DE2308449B2 - Bürstenloser Gleichstrommotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Aus der DE-AS 12 9182! und aus der US-PS 17 289 ist ein über Hall-Generatoren gesteuerter Gleichstrommotor mit vier Statorwindungen bekannt, von denen jedoch immer nur eine vom Erregerstrom durchflossen ist. Die beiden Hall-Generatoren sind in einem Winkel von 90° gegeneinander versetzt und der Rotor ist als Permanentmagnet mit einem N- und einem S-PoI ausgebildet. Je nachdem ob einem der Hall-Generatoren gerade der N- oder S-Rotorpol gegenüberliegt, weist dieser Hall-Generator an seinem einen oder an seinem anderen Ausgang das höhere Potential auf. Die beiden Ausgänge eines jeden Hall-Generators führen auf einen Schalttransistor, der die mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke in Serie liegende Statorwindung im leitenden Zustand mit Erregerstrom versorgt. Da immer nur einer der beiden Hall-Generatoren einem der beiden Rotorpole gegenüberliegt und immer nur derjenige der beiden einem Hall-Generator zugeordneten Schalttransistoren leitend wird, dessen Basis mit demjenigen Ausgang des Hall-Generators verbunden ist, der gerade das höhere Potential aufweist, kann gleichzeitig immer nur eine der vier Statorwicklungen erregt sein. Dieses führt zu einem niedrigen Wirkungsgrad der Statorwicklungen und damit zu einem entsprechend geringen Drehmoment des Gleichstrommotors. Zur Erhöhung des Drehmoments ist es durch die US-PS 33 64 407 bekanntgeworden, den bürstenlosen Gleichstrommotor wie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 auszubilden, so daß immer sämtliche Statorwicklungen gleichzeitig erregt werden können. Hierdurch wird nicht nur das Drehmoment erhöht, sondern auch ein ruhigerer Lauf erhalten. Denn, während bei Erregung immer nur einer Statorwindung das Drehmoment auf Grund einer unsymmetrischen magnetischen Erregung erzeugt wird, geschieht dieses bei Erregung immer aller Statorwindungen auf symmetrische Weise.

ίο Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein solcher Motor in seiner Drehzahl für viele Anwendungsfälle nicht rasch genug abgesenkt werden kann. So ist bisher die Rotordrehzahl dadurch verringert worden, daß der Stromfluß durch jeden der Hall-Generatoren so is gesteuert wird, daß sich die Hall-Spannung verringert Dadurch verringern sich die Erregerströme für die Treibwicklungen insgesamt Da jedoch bei dieser Methode der Erregerstrom der Reihe nach durch jede der den Hall-Generatoren zugeordneten Treibwicklungen fließt, erzeugt jede Treibwicklung ein Drehmoment. Eine rasche Absenkung der Rotordrehzahl war daher nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den Motor der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art so weiterzubilden, daß sich dessen Rotordrehzahl auch rasch absenken läßt

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wiedergegeben. Hiernach werden im Prinzip 'durch eine geeignet JO gesteuerte Auslassungsschaltung mir einige ausgewählte Windungen erregt, nicht jedoch alle Windungea Oa die ausgelassenen Windungen kein Drehmoment zu erzeugen vermögen, kann die Rotordrehzahl rasch reduziert werden.

π Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Nachstehend ist die Erfindung an Hand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsformen im einzelnen beschrieben.
»ο Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Alisführungsform mit einem Servosystem gemäß dem Stand der Technik;

F i g. 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig.3 eine Blockschaltbild einer Variation des in F i g. 4 gezeigten Logik-Ausgangsgenerators und

F i g. 4 eine Schrägansicht eines weiteren Motors der hier in Rede stehenden Art.

Die in F i g. 1 dargestellte bekannte Ausführungsform eignet sich speziell für eine automatische Blendensteuervorrichtung in Kameras. Der hierzu erforderliche Motor 20 ist ein Gleichstrommotor mit Hallgeneratoren HX und H 2 und einem permanentmagnetischen Rotor R mit einem magnetischen Nord- und Südpol N bzw. S. Seine Statorwicklungen L'\ — Z/4 liegen in Sternschaltung vor. Es kann jedoch ein Ringschaltungsmotor vorgesehen werden.

