DE2010385B2

DE2010385B2 - Schaltungsanordnung für einen kommutatorlosen Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2010385B2
Application number: DE2010385A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Phys. Kuhlmann; Paul Dipl.-Ing. Sieber
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1970-03-05
Filing date: 1970-03-05
Publication date: 1980-07-31
Also published as: DE2010385C3; DE2010385A1; JPS4825884B1; US3688172A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen kommutatorloscn Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs I. Eine derartige Schaltung ist aus der Zeitschrift »Feinwerktechnik« 1974, Heft 1, Seiten 12-1S, bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltunesanordnune für einen kommutatorlosen Gleichstrommotor anzugeben, die einfache Schaltungsmaßnahmen zur Konstanthaltung der Motordrehzahl enthält. Dabei soll die Schaltung weitgehend aus Halbleiterbauelementen bestehen, da diese Bauelemente leicht integrierbar sind und ein einander entsprechendes Temperaturverhalten aufweisen.

Aus der FR-PS 1567 136 ist bereits die Verwendung von Magnetdiodenpaaren zur Steuerung der Feldspulen im Motorständer bekannt. Dabei findet keine Motorregelung statt.

Eine Regelschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor ist aus der DT-AS 1276797 bekannt, doch bezieht sich diese Schaltung nicht auf eine vom Magnetfeld gesteuerte Kommutierungsanordnung und enthält keine elektrische Steuerung eines Spannungsteilers.

Bei der aus der Zeiischrift »Feinwerktechnik« 70, Heft 1, Seiten 12-18, bekannten Regelschaltung werden Hallgeneratoren in der Kommutierung verwendet, und der Schweliwert wird durch einen Spannungsteiler bestimmt. Eine Vergleichsschaltung, die eine Zenerdiode enthält, bei der jedoch die Steuerspannung für den Transistor in der Vergleichsschaltung an einem Spannungsteiler abgegriffen wird, ist aus der FR-PS 1526581 bekannt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Vergleichsschaltung wird der die Emittervorspannung der Vortransistoren und damit die Motordrehzahl bestimmende Spannungsteiler elektronisch gesteuert, da ein Widerstand von der Kollektor-Emitterstrecke eines an die Vergleichsschaltung angeschlossenen Transistors in Abhängigkeit von dessen Durchsteuerung mehr oder weniger stark überbrückt wird. Die Vergleichsschaltung enthält nur Halbleiterbauelemente, so daß alle wesentlichen Bauelemente das gleiche einander kompensierende Temperaturverhalten aufweisen.

Eine Magnetfeld- oder Magnetdiode, wie sie bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung Verwendung findet, ändert ihren ohmschen Widerstand, wenn sie in Flußrichtung betrieben wird, in Abhängigkeit von dem die Diode durchsetzenden magnetischen Fluß. Diese Eigenschaft wird bei der vorliegenden Kommutierungsanordnung ausgenützt. Um eine Temperaturabhängigkeit dieser Widerstandsänderung zu kompensieren, werden zwei gleichartige Magnetdioden in Reihe geschaltet, wobei beide Dioden in Flußrichtung gepolt sind. Da die feldabhängige Widerstandsänderung durch eine am seitlichen Rand des Halbleiterkörpers einer Magnetdiode angeordnete Rekombinationszone verursacht wird, müssen diese Zonen bei in Reihe geschalteten Magnetdioden einander abgewandt sein. Wenn an die beiden in Reihe geschalteten Dioden eine feste Gleichspannung angelegt wird, fällt normalerweise an jeder Diode, unabhängig von der herrschenden Außentemperatur, die halbe Eingangsspannung ab. Wirkt auf die beiden Dioden ein Magnetfeld ein, so erhöht sich der ohmsche Widerstand der einen Diode, während sich der der anderen Diode absenkt. Die sich bei verändernder Feldstärke ergebende Potentialänderung an einer der beiden Dioden wird als Signal auf die nachfolgenden Schaltungsteile gegeben.

Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung wird im weiteren anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

In der Schaltung gemäß der Figur sind die drei

Ständerwicklungen mit 1 bezeichnet. Diese Ständerwicklungen 1 sind um 120° gegeneinander versetzt. Zur Steuerung des Stromes in jeder Ständerwicklung ist jeweils ein Magnetdiodenpaar 4 vergesehen, das aus den in Reihe geschalteten Magnetdioden Aa und 4b besteht.

Dieses Magnetdiodenpaar 4 bildet einen Spannungsteiler und ist vorzugsweise zwischen die Pole der Betriebsspannungsquelle (U_B) geschaltet. Die Magnetdioden müssen dabei so angeordnet sein, daß sie in Flußrichtung betrieben werden. Im feldlosen Zustand wird daher, unabhängig von der Temperatur, die halbe Betriebsspannung an jeder Magnetdiode abfallen.

