DD156508A3

DD156508A3 - Schaltungsanordnung zur elektronischen abkommutierung der staenderwicklung bei elektronisch kommutierten motoren

Info

Publication number: DD156508A3
Application number: DD22136280A
Authority: DD
Inventors: Claus Holfert; Dieter Zahn; Juergen Jerzembek
Original assignee: Claus Holfert; Dieter Zahn; Juergen Jerzembek
Priority date: 1980-05-27
Filing date: 1980-05-27
Publication date: 1982-09-01
Also published as: DE3116945A1; PL231326A1; RO84949A; PL139520B1; RO84949B; DE3116945C2; BG35589A1; HU189523B; CH656991A5; NL8102462A; CS233781A1; JPS5713990A

Abstract

Die Erfindung betrifft die Schaltungsanordnung zur elektronischen Abkommutierung der Staenderwicklung bei elektronisch kommutierten Motoren kleiner Leistung. Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Abbau der Spulenenergie durch die Spule selbst unabhaengig von der Kommutierungsfrequenz und vom Motorstrom zu steuern, dass nur kleine, definierte Spannungsimpulse induziert werden und der Spulenstrom kontinuierlich und vollstaendig gegen Null geht. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass zwei Transistoren derart zusammengeschaltet sind, dass der Kollektor des einen Transistors mit der Basis des zweiten Transistors, der Kollektor des zweiten Transistors mit der Basis des ersten Transistors verbunden wird und zwei Widerstaende jeweils zwischen Basis und Emitter der Transistoren eingefuegt werden und ueber ein in Reihe mit den Transistoren,Widerstaenden liegenden Ankoppelelement einer Staenderwicklung derart parallel geschaltet werden, dass die Bauelemente der Schaltungsanordnung bei Ansteuerung der Staenderwicklung durch einen Schalttransistor invers, d.h. in Sperrichtung gepolt sind. Diese zwei Transistoren weisen eine unterschiedliche Zonenfolge auf.

Description

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Titel der Erfindung

Schaltungsanordnung zur elektronischen Abkommutierung der Staenderwicklung bei elektronisch kommutierten Motoren.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Schaltungsanordnung zur elektronischen Abkommutierung der Staenderwicklung bei elektronisch kommutierten Motoren kleiner Leistung, die z.B. als Antriebe in Geraete der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden.

Charakteristik'der bekannten technischen Loesungen Es ist bekannt, dass die hohen Induktionsspannungsimpulse, die beim Abschalten der einzelnen Staenderwicklüngen bei derartigen Antrieben entstehen, durch Z-Dioden, Varistoren, Wi-' derstaende oder grosse Kondensatoren begrenzt werden muessen. Dabei wird ein Teil der Energie des Magnetfeldes der Spule je

nach verwendetem Bauelement in Waermeleistung und ein Teil in wirksames Drehmoment umgewandelt.

Damit der Abbau der im Magnetfeld der Spule gespeicherten Energie in dieser Form realisierbar ist, ist es erforderlich, dass die Amplitude der Impulse bei Z-Dioden und Varistoren stets groesser al3 der Spitzenwert der EMK des Motors ist bzw. das3 bei Widerstaenden ein Stromfluss in der motorischen und generatorischen Halbwelle zustande kommt, welcher den Wirkungsgrad des Motors verringert. Die Anwendung von Kondensatoren ist auf Grund ihrer phasenschiebenden Wirkung zwischen Mot©rstrom und Wicklungsurspannung nur fuer sehr langsam schaltende elektronisch kommutierte Motoren einsetzbar.»

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Abbau der Spulenenergie durch die Spule selbst unabhaengig νοη der Kommutierungsfrequenz und vom Motorstrom so zu steuern, dass nur kleine, definierte Spannungsimpulse induziert werden und der Spulenstrom kontinuierlich und vollstaendig gegen Null geht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass zwei Transistoren derart zusammengeschalten sind, dass der Kollektor des einen Transistors mit der Basis des zweiten Transistors, der Kollektor des zweiten Transistors mit der Basis des ersten Transistors verbunden wird _ϋ und zwei Widerstaende je~ weils zwischen Basis und Emitter der Transistoren einge-' fuegt werden und ueber ein in Reihe mit den Transistoren, Widerstaenden liegenden Ankoppelelement einer Staenderwicklung derart parallel geschalten wird, dass die Bauelemente der Schaltungsanordnung bei Ansteuerung der'Staenderwicklung durch einen Schalttransistor invers, d.h. in Sperrrichtung gepolt sinde

Die genannten zwei Transistoren weisen eine unterschiedliche Zonenfolge auf. .

