CH669696A5

CH669696A5 -

Info

Publication number: CH669696A5
Application number: CH425381A
Authority: CH
Inventors: Der Heide Johann Von
Original assignee: Papst Motoren Kg
Priority date: 1981-06-29
Filing date: 1981-06-29
Publication date: 1989-03-31
Also published as: DE3224242A1; DE3224242B4

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen getakteten 4-Quadranten-Ser-vo-Verstärker zur Stromregelung für den Betrieb eines Gleichstrommotors, insbesondere eines kollektorlosen Gleichstrommotors. DESCRIPTION The invention relates to a clocked 4-quadrant servo amplifier for current regulation for the operation of a direct current motor, in particular a collectorless direct current motor.

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. Clocked amplifiers, especially if they are equipped with so-called Darlington end transistors, cause difficulties if one wants to continuously record the total current actual value, as is necessary for the so-called 4-quadrant current regulator operation. The exact current magnitude can only be taken from a current measuring resistor located outside the output stage during the switch-on phase of the output transistors. During the switch-off phase of the end transistors, the current through this resistor is practically zero, since during this time the current stored in the inductance of the motor flows through the internal free-wheeling diodes of the end transistors. In addition, the pulse height is only a measure of the amount of current at this point.

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. For a qualitatively less demanding 1-quadrant current controller, the current converted into a pulsating voltage can be smoothed over an RC element and used as the “current actual value” for the current controller. However, this method has the disadvantage that only something similar to the mean value of the current is obtained as the actual value. As a result, the real current does not match the desired one. In addition, only the amount of "current" is obtained in this way, making it impossible to set up a 4-quadrant controller.

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 Another method of detecting the current is to use a current measuring resistor in each bridge branch in an H-bridge and to apply the two pulsating voltages to the inverting and non-inverting input of an operational amplifier. A voltage proportional to the motor current is then available at the output of the operational amplifier. However, it is disadvantageous

1. beide Brücken-Diagonalen müssen immer abwechselnd geschaltet werden. 1. Both bridge diagonals must always be switched alternately.

2. Soll keine Spannung am Motor liegen, muss das Tastverhältnis 1:1 sein. 2. If there is no voltage on the motor, the duty cycle must be 1: 1.

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. 3. This current detection can only be used with collector motor ser-pre-amplifiers that can be set up with an H-bridge. In the case of brushless motors, on the other hand, multi-phase power amplifiers must be used where this type of current detection is not possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden. Die Lösung der Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. The invention has for its object to avoid the disadvantages mentioned. The solution to the problem is specified in the characterizing part of patent claim 1.

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. The advantage of the new solution for a power amplifier, the power transistors of which are controlled by an "ON signal", which corresponds to an amount of the digit, and a "plus / minus signal", which corresponds to the sign of the manipulated variable, is that an assembly is created that determines a voltage proportional to the motor current in terms of magnitude and polarity from the pulse-shaped output stage current, which voltage can be used as an actual value for a high-quality 4-quadrant current regulator.

Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es zeigen. The figures show exemplary embodiments of the invention. Show it.

Fig. 1 ein Blockschaltbild für den 4-Quadranten-Servo-Ver-stärker, 1 is a block diagram for the 4-quadrant servo amplifier,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Stromregelverstärkeranordnung der Fig. 1, die aus einem Stromregelverstärker, einem Analog-Digital-Wandler und einem Motorstrommessgerät besteht. Fig. 2 is a block diagram of the current control amplifier arrangement of Fig. 1, which consists of a current control amplifier, an analog-to-digital converter and a motor current measuring device.

Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild gemäss Fig. 2 und FIG. 3 shows a basic circuit diagram according to FIGS. 2 and

Fig. 4 eine im einzelnen ausgeführte Schaltung gemäss Fig. 3, während Fig. 4 is a detailed circuit according to FIG. 3, while

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. 5 and 5a show the specific configuration of the H-circuit part of FIG. 1 (4-quadrant-3-phase output stages in an H-circuit) and indicate a double-H circuit with dashed lines.

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. The numbers used below apply to all figures and are used for parts with the same effect. The square-framed digits indicate circuit connection points, sometimes between different figures.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

669 696 669 696

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. The positive current-proportional voltage pulses are first amplified with an inverting operational amplifier 22. The output signal is inverted simultaneously via a second operational amplifier 23. These two mutually complementary signals can optionally be applied to a storage capacitor 29 via analog switches 24, 25. One switch 24, 25 is closed as long as a group of the end transistors 41 (FIG. 5) in the H-bridge of the 4-quadrant-3-phase output stage circuit 16 (FIG. 1) is switched on. Such a group is formed from the end transistors arranged in diagonally opposite branches of the H-bridge.

