DE2314257A1

DE2314257A1 - Schaltungsanordnung zur drehzahlregelung eines kollektorlosen gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2314257A1
Application number: DE19732314257
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl-Ing Mueller
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1973-03-22
Filing date: 1973-03-22
Publication date: 1974-09-26
Also published as: JPS5052516A; US3932793A; DE2314257C2

Description

Patentanwalt Dipl. Ing. 9.3.1973

H. R A I B L E DT-147

7 Stuttgart - 1 für Rai/Sf

PAPST - MOTOREN KG

7742 St. Georgen/Schwarzw,

Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommotors

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommotors mit permanentmagnetischem Läufer, und in Serie oder Stern geschalteten Ankerwicklungen, wobei aus den Ankerwicklungen dort im Betrieb erzeugte Spannungen entnommen werden und als Drehzahl-Istwert für einen Regler dienen.

Aus der Siemens-Zeitschrift 1966, Heft 9, Seiten 690-693, ist es bekannt, bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor die in den jeweils vom Ankerstrom nicht durchflossenen Ankerwicklungen vom Rotor induzierten Spannungen mittels Dioden zu entnehmen. Man erhält dann am Ausgang der Dioden eine wellige Gleichspannung, deren Amplitude etwa drehzahlproportional und unabhängig von der Höhe des Ankerstroms ist.

Es ist auch bekannt, bei herkömmlichen, mit einem Kollektor versehenen Gleichstrommotoren die Drehzahlregelung dadurch zu verbessern, daß man eine ankerstromabhängige Größe zu der vom Anker dieses Motors abgenommen Gegen-EMK addiert, wie das die US-PS 2 236 086 in Fig. 3 zeigt. Diese Maßnahme ist aber bei der eingangs genannten Schaltung nicht ohne zusätzliche Mittel möglich, und dies stellt in vielen Fällen einen Nachteil dar. Wollte man bei der bekannten Schaltung den Ankerstrom bei der Regelung berücksichtigen, so müßte man einen Meßwiderstand im Ankerkreis verwenden, der erstens zusätzliche Verluste verursacht und zweitens selbst bei Ausbildung als Kaltleiterwiderstand den Anker-

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widerstand nicht genau nachbilden könnte, da sich die Ankerwicklung im Betrieb nach einer anderen Kennlinie erwärmt als der Meßwiderstand. Man wäre daher gezwungen, die Verstärkung des Regelkreises so niedrig zu halten, daß der Regler selbst im ungünstigsten Fall noch stabil arbeitet, wodurch sich ein relativ großer Drehzahlabfal1 bei Belastung, also ein ungünstiges p-Verhalten eines solchen Reglers, ergeben würde.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, Nachteile der bekannten Regelschaltungen zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer eingangs genannten Schaltungsanordnung dadurch erreicht, daß zur Erzeugung einer ersten Spannung mit Hilfe von in Serie oder in Stern geschalteten, mit den Ankerwicklungen verbundenen Dioden diejenigen Spannungshalbwellen aus mindestens einem Teil der Ankerwicklungen entnommen werden, welche jeweils sowohl die rotatorisch induzierte EMK als auch den ohm'schen Spannungsabfall in der betreffenden Ankerwicklung enthalten, daß zur Erzeugung einer zweiten Spannung mit Hilfe von gleichfalls in Serie oder in Stern geschalteten, vorzugsv/ei se gleichen und vorzugsweise ohm'schen Widerständen, die mit denselben Ankerwicklungen verbunden sind wie die Dioden, ein bei η verwendeten Ankerwicklungen etwa 1/n-facher Teil des in der jeweils aktiven Ankerwicklung auftretenden ohm'schen Spannungsabfalls entnommen wird, und daß die Differenz zwischen der bewerteten ersten Spannung und der bewerteten zweiten Spannung dem Regler zuführbar ist. Hierbei werden also die Ankerwicklungen selbst nacheinander als Meßwiderstände zur Erfassung des in ihnen jeweils fließenden Ankerstroms verwendet, so daß man den Ankerstrom sehr genau erfassen kann und bei der Verstärkung des Regelkreises keine Rücksicht auf die zuvor beschriebenen Schwierigkeiten zu nehmen braucht.

Der gemessene Ankerstrom kann erfindungsgemäß je nach den Erfordernissen im Sinne einer Mitkopplung oder einer Gegenkopplung

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verwendet werden, was sich in der Praxis bei Konstruktion und Bemessung einer solchen Regelschaltung außerordentlich vorteilhaft erweist. Eine Mitkopplung ermöglicht es z. B., mit geringem Aufwand eine hohe Kreisverstärkung im Regelkreis zu erzielen. Auch kann mit ihrer Hilfe eine unstetige Zweipunktregelung erreicht werden, sofern sich der Anwendungsfall des betreffenden Motors hierfür eignet. (Eine Zweipunktregelung ergibt ein Moment, welches relativ ungleichförmig ist und sich deshalb z. B. für Antriebe in Tongeräten weniger gut eignet.)

