CH669696A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen getakteten 4-Quadranten-Ser-vo-Verstärker zur Stromregelung für den Betrieb eines Gleichstrommotors, insbesondere eines kollektorlosen Gleichstrommotors.

Getaktete Verstärker, insbesondere wenn sie mit sogenannten Darlington-Endtransistoren ausgestattet sind, bereiten Schwierigkeiten, wenn man den Gesamtstrom-Istwert kontinuierlich erfassen will, wie es für den sogenannten 4-Quadranten-Stromreglerbetrieb nötig ist. An einem ausserhalb der Endstufe liegenden Strommesswiderstand kann man nur während der Einschaltphase der Endtransistoren die exakte Stromgrösse entnehmen. Während der Ausschaltphase der Endtransistoren ist der Strom durch diesen Widerstand praktisch null, da während dieser Zeit der in der Induktivität des Motors gespeicherte Strom durch die internen Freilaufdioden der Endtransistoren fliesst. Ausserdem ist an dieser Stelle die Impulshöhe nur ein Mass für den Betrag des Stromes.

Für einen qualitativ weniger anspruchsvollen 1-Quadranten-Stromregler kann man den in eine pulsierende Spannung umgesetzten Strom über ein RC-Glied glätten und ihn als «Strom-Ist-wert» für den Stromregler benutzen. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, dass man nur so etwas Ähnliches wie den Mittelwert des Stromes als Istwert erhält. Dadurch entspricht der wirkliche Strom nicht dem gewünschten. Ausserdem wird auf diese Weise nur der Betrag des «Stromes» gewonnen, so dass es unmöglich ist, einen 4-Quadrantenregler aufzubauen.

Ein weiteres Verfahren, den Strom zu erfassen, besteht darin, dass man bei einer H-Brücke in jedem Brückenzweig einen Strommesswiderstand einsetzt und die beiden pulsierenden Spannungen jeweils auf den invertierenden und nichtinvertie-renden Eingang eines Operationsverstärkers gibt. Am Ausgang des Operationsverstärkers steht dann eine dem Motorstrom proportionale Spannung zur Verfügung. Nachteilig ist jedoch

1. beide Brücken-Diagonalen müssen immer abwechselnd geschaltet werden.

2. Soll keine Spannung am Motor liegen, muss das Tastverhältnis 1:1 sein.

3. Diese Stromerfassung kann nur bei Kollektormotor-Ser-vor-Verstärkern eingesetzt werden, die sich mit einer H-Brücke aufbauen lassen. Bei kollektorlosen Motoren dagegen muss man Mehr-Phasen-Endverstärker verwenden, bei denen diese Art der Stromerfassung nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden. Die Lösung der Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben.

Der Vorteil der neuen Lösung für einen Endverstärker, dessen Leistungstransistoren durch jeweils ein «EIN-Signal», das einem Betrag der Stellengrösse entspricht, und ein «Plus/Minus-Signal», das dem Vorzeichen der Stellgrösse entspricht, angesteuert werden, besteht darin, dass eine Baugruppe geschaffen wird, die aus dem impulsförmigen Endstufenstrom eine dem Motorstrom nach Betrag und Polarität proportionale Spannung ermittelt, die als Istwert für einen qualitativ hochwertigen 4-Quadranten-Stromregler verwendet werden kann.

Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es zeigen.

Fig. 1 ein Blockschaltbild für den 4-Quadranten-Servo-Ver-stärker,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Stromregelverstärkeranordnung der Fig. 1, die aus einem Stromregelverstärker, einem Analog-Digital-Wandler und einem Motorstrommessgerät besteht.

Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild gemäss Fig. 2 und

Fig. 4 eine im einzelnen ausgeführte Schaltung gemäss Fig. 3, während

Fig. 5 und 5a die konkrete Ausgestaltung des H-Schaltungs-teils der Fig. 1 (4Quadranten-3Phasen-Endstufen in H-Schaltung) zeigt und eine Doppel-H-Schaltung gestrichelt andeutet.

Die im folgenden verwendeten Ziffern gelten für alle Figuren und werden jeweils für gleichwirkende Teile verwendet. Die eckig umrahmten Ziffern bezeichnen Schaltungsverbindungs-punkte, z.T. zwischen verschiedenen Figuren liegende.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

669 696

Die positiven stromproportionalen Spannungsimpulse werden zunächst mit einem invertierenden Operationsverstärker 22 verstärkt. Das Ausgangssignal wird gleichzeitig über einen zweiten Operationsverstärker 23 invertiert. Diese beiden einander komplementären Signale können wahlweise über Analogschalter 24, 25 an einen Speicherkondensator 29 gelegt werden. Je ein Schalter 24, 25 wird solange geschlossen, wie eine Gruppe der Endtransistoren 41 (Fig. 5) in der H-Brücke der 4-Quadranten-3Phasen-Endstufen-Schaltung 16 (Fig. 1) eingeschaltet ist. Eine solche Gruppe wird aus den in diagonal einander gegenüberliegenden Zweigen der H-Brücke angeordneten Endtransistoren gebildet.

Die Auswahl einer der beiden Schalter geschieht durch die vorgegebene Polarität der Leitung 28 für die Endstufe.

Durch diese Verstärker-Schalter-Kombination 22, 23, 24, 25, 29, in der Strommesseinrichtung 17 wird die Aufspaltung der Endstufensteuersignale nach Betrag und Richtung wieder rückgängig gemacht, so dass am Speicherkondensator 29 eine Spannung zur Verfügung steht, die dem wirklichen drehmomenterzeugenden Strom nach Richtung und Grösse im kollektorlosen Motor entspricht.

Eine weitere wichtige Baugruppe innerhalb des 4-Quadranten-Servo-Verstärkers 11 (Fig. 2 und 3) ist der Schaltungsteil 19, der der Analog-Digital-Umwandlung dient. Insbesondere wird hier das Fehlersignal (Schaltungspunkt 50) nach Betrag (Leitung 33) und Richtung (Leitung 28) aufgespalten. Dieser Schaltungsteil besteht im wesentlichen aus einem Oszillator 53 mit einem nachgeschalteten «Teiler-durch-zwei», zwei Komparatoren 60, 67 (Fig. 4) zur Erzeugung zweier pulsbreiten-modulierter Signale zur Gewinnung des pulsbreiten-modulierten Fehlersignals auf Leitung 33 und einer Komparator-Flip-Flop-Anordnung 65, 85, 86 zur Erzeugung eines mit dem Oszillator synchronen Richtungssignals der Fehlergrösse auf Leitung 28.

Einzelne Funktionsangaben der Schaltelemente sind den Figuren 1 - 5a entnehmbar. Darauf wird ausdrücklich Bezug genommen. So erläutern die Angaben an Schaltungsteilen, wie auch Stromimpulsformen an wesentlichen Schaltungspunkten die Wirkungsweise der Erfindung. Auch hierauf wird ausdrücklich Bezug genommen.

Nachfolgend werden die Figuren 1 - 5a im Detail erläutert.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist ein kollektorloser Dreiphasengleichstrommotor 10 dargestellt, dessen Wicklungen aus einem Vierquadranten-Servoverstärker 11 mit Strom beaufschlagt werden. Dem Servoverstärker 11 ist ein als PI-Regler ausgelegter Regelverstärker 12 vorgeschaltet. Die Drehstellung des Rotors des Motors 10 wird von einem Zweiphasen-Ana-log-Winkelschrittgeber 13 erfasst, der über einen Winkel/Geschwindigkeits-Umformer 14 den Regelverstärker 12 ansteuert. Der Servoverstärker 11 besteht aus zwei Hauptbaugruppen, und zwar einem Vierquadranten-Stromregel Verstärker 15 und einer Vierquadranten-Dreiphasen-Endstufe 16. Die Endstufe 16 ist als H-Brückenschaltung ausgelegt und stellt die Energieversorgung für den Motor 10 bereit.

Der Vierquadranten-Stromregelverstärker 15 weist, wie aus Fig. 2 hervorgeht, einen Motorstrom-Messverstärker 17, einen als PI-Regler ausgelegten Stromregelverstärker 18 und einen Analog/Digital-Wandler in Form eines Impulsbreitenmodulators 19 auf. Der Messverstärker 17 gewinnt aus dem zerhackten Motor-Iststrom einen analogen, vorzeichenrichtigen Strom-Istwert zurück. Der Stromregelverstärker 18 vergleicht den zurückgeführten Strom-Istwert mit einem von dem Lage-Ge-schwindigkeits-Regelverstärker 12 kommenden Strom-Sollwert und gibt ein entsprechendes Differenzsignal auf den Impulsbreitenmodulator 19. Der Modulator 19 bereitet aus dem analogen Differenzsignal zwei digitale Signale zur Steuerung der Endstufe 16 auf.

Fig. 3 lässt weitere Einzelheiten des Vierquadranten-Stromregelverstärkers 15 entsprechend einer ersten Ausführungsform erkennen. Der MessVerstärker 17, der aus dem über eine Leitung 43 einlaufenden pulsierenden, amplitudenmodulierten Messsignal des Motorstroms einen analogen, Vorzeichen- und grössenrichtigen Motor-Iststromwert zurückgewinnt, weist einen Verstärker 22 auf, der das Strombetragssignal des Motors zunächst verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 22 geht einem Inverter 23 zu, der einen Verstärkungsfaktor von -1 hat. Zum anderen wird das Ausgangssignal des Verstärkers 22 auf einen elektronischen Schalter 24 gelegt. Das Ausgangssignal des Inverters 23 geht an einen elektronischen Schalter 25. Die beiden Schalter 24, 25 werden im Betrieb über Steuerleitungen 26, 27 abwechselnd in der Weise aktiviert, dass immer dann, wenn die Endstufe 16 eingeschaltet ist, einer der beiden Schalter entsprechend einem über eine Leitung 28 laufenden Vorzeichensignal der Endstufe aktiviert ist. Auf diese Weise entsteht an einem Speicherkondensator 29 ein dem wahren Motorstrom proportionaler, Vorzeichen- und betragsrichtiger Motorstrom-Istwert. Zur Aufbereitung der Signale auf den Steuerleitungen 26, 27 dient eine Logikschaltung, die aus einem Inverter 30 und zwei UND-Gliedern 31, 32 besteht. Die Logikschaltung 30, 31 32 verwertet die über eine Leitung 33 vom Impulsbreitenmodulator 19 kommenden, den Betrag des Motorstroms bestimmenden Signale und die über die Leitung 28 vom Impulsbreitenmodulator 19 angelieferten, der Richtung des Motorstroms entsprechenden Signale derart zu zwei getakteten Signalen für die Schalter 24, 25, dass das dem wahren Motorstrom proportionale Stromsignal auf einer Leitung 34 erzeugt wird.