Die Auswahl einer der beiden Schalter geschieht durch die vorgegebene Polarität der Leitung 28 für die Endstufe. The selection of one of the two switches is made by the specified polarity of the line 28 for the output stage.

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. This amplifier / switch combination 22, 23, 24, 25, 29 in the current measuring device 17 reverses the splitting of the output stage control signals in terms of magnitude and direction, so that a voltage is available at the storage capacitor 29 which corresponds to the actual torque-generating current corresponds to the direction and size in the brushless motor.

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. Another important component within the 4-quadrant servo amplifier 11 (FIGS. 2 and 3) is the circuit part 19, which is used for the analog-digital conversion. In particular, the error signal (node 50) is split according to amount (line 33) and direction (line 28). This circuit section essentially consists of an oscillator 53 with a downstream “divider-by-two”, two comparators 60, 67 (FIG. 4) for generating two pulse-width-modulated signals for obtaining the pulse-width-modulated error signal on line 33 and a comparator -Flip-flop arrangement 65, 85, 86 for generating a direction signal of the magnitude of error on line 28 which is synchronous with the oscillator.

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. Individual functional details of the switching elements can be seen in FIGS. 1-5a. This is expressly referred to. Thus, the information on circuit parts, as well as current pulse shapes at essential circuit points, explain the mode of operation of the invention. This is also expressly referred to.

Nachfolgend werden die Figuren 1 - 5a im Detail erläutert. FIGS. 1-5a are explained in detail below.

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. In the arrangement according to FIG. 1, a three-phase DC motor 10 without a collector is shown, the windings of which are supplied with current from a four-quadrant servo amplifier 11. A control amplifier 12 designed as a PI controller is connected upstream of the servo amplifier 11. The rotational position of the rotor of the motor 10 is detected by a two-phase analog angle stepper 13, which controls the control amplifier 12 via an angle / speed converter 14. The servo amplifier 11 consists of two main assemblies, namely a four-quadrant current control amplifier 15 and a four-quadrant three-phase output stage 16. The output stage 16 is designed as an H-bridge circuit and provides the power supply for the motor 10.

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. As can be seen from FIG. 2, the four-quadrant current control amplifier 15 has a motor current measurement amplifier 17, a current control amplifier 18 designed as a PI controller and an analog / digital converter in the form of a pulse width modulator 19. The measuring amplifier 17 recovers an analog, signed current actual value from the chopped actual motor current. The current control amplifier 18 compares the current feedback value with a current setpoint value coming from the position-speed control amplifier 12 and outputs a corresponding difference signal to the pulse width modulator 19. The modulator 19 prepares two digital signals for controlling the output stage from the analog difference signal 16 on.

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. 3 reveals further details of the four-quadrant current control amplifier 15 according to a first embodiment. The measuring amplifier 17, which recovers an analog, signed and correct motor actual current value from the pulsing, amplitude-modulated measurement signal of the motor current arriving via a line 43, has an amplifier 22 which initially amplifies the current amount signal of the motor. The output signal of the amplifier 22 goes to an inverter 23, which has a gain factor of -1. On the other hand, the output signal of the amplifier 22 is placed on an electronic switch 24. The output signal of the inverter 23 goes to an electronic switch 25. The two switches 24, 25 are alternately activated during operation via control lines 26, 27 in such a way that whenever the output stage 16 is switched on, one of the two switches corresponds to one a line 28 current sign signal of the output stage is activated. In this way, an actual motor current value that is proportional to the true motor current and that is correct in terms of sign and amount is created on a storage capacitor 29. A logic circuit, which consists of an inverter 30 and two AND gates 31, 32, is used to process the signals on the control lines 26, 27. The logic circuit 30, 31 32 evaluates the signals coming from the pulse width modulator 19 via a line 33 and determining the magnitude of the motor current and the signals delivered via the line 28 from the pulse width modulator 19 and corresponding to the direction of the motor current in such a way as two clocked signals for the switches 24 25 that the current signal proportional to the true motor current is generated on a line 34.

