DE102020200813A1 - Power converter and electric drive system - Google Patents

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Matthias Theßeling
Dominik Weper
Lucas Steinacker
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Lenze Automation GmbH
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Abstract

Stromrichter (1), aufweisend:- eine erste Halbbrückenschaltung (2) mit einem Mittenabgriff (3), wobei der Mittenabgriff (3) der ersten Halbbrückenschaltung (2) mit einem ersten Ausgangsanschlusspol (4) elektrisch verbunden ist,- eine zweite Halbbrückenschaltung (5) mit einem Mittenabgriff (6), wobei der Mittenabgriff (6) der zweiten Halbbrückenschaltung (5) mit einem zweiten Ausgangsanschlusspol (7) elektrisch verbunden ist,- eine dritte Halbbrückenschaltung (8) mit einem Mittenabgriff (9), wobei der Mittenabgriff (9) der dritten Halbbrückenschaltung (8) mit einem dritten Ausgangsanschlusspol (10) elektrisch verbunden ist, und- eine Steuereinheit (11), die dazu ausgebildet ist, die erste, die zweite und die dritte Halbbrückenschaltung (2, 5, 8) in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsarten (B1, B2, B3) des Stromrichters (1) anzusteuern,- wobei der Stromrichter (1) mindestens zwei der folgenden Betriebsarten (B1, B2, B3) aufweist:- eine erste Betriebsart (B1),- bei der an den ersten Anschlusspol (4), an den zweiten Anschlusspol (7) und an den dritten Anschlusspol (10) eine bürstenlose Gleichstrommaschine (12), eine Synchronmaschine (13), eine Asynchronmaschine (14) oder eine Reluktanzmaschine (15) anschließbar ist,- eine zweite Betriebsart (B2),- bei der an zwei Anschlusspole ((4, 7), (7, 10), (4, 10)) der drei Anschlusspole (4, 7, 10) eine permanenterregte Gleichstrommaschine (16) oder ein Reihenschlussmaschine (17) anschließbar ist, oder bei der an die drei Anschlusspole (4, 7, 10) zwei permanenterregte Gleichstrommaschinen (16_1, 16_2) oder zwei Reihenschlussmaschinen (17_1, 17_2) anschließbar sind, und- eine dritte Betriebsart (B3),- bei der an den ersten Anschlusspol (4), an den zweiten Anschlusspol (7) und an den dritten Anschlusspol (10) eine fremderregte Gleichstrommaschine (18) oder ein Schrittmotor (19) anschließbar ist.Converter (1), comprising: - a first half-bridge circuit (2) with a center tap (3), the center tap (3) of the first half-bridge circuit (2) being electrically connected to a first output connection pole (4), - a second half-bridge circuit (5) ) with a center tap (6), the center tap (6) of the second half-bridge circuit (5) being electrically connected to a second output connection pole (7), - a third half-bridge circuit (8) with a center tap (9), the center tap (9 ) the third half-bridge circuit (8) is electrically connected to a third output terminal (10), and- a control unit (11) which is designed to control the first, the second and the third half-bridge circuit (2, 5, 8) as a function of to control different operating modes (B1, B2, B3) of the converter (1), - the converter (1) having at least two of the following operating modes (B1, B2, B3): - a first operating mode (B1), - in the first A connection pole (4), a brushless DC machine (12), a synchronous machine (13), an asynchronous machine (14) or a reluctance machine (15) can be connected to the second connection pole (7) and to the third connection pole (10), - a second Operating mode (B2), - with a permanent-magnet DC machine (16) or a series machine ( 17) can be connected, or in which two permanently excited DC machines (16_1, 16_2) or two series machines (17_1, 17_2) can be connected to the three connection poles (4, 7, 10), and - a third operating mode (B3) - in the a separately excited DC machine (18) or a stepper motor (19) can be connected to the first connection pole (4), the second connection pole (7) and the third connection pole (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter und ein elektrisches Antriebssystem.The invention relates to a power converter and an electrical drive system.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter und ein elektrisches Antriebssystem zur Verfügung zu stellen, die möglichst flexibel verwendbar ist.The invention is based on the object of providing a power converter and an electrical drive system which can be used as flexibly as possible.

Der erfindungsgemäße Stromrichter weist eine erste Halbbrückenschaltung mit einem Mittenabgriff auf, wobei der Mittenabgriff der ersten Halbbrückenschaltung mit einem ersten Ausgangsanschlusspol des Stromrichters elektrisch verbunden ist.The converter according to the invention has a first half-bridge circuit with a center tap, the center tap of the first half-bridge circuit being electrically connected to a first output terminal of the converter.

Der Stromrichter weist weiter eine zweite Halbbrückenschaltung mit einem Mittenabgriff auf, wobei der Mittenabgriff der zweiten Halbbrückenschaltung mit einem zweiten Ausgangsanschlusspol des Stromrichters elektrisch verbunden ist.The converter also has a second half-bridge circuit with a center tap, the center tap of the second half-bridge circuit being electrically connected to a second output terminal of the converter.

Der Stromrichter weist weiter eine dritte Halbbrückenschaltung mit einem Mittenabgriff auf, wobei der Mittenabgriff der dritten Halbbrückenschaltung mit einem dritten Ausgangsanschlusspol des Stromrichters elektrisch verbunden ist.The converter also has a third half-bridge circuit with a center tap, the center tap of the third half-bridge circuit being electrically connected to a third output terminal of the converter.

Der Stromrichter kann beispielsweise zumindest in einer Betriebsart einen Frequenzumrichter bilden, der dazu ausgebildet ist, einen dreiphasigen Drehstrommotor anzusteuern.The converter can, for example, form a frequency converter in at least one operating mode, which is designed to control a three-phase three-phase motor.