Eine Gegenkopplung kann zur Linearisierung des Regelkreises zweckmäßig sein, da viele in kollektorlosen Gleichstrommotoren verwendete Bauelemente, z. B. Transistoren, Dioden oder Hallgeneratoren, mehr oder weniger unlineare Eigenschaften haben, welche eine gleichmäßig hohe Kreisverstärkung über einen größeren Regelbereich verhindern. Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem in folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Regelschaltung für einen einsträngigen Motor mit ReIuktaηζ-Hi Ifsmoment,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines einsträngigen kollektorlosen Gleichstrommotors, bei welchem im Betrieb ein Reluktanz-Moment auftritt,

Fig. 3 Schaubilder zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Regelschaltung, welche eine Variante zu der Schaltung nach Fig. 1 darstellt und ebenfalls zur Regelung eines einsträngigen kollektorlosen Gleichstrom-409839/0545 . ₄ .

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motors mit ReIuktanz-Hilfsmoment dient,

Fig. 5 eine ausführlichere Schaltung, welche gemäß der Prinzipschaltung nach Fig. 1 aufgebaut ist,

Fig. 6 Schaubilder zur Erläuterung der Schaltung nach Fig.5,

Fig. 7 eine Prinzipdarstellung eines drei Ankerwicklungen aufweisenden kollektorlosen Gleichstrommotors, und

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Regelschaltung für einen Motor von der in Fig. 7 dargestellten Art.

Gleiche oder gleich wirkende Teile werden in der folgenden Beschreibung jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung, und zwar zur Regelung eines einsträngigen Motors, bei dem im Betrieb ein Reluktanz-Moment auftritt, wie er Gegenstand der Patentanmeldung P 22 25 442.8 vom 25. Mai 1972 ist. Fig. 2 zeigt als nicht einschränkendes Beispiel eines solchen Motors einen Außenläufermotor 10 mit einem äußeren, als radial polarisierter Dauermagnet ausgebildeten Rotor 11, der wie dargestellt zweipolig ausgebildet ist und sich im Betrieb in Richtung des Pfeiles 12 dreht.

Der Stator 13 des Motors 10 ist als Doppel-T-Anker mit einem oberen Pol 14 und einem unteren Pol 15 ausgebildet, welche beide etwa die Umrißform eines Regenschirms haben, also fast den gesamten Polbogen überspannen. Der Stator 13 hat zwei in Reihe geschaltete Wicklungen 16 und 17, deren Mittelanzapfung an einen Anschluß 18 geführt ist und deren freie Enden mit und 20 bezeichnet sind. Ein Hallgenerator 23 ist an der Off-

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, 9.3.1973

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nung der rechten, für die Wicklungen 16 und 17 vorgesehenen Nut 24 am Stator angeordnet.

Der Luftspalt 25 über dem Pol 14 und der Luftspalt 26 über dem Pol 15 sind jeweils so ausgebildet, daß sie sich in Drehrichtung gesehen über einen Winkel QC verengen und über einen Winkel β wieder erweitern. Der Rotor 11 hat deshalb immer das Bestreben, sich in die mit strichpunktierten Linien/angedeutete Stellung zu drehen, in welcher seinen beiden Polen ein möglichst kleiner Luftspalt gegenüberliegt. Wird der Rotor 11 z. B. durch elektromagnetische Kräfte (Anschließen der Wicklung 16 oder 17 an eine Gleichspannung) aus dieser Stellung herausgedreht, so wird im Magnetsystem des Motors 10 magnetische Energie gespeichert. Werden dann die elektromagnetischen Kräfte wieder abgeschaltet, so bewirkt diese gespeicherte Energie ein Reluktanz-Moment, das den Rotor soweit antreibt, bis er wieder die beschriebene, mit strichpunktierten Linien angedeutete Lage L erreicht hat, die man in Analogie zu einer Uhr als 2 Uhr/8 Uhr-Stellung bezeichnen könnte. Dabei spielt es keine Rolle, ob sich z. B. der Nordpol N des Rotors 11 an der Stellung 2 Uhr oder der Stellung 8 Uhr befindet, da beides stabile Ruhelagen des Rotors 11 si'r.d.

Die Winkel ei·, ß und tf sowie das Maß der Verengung und Erweiterung des Luftspaltes können zweckmäßig so gewählt werden, daß im Betrieb das resultierende Drehmoment nahezu konstant ist.

Da das Reluktanz-Hilfsmoment proportional der Änderung der magnetischen Energie über dem Drehwinkel und die magnetische Energie etwa proportional dem Luftspalt ist, bewirkt eine in Drehrichtung erfolgende Vergrößerung des Luftspaltes unter den Läuferpolen ein Bremsmoment und eine Verkleinerung ein Antriebsmoment. Folglich bestimmt bei der in Fig. 2 angegebenen Drehrichtung der Winkelet Ausdehnung des antreibenden und der Winkel ß die Ausdehnung de.s bremsenden Reluktanzmoments, während der Winkel tf"

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-C-

die Lage der WinkeloC und ß relativ zur Wicklungsnut und damit die Winkellage des ReIuktanz-Hi1fsmomentes relativ zum elektromagnetisch erzeugten Moment bestimmt.

Bei dem dargestellten Motor liegt der Winkelot etwa in der Größenordnung von 100... 120° , und ß in der Größenordnung von 60... 80°, jedoch können auch andere Winkel zweckmäßig sein, wenn ein anderer Verlauf des elektromagnetischen Momentes vorliegt.

