DE3211743C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuer­ schaltung für eine dreiphasige elektrische Maschine, die in Stern geschaltete Statorwicklungen und einen ein Gleichfeld aufbauenden Rotor aufweist, mit linearen Verstärkern, die jeweils mit je einer der Statorwicklungen verbunden sind, mit einem die Rotorstellung erfassenden Drehstellungsgeber, wobei entsprechend einer vorgebbaren Motorsteuerspannung die Ausgangspotentiale der Verstärker so geändert werden, daß die über den Wicklungen anstehende Spannung nach Richtung und Amplitude einstellbar ist (DE 26 44 495 A1).

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Treiberschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, wobei die Bezugszeichen L1, L2 u. L3 Statorwicklungen eines bürstenlosen Gleichstrommo­ tors bezeichnen, die sternförmig miteinander verbunden sind und jeweils über einen Winkel von 120° voneinander entfernt sind.

Ein Rotor Rt, der aus einem Permanentmagneten besteht, wird auf der Innenseite der Statorwicklungen L1, L2 u. L3 ge­ dreht, und die Drehpositionen des Rotors Rt werden durch Positionsdetektoren H1, H2 u. H3 erfaßt, die um den Rotor Rt herum in Abständen von 120° voneinander montiert sind.

Die Positionsdetektoren H1, H2 u. H3 sind beispielsweise nach dem Hall-Effekt arbeitende Einrichtungen und erzeugen Positionssignale P1, P2 u. P3, die einem Antriebsimpulsge­ nerator 1 zugeführt werden, welcher Schaltimpulse erzeugt, die Ausgangstransistoren Q1-Q6 zugeführt werden, die mit­ einander wie gezeigt verbunden sind. Eine Motorsteuerspan­ nung wird einer Stromquellenanschlußklemme 2 und nacheinan­ der den Statorwicklungen L1, L2 u. L3 des Motors über die Ausgangstransistoren Q1-Q6 mittels des Antriebsimpulsge­ nerators 1 zugeführt.

Fig. 2A zeigt einen Satz von Positionssignalen P1, P2 u. P3, die durch die Positionsdetektoren H1, H2 bzw. H3, die als nach dem Hall-Effekt arbeitende Einrichtungen ausgebildet sind, erzeugt werden. Fig. 2B zeigt die Richtung der Motor­ ströme, die jeweils zu einem Zeitpunkt durch zwei der drei Statorwicklungen fließen. So wie sich der Rotor Rt dreht, werden diese Bedingungen in ihren jeweils nächsten Zustand versetzt, wie dies gezeigt ist. So wie sich der Rotor Rt dreht, werden elektromotorische Gegenspannungen E1, E2 u. E3 in den Statorwicklungen erzeugt, wie dies in Fig. 2D gezeigt ist. Die Fig. 2A-2D zeigen Wellenfor­ men für die Drehung des Rotors Rt im Uhrzeigersinne, und falls ein Richtungssteuerimpuls an eine Klemme 3 gelegt wird, wird dann, wenn dieser seinen Pegel ändert, die Rei­ henfolge der Schaltimpulse an den Transistoren geändert, um den Rotor Rt zu veranlassen, sich entgegen dem Uhrzeiger­ sinne zu drehen. Falls der bürstenlose Motor beispielsweise in einem Video-Magnetband-Recorder als ein Rollenantriebs­ motor eingebaut ist, besteht für diesen bürstenlosen Motor die Forderung, daß er von einer Drehzahl von 100 U/m in der Rückwärtsrichtung in eine Drehzahl von 100 U/m in der Vor­ wärtsrichtung linear gesteuert wird. Auf diese Weise erfor­ dert die Magnetbandgeschwindigkeits-Steuerung eine lineare Steuerung sowohl des Motordrehmoments als auch des Motor­ bremsmoments.

In Antriebsschaltungen nach dem Stand der Technik, wovon eine in Fig. 1 gezeigt ist, werden die Transistoren Q1-Q6 so betrachtet, als seien sie Dioden Dn u. Dn+1, da die Tran­ sistoren Q1-Q6 einfach gerichtete Schaltungselemente sind. Eine Ersatzschaltung für die Antriebsschaltung wäh­ rend eines Antriebsvorganges ist in Fig. 3A gezeigt. Eine Ersatzschaltung während eines Bremsvorganges ist in Fig. 3B gezeigt. In diesen Figuren repräsentiert der Widerstands­ wert Rm den Widerstand der Statorwicklungen, und Im reprä­ sentiert den Strom, der durch die Statorwicklungen fließt.

Das Antriebsdrehmoment des Motors wird erzeugt, wenn der Strom Im in einer Richtung entgegen der der elektromotori­ schen Gegenspannung En fließt. In diesem Fall muß ein Ver­ hältnis bestehen, nachdem der absolute Wert von Vm größer als der absolute Wert von En ist. Andererseits wird ein Bremsmoment erzeugt, wenn der Strom Im in der gleichen Rich­ tung wie die elektromotorische Gegenspannung En im Falle einer Umkehrantriebsbremsung fließt.

Wie gezeigt und wie es aus der Ersatzschaltung gemäß Fig. 3B ersichtlich ist, fließt, wenn die Motorversorgungsspannung Vm 0 ist, der Strom Im durch die Statorwicklungen in Über­ einstimmung mit der elektromotorischen Gegenspannung En, und es wird ein entsprechendes Moment erzeugt, das proportional zu dem Strom Im ist. Es ist dabei sehr schwierig, das Dreh­ moment des Motors linear über einen großen Bereich zu steu­ ern.

Um dieses Problem zu beseitigen, ist vorgeschlagen worden, zusätzliche Dioden D′n u. D′n+1, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind, vorzusehen, um so einen Strompfad für die entgegenge­ setzte Richtung herzustellen. Falls ein Verhältnis vorliegt, bei dem Vm kleiner als En ist, könnte der Strom, der durch die Dioden D′n u. D′n+1 fließt, ein verbessertes Bremsmoment erzeugen.

In einer solchen Anordnung ist eine Schaltsteuerung zwischen der Umkehrantriebsbremsung und der verbesserten Bremsung auf der Grundlage der Drehzahl des Rotors Rt erforderlich. Eine solche Schaltungsanordnung ist jedoch in ihrer Wirkungs­ weise sehr kritisch.

Aus der US-PS 37 83 359 ist eine Ansteuerschaltung gemäß den zuvor erläuterten Fig. 1 u. 2 bekannt. In dieser bekann­ ten Ansteuerschaltung sind als Schalter fungierende getakte­ te Brückentransistoren mit über diesen liegenden Dioden vor­ gesehen, wobei die Taktung der Transistoren abhängig von Mo­ torsteuersignalen erfolgt. Eine logische Schaltung kann da­ bei die Transistoransteuerfolge ändern, so daß eine Bremsung der betreffenden elektrischen Maschine eintritt.

Aus der DE 26 44 495 A1 ist eine Steuerschaltung für die Statorwicklungen eines Gleichstrommotors ohne Bürsten bekannt, bei der lineare Verstärker vorgesehen sind, die jeweils mit je einer Statorwicklung des Gleichstrommotors verbunden sind, und bei der ein Impulsgenerator als Zeit­ steuer-Signalgenerator vorgesehen ist, der Drehimpulsfolgen erzeugt, die die Drehphasen des Rotors repräsentieren. In dieser bekannten Steuerschaltung werden entsprechend einer vorgebbaren Motorsteuerspannung die Ausgangspotentiale der Verstärker so geändert, daß die über den Wicklungen anste­ hende Spannung nach Richtung und Amplitude einstellbar ist.

Aus der JP-56-19 395 (Patents Abstracts of Japan, Vol.5 (1981) Nr. 70, E-56) ist eine Gleichstrommotor-Steuerschal­ tung bekannt, bei der eine Transistoranordnung mit dieser vorgeschalteten, vorspannbaren Verstärkern vorgesehen ist, die die Ströme durch die Statorwicklungen des Gleichstrom­ motors steuert.

Aus der DE 29 49 172 A1 ist ein drehzahlgeregelter Elektro­ motor bekannt, dem mit einem Faktor multiplizierte sinusför­ mige Drehstellungsgebersignale aus einer Steuerschaltung zugeführt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung für eine dreiphasige elektrische Maschine, die in Stern geschaltete Statorwicklungen und einen ein Gleichfeld aufbauenden Rotor aufweist, zu schaffen, die mit einfachen Mitteln eine gegenüber dem Stand der Technik ver­ besserte Steuerung des Drehverhaltens der elektrischen Ma­ schine ermöglicht.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Steuerschaltung der ein­ gangs genannten Art und nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß durch die in dem kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale be­ stimmt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Steuerschaltung vor, bei der aus einer Vielzahl von linearen Verstärkern jeweils einer mit einer der Statorwicklungen des Gleichstrommotors verbunden ist. Ein Impulsgenerator erzeugt eine Drehimpuls­ folge, die die Drehphasen des Rotors des Gleichstrommotors repräsentiert. Ein Ausgangsimpedanz-Steuerimpulsgenerator erzeugt Steuerimpulse, die selektiv die linearen Verstärker derart steuern, daß sie ihnen eine nahezu unendlich große Ausgangsimpedanz verleihen, und eine Motorsteuerspannung und ein Signalinverter zum Invertieren der Motorsteuerspannung werden mit einer Vielzahl von Umschalteinrichtungen, die mit der Eingangsschaltung jedes der linearen Verstärker zum Zuführen der Motorsteuerspannung und einer in der Phase invertierten Motorsteuerspannung selektiv zu jedem der li­ nearen Verstär­ ker verbunden ist, benutzt. Ein Schaltimpulsgenerator für die Umschalteinrichtungen erzeugt Schaltimpulse auf der Grundlage der Drehimpulsfolge, die den Umschalteinrichtun­ gen zugeführt werden.

In der Zeichnung beziehen sich die Fig. 1-4 auf eine Motorsteuerung nach dem Stand der Technik. Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiele gemäß der Fig. 5-8 erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Motorsteuerschaltung nach dem Stand der Technik.

Fig. 2A-2D zeigen Signale zur Erklärung der Schal­ tung gemäß Fig. 1.

Fig. 3A u. Fig. 3B zeigen schematische Schaltungsdarstel­ lungen zur Erklärung der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine Modifikation der schematischen Schal­ tungsdarstellung.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung in einer schematischen Darstellungsart.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für einen linearen Verstärker, wie er in Fig. 5 dargestellt ist.

Fig. 7A-7C zeigen Impuls/Zeit-Diagramme zur Erklärung der Erfindung.

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Verbindun­ gen der Statorwicklungen L1 u. L2 mit Verstärkern A1 u. A2.

Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Gleichstrommotor-Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, worin ein bürstenloser Gleichstrommotor Stator­ wicklungen L1, L2 u. L3, einen Rotor Rt und Positionsdetek­ toren H1, H2 u. H3 des Typs, wie er zuvor beschrieben wur­ de, hat. Drei lineare Verstärker A1, A2 u. A3 liefern Aus­ gangsimpulse an die Statorwicklungen L1, L2 bzw. L3, wie dies in der Figur gezeigt ist. Eine Antriebsgleichspannung Vr wird den Verstärkern A1, A2 u. A3 aus einer Stromversor­ gungsschaltung 4 zugeführt. Die Antriebsgleichspannung Vr wird in halbe Spannungswerte durch Widerstände R1 u. R2 geteilt, die zwischen den Ausgang der Stromversorgungsschal­ tung 4 und Erde gelegt sind, wobei die nichtinvertierenden Eingänge der Verstärker A1, A2 u. A3 mit dem Verbindungs­ punkt zwischen diesen Widerständen, wie gezeigt, verbunden sind.

Desweiteren sind Eingangswiderstände R3, R5 u. R7 vorgese­ hen, deren eine Seite jeweils mit einem invertierenden Ein­ gang der Verstärker A1, A2 u. A3, wie in Fig. 5 gezeigt, verbunden ist. Die Widerstände R1, R2 sind so ausgewählt, daß sie einen Spannungswert von an den Ausgängen der Verstärker A1, A2 u. A3 erzeugen, wenn die Spannung Vm=0 ist.

Die Verstärker A1-A3 haben Steuereingänge zum Steuern der Ausgangsimpedanz, so daß sie auf einem sehr hohen Wert lie­ gen. Steuerimpulse OP1, OP2 u. OP3 werden jeweils den Steu­ ereingängen der Verstärker A1-A3 aus einem Antriebsimpuls­ generator 1 zugeführt.

Die zweiten Seiten der Eingangswiderstände R3, R5 u. R7 sind mit Umschalteinrichtungen S1, S2 u. S3 verbunden, die jeweils beispielsweise aus CMOS-Transistoren bestehen. Wie in Fig. 5 gezeigt, hat jede der Umschalteinrichtungen einen beweglichen Kontakt, der einen von drei feststehenden Kon­ takten auswählen kann. Die beweglichen Kontakte g, h u. i werden in Abhängigkeit von Schaltimpulsen aus dem Antriebs­ impulsgenerator 1 umgeschaltet.

Eine Motorsteuerspannung Vm wird einer Stromquellenan­ schlußklemme 2 zugeführt und an feststehende Kontakte a, c u. e der Umschalteinrichtungen S1, S2 u. S3 gelegt. Die Motorsteuerspannung Vm wird ebenfalls an einen Inverter 5 zur Erzeugung einer invertierten Motorsteuerspannung -Vm gelegt.