Der Mittelabgriff des aus dem Diodenpaar 4 bestehenden Spannungsteilers führt zur Basiselektrode eines Vortransistors 3, dessen Kollektorelektrode wiederum mit der Basiselektrode eines nachgeschalteten komplementären Leistungstransistors 2 verbunden ist. In der KoJlektorzuIeitung dieses Leistungstransistors 2 liegt die dem Magnetpaar 4 zugeordnete Ständerwicklung. Die Reihenschaltung aus der Kollektor-Emitterstrecke des in Emitterschaltung beschriebenen Leistungstransistors 2 und der Ständerwicklung 1 ist vorzugsweise zwischen die Pole der Betriebsspannungsquelle geschaltet.

Die Leistungstransistoren 2 werden von len Vortransistoren 3 so angesteuert, daß immer ein Leistungstransistor 2 Strom führt, wenn der zugehörige Vortransistor 3 ebenfalls leitend ist. Die Ansteuerung der Vortransistoren 3 erfolgt über die Magnetdioden so, daß jede Ständerwicklung zum richtigen Zeitpunkt über den leitenden Leistungstransistor 2 Strom führt. Bei einem zweipoligen permanentmagnetischen Anker sind die Magnetdiodenpaare daher um 120° gegeneinander versetzt im Ständer untergebracht.

Die Emitterelektroden der Vortransistoren 3 liegen an einer gemeinsamen Vorspannung, die so gewählt ist, daß die Vortransistoren 3 bei fehlendem Magnetfeld gesperrt sind.

Wenn dagegen auf ein Magnetdiodenpaar ein Magnetfeld einwirkt, wird durch die Widerstandsänderung der Magnetdioden ein Spannungshub verursacht, der dafür sorgt, daß in der den Magnetdioden zugeordneten Ständerwicklung ein Strom fließt.

Wenn von der in der Figur angegebenen Polarität der Betriebsspannungsquelle U_B ausgegangen wird, sind die Vortiansistoren 3 beispielsweise vom pnp-Leitungstyp, und alle Emitterelektroden dieser Transistoren liegen auf einer gemeinsamen Vorspannung. Wenn die Vorspannung der Vortransistoren an den Emitterelektroden der halben Betriebsspannung entspricht, sind die Vortransistoren gesperrt, wenn auf die zugeordneten Magnetdioden kein Magnetfeld einwirkt. Durch den Einfluß eines entsprechend gepolten Magnetfeldes wird das Potential an der Basiselektrode eines Vortransistors 3 so weit abgesenkt, daß der Vortransistor 3 und damit auch der nachgeschaltete Leistungstransistor 2 leitend wird. Da in der Kollektorstrecke dieses in Emitterschaltung betriebenen t Leistungstransistors 2 die Ständerwicklung 1 liegt, führt diese im richtigen Moment Strom. Bei einer Drehung des Motors um 120° führt die nächste Ständerwicklung Strom, so daß ein Drehfeld erzeugt wird, das den kontinuierlichen Lauf des Motors bewirkt. t

Es ist wünschenswert, die Drehzahl des Motors zu regeln bzw. konstant zu halten. Dies kann durch eine Änderung der Vorspannung an den Emitterelektroden der Vortransistoren 3 geschehen. Die Emittervorspannung wird vorteilhaft so verändert, daß sie gegen die Basisspannung negativer wird, wenn der Motor langsamer werden soll, während sie bei einem zu beschleunigenden Motor positiver werden muß.

Um das Emitterpotential der Vortransistoren 3 variabel gestalten zu können, wird zwischen die Pole der Betriebsspannungsquelle vorzugsweise ein Spannungsteiler aus den Widerständen 10 und 11 mit veränderlichem Teüverhältnis geschaltet.

Zur Konstanthaltung der Drehzahl wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung vorzugsweise ein Regelverstärker ver-

> wendet. In diesem Fall ist der Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen 10 und 11 mit der Basiselektrode eines Regeltransistors 9 verbunden, der bei der angegebenen Polarität der Spannungsquelle eine npn-Zonenfolge aufweist. Die Emitterelektrode dieses Regel transistors 9 ist mit den Emitterelektroden der Vortransistoren 3 verbunden, während der Kollektor an den positiven Pol der Betriebsspannungsquelle angeschlossen ist. Es müssen ferner Mittel vorgesehen sein, die durch elektronischen Vergleich der gleichgerichteten Gegen-EMK mit einer vorgesehenen Schwellspannung eine automatische Variation des Teilverhältnisses des Spannungsteilers aus den Widerständen 10 und 11 in der Weise bewirken, daß das Emitterpotential der Vortransistoren 3 einer Änderung der Motordrehzahl entgegenwirkt.

Die drehzahlproportionale EMK des Motors wird ^Hurch Gleichrichtung über die Dioden S gewonnen, Die jeweils zwischen die Ständerwicklung an der Verbindung zum Vortransistor 3 und die Kathode einer gemeinsamen Zenerdiode 7 geschaltet sind. Die Durchlaßrichtung der Zenerdiode ist der der Dioden 5 entgegengerichtet, die wiederum so geschaltet sind, daß eine Gleichrichtung der positiven Halbwelle des Ständerwicklungsstromes erfolgt. Zwischen die gemeinsame Verbindungsstelle aller Ständerwicklungen 1 und die Kathode der Zenerdiode 7 ist ein Glättungskondensator 6 geschaltet. Die Kathode der Zenerdiode 7 ist ihrerseits mit der Emitterelektrode eines in Basisschaltung betriebenen Transistors 8 verbunden, dessen Polarität der der Schalttransistoren 3 entspricht.

Ist nun die Motor-EMK kleiner als die Summe der Zenerspannung und der Basis-Emitterspannung des Transistors 8, dann ist der Transistor 8 und damit auch der nachgeschaltete Transistor 12 gesperrt. Die Emittervorspannung der Vortransistoren 3 wird durch das Teilerverhältnis des Spannungsteilers aus den Widerständen 10 und 11 bestimmt.

Wenn infolge einer überhöhten Drehzahl die gleichgerichtete EMK größer als die Zenerspannung der Diode 7 und die Basis-Emitterspannung des Transistors 8 wird, führt der Transistor 8 einen KoI-iektorstrom und wird leitend. Die Basiselektrode des Transistors 8 ist mit dem positiven Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden. Da der Kollektor des Transistors 8 über einen Widerstand 13 mit dem in Emitterschaltung betriebenen komplementären Tiansistor 12 verbunden ist, wird auch dieser Transistor 12 bei leitendem Transistor 8 leitend. Die Kollektor-Emitterstrecke dieses Transistors 12 ist parallel zu einem der Widerstände 11 des Spannungsteilers geschaltet, so daß bei leitendem Transistor 12 dieser Widerstand 11 zumindest teilweise überbrückt ist.

5 6

Hierdurch wird das Basispotential des Regeltransi- herabgesetzt, daß die EMK des Motors absinkt, der

stors 9 abgesenkt, was auch eine Absenkung des Transistor 8 wieder gesperrt wird und die Drehzahl

Emitterpotentials an den Vortransistoren 3 zur Folge wieder ansteigen kann.

hat. Der Spannungshub an der Magnetdiode 4a muß Bei dem in der Figur dargestellten Schaltungsbei-

daher größer werden, damit der Vortransistor 3 "· spiel sind die Transistoren 2, 9 und 12 vom npn-Lei-

durchschaltet und die Ständerwicklung Strom führt. tungstyp und komplementär zu den Transistoren 3

Durch diese Maßnahme wird die Drehzahl so weit und 8.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für einen kommutatorlosen Gleichstrommotor mit einem vom Magnetfeld des Läufers aus gesteuerten Drehstellungsdetektor, der läuferlageabhängig jeweils über eine aus einem Vortransistor und einem nachgeschalteten komplementären Leistungstransistor bestehende Schalteinheit eine jeweils zugeordnete Ständerwicklung an eine Gleichstromquelle schaltet, bestehend aus einem die Emitteivorspannung der Vortransistoren verändernden, von einer Regelspannung gesteuerten Regeitransistor und einer angeschlossenen Vergleichsschaltung zur Gewinnung einer durch den Vergleich einer vorgegebenen Sollwertspannung eines Sollwertgebers und einer über Dioden an den Ständerwicklungen ausgekoppelten Gegen-EMK afs istwertspannung gebildeten Differenzspannung, die eine an der Basis des Regeltransistors angeschlossene Spannungsteilerschaltung derart beeinflußt, daß sich die von der Spannungsteilerschaltung abgegriffene Regelspannung für den Regeltransistor (7*6) im Sinne einer Konstanthaltung der Drehzahl selbsttätig verändert, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der Drehstellungsdetektor besteht aus jeweils einem einer Ständerwicklung zugeordneten in Reihe an die Gleichspannungsquelle geschalteten Magnetdiodenpaar (4), dessen Mittelabgriff jeweils ar. die Basis des der jeweiligen Ständerwicklung zugeordneten Vortransistors (3) geschaltet ist, wobei die Magnetdioden so angeordnet sind, daß sich unter dem Einfluß eines Magnetfeldes der Widerstand der einen Diode verkleinert, während sich der der anderen Diode erhöht;

b) die Vergleichsschaltung besteht aus einer zu den Dioden (5) in Reihe geschalteten Serienschaltung aus einer Zenerdiode (7), dessen Schwellspannung den Drehzahlsollwert bestimmt, und eines in Basischaltung betriebenen ersten Transistors (8);

c) die Spannungsteilerschaltung besteht aus zwei in Reihe an die Gleichspannungsquelle geschalteten Widerständen (10,11), von denen einer (11) durch die Kollektor-Emitter-Strecke eines von dem ersten Transistor (S) ausgesteuerten zweiten Transistors (12) überbrückt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Regeltransistor (9) und der zweite Transistor (12) komplementär zu den Vortransistoren (3) sind.