Die Abkommutierung eines durch die Staenderwicklung fliessenden Spulenstromes kann direkt ueber das Ankoppelelement, welches in diesem Fall eine Ankoppeldiode ist, oder indirekt ueber den Schalttransistor erfolgen.

Als Ankoppelelement kann die Ankoppeldiode durch einen Ankoppeltransistor und Koppelwiderstand ersetzt werden. Bei indirekter Ankopplung ueber einen Schalttransistor entspricht der durch die Schaltungsanordnung zur Abkommutierung fliessende Strom nur dem, welcher als Basisstrom zur Ansteuerung des Schalttransistors notwendig ist, womit die beiden Transistoren fuer einen um den Stromverstaerkungsfaktor des Schalttransistors geringeren Strom und somit fuer eine wesentlich geringere Verlustleistung als der Schalttransistor ausgelegt werden koennen.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass ein von der Spule selbst gesteuerter Abbau der in ihrem Magnetfeld geepeicherten Energie beim Abkommutierungsvorgang unabhaengig vom Motorstrom und von der Kommutierungsfrequenz geschieht. Die Spulenenergie wird dabei in ein Drehmoment umgewandelt.

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Da die Schaltung ohne gesonderte Kapazitaeten und/oder zusaetzliche Induktivitaeten auskommt, ist die monolitische Integration der Abkommutierungsanordnung möeglich. Die Abkommutierungsschaltung ist an Spulen, wie Staenderwicklungen elektronisch kommutierter Motoren, an denen positive und negative Spannungen (Halbwellen) auftreten, einsetzbar. Es werden nur Abkommutierungsimpulse sehr kleiner Amplitude induziert und damit sehr kleine, durch das transformatorische Verhalten der Staenderwicklung verursachte Stoerimpulse den Tachospannungen der anderen Staenderwicklungen ueberlagert.

Ausfuehrungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuehrungsbeispiel naeher erlaeutert werden. In der zugehoerigen Zeichnung zeigen:

Fig; 1i Prinzipschaltung der Abkommutierungsschaltung Fig. 2: Ausfuehrungsschaltung 1 - direkte Ankopplung Fig, 3: Ausfuehrungsschaltung 2 - indirekte Ankopplung mittels Diode ueber einen Schalttran- -^v sistor

Fig. 4s Ausfuehrungsschaltung 3 - indirekte Ankopplung mittels Transistor ueber Schalttransistor

Der Abbau der Spulenenergie wird gemaess der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,'im weiteren Abkommutierungsschaltung genannt, erreicht. Die Prinzipschaltung besteht aus den Transistoren 1 und 2, den Widerstaenden 3 und 4 und der Ankoppeldiode 5. Der AbkommutierungsVorgang wird in der Weise"eingeleitet, dass der Schalttransistor 6 in Fig.2 sperrt, d.h. den Spulenstrom J, unterbricht und dadurch in der Staenderwicklung 7 ein Spannungsimpuls U. mit sehr

hoher Spannungsanstiegsgeschwindigkeit induziert wird. Mit dem Anstieg dieses Spannungsimpulses U. wird ueber die Ankoppeldiode 5 eine Umladung der Sperrschichtkapazitaeten der Zonenuebergaenge der Transistoren 1 und 2 vorgenommen. Der hierbei auftretende Umladestrom erzeugt ueber den Widerstaenden 3 und 4 eine Spannung, welche proportional der Hoehe des Umladestromes und somit der Umladezeit ist. Die Zeitdauer der Umladung ist eine Punktion der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit des induzierten Spannungsimpulses U., derart, dass bei hoeherer Spannungsanstiegsgeschwindigkeit sich die Umladezeit der Sperrschichtkapazitaeten der Zonenuebergaenge der Transistoren 1 und 2 auf einen bestimmten Spannungswert und damit der Umladestrom steigt. Bis zu einer bestimmten definierten Spannungsänstiegsgeschwindigkeit fliesst der Umladestrom ueber die Widerstaende 3 und 4 ab. Wird jedoch diese definierte Spannungsanßtiegsgeschwindigkeit durch den induzierten Spannungsimpuls U. ueberschritten, so wird der Spannungsabfall ueber

