DE2340984A1 - Gleichstrommotor mit geschwindigkeitsregelung ueber hall-generatoren - Google Patents

Description

ELUMBACH · WESER ■ BERGEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN

DIPL-iNG. P. G. BLUMBACH · DIPL.-PHYS. Dr. W. WESER ■ DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-IMG. R. KRAMER

62 WIESBADEN · SÜNNENBERGER STRASSE 43 . TEL (06121) 562943, 561998 MÖNCHEN

CANON K. K. Case GP

Tokyo /Japan

Gleichstrommotor mit Geschwindigkeitsregelung über Hall-Generatoren

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrommotor, mit einem Rotor mit Magnetpolen unterschiedlicher Polarität, mit einem Stator mit flußerzeugenden Wicklungen in drehmomenterzeugender Lage zum Rotor, mit Hall-Generatoren in flußabtastender Lage zu den Magnetpolen zur Erzeugung von Hall-Spannungen mit einer die Drehgeschwindigkeit des Rotors darstellenden Frequenz.

Bei bekannten bürstenlosen Gleichstrommotoren wird das Drehmoment des Rotors dadurch erzeugt, daß den Statorwicklungen drei Ströme in vorbestimmtei Folge in Abhängigkeit von Hall-Spannungen zugeführt werden, die von Hall-Generatoren erzeugt werden, die um den Stator herum angeordnet sind, so daß eine Flußdichte des Rotors gemessen werden kann. Bei bekannten Geschwindigkeitsregelsystemen für bürstenlose Gleichßtrommotoren der beschriebenen Art

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wird das Aus gangs signal eines synchron zum Rotor laufenden Tachogenerators mit einem Bezugssignal verglichen, welches eine Bezugsgeschv/indigkeit darstellt, so daß der den Gleichstrom steuernde Strom, welcher durch die Hall-Generatoren fließt, in Abhängigkeit von dem Differenz signal zwischen dem Bezugssignal und dem Ausgangssignal gesteuert werden kann. In anderen bekannten Geschwindigkeitsregelsystemen wird die in den Wicklungen induzierte Spannung festgestellt und als ein Signal zur Darstellung der Drehgeschwindigkeit eines Rotors benutzt. Das Spannungssignal wird mit einem Bezugssignal verglichen, welches eine vorbestimmte Drehgeschwindigkeit darstellt, so daß die Größe des an die Wicklungen angelegten Stromes in Abhängigkeit von dem Differenzsignal zwischen der Spannung und dem Bezugssignal gesteuert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Gesehwindigkeits-Regelsystem für bürstenlose Gleichstrommotor mit Hall-Generatoren zu schaffen, und insbesondere ein solches System, bei dem die Zuführung der Treibströme zu den Statorwicklungen von der Bestimmung der Winkellage eines Rotors aus Permanentmagnet von Hall-Generatoren gesteuert wird.

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Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der in den Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.

Im einzelnen wird die Frequenz der von den Hall-Generatoren erzeugten Hall-Spannungen, welche die Drehgeschwindigkeit des Rotors darstellt, in ein Gleichstrom signal umgewandelt, dessen Pegel proportional zu. der Frequenz ist. Das Gleichstromsignal wird mit einem Bezugssignal verglichen, welches eine vorbestimmte Drehgeschwindigkeit darstellt, so daß der Verstärkungsfaktor von Verstärkern, welche die Ausgangssignale von Hall-Generatoren verstärken, in Abhängigkeit von dem Differenzsignal zwischen dem Gleichspannungs- und dem Bezugssignal gesteuert werden kann, wobei die Größe der an die Statorwicklungen zugeführten Treibströme se gesteuert wird, daß eine konstante vorbestimmte Drehgeschwindigkeit eingehalten wir'd.

Bei dem neuen Gesehwindigkeits-Regelsystem für bürstenlose Gleichstrommotore sind Einrichtungen zum Ableiten aus den von den Hall-Generatoren · erzeugten Hall-Spannungen des Signals vorgesehen, dessen Frequenz proportional zur Drehgeschwindigkeit des Rotors ist, eine Einrichtung zur Ableitung eines Bezugssignals, welches eine vorbestimmte Geschwindigkeit darstellt, und eine Einrichtung zur Ableitung eines Signals zur Darstellung der Differenz zwischen dem aus den Hall-Spannungen abgeleiteten Signal

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und dem Bezugs signal, und zwar über einen analogen Vergleicher, wobei eine Impedanzabgleichschaltung für Hall-Spannungen in Abhängigkeit von dem Differenzsignal gesteuert wird, um eine konstante bestimmte Drehgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten.

Bei dem neuen Geschwindigkeits-Regelsystem für bürstenlose Gleichstrom-. motore kann ferner eine Programm schaltung zum Aussetzen bzw. Überspringen der Folge der zugeführten Antriebsströme für die Statorwicklungen in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal von dem Vergleicher vorgesehen sein, wobei, wenn die Drehgeschwindigkeit höher als eine vorbestimmte Geschwindigkeit wird, die Zufuhr der Treibströme zu vorbestimmten Wicklungen ausgesetzt wird, wobei die Drehgeschwindigkeit zwangsweise auf eine vorbestimmte Geschwindigkeit zurückkehrt.

Bei dem neuen Geschwindigkeits-Regelsystem für bürstenlose Gleichstrommotore kann ferner eine Bremsschaltung vorgesehen sein, die den Rotor elektrisch abbremst, wenn dieser mit höherer Geschwindigkeit als der vorbestimmten Geschwindigkeit umläuft. Entgegengesetzt zu dem bekannten Geschwindigkeits-Regelsystem, welches die Stromzufuhr zu den Stator-Wicklungen unterbricht, wird eine positive Bremskraft an den Rotor angelegt, so daß die Drehgeschwindigkeit sehr schnell zu der vorbestimmten Geschwindigkeit zurückkehren kann.

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Bei dem neuen Geschwindigkeitsregelsystem können zwei flußerzeugende Wicklungen elektrisch voneinander um 90 versetzt sein und in fluß erzeugender Beziehung zu dem Rotor angeordnet sein. Das Geschwindigkeits-Regelsystem weist eine Einrichtung zur Steuerung der Größe und Richtung der Treibströme auf, die durch die Wicklungen fließen.

Bei dem neuen Geschwindigkeitsregelsystem für bürstenlose Gleiehstrommotore kann ferner eine Einrichtung zur Feststellung der Pulsation der Hall-Spannungen vorgesehen sein, wobei der Eingangsstrom zu den Hall-Generatoren in analoger Weise gesteuert werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt: _t

Fig. 1 eine Blockschaltung zur Darstellung des zugrurdeliegenden

Prinzips des Geschwindigkeits-Regelsystems für bürstenlose Gleichstrommotore gemäß Erfindung;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer Schaltung gemäß Erfindung;

Fig. 3 Impulsdiagramxne zur Erläuterung der Betriebsweise

der ersten Ausfülirungsform;

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Fig. 4 eine Schaltung einer geänderten Einzelheit des

Geschwindigkeits-Regelsystems nach Fig. 2;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Motors zur Darstellung"

insbesondere der Lagen der beiden Wicklungen oder Spulen mit Bezug auf einen Rotor;

Fig. 6 eine Schaltung gemäß zweiter Ausführungsform. der Erfindung;

Fig. 7 eine Schaltung gemäß dritter Ausführungsform der Erfindung:

Fig. 8 (A), (B) und (C) Überspringschaltungen und Fig. 9 eine vierte Ausführungsform.

Innerhalb aller Figuren werden dieselben Bezugszeiclien zur Bezeichnung ähnlicher Teile verwendet.

Die erste Ausführungsform ist in den Fig. 1-5 dargestellt. Gemäß der Blockschaltung nach Fig. 1 sind Hall-Generatoren 1 auf einem Stator eines Gleichstrommotors winkelrnäßig zueinander und in solcher magnetischer Beziehung zum Rotor angeordnet, daß die Rotorflußdichte als Funktion der Winkellage des

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Rotors abgetastet werden kann. Eine Steuerschaltung 2 zur Steuerung der Zufuhr des Stromes zu den Stator-Wicklungen ist mit den Hall-Generatoren 1 und mit. einer Verstärkungs-Antriebsschaltung 3 verbunden, welche wiederum mit den Statorwicklungen eines bürstenlosen Gleichstrom-Motors 4 in Verbindung steht. Der Gleichstrommotor 4 umfaßt im großen und ganzen den Rotor mit den Magnetpolen unterschiedlicher Polarität und den Stator mit mindestens einem Paar von flußerzeugenden Wicklungen , die in drehmomenterzeugender Lage zu dem Rotor angeordnet sind. Die Hall-Generatoren 1 sind auch mit einem Hall-Spannungs-Wand!er 5 verbunden, welcher wiederum mit einem Komperator oder Vergleicher in Verbindung steht, an den ein äußerer Bezugssignalgenerator 7 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal des Wandlers 5 wird mit dem Bezugs- ' signal verglichen, welches von dem Bezugs Signalgenerator 7 zu dem Vergleicher 6 geliefert wird, so daß das Differenzsignal an die Steuerschaltung" 2 angelegt werden kann.

Nachfolgend wird die Betriebsweise besehrieben. Die Ausgangs signale der Hall-Generatoren 1 sind Wechselstrom spannungen, deren Frequenz proportional zur Drehgeschwindigkeit des Gleichstrommotors 4 ist, und diese Spannungen werden der Steuerschaltung 2 und dem Wandler 5 zugeführt, welcher die Ausgangssignale in Gleichstromsignale umwandelt, deren Pegel proportional zur Frequenz der Ausgangssignale ist.

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Dies bedeutet, daß der Pegel der Gleichstromausgangssignale des Wandlers 5 zeitlich und entsprechend der Drehgeschwindigkeit des Rotors des Gleichstrommotors sich ändert. Das Bezugssignal, welches das Gleichstromsignal ist, dessen Pegel auf einer konstanten Höhe in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit des Gleichstrommotors gehalten wird, wird dem Vergleicher 6 zugeführt, so daß das Gleichstromausgangssignal .des Wandlers 5 mit dem Bezugssignal verglichen wird. Das Differenzsignal, welches die Differenzspannung zwischen den beiden Gleichstrom-Signalen ist, wird der Steuerschaltung 2 zugeführt, so daß diese selektiv der Verstärkungs- und Antriebsschaltung 3 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal von den Hall-Generatoren 1 angelegt werden kann. Als Ergebnis wird die Zufuhr des Stromes zu den Stator-Wicklungen so gesteuert, daß das maximale Drehmoment erzeugt werden kann, wie später im einzelnen beschrieben wird.

