DE1291821B

DE1291821B - Verfahren zur kontinuierlichen Umsteuerung der Drehrichtung und des motorischen Drehmomentes eines kollektorlosen Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE1291821B
Application number: DES105331A
Authority: DE
Inventors: Rainer Erich
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1966-08-12
Filing date: 1966-08-12
Publication date: 1969-04-03
Also published as: NL6706681A; JPS4828607B1; US3518517A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Umsteuerung der Drehrichtung und des motorischen Drehmomentes für Rechts- und Linkslauf eines kollektorlosen Gleichstrommotors mit einem für Rechts- und Linkslauf gemeinsamen > Steuereingang. In der Regeltechnik ist es oft erforderlich, daß das Moment eines Motors proportional und vorzeichengerecht der Ausgangsspannung einer Steuerspannungsquelle sein soll. Ein normaler Kollektormotor mit Permanent- oder Fremderregung erfüllt diese Forderung naturgemäß. Ein kollektorloser elektronisch gesteuerter Motor dagegen kann diese Forderung nur mit einigem schaltungstechnischen Aufwand erfüllen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kontinuierliche Umsteuerung für kollektorlose Gleichstrommotoren zu schaffen, derart, daß das mittlere Stillstandsmoment des Motors vorzeichengerecht proportional einer steuernden Gleichspannung wird. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß an den Steuereingang eine mit einer Wechselspannung überlagerte umpolbare Gleichspannung oder ein mit einem Wechselstrom überlagerter umpolbarer Gleichstrom gelegt wird und daß je nach Vorzeichen des arithmetischen Mittelwertes der Summenspannung oder des Summenstromes die Drehrichtung und das motorische Drehmoment für Rechts- und Linkslauf des Motors gesteuert wird.

Die Summenspannung oder der Summenstrom können z. B. vor einem Steuereingang verstärkt werden.

Die Steuergleichspannung kann auch mit einer dreieckförmigen Wechselspannung überlagert werden. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Umsteuerung sind darin zu sehen, daß die Steuereinrichtung des Motors nur das Vorzeichen der Steuerspannung, aber nicht deren Höhe zu unterscheiden hat. Die Steuerkennlinie ist im Nullpunkt streng linear. In der Umgebung des Nullpunkts ist nämlich der arithmetische Mittelwert der resultierenden Summenspannung der steuernden Gleichspannung U₁₁ direkt proportional. Durch Wahl der Kurvenform der die Gleichspannung überlagernden Wechselspannung bzw. des den Gleichstrom überlagernden Wechselstromes kann der Verlauf der Steuerkennlinie beliebig gestaltet werden.

Mit Hilfe der Zeichnung und eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. la in einer graphischen Darstellung die Eingangsspannung H₁. an der Steuereinrichtung für verschiedene Größen der steuernden Gleichspannung U₁₁,

F i g. 1 b in einer graphischen Darstellung den Verlauf der Funktion sgn H₁, = sgn (h,. + .1 sinr»/).

Vorzeichen der Steuergleichspannung U₁₁ den Motor bei voller Betriebsspannung auf Rechtslauf bzw. auf Linkslauf schaltet. Das Moment M_d soll an der Welle proportional der Höhe der Steuergleichspannung U₁₁ sein. Oberlagert man die steuernde Gleichspannung U_e mit einer sinusförmigen Wechselspannung A ■ sin (oi, so erhält man als Eingangsspannung an der Steuereinrichtung H₁. = U₁₁ + A ■ sinr»r.

In F i g. 1 a ist in einer graphischen Darstellung die Eingangsspannung H₁, an der Steuereinrichtung für verschiedene Größen von U_e aufgezeigt. Auf der Abszisse ist die Zeit t und auf der Ordinate die Eingangsspannung u_e an der Steuereinrichtung aufgetragen. Bei I ist der Betrag der steuernden Gleichspannung U₁₁ gleich der Amplitude A der überlagerten Wechselspannung A ■ sin <·, t. Bei II ist die steuernde

Gleichspannung U^ gleich der halben Amplitude y

der überlagerten Wechselspannung. Bei III ist die steuernde Gleichspannung U₁₁ = 0. Bei IV ist die

steuernde Gleichspannung U₁₁ gleich -.,' , und bei V

ist die steuernde Gleichspannung U₁₁ gleich —A.

In Fig. Ib ist für die Eingangsspannung H₁, an der Steuereinrichtung die Funktion sgn n,. = sgn (π,. +/1 sin cji) dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit t und auf der Ordinate sgn H₁, abgetragen.

Wenn aus thermischen Gründen der Ankerstrom des Motors in geeigneter Weise derart begrenzt wird, daß der Motor dauernd den vollkommen abgebremsten Zustand verträgt und an dem Eingang der Steuereinrichtung die mit der Wechselspannung überlagerte Gleichspannung liegt, so kann für das mittlere Moment der Ausdruck

F i g. 2 in einer graphischen Darstellung den Verlauf der Funktion/(A) — ■"-■ arc sin A,

F i g. 3 in einer graphischen Darstellung den Ver- H₁. < lauf des Stillstandsmoments als Funktion der bezogenen Steuergleichspannung A = U_lt A,

F i g. 4 in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform der kontinuierlichen Umsteuerung gemäß der Erfindung eines mit Hilfe von Hallgeneratoren gesteuerten kollektorlosen Gleichstrom- ⁶5 sein, also motors. . . _

Der umzusteuernde kollektorlose Motor benötigt ^x*

eine Steuereinrichtung, die nur in Abhängigkeit vom ^Λί./ = Cv · /_u · J sgn (U₁₁ + A sin mt) df t

angegeben werden, wobei C_SI die Proportionalitätskonstante zwischen dem Motorstrom /_M und dem Drehmoment M_d bedeutet. Bei der Auswertung des Integrals setzt man U₁₁ = k ■ A, so daß H₁, = .1 · (A + sin (.jf) = A {k + sin x) wird, wobei χ = <»t ist. Die Nullstellen für A:+ sin.χ = 0 erhält man für

f! = X₁ = — arc sin k

I₁ = X₁ = .7 — V₁ = .τ + arc sin k .