JL

den Widerstaenden 3 und 4 groesser als die Basis-Emitterspannung der Transistoren 1 und 2. Dadurch fliesst der Umladestrom zum Teil als Basisstrom ueber die Basis-Emitteruebergaenge der Transistoren 1 und 2. Infolgedessen kommen Kollektorstroeme in den Transistoren 1 und 2 zustande. Diese Kollektorstroeme addieren sich zu den Umladestroemen. Bedingt durch diese Stromaddition kommt es zu einer weiteren gegenseitigen Aufsteuerung der Transistoren 1 und 2. Dieser einem Durchbruch aehnliche Effekt erfolgt in einer Zeit, welche durch die Schaltzeiten der Transistoren 1 und 2 bestimmt wird.

In der Zeit, welche vom Moment der Sperrung des Schalttransistors 6 bis zum vollstaendigen Durchschalten der Abkommutierungsschaltung aus den Transistoren 1 und 2 und den Widerstaenden 3 und 4 vergeht, fliesst der Spulenstrom J₁ in die sehr geringe Wicklungskapazitaet der Staender-

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Wicklung 7 und erzeugt somit den Abkommutierungsimpüls U. mit der sehr hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, welche zum oben beschriebenen Durchschalten der Abkommutierungsschaltung'und somit zur Uebernahme des Spulenstromes Jt fuehrt. In diesem somit aufgebauten Freilaufkreis wird die im Magnetfeld der Wicklung gespeicherte Energie als Wirkleistung, im Falle des Motors als Drehmoment abgebaut, wobei der Strom durch die Staenderwicklung 7 sich derart verringert, dass die Summe des von der Staenderwicklung 7 induzierten Abkorarautierungsspannungsimpulses U. und der Urspannung e stets der Plussspannung der Kommutierungsschaltung entspricht. Damit geht der Strom J₁. durch die Staenderwicklung 7 von ihr selbst ge-

steuert derart zurueck, dass zu dem Zeitpunkt, wo die im Magnetfeld der Staenderwicklung 7 gespeicherte Energie vollstaendig abgebaut ist, die induzierte Spannung der Staenderwicklung 7 kleiner als die Plussspannung der Abkommutierungsschaltung wird. Somit sperrt die Abkommutierungsschaltung zu dem Zeitpunkt, wo der Strom durch die Staenderwicklung 7 gegen den Wert Hull geht· Wird der Spannungsabfall ueber den Widerstaenden 3 und 4 kleiner als die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren 1 und 2, so sperren sich die Transistoren 1 und 2 gegenseitig. Dieser Zustand wird durch die Widerstaende 3 und aufrecht gehalten. Wird nachfolgend durch einen weiteren Spannungsimpuls U. die definierte Spannungsanstiegsgeschwindigkeit erneut ueberschritten, laeuft der beschriebene Vor-

gang von neuem ab.

Der von der Staenderwicklung 7 induzierte Spannungsimpuls U. wird hierbei auf einen Spannungswert begrenzt, welcher sich aus der Plussspannung der Ankoppeldiode 5 oder der Basis-Emitter-Spannung des Ankoppeltransistors 8 und der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 1 und der Kollektor-Emitter-Saettigungsspannung des Transistors 2 oder der

Flussspannung, der Ankoppeldiode 5 oder der Basis-Emitter-Spannung des Ankoppeltransistors 8 und der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 2 und der Kollektor-Emitter-Saetti« gungsspannung des Transistors 1 sowie evtl. der Basis-' Emitter-Spannung des Schalttransistors 6 zusammensetzt.

