DE10102885C2 - Startvorrichtung und Verfahren zum Beseitigen eines Spitzenstroms - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Startvorrichtung und ein Verfahren zum Beseitigen eines Spitzenstroms, und betrifft besonders eine Startvorrichtung und Verfahren das dazu angepasst ist, mit einem Gleichstrom-(DC-)Motor verwendet zu werden, um einem Spitzenstrom zu beseitigen, der eingeleitet wird, wenn der Motor betätigt wird.

Im Allgemeinen weist die Struktur eines Motors mechanische Verbindungen aus Bürste und Kommutator auf, so dass, wenn ein Motor anfänglich gestartet wird, immer ein Spitzenstrom in den Motor eingeleitet wird. Dieses Phänomen resultiert aus einer ungeeigneten Anordnung von elektrischen Leitungen und einer schwachen Leistung der Stromquelle. In der Vergangenheit gab es keine Pufferschaltung, um das Auftreten von Spitzenstrom zu verhindern. Weil der Motor abrupt aus dem ruhenden Zustand gestartet wird, wird der Spitzenstrom einen starken mechanischen Schock bei dem Motor verursachen, der dabei die Beschädigung des Motors zur Folge hat. Kürzlich wurden einige Verfahren zum Beseitigen dieses Phänomens vorgeschlagen. Eines dieser Verfahren ist die Verwendung einer Schutzschaltung wie ein Kondensator oder ein Stellwiderstand, der nahe der Stromquelle des Motors angeordnet ist, um den Motor nach dem Einleiten eines Spitzenstroms zu schützen, diese Schutzschaltung wird ebenfalls nach langer Zeit des Gebrauchs beschädigt. Ein anderes Verfahren ist es, den Motor durch eine komplizierte und teure Schaltung schrittweise zu starten, beispielsweise durch verwenden einer Schaltung die einen oder mehrere Filter umfasst, um den Motor durch erzeugen eines Pulsbreitenmodulations- (PWM) Signals zu starten, das an den Transistor ausgegeben wird, wobei das geschaltete Intervall des Transistors mit einer Veränderung des Schaltverhältnis des PWM-Signals geändert wird, wodurch der durchschnittliche Strom, der durch den Motor fließt verändert wird, um weiter die Rotationsgeschwindigkeit des Motors zu steuern. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der DE 44 22 207 A1 beschrieben. Jedoch erfordert eine solche schrittweise Art dem Motor zu starten eine komplizierte und teure PWM-Schaltung. Zusätzlich wird diese PWM- Schaltung ein elektroakustisches Geräusch einbringen, während der Motor gestartet wird, und die Zuverlässigkeit von internen elektronischen Teilen wird unter vielfachen Impulsen leiden.

Bei einem in der DE 199 13 956 C2 beschriebenen Motor mit Anlaufstrombegrenzung wird ein Pulsbreitenmodulationssignal durch Vergleichen eines Dreicksignals eines Oszillators mit dem Ausgangssignal eines Intergrators erhalten. Dadurch wird die Verwendung von einer Regel- oder Steuersoftware gemäß dem vorstehenden Verfahren bei der Anlaufstrombegrenzung vermieden.

Ein Nachteil bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren ist, dass das unterschiedliche, beispielsweise lastabhängige, Anlaufverhalten des Motors nicht berücksichtigt wird.

Ein weiteres Verfahren den Motor schrittweise zu starten, beschreibt die DE 199 08 007 A1. Der Motor wird durch eine Schaltung gestartet, bei der ein Signalgenerator mit einer Komparatorschaltung verbunden ist, um das von dem Signalgenerator erzeugte Signal in ein anderes Signal umzuwandeln, das mit einem Referenzsignal verglichen wird, um ein Steuersignal zu erzeugen, das von einer Steuereinrichtung empfangen wird, die mit dem Motor verbunden ist und einen durch den Motor fließenden Strom schrittweise entsprechend der Spannung des Steuersignals zu erhöhen, so dass der Motor schrittweise gestartet wird.

Es ist jedoch wünschenswert, eine vereinfachte und ökonomische Startvorrichtung und ein vereinfachtes und ökonomisches Verfahren zu entwickeln, um die vorstehend beschriebenen Mängel des Standes der Technik zu verbessern.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Startvorrichtung zum Beseitigen eines Spitzenstroms bereitzustellen, der eingeleitet wird, wenn ein ein Gleichstrom-(DC-)Motor betätigt wird.

Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine vereinfachte und billige Startvorrichtung zum Beseitigen eines Spitzenstroms bereitzustellen, der eingeleitet wird, wenn ein Gleichstrom-(DC-)Motor betätigt wird, ohne die Zuverlässigkeit innerer elektronischer Teile zu beeinträchtigen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Startvorrichtung zum Beseitigen eines Spitzenstromes beim Anlauf eines Gleichstrom-(DC-)Motors einen Frequenzgenerator, der mit dem Motor elektrisch verbunden ist, zur Erzeugung eines periodischen Rechtecksignals, das eine zu einer Rotationsgeschwindigkeit des Motors proportionale Frequenz auf weist; eine Steuereinrichtung, die mit dem Motor und einer Komparatorschaltung elektrisch verbunden ist; um ein Pulsbreitenmodulationssignal (PWM) zu empfangen und um schrittweise einen durch den Motor fließenden Strom zu erhöhen; wobei die Komparatorschaltung einen Signalkonverter, der mit dem Frequenzgenerator elektrisch verbunden ist, um das Rechtecksignal in ein Dreiecksignal oder ein Sägezahnsignal umzuwandeln, und einen Komparator umfasst, der mit dem Signalkonverter und der Steuereinrichtung elektrisch verbunden ist, um das Dreiecksignal oder das Sägezahnsignal mit einem Referenzsignal eines Integrators zu vergleichen, um das Pulsbreitenmodulationssignal auszugeben.

Zusätzlich umfasst die Startvorrichtung weiter eine Ladeschaltung oder eine Widerstands- Kondensatorschaltung, die zwischen dem Komparator und einer Spannungsquelle elektrisch verbunden ist, die zur Versorgung des Motors mit einer erforderten Spannung verwendet wird, und das Referenzsignal bereitstellt.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Startvorrichtung weiter eine Treiberschaltung, die zwischen dem Motor und dem Frequenzgenerator zum Treiben des Motors elektrisch verbunden ist.

Die Steuervorrichtung kann ein elektronischer Schalter oder ein Transistor sein, um den durch den Motor fließenden Strom entsprechend des Pulsbreitenmodulationssignals schrittweise zu erhöhen.

Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Startverfahren zum Beseitigen eines Spitzenstroms bereitzustellen, der eingeleitet wird, wenn ein Motor betätigt wird.

Das Startverfahren umfasst die Schritte (a) bereitstellen eines periodischen Rechtecksignals, das der Rotationsgeschwindigkeit des Motors entspricht; (b) umwandeln des periodischen Rechtecksignals, um ein Dreiecksignal oder ein Sägezahnsignal zu werden, um mit einem Referenzsignal verglichen zu werden, um ein Pulsbreitenmodulationsignal zu erzeugen; und (c) schrittweise erhöhen eines durch den Motor fließenden Stroms entsprechend des Pulsbreitenmodulationsignals und dadurch beseitigen des Spitzenstroms der eingeleitet wird, wenn der Motor betätigt wird.

Die vorliegende Erfindung kann am besten durch die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung verstanden werden, in der:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm ist, das eine bevorzugte Ausführungsform der Startvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 das Verhältnis zwischen der Umwandlung und Variation der erzeugten Signale und der Rotationsgeschwindigkeit des Motors in der Startvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt, und