Eine Brückenschaltung aus einem photoelektrischen Element 3 und variablen Widerständen 5,6 und 7 dient w) als Regler und liefert die Eingangssignale für die als Stromkomutator dienende Umkehrschaltung 11, welche die Reihenfolge der durch die Statorwicklungen Z/l —Z/4 fließenden Ströme steuert. Das photoelektrische Element 3 befindet sich hinter einer vom Motor 20 h5 getriebenen Blendenvorrichtung 4, die das von einem Objekt stammende Licht so steuert, daß sich der Widerstandswert des photoelektrischen Elementes 3 in Abhängigkeit von der Intensität des auftreffenden

Lichtes ändert Die variablen Widerstände 5, 6 und 7 werden entsprechend der Einstellung der Belichtungsfaktoren verändert Eine mit einem Brückenarm verbundene Anpaßschaltung 8 steuert di<* Drehzahl des Gleichstrommotors. Zu diesem Zweck steuert die Anpaßschaltung 8 den Betrag eines der Brückenschaltung zugeführten Eingangssignals in Abhängigkeit von einem die Drehzahl des Rotors repräsentierenden Signals derart, daß auf den Rotor eine Brems- oder Verzögerungskraft einwirken kann.

Ausgänge A und B der Brückenschaltung sind über Widerstände R 5 bzw. R 6 mit einem Operationsverstärker 9 verbunden, dessen Ausgang mit einem Vorzeichendetektor 10 verbunden ist, der das Vorzeichen des ihr zugeführten Signals abtastet, um festzustellt.-'*, auf welchen der beiden Ausgänge das Ausgangssignal gegeben werden solL Die beiden Ausgangsanschlüsse des Vorzeichendetektors 10 sind mit der Umkehrschaltung 11 verbunden, zu der die Hall-Generatoren Hi und H2 und die beiden Transistorpaare Ql, Q2 und Q3, Q4 gehören. Die Ausgangsanschlüsse der Umkehrschaltung 11 sind mit den Basen von Transistoren 12,13,14 und 15 verbunden, welche die Treibschaltung bilden. Die Kollektoren dieser Transistoren 12 bis 15 sind mit den vier in Sternschaltung befindlichen Statorwicklungen L Γ bis LA' verbunden. Der gemeinsame Emitteranschluß der Transistoren 12 bis 15 ist mit dem negativen Anschluß der Stromquelle E verbunden, während die Kollektoren über Dioden 16 bis 19 mit der Anpaßschaltung 8 verbunden sind. Die Dioden 16 bis 19 dienen zum Abtasten der Motordrehzahl. Der geineinsame Verbindungspunkt der Wicklungen L V bis L 4 ist über den ElN-AUS-Schalter S mit dem positiven Anschluß der Stromquelle £ verbunden. Die Hallgeneratoren liegen um 90° auseinander. Eine Spule 21 zum Abtasten der Rotor-Drehzahl ist bei den Wicklungen L V bis L 4' befestigt und über eine Anpaßschaltung 22, z. B. ein Impedanzelement, mit den Ausgangsanschlüssen A und öder Brückenschaltung 3,5,6,7 verbunden.

Die Schaltung arbeitet folgendermaßen. Wenn die Brückenschaltung aus den Elementen 3, 5, 6 und 7 unabgeglichen ist, besteht eine Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen A und B. Die Potentialdifferenz wird durch den Operationsverstärker 9 verstärkt und als positive oder negative Ausgangsspannung auf die Vorzeichendetektorschaltung 10 gegeben. Die beiden Ausgangssignale des Vorzeichendetektors 10 werden auf die beiden Eingangsanschlüsse der Umkehrschaltung 11 gegeben. Die Ausgangssignale der in der Umkehrschaltung 11 liegenden beiden Hall-Generatoren H\ und H 2 ändern sich mit der Drehstellung des Rotors; die Umkehrschaltung 11 steuert daher die Transistoren 12 bis 15 der Treibschaltung der Reihe nach für eine Erregung der Wicklungen L Γ bis LA' derart an, daß sich der Rotor entweder in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung dreht. Die Blendensteuervorrichtung 4, die mit dem Motor 20 gekuppelt ist, wird deshalb so gesteuert, daß sich das auf das photoelektrische Element 3 auftreffende Licht ändert, wodurch die Bnückensohakung abgestimmt wird. Die dabei in derTreibschaltung erzeugten gegenelektromotorischen Kräfte werden über die Dioden 16 bis 19 ausgekoppelt und auf die Brückenschaltung rückgekoppelt, wo sie die Anpaßschaltung 8 beeinflussen. Deshalb wird der Servomotor 20 gebremst oder verzögert.

Des weiteren kann die Spannung, die in der auf den Wicklungen LV bis L 4' befestigten Abtastspule 21 induziert wird, den Ausgangsanschlüssen A und B der Bruckenschaltung über eine Anpaßschaltung 22 zugeführt werden, so daß die Drehung des Servomotors 20 verzögert werden kann.