Die Schaltung nach Fig. 2 zeigt die direkte Ankopplung der Abkommutierungsschaltung an die Staenderwicklung 7. Als Ankoppelelement dient die Ankoppeldiode 5, die Transistoren 1 und 2 sind gleicher Leistungsklasse wie der Schalttransistor 6. ' '

Die Schaltung nach Fig. 3 stellt eine weitere praktisch sinnvolle Ankopplung der Abkommutierungsschaltung an die Staenderwicklung 7 dar. Im Gegensatz zur Schaltung nach Fig, 2 erfolgt die Ankopplung indirekt, mittels der Ankoppeldiode 5 ueber den Schalttransistor 6, wobei der Strom durch die Abkommutierungsschaltung um den Faktor der Stromverstaerkung des Schalttransistors 6 kleiner ist. Diese Ankopplungsart findet Anwendung, wenn hohe Spulenstroeme abkommutiert werden sollen. Dazu wird als Schalttransistor 6 ein entsprechender Leistungstransistor notwendig, wobei fuer die Transistoren 1 und 2 leistungsschwache Transistortypen eingesetzt werden koennen. Die Schaltung nach Fig, 4 zeigt eine andere praktisch sinnvolle Ankopplung der Abkommutierungsschaltung an die Staenderwicklung 7. Bei dieser Schaltung ist die Ankoppeldiode 5 durch den Ankoppeltransistor 8 und den Koppelwiderstand 9 ersetzt. Die Ankopplung erfolgt infolgedessen mittels Ankoppeltransistor 8 und Koppelwiderstand 9 ueber den Schalttransistor 6 an die Staenderwicklung 7. Durch die Verwendung eines Leistungstransistors als Schalttransistor 6 und unter Ausnutzung der Stromverstaerkung des Ankoppeltransistors 8 koennen durch diese Schalturigsmassnahmen extrem hohe Spulenstroeme abkommutiert werden. Die Transistoren 1 und 2 sind auch bei dieser Schaltimg leistungsschwache Transistoren,

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Ein'weiterer Vorteil dieser Abkoramutierungsschaltung nach Fig. 1 besteht darin, dass die Richtung des abzukommutierenden Stromes und somit die Richtung der noch entstehenden, sehr kleinen Abkommutierungsimpulse entsprechend der aufgebauten Anwendungsschaltung beliebig ist. So werden diese Abkommutierungsimpulse im Gegensatz zu Fig. 2 und 3 bei Figi 4 z.B. nicht in negativer Richtung zum Bezugspotential -U-g, sondern üeber die positive Betriebsspannung +TL, hinaus induziert, wenn eine Beschaltung der aufgebauten Anwendungsschaltung mit negativen Impulsen gegenueber -Ug aus bestimmten Gruenden, z.B. Sperrschichtisolationen, nicht moeglich ist. .-...--

Durch diese Schaltungsanordnungen ist eine Einbeziehung der gesamten Abkommutierungsschaltung in eine monolitische Integration moeglich. .

Claims

Erfindungsanspruch

1« Schaltungsanordnung zur elektronischen Abkommutierung der Staenderwicklung bei elektronisch kommutierten Motoren, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Transistoren (1 und 2) derart zusammengeschalten sind, dass der Kollektor des Transistors (1) mit der Basis des Transistors (2), der Kollektor des Transistors (2) mit der Basis des Transistors (1) verbunden wird und zwei Widerstaende (3 und 4) jeweils zwischen Basis und Emitter der Transistoren (1 und 2) eingefuegt werden und ueber ein in Reihe mit den Transistoren (1 und 2), den Widerstaenden (3 und 4) liegendes Ankoppelelement (5 oder 8 und 9) einer Staenderwicklung (7) derart parallel geschalten wird, dass die Bauelemente der Schaltungsanordnung bei Ansteuerung der Staenderwicklung (?) durch einen Schalttransistor (6) invers, ' d.h. in Sperrichtung gepolt sind«

2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (1 und 2) unterschiedlicher ' Zonenfolge sind. "

3· Schaltungsanordnung nachcPunkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkommutierung eines Spulenstromes J^ direkt ueber die Ankoppeldiode (5) oder indirekt ueber den Schalttransistor (6) und die Staenderwicklung (7) erfolgt.

4* Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankoppeldiode (5) durch einen Ankoppeltransistor (8) und Koppelwiderstand (9) ersetzt wird.

5· Schaltungsanordnung nach Punkt 1 und 3» dadurch ge- ' kennzeichnet, dass Transistoren (1 und 2) fuer einen, um den Stromverstaerkungsfaktor des Schalttransistors (6) bzw. des Schalttransistors (6) und des Ankoppeltransistors (8) geringeren Strom als der Schalttransistor (6), ausgelegt werden und somit Transistoren mit wesentlich geringerer Verlustleistung als fuer den Schalttransistor (6) verwendet werden koennen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnung