DE2138611B2

DE2138611B2 - Schaltungsanordnung zum Speisen eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2138611B2
Application number: DE2138611A
Authority: DE
Inventors: Gordon George Welwyn Garden City Hertford Scarrott; Timothy John Windsor Berkshire Stevenson
Original assignee: Fujitsu Services Ltd
Current assignee: Fujitsu Services Ltd
Priority date: 1970-09-04
Filing date: 1971-08-02
Publication date: 1979-11-08
Also published as: PL82216B1; US3729663A; HU164251B; GB1344627A; DE2138611C3; DE2138611A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Speisen emes in beiden Drehrichtungen betreibbaren Gleichstrommotors eines Stellantriebes in Mittelpunktschaltung, mit zwei miteinander in Reihe geschalteten Stromquellen und zwei mit ihren Kollektoremitterstrecken miteinander in Reihe geschalteten Leistungstransistoren, in der der Gleichstrommotor mit den Mittelanschlüssen der beiden Reihenschaltungen verbunden ist und die jeweiligen Enden der Reihenschaltungen ebenfalls miteinander in Verbindung stehen und in der die Basisanschlüsse der Leistungstransistoren mit einer gemeinsamen Steuerschaltung verbunden sind, die in einem ersten Schaltzustand die beiden Transistoren in gleichem Maße und in einem zweiten Schaltzustand in ungleichem Maße stromdurchlässig schalten kann.

Aus der US-PS 31 46 390 ist eine Fernsteueranordnung bekannt, bei der ein Gleichstrommotor über einen Stromkreis gespeist wird, in welchem zwei Batterien sowie die Emitter/Kollektorverbindungen zweier Leistungstransistoren oder -schalter miteinander in Reihe geschaltet sind; die anderen Enden der Batterien sind an die entsprechenden Enden der in Reihe geschalteten Transistoren gelegt. Der Motor ist zwischen die Mittenanzapfungen der beiden Batterien und der beiden Transistoren eingeschaltet. Eine Steuerschaltung erzeugt erste Signale, die einen der Transistoren stromleitend machen, sowie zweite Signale, die den anderen der Transistoren stromleitend machen. Wenn keiner der Transistoren stromleitend ist, oder wenn beide Transistoren in gleichem Maße stromleitencl sind, erhält der Motor einen resultierenden Strom vom Wert Null. Wenn jedoch der eine oder der andere Transistor stromleitend wird, nimmt der Motor Strom aus der entsprechenden Batterie auf und wird deshalb in einer Richtung angetrieben, die dadurch fesigelegl: ist, welcher Transistor stromleitend ist.

Des weiteren ist aus der US-PS 29 21 247 eine Steueranordnung für einen Gleichstrommotor bekannt, bei welchem zwei identische Leistungstransistorverstärker so geschaltet sind, daß in entgegengesetzter Richtung fließende Ströme in den Motor eingespeist werden, so daß der Motor durch die Differenz dieser beiden Ströme betrieben wird. Die Größe der in entgegengesetzter Richtung fließenden Ströme wird durch Eingangssignale in die Verstärker so gesteuert,

ίο daß dann, wenn der Motor stehen bleiben soll, die Ströme gleiche Größe haben, und wenn der Motor angetrieben werden soll, die Differenz zwischen den Strömen die Polarität hat, die erforderlich ist, um den Motor in der gewünschten Richtung anzutreiben.

.3 In beiden Fällen ist der Strom, der in den Motor eingespeist wird, auf den maximalen Strom beschränkt, der aus der über die Leistungstransistoren geschalteten Batterieversorgung entnommen werden kann, und damit ist die Beschleunigungsgeschwindigkeit des Motors durch den Strom begrenzt

Sei Magnetplaiiendatenspeichern ist es erforderlich, einen Aufzeichnungskopf auf eine Spur einer Platte zu setzen, zu der ein Zugriff erwünscht ist. Eine Beschränkung der Geschwindigkeit, mit der unterschiedliche Spuren angefahren werden können, ist die Beschleunigung, die dem Aufzeichnungskopf durch einen Antriebsmotor oder eine Betätigungsvorrichtung erteilt wird. Der Strom der zum Betreiben des Antriebsmotors erforderlich ist, wird einer Stromquelle entnommen. Der Strombedarf ist umgekehrt proportional der Zeitdauer, die notwendig ist, um den Kopf von einer Ausgangsposition an die gewünschte Spur zu bewegen. Um diese Zeitdauer kurz zu halten, ist es erforderlich, Stromquellen hoher Leistungsfähigkeit zu verwenden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäßen Schaltanordnung so weiter zu entwickeln, daß ein Gegenstand, insbes. ein Aufzeichnungskopf, exakt auf eine gewünschte Position, insbes, die gewünschte Spur eines Plattenspeichers, mit einem Minimum an Zeit- und Energieaufwand eingestellt werden kann, indem vermieden wird, daß die zur Einstellung auftretende kinetische Energie beim Abbremsen vernichtet wird.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Enden der Reihenschaltung der Stromquellen und die der Leistungstransistoren über je eine Wicklung einer gemeinsamen Speicherdrossel miteinander verbunden sind. Insbesondere erfolgt diese Verbindung der Wicklungen der gemeinsamen Speicherdrossel elektromagnetisch über einen Magnetkern.