Zum Verständnis der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung sei auf die Figuren 4, 5 und 5a Bezug genommen. Dort ist ein Strommesswiderstand 35 veranschaulicht, an dem im Betrieb des Motors eine rechteckförmige Spannung abfällt, wobei das obere Dach der einzelnen Rechtecksignale leicht abgeschrägt ist, wie dies im rechten unteren Teil der Fig. 4 angedeutet ist. Die Amplitude dieses zerhackten Signals ist proportional dem in den Wicklungen 92, 93, 94 des Motors 10 fliessenden Strom. In den Lücken zwischen den am Strommesswiderstand 35 abfallenden Iststrom-Signalen fliesst im Motor gleichfalls ein Strom, der aber vom Messwiderstand 35 nicht erfasst wird, weil er über Freilaufdioden 39, 40 (Fig. 5) geht, die in Darlington-Endstufentransistorgruppen 41, 42 integriert sind. Das an dem Messwiderstand 35 auftretende, zerhackte Signal, dessen Amplitude proportional dem Motorstrom ist, lässt nicht die Richtung des Stroms im Motor erkennen. Für einen Vierquadrantenregler ist aber ein in der Phase und in der Grösse richtiges Stromsignal erforderlich. Der Rückgewinnung dieses Signals dient der Messverstärker 17. Das am Messwiderstand 35 abfallende, über die Leitung 43 laufende Signal wird über den Verstärker 22, den Inverter 23 sowie die Schalter 24, 25 auf den Kondensator 29 geschaltet. Das Ausgangssignal des Kondensators 29 übernimmt dabei zunächst die Dachschräge der Rechteckimpulse auf der Leitung 43. Wenn der betreffende Schalter 24 oder 25 wieder öffnet, erfolgt eine Teilentladung des Kondensators 29 über nicht veranschaulichte Entladewiderstände, so dass ein dreieckförmiges Iststrom-Signal entsteht.

Dieses Signal entspricht dem wahren Motor-Iststrom, der tatsächlich ebenfalls mehr oder minder dreieckförmig ist. Wenn der Motor 10 in der entgegengesetzten Richtung läuft, was durch das Richtungs- oder Vorzeichensignal auf der Leitung 28 kenntlich ist, springt die Polarität des Signals auf der Leitung 34 um.

Der dem wahren Motorstrom proportionale, vorzeichen-und betragsrichtige Istwert auf der Leitung 34 wird an einer Vergleichsstelle 45 mit dem vom Regelverstärker 12 kommenden, über eine Leitung 46 laufenden Strom-Sollwert verglichen. Die Differenz zwischen Soll- und Istwert wird über den Stromregelverstärker 18 verstärkt. Dieser Verstärker besteht gemäss Fig. 4 aus einem Operationsverstärker 47 und einem für das ge5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

669 696

4

wünschte Proportional/Integral-Verhalten sorgenden Rückkopplungsglied 48. Das auf eine Leitung 50 gehende analoge Ausgangssignal des Stromregelverstärkers 18 wird in einer Analog/Digital-Wandlerstufe 51 mit einem Dreiecksignal verglichen und dann über Schwellwertschalter zerhackt, wobei nur der Betrag des Signals interessiert. Die Polarität des Ausgangssignals auf der Leitung 50 wird über einen Schmitt-Trigger 52 festgestellt. Die Baugruppen 51, 52 werden durch einen Oszillator 53 mit einem Tastverhältnis von 1:1 angesteuert. Das getaktete Signal auf der Leitung 33 gibt damit vor, welchen Betrag der in dem Motor 10 fliessende Strom haben soll, während das Signal auf der Leitung 28 bestimmt, in welcher Richtung dieser Strom fliessen soll. Der Oszillator 53 erzeugt Sägezahnsignale f und f, die um genau 180° gegeneinander phasenverschoben sind und ein Tastverhältnis von 1:1 haben. Die Signale f und f werden über Leitungen 54, 55 an die Wandlerstufe 51 angelegt. Der Oszillator 53 synchronisiert ferner mit einem über eine Leitung 56 gehenden Signal 2f den Schmitt-Trigger 52, um unkontrollierte Schwingungen auszuschliessen, wenn die Ausgangsspannung zu Null wird. Eine Drehrichtungsumkehr kann infolgedessen nur in Synchronismus mit dem Takt stattfinden.