Es wird nunmehr Bezug auf Fig. 2 genommen, die eine Schaltung eines Geschwindigkeits-Regelsystems nach der Erfindung zeigt. Hall-Generatoren H und H sind mit Bezug auf die Magnetpole so angeordnet, daß sie den magnetischen Fluß abtasten und ferner sind die Hall-Generatoren mit Eingangswiderständen R bzw. R und mit Verstärkern über Vorspannungswiderstände R bzw. R verbunden. Der Ermitter eines Leistungsverstärkungstransistors

Tr ist über Widerstände R und R mit den Hall-Generatoren H und H X 1 u xA

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verbunden, während der Kollektor mit der positiven Klemme einer Leistungsquelle E über eine Leitung L und einen Hauptschalter Sw

ei,

und-auch noch mit einem Vorspannungswiderstand R_ in Verbindung steht,

der in Serie zu einer Diode D liegt, die zur Kompensation der Spannung der Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors in Serie zu einer Zenerdiode ZD geschaltet ist. Die Zenerdiode ZD ist über eine Leitung *? mit der negativen Klemme der Betriebsspannungsquelle E verbunden. Diese Elemente Tr , R , D und ZD stellen eine

JL u J-

Spannungsregelschaltung dar.

Die Ausgangsklemmen a, b, c und d der Hall-Generatoren H₁ und H sind mit Gleichspannungsverstärkern A , A , A bzw. A. und auch den Basen

A. Ci O 4

von Transistoren Tr-Tr jeweils verbunden, und zwar in einer Maschin 12

schaltung 8 zur Mischung der A'usgangssignale der Hall-Generatoren H und H . Die Transistoren Tr - Tr sind jeweils mit Emitterfolgerwiderständen R "^₁Q verbunden, so daß sie eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen können. Die Emitter dieser Transistoren Tr - Tr sind über

9 J-Z

Koppelkondensatoren C-C mit einem Verstärker A verbunden.

14 5

Der Vergleicher 6 insgesamt weist Transistoren Tr und Tr auf, deren

7 8

Kollektoren jeweils mit Lastwiderständen R und R verbunden sind, und

y JLv/

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deren Emitter mit einem Ausgleicheinstellungswiderstand R in Verbindung stehen, welcher wiederum mit einem Emitterwiderstand R verbunden ist. Eine Eingangsldemme g des Vergleichers 6 ist über einen Digital-Analog-Wandler 5 mit dem Verstärker A und die andere

Eingangsklemme h mit dem Bezugs Signal-Generator 7 verbunden. Der Bezugssignal-Generator 7 weist eine Zenerdiode ZD und damit in Verbindung stehend die Widerstände R und R auf.

Ein Koppelverstärker 6' , der an die Ausgangsklemme des Vergleichers 6 über einen Koppelwiderstand R angekoppelt ist, weist einen Tran-

sistor Tr und einen Lastwiderstand R auf. Die Ausgangsklemme des 6 7

Koppelverstärkers 6' ist mit den anderen Eingangsklemmen der Verstärker

A, bis A, verbunden.
1 4

Die Motorantriebsschaltung umfaßt Transistoren Tr₀ bis Tr , deren

Δ ο

Kollektoren mit den Feldspulen L bis L und deren Emitter über einen gemeinsamen Emitterwiderstand R6 mit der Leitung -£ verbunden sind.

Nachfolgend wird die Betriebsweise beschrieben. Wenn der Schalter Sw geschlossen ist, fließt ein konstanter Strom durch die Hall-Generatoren H und H , den Transistor Tr in der Spannungsregelschaltung, so daß

\ Ll X

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die in Fig. 3 (A), (B), (C) und (D) gezeigten Spannungen in Abhängigkeit von den Winkelpositionen der Magnetpole des Rotors erzeugt werden, und zwar mit zwei Polen nach der vorliegenden Ausführungsform. Die Ausgangsspannungen sind einer sinusförmigen Wellenform älinlich und werden nicht nur den Verstärkers A bis A , sondern auch der Mischschaltung 8 zugeführt, welche die Ausgangsspannungen der Hall-Generatoren H und H mischt, so daß das in Fig. 3 (E) gezeigte, synthetisierte

1 Zs

Ausgangssignal an der Ausgangsklemme e abgeleitet wird. Das synthetisierte Ausgangs signal wird von dem Verstärker A_r verstärkt, so daß das in Fig. 3 (F) gezeigte Signal an der Ausgangsklemme f abgegriffen werden kann. Die Frequenz dieses Ausgangssignals ist proportional zur Drehgeschwindigkeit des Rotors. Das Ausgangssignal wird dem Digital-Analog-Wandler zugeführt, so daß das Gleichspamiungs signal gemäß Fig. 3(G) entsteht, dessen Pegel proportional zur Frequenz des Ausgangssignals des Verstärkers A ist. Das Gleichstromausgangssignai wird an die Eingangsklemme g des Vergleichers 6 angelegt und das Gleichspannungsbezugssignal nach Fig. 3(B) liegt an der anderen Eingangsklemme H des Vergleichers 6 an.