Positive bzw. negative Momente erhält man für

U₁₁ > 0. also für den Winkel Ix _t bzw. lx_ /Z₁, > 0 I χ t. = X₂ — X₁ = TT + arc sin k + arc sin k = π + 2 arc sin k ,

Ix = 2.7- lx_t = 2.7 = .7 — 2 arc sin A:.

.7 — 2 arc sin A

Weiter muß das Integral der sgn Funktion der Winkeldifferenz von Ix _t und lx_ proportional

= .7 + 2 arc sin
= 4 arc sin k .

2 arc sin k

Der Maximalwert von arc sin k wird für k = 1 erreicht. Aresin/; hat dann den Wert \ und für die Funktion I Ix₊- lx\_ = 2.τ. Man sieht also, daß die Winkeldifferenz Ix₊ — lx„, durch 2.7 geteilt, das integral der Vorzeichenfunktion von H₁. ergibt. Es wird dann

IKf I ₊ "/■

sgn H₁. df = I sgn A (k + sin <-.r) df

= — · arc sin k = f{k)

.T

Den Verlauf der Funktion/(A) zeigt F i g. 2. Die Funktion/(A) hat im Nullpunkt die definierte Steil-

heil von - = 0,637 und ist dort in erster Näherung

linear, was für Nuilausregelungen von Wichtigkeit ist. Es hat also in erster Näherung für sehr kleine Werte von U₁₁ das mittlere Drehmoment M₁, des Motors den Verlauf

bezeichnet. Mit 41 bis 44 sind die Motorwicklungen bezeichnet. Bei 45, 46, 47, 48, 49 und 450 sind Transistoren und bei 451 und 452 Hallgeneratoren dargestellt. Durch die strichpunktierte Linie 453 soll die Trennung zwischen Gleichstrommotor und dem Steuersatz versinnbildlicht werden. Durch die Transistoren 49 und 450 wird ein sehr steiler Schaltverstärker gebildet, der den Strom J, in die Hallgeneratoren positiv oder negativ gegen W₁, umpolt.

Die Eingänge E₁ und E₂ sind gleichwertig. Am Punkt E₀ werden die Spannungen U^, und U= überlagert, da sich die Ströme über die 10-/cO-Widerstände in E₀ summieren. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Transistor 49 vom npn-Typ und der Transistor 450 vom pnp-Typ. Für den Fall, daß der Transistor 450 zu ist, das ist der Fall, wenn am Punkt E₀ eine positive Spannung anliegt, ist auch der Transistor 49 zu. Der Steuerstrom in die Hallgeneratoren ist dann positiv. Ist dagegen die Spannung bei E₀ negativ, dann ist der Steuerstrom in die Hallgeneratoren negativ.

Claims

Patentansprüche: W1, = 0.637 · k ■ C1, · Ix,. Für k < 0,64 ist die Abweichung der Steilheit <3()"„. Für k > ± 1 ist j(k) = ± 1. womit der Motor in der entsprechenden Drehlichtung voll ausgesteuert ist. Den Verlauf des Stillstandsmoments als Funktion der bezogenen Steuergleichspannung U1, k zeigt F i g. 3. Einen vollkommen linearen Zusammenhang zwischen dem Moment und dem Faktor k erhält man, wenn die der Steuergleichspannung U11 überlagerte Wechselspannung Dreieckform hat. Eine solche Spannung erhält man in einfacher Weise durch Integration einer Rechteckwechselspannung. Durch geeignete Wahl der Kurvenform der Wechselspannung, die der Gleichspannung U11 überlagert wird, läßt sich der Verlauf der Steuerkennlinie W1, = f{k) -\° beliebig gestalten. Jn Fig. 4 ist als Ausfülmingsbeispiel in einer schemalischen Darstellung die erfindungsgemäße kontinuierliche Umsteuerung an einem mit Hilfe von Hallgeneratoren gesteuerten kollektorlosen Gleichstrommotor dargestellt. Mit 40 ist der Steuereingang

1. Verfahren zur kontinuierlichen Umsteuerung der Drehrichtung und des motorischen Drehmomentes für Rechts- und Linkslauf eines kollektorlosen Gleichstrommotors mit einem für Rechtsund Linkslauf gemeinsamen Steuereingang, dadurch gekennzeichnet, daß an den Steuereingang eine mit einer Wechselspannung überlagerte umpolbare Gleichspannung oder ein mit einem Wechselstrom überlagerter umpolbarer Gleichstrom gelegt wird und daß je nach Vorzeichen des arithmetischen Mittelwertes der SiImmenspannung oder des Suinmenstromes die Drehrichtung und das motorische Drehmoment für Rechts- und Linkslauf des Motors gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Sumrnenspannung oder der Summenstrom vor dem Steuereingang verstärkt wird.

3. Verfaliren nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergleichspannung mit einer dreieckförmigen Wechselspannung überlagert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen