DE10334471A1

DE10334471A1 - Schaltung zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors einer Druckmaschine

Info

Publication number: DE10334471A1
Application number: DE10334471A
Authority: DE
Inventors: Helmut Meyer; Josef Reiter
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2004-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors einer Druckmaschine, wobei die Wicklungen des bürstenlosen Gleichstrommotors zu bestimmten Drehwinkelstellungen mittels schaltbarer Halbleiterventile mit Strom beaufschlagt werden. Die Drehwinkelstellung, bei denen die Strombeaufschlagung erfolgt, wird von der Drehzahl des Motors bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit Block-Kommutierung. Derartige Motoren sind günstig und werden wegen ihrem geringen Wartungsaufwand für vielerlei Antriebe einer Druckmaschine eingesetzt. Der Einsatz in Druckmaschinen reicht über geringe bis hohe Leistung und über einen weiten Drehzahlbereich. Weiterhin sind in diesem Einsatzgebiet Schwankungen der Betriebsspannung gegeben wodurch auch das von den Motoren aufgenommene und abgegebene Drehmoment schwankt. Damit hier die Druckqualität nicht beeinträchtigt wird, werden an die diese Motoren besondere Anforderungen gestellt.

Die DE 43 23 504 A1 beschäftigt sich ebenfalls mit der Bestromung von kollektorlosen Gleichstrommotoren. Hierbei werden die für die Bestromung der Motorspule erforderlichen Pulse mittels einer Misch- oder Modulationsstufe beeinflusst, womit eine Einwirkung auf die aufgenommene und abgegebene Leistung möglich ist.

Bei hoher Drehzahl eines anzutreibenden Elementes, zum Beispiel einer Walze oder eines Zylinders einer Druckmaschine, ist der Stromanstieg in der Wicklung eines bürstenlosen Gleichstrommotor häufig zu langsam. Die Leistung wird daher nicht in optimaler Weise ausgenutzt. Besonders dann, wenn die Betriebsspannung im Gleichspannungszwischenkreis ein bestimmtes Maß unterschreitet macht sich der verlangsamte Stromanstieg besonders bemerkbar. Hierzu wurden bereits Vorschläge gemacht, die Schwankungen der Spannung auf eine definierte Toleranz von z.B. 10% festzulegen. Eine weitere Überlegung sieht vor, den bürstenlosen Gleichstrommotor so auszulegen, dass dieser bei einer Betriebsspannung von –10% der Nennspannung das maximale Drehmoment erreicht.

Hierbei ist allerdings die Bereitstellung eines größeren Motors erforderlich, als dieser üblicher Weise sein muss. Das Problem ist zwar damit gelöst, bringt aber einen erhöhten Kostenaufwand mit sich, bzw. erfordert einen größeren Motor und einen größeren Bauraum und damit mehr Platz.

Die vorgenannten Überlegungen gehen von der Voraussetzung aus, dass ein fest angebauter Kommutierungsgeber ein festes Verhältnis zwischen Rotorlage und Kommutierungswinkel, das heißt Einschaltzeitpunkt der Bestromung aufweist. Die Bestromung wird dann mittels schaltbarer Halbleiterventile vorgenommen, die die Motorwicklung mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbinden. Hier wird wie oben beschrieben die Leistung des Motors reduziert, wenn eine Verringerung der Betriebsspannung erfolgt, bzw. wenn aufgrund der Drehzahl der Stromanstieg verlangsamt wird. Zusätzlich erfolgt bei einem langsamen Anstieg immer ein Einbruch des Drehmoments, wenn ein Fortschalten von einer zur nächsten Motorwicklung erfolgt. Dieser Einbruch kann zu Schwingungen führen die sich im Betrieb einer Druckmaschine auf die Druckqualität negativ auswirken.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der genannten An so zu verbessern, damit das Drehmoment auch bei Spannungsschwankungen oder hoher Drehzahl weitgehend konstant gehalten wird und indem eine geringere Drehmomentwelligkeit gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die aufgenommene Leistung des bürstenlosen Gleichstrommotors proportional ist mit der Fläche die ein Stromimpuls beschreibt, der in die Wicklung eingespeist wird, die sogenannte Stromzeitfläche. Durch den langsamen Anstieg bei hoher Drehzahl oder die geringere Stromamplitude bei Unterspannung des Gleichspannungszwischenkreises, die sich nach dem Einschalten einstellt, ist die aufgenommene Leistung entsprechend reduziert. Die Erfindung schlägt deshalb vor, durch Vorverlegen des Einschaltzeitpunkts bei dem die Kommutierung der Wicklung erfolgt die Fläche entsprechend zu vergrößern. Hierbei ist insbesondere die Vorverlegung des Einschaltzeitpunktes, das heißt die Vorverlegung des Drehwinkels bei dem die Halbleiterventile die Zwischenkreisspannung an die Motorwicklung anlegen gemeint. Jedoch kann auch eine Verlagerung des Ausschaltzeitpunktes, das heißt eine Veränderung des Drehwinkels bei dem die Halbleiterventile die Motorwicklung von der Zwischenkreisspannung abkoppeln von Vorteil sein.

Um den Einschaltzeitpunkt zu bestimmen, werden die Drehzahl und die Drehrichtung des Motors erfasst. Mit zunehmender Drehzahl und/oder abfallender Betriebsspannung wird der Zeitpunkt der Bestromung der Motorwicklung vorverlegt. Selbiges gilt auch für den Ausschaltzeitpunkt, an dem die Halbleiterventile die Stromzufuhr in die Motorwicklung unterbrechen. Für einen gegebenen oberen Stromgrenzwert wird dann gemäß der Erfindung die Stromzeitfläche maximiert.

Die Bestromung erfolgt somit zu einem relativ frühen Zeitpunkt. Der Stromanstieg ist aufgrund der geringeren EMK relativ steil und das Drehmoment des Motors bleibt relativ konstant. Anhand der Erfindung lasst sich ein bestimmtes Drehmoment mit einem relativ niedrigen Strom erzeugen.

Die Erfindung ist anhand der beigefügten Diagramme näher erläutert.
1 bis 5 veranschaulichen die Bestromungszustände in der Motorwicklung eines bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß dem Stand der Technik.
6 bis 8 veranschaulichen die Bestromungszustände in der Motorwicklung eines bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß der Erfindung.
9 zeigt im Schema den Motor mit den Endstufen.
1 zeigt den Verlauf der EMK in einer Motorwicklung während der Bestromungsphase, aufgetragen über der Zeit bzw. über den Drehwinkel bei einem konventionellen bürstenlosen Gleichstrommotors, und zwar bei einer Drehzahl von 500 U/min.
2 zeigt die zugehörige Stromzeitfläche. Erkennbar ist hier, dass der Anstieg des Stromes relativ steil nach dem Einschalten erfolgt. Selbiges ist beim Stromabfall, nach dem Ausschalten erkennbar.
3 zeigt den Stromverlauf in derselben Motorwicklung, jedoch bei einer Drehzahl von 2500 U/min. Wie man sieht, ist der Stromanstieg wegen der hohen EMK gegenüber 2 deutlich verlangsamt wodurch sich eine Zeitverzögerung bis zum Erreichen des Maximalstroms ergibt. Dies wirkt sich auf das Drehmoment negativ aus, indem das Drehmoment erst zu einem relativ späten Zeitpunkt in voller Höhe zur Verfügung steht.
4 zeigt die Aneinanderreihung des Stromverlaufes von drei Motorwicklungen wie es im Betriebsfall durch die Fortschaltung der Kommutierung zu Stande kommt. Die einzelnen Wicklungen sind hier als Strang 1–3 bezeichnet. Diese ist ebenfalls bei einer Drehzahl von 2500 U/min ermittelt. Es ist dabei deutlich erkennbar, dass im Übergangsbereich von einem zum nächsten Strang ein deutlicher Einbruch des Stromes erfolgt, der auf den oben beschriebenen langsamen Anstieg des Stromes beim Einschalten zurückzuführen ist. Da das Drehmoment in einem direkten Zusammenhang mit dem Strom steht, ist auch dort eine starke Welligkeit vorhanden, die sich negativ auf das von dem Motor angetriebenen Element auswirkt.
5 zeigt das Signal welches die Bestromung der Motorwicklung auslöst, entsprechend dem Stand der Technik. Dieses ist wie eingangs bereits beschrieben fest mit der Winkelstellung des Rotors, bzw. der Wicklung gekoppelt.
6 zeigt das erfindungsgemäß verändern Signal zur Bestromung der Motorwicklung, wobei erkennbar ist, dass sowohl der Einschaltzeitpunkt, wie auch der Abschaltzeitpunkt gegenüber dem Signal gemäß 5 zeitlich früher gelegt ist. Es ist aber auch denkbar, den Einschaltzeitpunkt und den Abschaltzeitpunkt unabhängig voneinander zu verändern und dadurch eine Optimierung des Drehmomentverhaltens zu erzielen. Es ist auch denkbar nur einen der beiden Zeitpunkte (Einschaltzeitpunkt oder Abschaltzeitpunkt) zu verändern und den anderen gemäß dem Stand der Technik zu belassen.
Wie in 7 erkennbar ist, ergibt sich ein zeitlich früherer und steilerer Stromanstieg in der Motorwicklung wodurch die Stromzeitfläche entsprechend vergrößert wird und damit auch das Drehmoment. Vergleicht man 7 mit 3 so ist zum Einschaltzeitpunkt von 3 in 7 bereits die volle Stromstärke erreicht. Auch das Ende der Bestromung liegt – entsprechend dem Zeitpunkt des vom Lagegeber gegebenen Signals gemäß 5 – etwas früher – siehe 6. Der Grund liegt darin, dass man eine größere Überlappung mit dem nachfolgenden Bestromungszyklus vermeiden möchte.
8 zeigt die Aneinanderreihung des Stromverlaufes von drei Motorwicklungen wie es gemäß der Erfindung durch die Fortschaltung der Kommutierung zu Stande kommt. Im Vergleich zu 4 ist hier ein weniger starker Einbruch des Strompegels erkennbar und damit auch ein konstanteres Drehmoment vorhanden. Dieses macht sich für das angetriebene Element positiv bemerkbar, indem eine größere Laufruhe vorliegt und damit weniger Schwingungen auf die Druckmaschine übertragen werden.
9 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltung. Eine Steuerung 1 ist mit den Halbleiterventile T1–T6 verbunden wodurch die Ansteuerung derselben erfolgt. Die Halbleiterventile T1–T6 liegen einerseits gemeinsam an einem Gleichspannungszwischenkreis 2 und andererseits an den Wicklungen U, V, W des bürstenlosen Gleichstrommotors 3. Am bürstenlosen Gleichstrommotor 3 ist ein Tacho 4 mechanisch angekoppelt, der ein Drehzahlsignal an die Steuerung 1 liefert. Aus dem Drehzahlsignal ist ebenfalls ein Drehrichtungssignal entnehmbar. Weiterhin wird ein Spannungssignal über die Höhe der Betriebsspannung im Gleichspannungszwischenkreis 2 der Steuerung 1 zugeführt.

1: Steuerung
2: Gleichspannungszwischenkreis
3: Gleichstrommotor
4: Tacho
T1–T6: Halbleiterventil

Claims

Schaltung zum Ansteuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors einer Druckmaschine, wobei die Wicklungen des bürstenlosen Gleichstrommotors zu bestimmten Drehwinkelstellungen mittels schaltbarer Halbleiterventile durch einen Gleichspannungszwischenkreis mit Strom beaufschlagt werden, mit einer Einrichtung zum Erfassen von Drehzahl und Drehrichtung des Motors und mit einer Einrichtung zum Messen der Betriebsspannung im Gleichspannungszwischenkreis, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelstellung bei der die Strombeaufschlagung der Motorwicklungen erfolgt durch die Drehzahl des Motors bestimmt wird.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelstellung bei der die Strombeaufschlagung der Motorwicklungen erfolgt durch die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis bestimmt wird.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelstellung bei der die Strombeaufschlagung der Motorwicklungen unterbrochen wird durch die Drehzahl des Motors bestimmt wird.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelstellung bei der die Strombeaufschlagung der Motorwicklungen unterbrochen wird durch die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis bestimmt wird.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelstellungen bei denen die Strombeaufschlagung der Motorwicklungen erfolgt, bzw. unterbrochen wird unabhängig voneinander, abhängig von der Drehzahl des Motors bestimmt werden.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelstellungen bei denen die Strombeaufschlagung der Motorwicklungen erfolgt, bzw. unterbrochen wird unabhängig voneinander, abhängig von der Spannung im Gleichspannungszwischenkreis bestimmt wird.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–6 dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelstellungen bei denen die Strombeaufschlagung der Motorwicklungen erfolgt, bzw. unterbrochen wird von der Drehrichtung des Motors bestimmt wird.