Fig. 3 ein schematisches Diagramm ist, das eine andere bevorzugte Ausführungsform der Startvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Die vorliegende Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf die folgenden Ausführungsformen beschrieben. Es muss besonders bemerkt werden, dass die folgende Beschreibungen der bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung hierin lediglich zur Illustration und zur Beschreibung dargestellt sind. Sie ist nicht dazu bestimmt, auf die exakte offenbarte Form erschöpfend oder beschränkend zu sein.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Startvorrichtung zum Beseitigen eines Spitzenstroms bereit, der eingeleitet wird, wenn ein Gleichstrom-(DC-)Motor betätigt wird. Unter Bezugnahme auf Fig. 1, wird eine bevorzugte Ausführungsform der Startvorrichtung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Startvorrichtung beinhaltet einen, mit dem Motor 11 elektrisch verbundenen, Frequenzgenerator 12, der ein periodisches Rechtecksignal erzeugt, das eine zu einer Rotationsgeschwindigkeit des Motors proportionale Frequenz aufweist, eine Steuereinrichtung 16, die mit dem Motor 11 und einer Komparatorschaltung elektrisch verbunden ist, um ein Pulsbreitenmodulationssignal (PWM) zu empfangen und um schrittweise einen durch den Motor 11 fließenden Strom zu erhöhen; wobei die Komparatorschaltung einen Signalkonverter 13 und einen Komparator 14 aufweist. Der Signalkonverter 13 ist mit dem Frequenzgenerator 12 elektrisch verbunden, und ist eine Dreieckgeneratorschaltung, um das Rechtecksignal in ein Dreieckssignal oder ein Sägezahnsignal umzuwandeln, das dazu bestimmt ist, mit einem Referenzsignal Vref (oder eine Zielbasisspannung genannt) verglichen zu werden. Der Komparator 14 ist mit dem Signalkonverter 13 elektrisch verbunden, um das Dreieckssignal oder das Sägezahnsignal mit dem Referenzsignal zu vergleichen, um ein Pulsbreitenmodulations (PWM-)Signal auszugeben. Das Referenzsignal wird durch eine Ladeschaltung oder eine Widerstands-Kondensator-Schaltung 15 bereitgestellt, die zwischen dem Komparator 14 und einer Spannungsquelle Vcc elektrisch verbunden ist, die eine erforderte Spannung für den Motor 11 bereitstellt.

Die Steuereinrichtung kann ein elektronischer Schalter, vorzugsweise ein Transistor 16, sein, um den durch den Motor 11 fließenden Strom, nach dem Empfangen des PWM-Signals, schrittweise zu erhöhen, und dadurch den Spitzenstrom zu beseitigen, wenn der Motor 11 betätigt wird, und um weiter die Rotationsgeschwindigkeit des Motors 11 zu steuern.

Um die Beziehungen zwischen der Umwandlung und der Variation jedes erzeugten Signals und der Rotationsgeschwindigkeit des Motors in der erfindungsgemäßen Startvorrichtung detailliert darzustellen wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Das durch den Frequenzgenerator 12 erzeugte FG-Signal ist ein periodisches Rechtecksignal (in dieser Figur als der Signalverlauf (a) gezeigt) das die Frequenz aufweist, die proportional zu einer Rotationsgeschwindigkeit des Motors ist.

Nachdem das periodische Rechtecksignal durch die Dreieckgeneratorschaltung 13 in ein Dreieckssignal oder ein Sägezahnsignal (in der Figur als Signalverlauf (b) gezeigt) umgewandelt ist, kann das Dreieckssignal in den Komparator 14 eingegeben werden, um mit dem, durch die Widerstands-Kondensator-Schaltung 15 bereitgestellte, Referenzsignal Vref (in der Figur als gestrichelter Signalverlauf (b) gezeigt) verglichen zu werden. Der Komparator 14 gibt entsprechend dem verglichenen Ergebnis das PWM-Signal (in der Figur als Signalverlauf (c) gezeigt) zu dem Transistor 16 aus. Wenn das PWM-Signal von dem Transistor 16 empfangen wird, beginnt der Motor 11 zu rotieren; wohingegen die PWM-Signaleingabe aufhört (daß heißt der Zustand des PWM-Signals wird von einem relativ hohen Spannungsniveau zu einen relativ niedrigen Spannungsniveau verändert), wird der Transistor in einen geschlossenen Zustand geschaltet, der Motor kann aber wegen der Trägheit noch eine Zeitspanne weiter rotierten. Folglich kann der Schaltzustand des Transistors dazu verwendet werden, den, dem Motor bereitgestellten Strom zu steuern, so daß die Rotationsgeschwindigkeit des Motors schrittweise gesteigert werden kann, bis der Motor (wie in (d) von Fig. 2 gezeigt) mit maximaler Drehzahl rotiert. Durch so eine vereinfachte Schaltungsauslegung kann der Spitzenstrom effektiv beseitigt werden, der eingeleitet wird, wenn der Motor betätigt wird.

Außerdem wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Startvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ihre Struktur und Arbeitsprinzipien sind nahezu identisch zu denen, die in Fig. 1 gezeigt sind, mit der Ausnahme, dass die Startvorrichtung weiter eine Treiberschaltung aufweist, die zum treiben des Motors 11, zwischen dem Motor 11 und dem Frequenzgenerator 12 elektrisch verbunden ist.