Die erste, zweite und dritte Halbbrückenschaltung können beispielsweise jeweils ein erstes und ein zweites Halbleiterschaltmittel aufweisen, die in Serie zwischen einen ersten elektrischen Leiter und einen zweiten elektrischen Leiter eingeschleift sind, wobei zwischen den beiden elektrischen Leitern eine Zwischenkreisspannung ansteht. Ein Verbindungsknoten der beiden Halbleiterschaltmittel bildet dann den Mittenabgriff einer jeweiligen Halbbrückenschaltung. Typisch wird ein Schaltzustand der beiden Schaltmittel einer jeweiligen Halbbrücke derart eingestellt, dass entweder das erste Halbleiterschaltmittel oder das zweite Halbleiterschaltmittel leitend ist, d.h. der Mittenabgriff ist entweder mit dem ersten elektrischen Leiter oder dem zweiten elektrischen Leiter elektrisch verbunden. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.The first, second and third half-bridge circuits can each have a first and a second semiconductor switching device, for example, which are looped in series between a first electrical conductor and a second electrical conductor, with an intermediate circuit voltage being applied between the two electrical conductors. A connection node of the two semiconductor switching means then forms the center tap of a respective half-bridge circuit. Typically, a switching state of the two switching means of a respective half bridge is set in such a way that either the first semiconductor switching means or the second semiconductor switching means is conductive, i.e. the center tap is electrically connected to either the first electrical conductor or the second electrical conductor. In this respect, reference is also made to the relevant specialist literature.

Der Stromrichter weist weiter eine Steuereinheit auf, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, die dazu ausgebildet ist, die erste, die zweite und die dritte Halbbrückenschaltung bzw. deren jeweilige Halbleiterschaltmittel in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsarten des Stromrichters anzusteuern.The converter also has a control unit, for example in the form of a microprocessor, which is designed to control the first, second and third half-bridge circuits or their respective semiconductor switching means as a function of different operating modes of the converter.

Der Stromrichter weist mindestens zwei der nachfolgend beschriebenen Betriebsarten auf bzw. ist in diesen Betriebsarten betreibbar. Insbesondere weist der Stromrichter alle nachfolgend beschriebenen Betriebsarten auf bzw. ist in diesen Betriebsarten betreibbar.The converter has at least two of the operating modes described below or can be operated in these operating modes. In particular, the converter has all of the operating modes described below or can be operated in these operating modes.

Eine erste Betriebsart, bei der bzw. während der an den ersten Anschlusspol, an den zweiten Anschlusspol und an den dritten Anschlusspol herkömmlich eine einzelne bürstenlose Gleichstrommaschine, eine einzelne Synchronmaschine, eine einzelne Asynchronmaschine oder eine einzelne Reluktanzmaschine bestimmungsgemäß anschließbar ist bzw. angeschlossen ist.A first mode of operation in which or during which a single brushless DC machine, a single synchronous machine, a single asynchronous machine or a single reluctance machine can or is connected to the first connection pole, the second connection pole and the third connection pole as intended.

Eine zweite Betriebsart, bei der bzw. während der an zwei von drei Anschlusspolen bestimmungsgemäß eine einzelne permanenterregte Gleichstrommaschine oder eine einzelne Reihenschlussmaschine anschließbar ist bzw. angeschlossen ist, oder bei der bzw. während der an die drei Anschlusspole bestimmungsgemäß gleichzeitig zwei permanenterregte Gleichstrommaschinen oder zwei Reihenschlussmaschinen anschließbar sind bzw. angeschlossen sind.A second operating mode in which or during which a single permanently excited DC machine or a single series machine can be or is connected to two of three connection poles as intended, or in which or during which two permanently excited DC machines or two series machines are intended to be connected to the three connection poles at the same time are or are connected.

Eine dritte Betriebsart, bei der bzw. während an den ersten Anschlusspol, an den zweiten Anschlusspol und an den dritten Anschlusspol bestimmungsgemäß eine einzelne fremderregte Gleichstrommaschine oder ein einzelner Schrittmotor anschließbar ist bzw. angeschlossen ist.A third operating mode, in which or while a single separately excited DC machine or a single stepper motor can or is connected to the first connection pole, the second connection pole and the third connection pole as intended.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit in der ersten Betriebsart dazu ausgebildet, die erste Halbbrückenschaltung, die zweite Halbbrückenschaltung und die dritte Halbbrückenschaltung bzw. deren Halbleiterschaltmittel derart anzusteuern, dass eine Spannung zwischen dem Mittenabgriff der ersten Halbbrückenschaltung und dem Mittenabgriff der zweiten Halbbrückenschaltung und eine Spannung zwischen dem Mittenabgriff der ersten Halbbrückenschaltung und dem Mittenabgriff der dritten Halbbrückenschaltung (und somit auch eine Spannung zwischen dem Mittenabgriff der zweiten Halbbrückenschaltung und dem Mittenabgriff der dritten Halbbrückenschaltung) jeweils einen vorgebbaren zeitlich veränderlichen Verlauf aufweisen, insbesondere einen sinusförmigen oder trapezförmigen Verlauf aufweisen, insbesondere mit einer vorgebbaren Frequenz und Amplitude. Zur Erhöhung eines Aussteuergrads können bei einer sogenannten Übermodulation weitere Signalanteile aufmoduliert werden, um einen erhöhten Grundschwingungsanteil zu ermöglichen.According to one embodiment, in the first operating mode, the control unit is designed to use the first half-bridge circuit and the second To control the half-bridge circuit and the third half-bridge circuit or its semiconductor switching means in such a way that a voltage between the center tap of the first half-bridge circuit and the center tap of the second half-bridge circuit and a voltage between the center tap of the first half-bridge circuit and the center tap of the third half-bridge circuit (and thus also a voltage between the Center tap of the second half-bridge circuit and the center tap of the third half-bridge circuit) each have a predeterminable time-variable profile, in particular have a sinusoidal or trapezoidal profile, in particular with a predeterminable frequency and amplitude. In order to increase a modulation level, further signal components can be modulated in the case of so-called overmodulation in order to enable an increased fundamental component.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit in der zweiten Betriebsart dazu ausgebildet, die erste Halbbrückenschaltung, die zweite Halbbrückenschaltung und die dritte Halbbrückenschaltung bzw. deren Halbleiterschaltmittel derart anzusteuern, dass in die angeschlossene Gleichstrommaschine oder die angeschlossenen Gleichstrommaschinen oder in die angeschlossene Reihenschlussmaschine oder die angeschlossenen Reihenschlussmaschinen bzw. deren Ankerwicklung(en) und/oder Erregerwicklung(en) ein einstellbarer Strom eingeprägt wird.According to one embodiment, the control unit is designed in the second operating mode to control the first half-bridge circuit, the second half-bridge circuit and the third half-bridge circuit or their semiconductor switching means in such a way that the connected DC machine or the connected DC machines or the connected series machine or the connected series machines or whose armature winding (s) and / or excitation winding (s) are impressed with an adjustable current.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit in der dritten Betriebsart dazu ausgebildet, die erste Halbbrückenschaltung, die zweite Halbbrückenschaltung und die dritte Halbbrückenschaltung bzw. deren Halbleiterschaltmittel derart anzusteuern, dass in der Erregerwicklung und der Ankerwicklung der angeschlossenen fremderregten Gleichstrommaschine oder in zwei Spulen des angeschlossenen Schrittmotors jeweils ein einstellbarer Strom eingeprägt wird.According to one embodiment, the control unit is designed in the third operating mode to control the first half-bridge circuit, the second half-bridge circuit and the third half-bridge circuit or their semiconductor switching means in such a way that in the field winding and the armature winding of the connected separately excited DC machine or in two coils of the connected stepper motor, respectively an adjustable current is impressed.

Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Halbbrückenschaltung, die zweite Halbbrückenschaltung und die dritte Halbbrückenschaltung jeweils mit einer Zwischenkreisspannung versorgt, deren Pegel zwischen 24 V und 48 V liegt. Mit anderen Worten liegt die Spannung zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter, zwischen die die Schaltmittel der jeweiligen Halbbrückenschaltungen eingeschleift sind, in einem Bereich zwischen 24 V und 48 V. Alternativ kann die Spannung zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter auch in einem Bereich zwischen 550 V bis 700 V liegen.According to one embodiment, the first half-bridge circuit, the second half-bridge circuit and the third half-bridge circuit are each supplied with an intermediate circuit voltage, the level of which is between 24 V and 48 V. In other words, the voltage between the first electrical conductor and the second electrical conductor, between which the switching means of the respective half-bridge circuits are looped, is in a range between 24 V and 48 V. Alternatively, the voltage between the first electrical conductor and the second electrical conductor Conductors also lie in a range between 550 V to 700 V.

Gemäß einer Ausführungsform weist der Stromrichter eine, insbesondere digitale, Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle bzw. I/O-Schnittstelle auf.According to one embodiment, the converter has an, in particular digital, input / output interface or I / O interface.

Gemäß einer Ausführungsform weist der Stromrichter eine oder mehrere Schnittstellen für einen Drehgeber bzw. Encoder auf.According to one embodiment, the converter has one or more interfaces for a rotary encoder or encoder.

Gemäß einer Ausführungsform weist der Stromrichter eine Versorgungsspannungs-Schnittstelle auf, über die die Zwischenkreisspannung von einer externen Versorgungsspannungseinheit zuführbar ist.According to one embodiment, the converter has a supply voltage interface via which the intermediate circuit voltage can be supplied from an external supply voltage unit.

Das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem weist einen oben beschriebenen Stromrichter, mindestens einen durch den Stromrichter angesteuerten Elektromotor, und eine Versorgungsspannungseinheit zur Spannungsversorgung des Stromrichters auf.The electrical drive system according to the invention has a converter described above, at least one electric motor controlled by the converter, and a supply voltage unit for supplying voltage to the converter.

Gemäß einer Ausführungsform weist das elektrische Antriebssystem eine mittels der Versorgungsspannungseinheit versorgte speicherprogrammierbare Steuerung SPS in Datenverbindung mit dem Stromrichter, und einen Drehgeber in Datenverbindung mit dem Stromrichter auf, wobei der Stromrichter dazu ausgebildet ist, unter Steuerung der SPS basierend auf Daten des Drehgebers und/oder basierend auf Zuständen von Signalen an seiner Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle durch Ansteuern des Elektromotors ein vorgegebenes Bewegungsprofil zu erzeugen.According to one embodiment, the electrical drive system has a programmable logic controller PLC supplied by means of the supply voltage unit in data connection with the converter, and an encoder in data connection with the converter, the converter being designed to operate under control of the PLC based on data from the encoder and / or based on the states of signals at its input / output interface to generate a predetermined movement profile by controlling the electric motor.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt hoch schematisch:

  • 1 einen erfindungsgemäßen Stromrichter in einer ersten Betriebsart, bei der an drei Anschlusspole des Stromrichters eine bürstenlose Gleichstrommaschine, eine Synchronmaschine, eine Asynchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine angeschlossen ist,
  • 2 den erfindungsgemäßen Stromrichter in einer zweiten Betriebsart, bei der an zwei der drei Anschlusspole des Stromrichters eine permanenterregte Gleichstrommaschine angeschlossen ist,
  • 3 den erfindungsgemäßen Stromrichter in der zweiten Betriebsart, bei der an zwei der drei Anschlusspole des Stromrichters eine Reihenschlussmaschine angeschlossen ist,
  • 4 den erfindungsgemäßen Stromrichter in der zweiten Betriebsart, bei der an die drei Anschlusspole des Stromrichters zwei permanenterregte Gleichstrommaschinen angeschlossen sind,
  • 5 den erfindungsgemäßen Stromrichter in einer dritten Betriebsart, bei der an die drei Anschlusspole des Stromrichters eine fremderregte Gleichstrommaschine angeschlossen ist,
  • 6 den erfindungsgemäßen Stromrichter in der dritten Betriebsart, bei der an die drei Anschlusspole des Stromrichters ein Schrittmotor angeschlossen ist, und
  • 7 ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem.
The invention is described in detail below with reference to the drawings. Here shows highly schematically:
  • 1 a converter according to the invention in a first operating mode in which a brushless DC machine, a synchronous machine, an asynchronous machine or a reluctance machine is connected to three connection poles of the converter,
  • 2 the converter according to the invention in a second operating mode, in which a permanently excited DC machine is connected to two of the three connection poles of the converter,
  • 3 the converter according to the invention in the second operating mode, in which a series machine is connected to two of the three connection poles of the converter,
  • 4th the converter according to the invention in the second operating mode, in which two permanently excited DC machines are connected to the three connection poles of the converter,
  • 5 the converter according to the invention in a third operating mode, in which an externally excited DC machine is connected to the three connection poles of the converter,
  • 6th the converter according to the invention in the third operating mode, in which a stepper motor is connected to the three connection poles of the converter, and
  • 7th an electric drive system according to the invention.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromrichter 1. 1 shows a converter according to the invention 1 .

