CN1066298C - 控制双向直流电动机的电路布置 - Google Patents

Abstract

用于控制可以在两个方向上驱动的双向直流电动机(6)的电路布置，包括具有一参考电位输入端(8a)和一控制输入端(8b)的控制装置(8)，来对电动机的速度进行控制。为实现此类型电路布置更精确的速度控制，该布置包括切换装置(1、2、3、4)，在电动机的第一转动方向时，通过该装置用于控制电动机速度控制的控制装置可以变为工作的，而在电动机的第二转动方向时，通过该装置，控制装置可以变为不工作的。

Description

控制双向直流电动机的电路布置

本发明涉及一种用于控制双向直流电动机的电路布置，这种电动机可以在两个方向上被驱动，该布置包括一个具有一参考电位输入端和一控制输入端的控制装置，通过它可以控制电动机的速度。

例如这种电路布置可以从盒式磁带传输装置Alpine型号GR-H中得知。

在这个已知的盒式走带机构中，主导电动机在两个转动方向上运转，其中一个转动方向用作磁带的带传送机构而另一个转动方向用作伺服操作。例如控制装置通过一个三点控制器实现，这种三点控制器可从Matushita以集成电路AN6605-N的形式得到。为了方向的双向，例如应用了Expert-Verlag出版的作者为Hellmut Mugschalla“电气小电动机”一书中图8.15中所揭示的一种H电桥。在这种已公开的电桥电路中，在电动机和供给电压间配置了一个晶体管，并且在电动机和在电动机的两个转动方向上的控制装置的控制输入端间配置了一个晶体管。这种方式的缺点有例如：在双极性晶体管的情况下，导通的晶体管的集电极-发射极电压影响电动机的电压并且因此影响速度，因为这些集电极-发射极电压不能被控制装置测量并被校正。这些集电极-发射极电压既依赖于集电极电流又依赖于温度。这个已公开的桥电路的另一缺点是处在电动机和控制装置的控制输入端间的晶体管的基极电流流进控制装置的控制输入端但不流过电动机。因此，在流过电动机的电流不改变的情况下，这个晶体管的基极电流的波动影响控制装置。

本发明的任务是提供一种在开头的段落中所定义类型的电路布置，通过这种布置可能实现更精确的速度控制。

根据本发明，实现此任务在于由于已经提供了切换装置，通过这个装置，对于电动机的第一转动方向，用于电动机速度控制的控制装置变成工作的；而对于电动机的第二转动方向，控制装置变成不工作的。

在第一转动方向中，电动机处于控制装置控制下而在另一转动方向中这个控制装置被中止，并且电动机运转在非控制状态或者另一控制状态下。这使电路布置为了控制第一转动方向而被优化，对第一转动方向可能实现一个非常精确的速度控制。在第二转动方向中，电动机运转在一非控制状态下或者应用可以有其他控制电路组成，特别是那些比用于第一转动方向中速度控制的控制电路简单的电路。

本发明的一个有益的实施例的特征在于切换装置包括第一个、第二个、第三个和第四个晶体管，在以第一方向运转时，电动机的第一个接电端通过第一个晶体管耦合到供给电压，并且通过第二个晶体管耦合到控制装置的参考电位输入端，电动机的第二个接电端耦合到控制装置的一个控制输入端；而当以第二方向运转时，通过第三个晶体管第一个接电端耦合到另一个参考电位，通过第四个晶体管第二个接电端耦合到供给电压。

当电动机在以第一方向运转期间，供给电压通过第一个晶体管应用到电动机的第一个接电端。同时，通过第二个晶体管，电动机的第一端耦合到控制装置的参考电位输入端。当在第一方向运转期间，第一个和第二个晶体管导通而第三个和第四个晶体管截止，因此，电压施加应用到控制装置的参考电位输入端和电动机的第一个接电端。单独将导通的第二个晶体管配置在电动机的第一个接电端和控制装置的参考电位输入端之间，流过这个晶体管的电流不是电动机的电流而是比电动机电流小的一个电流。因此，当电动机以第一方向运转时，跨第二个晶体管所产生的集电极-发射极电压也相当低。