Fig. 4 zeigt Einzelheiten der in Fig. 3 veranschaulichten Baugruppen des Vierquadranten-Stromregelverstärkers 15. Das von der Leitung 34 kommende Ausgangssignal des als Iststrom-Rückgewinnungseinrichtung wirkenden MessVerstärkers 17 wird über Widerstände 58, 59 mit dem externen Steuersignal auf der Leitung 46 verglichen. Das Differenzsignal wird mittels des Operationsverstärkers 47 auf proportional/integralwirkende Art verstärkt. Für diesen Zweck weist das Rückkopplungsglied 48 des Verstärkers 47 einen Widerstand 60 und Kondensatoren 61, 62 auf. Dioden 63 sind vorgesehen, um das Ausgangssignal zu begrenzen. Die Dioden 63 verhindern eine Ubersteuerung des Verstärkers 47. Der Eingang des Operationsverstärkers 47 übernimmt dabei die Funktion der Vergleichsstelle 45 in Fig. 3. Das am Ausgang 64 des Operationsverstärkers 47 auftretende Signal wird über die Leitung 50 an Schwellwertschalter 65, 66 und 67 angelegt. Der Schwellwertschalter 65 dient dem Ermitteln des Vorzeichens des Signals am Ausgang 64; d.h. der Schwellwertschalter 65 vergleicht dieses Signal mit dem Null-Pegel, um festzustellen, ob das Signal über oder unter dem Null-Pegel liegt, also positiv oder negativ ist. Das Signal am Ausgang 64 geht dem invertierenden Eingang 68 des Schwellwertschalters 66 und dem nichtinvertierenden Eingang 69 des Schwellwertschalters 67 zu. Gleichzeitig werden an den jeweils anderen Eingang 70, 71 der Schwellwertschalter 66, 67 Dreiecksignale über Leitungen 72, 73 angelegt. Diese Dreiecksignale werden von dem Oszillator 53 erzeugt, der eine selbstschwingende Oszillatorstufe 74 aufweist. Weil aufgrund von Bauteile-Toleranzen das am Ausgang 75 der Oszillatorstufe 74 auftretende Signal in der Regel nicht ganz symmetrisch ist, für die Aussteuerung der Schwell-5 wertschalter 66, 67 aber eine symmetrische Dreieckspannung benötigt wird, erfolgt mittels eines Flipflops 76 eine Teilung des Signals am Ausgang 75 durch zwei. Auf diese Weise werden an den Ausgängen 77, 78 des Flipflops 76 zwei exakt symmetrische Ausgangssignale erhalten. Diese Ausgangssignale laufen über io einen Tiefpass 79 bzw. 80, wodurch die rechteckförmigen Signale an den Ausgängen 77, 78 in annähernd sägezahnförmige Spannungen auf den Leitungen 72, 73 umgewandelt werden. Dabei stellt sich der Nullpunkt der sägezahnförmigen Spannungen immer in die Mitte ein, weil das Flipflop 76 stets exakt von 15 Null nach positiven Werten bis zur Bezugsspannung und wieder zurück schwingt. Die Dreiecksignale auf den Leitungen 72, 73 werden in den Schwellwertschaltern 66, 67 mit dem Signal am Ausgang 64 des Operationsverstärkers 47 verglichen, wodurch an den Ausgängen 81, 82 der Schwellwertschalter 66, 67 zwei 20 komplementäre Ausgangssignale in Form von positiv gerichteten Impulsen erhalten werden. Diese Signale werden über eine exklusive ODER-Schaltung 84 gemischt, um das Ausgangssignal auf der Leitung 33 zu bilden. Das die Form von positiven Stromimpulsen aufweisende Signal auf der Leitung 33 bestimmt 25 den Betrag des Motorstroms, wobei der Flächeninhalt, d.h. die mittlere Fläche, der Stromimpulse dem Betrag des Fehlersignals am Ausgang 64 des Operationsverstärkers 47 entspricht.

Das Ausgangssignal des Schwellwertschalter 65 auf einer Leitung 85, welches das Vorzeichen des Signals am Ausgang 64 30 beinhaltet, wird über ein Flipflop 86 mit dem von der Oszillatorstufe 74 vorgegebenen Takt synchronisiert, um auch bei sehr kleinem Steuersignal Schwingungserscheinungen zu vermeiden. Das Flipflop 86 bildet dabei zugleich den Inverter 30 der Fig. 3.