Wie eingangs erwähnt kann mit einer solchen •3 Steuerschaltung die Motordrehzahl nicht sonderlich rasch abgesenkt werden. Um dieses zu erreichen, isc nun erfindungsgemäß eine Auslassungsschaltung vorgesehen, um gezielt bestimmte Statorwicklungen auslassen und so das Bremsmoment erhöhen zu können. Dieses ist

ίο in F i g. 2 dargestellt Es ist eine Auslassungsschaltung 31 vorgesehen, und des weiteren ein Gegendrehmomentgenerator 33, um den Motor 20 an einem zu schnellen Drehen zu hindern. Zur Bezeichnung von Komponenten, die denen der F i g. 1 gleichen, sind dieselben 5 Bezugszeichen verwendet

Es ist wieder eine Wheatstone'sche Brückenschaltung als Regler vorgesehen. Se^;n Ausgangsanschluß ist mit dem Verstärker 9 verbunden. Der Aufbau des Motors 20 ist dem der F i g. 1 gleich. Die Treibschaltung umfaßt Transistoren 12' bis 15', die mit den Wicklungen L V, L 2', L 3' bzw. L A' verbunden sind. Die Dioden 16 bis 19, welche die Spannung auskoppeln, -jm den Motor zu bremsen, sind mit dem Eingangsanschluß einer die Transistoren 24 und 25 aufweisenden Bremssteuerschaltung 1 verbunden. Der Ausgangsanschluß der Bremssteuerschaltung 1 ist mit dem Eingangsanschluß der die Hall-Generatoren Hi und H2 umfassenden Umkehrschaltung 11 verbunden.

Die Ausgangsanschlüsse von Anpaßschaltungen 27 bis 30 sind mit den Basen der Transistoren 12' bis 15' verbunden, und deren Eingangsanschlüsse sind über eine NAND-Schaltung 26 mit der Umkehrschaltung 11 verbunden. Der Ausgangsanschluß der Umkehrschaltung 11 ist mit dem Eingangsanschluß der Auslassungs-

y> schaltung 31 verbunden, die eine vorausbestimmte Erregungsfolge der Statorwicklungen LV bis LA' zu überspringen vermag, und der Ausgangsanschluß der Auslassungsschaltung 31 ist mit einer Mischschaltung 32 verbunden, deren Alisgangsanschluß auf einen Eingangsanschluß der NAND-Schaltung 26 führt. Die Umkehrschaltung ist des weiteren über einen Schalter 34 mit dem Eingangsanschluß des Gegendrehmomentgenerators 33 verbunden, der die Wicklungen LV bis L 4' so erregt, daß ein Gegendrehrnoment erzeugt wird.

Der Ausgangsanschluß des Gegendrehmomentgeiierators 33 ist mit der Mischschaltung 32 verbunden.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig.2 entspricht derjenigen der Schaltung nach Fig. 1, mit Ausnahme der Funktion der Erzeugung des Gegendrehmoments und der Funktion des Auslassens, die nachstehend im einzelnen beschrieben sind.

Bei der Schaltung nach F i g. 2 werden die Spannungen an den Statorwicklungen LV bis LA' über die Dioden 16 bis 19 und die Bremssteuerschaltung 1, welche die Transistoren 24 und 25 enthält, auf die Umkehrschaltung 11 rückgekoppelt, in der die beiden Hall-Generatoren Wl und H 2 liegen. Es sei angenommen, daß die Drehzahl des Rotors übermäßig angewachsen ist. Dann werden die entsprechend hohen

ίο Spannungen an den Wicklungen L V bis LA' auf die Bremssteuerschaltung 1 gegeben, und das Ausgangssignal der Steuerschaltung wird der Umkehrschaltung 11 zugeführt. In Abhängigkeit vom Ausgangssignal der U-Tikehrschaltung 11 wird die Auslassungsschaltung 31

μ erregt, so daß deren Ausgangssignal über die Mischschaltung 32 auf die NAND-Schaltung 26 gelangt. Somit werden in Abhängigkeit sowohl des Ausgangssignals der Mischschaltung 32 als auch des Ausgangssignals der

Umkehrschaltung 11 die NAND-Schaltung 26 und die Anpaßschaltungen 27 bis 30 derart angesteuert, daß die Transistoren 12' bis 15' der Reihe nach getrieben werden. Somit kann eine vorausbestimmte Erregungsfolge der Wicklungen L V bis L 4' in geeigneter Weise ausgelassen und die Drehgeschwindigkeit des Motors 20 reduziert werden.

Wenn der Schalter 34 geschlossen ist, wird außerdem das Ausgangssignal des Gegendrehmomentgenerators 13 der Mischschaltung 32 zugeführt. Dann steuert die NAND-Schaltung 26 die Treibschaltung so, daß die Wicklungen LV bis L4' zur Erzeugung eines Gegendrehmomentes erregt werden. Somit kann der Servomotor an einer übermäßig hohen Drehzahl gehindert werden.