另一方面，当电动机以第一方向运转时，电动机的第二个接电端耦合到控制装置的控制输入端。在控制装置的控制输入和电动机的第二个接电端间不需要晶体管，因此，同一电流流过电动机和控制装置的控制输入端。不存在流进控制装置的控制输入端而不流过电动机的晶体管基极电流。

当电动机以第二方向运转期间，通过第三个晶体管电动机的第一个接电端耦合到一个参考电位，并且电动机的第二个接电端通过第四个晶体管耦合到供给电位。在第二方向中，第三个和第四个晶体管导通而第一个和第二个晶体管截止。现在提供给电动机的电压反向，因此，电动机以第二方向转动。在电动机的第二方向中，控制装置不工作，因此，在这个第二方向中，电动机运转在非控制状态。第二方向的电动机的速度可以通过第三个晶体管调节。因为在一个磁带盒式仪器中，对于伺服操作不是必须要有一个高的恒定速度，所以为此目标可以使用一个非常简单的电路。对于很多应用，只要在电动机的两端有一个恒定的电压就可以了。

在本发明另一有益的实施例中，第二个接电端连接到控制装置的控制输入端。

在本发明的有益的实施例中，已经提供了第五个晶体管，它一方面耦合到控制装置的另一个参考电位输入端和第二个晶体管，另一方面，它耦合到另一个参考电位。

在电动机的第二方向中，供给电压施加到电动机的第二个接电端。因为电动机的第二个接电端耦合到控制装置的控制输入，所以控制装置的控制输入端在电动机的第二方向时也处于供给电位。为了保证用于电动机的第二方向的控制装置的非常明确的关断和预防在电动机的第二方向中控制装置意外操作，因此，既需要将控制装置的参考电位输入也需要将控制装置的另一个参考电位输入切换到一“高阻”态。当控制装置采用集成电路的形式时，对此特别需要。这通过第五个晶体管来实现。在电动机的第二方向中，第五个晶体管截止，因此控制装置的另一个参考电位输入切换到高阻态。在第二方向运转期间，第三个和第四个晶体管是导通的。因此，电动机的第一个接电端的电位降低，导致耦合到电动机第一个接电端的第二个晶体管将被自动关断。因此，在电动机的第二方向中，控制装置的参考电位输入也切换到高阻态并且控制装置变成不工作。在电动机的第一方向中，第一个和第五个晶体管接通并且因此第二个晶体管也自动接通。在电动机的第一方向中，控制装置的另一个参考电位输入端位于另一个参考电位。

本发明另一有益的实施例的特征在于控制装置和第二个晶体管被集成在电动机的内部。

因为电动机内阻和磁通量随温度变化，所以将控制装置也包括进电动机内部并且因此补偿电动机温度特性。如果将现在第二个晶体管也安排进电动机，那么电动机只需要用于外部电压供给和控制的三个触点。第一个触点用于电动机的第一个接电端，第二个触点用于电动机的第二个接电端，和第三个触点用于第五个晶体管。

在本发明的另一有益的实施例中，第一个、第二个、第三个和第四个晶体管被集成进一个集成电路。

根据本发明的电路布置特别适合于集成电路的结构，因为例如在双极性晶体管的情况下，第一个、第二个、第三个和第四个晶体管的集电极-发射极电压和基极电流对电动机的电压无影响从而不会影响速度控制。在集成电路中，通常不可能在饱和区内操作晶体管并且因此集电极-发射极的电压明显高于在分立的晶体管的情况下的集电极-发射极电压，基于这个事实，转速不受影响。此外集成的晶体管基本上具有较低的增益因数，因此基极电流基本上变得较大，但在根据本发明的电路布置中，这对速度控制无任何影响。因为第二个晶体管作为分立晶体管被集成进电动机中，它可以工作在饱和区内并且这个晶体管的集电极-发射极电压的波动对速度控制几乎无任何影响。

根据本发明的电路布置优先应用在磁带运转机械装置或盒式磁带设备中。如果根据本发明的电路布置用作驱动在一个方向上用作磁带传输而在其他方向上用作伺服操作的主导电动机，那么是特别有益的。这样的应用一般只需要用于磁带传送机构的一个十分精确的速度控制，而对于伺服操作，不是必须要有一个十分精确的速度控制。

现在参考附图的图1和图2，对本发明的一个实施例详细说明：

图1，控制双向直流电动机的电路布置的结构图，包括控制装置和五个晶体管；

图2，在图1中所示控制装置的结构图。

图1显示了控制可以在双向上驱动的直流电动机6的电路布置。这个直流电动机6有一个由第一个供给电压端6a构成的第一个接电端和由第二个供给电压端6b构成的第二个接电端。第一个供给电压端6a耦合到第一晶体管1的集电极，晶体管1的集电极耦合到一个正的供给电压+U₀。晶体管1的集电极和晶体管1的发射极通过一个飞轮(freewheel)二极管7耦合。电动机6的第一个供给电压端6a耦合到第二个晶体管2的发射极，晶体管2的集电极耦合到控制装置8的一个参考电位输入端8a。通过电阻9晶体管2的基极耦合到第5个晶体管的集电极，晶体管5的发射极连接到控制装置8另一个参考电位输入8c。电动机6的第二个供给电压6b耦合到控制装置8的控制输入8b并且通过飞轮二极管10耦合到另一个参考电位。另外，电动机6的第二供给电压6b耦合到第四个晶体管4的集电极，晶体管4的发射极耦合到正的供给电压+U₀。晶体管4的集电极和发射极通过飞轮二极管11耦合，电动机6的第一个供给电压端6a耦合到第三个晶体管3的集电极，晶体管3的发射极耦合到另一个参考电位。第三个晶体管3的集电极通过飞轮二极管12耦合到另一个参考电位。第一个晶体管1、第三个晶体管3、第四个晶体管4和第五个晶体管5的基极可通过没有画出的驱动装置驱动。

电动机6可以在第一方向时在一个受控状态下被驱动，而在第二方向时在非受控状态下被驱动。根据本发明的的电路布置，对于第一个受控方向，第一晶体管1和第五个晶体管5被没有画出的控制装置接通。因此第二个晶体管2也被自动接通，而且通过导通的第二晶体管2，参考电位输入端8a耦合到供给电压+U₀。第三个晶体管3和第四个晶体管4被没有画出的控制装置关断，这个控制装置驱动用于电动机第一转动方向的晶体管3、4的基极，在电动机第一方向时，电动机6的第一个供给电压端6a通过导通的第一个晶体管1收到供给电压+U。在电动机以第一方向运转期间，第一个晶体管1和第五个晶体管5对速度的影响为零。对速度控制有影响的唯一的晶体管只有第二个晶体管2。然而，因为一个非常小的集电极电流I₁流过第二个晶体管2，这个电流明显小于流过电动机的电动机电流IM，所以，第二个晶体管2的集电极一发射极电压非常小。这样，如果忽略了非常小的第二个晶体管2的集电极一发射极电压，那么，随后第一个供给电压端6a和控制装置8的参考电位输入端8a位于同一电位。

另外，在电动机6以第一方向运转期间，不存在着流进控制装置8的控制输入端8b而不流经电动机6的基极电流。事实上，在电动机的第一方向时，正是同一个电流流过电动机6和控制装置8的控制输入8b。

在第二转动方向中，电动机运转在非受控状态下，即控制装置8被中止。第二转动方向优先用于盒式走带机构的伺服操作这期间，第三个晶体管3和第四个晶体管4接通而第一个晶体管1和第五个晶体管5关断。由于第三个晶体管3关断，电动机6的第一个供给电压端6a的电位下降并因此晶体管2发射极的电位下降，因此，第二个晶体管关断并且控制装置的参考电位输入8a被切换到高阻态。电动机6现在被以相反的方向给予电压，即第二个供给电压端6b通过导通的第四个晶体管4接收供给电压+U₀，第一个供给电压端6a通过导通的晶体管3耦合到另一个参考电位。这样，在电动机6以第二方向运转期间，控制装置8的第二个控制输入端8b也通过导通的第四个晶体管连接到另一参考电位U₀。为保证控制装置8十分明确的被关断和预防控制装置8的意外动作，第五个晶体管关断，因此控制装置8的另一个参考电位输入8c切换到高阻态。因此控制装置8被中止，并且避免了施加到控制装置8的控制输入端8b的供给电压U₀被连接到同另一参考电位耦合的另一参考电位输入端8c。这预防了意外操作。

