DE2558571C2

DE2558571C2 - Anordnung zum Steuern eines ein Schaltwerk antreibenden Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2558571C2
Application number: DE2558571A
Authority: DE
Inventors: Konrad Ing.(Grad.) Biskup; Manfred Ing.(grad.) 1000 Berlin Höringklee
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1975-12-24
Filing date: 1975-12-24
Publication date: 1983-09-29
Also published as: DE2558571A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Steuern eines Gleichstrommotors nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches. Gleichstrommotoren der im Gattungsbegriff genannten Art werden z. B. zum Antrieb eines Schaltwerkes verwendet.

Aus der AEG-Druckschrift V 1/490/0972: »GEAMA-TIC-M, System zum Steuern und Regeln von Schaltwerken in Nahverkehrsfahrzeugen« ist es bekannt, den Gleichstrommotor des Schaltwerkes mit Impulsen variabler Breite bei fester Frequenz zu beaufschlagen. Der Gleichstrommotor liegt dabei in der einen Diagonalen einer Halbleiterbrückenschaltung, an deren andere Diagonalpunkte die Betriebsspannung des so Gleichstrommotors angeschlossen ist.

Soll sich der Gleichstrommotor weder in der einen noch in der anderen Richtung drehen, erzeugt ein Steuerteil eine Impulsfolge mit einem Tastverhältnis :1. Diese Impulse dienen zur Steuerung der Halbleiter in der Brückenschaltung, und zwar derart, daß während der Dauer eines Impulses der Halbleiter im ersten Brückenzweig der einen Brückenhälfte und der Halbleiter im zweiten Brückenzweig der anderen Brückenhälfte leitend ist. Dadurch fließt durch den Anker des Gleichstrommotors der Strom in einer bestimmten Richtung. Während der Impulspausen werden die zuvor leitenden Halbleiter der Brückenschaltung gesperrt und die bisher gesperrten Halbleiter in den leitenden Zustand gesteuert. Der Stromfluß im Anker ist nun in entgegengesetzter Richtung wie vordem. Der Motor erhält somit eine Wechselspannung mit einem Tastverhältnis 1 :1. Da er als Gleichstrommotor der Frequenz nicht folgen kann, verharrt er im Stillstand. Bereits im Stillstand fließen durch den Anker relativ hohe Ströme, die eine große Verlustleistung bewirken.

Soll sich der Motor drehen, überwiegt die Aussteuerung z. B. der Halbleiter, die im ersten Brückenxweig der einen Brückenhälfte und im zweiten Brückenzweig der anderen Brückenhälfte liegen. Dabei tritt jedoch ein weiterer Nachteil auf, der darin besteht, daß na^h jedem Impuls der Motor über die leitenden Transistoren kurzgeschlossen wird. Damit verliert er seine EMK und wird abgebremst. Bei jedem neuen Impuls zieht der Motor zunächst wieder den Anlaufstrom, der zur Erhöhung der Verlustleistung beiträgt

Es ist aus der SU-PS 2 17 447 mit Abstract in Soviet Inventions Illustrated, Januar 1969, Seite 13, eine Impulsbreitensteuerung für einen Servomotor bekannt die zwei gesteuerte Multivibratoren, eine Differenziereinrichtung, Koinzidenzschaltung und einen Steuerblock für die Umschaltung enthält Je einer der Ausgänge der Multivibratoren ist über eine Differenziereinrichtung mit dem Eingang des anderen Multivibrators verbunden, die anderen Ausgänge mit je einer Koinzidenzschaltung. Die Ausgänge der Koinzidenzschaltung sind mit den entsprechenden Eingängen des Steuerblocks für die Umschaltung verbunden. Diese Steuerung enthält gemäß F i g. 2 eine Halbleiter-Brükkenschaltung, in deren einer Diagonale eine Gleichspannungsquelle und in deren anderer Diagonale der Motor liegt, wobei Ausgangssignale zweier Spannungsteiler je eine Brückenhälfte steuern, wobei in jeder Brückenhälfte die Kollektor-Emitter-Strecken zweier Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps über eine Diode verbunden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Steuerung des Gleichstrommotors eines Schaltwerks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, durch die Leistungsverluste im Gleichstrommotor vermieden werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Vorteil der Anordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß Leistungsverluste durch den Gleichstrommotor sowohl im Stillstand als auch bei Drehung nicht entstehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.

F i g. 1 zeigt ein Schaltbild des Ausführungsbeispieles nach der Erfindung;

F i g. 2 zeigt die Impulsfolgen, die den Eingangsklemmen der Anordnung zugeführt werden, die Spannungspegel an verschiedenen Meßpunkten und die Spannung an den Anschlußklemmen des Gleichstrommotors, wenn kein Drehzahlbefehl vorliegt;

F i g. 3 zeigt die Impulsfolgen, die den Eingangsklemmen der Anordnung zugeführt werden, die Spannungspegel an verschiedenen Meßpunkten und die Spannung an den Anschlußklemmen des Gleichstrommotors, wenn ein positiver Drehzahlbefehi vorliegt;

Fig.4 zeigt die Impulsfolgen, die den Eingängsklemmen der Anordnung zugeführt werden, die Spannungspegel an verschiedenen Meßpunkten und die Spannung an den Anschlußklemmen des Gleichstrommotors, wenn ein negativer Drehzahlbefehl vorliegt.

In der F i g. 1 ist mit 1 ein Verstärker bezeichnet, der durch eine Parallelschaltung, bestehend aus einem Widerstand 12 und einer Zenerdiode 11 rückeekoDDelt

ist Der Ausgang cdes Verstärkers 1 führt über je einen Widerstand 2, 3 zu den Meßpunkten d und e. Den Klemmen a und b werden je eine Impulsfolge zugeführt deren Tastverhältnis proportional einem vorgegebenen Sollwert U_e einstellbar ist Der Sollwert bezieht sich auf die Bewegungsrichtung des Gleichstrommotors des Schaltwerkes, der in der F i g. 1 mit 16 bezeichnet ist

Die Erzeugung der an den Klemmen a und b anliegenden Impulsfolgen ist in Abhängigkeit eines vorgegebenen Sollwertes £/_e(Drehzahlbefehl) in Patentanmeldung P 25 49 827.5 angegeben und ist nicht Gegenstand dieser Erfindung.

Die Impulsfolge an der Klemme a wird über einen Widerstand dem Eingang des Verstärkers 1 und über einen Widerstand 4 dem Meßpunkt c/zugeführt '

Die Impulsfolge an der Klemme b wird über einen Widerstand zusammen mit der Impulsfolge a dem Eingang des Verstärkers 1 und über einen Widerstand 5 dem Meßpunkt e zugeführt Die Widerstandswerte der Widerstände 2 und 3 betragen die Hälfte der Widerstandswerte der Widerstände 4 und 5.

Der Meßpunkt d ist mit einem digitalen Verstärker 6, dem ein Verzögerungsglied 7 nachgeschaltet ist, und mit einem negierenden digitalen Verstärker 8, dem ein Verzögerungsglied 9 nachgeschaltet ist, verbunden.

Der Meßpunkt eist mit einem digitalen Verstärker 10, dem ein Verzögerungsglied 11, und mit einem negierenden digitalen Verstärker 12, dem ein Verzögerungsglied 13 nachgeschaltet ist, verbunden. Die Ausgänge der Verzögerungsglieder 9 und 13 führen zu je einer Konstantstromquelle 14 und 15.

Zwischen Anschlußklemmen / und g, denen die Betriebsspannung des Gleichstrommotors 16 zugeführt wird, wobei an Klemme g das Bezugspotential Minus liegt, liegen zwei parallel geschaltete Reihenschaltun- ^3:> gen, die die Hälften einer Halbleiterbrücke bilden. Die Reihenschaltungen bestehen aus der Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors 17, einer Diode 18 und aus der Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors 19 bzw. aus der Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors 20, einer Diode 21 und aus der Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors 22. Zwischen den Kathoden der Dioden 18 und 21 bzw. zwischen den Kollektoren der Transistoren 19 und 22 ist der Gleichstrommotor 16 geschaltet Er hat die Anschlußklemmen h, j. Die Transistoren 19 und 22 bilden die untere Halbleiterbrückenhälfte und deren Basen werden durch das Signal des Verzögerungsgliedes 7 bzw. durch das Signal des Verzögerungsgliedes 11 gesteuert. Der Ausgang der Konstantsten quelle 14 führt zur Basis des Tr?nsistors 17, der Ausgang der Konstantstromquelle 15 führt zur Basis des Transistors 20, die in der oberen Brückenhälfte liegen.

Die Konstantstromquelle 14 enthält zwei Transistoren 23,24, eine Zenerdiode 25 und einen Widerstand 26. Die Konstantstromquelle 15 ist in gleicher Weise aufgebaut.