Die Speicherdrossel bewirkt ein Speicher der Energie in der Weise, daß dann, wenn der Motor beschleunigt werden soll, diese gespeicherte Energie zur Erhöhung des Stromes aus der Stromquelle verwendet wird.

Damit kann eine gewünschte Beschleunigung des Motors mit Hilfe einer Stromquelle geringerer Leistungsfähigkeit erreicht werden. Durch Speicher der Bewegungsenergie im magnetischen Feld einer Drossel wird diese Energie während der Beschleunigung des Antriebs in kinetische Energie umgewandelt und dann während der Verzögerungsperiode in die Speicherdrossel zurückgekehrt.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Die Figur zeigt schematisch eine Schaltanordnung zur Beschleunigung und Verzögerung eines Stellantriebes nach der Erfindung.

Eine Servo- und Steuerschaltung 12 ist mit einem

ersten Ausgang an die Basis eines Transistors IO über eine Leitung 22 und mit einem zweiten Ausgang an die Basis eines Transistors 11 über eine Leitung 23 gelegt. Eine Drossel 25 weist Wicklungen 16 und 17 und einen zugeordneten Kern 20 auf, der die Spulen gleichförmig koppelt Um die Streuinduktivität zwischen den Wicklungen 16 und 17 so klein wie möglich zu halten, sind sie bifilar gewickelt Der positive Anschluß einer Stromquelle 18 ist mit dem negativen Anschluß einer anderen Stromquelle 19 verbunden. Diese beiden Anschlüsse sind an den gleichen Eingang eines Stellantriebes 21 gelegt Der negative Anschluß der Stromquelle 18 ist mit dem oberen Ende der Wicklung 17 verbunden, während der positive Anschluß der Stromquelle 19 mit dem unteren Ende dar Wicklung 16 verbunden ist Das untere Ende der Wicklung 17 ist über eine Diode 14 mit dem Kollektor des Transisitors 11 verbunden, während das obere Ende der Wicklung 16 über eine Diode 15 an den Kollektor des Transistors 10 gelegt ist Das andere Ende des Stellantriebes 21 ist mit den Emitterelektroden der Transistoren 10 und 11 verbunden. Der Gleichstrommotor des Stellantriebes 21 kann beispielsweise ein Linearmotor (z. B. Sehwingspulantrieb) sein, der in einer Magnetscheibenkopfeinstellvorrichtung verwendet wird, oder ein üblicher mit einem Rotor.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung ist folgende:

Der Stellantrieb 21 hat eine bewegliche Masse, auf die von einem Gleichstrommotor eingewirkt wird, der eine Kraft proportional dem Strom im Motor erzeugt. Füdie Kombination aus Masse und Motor kann eine Ersatzschaltung aufgestellt werden, deren Hauptimpedanzkomponente kapazitiv ist Infolgedessen kann die äquivalente Kapazität des Stellantriebes als Teil eines abgestimmten Stromkreises mit der induktiven Impedanz der Drossel 25 betrachtet werden, so daß der Stellantrieb und die Impedanz Energie austauschen können.

Damit der Stellantrieb 21 in einem stationären Zustand gehalten wird, ist die Servo- und Steuerschaltung 12 so ausgelegt, daß sie Ausgangssignale über die Leitungen 22 und 23 erzeugt, damit beide Transistoren 10 und 11 in einem stromleitenden Zustand gehalten werden, der niedriger ist als der voll stromleitende Zustand. Die Stromquelle 19 kann dann einen Strom /Ί durch die Wicklung 16, den Transistor 10 und den Stellantrieb 21 in einer ersten Richtung schicken. Gleichzeitig erzeugt die Stromquelle 18 einen Strom h, der gleich dem Strom η ist und der durch die Wicklung 17, den Transistor 11 und den Stellantrieb fließt. Die Ströme /ι und h fließen in entgegengesetzten Richtungen im Stellantrieb 21, und da die Ströme /, und h gleich oder zumindest annähernd gleich sind, heben sie einander am Stellantrieb ganz oder zumindest weitgehend auf, so daß der Nutzstromfluß durch den Stellantrieb 21 nicht ausreichend ist, um letzteren zu erregen und anzuschalten. Selbst wenn der Nutzstromfluß durch den Stellantrieb Null ist, erzeugen die Ströme ή und i₂ einen ruhenden Slromzustand jn der Drossel, so daß eine Energiespeicherung entsprechend der Summe /ι und I₂ in der Drossel erhalten wird.