因为，电动机的内阻和磁通量随温度变化，控制装置8被优先安排进电动机6的外壳中，因而，电动机特性得到温度补偿。第二个晶体管2也被优先安排进电动机6的外壳内。这在图1中是用虚线表示的部分。这种方法的优点是电动机只需要三个接电端15、16、17用于外部连线，这在产品工程的外观上是十分受欢迎的，因为这些接电端中的每一个均需要一个或者甚至两个手工焊缝。其它的电路元件，即第一个晶体管1、第三个晶体管3、第四个晶体管4和第五个晶体管5以及附属的飞轮二极管10、11和12，可以便利的集成进一个集成电路。

第一个晶体管1、第三个晶体管3、第四个晶体管4、第五个晶体管5的集电极-发射极之间的电压波动对电动机电压没有影响，因而不影响速度控制。因此，尽管在集成电路中，一般晶体管不可能在饱和区内工作，并且因此集电极-发射极电压明显高于分立晶体管的情况，所以上述的集成不改变根据发明的电路布置的控制特性。

因为晶体管1到5的基极电流对控制过程无影响，所以在根据本发明的电路布置中，被集成的晶体管具有明显较低的增益参数，致使它们的基极电流变得基本上较大的这一事实，在本发明的电路布置中没有任何负面影响。作为分立的晶体管被集成进电动机内部的第二个晶体管2可以在饱和区内工作，因此，这个第二个晶体管2的集电极一发射极电压对速度控制几乎没有任何影响。

图1所示电路布置的另外有利的特性来自这一事实，即飞轮二极管10也自动保护控制装置8，并因此对于控制装置8的保护不再需要另外的飞轮二极管。

此外，当供给电压+U₀被关闭时，用于控制装置8的供给电压被自动切断。

图2是图1中所示控制装置8的基本结构图，类似图1中同样的方式，控制装置8具有一参考电位输入端8a、一个控制输入端8b和另一个参考电位输入端8c。在参考电位输入端8a和控制输入端8b之间，为清楚起见，只显示了图1中具有晶体管2和电动机6的电路而没有显示图1中所示的其他元件。控制装置8包括一个包含一恒定电流源21的集成电路20，它由电位U₁供电。一般的，电位U₁等于图1中的电位U₀，但这不是严格必须的。恒定电流源21的一个端子通过电阻22耦合到另一参考电位并且它的另一个端子通过并联安排的电阻23和电阻24耦合到参考电位输入端8a。一个运算放大器25将它的反向输入耦合到电流源21和电阻23并将它的同向输入耦合到控制输入端8b。此外，电流镜向电路26耦合到控制输入端8b、运算放大器25的输出和另一参考电位输入端8c。电流镜向电路26也耦合到电阻24和电阻23。

作为电流传感器，电流镜向电路26包括并联安排的若干个没有画出晶体管。电流镜向电路26的各个晶体管的电流非常精确的对应。这样，镜向电路的晶体管28用作电流传感器或镜向，并且流过晶体管28的镜向电流Is代表电动机电流I_M的一个十分精确的部分，它恒等于通过控制输入端8b流进集成电路20的电流。如果电动机6由于一个较高负载应传递一个高的转矩，那么电动机电流I_M增加，结果镜向电流Is增加，这将导致电阻24两端的电压降增加和运算放大器的反向输入端的电位下降。因此，运算放大器驱动电流镜向电路26的晶体管进一步导通，以致于控制输入端8b上的电位下降，电动机两端的电动机电压U_M因此提高，与速度成比例的感应电动机电压保持恒定。这样，如果在负载变化的情况下，转速也维持恒定。如果参考电位输入端8a上的电压变化，那么这对电动机速度没有任何影响，因为参考电位输入端8a上的电压变化通过运算放大器反馈到控制输入端8b，因此参考电位输入端8a和控制输入端8b间的电压差不会被参考电位输入端8a上的电压波动影响。

