DE2516804C3

DE2516804C3 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2516804C3
Application number: DE19752516804
Authority: DE
Inventors: Lorenz Dipl.-Phys. 4790 Paderborn Hanewinkel
Original assignee: Nixdorf Computer Corp
Current assignee: Atos IT Solutions and Services Inc
Priority date: 1975-04-16
Filing date: 1975-04-16
Publication date: 1982-05-27
Also published as: DE2516804A1; DE2516804B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommotors, bei der über einen Mehrphasen-Einweggleichrichter in den Wicklungen des Motors in deren antriebsstromlosem Zustand gegenüber einem Bezugspotential induzierte Spannungen als Istwerte abgenommen werden und bei der eine Schaltung zur Addition der jeweiligen Augenblickswerte der gleichgerichteten induzierten Spannungen vorgesehen ist, in der mit den Dioden des Gleichrichters in Reihe geschaltete Einzelwiderstände über einen ihnen gemeinsamen Widerstand mit dem Istwerteingang einer Vergleichsvorrichtung verbunden sind, die mit einem Sollwert angesteuert wird und das Regelsignal abgibt, wobei die Kurvenform der am gemeinsamen Widerstand anliegenden gleichgerichteten Gesamtspannung durch das Verhältnis des Widerstandswertes des Gesamtwiderstandes zu den Wider-ϊ standswerten der Einzelwiderstände im Sinne optimaler Welligkeit bei Solldrehzahl einstellbar ist.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist z. B. durch die DE-OS 22 51 292 bekannt Dadurch, daß die mit den Gleichrichterdioden in Reihe geschalteten Widerstände

··' an einem gemeinsamen Schaltungspunkt zusammengeführt sind, entsteht an diesem Punkt gegenüber einem Bezugspotential ein Summenpotential, welches als eine Summenspannung dargestellt werden kann, deren Wellägkeit geringer als die Welligkeit der von den

¹' Wicklungen abgeleiteten induzierten Einzelspannungen ist. Die bekannte Schaltungsanordnung bringt eine Verbesserung dieser Welligkeit dadurch, daß durch den gemeinsamen Widerstand ein Konstantstrom fließt, welcher sich je nach gerade abgeschalteter bzw. in

2Q Betrieb befindlicher Wicklung des Motors unterschiedlich auf die mit den Gleichrichterdioden in Reihe geschalteten Widerstände verteilt. Zusätzlich fällt an dem gemeinsamen Widerstand durch den Konstantstrom eine Spannung ab, die sich der durch die

2i beschriebene Addition gebildeten Summenspannung überlagert und dann zu einer Eingangsgröße an der Vergleichsvorrichtung führt, deren Frequenz bei geeigneter Bemessung der Widerstände gegebenenfalls gegenüber der Frequenz der induzierten Spannungen

JO erhöht ist und damit zu einer weiter verringerten Welligkeit führt.

Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist jeweils nur für eine ganz bestimmte Drehzahl eine bestimmte Größe des Konstantstroms und eine optimale Bemes-

v, sung der Widerstände derart möglich, daß die Welligkeit in beschriebener Weise herabgesetzt wird. Soll der kollektorlose Gleichstrommotor mit mehreren Drehzahlen betrieben werden, so muß außer der Änderung des Sollwertes an der Vergleichsvorrichtung für jede neue Drehzahlvorgabe eine Neubemessung bzw. Neueinstel'ung der Widerstände, insbesondere des Verhältnisses der mit den Gleichrichterdioden in Reihe geschalteten Widerstände zu dem ihnen gemeinsamen Widerstand vorgenommen werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Bemessung der optimalen Glättungsfunktion einmalig vorgenommen werden kann, die für die Anwendung bei unterschiedlichen Drehzahlsollwerten erhalten bleibt.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß die Verbindung des gemeinsamen Widerstandes mit der Vergleichsvorrichtung über

5^r> einen weiteren Widerstand geführt ist, der Gegenkopplungswiderstand eines Operationsverstärkers ist, dessen nicht gegengekoppelter Eingang mit dem Bezugspotential verbunden ist.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß auf eine Konstantstromquelle, wie sie in der DE-OS 22 51 292 angeordnet ist, verzichtet werden kann und daß unabhängig von der Drehzahl des gesteuerten Gleichstrommotors stets verhältnisgleiche Potentiale proportional zur Geschwindigkeit an dem mit der Istgröße angesteuerten Eingang der Vergleichsvorrichtung erzeugt werden. Die Abhängigkeit der relativen Welligkeit der Istspannungen von der Drehzahl des gesteuerten Gleichstrommotors ist also bei der durch die

Addition gebildeten Istgroße nicht mehr vorhanden. Sie ist nur durch die Widerstandsverhältnisse bestimmt Dadurch ist es möglich, eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung unabhängig von der Drehzahl des jeweiligen Gleichstrommotors universell einzusetzen und durch Vorgabe beliebiger Sollspannungen beliebige Drehzahlen in einem weiten Bereich bei gleich guten Lauf- und Regeleigenschaften einzustellen. Dabei bleibt die Glättungsqualität immer voll erhalten.

Ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird im folgenden an Hand der Figur beschrieben. Diese zeigt eine Steuerschaltung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit zugehöriger Gleichrichteranordnung und der vorgesehenen Zusatzschaltung.

In der Figur sind die Statorwicklungen 10, 11, 12 und 13 eines kollektorlosen Gleichstrommotors dargestellt. Diese Statorwicklungen sind derart symmetrisch zueinander angeordnet, daß jeweils benachbarte Wicklungen um 90° gegeneinander versetzt sind. Beim Betrieb des Motors werden die Statorwicklungen 10, 11, 12 und 13 durch Transistoren 14, 15, 16 und 17 zyklisch eingeschaltet. Diese zyklische Steuerung erfolgt mittels zweier Hallgeneratcren 18 und 19, die über einen gemeinsamen Vorwiderstand 20 an das negative Betriebspotential angeschaltet sind. Sie werden von einem Steuerstrom durchflossen, so daß bei einer sinusförmigen Feldverteilung über den Läuferumfang an den Basiselektroden der Transistoren 14, 15, i6 und 17 eine sinusförmig verlaufende Hallspannung auftritt. Wenn die Transistoren 14, 15, 16 und 17 im lirearen Bereich arbeiten, ist auch ihr Kollektorstrom und damit der von den Wicklungen 10, 11, 12 und 13 erzeugte Magnetfluß sinusförmig. Bei richtiger Zuordnung der Hallgeneratoren 18 und 19 zu den Wicklungen einerseits und zu jeweils zwei Transistoren andererseits stellt sich in der Ständerwicklung in bekannter Weise ein Drehfeld ein, das ein praktisch konstantes Drehmoment an dem Permanentmagnetläufer (nicht dargestellt) des Gleichstrommotors erzeugt.

Die Transistoren 14, 15, 16 und 17 sind über einen gemeinsamen Emitterwiderstand 21 mit der positiven Betriebsspannung verbunden. Die mit ihnen in Reihe geschalteten Wicklungen 10, 11, 12 und 13 sind an die negative Betriebsspannung angeschaltet. An den Verbindungspunkten zwischen den Kollektoren der Transistoren 14, 15, 16 und 17 und den Wicklungen 10, 11, 12 und 13 können induzierte Spannungen abgenommen werden, die an den jeweils stromlosen Wicklungen durch den Permanentmagnetläufer erzeugt werden.

Diese Spannungen sind sinusförmig und können als Istspannungen zu Regelzwecken verwendet werden. Hierzu werden sie zunächst mittels der Gleichrichter 22, 23,24 und 25 gleichgerichtet und danach über mit diesen Gleichrichtern in Reihe geschaltete Widerstände 26,27, 28 und 29 auf einen gemeinsamen Schaltungspunkt 35 geführt. Dieser Schaltungspunkt 35 ist über einen gemeinsamen Widerstand 30 mit einem Schaltungspunkt 36 verbunden, der einerseits mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 33, andererseits über einen weiteren Widerstand 31 mit einem Eingang einer Vergleichsvorrichtung 34 verbunden ist. Der weitere Widerstand 31 bildet, da der Ausgang des Operationsverstärkers 33 gleichfalls mit dem beschriebenen Eingang der Vergleichsvorrichtung 34 verbunden ist, einen Gegenkopplungswiderstand für den Operationsverstärker 33. Der zweite Eingang der Vergleichsvorrichtung 34 ist mit einer Schaltung 32 verbunden, die eine Referenzspannung liefert, welche auf unterschiedliche Werte eingestellt warden kann, um unterschiedliche Drehzahlen mit dem zu steuernder. Gleichstrommotor zu erzeugen.

Der zweite Eingang ( + ) des Operationsverstärkers

33 liegt auf dem Bezugspotential der Wicklungen 10 bis 13. Da der Operationsverstärker 33 über den Widerstand 31 gegengekoppelt ist, wird der Schaltungspunkt 36 immer auf demselben Betriebsspannungspctential gehalten. Dies ist darauf zurückzuführen, daß durch die Gegenkopplung eine Ausgangsspannungsändening der sie erzeugenden Eingangsspannungsänderung am Operationsverstärker 33 entgegenwirkt, so daß sich schließlich ein stabiler Endzustand einstellt. Der Operationsverstärker 33 bewirkt also, daß an seinem A.usgang ein inverses Abbild der Potentialverhältnisse am Punkt 35 entsteht.

Durch die Wahl der Verhältnisse der Widerstandswerte /?3o zu /?2b. Rio zu /?27. Rio zu /?28. Rio zu /?₂9 kann der Einschaltpunkt der Gleichrichter 22 bis 25 bestimmt und dadurch die Kurvenform der gleichgerichteten Gesamtspannung festgelegt werden.