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. To understand the mode of operation of the circuit arrangement, reference is made to FIGS. 4, 5 and 5a. A current measuring resistor 35 is illustrated there, on which a rectangular voltage drops during operation of the motor, the upper roof of the individual square-wave signals being slightly beveled, as is indicated in the lower right part of FIG. 4. The amplitude of this chopped signal is proportional to the current flowing in the windings 92, 93, 94 of the motor 10. A current also flows in the motor in the gaps between the actual current signals dropping at the current measuring resistor 35, but this current is not detected by the measuring resistor 35 because it goes via free-wheeling diodes 39, 40 (FIG. 5), which are in Darlington output stage transistor groups 41, 42 are integrated. The chopped signal occurring at the measuring resistor 35, the amplitude of which is proportional to the motor current, does not reveal the direction of the current in the motor. For a four-quadrant regulator, however, a correct current signal in terms of phase and size is required. The measuring amplifier 17 is used to recover this signal. The signal falling across the measuring resistor 35 and running via the line 43 is switched to the capacitor 29 via the amplifier 22, the inverter 23 and the switches 24, 25. The output signal of the capacitor 29 initially takes over the roof slope of the rectangular pulses on the line 43. When the switch 24 or 25 in question opens again, the capacitor 29 is partially discharged via discharge resistors (not shown), so that a triangular actual current signal is produced.

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. This signal corresponds to the true actual motor current, which is actually more or less triangular. When motor 10 is running in the opposite direction, as indicated by the direction or sign signal on line 28, the polarity of the signal on line 34 changes.

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 The actual value on line 34, which is proportional to the true motor current and has the correct sign and amount, is compared at a comparison point 45 with the current setpoint value coming from control amplifier 12 and running via line 46. The difference between the setpoint and actual value is amplified via the current control amplifier 18. 4, this amplifier consists of an operational amplifier 47 and one for the ge5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

669 696 669 696

4 4th

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. desired proportional / integral behavior feedback element 48. The analog output signal of the current control amplifier 18 going on a line 50 is compared in an analog / digital converter stage 51 with a triangular signal and then chopped via threshold switches, only the amount of the signal being of interest. The polarity of the output signal on line 50 is determined via a Schmitt trigger 52. The assemblies 51, 52 are controlled by an oscillator 53 with a pulse duty factor of 1: 1. The clocked signal on line 33 thus specifies what amount the current flowing in motor 10 should have, while the signal on line 28 determines in which direction this current should flow. The oscillator 53 generates sawtooth signals f and f, which are exactly 180 ° out of phase with one another and have a pulse duty factor of 1: 1. The signals f and f are applied to the converter stage 51 via lines 54, 55. The oscillator 53 also synchronizes the Schmitt trigger 52 with a signal 2f via a line 56 in order to exclude uncontrolled vibrations when the output voltage becomes zero. A reversal of the direction of rotation can therefore only take place in synchronism with the clock.

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. FIG. 4 shows details of the assemblies of the four-quadrant current control amplifier 15 illustrated in FIG. 3. The output signal coming from line 34 of the measurement amplifier 17 acting as an actual current recovery device is compared via resistors 58, 59 with the external control signal on line 46. The differential signal is amplified in a proportional / integrally acting manner by means of the operational amplifier 47. For this purpose, the feedback element 48 of the amplifier 47 has a resistor 60 and capacitors 61, 62. Diodes 63 are provided to limit the output signal. The diodes 63 prevent the amplifier 47 from being overdriven. The input of the operational amplifier 47 takes over the function of the comparison point 45 in FIG. 3. The signal occurring at the output 64 of the operational amplifier 47 is applied via line 50 to threshold switches 65, 66 and 67. The threshold switch 65 serves to determine the sign of the signal at the output 64; i.e. the threshold switch 65 compares this signal with the zero level in order to determine whether the signal is above or below the zero level, that is to say is positive or negative. The signal at the output 64 goes to the inverting input 68 of the threshold switch 66 and the non-inverting input 69 of the threshold switch 67. At the same time, triangular signals are applied to the other input 70, 71 of the threshold switches 66, 67 via lines 72, 73. These triangular signals are generated by the oscillator 53, which has a self-oscillating oscillator stage 74. Because, due to component tolerances, the signal appearing at the output 75 of the oscillator stage 74 is generally not entirely symmetrical, but a symmetrical triangular voltage is required for the control of the threshold 5 value switches 66, 67, a division of the signal takes place by means of a flip-flop 76 at exit 75 by two. In this way, two exactly symmetrical output signals are obtained at the outputs 77, 78 of the flip-flop 76. These output signals run via a low pass 79 or 80, as a result of which the rectangular signals at the outputs 77, 78 are converted into approximately sawtooth-shaped voltages on the lines 72, 73. The zero point of the sawtooth-shaped voltages is always set in the middle because the flip-flop 76 always swings exactly from 15 zero to positive values up to the reference voltage and back again. The triangular signals on the lines 72, 73 are compared in the threshold switches 66, 67 with the signal at the output 64 of the operational amplifier 47, whereby two 20 complementary output signals in the form of positively directed pulses are obtained at the outputs 81, 82 of the threshold switches 66, 67 . These signals are mixed via an exclusive OR circuit 84 to form the output signal on line 33. The signal in the form of positive current pulses on line 33 determines 25 the amount of motor current, the area, i.e. the average area, the current pulses the amount of the error signal at the output 64 of the operational amplifier 47 corresponds.

