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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebes. In der Regel handelt es sich bei Stellantrieben um von Elektromotoren angetriebene Getriebeteile, die weitere konstruktive Einbauten in Bewegung setzen. Diese Bewegungen sind in der Regel reversibel, was sich oftmals auf die Langlebigkeit der einzelnen Teile negativ auswirkt. Dies ist besonders dann der Fall, wenn diese reversiblen Bewegungsabläufe besonders schnell ablaufen oder mit besonders hoher Krafteinwirkung verbunden sind. Um diese Kräfte aufzufangen, werden in der Regel elastische Anschläge vorgesehen, die jedoch nach einiger Zeit durch die Krafteinwirkung beschädigt oder zerstört werden.
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Die gattungsbildende
JP S561799 A offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebes, bei dem ein Gleichstrommotor im Vierquantenbetrieb über eine H-Brückenschaltung zeitweise mit Gleichstrom beaufschlagt wird, wobei der Gleichstrommotor je nach Drehrichtung der Antriebswelle entweder über die erste Reihenschaltung: erster Transistor, Gleichstrommotor, zweiter Transistor oder über die zweite Reihenschaltung: dritter Transistor, Gleichstrommotor, vierter Transistor mit Gleichstrom beaufschlagt wird, wobei der Gleichstrommotor ausgehend von einer Ausgangsstellung eine Antriebswelle antreibt.
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Die
DE 100 65 355 A1 offenbart ein Verfahren zum Rückstellen einer elektromechanischen Axialverstellvorrichtung, insbesondere für Reibungskupplungen, wobei die Axialverstellvorrichtung folgendes umfasst: zwei auf einer gemeinsamen Welle zentrierte Stellringe, von denen einer axial abgestützt und der andere axial verschiebbar gelagert ist und von denen einer verdrehgesichert in einem Gehäuse gehalten und der andere drehend antreibbar ist. Der drehend antreibbare Stellring ist mit einem Elektromotor antriebsmäßig gekoppelt. Der axial verstellbare Stellring wird von Druckfedern in Richtung auf den axial abgestützten Stellring beaufschlagt. Beim Anlegen einer positiven Spannung an den Elektromotor fährt die Axialverstellvorrichtung in eine Vorschubstellung, beim Trennen der Spannung vom Elektromotor läuft die Axialverstellvorrichtung in eine Ausgangsstellung zurück.
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Die
DE 35 46 606 C2 offenbart eine Widerstandsbremseinrichtung für einen Komutatormotor, insbesondere zum Antrieb von handgeführten Elektrowerkzeugen wie Kreissägen, Bohrmaschinen, Hobel, Fräsen, Schleifmaschinen. Der Komutatormotor weist ein durch einen Permanentmagneten erregtes Feld sowie zwei Stromanschlüsse auf, über die dem Motor im Motorbetrieb Strom zugeführt wird. Darüber hinaus weist die Widerstandsbremseinrichtung eine aus einem Bremstransistor sowie einem Widerstand gebildete Serienschaltung auf, die zu den beiden Stromanschlüssen parallel liegt. An den Widerstand und den Bremstransistor ist eine Reihenschaltung angeschlossen, die im Bremsbetrieb über die Stromanschlüsse des Motors mit Strom versorgt wird und den Bremstransistor im Sinne eines Konstanthaltens des durch ihn fließenden Stroms steuert. Dabei ist der Bremstransistor als Feldeffekttransistor ausgebildet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebes zu schaffen, bei dem eine Zerstörung von Anschlägen oder Getriebeteilen durch die Krafteinwirkung von reversiblen Bewegungsabläufen weitgehend vermieden werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe mit einem gattungsgemäßen Verfahren gelöst, welches die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Bei dem Verfahren wird ein Gleichstrommotor im Vierquadrantenbetrieb über eine H-Brückenschaltung zeitweise mit Gleichstrom beaufschlagt, wobei der Gleichstrommotor je nach Drehrichtung der Antriebswelle entweder über die erste Reihenschaltung: erster Transistor, Gleichstrommotor, zweiter Transistor oder über die zweite Reihenschaltung: dritter Transistor, Gleichstrommotor, vierter Transistor mit Gleichstrom beaufschlagt wird, bei dem der Gleichstrommotor eine Antriebswelle ausgehend von einer Ausgangsstellung antreibt, die der jeweiligen Drehbewegung entgegenwirkt und weitere Teile antreibt, und bei dem anschließend die Stromzufuhr zum Gleichstrommotor unterbrochen wird, die Drehbewegung der Antriebswelle durch das anliegende Drehmoment umgekehrt wird, wobei durch die Generatorspannung des Gleichstrommotors ein Gleichstrom entweder vom Gleichstrommotor über einen ersten, selbstleitenden Feldeffekttransistor und einer Freilaufdiode zurück zum Gleichstrommotor oder vom Gleichstrommotor über einen zweiten, selbstleitenden Feldeffekttransistor und einer anderen Freilaufdiode zurück zum Gleichstrommotor geleitet wird und die umgekehrte Drehbewegung der Antriebswelle bis zur Ausgangsstellung verlangsamt wird.