Der Stromrichter 1 weist eine erste Halbbrückenschaltung 2 mit einem Mittenabgriff 3 auf, wobei der Mittenabgriff 3 der ersten Halbbrückenschaltung 2 mit einem ersten Ausgangsanschlusspol 4 elektrisch verbunden ist.The converter 1 has a first half-bridge circuit 2 with a center tap 3 on, with the center tap 3 the first half-bridge circuit 2 with a first output terminal 4th is electrically connected.

Der Stromrichter 1 weist weiter eine zweite Halbbrückenschaltung 5 mit einem Mittenabgriff 6 auf, wobei der Mittenabgriff 6 der zweiten Halbbrückenschaltung 5 mit einem zweiten Ausgangsanschlusspol 7 elektrisch verbunden ist.The converter 1 further has a second half-bridge circuit 5 with a center tap 6th on, with the center tap 6th the second half-bridge circuit 5 with a second output terminal 7th is electrically connected.

Der Stromrichter 1 weist weiter eine dritte Halbbrückenschaltung 8 mit einem Mittenabgriff 9 auf, wobei der Mittenabgriff 9 der dritten Halbbrückenschaltung 8 mit einem dritten Ausgangsanschlusspol 10 elektrisch verbunden ist.The converter 1 further has a third half-bridge circuit 8th with a center tap 9 on, with the center tap 9 the third half-bridge circuit 8th with a third output terminal 10 is electrically connected.

Der Stromrichter 1 weist weiter eine Steuereinheit 11 auf, die dazu ausgebildet ist, die erste, die zweite und die dritte Halbbrückenschaltung 2, 5, 8 bzw. deren Halbleiterschaltmittel in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsarten B1, B2, B3 des Stromrichters 1 anzusteuern.The converter 1 further has a control unit 11 on, which is designed to the first, the second and the third half-bridge circuit 2 , 5 , 8th or their semiconductor switching means depending on different operating modes B1 , B2 , B3 of the converter 1 head for.

Die Halbbrückenschaltung 2, 5, 8 weisen jeweils herkömmliche, nicht näher dargestellte Halbleiterschaltmittel auf. Beispielsweise können zwei herkömmliche Halbleiterschaltmittel zwischen zwei elektrische Leiter 20 und 21 eingeschleift sein. Der Verbindungspunkt der beiden Halbleiterschaltmittel ist dann der entsprechende Mittenabgriff 3, 6, bzw. 9. Zwischen den elektrischen Leitern 20 und 21 steht typisch eine Gleichspannung bzw. Zwischenkreisspannung beispielsweise mit einem Pegel zwischen 24 V und 48 V an. In den Figuren sind die beiden Halbleiterschaltmittel schematisch durch einen jeweiligen Wechselschalter abgebildet.The half-bridge circuit 2 , 5 , 8th each have conventional semiconductor switching means, not shown in detail. For example, two conventional semiconductor switching means can be placed between two electrical conductors 20th and 21 be looped in. The connection point of the two semiconductor switching means is then the corresponding center tap 3 , 6th , or. 9 . Between the electrical conductors 20th and 21 a DC voltage or intermediate circuit voltage, for example with a level between 24 V and 48 V, is typically present. In the figures, the two semiconductor switching means are shown schematically by a respective changeover switch.

In 1 ist der Stromrichter 1 in einer ersten Betriebsart B1 gezeigt, bei der an die drei Anschlusspole 4, 7, und 10 des Stromrichters 1 eine bürstenlose Gleichstrommaschine 12, eine Synchronmaschine 13, eine Asynchronmaschine 14 oder eine Reluktanzmaschine 15 angeschlossen ist.In 1 is the converter 1 in a first mode of operation B1 shown at the to the three connection poles 4th , 7th , and 10 of the converter 1 a brushless DC machine 12th , a synchronous machine 13th , an asynchronous machine 14th or a reluctance machine 15th connected.

In der ersten Betriebsart B1 ist die Steuereinheit 11 dazu ausgebildet, die erste Halbbrückenschaltung 2, die zweite Halbbrückenschaltung 5 und die dritte Halbbrückenschaltung 8 derart anzusteuern, dass eine Spannung zwischen dem Mittenabgriff 3 der ersten Halbbrückenschaltung 2 und dem Mittenabgriff 6 der zweiten Halbbrückenschaltung 5, eine Spannung zwischen dem Mittenabgriff 3 der ersten Halbbrückenschaltung 2 und dem Mittenabgriff 9 der dritten Halbbrückenschaltung 8 und eine Spannung zwischen dem Mittenabgriff 6 der zweiten Halbbrückenschaltung 5 und dem Mittenabgriff 9 der dritten Halbbrückenschaltung 8 jeweils einen vorgebbaren zeitlich veränderlichen Verlauf aufweisen, insbesondere einen sinusförmigen oder trapezförmigen Verlauf aufweisen. Dies entspricht einer herkömmlichen Ansteuervariante und Erzeugung der Spannungen für die in den ersten Betriebsart B1 angeschlossenen elektrischen Maschinen, insoweit sei daher auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.In the first mode of operation B1 is the control unit 11 designed to use the first half-bridge circuit 2 , the second half-bridge circuit 5 and the third half-bridge circuit 8th to be controlled in such a way that a voltage between the center tap 3 the first half-bridge circuit 2 and the center tap 6th the second half-bridge circuit 5 , a tension between the center tap 3 the first half-bridge circuit 2 and the center tap 9 the third half-bridge circuit 8th and a voltage between the center tap 6th the second half-bridge circuit 5 and the center tap 9 the third half-bridge circuit 8th each have a predeterminable time-variable course, in particular have a sinusoidal or trapezoidal course. This corresponds to a conventional control variant and generation of the voltages for those in the first operating mode B1 connected electrical machines, in this respect reference is therefore also made to the relevant specialist literature.