Der Ausgang des Verzögerungsgliedes 9 (13) ist mit der Basis des Transistors 23 verbunden, dessen Emitter auf Bezugspotential liegt und dessen Kollektor mit dem Kollektor des Transistors 24 und der Basis des Transistors 17 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 24 ist zusammen mit der Kathode der Zenerdiode 25 an die Anschlußklemme /angeschlossen. Die Anode der Zenerdiode 25 führt zur Basis des Transistors 24 und über den Widerstand 26 auf Bezugspotential.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende.

Soll sich der Motor n<cht drehen, so werden durch Vorgabe des Sollwertes U_e = 0 zwei Impulsfolgen mit einem Tastverhältnis 1 :1 erzeugt, wie sie in F i g. 2a und 2b dargestellt sind. Die Impulsfolge U_a wird der Klemme a, die Impulsfolge Ub wird der Klemme b in F i g. 1 zugeführt. Die Impulsfolgen werden summiert und dem Eingang des Verstärkers 1 zugeführt

Sind die Potentiale der Impulsfolgen beide gleichzeitig positiv, so ist die Ausgangsspannung des Verstärkers

I negativ und wird durch die Zenerdiode 11 auf die Höhe des Spannungspegeis an den Klemmen a bzw. b begrenzt. Die Widerstände 2 und 4 bzw. 3 und 5 bilden je einen Spannungsteiler, denen die Potentiale an den Klemmen a bzw. b und das Potential am Ausgang c des Verstärkers zugeführt werden. Die Meßpunkte d und e sind die Ausgänge der Spannungsteiler und führen — wie in F i g. 2c und 2d dargestellt — negatives Potential. Dieses bewirkt daß über den digitalen Verstärker 6 und das Verzögerungsglied 7 der Transistor 19 bzw. über den digitalen Verstärker 10 und das Verzögerungsglied

II der Transistor 22 in den nichtleitenden Zustand gesteuert werden.

Das negative Potential an den MeCp-tnkten d und e wird durch die negierenden digitalen Verstärker 8 und 12 in positive Werte umgekehrt und beaufschlagt über die Verzögerungsglieder 9 bzw. 13 die Konstantstromquellen 14 bzw. 15. Diese steuern die Transistoren 17 und 20 in den leitenden Zustand, so daß das Potential von der Klemme / über die Dioden 18 und 21 den Anschlußpunkten Λ und j des Motors zugeführt wird. Die Potentiale an den Anschlußpunkten h, j sind in Fig.2e und 2f dargestellt, sie entsprechen dem am A.nschlußpunkt / und sind gleich groß. Die Spannung zwischen den Anschlußpunkten des Motors h und j ist Null (F i g. 2g). Der Motor dreht sich also während der positiven Periode der Impulsfolgen nicht.

Während der negativen Periode der Impulsfolgen liegt an den Klemmen a und b in F i g. 1 gleichzeitig negatives Potential. Dieses wird wieder summiert und dem Verstärker 1 zugeführt, an dessen Ausgang c Nullpotential entsteht, bedingt durch die Funktion der Zenerdiode 11 am Verstärker 1. An dem Spannungsteiler i.iit den Widerständen 4 und 2 bzw. 3 und 5 liegt also negatives Potential (Klemme a bzw. ty und Nullpoiential (Ausgang c des Verstärkers 1), so daß die Meßpunkte d und e wie vordem negatives Potential führen. Die Wirkungsweise der Anordnung ist nun dieselbe wie bereits beschrieben.

Soll sich der Gleichstrommotor 16 nicht drehen, so bewirken die der Anordnung nach der Erfindung den Klemmen a und b zugeführten gleichen Impulsfolgen mit einem Tastverhältnis 1:1, daß während der positiven als auch während der negativen Perioden d«r Impulsfolgen die Transistoren 19 und 22 der unteren BrücLsfihälfte ständig gesperrt und die Transistoren 17 und 20 der oberen Brückenhälfte ständig leitend sind. Damit liegt an den Anschlüssen Λ it.nd j des Gleichstrommotors 16 das gleiche Potential wie an der Klemme/!