Der Winkel ^beträgt vorzugsweise ß/2. Die Größe "des Reluktanz-Hi1fsmomentes kann durch das Maß der Luftspaltänderung, gekennzeichnet durch die Di f ferenz von <£\> > dem maximalen Luftspalt und ^₁, dem minimalen Luftspalt (s. Fig. 2) in weiten Grenzen beeinflußt und den Erfordernissen angepaßt werden.

Zur Regelung eines Motors dieser Gattung, der mit einem solchen Reluktanz-Hi1fsmoment arbeitet, ist die Schaltung nach Fig. 1 ausgebildet. Wie aber im folgenden anhand von Fig. 8 gezeigt wird, eignet sich dasselbe Prinztp auch für Motoren mit mehr als zwei Wicklungen und auch für Motoren, bei welchen kein Reluktanz-Hi 1 fsmoment verwendet wird, sondern der Rotor nur durch elektromagnetisch erzeugte Momente angetrieben wird.

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In Fig. 1 sind die beiden Wicklungen 16 und 17 des Motors 10 dargestellt, deren Mittelanzapfung 18 an den Pluspol einer Gleichspannungsquelle von z. B.vVolt angeschlossen ist. An den Anschluß 19 der Wicklung 16 ist die Kathode einer Diode 30, ein Widerstand 31 und der Kollektor eines npn-Transistors 32 angeschlossen. In gleicher Weise ist an den Punkt 20 die Kathode einer Diode 33, ein Widerstand 34 und der Kollektor eines Transistors 35 angeschlossen. Die Anoden der Dioden 30 und 33 sind miteinander und - über eine Leitung 38 - mit einem Anschluß eines Potentiometers 36 verbunden, dessen Abgriff 37 etwa in der Mitte des Potentiometerwiderstandes steht, also diesen in zwei etwa gleich große Widerstände unterteilt, wobei durch geringfügige Verschiebungen des Abgriffs 37 in der einen oder der anderen Richtung eine Mit- oder eine Gegenkopplung erreicht werden kann, wie das im folgenden noch ausführlich beschrieben wird. Der andere Anschluß des Potentiometers 36 ist an die Plusleitung 18 angeschlossen.

Die anderen Anschlüsse der beiden Widerstände 31 und 34 sind ebenfalls miteinander und - über eine Leitung 39 - mit dem einen Eingang eines Reglers 42 verbunden, mit dessen anderem Eingang der Abgriff 37 über eiiie Leitung 43 verbunden ist.

Der Ausgang des Reglers 42 ist über eine Leitung 44 mit dem einen Steuereingang des Hallgenerators 23 (vgl. auch Fig. 2) verbunden, dessen anderer Eingang an der Minusleitung 46 liegt, an weiche auch die Emitter der Transistoren 32 und 35 angeschlossen sind, während die Basen dieser Transistoren an die beiden Ausgänge des Hallgenerators 23 angeschlossen sind.

Bei Rotation des Läufers 11 (Fig. 2) werden in den beiden Spulen 16 und 17 gegenphasige Spannungen induziert, welche je nach Form des magnetischen Kreises z. B. etwa sinusförmig aussehen können. Nimmt man an, der Rotor 11 in Fig. 2 werde angetrieben, so sieht man, daß relativ zum Punkt 18 der Punkt 19 dann positiver wird,

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wenn der Punkt 20 negativer wird , und umgekehrt, und zwar erfolgen wegen der Symmetrie der Anordnung diese Potentialänderungen in genau symmetrischer Weise. Wenn man die beiden Widerstände 31 und 34 gleich groß wählt, so erkennt man in Fig. 2 an der Symmetrie der Anordnung sej/h gut, daß beim äußeren Antrieb des Rotors 11 die Punkte 18 und 39 dasselbe Potential haben müssen, oder anders angedrückt, der Punkt 39 ist ein künstlicher Nullpunkt des dort gezeigten Systems.

Wenn nun die Anordnung als Motor läuft, so weicht das Potential des Punktes 39 dann vom Potential der Plusleitung 18 ab, wenn einer der Transistoren 32 oder 35 eingeschaltet wird und ein Strom durch die zugehörige Wicklung 16 oder 17 fließt.

Fig. 3 zeigt in der obersten Reihe schematisch die Spannungen, die hierbei an den stromführenden Wicklungen auftreten, und zwar ist E die durch den Rotor 11 in einer Wicklung rotatorisch induzierte EMK, und mit i · R_n ist der Spannungsabfall bezeichnet,

u u

der durch den Strom i, und den Wicklungswiderstand R₃ in dieser

a ο

selben Wicklung entsteht. Bei einem langsam laufenden Motor kann z. B. E etwa 5 V betragen und i . R₃ z. B. etwa 20 V.

α α

Diese Spannung i · R, bewirkt also, daß der Punkt 39 jetzt ein

α σ

relativ zur Leitung 18 negatives Potential Uog erhält, dessen Verlauf der Form von i'_a· R_a proportional ist, aber durch die Spannungsteilerwirkung der etwa gleich großen Widerstände 31 und 34 nur die halbe Größe hat, also 0,5 · I₃- R₃. Dieses Potential

α α

ist in Fig. 3 in der dritten Reihe von oben dargestellt.