2 zeigt den erfindungsgemäßen Stromrichter 1 in einer zweiten Betriebsart B2, bei der an zwei Anschlusspole 4 und 7 der drei Anschlusspole 4, 7, und 10 des Stromrichters 1 eine permanenterregte Gleichstrommaschine 16 angeschlossen ist. In der gezeigten Ausführungsform ist die Steuereinheit 11 dazu ausgebildet, die erste Halbbrückenschaltung 2 und die zweite Halbbrückenschaltung 5 derart anzusteuern, dass in die permanenterregte Gleichstrommaschine 16 bzw. deren Ankerwicklung (mit symbolischen Anschlüssen A1 und A2) ein einstellbarer Strom eingeprägt wird. 2 shows the converter according to the invention 1 in a second mode of operation B2 , at two connection poles 4th and 7th of the three connection poles 4th , 7th , and 10 of the converter 1 a permanent magnet DC machine 16 connected. In the embodiment shown, the control unit is 11 designed to use the first half-bridge circuit 2 and the second half-bridge circuit 5 to be controlled in such a way that in the permanently excited DC machine 16 or their armature winding (with symbolic connections A1 and A2 ) an adjustable current is impressed.

3 zeigt den erfindungsgemäßen Stromrichter 1 in der zweiten Betriebsart B2, bei der an zwei Anschlusspole 4 und 7 der drei Anschlusspole 4, 7, und 10 des Stromrichters 1 eine Reihenschlussmaschine 17 angeschlossen ist. In der gezeigten Ausführungsform ist die Steuereinheit 11 dazu ausgebildet, die erste Halbbrückenschaltung 2 und die zweite Halbbrückenschaltung 5 derart anzusteuern, dass in die Reihenschlussmaschine 17 bzw. deren Ankerwicklung (mit symbolischen Anschlüssen A1 und A2) und deren Erregerwicklung 23 (mit symbolischen Anschlüssen D1 und D2) ein einstellbarer Strom eingeprägt wird. 3 shows the converter according to the invention 1 in the second operating mode B2 , at two connection poles 4th and 7th of the three connection poles 4th , 7th , and 10 of the converter 1 an inline machine 17th connected. In the embodiment shown, the control unit is 11 designed to use the first half-bridge circuit 2 and the second half-bridge circuit 5 to be controlled in such a way that in the series machine 17th or their armature winding (with symbolic connections A1 and A2 ) and their excitation development 23 (with symbolic connections D1 and D2 ) an adjustable current is impressed.

4 zeigt den erfindungsgemäßen Stromrichter 1 in der zweiten Betriebsart B2, bei der an die Anschlusspole 4 und 7 eine erste Gleichstrommaschine 16_1 oder eine erste Reihenschlussmaschine 17_1 angeschlossen ist und an die Anschlusspole 7 und 10 eine zweite Gleichstrommaschine 16_2 oder eine zweite Reihenschlussmaschinen 17_2 angeschlossen ist. In der gezeigten Ausführungsform ist die Steuereinheit 11 dazu ausgebildet, die erste Halbbrückenschaltung 2 und die zweite Halbbrückenschaltung 5 derart anzusteuern, dass in die erste Gleichstrommaschine 16_1 (bzw. deren Ankerwicklung) bzw. die erste Reihenschlussmaschine 17_1 (bzw. deren Ankerwicklung und deren Erregerwicklung) ein erster einstellbarer Strom eingeprägt wird und die zweite Halbbrückenschaltung 5 und die dritte Halbbrückenschaltung 8 derart anzusteuern, dass in die zweite Gleichstrommaschine 16_2 (bzw. deren Ankerwicklung) bzw. die zweite Reihenschlussmaschine 17_2 (bzw. deren Ankerwicklung und deren Erregerwicklung) ein zweiter einstellbarer Strom eingeprägt wird. 4th shows the converter according to the invention 1 in the second operating mode B2 , at which to the connection poles 4th and 7th a first DC machine 16_1 or a first series machine 17_1 is connected and to the connection poles 7th and 10 a second DC machine 16_2 or a second series machine 17_2 is connected. In the embodiment shown, the control unit is 11 designed to use the first half-bridge circuit 2 and the second half-bridge circuit 5 to be controlled in such a way that a first adjustable current is impressed in the first DC machine 16_1 (or its armature winding) or the first series machine 17_1 (or its armature winding and its exciter winding) and the second half-bridge circuit 5 and the third half-bridge circuit 8th to be controlled in such a way that a second adjustable current is impressed into the second DC machine 16_2 (or its armature winding) or the second series machine 17_2 (or its armature winding and its exciter winding).

Zusammenfassend ist in der zweiten Betriebsart B2 die Steuereinheit 11 dazu ausgebildet, die erste Halbbrückenschaltung 2, die zweite Halbbrückenschaltung 5 und die dritte Halbbrückenschaltung 8 derart anzusteuern, dass in die angeschlossene Gleichstrommaschine 16 oder die angeschlossenen Gleichstrommaschinen 16_1 und 16_2 oder in die angeschlossene Reihenschlussmaschine 17 oder die angeschlossenen Reihenschlussmaschinen 17_1 und 17_2 ein einstellbarer Strom eingeprägt wird.In summary, in the second mode of operation B2 the control unit 11 designed to use the first half-bridge circuit 2 , the second half-bridge circuit 5 and the third half-bridge circuit 8th to be controlled in such a way that in the connected DC machine 16 or the connected DC machines 16_1 and 16_2 or in the connected series machine 17th or an adjustable current is impressed on the connected series machines 17_1 and 17_2.