Wenn es erwünscht ist, den Stellantrieb zu betätigen, beispielsweise die Lage eines Aufzeichnungskopfes zu ändern, wird der abgeglichene Stromzustand im Stellantrieb aufgehoben und der Stellantrieb muß erregt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Servo- und Steuerschaltung 12 ein Ausgangssignal über die Leitung 23 führt, das den Transistor 11 nichtleitend macht, und ein Ausgangssignal über die Leitung 22, das bewirkt, daß der Transistor 10 volleitend wird. Der Stromfluß h durch die Serienschaltung aus Spule 17, Diode 14, Stromquelle 18, Stellantrieb 21 und Transistor 11 wird unterbrochen, während der Strom durch die Reihenschaltung aus Spule 16, Diode 15, Transistor 10, Stellantrieb 21 und Stromquelle 19 fließt Die Drossel 25 versucht einen Gesamtstromfluß von i\ und h durch die Wicklungen 16, 17 aufrechtzuerhalten, da der Stromkreis an der Wicklung jedoch unterbrochen ist, kann der Strom h in der Wicklung 17 nicht fließen, so daß die Drossel einen Strom erzeugt, der zu Anfang gleich dem Strom h ist, und der dem ruhenden Strom i\ in der Wicklung 16 zuaddiert wird, so daß ein Nutzstromgleich /ι und h durch den Stellantrieb fließt

Bei einer Aufnahme dieses kombinierten Stromes h und h wird der Stellantrieb in einer ersten Richtung beschleunigt Während dieser Beschleunigung wird Energie aus der Drossel entnommen, so daß die Stromkomponente h fällt

Die Bewegung des Stellantriebes erzeugt eine Gegen-EMK, die wiederum einen Strom h erzeugt, der in entgegengesetzter Richtung auf den Antriebsstrom i\ und .·. wirkt, so daß in jedem Augenblick der Bewegung des Stellantriebes die Resultierende des Stromes h fallender Größe, des Stromes /ι aus der Stromquelle 19 und des Gegenstromes /3, der sich aus der Gegen-EMK ergibt, ist

Die algebraische Summe der Ströme /Ί, h und /3 wird laufend verringert, bis der Strom etwa auf Null fällt, bedingt durch die Entladung der Drossel und die Erhöhung der Gegen-EMK, die sich aus der Beschleunigung ergibt.

Wenn der Stellantrieb etwa die Hälfte der gewünschten Strecke zurückgelegt hat, die er sich bewegen soll, wirH die Steuerschaltung 12 betätigt um die stromleitenden Zustände der Transistoren 10 uno 11 zu vertauschen. Damit ist die Wicklung 16 aus der Schaltung abgeschaltet und die Wicklung 17 in die Schaltung eingeschaltet. Der Strom, der sich aus der Gegen-EMK ergibt, weiche durch Bewegung des Stellentriebes erzeugt wird, fließt nun in der Wicklung 17 in der gleichen Richtung wie der Anfangsruhestrom h

■»5 und führt zu einem Aufbau des Ruhestromzustandes in der Drossel, und der Stellantrieb kommt zum Stillstand, wobei der ruhende Strom in der Drossel 25 auf den anfänglichen Wert zurückgeführt wird. Das heißt, daß die kinetische Energie des Stellantriebes der Drossel 25

so aufgegeben worden ist, statt daß sie in die Stromkreiselemente, wie beispielsweise die Transistoren 10 und 11, abgeführt worden wäre.