Die auf diese Weise erzeugte invertierte Motorsteuerspan­ nung -Vm wird feststehenden Kontakten b, d u. f der Um­ schalteinrichtungen S1, S2 u. S3 zugeführt. Die verblei­ benden feststehenden Kontakte jeder der Umschalteinrichtun­ gen bilden einen offenen Stromkreis, wie dies gezeigt ist.

Die Stromversorgungsschaltung 4 wird durch eine Steuerspan­ nung aus einem Addierer 6 geregelt, der eine Offset-Vorspan­ nung an einer Anschlußklemme 7 aufnimmt. Die Stromversor­ gungsschaltung 4 nimmt ebenfalls ein Paar von Motorsteuer­ spannungs-Potentialen Vm u. -Vm auf, die über Dioden 8a u. 8b zugeführt werden.

Die Stromversorgungsschaltung 4, die wie beschrieben ange­ ordnet ist, kann eine minimale Betriebsspannung an die Ver­ stärker A1-A3 abgeben, um so einen unerwünschten Lei­ stungsverlust zu reduzieren.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für den Aufbau der Verstärker A1, A2 u. A3, worin ein Operationsverstärker 9, der einen positiven und einen negativen Eingang hat, die Eingangsstu­ fe des linearen Verstärkers A bildet. Die Basiselektrode eines Transistors 10 ist mit dem Ausgang des Operationsver­ stärkers 9 verbunden. Die Emitter- und Kollektorelektroden des Transistors 10 sind mit einem PNP-Treibertransistor 11 bzw. einem NPN-Treibertransistor 12 verbunden, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Der Verbindungspunkt der Kollektoren der Transistoren 11 u. 12 ist gemeinsam mit den Basiselek­ troden eines NPN-Ausgangstransistors 13 und eines PNP-Aus­ gangstransistors 14 verbunden.

Die Emitterelektrode des Treibertransistors 11 und die Kol­ lektorelektrode des Ausgangstransistors 13 sind mit der Antriebsgleichspannung Vr verbunden, die aus der Stromver­ sorgungsschaltung 4 zugeführt wird.

Ein elektrischer Schalter 18 ist zwischen eine negative Stromversorgungsklemme 17 und die Basiselektrode des Transi­ stors 10 gelegt. Die Betätigung des Schalters 18 wird durch den Steuerimpuls OP1 aus dem Antriebsimpulsgenerator 1 ge­ steuert.

In dem Verstärker A1 wird der Schalter 18, wenn der Pegel des Steuerimpulses OP1 hoch ist, geschlossen, so daß die Ausgangsimpedanz sehr hoch ist, so als ob es sich um einen offenen Stromkreis handelt.

Für diesen Fall wird die Umschalteinrichtung S1 dann, wenn der Pegel des Steuerimpulses hoch ist, so gesteuert, daß der bewegliche Kontakt g den offenen Anschluß auf Grund der Steuerung des Schaltimpulses aus dem Antriebsimpulsgenera­ tor auswählt.

Die Wirkungsweise der Gleichstrommotor-Steuerschaltung ge­ mäß der vorliegenden Erfindung wird nun an Hand von Fig. 7 erklärt. Fig. 7A zeigt die Ausgangssignale, die aus den Umschalteinrichtungen S1, S2 u. S3 gewonnen werden.

Es ist ersichtlich die Umschalteinrichtung S1 den festste­ henden Kontakt a über einen Drehwinkelbereich von 0-120° des Rotors Rt und den feststehenden Kontakt über einen Dreh­ winkelbereich von 180° bis 300° anschaltet. Zu anderen Zeit­ intervallen schaltet die Umschalteinrichtung S1 den offenen Kontakt zwischen a und b an.

Fig. 7B einen Satz von Steuerimpulsen OP1, OP2 u. OP3, die den Verstärkern A1, A2 bzw. A3 zugeführt werden.

In dem Fall, in dem der Rotor Rt im Uhrzeigersinn gedreht wird, werden Klemmenspannungen V1, V2 u. V3, die in Fig. 7C gezeigt sind, den Statorwicklungen L1, L2 bzw. L3 zuge­ führt. Die Polaritäten und Amplituden dieser Klemmenspannun­ gen V1, V2 u. V3 hängen von der Polarität und der Amplitude der Motorsteuerspannung Vm ab.