Fig.3 zeigt nun einen Gleichstrommotor, bei dem der Stator nur ein einziges Wicklungspaar aufweist und ein Tachogenerator vorgesehen ist. Im einzelnen ist der Rotor R durch eine Welle Sh drehbar gelagert und hat entgegengesetzte Magnetpole N und S. Der Stator weist eine erste und eine zweite flußerzeugende Wicklung LXa und L 2a auf, die bezüglich des Rotorumlaufes elektrisch um 90° versetzt und zum Rotor R in drehmomenterzeugender Beziehung stehen. Die beiden Hall-Generatoren H1 und H 2 sind ebenfalls elektrisch um 90° gegeneinander versetzt. Die Wicklung L des Tachogenerators verläuft um die Wicklungen L 1 a und L 2a unter einem Winkel und tastet die Drehzahl des Rotors R ab.

Es kann nun ein Servosystem vorgesehen werden, in welchem das die Drehzahl des Motors repräsentierende Signal des Tachogenerators L z. B. so rückgekoppelt wird, daß die Größe eines dann das photoelektrische Element 3 in F i g. 1 ersetzenden variablen Widerstandes in Abhängigkeit von der Änderung der Motordrehzahl variiert werden kann. Die Ausgangsanschlüsse A und B der Brückenschaltung sind mit den Eingangsan-■5 Schlüssen einer Vergleichsschaltung (z. B. Verstärker 9) verbunden, deren Ausgangssignale nach entsprechender Digitalisierung der Vorwählprogrammierschaltung 106 zugeführt werden.
Letztere steuert einen Schaltkreis 105 (Fig.4), der

ι» zwischen den Ausgangsanschlüssen der Hall-Generatoren H1 und H 2 und den Eingangsanschlüssen der Treibschaltung gelegen ist, um den beschriebenen Auslassungsvorgang zu erhalten. Der Vorwählprogrammierer 106 dient dazu, die Schalter des Schaltkreises 105

is entsprechend einem vorgewählten Programm zu betätigen. Das bedeutet, daß die Schalter des Schaltkreises auf das Ausgangssignal der Brücke 21 hin in bestimmter Reihenfolge und Anzahl geschlossen werden, wodurch die Signale in der entsprechend gewünschten Weise auf die Treibschaltung übertragen werden.

Bei einer Vorrichtung, in der die Wicklungen L la und L 2a der Reihe nach erregt werden und die Drehzahl des Motors infolge einer digitalen Ansteuerung übermäßig ansteigt, muß eine Dämpfungsvorrichtung vorgesehen sein. Dieses kann mit dem Vorwählprogrammierer 106 bewerkstelligt werden, der die Erregungsfolge der Wicklungen LIa und L 2a in Abhängigkeit vom Pegel des digital umgesetzten Ausgangssignales der Brückenschaltung 23 ändert oder überspringt. Die den Servomotoren innewohnenden Probleme, wie Pendeln können somit ausgeschaltet und die Stabilität des Servosystems kann sichergestellt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Bürstenloser Gleichstrommotor mit einem Magnetpole aufweisenden Rotor, mit drehmomenterzeugenden Statorwicklungen, mit Hall-Generatoren, die den Fluß der Magnetpole abtasten, je eine Drehposition des Rotors feststellen und ein zugehöriges Ausgargssignal erzeugen, und mit mehreren in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Hall-Generatoren betätigten Schaltvorrichtungen, über die den Statorwicklungen Erregerströme zugeführt werden, gekennzeichnet durch eine in den Steuerkreisen der Statorwicklungen (LV bis L4'; LIa, L2a) angeordnete Auslaßschaltung (31; 105, 106), die abhängig vom Detektorsignal eines Drehzahldetektors (16 bis 19; 24,25) bewirkt, daß in der Erregungsrcihenfolge ein Teil der drehmomenterzeugenden Statorwicklungen übersprungen wird.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßschaltung (31; 105, 106) dann in Abhängigkeit vom Detektorsignal betätigbar ist, wenn die Drehzahl einen vorbestimmten Wert übersteigt

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslassungsschaltung (105,106) mehrere Schalter (105) aufweist von denen jeder den zugehörigen Ausgangsanschluß eines der Hall-Generatoren (Hi, H2) mit dem zugeordneten Eingangsanschluß einer der Schaltvorrichtungen verbindet, und daß eine die Schalter (105) entsprechend einer gegebenen Folge steuernde Steuerschaltung (106) vorgesehen ist.