Zur besseren Veranschaulichung sind in Fig. 1 auch Kurven für die Potentiale "io_ig und Uio.on (^{an den} Punkten 19 und 20, bezogen auf die Leitung 18) sowie für die Spannung U^_8-39 eingezeichnet. Man erkennt auch dort, daß die Potentiale der Punkte 19 und 20 mit Ausnahme des durch den Ankerstrom verursachten Spannungsabfalls symmetrisch zueinander verlaufen, und daß an der Leitung 39 nur ein Signal auftritt, das dem Spannungsabfall an der jeweils strom-

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9.3.1973 - "fr -

führenden Wicklung proportional ist.

Die Spannung U_18-38, welche in Fig. 3 in der oberen Reihe dargestellt ist, wird mittels der Dioden 30 und 33 erfaßt und steht an der Leitung 38 zur Verfügung. Mit Hilfe des Potentiometers wird sie auf etwa die Hälfte reduziert, so daß am Abgriff 37 des Potentiometers 36 etwa diö Hälfte dieser Spannung vorhanden ist, und diese halbe Spannung ist in Fig. 3 in der zweiten Reihe von oben dargestellt.

Diese halbe Spannung wird über die Leitung 43 dem Regler 42 zugeführt, ebenso die Spannung an der Leitung 39. Der Regler 42 erfaßt also die Differenz zwischen den beiden bewerteten Spannungen an den Leitungen 38 und 39; die Bewertung erfolgt mit Hilfe des Potentiometers 37, denn durch Verschieben des Abgriffs 37 kann entweder die Spannung an der Leitung 43 oder die Spannung an der Leitung 39 überwiegend gemacht werden.

Zum Beispiel zeigt Fig. 3 in der untersten Reihe den Fall, daß der Abgriff 37 etwas über die Mittelstellung nach oben verstellt wurde, d. h., daß das Reduzierungsverhältnis größer ist als 2 : 1, so daß am Scheitel der in der unteren Reihe von Fig. 3 dargestellten Halbwellen im Betrieb eine Einsattelungvauftritt, die mit steigendem Ankerstrom größer wird, so daß sich der Gleichspannungsanteil dieser Spannung 47 verringert, also dem Regler ein niedrigerer Istwert vorgetäuscht wird, wenn der Motorstrom zunimmt.

Wird umgekehrt das Reduzierungsverhältnis kleiner als 2 : 1 gemacht, so erhält man an den Scheiteln einen Höcker 49, wie er in Fig. 3 mit gestrichelten Linien nur an einer Stelle dargestellt ist. Dies bewirkt eine Gegenkopplung, da sich der Gleichspannungsanteil der Spannung 47 hierdurch erhöht. Naturgemäß kann man auch das Potentiometer 36 so einstellen, daß weder eine Einsattelung noch ein Höcker entsteht, und da der Ankerstrom direkt an den.Ankerwicklungen gemessen wird, gilt dann diese

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-ΙΟ-Einstellung ebenfalls für alle Betriebszustände des Motors.

Der Regler 42 steuert in Abhängigkeit von der ihm zugeführten Spannung den Strom im Hallgenerator 23 so, daß die Drehzahl des Motors 10 konstant gehalten wird, d. h., wenn die Drehzahl zu hoch wird, wird der Strom in der Leitung 44 reduziert; wird dagegen die Drehzahl zu niedrig, so wird dieser Strom erhöht, so daß die Transistoren 32 bzw. 35 mehr Strom führen und die Motordrehzahl ansteigt. (Im folgenden wird im Zusammenhang mit Fig. 5 eine Reglerschaltung noch ausführlich beschrieben.)

Die Schaltung nach Fig. 4 ist mit derjenigen nach Fig. 1 weitgehend identisch, und es werden deshalb nur die abweichenden Teile beschrieben.

Während bei der Schaltung nach Fig. 1 die Bewertung der beiden Spannungen mit Hilfe des Potentiometers 36 erfolgt, ist in Fig. zur Bewertung ein Verstärker 50 vorgesehen, der etwa um den Faktor η = 2, nämlich die Zahl η der verwendeten Wicklungen, verstärkt, so daß man am Reglereingang eine doppelt so hohe Spannung erhält wie bei Fig. 1, was besonders bei langsam laufenden Motoren Vorteile hat, da dort die induzierte Spannung eine relativ niedrige Größe aufweist.

Der Verstärker 50 verstärkt hier die Spannung an der Leitung 39, also das Signal, welches dem vom Ankerstrom hervorgerufenen Spannungsabfall proportional ist, und er verstärkt dieses Signal etwa auf den wirklichen Wert dieses Spannungsabfalls. Deshalb kann auch der wirkliche Wert der Spannung an der Leitung 38 verwendet und dem anderen Reglereingang direkt zugeführt werden.

Der eine Reglereingang erhält also die in Fig. 3 in der obersten Reihe dargestellte Spannung zugeführt, der andere eine Spannung, welche eine doppelt so große Amplitude hat wie die Spannung, die in Fig. 3 in der dritten Reihe von oben dargestellt ist. Man erhält dann am Reglereingang eine Spannung mit der Form der unter-

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-listen Reihe von Fig. 3, aber der doppelten Amplitude.

Eine Mitkopplung ergibt sich, wenn der Verstärker 50 eine Verstärkung hat, welche größer ist als 2» eine Gegenkopplung dagegen bei einer Verstärkung von kleiner als 2. Es ergeben sich dann dieselben Einsattelungen 48 bzw. Hocker 49, wie sie in Fig.3 unten dargestellt sind.

