DE9204811U1

DE9204811U1 - Ansteuerschaltung für kollektorlosen Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE9204811U1
Application number: DE9204811U
Authority: DE
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1992-04-07
Filing date: 1992-04-07
Publication date: 1993-08-05
Anticipated expiration: 2002-04-08

Description

Ansteuerschaltung für kollektorlose Gleichstrommotoren.

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für kollektorlose Gleichstrommotoren.

Eine solche Schaltung ist bekannt aus der DE-OS 39 32 802 Al.

Eine weitere solche Schaltung ist bekannt aus der DE-OS 37 25 470 Al . Diese bezieht sich auf mehrsträngige kollektorlose Gleichstrommotoren.

Die Erfindung betrifft jedoch insbesondere eine Ansteuerschaltung für einsträngige, zweipulsige Gleichstrommotoren welche im folgenden auch einfach als Motoren bezeichnet werden. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte und kostengünstige Ansteuerschaltung zu schaffen, die in vorteilhafter Weise die Beschränkungen und kostenmäßigen Nachteile bekannter Lösungen vermeidet und es darüberhinaus gestattet, die Drehzahl eines kollektorlosen Gleichstrommotors in Abhängigkeit von einem Eingangssignal zu ändern. Insbesondere soll sich die Schaltung für Motoren eignen, wie sie in Gebläsen für Öl- oder Gasbrenner verwendet werden. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn sich die Motordrehzahl möglichst schnell in Abhängigkeit von dem genannten Eingangssignal ändert und sich auf einen neuen Sollwert einstellt. Die Gebläsemotoren sollen sowohl schnell hochlaufen können als auch schnell abgebremst werden können, und zwar mit Zeitkonstanten von besser als etwa 5 see.

Hierbei darf jedoch ein vorgegebener maximal zulässiger Motorstrom nicht überschritten werden.

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Diese Aufgabe wird bei einer Ansteuerschaltung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruchs gelöst.

Dies geschieht dadurch, daß folgende Einzel-Schaltelemente in vorteilhafter Weise bei vergleichsweise geringen Kosten kombiniert werden:

Eine Vollbrücke mit vier Schaltern , welche zur Bestromung einer Wicklung eines bürstenlosen Elektromotors dient.

Eine Anzahl von Verknüpfungsschaltungen, welche die Schalter aktivieren oder deaktivieren und die jeweils mindestens zwei, im wesentlichen digital wirkende Eingänge aufweisen

Eine Bremsindikatorschaltung, welche ein pulsweitenmoduliertes Eingangssignal überwacht und welche bei einem Eingangssignal mit kleinerem als einem vorgegebenen Tastverhältnis ein Ausgangssignal erzeut .

Eine Brems-Schaltung, welche ein Brems-Signal auf die Verknüpfungsschaltungen gibt.

Eine Stromeßeinrichtung 11 , welche die Größe des Motor-Gesamtstroms erfaßt und ein stromproportionales Ausgangssignal abgibt.

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Eine Strombegrenzungsschaltung, welche den Motorstrom auf einen vorgegebenen Grenzwert limitiert und welche auf mindestens einen Teil der Verknüpfungsschaltungen einwirkt.

Eine Kommutierungsschaltung mit vorzugsweise galvanomagnetischem Sensor, welche in Abhängigkeit von der Rotorstellung des Motors alternierende Signale erzeugt, wobei die Kommutierungsschaltung bevorzugt zwei Ausgänge aufweist zur Erzeugung von antivalent wirkenden Signalen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel

Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild für eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung.

Wie das Blockschaltbild Fig. 1 ausweist, kann die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung als "black-box" mit den Versorgungseingängen 10 und 25 sowie Eingang 26 angesehen werden. Der Eingang 2 6 dient zur Entgegennahme eines impulsweitenmodulierten Drehzahlsignals.

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Als elektrische Ausgänge sind die Anschlußpunkte 121 und für die bevorzugt einzige Wicklung 12 des Motors anzusehen.