Ca die Drossel 25 und der Stellantrieb 21 einen Teil eines abgestimmten Stromkreises mit einer dominierenden kapazitiven impedanz bilden, wird ein gedämpfter Resonanzzustand zwischen der Drossel und dem Stellantrieb geschaffen, der die gewünschte Energieübertragung unterstützt. Wenn die Gegen-EMK, die Erhöhung des Stromes in der Drossel 25 bewirkt, wird der Stellantrieb 21 verzögert und kommt zur Ruhe, nachdem es eine bestimmte Strecke Xzurückgelegt hat. Die Strecke X, die der Stellantrieb 21 zurückgelegt hat, ist von den Parametern des Stellantriebes (oder Linearmotors) und der Drossel 25 mit den erforderlichen Parametern voreingestellt worden. Der Stellantrieb kann um einen kürzeren Abstand dadurch verschoben werden, daß die Steuerschaltung 12 die Verbindungen von dem Stellantrieb 21 zur Drossel 25

vertauscht, bevor die Gegen-EMK bewirkt, daß der Beschleunigungsstrom Null wird. Der Stellantrieb kann um einen größeren Abstand als den Abstand X dadurch verschoben werden, daß er von der Drossel 25 eine bestimmte Zeitdauer nachdem der Beschleunigungsstrom den Wert Null erreicht hat, getrennt wird, und zwar im Anschluß an eine Beschleunigung des Stellantriebes aus seiner Ruheposition. In diesem letzteren Falle hält die Servo- und Steuerschaltung 12 beide Transistoren 10 und 11 im nichtleitenden Zustand. Diese beiden Transistoren können jedoch nur im nichtleitenden Zustand gleichzeitig gehalten werden, wenn der Strom Null ist, da eine hohe Spannungsspitze, die die Transistoren 10 und 11 beschädigen würde, entstehen würde, falls die Transistoren 10 und 11 mit dem sie durchfließenden Strom in einem offenen Stromkreis geschaltet sind.

Auch sind die Anforderungen an die Stromquellen 18 und 19 geringer als wenn Hip Gegen-EMK, die von der kinetischen Energie des Stellantriebes i!l erzeugt wurde, einfach in die Stromkreiselemente abgeleitet würde. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung müssen die Stromquellen 18 und 19, die nominell gleiche Spannungen aufweisen, nur in der Lage sein, einen Strom und eine Spannung zu erzeugen, die ausreichen, um den Stellantrieb 21 zu magnetisieren und die Widerstandsverluste in der Drossel 25 und in den Transistoren 10,11 sowie im Stellantrieb 21 zu kompensieren. Derartige Verluste sind jedoch im Vergleich zur Gesamtenergie, die in die Drossel 25 zurückgeführt wird, gering, so daß die Gesamtableitung an Energie auf einem wirtschaftlich geringen Wert gehalten wird.

Nachdem der Stellantrieb 21 an sich um die gewünschte Strecke X bewegt hat, oder die bewegliche Spule eines Linearmotors eine Strecke X zurückgelegt hat, kann die Anordnung in einen stationären Betrieb dadurch zurückgelegt werden, daß ein Ausgangssignal über eine Leitung 23 aufgegeben wird, das den Transistor 11 stromleitend hält und den Transistor 10 stromleitend macht, indem die Steuerschaltung 12 ein

ΙΊ entsprechendes Ausgangssignal über die Leitung; 22 aufgibt. Auf diese Weise werden die Ströme /Ί und /> wieder hergestellt.

Zum Bewegen des Stellantriebes 21 in die andere Drchricmüüg kann die Servo- und Steuerschaltung 12 Ausgangssignale aufgeben, die den Transistor 10 nichtleitend und den Transistor 11 leitend machen.

Die Dioden 14 und 15 haben die Aufgabe, die Transistoren 11 und 10 gegen Rückspannungen zu schützen, die aufgrund der Transformationswirkung

2ϊ zwischen den Wicklungen 16 und 17 der Drossel 25 erzeugt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Speisen eines in beiden Drehrichtungen betreibbaren Gleichstrommotors eines Stellantriebes in Mittelpunktschaltung, mit zwei miteinander in Reihe geschalteten Stromquellen und zwei mit ihren Kollektoremitterstrecken miteinander in Reihe geschalteten Leistungstransistoren, in der der Gleichstrommotor mit den Mittelanschlüssen der beiden Reihenschaltungen verbunden ist und die jeweiligen Enden der Reihenschaltungen ebenfalls miteinander in Verbindung stehen und in der die Basisanschlüüse der Leistungstransistoren mit einer gemeinsamen Steuerschaltung verbunden sind, die in einem ersten Schaltzustand die beiden Transistoren in gleichem Maße und in einem zweiten Schaltzustand in ungleichem Maße stromdurchlässig schalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Reihenschaltung der Stromquelle und die der Leistungstransistoren über je eine Wicklung (16,17) einer gemeinsamen Speicherdrossel (25) miteinander verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (16, 117) der gemeinsamen Speicherdrossel (25) elektromagnetisch über einen Magnetkern (20) gekoppelt sind.