen, der von der Versorgungsspannung (V_S) abhängig ist, ein Komparator (34) vorgesehen ist, dem die Sägezahnausgangs­ spannung (V_R) und ein Führungssignal (V_D) zugeführt werden, der diese mit­ einander vergleicht und der ein Impulsausgangssignal (V_C) erzeugt, dessen Im­ pulse mit den Sägezahnimpulsen beginnen und jeweils enden, wenn die Span­ nung des jeweiligen Sägezahnimpulses gleich derjenigen des Führungssignals (V_D) ist, und dieses Impulsausgangssignal (V_C) der Taktschaltung (20) zu­ geführt wird, womit Änderungen der Versorgungsspannung (V_S) kompensiert werden durch Änderung im Impuls-Pausenverhältnis des Impulsausgangssig­ nals (V_C) und das mittlere Gleichstromausgangssignal (V_M) im wesentlichen unabhängig ist von Änderungen der Versorgungsspannung (V_S).

2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktschaltung eine Kommutatorschaltung (20) eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1) ist.

3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sägezahngenerator einen Integrator (27) umfaßt.

4. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Triggerschaltung (21) vorgesehen ist, welche die Säge­ zahnfrequenz bestimmt und diese Triggerschaltung (21) einen zweiten Kompa­ rator (26) umfaßt, dem eine Sägezahnspannung konstanter Frequenz und eine konstante Spannung zugeführt wird und dessen Triggerausgangssignale dem Sägezahngenerator (27) zugeführt werden.