Wenn eine Differenz zwischen den beiden Pegeln des Gleichspannungsausgangssignals und dem Bezügssignal existiert, wird das diese Differenz darstellende Ausgangssignal dem Transistor Tr über den Widerstand R_Q·

b

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zugeführt. Wenn beispielsweise die Drehgeschwindigkeit des Motors kleiner als die Bezugsgesehwindigkeit ist, ist die Spannung an der anderen Eingangsklemme h des Vergleicliers 6 größer als die an der einen Eingangsklemme g, so daß die Kollektorspannung des Transistors Tr kleiner

ist als die des Transistors Tr . Infolgedessen senkt sich das Basispotential

des Transistors Tr„ beträchtlich ab, so daß der Transistor Tr leitend wird. 6 ο

Deshalb wird eine relativ große Leistung den Verstärkern A - A zugeführt, die im Hinblick auf Abgabe von Ausgangssignalen dann, und nur dann ausgebildet sind, wenn die Ausgangs signale der Hall-Generatoren H und H und

1 Ci

des Transistors Tr bzw. des Koppelverstärkers 6' gleichzeitig anliegen, b

Das Ausgangs signal des Verstärkers A , A , A oder A besitzt einen

-L Cd Ö TC

Pegel, der proportional zum Itegel des Ausgangssignals des Hall-Generators

H oder H ist. Dies bedeutet, daß das Ausgangssignal das Ausgangssignal 1 Λ

des Hall-Generators H oder H₀ verstärkt von dem Verstärker A , A ,

1 ei 12

A₀ oder A ist. Wenn der Transistor Tr als Schalttransistor arbeitet,

A 4 b

wird er für vergleichsweise lange Zeit leitend gehalten, wenn das Ausgangssignal des Vergleichers 6 groß ist, so daß die Betriebs zeit der Verstärker A bis A länger wird. Wenn andererseits das Ausgangssignal des Vergleichers klein wird, wird die Einschaltzeit des Transistors Tr „ kürzer, und wenn die an den Eingangsklemmen g und h des Vergleichers anliegenden Eingangssignale im wesentlichen gleich zueinander sind, ist das Signal zur Steuererung

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der Betriebszeit der Verstärker A - A verfügbar. Als Ergebnis werden diese ausgeschaltet und bleiben ausgeschaltet, wenn der Pegel des Eingangssignals an der Eingangsklemme g höher ist als der an der Eingangsklemme h des Vergleichers 6.

Wenn der Transistor Tr. als verstärkender Transistor arbeitet, werden die Verstärker A - A in Abhängigkeit von dem Pegel des Ausgangssignals des Transistors Tr in solcher Weise gesteuert, daß das Maß der

Verstärlamg der Ausgangsspannungen der Hall-Generatoren H und H , die der Motorantriebsschaltung zugeführt werden, variiert wird. In Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Verstärker A bis A werden die den Transistoren Tr - Tr zugeführten Antriebsströme variiert. Dies bedeutet, daß das Ausgangs signal, welches proportional zur Hall-Spannung nach Fig. 3a ist, demTransistor Tr zugeführt wird. Das gleiche gilt für das Ausgangssignal proportional zur Hall-Spannung nach Fig. 3(B), die dem Transistor Tr zugeführt wird, das Ausgangssignal proportional zur Hall-Spannung nach Fig. 3(C), die dem Transistor Tr zugeordnet wird, das Ausgangssignal proportional zur Hall-Spannung nach Fig. 3(D), die dem Transistor Tr zugeführt wird. Die Transistoren Tr - Tr werden leitend» um die Statorwicklungen in der vorbestimmten Ordnung zu erregen. Da das Zeitintervall der Stromzuführung zu den Wicklungen oder die Größe der den Wicklungen zugeführten Ströme in

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Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Vergleichers 6 gesteuert wird, läuft der Gleichstrommotor synchron zu den Bezugs Signalen.

Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die vier Statorwicklungen so beschrieben worden, als ob sie urn 90 jeweils voneinander angeordnet sind, es kann aber auch eine abgeänderte Art mit nur 2 Wicklungen benutzt werden, wie sich aus Fig. 4 ergibt. In der Praxis werden die Klemmen Y, k", Y und m/ der in Fig. 4 gezeigten Schaltung mit den Klemmen j, k, 1 und m der Schaltung nach Fig. 2 jeweils verbunden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 bezeichnen die Bezugszeichen R - R Lastwiderstände der Transistoren Tr,„, Tr„_, Tr, _ bzw. Tr, _n und

la 15 17 19

jedes Paar der Transistoren Tr und Tr , Tr und Tr , Tr

.Io 14 Io Iu 1/

und Tr , sowie Tr und Tr bilden eine komplementäre Verstärker-Io 19 ^O

schaltung. Eine Statorwicklung L5 ist zwischen der gemeinsamen Verbindung der Transistoren Tr und Tr und zwischen Tr und Tr

Xo X4 Xo Xo

geschaltet. In gleicher Weise ist eine Statorwicklung L6 zwischenden

Transistoren Tr und Tr und zwischen den Transistoren Tr und 1I Io 19

Tr geschaltet.