Die Anschlußpunkte 121 und 122 bilden die Endpunkte einer Brückendiagonalen, wobei die Brücke als Vollbrücke vorliegt und durch die Schalter 13, 15, 23 und 24 gebildet wird. Die Schalter sind vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgeführt und werden mittels Verknüpfungsschaltungen 16, 17, 23 und 24 aktiviert oder deaktiviert. - Die Verknüpfungsschaltungen bedingen daher SchalterStellungen und deren zeitliche Sequenz und erzeugen damit gemäß der Erfindung folgende vier Grundfunktionen des Motors :

Kommutierung, d.h. ständig wechselnde Umkehrung des Motorstroms in Abhängigkeit von der Drehlage des Motor-Rotors

Taktung des Motorstroms , um diesen je nach gewünschter Drehzahl des Motors zu vergrößern oder zu reduzieren

vorübergehendes Abschalten des Motorstroms , sofern ein Maximalwert erreicht wurde ( Funktion einer

Motorstrombegrenzung )

Umschaltung vom motorischen Betrieb in den ungetakteten Generatorbetrieb

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Diese Vielzahl an Motorfunktionen werden gemäß der Erfindung mit vergleichsweise wenigen Schaltelementen realisiert. Der maßgebliche Teil dieser Schaltelemente besteht aus 10 Universaldioden, so daß sich eine besonders kostengünstige Schaltlogik für die Verknüpfungsschaltungen ergibt, insbesondere wenn handelsübliche Mehrfachdioden in Form eines Moduls oder integrierten Schaltung verwendet werden.

Desweiteren ist es möglich, die gesamte erfindungsgemäße Schaltung in Form einer integrierten Schaltung bereitzustellen. Bei höheren Motorleistungen ist es jedoch erforderlich, die elektronischen Schalter 13, 15, 23, 24 als separate Bauteile vorzusehen.

Die Kommutierungsfunktion wird in an sich bekannter Weise durch Aktivierung von je zwei diametral liegenden Schaltern 13, 24 oder 15, 23 ausgeführt.

Dies geschieht dadurch, daß die Kommutierungsstufe 19 ihre antivalenten, d. h. im wesentlichen komplementären digitalen Ausgangssignale auf Eingänge 163, 173, 211 und der vier Verknüpfungsschaltungen 16 , 17, 21 und 22 schaltet, und zwar nach Maßgabe der Rotorposition des Motors.

Ohne Einwirkung von weiteren Signalen auf die genannten Verknüpfungsschaltungen stellen sich auf diese Weise die gewünschten Schalterstellungen der Schalter 13, 15, 23 und 24 wechselweise ein.

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Hierdurch resultiert ein Stromfluss durch die Motorwicklung in gewünschter Richtung.

Die beschriebene Bestromungsfunktion ist am wenigsten priorisiert und wird gewöhnlich von der Stromtaktungsfunktion begleitet und modifiziert.

Eine hochfrequente Impulsfolge, welche am Eingang 26 anliegt und auf die Eingänge 212 und 222 weitergeschaltet wird, bewirkt ein hochfrequentes Ein- und Ausschalten der Schalter 23 und 24. Diese Schalter werden durch die genannte Stromtaktungsfunktion gleichzeitig ein- bzw. ausgeschaltet, und zwar mit einem Tastverhältnis, wie es am Eingang vorgegeben wird.

Unabhängig von einer einzustellenden Stromrichtung durch die Spule 12 findet auf diese Weise in jedem Falle eine Taktung des MotorStroms statt.

Die Stromtaktungsfunktion ihrerseits wird durch die höher priorisierte Strombegrenzungsfunktion gegebenenfalls deaktiviert, d.h. wirkungslos gemacht.