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Unter der Bezeichnung „Gleichstrommotor” sind permanent erregte Gleichstrommotoren mit mechanischer Kommutierung zu verstehen. Gleichstromreihenschlussmotoren und Gleichstromnebenschlussmotoren mit jeweils eigener Erregerwicklung werden nicht eingesetzt. Die Antriebswelle wirkt der Drehbewegung des Gleichstrommotors, der mit Gleichstrom versorgt wird, mit einem Drehmoment entgegen. Dabei treibt die Antriebswelle weitere Teile, beispielsweise Getriebeteile, an, die wiederum mit weiteren beweglich gelagerten Teilen verbunden sind. Die umgekehrte Drehbewegung der Antriebswelle wird zur Ausgangsstellung verlangsamt. Dies bedeutet, dass die umgekehrte Drehbewegung mit der Zeit abnimmt, bis die Ausgangsstellung der Antriebswelle erreicht ist. Bei dem Feldeffekttransistoren handelt es sich um die sogenannten MOS-Feldeffekttransistoren (MOS-FET), wobei MOS für Metal-Oxid-Semiconductor steht und Metall-Oxid-Halbleiterbauteil bedeutet. Der erste Transistor und der zweite Transistor bzw. der dritte Transistor und der vierte Transistor können auch als selbstsperrende Feldeffekttransistoren ausgebildet sein, was besonders vorteilhaft ist. Dies bedeutet, dass diese Feldeffekttransitoren sich dann immer im Sperr-Zustand befinden, wenn keine positive Spannung zwischen Gate- und Source-Anschluss anliegt. Bei dem ersten, selbstleitenden Feldeffekttransistor und bei dem zweiten, selbstleitenden Feldeffekttransistor handelt es sich um die sogenannten Anreicherungstypen, die deshalb selbstleitend sind, weil sie schon nach angelegter Spannung leitend sind. Das wird durch eine schwache n-Dotierung zwischen den n-leitenden Inseln erzeugt. Wird die Stromzufuhr zum Gleichstrommotor unterbrochen, fließt durch die Generatorspannung des Gleichstrommotors somit ein Gleichstrom entweder über den ersten, selbstleitenden Feldeffekttransistor oder über den zweiten, selbstleitenden Feldeffekttransistor, je nach der ursprünglichen Drehrichtung der Antriebswelle. Die jeweils umgekehrte Drehbewegung der Antriebswelle wird dadurch abgebremst.
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Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, dass eine unkontrollierte umgekehrte Drehbewegung der Antriebswelle zur Ausgangsstellung, die mit einer starken Belastung oder Beschädigung oder Zerstörung von Bauteilen des Stellantriebes verbunden ist, in besonders vorteilhafter und einfacher Weise vermieden werden kann, sofern durch die Generatorspannung des Gleichstrommotors ein Gleichstrom entweder vom Gleichstrommotor über einen ersten, selbstleitenden Feldeffekttransistor und einer Freilaufdiode zurück zum Gleichstrommotor oder vom Gleichstrommotor über einen zweiten, selbstleitenden Feldeffekttransistor und einer anderen Freilaufdiode zurück zum Gleichstrommotor geleitet wird, sofern der Gleichstrommotor im bestromten Zustand die Antriebswelle gegen eine mechanische Last antreibt. Auf die Anordnung von elastischen Anschlägen im Stellantrieb kann bei diesem Verfahren in vorteilhafter Weise gänzlich verzichtet werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass nach der Unterbrechung der Stromzufuhr zum Gleichstrommotor der Gleichstrom über mindestens ein Halbleiterelement oder mindestens einen elektrischen Widerstand, das oder der mit dem ersten, selbstleitenden Feldeffekttransistor oder mit dem zweiten, selbstleitenden Feldeffekttransistor in Reihe geschaltet ist, geleitet wird.