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. The output signal of the threshold switch 65 on a line 85, which contains the sign of the signal at the output 64 30, is synchronized via a flip-flop 86 with the clock specified by the oscillator stage 74, in order to avoid vibrations even with a very small control signal. The flip-flop 86 also forms the inverter 30 of 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. 35 The output stage 16 of FIG. 1 has three half bridges 89, 90 and 91 corresponding to FIGS. 5 and 5a. The latter are connected to the three winding phases 92, 93 and 94 of the motor 10. The rotor of the motor 10 is assigned the analog angle step sensor 13 (FIG. 1), which has a rotary position detector group, which can preferably be three Hall generators or Hall ICs integrated in the motor. The signals arriving via lines 28 and 33 were distributed on lines 97, 98, 99 (FIG. 1) onto half-45 bridges 89, 90, 91 in such a way that the motor spreads, depending on the position detector output signals 10 rotates in the desired direction.

v v

6 Blätter Zeichnungen 6 sheets of drawings

Claims

669 696

2nd

PATENT CLAIMS

1. Clocked four-quadrant servo amplifier for current control for the operation of a direct current motor, in particular a collectorless direct current motor, characterized by an output stage (16) with output stage transistors (41, 42) arranged in an H circuit, an analog control amplifier (18) with downstream analog / digital Converter (19) and a device (17) for measuring the motor current, which acts on the control amplifier (18) with an actual current signal.

2. Amplifier according to claim 1, characterized in that the analog / digital converter (19) is designed as a pulse width modulator.

3. Amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that the motor current measuring device (17) with a circuit stage (23, 24, 25, 29) for converting a pulse-shaped signal representing the amount of the actual motor current into a motor current according to size and direction corresponding signal is provided.

4. Amplifier according to claim 3, characterized in that the circuit stage (23, 24, 25, 29) has a memory element (29), the switch (24, 25) depending on the direction of rotation of the motor (10) with one Amount of the actual motor current corresponding signal can be applied immediately or after inverting this signal.

5. Amplifier according to claim 4, characterized in that the switches (24, 25) are actuated as a function of the output signals of the pulse width modulator (19).

6. Amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the control amplifier (18) is designed as a PI control amplifier.

7. Amplifier according to one of claims 2 to 6, characterized in that the pulse width modulator (19) has a triangular signal generator (74, 76; 103).

8. Amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the analog / digital converter (19) is equipped with a direction detection circuit (52; 105, 106).

9. Amplifier according to claims 7 and 8, characterized in that the direction detection circuit (52; 105, 106) is synchronized with the triangular signal generator (74, 76; 103).

10. Amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the output stage (16) has a decoder (88) which is acted upon by the output signals of the analog / digital converter (19) and the output signals of a rotary position encoder (13) and by means of which the output signals of the analog / digital converter can be distributed over three downstream half bridges (89, 90, 91) depending on the rotational position.

11. Amplifier according to one of claims 8 or 9, characterized in that the direction detection circuit is synchronized with an auxiliary oscillator (53).

12. An amplifier according to claim 11, characterized in that the auxiliary oscillator controls the direction detection circuit and a pulse width modulator simultaneously.

13. The method for operating an amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that the pulse-shaped amount of the motor current which can be taken from the device for measuring the motor current (17) by means of an additional device (23, 24, 25, 29) in a the motor current according to size and direction, the corresponding size is formed.