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Fig. 5 zeigt die Lage der beiden Statorwicklungen L5 und L6 nach Fig. mit Bezug auf den Rotor R und die Hall-Generatoren H und H . Die Hall-

X. JtJ

Generatoren H und H können so angeordnet sein, daß sie der Endfläche X ί

des Rotors R gegenüberstehen.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der geänderten Ausführungsform beschrieben. Es sei angenommen, daß der Hall-Generator H demN-Pol des Rotors R gegenübersteht, so daß die Spannung an der Ausgangsklemme c des Hall-Generator-s H₀ höher ist als die an der Ausgangsklemme d. In diesem Falle leiten die Transistoren Tr und Tr , während die übrigen

l*i ' Xü

Transistoren gesperrt sind. Deshalb fließt der Strom von der positiven Klemme der Betriebsspannungsquelle E über den Leitungsdraht Ji ,

ex

den Transistor Tr , die Wicklung L5, den Transistor Tr und den 15 14

Leitungsdraht JL zur negativen Klemme der Betriebsspannungsquelle E. Infolgedessen wird das Drehmoment, welches den Rotor R antreibt, zwischen dem Teilstück G der Wicklung L5 und dem Rotor erzeugt. In gleicher Weise wird der Strom den Wicklungen L5 und L6 in vorbestimmter Reihenfolge und Richtungen in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Hall-Generatoren H und H zugeführt, welche die Winkelposition des Rotors R abtasten.

J- Zt

Die beiden Statorwicklungen L5 und L6 werden in sehr wirksamer Weise zur Drehung des Rotors R benutzt, wie zuvor beschrieben.

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Die zweite Ausführungsform nach Fig. 6 ist derart, daß sie eine Bremsschaltung umfaßt, so daß im Falle der großen Abweichung der Drehgeschwindigkeit von einer vorbestimmten Geschwindigkeit diese vorbestimmte Geschwindigkeit wieder rasch hergestellt werden kann.

Die Ausgangssignale der Hall-Generatoren H und H werden dem Wandler

1 2t

über Kondensatoren C5, C6, C7 und C8 zugeführt, und nicht über die Schaltung nach Fig. 2. Die Kondensatoren C4 - C8 dienen zur Digital-Analog-Umwandlung der Ausgangssignale der Hall-Generatoren H und H . In der zweiten Ausführungs-

J. 2t

form wird eine zusätzliche Bestriebsspannungsquelle El zur Zuführung der Leistung an den Wandler 5, den Vergleicher 6, den Bezugsignalgeneraltor 7 und den Koppelverstärker 6'benutzt.

Die Dioden D7 - DlO sind jeweils mit den Kollektoren der Transistoren Tr -

2t

Tr in der Treibschaltung so verbunden, daß die in den Wicldungen Ll - L4 5

induzierten Spannungen festgestellt werden. Variable Widerstände VRl - VR4 sind im Hinblick darauf eingefügt, daß eine optimale Verzögerungskraft dem Motorzugeführt werden kann, entsprechend dessen Typ. Die Kollektoren von Schalttransistoren Tr - Tr₀. sind jeweils mit variablen Widerständen VRl - VR4 verbunden und die Basen mit Kontakten 1, 2 und 3 eines Schalters Se. Demgemäß ist der Kontakt 1 mit den Basen der Transistoren Tr - Tr verbunden; der Kontakt 2 mit den Basen der Transistoren Tr und Tr

21 22 und

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der Kontakt 3 mit der Basis des Transistors Tr . Der Anker oder bewegliehe Kontakt des Schalters Se ist mit dem Kollektor des Transistors Tr des Koppelverstärkers 6' über einen Widerstand R28, einen Schalter SW3, einen Schalter SW2 und einen Widerstand R27 verbunden. Ein Kontakt 1 des Schalters SW2 ist mit den einen Eingangsklemmen der Verstärker Al ·- A4 und der andere Kontakt 2 ist über einen Kontakt 1 des Schalters SW3 und den Widersland R 28 mit dem Anker bzw. beweglichen Glied des Schalters Se verbunden.

Nunmehr wird die Betriebsweise beschrieben. Es sei angenommen, daß die Drehgeschwindigkeit des Rotors höher ist als die vorbestimmte Geschwindigkeit. Dann ist die Spannung an der Eingangsklemme g des Vergleichers 6 höher als die Spannung an der Eingangsklemme h, so daß das Kollektorpotential des Transistors Tr niedriger ist. Das Basispotential des Transistors Tr ist niedrig, so daß der Transistor Tr leitet. Wenn

O D

der bewegliche Kontakt des Schalters SW2 den Kontakt 2 schließt, wird das Ausgangssignal des Transi stors Tr über den Schalter Se einer Brems-

schaltung zugeführt, welche die Dioden D7-D10 und die variablen Widerstände VRl - VR4 aufweist. Wenn der Kontakt 1 des Schalters Se geschlossen ist, sind die Basispotentiale der Transistoren Tr - Tr hoch, so daß diese Transistoren leiten. Die in den Wicklungen L1-L4 induzierten Spannungen machen im Falle , daß kein Treibstrom durch diese fließt, die Kollektorspannungen der Transistoren Tr - Tr höher als die

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Spannungen an den Verbindungsstellen o, p, q und r, so daß die Bremsströme durch die Statorwicklungen in einer Richtung entgegengesetzt zu denen der Treibströme fließt. Als Ergebnis wird eine Verzögerungs- oder Bremskraft in Gegenrichtung zur Drehrichtung des Motors erzeugt. Die Bremsströme fließen durch die Dioden D7-D10, die variablen Widerstände VRl - VR4 und die Transistoren Tr - Tr zu den Verbindungsstellen

Λ1 LtQ.