Fig. 5 zeigt eine ausführliche Darstellung einer bevorzugten Regelschaltung für die Schaltung nach Fig. 1, also für den drehzahlgeregelten Betrieb eines Motors der in Fig. 2 dargestellten Gattung. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind auch hier mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie in Fig. 2 und werden nicht nochmals beschrieben.

Die Emitter der Transistoren 32 und 35 sind hier miteinander und über einen Widerstand 54 mit der Leitung 46 verbunden. Ebenso 1st der eine Steueranschluß des Hallgenerators 23 über einen Widerstand 55 mit der Leitung 46 verbunden. Der andere Anschluß des Hallgenerators 23 ist mit dem Emitter eines npn-Transistors 56 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand 57 an die Leitung 18 geführt ist. Der Transistor 56 wirkt also als variabler Widerstand in der Steuerleitung des Hallgenerators 23.

Statt des Potentiometers 36 nach Fig. 1 sind hier zwei in Reihe geschaltete Festwiderstände 58 und 59 (z. B. 740 bzw. 750 Ohm) verwendet, an deren Verbindungspunkt 60 die Kathode eines Konstantspannungsglieds in Form einer Zenerdiode 63, ferner der Emitter eines pnp-Transistors 62 und jeweils die eine Elektrode von zwei Kondensatoren 63 und 64 (z. B. je 2 aiF) angeschlossen sind. Der Punkt 39 ist über einen Kaitleiterwiderstand 65 mit der anderen Elektrode des Kondensators 63 verbunden, und diese ist ihrerseits über einen Widerstand 66 (z. B. 15 kü) mit der anderen Elektrode des Kondensators 64 und der Basis des Transistors 62 verbunden, welche ihrerseits über einen zur Einstellung der gewünschten Drehzahl dienenden Widerstand 67 mit der Anode der

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Zenerdiode 63 verbunden ist, die ihrerseits über einen Widerstand 68 (z. B. 68 k/l) an die Minusleitung 46 angeschlossen ist.

Der Kollektor des Transistors 62 ist über eine Leitung 69 mit der Basis des Transistors 56 verbunden.

Der Drehzahl-Sollwert wird hier mit Hilfe der Zenerdiode 63 und der Spannungsteilerkette 67, 66, 65 und 31 bzw. 34 gebildet. Der Widerstand 65 in dieser Kette ist temperaturabhängig, um die Temperaturabhängigkeit der Induktion des permanentmagnetischen Läufers (z. B. 11 in Fig. 2) zu kompensieren.

Die Kondensatoren 63 und 64 bilden zusammen mit den Widerständen 31 bzw. 34, 65 und 66 ein phasenschiebendes Filter, welches die Welligkeit der dem Regler als Istwert zugeführten Spannung 47, die in der untersten Reihe von Fig. 3 und der obersten Reihe von Fig. 6 dargestellt ist, vermindert und gleichzeitig die Phase dieser Spannung 47, Fig. 3, um annähernd 180 dreht, wie das Gegenstand der Patentanmeldung P 22 52 727 ( eigene Akte DT-141) vom 27. Oktober 1972 ist.· Diese Glättung und Phasenverschiebung der mit UyQ bezeichneten Spannung gegenüber der Spannung 47 ist in Fig. 6 in der zweiten Reihe von oben dargestellt. Sie dient dem Zweck, die Transistoren 32 und 35 nur in den Zeitabschnitten einzuschalten, in denen dies für den Antrieb des Motors am günstigsten ist, d. h. in den Zeitabschnitten, in denen der Rotor 11 in den Wicklungen 16 und 17 annähernd die maximale Spannung E induziert, während diese Transistoren zu den Zeiten ausgeschaltet sind, in denen der Motor gespeicherte magnetische Energie in Form eines Reluktanzmoments abgibt. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Motor im Betrieb ein lückenloses und praktisch konstantes Moment abgeben kann.

Zum Verständnis der Wirkungsweise des Reglers 42 soll zunächst darauf hingewiesen werden, daß dessen - konstante - Betriebsspannung durch die Zenerdiode 63 bestimmt wird, und daß diese Regler-Betriebsspannung ihre Potential 1 age relativ zur Betriebs-

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-ft-

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Spannung zwischen den Leitungen 18 und 46 periodisch ändert, und zwar im Rhythmus der Spannung, die in Fig. 3 in der zweiten Reihe von oben dargestellt ist. (Bildlich kann man sich dies etwa wie einen Block vorstellen, der oben und unten an einer Feder in einem starren Rahmen aufgehängt ist und nun in diesem Rahmen periodisch nach oben und nach unten bewegt wird.)

Beim Anlaufen wird in den Wicklungen 16 und 17 praktisch keine Spannung induziert, und es treten dort nur die ohmschen Spannungsabfälle auf. Sowohl das Potential am Punkt 60 wie das Potential am Punkt 39 haben deshalb denselben, identischen Verlauf gemäß der dritten Zeile von Fig. 3 (u,„ „), mit anderen Worten , dem Eingang des Reglers wird bei diesem Betriebszustand keine Spannung zugeführt. Da der Transistor 62 in diesem Zustand über den Widerstand 67 einen Basisstrom erhält, ist er ständig leitend und hält auch den Transistor 56 ständig leitend, so daß die Kommutierung des maximalen Motorstroms durch den Hallgenerator 23 erfolgt.

Bei höheren Drehzahlen dagegen wirkt der Hallgenerator 23 nicht mehr allein als Kommutiergiied, sondern hat die Funktion eines UND-Glieds, das die durch die Induktion des rotierenden Rotors gegebene Information logisch mit den Signalen vom Regler 42 verknüpft.

Bei Erreichen der Nenndrehzahl nähert sich nämlich während seiner negativen Abschnitte das Potential des Punktes 60 soweit dem Basispotential des Transistors 62, daß letzterer während dieser Maxima relativ sanft in den sperrenden und danach wieder in den leitenden Zustand übergeht. Dies ist in Fig. 6 z. B. zwischen den Zeitpunkten tj und t₂ der Fall. Im Zeitpunkt t₂ wirdder Transistor 62 wieder leitend, sperrt wieder im Zeitpunkt t₃, usw., vgl. Fig. 6.

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Steigt nun die Drehzahl weiter, so wird das mit T. bezeichnete Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t^ und t~ größer und das Zeitintervall T₅ zwischen den Zeitpunkten t₂ und t-, wird kleiner. Bei fallender Drehzahl ist es umgekehrt, d. h. T₄ wird kleiner und T₅ wird größer.

Man erkennt also, daß der Stromflußwinkel zu- oder abnimmt, und daß der Strom immer im richtigen Augenblick fließt, nämlich etwa im Maximum der Spannung 47 (vgl. Fig. 6, oberste Reihe). Da das im Motor 10 erzeugte Reluktanzmoment 73 durch Wahl der Winkele*, ß undjj*· und der Luftspaltdimensionen so gewählt ist, daß es die Lücken zwischen den in Fig. 6 mit 74 bezeichneten elektrischen Antriebsmomentabschnitten ausfüllt, ergibt sich bei richtiger Auslegung bei einem solchen Motor ein lückenloses und praktisch konstantes Antriebsmoment, d. h. ein solcher Motor läuft von selbst mit vollem Moment an und kann eine Last ohne störenden Momentenverlauf antreiben, welche etwa das Moment benötigt, für das er ausgelegt ist. Zum Beispiel eignet sich ein solcher Motor ausgezeichnet zum Antrieb von Lüftern, Plattenspielern, Kassetten-Tonbandgeräten etc. Sehr vorteilhaft ist bei dieser Schaltung, daß die Kommutierung im Betrieb durch die Transistoren 56 und gesteuert wird und daß deshalb bei entsprechend dimensioniertem Filter 63, 64, 31, 34, 65, 66 ein sehr "weiches" Ein- und Ausschalten der Transistoren 32 und 35 möglich ist, wie das z. B. bei Antrieben für Plattenspieler oder dgl. zum Vermeiden von sogenannten Rumpelgeräuschen erforderlich ist.

In Fig. 6 ist die schraffierte Fläche 75 derjenige Teil des Reluktanzmoments, der als magnetische Antriebsenergie im Motor sozusagen gespeichert wird, und die schraffierte Fläche 76 ist derjenige Teil, der in den Lücken zwischen den elektrischen Momenten 74 wirksam wird. Die Flächen 75 und 76 sind jeweils gleich groß.

Fig. 7 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines kollektorlosen Gleichstrommotors 80, dessen Regelschaltung in Fig. 8 dargestellt ist. Dieser Motor hat drei um 120° elektrisch versetzte Wicklun-

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gen 81, 82, 83, die im Stern geschaltet sind und deren an + angeschlossener Sternpunkt mit 84 bezeichnet ist. Die freien Anschluss se dieser Wicklungen sind mit 85 bis 87 bezeichnet. Ferner ist ein zweipoliger permanentmagnetischer Rotor 88 vorgesehen, und als Kommutierungsglieder dienen drei Feldplatten 91, 92, 93, das sind Widerstände, die unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes hochohmig werden.

Wie Fig. 8 zeigt, sind diese Feldplatten 91 bis 93 jeweils mit einem Anschluß an eine Minusleitung 94 und mit ihrem anderen Anschluß mit der Basis eines zugeordneten npn-Transistors 95 bzw. 96 bzw. 97 verbunden, deren Emitter zusammengefaßt und über einen Widerstand 98 an die Minusleitung 94 angeschlossen sind. Die Kollektoren der Transistoren 95 bis 97 sind mit den Punkten 85 bzw. 86 bzw. 87 verbunden, an welche auch Widerstände 101, 102, 103 sowie die Kathoden von drei Dioden 104, 105, 106 angeschlossen sind, deren Anoden über eine Leitung 107 und ein Potentiometer 108 mit der Plusleitung 84 verbunden sind.

Die freien Enden der Widerstände 101 bis 103 sind mit einer Leitung 110 verbunden, welche wie aus der Schaltung ersichtlich einen künstlichen Nulleiter darstellt, d. h., wenn der Rotor (Fig. 7) von außen angetrieben wird, hat der Leiter 110 dasselbe Potential wie die Plusleitung 84, welche der eigentliche Nullleiter des Dreiphasensystems 81, 82, 83 ist. Im Betrieb dagegen erhält man an dieser Leitung 110 gegenüber der Leitung 84 eine Spannung, welche gleich einem Drittel der Spannung i · R , also gleich einem Drittel des ohm'schen Spannungsabfalls in der jeweils stromführenden Wicklung 81, 82 oder 83 ist. Um denselben Faktor η = 3 (entsprechend der verwendeten Phasenzahl) muß auch die Spannung zwischen der Leitung 107 und der Leitung 84 reduziert werden, damit beide Spannungen sozusagen wieder denselben Maßstab erhalten. Dieser Vorgang wird in der vorliegenden Beschreibung als Bewertung bezeichnet. (Alternativ könnte natürlich auch hier die Spannung an der Leitung 110 um den Faktor 3 verstärkt werden, analog zur Schaltung nach Fig. 4). Zur Redu-

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zierung dient das Potentiometer 108, dessen oberer Widerstand z. B. 400 und dessen unterer 810 ^beträgt, falls eine Mitkopplung erwünscht wird.