Diese beruht darauf, daß aktive Signale an den Eingängen 161 und 171 die Schalter 13 und 15 öffnen, sofern nicht die noch höher priorisierte Bremsfunktion aktiv ist. Bei geöffneten Schaltern 13 und 15 kann kein Strom durch durch Spule 12 fließen, ein schädlicher Überstrom wird verhindert. Um diesen Effekt zu erreichen, ist eine Strommeßeinrichtung 11 vorgesehen. Diese

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gibt ein Analog-Signal, welches dem Gesamtstrom von Schaltung und Motor entspricht, an die Strombegrenzungsstufe 14. Deren Ausgänge werden bei Erreichen eines Strom-Limits für eine kurze Zeit aktiviert. Hieraus resultiert die Öffnung der Schalter 13 und 15 und damit ein Zusammenbruch des Motorstroms. Die Ausgänge der Strombegrenzungsstufe werden automatisch nach einer kurzen Zeit im Milli-bis Submillisekundenbereich deaktiviert. Hierdurch beginnt ein erneuter Stromfluß, der aber wegen der Motorinduktivität nicht schlagartig einsetzt.

Bei erneutem Erreichen des vorgegebenen Stromlimits setzt die beschriebene Strombegrenzungsfunktion abermals ein. Dieses Spiel wiederholt sich solange, bis der Gesamtstrom unterhalb des Stromlimits bleibt. Die entsprechende Taktfrequenz ist in einem weiten Bereich durch Dimensionierung der Schaltelemente variabel.

Darüberhinaus existiert eine weitere Funktion mit einer noch höheren Priorisierungsstufe. Die Aufgabe dieser Funktion ist es, den Motor in schneller und intensiver Weise auf eine möglichst niedrige Drehzahl abzubremsen.

Dieses geschieht gemäß der Erfindung dadurch , daß ein Ausgangssignal einer Bremseinheit 18 auf die Eingänge 162, 172, 213 und 223 der Verknüpfungsschaltungen gegeben wird.

Dieses Signal veranlaßt die Verknüpfungsschaltungen 21 und 22, die Schalter 23 und 24 zu öffnen.

Gleichzeitig bewirken die Verknüpfungsschaltungen 17 und 16 das Schließen der Schalter 13 und 15.

Bei drehendem Motor wird im Stator eine Gegen-EMK als Wechselspannung erzeugt. Bei geschlossenen Schaltern 13, 15 arbeitet der Motor somit als Generator im

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Kurzschlußbetrieb. Die kinetische Energie des Rotors wird schnell in elektrische und letztendlich in thermische Energie umgewandelt. Der Rotor wird dadurch in an sich bekannter Weise stark abgebremst.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, daß zur Auslösung der Bremsfunktion keine separate Signalleitung benötigt wird.

Vielmehr ist eine Bremsüberwachungsschaltung 27 vorgesehen, welche ständig das an Eingang 26 anliegende pulsweitenmodulierte Signal überwacht. Bei Ausfall oder bei Unterschreiten eines vorgegebenen Minimal-Tastverhältnisses dieses Signals wird die Bremsschaltung 18 aktiviert.

Diese erzeugt zwei zueinander komplementäre Ausgangssignale, welche im aktiven Status den bereits beschriebenen Schaltzustand der Verknüpfungsschaltungen zum Abbremsen des Motors erzwingen.

Sofern die genannten Schalter als Halbleiterschalter ausgeführt sind, ist folgendes zu beachten: Ein für den Bremsbetrieb geschlossener Schalter muß auch einen Stromfluß entgegen dessen nomineller Stromflußrichtung führen können.

Dies wird am einfachsten dadurch erreicht, daß eine Inversdiode zu den Emitter-Kollektor-Strecken der beteiligten Transistoren parallel geschaltet wird.

Diese Invers-Dioden (Rückfluß-Dioden) sind in modernen Darlington- und Feldeffekttransistoren bereits enthalten und brauchen normalerweise nicht als separates Bauteil vorgesehen werden.

Claims

Ansprüche:

Ansteuerschaltung für kollektorlose Gleichstrommotoren, mit einem Schaltersatz in Vollbrückenform zur Bestromung einer

Motorwicklung,

mit einer Motor-Strombegrenzungsschaltung, mit einem Stelleingang zur Variation des Motorstroms, und mit einer oder mehreren Verknüpfungsschaltungen zur

Betätigung des Schaltersatzes, dadurch gekennzeichnet, daß

die Verknüpfungsschaltungen Eingänge (161, 162, 163, 171, 172, 173, 211, 212, 213, 221, 222, 223 ) aufweisen für ein Kommutierungssignal, für ein getaktetes Strommodulationssignal, für ein Strombegrenzungssignal und für ein Motor-Bremssignal.