ο, ρ, q und r. Die Brems ströme und daher auch die Bremskraft kann mittels der variablen Widerstände VRl - VR4 eingestellt werden. In der Praxis ■fließt der Treibstrom mindestens durch eine der Wicklungen Ll- L4 und erzeugt das Drehmoment, dem die von den durch die restlichen drei Wicklungen fließenden Bremsströmen erzeugte Bremskraft entgegen wirkt. Infolgedessen kann die Drehgeschwindigkeit rasch auf die vorbestimmte Geschwindigkeit zurückgeführt werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können die Bremskräfte in drei Schritte durch wahlweises Schließen der Kontakte 1, 2 und 3 des Schalters Se angelegt werden, um die gewünschten Transistoren Tr - Tr auszuwählen.

Wenn der Kontakt 1 des Schalters SW3 geschlossen ist, wird das Ausgangssignal des Koppelverstärkers 6'nicht nur den Breinsschaltungen, sondern auch den Verstärkern A1-A4 zugeführt, die in der mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschriebenen Weise arbeiten, so daß der Gleichstrommotor in sehr effektiver Weise gebremst werden kann. Wenn der

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Kontakt 2 des Schalters SW3 geschlossen ist, wird das Ausgangssignal des Koppelverstärkers 6' nur den Brems schaltungen zugeführt. Wenn der Kontakt 1 des Schalter SW2 geschlossen ist und auch der Kontakt 1 des Schalters SW3, werden sowohl die Bremsschaltungen als auch die Verstärker Al - A4 betätigt. Wenn der Kontakt 1 des Schalters SW2 geschlossen ist und der Kontakt 2 des Schalters SWS ebenfalls geschlossen ist, werden nur die Verstärker Al - A4 betätigt.

Die dritte Ausführungsform wird anhand der Fig. 7 und 8 besprochen. Die dritte Ausführungsform in Fig. 7 umfaßt noch die sog. Übersprung-Antriebsschaltung zum Fortlassen oder Überspringen der vorbestimmten Folge des Zuleitens des Treibstromes an die Statorwicklungai, um die Drehgeschwindigkeit zu verringern. Wie im Falle der zweiten Ausführungsform wird nur die Schaltung beschrieben, soweit sie von der ersten Ausführungsform nach Fig. 2 abweicht. Der Kollektor des Transistors Tr des Vergleichers 6 ist mit der Basis eines Verstärkungstransistors

Tr verbunden, dessen Emitter mit der positiven Klemme der Betriebs-25

Spannungsquelle E und dessen Kollektor mit der negativen Klemme über einen variablen Widerstand VRS in Verbindung steht. Ein UND-Glied 10 ist zwischen Motorantriebsschaitung und den Vertärker Al - A4 zwischengeschaltet. An das UND-Glied 10 sind auch die Ausgänge der drei Spannungsfest-

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stellungsschaltungen, beispielsweise Schmidt-Schaltungen 11, 12 und 13 angeschlossen, welche wiederum eine programmierbare Spannungsf eststellungsschaltung bilden und von denen jede eine Rückkopplungs schaltung bildet.

Nunmehr wird mit Bezug auf Fig. 7 und 8 die Betriebsweise beschrieben. Es sei angenommen, daß die Drehgeschwindigkeit des Gleichstrommotors über der vorbestimmten Geschwindigkeit liegt, so daß eine Verzögerungskraft angelegt werden muß. In diesem Falle is t der Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 6 hoch, so daß der Transistor Tr leitet. Das Maß der Leitung des Transistors Tr ist proportional zur Höhe, der Ausgangsspannung

25

des Vergleichers 6. Die Spannung am Anzapfpunlct des variablen Widerstandes VRS nimmt zu und die Spannungsf eststellungsschaltungen 11, 12 und 13 sind so eingerichtet, daß sie diese Spannungszunähme in drei Schritten feststellen. Wenn z. B. der Pegel des Ausgangssignals des Ver^ieichers 6 sehr hoch ist, wie sich aus Fig. 8(A) ergibt, dient nur die Spannungsf eststellungsschaltung 11 zur Weitergabe des Ausgangssignals an ein UND-Glied Gl. Das UND-Glied Gl gibt das Ausgangs signal dann, und nur dann, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers Al ebenfalls gleichzeifg anliegt. Das Ausgangs signal des UND-Gliedes Gl wird dem Transistor Tr über eine

it

Klemme u zugeführt, so daß der Treibstrom nur durch die Wicklung Ll fließen kann. In diesem Fall geben die UND-Glieder G2 - G4 keine Ausgangs-

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Signale ab, so daß der Rotor nur durch das Drehmoment angetrieben wird, welches durch den durch die Wicklung Ll fließenden Treibstrom erzeugt wird. Als Folge hiervon nimmt die Drehgeschwindigkeit plätzlich auf die vorbestimmte Geschwindigkeit ab. Wenn die Drehgeschwindigkeit auf diese vorbestimmte Geschwindigkeit zurückgeführt ist, wird das Ausgangs signal des Vergleichers 6 null, so daß die Spannungsfeststellungsschaltung 11 unwirksam gemacht wird. Als Ergebnis hiervon ist die Übersprung-Operation beendet und der Treibstrom wird den vier Wicklungen Ll - L4 in vorbestimmter Folge zugeführt.

Wenn der Ausgangspegel des Vergleichers 6 einen Mittelwert aufweist, wird die Spannungsfeststellungsschaltung 12 gemäß Fig. 8. (B) betätigt, so daß die mit der Feststellungsschaltung 12 verbundenen UND-Glieder Gl und G3 eingeschaltet werden. Als Ergebnis werden nur die Transistoren Tr und Tr leitend geschaltet, um Treibströme den Wicklungen Ll und L3 zuzuführen, aber keine Treibströme werden den Wicklungen L2 und L4 zugeführt. Deshalb nimmt die Drehgeschwindigkeit des Gleichstrommotors ab, und wenn er die vorbestimmte Geschwindigkeit erreicht, wird kein Ausgangssignal von dem Vergleicher 6 abgeleitet, so daß die normale Betriebsweise wieder hergestellt werden kann.

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Wenn der Ausgang des Vergleichers 6 null ist, wird der Transistor Tr abgeschaltet, so daß das Potential an dem Anzapfpunkt des variablen Widerstandes VRS auf einen niedrigen Pegel abfällt. Dieser Spannungsabfall wird nur von der Spannungsfeststellimgsspannung 13 festgestellt und in Abhängigkeit von deren Ausgangssignal werden alle Glieder G1-G4 eingeschaltet, wie sich aus Fig. 8(C) ergibt. Infolgedessen werden die Transistoren Tr - Tr in vorbestimmter Folge leitend geschaltet, um die Treibströme den Wicklungen Ll - L4 zuzuführen.

Wie zuvor beschrieben, wird die Zuführung der Treibstrome an die Wicklungen Ll - L4 in Abhängigkeit von dem Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 6 übersprungen, so daß die Drehgeschwindigkeit des Gleichstrommotors rasch auf die vorbestimmte Geschwindigkeit reduz iert werden kann.

Die vierte Ausführungsform ist in Fig. 9 gezeigt und von der Art, daß die Pulsation der Ausgangssignale der Hall-Generatoren (entsprechend der Drehgeschwindigkeit des Rotors ) festgestellt wird, mit einem Bezugssignal verglichen wird und zu dem Eingang der Hall-Generatoren zurückgeführt wird, so daß deren Eingangs spannung gesteuert werden kann, wobei eine vorbestimmte konstante Drehgeschwindigkeit aufrechterhalten wird. Die ErläuteruH/g der Schaltungen, welche der ersten in Fig. 2

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dargestellten Ausführungsform ähnlieh sind, erübrigt sich. Die Aufgabe der vierten Ausführungsform besteht darin, nichtgleichförmige Drehung des Rotors zu beseitigen und daher eine Schwankung eines Drehmomentes.

Das Ausgangssignal des Vergleichers 6, welches beispielsweise das Kollektorpotential des Transistors Tr nach Fig. 2 darstellt, wird über den Verstärker 6" an die Eingangsklemmen der Hall-Generatoren Hl und H2 rückgekoppelt. Solange der Steuerstrom an die Hallgeneratoren Hl und H2 angelegt wird, werden die Hall-Spannungen erzeugt, deren Frequenz proportional zur Drehgeschwindigkeit des Rotors sind, unabhängig von dem Pegel des Rückkopplungssignals. Der Pegel der Wechselstrom-Hall-Spannungssignals der Hall-Generatoren Hl und H2 ändert sich in Abhängigkeit von dem durchfließenden Strom, aber die Frequenz der Hall-Spannungen ist genau proportional zur Drehgeschwindigkeit des Rotors. Das Wechselspannungssignal wird in ein Gleichspannungssignal umgewandelt, dessen Pegel proportional zur Frequenz des Wechselspannungssignals ist, wie dies auch im Fall der ersten Ausführungsform war. Das Gleichspannungssignal wird der einen Eingangsklemme des Vergleichers 6 zugeführt. Die Ausgangssignale der Hall-Generatoren Hl und H2 werden dem Verstärker 3 zugeführt, sodaß die Transistoren Tr - Tr in der Treibschaltung leiten können und die

δ 5

Treibströme den Wicklungen Ll- L4 in vorbestimmter Folge zugeführt werden.

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Bei der obigen Antriebsweise wird die Größe der kontinuierlich den Wicklungen zugeführten Treibströme gesteuert, so daß eine ungleichförmige Drehung oder Schwankung des Drehmomentes beseitigt werden kann, im Gegensatz zu einem Antriebssystem, bei welchem der Treibstrom intermittierend den Wicklungen zugeführt wird.

Wie zuvor besehrieben, beruht die vorliegende Erfindung auf dem Prinzip, daß die Frequenz der Signale, wie diese durch Feststellung der Winkellage des Rotors durch Hall-Generatoren erhalten wird, proportional zur Drehgeschwindigkeit des Rotors ist. Die Ausgangssignale der Hall-Generatoren werden in Analog-Signale umgewandelt, welche mit dem Bezugssignal verglichen werden, welches eine vorbestimmte Geschwindigkeit repräsentiert. Deshalb kann die Motorgeschwindigkeitsregelung in wirksamerer Weise durchgeführt werden, als es bisher mit bekannten Systemen der Fall war, bei denen die Winkellage des Rotors von den in den Stator-Wicklungen induzierten Spannungen festgestellt wurde. In den bekannten Geschwindugkeits-Regelsystemen für Gleichstrommotore werden Halbleiter, beispielsweise Dioden und Transistoren, benutzt, so daß die Geschwindigkeitsregelung durch steigende Temperatur beeinträchtigt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden jedoch die Spitzen .der Ausgangssignale der Hall-Generatoren digital gezählt, d.h. nur die Frequenz der Ausgangs signale wird festgestellt, um die Drehgeschwindigkeit des Rotors zu beinhalten.

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Deshalb wird die Temperaturabhängigkeit bekannter analoger Geschwindigkeits-Regelsysteme vermieden.

Da die Frequenz der Ausgangssignale der Hall-Generatoren gemäß der Erfindung festgestellt wird, kann von den Herstellungsschwankungen der Hall-Generatoren abgesehen werden. Deshalb kann die Überwachung der Hall-Generatoren beim Zusammenbau stark vereinfacht werden, so daß die Kosten bemerkenswert gesenkt werden.können.

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Claims (8)

BLUMBACH ■ WESER ■ BERGEN & KRAMER PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN 9 Q / Π Q Ö / DIPL-ING. P. G. BLUMBACH ■ DIPL-PHYS. Dr. W. WESER ■ DlPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER 62 WIESBADEN . SONNENBERGER STRASSE 43 . TEL (06121) 562943, 561998 MÖNCHEN CANON K. K. Case GP 392 Tokyo/ Japan Patentansprüche

1.) Gl^e*^cnst^rominotor mit einem Rotor mit Magnetpolen unterschiedlicher Polarität, mit einem Stator mit flußerzeugenden Wicklungen in drehmomenterzeugender Lage zum Rotor, mit Hall-Generatoren in flußabtastender Lage zu den Magnetpolen zur Erzeugung von Hall-Spannungen mit einer Drehgeschwindigkeit des Rotors·darstellenden Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (5, A5, 8) zur Feststellung der Frequenz der Ausgangssignale der Hall-Generatoren vorgesehen ist, um das die Frequenz darstellende elektrische Signal zu erzeugen, daß ein Bezugssignal generator (7) ein Bezugssignal entsprechend einer vorbestimmten konstanten Geschwindigkeit des Gleichstroms erzeugt, daß ein Vergleicher (6) das elektrische Signal mit dem Bezugssignal vergleicht und ein Differenzsignal entsprechend der Differenz der Signale zueinander erzeugt, daß ein Antriebs-Steuer-Verstärker (3, A1-A4, Tr₀ - Tr) in Abhängigkeit von dem Ausgangs-

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signal des Vergleichers die Verstärkung der Hall-Spannungen steuert,

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und daß die an die Wicklungen angelegten Erregerströme in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Verstärkers gesteuert werden, wobei der Gleichstrommotor mit konstanter Geschwindigkeit drehen kann.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß Elemente (D7 - D 10) zur F eststellung von in den Wicklungen induzierten Spannungen vorgesehen sind, wenn keine Erregerströme durch diese fließen, und daß eine Bremsschaltung (Tr - Tr , VIII - Vr4) mit diesen Elementen in Verbindung steht, um Ströme durch die Wicklungen fließen zu lassen, die nicht erregt sind, wobei der Motor gebremst wird.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß Schaltereinrichtungen (SW2, SW3, Se) zur Kopplung der Bremsschaltung mit dem Vergleicher (6) vorgesehen sind.

4. Gleichstrommotor nach Ansprach 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtungen einen Wahlschalter (Se) zur Steuerung der Bremswirkung der Bremsschaltung in Abhängigkeit von dem Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers (6)

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aufweisen.

5. Gleichstrommotor nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (Schalter SW2, SW3) zur wahlweisen Kopplung des Vergleichers (6) mit dem Antriebssteuerverstärker aufweist.

6. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1-5,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Feststelleinrichtung (Tr , VR5, 11-14) zur Feststellung des Pegels des Ausgangssignals des Vergleichers und wahlweisem Überspringen der Zufuhr des Erreger stromes an die Statorwicklungen vorgesehen sind, wobei das Ausgangs signal der Uberspring-Einrichtung an den Antriebssteuerverstärker angelegt wird.

7. Gleichstrommotor nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Uberspring-Einrichtung eine Schaltung (11-13) zur schrittweisen Feststellung des Ausgangssignals des Vergleichers aufweist.

8. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator ein einzelnes Paar von

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Wicklungen (Ll, L2) aufweist, wobei die Richtung des durchfließenden Stromes durch dieses einzelne Paar von Wicklungen bei jeder 180 -Drehung des Rotors in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Hall-Generatoren umgekehrt wird.

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