控制装置8的控制精度受两个因素支配：

(1)流过电动机的电动机电流I_M应完全等于流进控制输入端8b的电流。这由根据本发明的电路布置保证，

(2)电动机6的第一个供给电压端6b上的电位应尽可能地等于控制装置8的参考电位输入8a上的电位。在根据本发明的电路布置中，在电动机的第一个供给电压端6a和参考电位输入端8a间只配置了晶体管2。然而，具有两个转动方向的电动机以第一方向运转期间，这个晶体管2的集电极-发射极电压U_CE2十分低，这有两方面的原因：一方面，流进晶体管2和流进参考电位输入端8a的集电极电流I₁同电动机电流I_M相比十分小，此外它要比电动机电流I_M更恒定。因此，由集电极I₁产生的晶体管2的电压U_CE2十分小并且十分恒定。此外，根据本发明的的电路布置的晶体管2，优先由分立晶体管构成，因此可以在饱和区内操作晶体管2并且也保证了较小的电压降U_CE2。

根据本发明的电路布置提供了在两个方向上以适当方式驱动一个双向直流电动机的可能性，在一个方向上通过控制装置控制电动机而在另一个方向上这个控制装置被中止而电动机不受控或者以另一种方式被控制。这样，当处于第一种受控的方向时，根据本发明的电路布置的晶体管的集电极-发射极电压或漏极-源极电压的波动和基极或栅极电流的波动对第一种受控方向的速度控制没有影响，并且控制的精度同常规的H-桥的情况下相比有相当的提高。这可以特别优先用于控制磁带盒式设备的主导电动机，因为在许多应用中，在一个方向上它用作磁带的带驱动而在另一个方向上用作伺服操作。对于带驱动需要十分高的速度控制，其中对于伺服操作不需要高度精确而只需要一个十分简单的控制。

Claims (8)

1．用于控制可以在两个方向上驱动的双向直流电动机的一种电路布置，该布置包括具有一参考电位输入端(8a)和一控制输入端(8b)的控制装置，通过它可以对电动机(6)的速度进行控制，其特征在于，提供了切换装置(1、2、3、4)，在电动机(6)的第一转动方向时，通过该装置，用于控制电动机(6)速度控制的控制装置(8)变为工作的，而在电动机的第二转动方向时，通过该装置，控制装置(8)变为不工作的。

2．根据权利要求1的一种电路布置，其特征在于，该切换装置包括第一个(1)、第二个(2)、第三个(3)和第四个(4)晶体管，在以第一方向运转期间，电动机的第一个接电端(6a)通过第一个晶体管(1)耦合到一个供给电压上并且通过第二个晶体管(2)耦合到控制装置(8)的参考电位输入端(8a)上，电动机的第二个接电端耦合到控制装置(8)的控制输入端(8b)；在以第二方向运转期间，第一个接电端(6a)通过第三个晶体管(3)耦合到另一个参考电位，第二个接电端(6b)通过第四个晶体管(4)耦合到供给电压。

3．根据权利要求1或2的一种电路布置，其特征在于，第二个接电端连接到控制装置(8)的控制输入端(8b)。

4．根据权利要求1至3之一的一种电路布置，其特征在于，提供了第五个晶体管(5)，它一方面耦合到控制装置的另一参考电位输入端(8c)和第二个晶体管(2)，另一方面，耦合到另一参考电位。

5．根据权利要求1至4之一的一种电路布置，其特征在于，控制装置(8)和第二个晶体管(2)被集成进电动机(6)的外壳内。

6．根据权利要求1至5之一的一种电路布置，其特征在于，第一个(1)、第二个(2)、第三个(3)、第四个(4)和第五个(5)晶体管被集成进一个集成电路(20)。

7．一包括权利要求1至6之一的电路布置的磁带运转传输装置。

8．一包括权利要求1至6之一的电路布置的盒式磁带设备。

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