Soll sich der Gleichstrommotor 16 drehen, so werden — wie in der Patentanmeldung P 25 49 827.5 beschrieben = durch Vorgabe eines Sollwertes Ue Φ 0 zwei Impulsfolgen erzeugt, deren Tastverhältnis nicht mehr 1 :1 ist. Ein positiver Sollwert bewirkt das Drehen des Gleichstrommotors 16 in der einen Richtung, ein negativer in der anderen Richtung. Für positive Sollwerte sind in Fig.3a und 3b die Impulsfolgen dargestellt, die den Klemmen a und b zugeführt werden. Der Bereich, in dem beide Impulsfolgen gleichzeitig

positive Werte haben, ist bereits vordem beschrieben. Wechselt die Impulsfolge an Klemme b (F ig. 3b) auf negative Werte, ist das Potential am Ausgang c des Verstärkers 1 Null, damit nimmt das Potential am Meßpunkt d einen positiven Wert an (Fig. 3c), am Meßpunkt e bleibt es weiterhin negativ (Fig. 3d), so daß Transistor 20 leitend und Transistor 22 gesperrt bleibt. Der positive Impuls am Meßpunkt d bewirkt, daß zunächst über den negierenden digitalen Verstärker 8 und das Verzögerungsglied 9 die Konstantstromquelle 14 nicht mehr angesteuert wird und den Transistor 17 sperrt. Der positive Impuls am Meßpunkt d bewirkt iuich, daß über den digitalen Verstärker 6 und das Verzögerungsglied 7 der Transistor 19 in den leitenden Zustand gesteuert wird, wodurch das Potential an der Anschlußklemme h des Motors auf das Bezugspotential an der Klemme ^(F i g. 3e) geht. Damit fließt ein Strom von der Klemme /"über den Transistor 20, Diode 21, Gleichstrommotor 16, Transistor 19 zur KJ.ernrne ^σ. d**r den Gleichstrommotor 16 in der einen Richtung drehen läßt. Wird das Potential an der Klemme a und an der Klemme b ebenfalls negativ (vergl. F i g. 3a und 3b). dann wird der Transistor 19 wieder nichtleitend, der Transistor 20 leitend und die Klemme h hat wieder das gleiche Potential wie Klemme f. Der Motor wird nicht mehr durch einen Strom angetrieben, dreht aber weiter, weil die EMK nicht kurzgeschlossen wird und somit der Motor nicht abgebremst werden kann.

Die EMK des Gleichstrommotors kann nicht kurzgeschlossen werden, weil die Transistoren 19 und 22 nicht leitend sind.

An der Klemme h liegt über dem leitenden Transistor 17 das gleiche Potential wie an Klemme f. An der Klemme^'liegt die Summe der Potentiale von Klemme h und der EMK des Motors. Daraus ergibt sich für die Diode 21. daß an deren Kathode ein höheres positives Potential als an der Anode liegt, d.h. die Diode 2t ist gesperrt. Somit kann die EMK des Gleichstrommotors bei leitenden Transistoren 17 und 20 und gesperrter Diode 21 nicht kurzgeschlossen werden.

Der nächste Impuls am Meßpunkt d(F i g. 3c) bewirkt, daß Transistor 19 leitend wird (und Transistor 17 sperrt) und wieder ein Strom von Klemme /"über Transistor 20, Diode 21, Gleichstrommotor 16, Transistor 19 zu Klemme g fließt. Dabei braucht jedoch nicht der Anlaufstrom des Gleichstrommotors 16 zu fließen, da durch den verhinderten Kurzschluß des Motors während der Impulspausen (siehe Fig. 3e) dieser noch die EMK, die während des vorhergehenden Impulses erzeugt wurde, aufweist. Der Gleichstrommotor braucht also nur den Strom aufzunehmen, der zur Erzeugung seines Drehmomentes erforderlich ist Durch diese Maßnahme wird die Verlustleistung wesentlich gesenkt

Um zu verhindern, daß die Betriebsspannung an den Klemmen /'und g für den Gleichstrommotor 16 während des Umschaltens der Transistoren 17 und 19 kurzgeschlossen wird, sind die Verzögerungsglieder 7 und 9 vorgesehen. Analog dazu sind die Verzöge-ungsglieder 11 und 13 vorhanden. Wie bereits beschrieben, wird Transistor 19 leitend und Transistor 17 gesperrt, wenn am Meßpunkt d der Pegel von einem negativen auf einen positiven Wert wechselt. Bei diesem Wechsel wird das Verzögerungsglied 9 nicht wirksam, der Transistor 17 wird ohne Verzögerung nichtleitend. Auf den positiven Potentialsprung am Meßpunkt dspricht aber das Verzögerungsglied 7 an. wodurch der Transistor 19 erst dann leitend wird, wenn bereits Transistor 17 nichtleitend ist. Am Ende des Impulses am Meßpunkt d, wenn der Pegel von positiven Werten auf negative 1Ί wechselt, wird Transistor 17 wieder leitend und Transistor 19 gesperrt. Bei diesem Wechsel wird das Verzögerungsglied 7 nicht wirksam, der Transistor 19 wird ohne Verzögerung nichtleitend. Auf den negativen Ροΐ⁽-Πί!?.!?^ηΓυπ^σ am Meßⁿunkt d sⁿricht aber das Verzögerungsglied 9 an. wodurch der Transistor 17 erst dann leitend wird, wenn bereits Transistor 19 nichtleitend ist.