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Auf diese Weise lässt sich die Bremswirkung der umgekehrten Drehbewegung der Antriebswelle bis zur Ausgangsstelle auf relativ einfache Weise vorab stellen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gleichstrom über mindestens eine als Halbleiterelement angeordnete Diode geleitet wird. Dioden können auf relativ einfache Weise angeordnet werden und ermöglichen eine relativ genaue Einstellung der Bremswirkung der umgekehrten Drehbewegung der Antriebswelle.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das an der Antriebswelle anliegende Drehmoment durch eine Federkraft eingestellt. In vorteilhafter Weise werden dabei Spiralfedern eingesetzt. Die Federkraft ist dabei natürlich so stark bemessen, dass eine gewünschte Drehbewegung der Antriebswelle durch den mit Gleichstrom beaufschlagten Gleichstrommotor in gewünschter Weise folgen kann. Die Federelemente werden im Betrieb des Gleichstrommotors gespannt, so dass die Antriebswelle der Drehbewegung des Gleichstrommotors ein Drehmoment entgegensetzt. Die Federelemente haben den Vorteil, dass durch sie die Einstellung eines kontinuierlich steigenden Drehmoments der Antriebswelle auf relativ einfacher Weise erzielt werden kann.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Antriebswelle direkt Zahnsegmente oder Zahnräder, die ebenfalls mit weiteren, beweglich gelagerten Elementen verbunden sind, antreibt. Auf diese Weise lässt sich das Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebes vielseitig einsetzen, wobei gleichzeitig Beschädigungen durch reversible Bewegungen des Stellantriebes vermieden werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen (1–5) näher und beispielhaft erläutert.
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1 zeigt die H-Brückenschaltung mit dem mit Gleichstrom beaufschlagten Gleichstrommotor für eine Drehrichtung der Antriebswelle.
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2 zeigt die H-Brückenschaltung mit Gleichstrommotor für die gemäß 1 vorgesehene Drehrichtung der Antriebswelle im unbestromten Zustand mit dem ersten, selbstleitenden Feldeffekttransistor.
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3 zeigt die H-Brückenschaltung mit dem mit Gleichstrom beaufschlagten Gleichstrommotor für eine andere Drehrichtung der Antriebswelle.
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4 zeigt die H-Brückenschaltung mit Gleichstrommotor bezüglich der in 3 vorgesehenen Drehrichtung der Antriebswelle im unbestromten Zustand mit dem zweiten, selbstleitenden Feldeffekttransistor.
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5 zeigt die prinzipielle Anordnung eines Gleichstrommotors mit der Antriebswelle in vereinfachter Form.
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In 1 ist die H-Brückenschaltung zum Betreiben des Gleichstrommotors 5 im sogenannten Vierquadrantenbetrieb für eine Drehrichtung der Antriebswelle dargestellt. Dabei wird der Gleichstrommotor 5 mit Gleichstrom versorgt. Dies geschieht über die erste Reihenschaltung: erster Transistor 1, Gleichstrommotor 5, zweiter Transistor 2. Bei der H-Brückenschaltung sind ferner Freilaufdioden 8a bis 8d vorgesehen.