Zweckmäßig werden die Verhältnisse der Wider-

standswerte zu \ fä eingestellt, da dann die Spannung

bei Phasenlagen des Rotors nach jeweils 45° dieselbe und dadurch die Welligkeit minimal ist.

Die der Drehzahl proportionale Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 33 wird im Vergleicher 34 mit der Drehzahlreferenzspannung verglichen und dadurch am Ausgang des Vergleichers

34 eine Steuergröße für die Hallgeneratoren 18 und 19 erzeugt.

Setzte man für die Berechnung des optimalen Widerstandsverhältnisses voraus, daß die Spitzenspannung nach jeweils 45° der Rotordrehung gleich sein soll, was zu einer minimalen Amplitude der überlagerten Welligkeit führt, so ergeben sich folgende Ansätze, wenn Uo die erzeugte Spitzenspannung und Ua die Spannung am Punkt 35 gegenüber dem Bezugspotential ist:

L^;i, R\(t + /?2h Rm> ~t~ Ri^-1 *v<> -^ R₂H R^u + R₂^
.Ϊ5 Λ_ν, «.«> ^Λ.1ΙΡ Λ.νι

für Phasenlagen 0 . 90 , 180 . 270 des Rotors.

t/o' Ry) +-R₂U Λνι + R₂'

! ■) · 2 2

L 35 Ry) Ry t

für Phasenlagen 45°, 135°, 225°. 31 5°,
da im ersten Fall ein Gleichrichter in Durchlaßrichtung arbeitet und im zweiten Fall je zwei Gleichrichter in bn Durchlaßrichtung arbeiten.

Durch Gleichsetzen der Größen L/35 ergibt sich ein Verhältnis der Widerstandswerte /?3_O//?2b, /?27. ■. von 1 : i/2 oder \ y'2.

b5 Bei der obigen Betrachung wurde die Durchlaßspannung der Gleichrichter vernachlässigt. Falls die erzeugte Spannung sehr niedrig ist, kann eine Kompensation der Durchlaßspannung durch Einfügen einer in Vorwärts-

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richtung über einen Widerstand 37 belasteten Diode 38 invertierten Istspannung durch Änderung des Wider

/wischen Bezugspoieniial und dem Vergleichseingang Standes 31 oder durch Abgriff einer Spannung am

des Operationsverstärkers 33 erreicht werden. Widerstand 31, der als Potentiometer ausgebildet sein

Die Regelung der Geschwindigkeit des Motors kann kann, wie es auch in der Figur dargestellt ist. Dieses

vorteilhaft auf zwei Arten erfolgen: entweder durch *> Verfahren hat den Vorteil, daß die Arbeitsbedingungen

Änderung der Sollspannung der Schaltung 32 oder eines nachgeordneten Verstärkers bzw. des Vcrglei-

durch Änderung der dem Vergleicher 34 zugeführttn chers 34 gleichartig bleiben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommotors, bei der über einen Mehrphasen-Einweggleichrichter in den Wicklungen des Motors in deren antriebsstromlosem Zustand gegenüber einem Bezugspotential induzierte Spannungen als Istwerte abgenommen werden und bei der eine Schaltung zur Addition der jeweiligen Augenblickswerte der gleichgerichteten induzierten Spannungen vorgesehen ist, in der mit den Dioden des Gleichrichters in Reihe geschaltete Einzelwiderstände über einen ihnen gemeinsamen Widerstand mit dem Istwerteingang einer Vergleichsvorrichtung verbunden sind, die mit einem Sollwert angesteuert wird und das Regelsignal abgibt, wobei die Kurvenfonm der am gemeinsamen Widerstand anliegenden gleichgerichteten Gesamtspannung durch das Verhältnis des Widerstandswertes des Gesamtwiderstandes zu den Widerstandswerten der Einzelwiderstände im Sinne optimaler Welligkeit bei Solldrehzahl einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des gemeinsamen Widerstandes (30) mit der Vergleichsvorrichtung (34) über einen weiteren Widerstand (31) gefünrt ist, der Gegenkopplungswiderstand eines Operationsverstärkers (33) ist, dessen nicht gegengekoppelter Eingang mit dem Bezugspotential verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis de: Widerstandswertes des gemeinsamen Widerstands (30) zu jedem Wert der mit den Dioden (22 bis 25) des Gleichrichters in Reihe geschalteten Widerstände (26 bis 29) \ ,/2 beträgt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht gegengekoppelte Eingang des Operationsverstärkers (33) über eine in Durchlaßrichtung beanspruchte Diode (38) mit dem Bezugspotential verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (38) über einen Widerstand (37) mit Durchlaßpotential verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Widerstand (31) als Potentiometer geschaltet ist, dessen Abgriff mit der Vergleichsvorrichtung (34) verbunden ist.