5 zeigt den erfindungsgemäßen Stromrichter 1 in der dritten Betriebsart B3, bei der an die Anschlusspole 4, 7 und 10 eine fremderregte Gleichstrommaschine 18 angeschlossen ist. Eine Ankerwicklung 22 der fremderregten Gleichstrommaschine 18 ist zwischen die Anschlusspole 4 und 7 eingeschleift und eine Erregerwicklung 23 der fremderregten Gleichstrommaschine 18 ist zwischen die Anschlusspole 7 und 10 eingeschleift. 5 shows the converter according to the invention 1 in the third mode of operation B3 , at which to the connection poles 4th , 7th and 10 a separately excited DC machine 18th connected. An armature winding 22nd the separately excited DC machine 18th is between the connection poles 4th and 7th looped in and an excitation winding 23 the separately excited DC machine 18th is between the connection poles 7th and 10 looped in.

6 zeigt den erfindungsgemäßen Stromrichter 1 in der dritten Betriebsart B3, bei der an die Anschlusspole 4, 7 und 10 ein Schrittmotor 19 angeschlossen ist. Eine erste Spule 24 des Schrittmotors 19 ist zwischen die Anschlusspole 4 und 7 eingeschleift und eine zweite Spule 25 des Schrittmotors 19 ist zwischen die Anschlusspole 7 und 10 eingeschleift. 6th shows the converter according to the invention 1 in the third mode of operation B3 , at which to the connection poles 4th , 7th and 10 a stepper motor 19th connected. A first coil 24 of the stepper motor 19th is between the connection poles 4th and 7th looped in and a second coil 25th of the stepper motor 19th is between the connection poles 7th and 10 looped in.

Die Steuereinheit 11 ist in der dritten Betriebsart B3 dazu ausgebildet, die erste Halbbrückenschaltung 2, die zweite Halbbrückenschaltung 5 und die dritte Halbbrückenschaltung 8 derart anzusteuern, dass in der Ankerwicklung 22 und in der Erregerwicklung 23 der angeschlossenen fremderregten Gleichstrommaschine 18 oder in zwei Spulen 24 und 25 des angeschlossenen Schrittmotors 19 jeweils ein einstellbarer Strom eingeprägt wird.The control unit 11 is in the third operating mode B3 designed to use the first half-bridge circuit 2 , the second half-bridge circuit 5 and the third half-bridge circuit 8th to be controlled in such a way that in the armature winding 22nd and in the excitation winding 23 the connected separately excited DC machine 18th or in two coils 24 and 25th of the connected stepper motor 19th an adjustable current is impressed in each case.

Erfindungsgemäß kann zum Speisen aller Arten von Motoren eine dreiphasige selbstgeführte Leistungshalbleiterbrücke eingesetzt werden. Für die Motorarten bürstenlose Gleichstrommaschine, Synchronmaschine, Reluktanzmaschine und Asynchronmaschine erfolgt dies auf bekannte Art und Weise. Insoweit sei daher auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.According to the invention, a three-phase self-commutated power semiconductor bridge can be used to feed all types of motors. For the motor types brushless direct current machine, synchronous machine, reluctance machine and asynchronous machine, this is done in a known manner. In this respect, reference is therefore also made to the relevant specialist literature.

Wenn elektrische Maschinen in Form von Reihenschlussmaschinen oder permanenterregten Gleichstrommaschinen angeschlossen werden, prägt der erfindungsgemäße Stromrichter einen unabhängigen Strom ein, wobei hierzu bei nur einer einzelnen angeschlossenen Maschine lediglich zwei der drei Stränge verwendet werden.When electrical machines in the form of series machines or permanent-magnet DC machines are connected, the converter according to the invention impresses an independent current, with only two of the three strings being used for this purpose with only one connected machine.

Prinzipiell ist auch die Speisung von zwei permanenterregten Maschinen oder Reihenschlussmaschinen möglich. Hierbei ist zu beachten, dass bei gleichzeitiger Ansteuerung der Motoren nur der halbe Spannungsstellbereich zur Verfügung steht. Bei Verwendung einer Zwischenkreisspannung von 48 V lassen sich so gebräuchliche 24V-Motoren ohne Einbußen hinsichtlich des Spannungsstellbereiches speisen.In principle, it is also possible to feed two permanently excited machines or machines in series. Please note that if the motors are controlled at the same time, only half the voltage setting range is available. When using an intermediate circuit voltage of 48 V, common 24V motors can be fed without any loss of voltage setting range.

Wenn elektrische Maschinen in Form von fremderregten Gleichstrommaschinen bzw. Universalmotoren oder Schrittmotoren angeschlossen werden, prägt der Stromrichter einen Strom in zwei Spulen ein, was mit einer dreiphasigen Brücke möglich ist, wenn zwei Spulenenden miteinander verbunden werden.If electrical machines in the form of separately excited DC machines or universal motors or stepper motors are connected, the converter impresses a current in two coils, which is possible with a three-phase bridge if two coil ends are connected to one another.

Ein Umschalten zwischen den Betriebsarten kann automatisch und/oder bedienergeführt erfolgen.Switching between the operating modes can take place automatically and / or operator-guided.

Der erfindungsgemäße Stromrichter kann als Standalone-Lösung verwendet werden. Aktionen können beispielsweise als Drehzahlprofile hinterlegt werden und werden beispielsweise ausgeführt, sobald ein entsprechender Input an einer I/O-Schnittstelle des Stromrichters detektiert wird.The converter according to the invention can be used as a stand-alone solution. Actions can, for example, be stored as speed profiles and are executed, for example, as soon as a corresponding input is detected at an I / O interface of the converter.

7 zeigt ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem 1000. 7th shows an electric drive system according to the invention 1000 .