35 Die Endstufe 16 der Fig. 1 weist entsprechend Fig. 5 und 5a drei Halbbrücken 89, 90 und 91 auf. Letztere stehen mit den drei Wicklungssträngen 92, 93 und 94 des Motors 10 in Verbindung. Dem Rotor des Motors 10 ist der Analog-Winkelschritt-geber 13 (Fig. 1) zugeordnet, der eine Drehstellungsdetektor-40 gruppe aufweist, bei der es sich vorzugsweise um drei in den Motor integrierte Hallgeneratoren oder Hall-ICs handeln kann. Die über die Leitungen 28 und 33 einlaufenden Signale wurden in Abhängigkeit von den Drehstellungsdetektor-Ausgangssigna-len auf den Leitungen 97, 98, 99 (Fig. 1) so auf die Halb-45 brücken 89, 90, 91 verteilt, dass sich der Motor 10 in der gewünschten Richtung dreht.

v

6 Blätter Zeichnungen

Claims (13)

1. 669 696

   2

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Getakteter Vierquadranten-ServoVerstärker zur Stromregelung für den Betrieb eines Gleichstrommotors, insbesondere eines kollektorlosen Gleichstrommotors, gekennzeichnet durch eine Endstufe (16) mit in H-Schaltung angeordneten Endstufentransistoren (41, 42), einen analogen Regelverstärker (18) mit nachgeschaltetem Analog/Digital-Wandler (19) und eine den Regelverstärker (18) mit einem Iststromsignal beaufschlagende Einrichtung (17) zur Messung des Motorstroms.
2. 2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog/Digital-Wandler (19) als Impulsbreitenmodulator ausgelegt ist.
3. 3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorstrom-Messeinrichtung (17) mit einer Schaltungsstufe (23, 24, 25, 29) zur Umformung eines den Betrag des Motor-Iststroms darstellenden impulsförmigen Signals in ein dem Motorstrom nach Grösse und Richtung entsprechendes Signal versehen ist.
4. 4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsstufe (23, 24, 25, 29) ein Speicherglied (29) aufweist, das über Schalter (24, 25) in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Motors (10) mit einem dem Betrag des Motor-Iststroms entsprechenden Signal unmittelbar oder nach Invertieren dieses Signals beaufschlagbar ist.
5. 5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (24, 25) in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des Impulsbreitenmodulators (19) betätigt sind.
6. 6. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelverstärker (18) als PI-Regelverstärker ausgelegt ist.
7. 7. Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsbreitenmodulator (19) einen Dreiecksignalgenerator (74, 76; 103) aufweist.
8. 8. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog/Digital-Wandler (19) mit einer Richtungserkennungsschaltung (52; 105, 106) ausgestattet ist.
9. 9. Verstärker nach Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungserkennungsschaltung (52; 105, 106) mit dem Dreiecksignalgenerator (74, 76; 103) synchronisiert ist.
10. 10. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstufe (16) einen Decoder (88) aufweist, der mit den Ausgangssignalen des Analog/Digi-tal-Wandlers (19) und den Ausgangssignalen eines Drehstellungsencoders (13) beaufschlagt ist und mittels dessen die Ausgangssignale des Analog/Digital-Wandlers drehstellungsabhän-gig auf drei nachgeschaltete Halbbrucken (89, 90, 91) verteilbar sind.
11. 11. Verstärker nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungserkennungsschaltung mit einem Hilfsoszillator (53) synchronisiert ist.
12. 12. Verstärker nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsoszillator die Richtungserkennungsschaltung und einen Pulsbreitenmodulator gleichzeitig steuert.
13. 13. Verfahren zum Betrieb eines Verstärkers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der an der Einrichtung zur Messung des Motorstromes (17) entnehmbare pulsförmige Betrag des Motorstromes durch eine zusätzliche Einrichtung (23, 24, 25, 29) in eine den Motorstrom nach Grösse und Richtung entsprechende Grösse umgeformt wird.