Aus Fig. 7A-7C ist ersichtlich, daß sich stets einer der linearen Verstärker A1, A2 u. A3 in seinem Schaltzu­ stand "AUS" befindet. Wenn sich z. B. der Verstärker A3 in seinem Schaltzustand "AUS" befindet, wird die entsprechende Ersatzschaltung derart, daß die Statorwicklungen L1 u. L2 zwischen die linearen Verstärker A1 u. A2, wie in Fig. 8 gezeigt, geschaltet sind.

In diesem Zeitintervall ist die Motorantriebsspannung Vd gleich dem absoluten Wert von V_A-V_B, wobei V_A=kVm + Vr und V_B=kVm + Vr ist, die den in Reihe geschalteten Statorwick­ lungen L1 u. L2 des Motors zugeführt werden. Die Größe k ist ein Verstärkungsfaktor für die linearen Verstärker A1 u. A2.

Die Motorantriebsspannung Vd wird zu 2 kVm, und die Richtung des Drehmoments und die Stärke des Drehmoments hängen von der Amplitude und der Polarität der Motorsteuerspannung Vm ab. Die Steuerung kann gleichförmig sogar nahe der Drehzahl Null des Rotors Rt durchgeführt werden.

Claims (5)

1. Steuerschaltung für eine dreiphasige elektrische Maschine, die in Stern geschaltete Statorwicklungen und einen ein Gleichfeld aufbauenden Rotor aufweist, mit linearen Verstärkern, die jeweils mit je einer der Statorwicklungen verbunden sind, mit einem die Rotorstellung erfassenden Drehstellungsgeber, wobei entsprechend einer vorgebbaren Motorsteuerspannung die Ausgangspotentiale der Verstärker so geändert werden, daß die über den Wicklungen anstehende Spannung nach Richtung und Amplitude einstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Antriebsimpulsgenerator (1) aus den Signalen des Drehstellungsgebers (Rt, H₁, H₂, H₃) je Phase und je 360° el eine erste Rechteckimpulsfolge mit Impulsen von 120° el (a, c, e) und eine zweite gegenüber der ersten um 180° el versetzte Rechteckimpulsfolge mit Impulsen von 120° el (b, d, f) und eine dritte Rechteckimpulsfolge (OP₁, OP₂, OP₃) von 60° el mit Impulsen zwischen den Impulsen der ersten und der zweiten Rechteckimpulsfolge erzeugt werden, daß ein Inverter (5) zum Erzeugen einer invertierten Motorsteuerspannung (-Vm) aus der Motorsteuerspannung (Vm) vorgesehen ist,
daß in einer Umschalteinrichtung (S₁, S₂, S₃) je Phase mit drei Stellungen jeweils in der ersten Stellung die Motorsteuerspannung (Vm) während der Dauer der Impulse der ersten Impulsfolge (a, c, e) und in der zweiten Stellung die invertierte Motorsteuerspannung (-Vm) während der Dauer der Impulse der zweiten Impulsfolge (b, d, f) an den einen Eingang (-) des Verstärkers (A₁, A₂, A₃) geschaltet wird, daß während der Dauer der Impulse der dritten Impulsfolge die dritte Stellung einen offenen Stromkreis darstellt und dann der jeweilige Verstärker (A₁, A₂, A₃) derart angesteuert wird, daß er eine nahezu unendliche Ausgangsimpedanz hat und daß den Verstärkern (A₁, A₃, A₄) ein Vorspannungspotential (Vr, R₁, R₂) zugeführt wird.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einstellbare Stromversorgungsschaltung (4) zum Zuführen einer Treiberspannung und eines Vorspannungspotentials zu den Verstärkern (A₁, A₂, A₃) proportional zu der Motorsteuerspannung (Vm) vorgesehen ist.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstellungsgeber zumindest einen Hall-Detektor enthält.

4. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker (A₁, A₂, A₃) aus einem Operationsverstärker (9) und einem ihm folgenden Leistungsverstärker mit Transistoren in Gegentaktschaltung (Komplementärer Emitterfolger 13, 14) aufgebaut sind, daß der eine Eingang (-) des Operationsverstärkers (9) mit dem Ausgang der Umschalteinrichtung (S₁, S₂, S₃) verbunden ist, daß am anderen Eingang (+) des Operationsverstärkers (9) das Vorspannungspotential (Vr, R₁, R₂) angelegt ist und daß eine von der dritten Impulsfolge gesteuerte Schalteinrichtung (18) am Eingang des Leistungsverstärkers (13, 14) vorgesehen ist.

5. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsteiler vorgesehen ist, der mit dem Ausgang der Stromversorgungsschaltung (4) verbunden ist und das Vorspannungspotential an die Verstärker (A₁, A₂, A₃) liefert.