Das elektrische Antriebssystem 1000 weist auf: einen erfindungsgemäßen Stromrichter 1, einen durch den Stromrichter 1 angesteuerten Elektromotor 12, eine speicherprogrammierbare Steuerung SPS 30 in Datenverbindung mit dem Stromrichter 1, einen Drehgeber 32 in Datenverbindung mit dem Stromrichter 1 und eine Versorgungsspannungseinheit 29 zur Spannungsversorgung des Stromrichters 1 und der SPS 30 und gegebenenfalls weiterer Komponenten aus einer Anlage 31.The electric drive system 1000 comprises: a converter according to the invention 1 , one through the converter 1 controlled electric motor 12th , a programmable logic controller PLC 30th in data connection with the converter 1 , a rotary encoder 32 in data connection with the converter 1 and a supply voltage unit 29 for power supply of the converter 1 and the PLC 30th and possibly other components from a system 31 .

Der Stromrichter 1 weist eine digitale Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 26 auf, die mit der Anlage 31 in Datenverbindung steht, d.h. Signale, beispielsweise von Endschaltern, etc., aus der Anlage 31 ausliest bzw. Stellsignale in die Anlage 31 e eingibt.The converter 1 has a digital input / output interface 26th on that with the plant 31 is in data connection, ie signals, for example from limit switches, etc., from the system 31 reads out or control signals to the system 31 e enters.

Der Stromrichter 1 weist weiter eine Schnittstelle 27 zur Kopplung mit dem Drehgeber 32 auf.The converter 1 further has an interface 27 for coupling with the rotary encoder 32 on.

Der Stromrichter 1 weist weiter eine Versorgungsspannungs-Schnittstelle 28 auf, über die die Zwischenkreisspannung von der externen Versorgungsspannungseinheit 29 zugeführt wird.The converter 1 furthermore has a supply voltage interface 28 over which the intermediate circuit voltage from the external supply voltage unit 29 is fed.

Der Stromrichter 1 ist dazu ausgebildet, unter Steuerung der SPS 30 basierend auf Daten des Drehgebers 32 und/oder basierend auf Zuständen von Signalen an seiner Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 26 aus der Anlage 31 durch Ansteuern des Elektromotors 12 ein vorgegebenes Bewegungsprofil zu erzeugen.The converter 1 is designed to be controlled by the PLC 30th based on data from the encoder 32 and / or based on states of signals at its input / output interface 26th from the plant 31 by controlling the electric motor 12th to generate a predetermined movement profile.

Claims (10)

Stromrichter (1), aufweisend: - eine erste Halbbrückenschaltung (2) mit einem Mittenabgriff (3), wobei der Mittenabgriff (3) der ersten Halbbrückenschaltung (2) mit einem ersten Ausgangsanschlusspol (4) elektrisch verbunden ist, - eine zweite Halbbrückenschaltung (5) mit einem Mittenabgriff (6), wobei der Mittenabgriff (6) der zweiten Halbbrückenschaltung (5) mit einem zweiten Ausgangsanschlusspol (7) elektrisch verbunden ist, - eine dritte Halbbrückenschaltung (8) mit einem Mittenabgriff (9), wobei der Mittenabgriff (9) der dritten Halbbrückenschaltung (8) mit einem dritten Ausgangsanschlusspol (10) elektrisch verbunden ist, und - eine Steuereinheit (11), die dazu ausgebildet ist, die erste, die zweite und die dritte Halbbrückenschaltung (2, 5, 8) in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsarten (B1, B2, B3) des Stromrichters (1) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromrichter (1) mindestens zwei der folgenden Betriebsarten (B1, B2, B3) aufweist: - eine erste Betriebsart (B1), - bei der an den ersten Anschlusspol (4), an den zweiten Anschlusspol (7) und an den dritten Anschlusspol (10) eine bürstenlose Gleichstrommaschine (12), eine Synchronmaschine (13), eine Asynchronmaschine (14) oder eine Reluktanzmaschine (15) anschließbar ist, - eine zweite Betriebsart (B2), - bei der an zwei Anschlusspole ((4, 7), (7, 10), (4, 10)) der drei Anschlusspole (4, 7, 10) eine permanenterregte Gleichstrommaschine (16) oder ein Reihenschlussmaschine (17) anschließbar ist, oder bei der an die drei Anschlusspole (4, 7, 10) zwei permanenterregte Gleichstrommaschinen (16_1, 16_2) oder zwei Reihenschlussmaschinen (17_1, 17_2) anschließbar sind, und - eine dritte Betriebsart (B3), - bei der an den ersten Anschlusspol (4), an den zweiten Anschlusspol (7) und an den dritten Anschlusspol (10) eine fremderregte Gleichstrommaschine (18) oder ein Schrittmotor (19) anschließbar ist.Converter (1), comprising: - a first half-bridge circuit (2) with a center tap (3), the center tap (3) of the first half-bridge circuit (2) being electrically connected to a first output connection pole (4), - a second half-bridge circuit (5) ) with a center tap (6), the center tap (6) of the second half-bridge circuit (5) being electrically connected to a second output connection pole (7), - a third half-bridge circuit (8) with a center tap (9), the center tap (9 ) the third half-bridge circuit (8) is electrically connected to a third output terminal (10), and - a control unit (11) which is designed to control the first, second and third half-bridge circuits (2, 5, 8) depending on different operating modes (B1, B2, B3) of the converter (1), characterized in that the converter (1) has at least two of the following operating modes (B1, B2, B3): a first operating mode (B1), the first connection pole (4), a brushless direct current machine (12), a synchronous machine (13), an asynchronous machine (14) or a reluctance machine (15) can be connected to the second connection pole (7) and to the third connection pole (10), a second operating mode (B2), - in the case of two connection poles ((4, 7), (7, 10), (4, 10)) of the three connection poles (4, 7, 10) a permanently excited direct current machine (16) or a Series machine (17) can be connected, or in the case of the three connection poles (4, 7, 10) two permanent-magnet DC machines (16_1, 16_2) or two series machines (17_1, 17_2) can be connected, and - a third operating mode (B3), - in the case of the first connection pole (4), to the second connection pole (7) and a separately excited DC machine (18) or a stepping motor (19) can be connected to the third connection pole (10). Stromrichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (11) in der ersten Betriebsart (B1) dazu ausgebildet ist, die erste Halbbrückenschaltung (2), die zweite Halbbrückenschaltung (5) und die dritte Halbbrückenschaltung (8) derart anzusteuern, dass eine Spannung zwischen dem Mittenabgriff (3) der ersten Halbbrückenschaltung (2) und dem Mittenabgriff (6) der zweiten Halbbrückenschaltung (5) und eine Spannung zwischen dem Mittenabgriff (3) der ersten Halbbrückenschaltung (2) und dem Mittenabgriff (9) der dritten Halbbrückenschaltung (8) jeweils einen vorgebbaren zeitlich veränderlichen Verlauf aufweisen, insbesondere einen sinusförmigen oder trapezförmigen Verlauf aufweisen.Converter (1) Claim 1 , characterized in that - the control unit (11) in the first operating mode (B1) is designed to control the first half-bridge circuit (2), the second half-bridge circuit (5) and the third half-bridge circuit (8) in such a way that a voltage between the Center tap (3) of the first half-bridge circuit (2) and the center tap (6) of the second half-bridge circuit (5) and a voltage between the center tap (3) of the first half-bridge circuit (2) and the center tap (9) of the third half-bridge circuit (8), respectively have a predeterminable time-variable course, in particular have a sinusoidal or trapezoidal course. Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (11) in der zweiten Betriebsart (B2) dazu ausgebildet ist, die erste Halbbrückenschaltung (2), die zweite Halbbrückenschaltung (5) und die dritte Halbbrückenschaltung (8) derart anzusteuern, dass in die angeschlossene Gleichstrommaschine (16) oder die angeschlossenen Gleichstrommaschinen (16_1, 16_2) oder in die angeschlossene Reihenschlussmaschine (17) oder die angeschlossenen Reihenschlussmaschinen (17_1, 17_2) ein einstellbarer Strom eingeprägt wird.Converter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - in the second operating mode (B2) the control unit (11) is designed to control the first half-bridge circuit (2), the second half-bridge circuit (5) and the third half-bridge circuit (8 ) to be controlled in such a way that an adjustable current is impressed into the connected DC machine (16) or the connected DC machines (16_1, 16_2) or the connected series machine (17) or the connected series machines (17_1, 17_2). Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (11) in der dritten Betriebsart (B3) dazu ausgebildet ist, die erste Halbbrückenschaltung (2), die zweite Halbbrückenschaltung (5) und die dritte Halbbrückenschaltung (8) derart anzusteuern, dass in einer Ankerwicklung (22) und einer Erregerwicklung (23) der angeschlossenen fremderregten Gleichstrommaschine (18) oder in zwei Spulen (24, 25) des angeschlossenen Schrittmotors (19) jeweils ein einstellbarer Strom eingeprägt wird.Converter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - the control unit (11) is designed in the third operating mode (B3) to control the first half-bridge circuit (2), the second half-bridge circuit (5) and the third half-bridge circuit (8 ) to be controlled in such a way that an adjustable current is impressed in an armature winding (22) and an excitation winding (23) of the connected separately excited DC machine (18) or in two coils (24, 25) of the connected stepper motor (19). Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die erste Halbbrückenschaltung (2), die zweite Halbbrückenschaltung (5) und die dritte Halbbrückenschaltung (8) jeweils mit einer Zwischenkreisspannung versorgt sind, deren Pegel zwischen 24 V und 48 V liegt.Converter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - the first half-bridge circuit (2), the second half-bridge circuit (5) and the third half-bridge circuit (8) are each supplied with an intermediate circuit voltage, the level of which is between 24 V and 48 V. lies. Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromrichter (1) eine, insbesondere digitale, Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (26) aufweist.Power converter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - the power converter (1) has an, in particular digital, input / output interface (26). Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromrichter (1) eine Schnittstelle (27) für einen Drehgeber oder Inkrementalgeber (32) aufweist.Converter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - the converter (1) has an interface (27) for a rotary encoder or incremental encoder (32). Stromrichter (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromrichter (1) eine Versorgungsspannungs-Schnittstelle (28) aufweist, über die die Zwischenkreisspannung von einer externen Versorgungsspannungseinheit (29) zuführbar ist.Converter (1) after one of the Claims 5 until 7th , characterized in that - the converter (1) has a supply voltage interface (28) via which the intermediate circuit voltage can be supplied from an external supply voltage unit (29). Elektrisches Antriebssystem (1000), aufweisend: - einen Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - mindestens einen durch den Stromrichter (1) angesteuerten Elektromotor (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19), und - eine Versorgungsspannungseinheit (29) zur Spannungsversorgung des Stromrichters (1).Electrical drive system (1000), comprising: - a converter (1) according to one of the preceding claims, - at least one electric motor controlled by the converter (1) (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19), and - a supply voltage unit (29) for supplying voltage to the converter (1). Elektrisches Antriebssystem (1000) nach Anspruch 9, aufweisend: - eine mittels der Versorgungsspannungseinheit (29) versorgte speicherprogrammierbare Steuerung SPS (30) in Datenverbindung mit dem Stromrichter (1), und - einen Drehgeber (32) in Datenverbindung mit dem Stromrichter (1), - wobei der Stromrichter (1) dazu ausgebildet ist, unter Steuerung der SPS (30) basierend auf Daten des Drehgebers (32) und/oder basierend auf Zuständen von Signalen an seiner Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (26) durch Ansteuern des Elektromotors (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) ein vorgegebenes Bewegungsprofil zu erzeugen.Electric drive system (1000) according to Claim 9 , comprising: - a programmable logic controller (30) supplied by means of the supply voltage unit (29) in data connection with the converter (1), and - a rotary encoder (32) in data connection with the converter (1), - the converter (1) is designed to, under control of the PLC (30) based on data from the rotary encoder (32) and / or based on the states of signals at its input / output interface (26) by controlling the electric motor (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) to generate a predetermined movement profile.
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