In analoger Weise arbeiten die Verzögerungsglieder

11 und 13, wenn am Meßpunkt e Impulse anstehen, wodurch erreicht wird, daß stets zunächst der leitende Transistor in den nichtleitenden Zustand geschaltet wird, bevor der nichtleitende Transistor leitend wird.

Bei ^vorgabe eines negativen Sollwertes werden

Impulsfolgen erzeugt, wie sie in Fig.4a und b

jo dargestellt sind, und den Klemmen a und b zugeführt.

Unabhängig von Potentialen an den Klemmen a und b hat nun der Meßpunkt d ständig negatives Potential (vergl. F i g. 4c), während das Potential am Meßpunkt e impulsförmig wechselt. Es ist negativ, solange an den

J5 Klemmen a. b gleiches Potential liegt, und es wird positiv, wenn an Klemme a, b unterschiedliches Potential liegt.

Die Impulse am Meßpunkt e steuern über die Glieder 10, 11 bzw. 12, 13, 15 die Transistoren 22 und 20 in •to analoger Weise, wie bereits beschrieben, die Impulse am Meßpunkt d die Transistoren 17 und 19 steuern. Der Stromfluß durch den Gleichstrommotor 16 erfolgt dadurch in der anderen Richtung von Klemme /über Transistor 17, Diode 18, Gleichstrommotor 16, Transits stör 22, Klemme g. Im stromlosen Zustand des Gleichstrommotors 16 kann dessen EMK nicht abgebaut werden, weil an Klemme Λ die Summe der Potentiale von Klemme ./und der EMK des Motors liegt. Damit ist die Diode 18 nichtleitend.

Die Transistoren 17 und 20 werden je durch eine Konstantstromquelie 14 und 15 angesteuert. Damit .vird in vorteilhafter Weise erreicht, daß bei gleicher Verlustleistung die Anordnung nach der Erfindung in einem sehr großen Betriebsspannungsbereich arbeiten kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Anordnung zum Steuern eines ein Schaltwerk antreibenden Gleichstrommotors mit Impulsen variabler Breite und mit einer Transistorbrückenschaltung, in deren einer Diagonale eine Gleichspannungsquelle und in deren anderer Diagonale der Gleichstrommotor liegt, wobei Ausgangssignale (Uj, U_e) zweier Spannungsteiler (2, 4 und 3, 5) je eine Brückenhälfte (17,19 und 20,22) der Halbleiterbrükkenschaltung steuern und wobei in jede Brückenhälfte die Kollektor-Emitterstrecken zweier Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps (17,19 und 20,22) über eine Diode (18, 21), die für die EMK des Gleichstrommotors in Sperrichtung bzgL des Ein- j₅ speisepunktes (f) der Motor-Betriebsspannung gepolt ist in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spannungsteiler (2,4 und 3,5) zwischen je eine Eingangsklemme (a, b) und dem Ausgang (c) eines mit der Summe der ersten upa zweiten Impulsfolge beaufschlagten Verstärkers (I) geschaltet ist, und daß der ersten Eingangsklemme (a) eine erste Impulsfolge, deren einzelne Impulse aus einem positiven Impuls mit der Breite B_p als Steuergröße für die eine Motordrehrichtung, und einem nachfolgenden negativen Impuls mit der Breite B_n als Steuergröße für die andere Motordrehrichtung bestehen (Fig.2a, 3a, 4a) und der zweiten Eingangsklemme (b) eine zweite Impulsfolge, deren einzelne Impulse aus einem positiven Impuls mit der Breite B_n und einem nachfolgenden negativen Impuls mit der Breite B_p bestehen (F i g. 2b, 3b, 4b), zugeführt wird.