Der Abgriff 113 des Potentiometers 108 ist mit der Kathode einer Zenerdiode 114, der einen Elektrode eines Kondensators 115 und dem Emitter eines pnp-Transistors 116 verbunden, welche alle Bestandteile eines Reglers 117 sind. Die Leitung 110 ist über einen Kaltleiterwiderstand 120 (dessen Funktion derjenigen des Widerstandes 65 in Fig. 5 entspricht), mit der anderen Elektrode des Kondensators 115, der Basis des Transistors 116 und einem zur Einstellung der Solldrehzahl dienenden Widerstand 123 verbunden, dessen anderer Anschluß an die Anode der Zenerdiode geführt ist, welche ihrerseits über einen Widerstand 124 mit der Minusleitung 94 verbunden ist.

Der Kollektor des Transistors 116 ist an die Basis eines npn-Transistors 125 geführt, dessen Kollektor mit der Plusleitung 84 verbunden ist und dessen Emitter über je einen Widerstand 126 bzw. 127 bzw. 128 mit der Basis des Transistors 95 bzw. 96 bzw. 97 verbunden ist.

Der Regler 117 arbeitet praktisch ebenso wie der Regler 42 nach Fig. 5, so daß auf die dortige Beschreibung verwiesen werden kann. Jedoch ist hier nicht unbedingt eine Phasenverschiebung der dem Regler als Istwert zugeführten Spannung erforderlich, da es zu jedem Zeitpunkt (d. h. in jeder Rotorstellung) sinnvoll ist, daß einer der Transistoren 95, 96 oder 97 stromleitend ist. Eine geringe Phasenverschiebung (ca. 60°), die z. B. durch den Glättungs-Kondensator 115 erfolgen kann, ist allerdings zur Verbesserung des Wirkungsgrades sehr zweckmäßig. Je nach der Größe der zwischen Emit ter und Basis des Transistors 116 wirksamen Spannung wird dieser also stromleitend oder gesperrt, wobei auch hier der Transistor beim Anlauf über den Wi-derstand 123 zunächst leitend gehalten wird

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Die Regelung erfolgt dann dadurch, daß den in Reihe geschalteten Widerstandspaaren 126-91 bzw. 127-92 bzw. 128-93 mehr oder weniger Strom zugeführt wird, so daß der Transistor, dessen Feldplatte 91, 92 oder 93 gerade in den hochohmigen Zustand kommutiert worden ist, einen mehr oder weniger hohen Basisstrom erhalt. Da der Motor hier nur durch die elektromagentisch erzeugten Momente angetrieben wird, genügt für die Steuerung des Transistors 116 eine Gleichspannung, während die Kommutierung der Ströme durch die Feldplatten und den gemeinsamen Widerstand 98 bewirkt wird.

Zur Erzeugung einer Mitkopplung muß auch hier der Abgriff 113 nach oben, also zur Leitung 84 hin, verschoben werden, und zur Erzeugung einer Gegenkopplung in entgegengesetzter Richtung. Diese Möglichkeit hat sich besonders bei der Bemessung der Daten des Reglers im Laborversuch als äußerst günstig erwiesen, während naturgemäß bei einem Serienerzeugnis Festwiderstände mit einem vorher festgelegten Verhältnis verwendet werden.

In derselben Weise kann auch ein Motor mit vier, fünf, sechs etc. Ankerwicklungen geregelt werden, wobei in allen Fällen der Ankerstrom äußerst präzise direkt an der zugehörigen Wicklung erfaßt wird. Dabei sollten aber Motor und Regler so ausgebildet sein, daß im geregelten Betriebsbereich von den zur Regelung benutzten Ankerspulen zu jedem Zeitpunkt nie mehr als eine vom Ankerstrora durchflossen ist. Bei solchen Motoren mit mehr als drei Wicklungen genügt es dann unter Umständen, die Spannungen an nur einem Teil der Wicklungen für die Regelung zu erfassen. Versuche haben z. B. ergeben, daß man bei einem Motor mit vier Wicklungen, wie ihn die eingangs genannte Literaturstelle Siemens-Zeitschrift zeigt, nur die Spannung an zwei Wicklungen zu erfassen braucht und damit bereits eine sehr gute Regelung erhält.

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Claims

PA Dipl. Ing. H. Raible 9.3.1973

Stuttgart - 1 für DT-147

Kai/Sf

PAPST-MOTOREN KG

St. Georgen/Schwarzw.