Ansteuerschaltung für kollektorlose Gleichstrommotoren, mit einem Schaltersatz in Vollbrückenform zur Bestromung einer Motorwicklung,

mit einer Motor-Strombegrenzungsschaltung, und mit einem Stelleingang zur Variation des Motorstroms, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung Verknüpfungsschaltungen erster Art (16, 17 ) und zweiter Art ( 21,22) aufweisen, daß die Verknüpfungsschaltungen erster Art einen Eingang (161, 171) für ein Strom-Limitierungssignal aufweisen , daß die Verknüpfungsschaltungen zweiter Art einen Eingang (212, 222) ein getaktetes Strommodulationssignal aufweisen und

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daß sowohl die Verknüpfungsschaltungen erster Art als auch die Verknüpfungsschaltungen zweiter Art jeweils sowohl Eingänge (162, 172, 213, 223) für ein Bremssignal als auch Eingänge (163, 173, 211, 221) für ein Koirunutierungssignal aufweisen.

Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungsschaltung aus einer Dioden-Transistor-Logik besteht.

Ansteuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden-Transistor-Logik aus weniger als 12 Dioden und weniger als 4 Transistoren besteht.

Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Bremsindikatorschaltung (18,27), welche ein pulsweitenmoduliertes Eingangssignal überwacht und welche bei einem Eingangssignal mit kleinerem als einem vorgegebenen Tastverhältnis mindestens ein logisch aktives Ausgangssignal erzeugt.

Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stelleingang (26) für die Variation des Motorstroms mit einem impulsweitenmodulierten Signal beaufschlagt wird.

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Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Motor-Strombegrenzungsschaltung (14) als Strom-Unterbrechungsschaltung ausgeführt ist.

Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter des Schaltersatzes (13,15,23,24) als Halbleiterschalter ausgeführt sind.

Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungsschaltungen (16, 17, 21, 22 ) den Motor auf Anforderung durch ein Bremssignal dadurch in den Bremsbetrieb versetzten, daß je zwei Schalter (23, 24) geöffnet werden, welche an eine negative oder neutrale Versorgungsspannungsleitung (25) angeschlossen sind und daß je zwei Schalter der Brückenanordnung, welche an eine positive Versorgungsspannungsleitung (10) angeschlossen sind, annähernd gleichzeitig eingeschaltet werden.

Ansteuerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein kollektorloser Gleichstrommotor im Bremsbetrieb als Generator arbeitet.

Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger, einpoliger Eingang (26) für ein Drehzahl-Stellsighal vorhanden ist zur Entgegennahme eines kombinierten Drehzahl-/Bremssignales.

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Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Verwendung in einem gas- oder ölbefeuerten Heizgerät.

Bremsindikatorschaltung (18, 27 ), welche ein pulsweitenmoduliertes Eingangssignal überwacht und welche bei einem Eingangssignal mit kleinerem als einem vorgegebenen Tastverhältnis mindestens ein logisch aktives Ausgangssignal zur Auslösung eines Bremsvorganges erzeugt.

Bremsindikatorschaltung nach Anspruch zur Verwendung in einem gas- oder ölbefeuerten Heizgerät.

Gas- oder ölbefeuertes Heizgerät, mit einem Gebläsebrenner, und zugehöriger Ansteuerschaltung zur Drehzahlstellungoder -Regelung des Brenner-Gebläses, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung einen einzigen, einpoligen Eingang (26) zur Entgegennahme eines kombinierten Drehzahl-/Bremssignales aufweist.

Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein kollektorloser Gleichstrommotor im Bremsbetrieb als stromgeregelter oder strombegrenzter Generator arbeitet.

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Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Vorrichtung zur variablen Einstellung der Brems-Zeitkonstanten —^"

Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Form einer integrierten Schaltung oder in Form einer Hybridschaltung.