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In 2 ist die H-Brückenschaltung mit dem Gleichstrommotor 5 im Vierquadrantenbetrieb für den Fall dargestellt, dass die Stromzufuhr bei der H-Schaltung gemäß 1 unterbrochen wird. Durch die Generatorspannung des Gleichstrommotors 5 fließt dann ein Gleichstrom vom Gleichstrommotor 5 über einen ersten, selbstleitenden Feldeffekttransistor 6 und einer Freilaufdiode 8c zurück zum Gleichstrommotor 5, wobei die umgekehrte Drehbewegung der Antriebswelle (nicht dargestellt) bis zur Ausgangsstellung verlangsamt wird. Dabei ist vorteilhaft, dass auf die Anordnung von elastischen Anschlägen im Stellantrieb bei diesem Verfahren verzichtet werden kann. Eine starke Belastung oder Beschädigung oder Zerstörung von Bauteilen des Stellantriebes wird dabei vermieden.
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In 3 ist die H-Brückenschaltung für den Gleichstrommotor 5 für eine andere Drehrichtung der Antriebswelle im bestromten Zustand dargestellt. Dabei wird der Gleichstrommotor 5 über die zweite Reihenschaltung: dritter Transistor 3, Gleichstrommotor 5, vierter Transistor 4 mit Gleichstrom beaufschlagt.
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In 4 ist die H-Brückenschaltung mit dem Gleichstrommotor 5 im unbestromten Zustand ausgehend von der in 3 dargestellten Anordnung dargestellt. Wird die Stromzufuhr, ausgehend von der in 3 dargestellten Anordnung, unterbrochen, so fließt durch die Generatorspannung des Gleichstrommotors 5 ein Gleichstrom über einen zweiten, selbstleitenden Feldeffekttransistor 7 und einer anderen Freilaufdiode 8d zurück zum Gleichstrommotor 5. Auch hierbei wird die umgekehrte Drehbewegung der Antriebswelle bis zur Ausgangsstellung verlangsamt.
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Die in 2 und 4 dargestellten selbstleitenden Feldeffekttransistoren (6, 7) sind durch eine angelegte Spannung selbstleitend. Die bestromten Wege der H-Brückenschaltung sind in den 1 bis 4 fettgedruckt hervorgehoben. Dabei kann es vorteilhaft sein, nach der Unterbrechung der Stromzufuhr zum Gleichstrommotor 5 den durch die Generatorspannung bedingten Gleichstrom über mindestens ein Halbleiterelement oder mindestens ein elektrischen Widerstand, das oder der mit dem ersten, selbstleitenden Feldeffekttransistor 6 oder mit dem zweiten, selbstleitenden Feldeffekttransistor 7 in Reihe geschaltet ist, geleitet wird (nicht dargestellt). Als Halbleiterelemente eignen sich in vorteilhafter Weise Dioden, da durch ihre Anordnung eine Bremswirkung der Antriebswelle auf relativ einfache Weise vorab eingestellt werden kann.
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In 5 ist die prinzipielle Anordnung des Gleichstrommotors 5 mit der Antriebswelle 9 in vereinfachter Form für den unbestromten Zustand dargestellt. Wird die Stromzufuhr zum Gleichstrommotor 5 unterbrochen, so wird die Drehbewegung der Antriebswelle 9 durch das anliegende Drehmoment, dargestellt durch den ersten Pfeil 10, umgekehrt, was durch den zweiten Pfeil, der die Drehrichtung der umgekehrten Drehbewegung der Antriebswelle darstellt, verdeutlicht wird. Durch die sich dadurch einstellende Bremswirkung ist sichergestellt, dass weitere Getriebe- oder allgemein bewegte Teile durch die reversible Rückstellkraft keinerlei Schädigungen erfahren, wobei gleichzeitig auf eine konstruktiv relativ aufwändige Anordnung von elastischen Anschlägen verzichtet werden kann. Das an der Antriebswelle 9 anliegende Drehmoment wird vorteilhaft durch eine Federkraft eingestellt. Die Antriebswelle 9 treibt in vorteilhafter Weise Zahnsegmente oder Zahnräder an, die ebenfalls mit weiteren, beweglich gelagerten Elementen verbunden sind. Das Verfahren zum Betreiben des Stellantriebes lässt sich auf diese vorteilhafte Weise vielseitig einsetzen. Das entgegenwirkende Drehmoment der Antriebswelle 9 ist dabei so bemessen, dass es der des mit Gleichstrom beaufschlagten Gleichstrommotors 5 entgegenwirkt, diese aber dennoch zulässt.