Patentansprüche

Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommotors mit permanentmagnetischem Läufer und in Serie oder Stern geschalteten Ankerwicklungen, wobei aus den Ankerwicklungen dort im Betrieb erzeugte Spannungen entnommen werden und als Drehzahl-Istwert für einen Regler dienen , dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer ersten Spannung (^uid-38^ ^{mit H}^^{fe von} in Serie oder in Stern geschalteten, mit den Ankerwicklungen (16, 17; 81, 82, 83) verbundenen Dioden (30, 33; 104, 105, 106) diejenigen Spannungshaibwellen aus mindestens einem Teil der Ankerwicklungen entnommen werden, welche jeweils sowohl die rotatorisch induzierte EMK (E) als auch den ohmschen Spannungsabfall (i · R_a) in der betreffenden Ankerwicklung enthalten, daß zur Erzeugung einer zweiten Spannung (^uι 8^3g) ¹¹¹It Hilfe von gleichfalls in Serie oder in Stern geschalteten, vorzugsweise gleichen und vorzugsweise ohm'schen Widerständen (31, 34; 101, 102, 103), die mit denselben Ankerwicklungen verbunden sind wie die Dioden, ein bei η verwendeten Ankerwicklungen etwa 1/n-facher Teil des in.der jeweils aktiven Ankerwicklung auftretenden ohm'schen Spannungsabfalls entnommen wird, und daß die Differenz (^u39-43' ^u51-38^ zwischen der bewerteten ersten Spannung und der bewerteten zweiten Spannung dem Regler (42; 117) zuführbar ist.

2) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Hilfe der in Serie oder in Stern geschalteten Dioden (30, 33; 104, 105, 106) entnommene erste Spannung (u₃₈_₁₈) vor der Differenzbildung etwa im Verhältnis η : 1 . reduziert wird. _40983g/0545 "18-

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3) Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungsreduzierung an die Ausgangsseite der Dioden (30, 33; 104, 105, 106) ein Spannungsteiler (36; 58, 59; 108) angeschlossen ist, und daß die dem Regler (42; 117) zuführbare Spannungsdifferenz zwischen dem Mittel- bzw. Sternpunkt (39; 110) der in Serie oder in Stern geschalteten Widerstände (31, 34; 101, 102, 103) und dem Ausgang (37; 60; 113) des an die Dioden angeschlossenen Spannungsteilers entnommen wird.

4) Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen einer Mitkopplung im Regelkreis das Reduzierungsverhältnis größer ist als η : 1, so daß eine Mitkopplung des Ankerstroms (i_a) erfolgt.

5) Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen einer Gegenkopplung im Regelkreis das Reduzierungsverhältnis kleiner η : 1 ist, so daß eine Gegenkopplung des Ankerstroms (i_) erfolgt.

6) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannung (U3g_io) vor der Differenzbildung um etwa den Faktor η verstärkt (50) wird.

7) Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Mitkopplung im Regelkreis der Verstärkungsfaktor größer als η ist, so daß eine Mitkopplung des Ankerstroms erfolgt.

8) Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Gegenkopplung im Regelkreis der Verstärkungsfaktor kleiner als η ist, so daß eine Gegenkopplung des Ankerstroms erfolgt.

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9) Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der dem Regel verstärker (42; 117) zugeführten Differenzspannung im Rhythmus der in den Ankerwicklungen rotatorisch induzierten EMK relativ zur zugeführten Betriebsgleichspannung veränderlich ist, und daß zur Erzeugung einer im gleichen Rhythmus relativ zur zugeführten Betriebsgleichspannung ihr Potential ändernden} in sich etwa konstanten Betriebsspannung des Regel Verstärkers ein Konstantspannungsgiied nach Art einer Zenerdiode (63; 114) vorgesehen ist, bei welchem das Potential eines Anschlusses durch ein Potential der Differenzspannung bestimmt ist.

10) Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Regelung eines Motors (10) mit nur zwei Ankerwicklungen (16, 17), welche abwechselnd mit Strom versorgt werden sollen, wobei in den Momentenlücken ein Reluktanzmoment wirksam wird, dem Regel verstärker (42) ein die Phase um mindestens nahezu 180°verschiebender Phasenschieber (31, 34, 63, 64, 65, 66) zugeordnet ist, um eine für das antreibende, elektromagnetisch erzeugte Moment (74) optimale zeitliche Steuerung der Ströme in den Ankerwicklungen (16, 17) relativ zur jeweiligen Rotorstellung zu erhalten.

11) Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regel verstärker in an sich bekannter Weise zum Ausgleich der Temperaturabhängigkeit der Induktion des permanentmagnetischen Rotors (11; 88) ein temperaturabhängiges Glied, vorzugsweise ein temperaturabhiängi ger Widerstand (65; 120), zugeordnet ist.

12) Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Regelverstärkers (42) im Betrieb nach Art einer UND-Verknüpfung mit dem für die Steuerung des mindestens einen für die Kommutierung des Motors vorgesehenen Kommutiergliedes (23) dienenden Kommutiersignal yerknÜDft ist. -20 -

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13) Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Hal I generators (23) als Kommutierglied der Steuerstrom des Hallgenerators von einem periodisch variablen Ausgangssignal des Regelverstärkers (42) abhängig steuerbar ist, so daß der Hallgenera tor (23) nur dann an einem bestimmten Ausgang ein Signal abgibt, wenn erstens die als Kommutiersignal dienende Induktion im Hallgenerator die diesem Ausgang zugeordnete Richtung hat und zweitens ein Ausgangssignal des Regelverstärkers (42) vorhanden ist.

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