Zusammenfassend liefert die vorliegende Erfindung eine vereinfachte und billige Schaltungsauslegung für die Startvorrichtung, die zum Beseitigen eines Spitzenstroms verwendet wird, der eingeleitet wird, wenn der Motor betätigt wird, so dass der, dem Motor bereitgestellter Strom gesteuert, und die Rotationsgeschwindigkeit des Motors schrittweise erhöht werden kann, wenn er gestartet wird, und dabei das Auftreten von Spitzenstrom signifikant beseitigt, um zu verhindern, dass die innere Einrichtung des Motors oder irgendeine mit dem Motor verbundene elektrische Vorrichtung beschädigt wird.

Obwohl die Erfindung hinsichtlich dessen beschrieben wurde, was gegenwärtig als die praktischsten und bevorzugten Ausführungsformen angesehen werden, muß klar sein, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt zu werden braucht. Im Gegenteil, ist es beabsichtigt, verschiedene Abänderungen und ähnliche Anordnungen die in dem Wesen und in dem Schutzumfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind, denen die weiteste Auslegung zugestanden werden soll, um alle solchen Veränderungen und ähnlichen Strukturen zu umfassen.

Claims (9)

1. Startvorrichtung zum Beseitigen eines Spitzenstromes beim Anlauf eines Gleichstrom-(DC-) Motors, umfassend:
einen Frequenzgenerator, der mit dem Motor elektrisch verbunden ist, zur Erzeugung eines periodischen Rechtecksignals, das eine zu einer Rotationsgeschwindigkeit des Motors proportionale Frequenz aufweist;
eine Steuereinrichtung, die mit dem Motor und einer Komparatorschaltung elektrisch verbunden ist, um ein Pulsbreitenmodulationssignal (PWM) zu empfangen und um schrittweise einen durch den Motor fließenden Strom zu erhöhen; wobei die Komparatorschaltung einen Signalkonverter, der mit dem Frequenzgenerator elektrisch verbunden ist, um das Rechtecksignal in ein Dreiecksignal oder ein Sägezahnsignal umzuwandeln, und einen Komparator umfasst, der mit dem Signalkonverter und der Steuereinrichtung elektrisch verbunden ist, um das Dreiecksignal oder das Sägezahnsignal mit einem Referenzsignal eines Integrators zu vergleichen, um das Pulsbreitenmodulationssignal auszugeben.

2. Startvorrichtung gemäß Anspruch 1, weiter umfassend eine Ladeschaltung, die elektrisch zwischen dem Komparator und einer Spannungsquelle verbunden ist, um den Motor mit einer erforderten Spannung zu versorgen, und um das Referenzsignal bereitzustellen.

3. Startvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Ladeschaltung eine Widerstands- Kondensatorschaltung ist.

4. Startvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung ein elektronischer Schalter ist, um den, durch den Motor fließenden Strom schrittweise entsprechend zu dem Pulsbreitenmodulationssignal zu erhöhen.

5. Startvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei der elektronische Schalter ein Transistor ist.

6. Startvorrichtung gemäß Anspruch 1, weiter eine Treiberschaltung aufweisend, die zum Treiben des Motors zwischen dem Motor und dem Frequenzgenerator elektrisch verbunden ist.

7. Startverfahren zum Beseitigen eines Spitzenstromes der eingeleitet wird, wenn ein Gleichstrom-(DC-)Motor betätigt wird, umfassend die Schritte:

• a) bereitstellen eines periodischen Rechtecksignals, das der Rotationsgeschwindigkeit des Motors entspricht;
• b) umwandeln des periodischen Rechtecksignals, um ein Dreiecksignal oder ein Sägezahnsignal zu werden, um mit einem Referenzsignal verglichen zu werden, um ein Pulsbreitenmodulationsignal zu erzeugen; und
• c) schrittweise erhöhen eines durch den Motor fließenden Stroms entsprechend des Pulsbreitenmodulationsignals und dadurch beseitigen des Spitzenstroms, der eingeleitet wird, wenn der Motor betätigt wird.

8. Startverfahren gemäß Anspruch 7, wobei das periodische Rechtecksignal eine zu einer Rotationsgeschwindigkeit des Motors proportionale Frequenz aufweist.

9. Startverfahren gemäß Anspruch 8, weiter umfassend einen Schritt des Wiederholens der Schritte (a) bis (c), um die Rotationsgeschwindigkeit des Motors schrittweise zu erhöhen, bis er mit maximaler Drehzahl rotiert.