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Anordnung an einem Gleichstrommotor
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(Zusatz zu P 22 52 727.1) Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur
Erfassung der Rotor -drehzahl und/oder Stellung an einem Gleichstrommotor mit einem
Rotor konstanter Feldorientierung und mit mindestens zwei jeweils an einem Wicklungsende
miteinander verbundenen, aus einer Gleichstromquelle über Halbleiterschalter speisbaren
Statorwicklungen, wobei zum Auskoppeln der vom Rotor in den jeweils stromlosen Wicklungen
induzierten Spannungen Transistoren vorgesehen sind, insbesondere nach Patentanmeldung
P 22 52 727.1.
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Aus der DAS 22 12 497 ist eine Anordnung bekanntgeworden, bei der
man zum Entnehmen (sogenannten Auskoppeln") der in den stromlosen Wicklungen eines
kollektorlosen Gleichstrommotors rotatorisch induzierten Spannungen Transistoren
verwendet. Dies hat gegegenüber dem aus der Hauptanmeldung bekannten Auskoppeln
mittels Dioden den Vorteil, daß solche Transistoren im leitfähigen Zustand nur eine
- im Vergleich zum Spannungsabfall an einer Diode -sehr kleine Kollektor-Emitter-Spannung
haben und daß man daher die rotatorisch induzierten Spannungen nahezu fehlerfrei
erfassen kann. Die Anordnung nach der genannten DAS hat aber einen gravierenden
Nachteil und zwar lässt sie sich nur bei Motoren verwenden, bei denen die Betriebsspannung
kleiner ist als die Basis - Emitter-Durchbruchsspannung dieser Transistoren. Dies
zeigt Fig.l, in der nur eine einzige Statorwicklung lo, der Rotor 11, ein von diesem
gesteuerter Schaltkontakt 12 im Stromkreis der Wicklung lo sowie ein npn-Transistor
13 dargestellt sind, welch letzterer dazu dient, die vom Permanentmagnetrotor 11
in der Wicklung lo rotatorisch induzierte Spannung einer Leitung 14 zuzuführen.
Hierzu ist der Emitter von 13 zwischen lo und 12 angeschlossen, seine Basis ist
über einen Widerstand 15 mit einer Masse-Leitung 16 verbunden, und sein Kollektor
ist an die Leitung 14 angeschlossen. -Wenn der Kontakt 12 geöffnet ist, ist im Betrieb
der Transistor
13 leitend und führt die in lo induzierte Spannung
der Leitung 14 zu. Ist der Kontakt 12 dagegen geschlossen, so ist 13 gesperrt, da
zwischen seinem Emitter und seiner Basis eine Sperrspannung UBE von nahezu 24 Volt
liegt, wenn der Motor wie dargestellt mit einer Betriebsspannung von 24 Volt arbeitet.
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Diese Spannung UBE muß kleiner sein als die Basis-Emitter-Durchbruchsspannung
dieses Transistors. Diese beträgt bei normalen Silicium-Transistoren etwa 5 Volt,
bei Spezial-Transistoren bis max. 25 Volt. Aus Sicherheitsgründen kann man deshalb
solche Schaltungen nur bis zu einer Betriebsspannung von ca. 12 .....
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15 Volt verwenden.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung der eingangs
genannten Art zu schaffen, welche den Vorteil der kleinen Kollektor-Emitter-Durchlaßspannung
hat, bei der man aber für die Auskopplung keine Spezial transistoren benötigt und
die für alle Spannungsbereiche verwendbar ist, für die heute Halbleiter-Anordnungen
verfügbar sind.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die im Anspruch
1 angegebenen Maßnahmen. Hierdurch wird erreicht, daß nicht die Basis-Emitter-Sperrspannung,
sondern die wesentlich größere Basis-Kollektor-Sperrspannung zur Verfügung steht,
um ein unerwünschtes Durchbrechen der Transistoren zu verhindern.
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Diese Spannung kann mehrere loo Volt betragen und reicht daher für
praktisch alle denkbaren Anwendungsfälle aus. Die Erfindung ist für die Amplitudenregelung
kollektorloser Gleichstrommotoren Drinziniell vorteilhaft. Weitere Einzelheiten
und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden
beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung
der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen.
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Es zeigt: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der Nachteile
des Standes der Technik, Fig. 2 ein erstes einsträngigesAusführungsbeispiel der
Erfindung,
Fig. 3 ein zweites zweisträngiges Ausführungsbeispiel
der Erfindung, Fig. 4 eine Darstellung der mit einer Anordnung nach Fig. 2 erhaltenen
ausgekoppelten Spannung, Fig. 5 eine Variante zu Fig. 2, mit Fig. 6 den Spannungsverlauf
gem. Fig. 5 in der Art wie Fig. 4 darstellend.
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Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Anordnung nach der Erfindung, welche
mit Ausnahme der Anordnung für die Auskopplung weitgehend mit derjenigen nach Fig.
6 der Hauptanmeldung, also der DOS 22 52 727, übereinstimmt, weshalb zur Vermeidung
von Längen und Wiederholungen ausdrücklich auf den gesamten Inhalt dieser DOS Bezug
genommen wird.
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Der kollektorlose Gleichstrommotor 2a nach Fig. 2 hat einen permanentmagnetischen
Rotor 21 und zwei gegeneinander um 180° el oder einen gleichwertigen größeren Winkelwert
versetzte Statorwicklungen 22, 23, welche jeweils mit einem Wicklungsende an eine
Plusleitung 24 und mit dem anderen Wicklungsende mit dem Kollektor eines npn-Leistungstransistors
25 bzw. 26, dem Kollektor eines pnp-Auskoppeltransistors 27 bzw. 28 (z.B. Typ BC
307) und - über einen Widerstand 29 bzw. 30 (z.B. je 2,4 kOhm) - mit der Basis des
gegenüberliegenden Auskoppeltransistors 28 bzw. 27 verbunden sind, wie das Fig.
2 klar und ausführlich zeiqt.
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Die Emitter von 27 und 28 sind mit-einer Sammelleitung 33 verbunden,
die z.B. zu einem Regler 34 führt, der entsprechend der Lehre der DOS 22 52 727
(DT-141) aufgebaut sein kann, auf deren gesamten Inhalt zur Vermeidung von Längen
Bezug genommen wird. An der Leitung 33 wird also dem Regler 34 ein Drehzahl-Istwert
zur Verfügung gestellt.
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Die Basen der Transistoren 25 und 26 sind mit den beiden Ausgängen
eines Hallgenerators 35 verbunden. Ihre Emitter sind miteinander und über einen
gemeinsamen Widerstand 36 mit einer Minusleitung 37 verbunden, an die auch über
einen Widerstand 38 der eine Stromanschluß des Hallgenerators 35 angeschlossen ist,
während sein anderer Stromanschluß mit dem Emitter eines npn-Regeltransistors 39
verbunden ist, dessen Kollektor über einen Widerstand 40 mit
der
Plusleitung 24 verbunden ist. Der Basis des Transistors 39 wird über eine Leitung
43 die Stellgröße vom Regler 34 zugeführt.
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Der Soll-Wert (entsprechend der gewünschten Drehzahl) wird dem Regler
34 an einem Eingang 44 zugeführt.
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Im Betrieb dreht sich der Rotor 21 und induziert dabei in den Wicklungen
22 und 23 Spannungen, die um 180° gegeneinander versetzt sind. (Diese Spannungen
haben an sich dieselbe Form, aber infolge des Stroms in den jeweils stromführenden
Wicklungen unterscheiden sich die Formen der Spannungen an den beiden Wicklungen;
für die Steuerung ist dies jedoch überraschenderweise ohne Einfluß).
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Die Transistoren 27 und 28 werden im Push-pull-Betrieb so gesteuert,
daß immer derjenige Transistor leitend ist, dessen Wicklung gerade keinen Motorstrom
führt (die Wicklungen 22 und 23 werden so vom Hallgenerator gesteuert, daß jeweils
immer nur in einer von ihnen ein Strom fließt, vergl. hierzu die DOS 22 52 727).
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Wenn z.B. der Transistor 25 leitend ist und deshalb in der Wicklung
22 ein Strom fließt, erhält die Basis des Transistors 28 über den Widerstand 29
ein Potential, das negativ ist gegenüber dem Potential an der Sammelleitung 33,
so daß der Transistor 28 voll leitend wird, sobald die Potentialdifferenz zwischen
seinem Emitter und seiner Basis größer als ca. o,6 Volt ist. Der untere Anschluß
der Statorwicklung 23 wird dann über die invers betriebene Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 28 direkt mit der Sammelleitung 33 verbunden, so daß die jetzt vom
Rotor 21 in der Wicklung 23 induzierte, etwa sinusförmige Halbwelle auf die Sammelleitung
33 geschaltet wird. Der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
28 beträgt dabei nur einige Dutzend Millivolt, ist also sehr klein. Fig.4 zeigt
dies daran, daß die Spannung U33 an der Sammelleitung 33 praktisch mit der - gestrichelt
eingezeichneten - induzierten Spannung u ind zusammenfällt. Lediglich bei kleinen
induzierten Spannungen sind beide Transistoren 27 und 28 gesperrt, da dann die Steuerspannung
noch nicht bzw. nicht mehr ausreicht, um diese Transistoren leitend zu machen. Hierdurch
ergeben sich die in Fig. 4 dargestellten fensterartigen Lücken 45, die aber den
Regelvorgang normalerweise nicht beeinträchtigen.
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Diese Lücken können unter bestimmten Umständen, jedoch,z.B. bei höherer
Belastung des Motors, zu einer Fehlererscheinung führen, weil der Motorstrom während
der Kommutierung von Wicklung 22 auf Wicklung 23 oder umgekehrt kurzzeitig in beiden
Wicklungen fließt, so daß in den Lücken 45 negative Spannungen entstehen, die eventuell
die Stabilität des Reglers beeinträchtigen können, da die in den Lücken 45 entstehenden
negativen Spannungen den Mittelwert der an der Sammelleitung 33 entstehenden Spannung
vermindern.
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(Wenn der Transistor 25 sperrt und der Transistor 26 leitend wird,
wird der Transistor 28 gesperrt und der Transistor 27 wird leitend und führt dann
die in der Wicklung 22 vom Rotor 21 induzierte Spannung der Sammelleitung 33 zu.
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Man erkennt aus Fig. 2 ohne weiteres, daß die Transistoren 27, 28
im gesperrten Zustand in üblicher Weise belastet werden und daherje nach der Durchbruchspannung
des verwendeten Typs - bis zu Betriebsspannungen von mehreren loo Volt verwendet
werden können.) Um die unerwünschten Eigenschaften der Lücken 45 auch in besonderen
Anwendungsfällen zu vermeiden, wendet man in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung
der Erfindung zweckmäßig die in Fig. 5 dargestellte Schaltung an, bei welcher der
Pluspol 55 der Versorgungsspannung über eine in Flußrichtung geschaltete Silizium-Diode
56 mit der Leitung 24 verbunden wird. Eine weitere in Flußrichtung geschaltete Diode
57 (zweckmäßig eine Germanium-Diode) verbindet über einen Entkopplungswiderstand
58 den Pluspol 55 mit der Sammelleitung 33.
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An dem Verbindungspunkt 59 entsteht dann der in Fig. 6 dargestellte
Potential-bzw. Spannungsverlauf gegenüber der Leitung 24. Die beschriebene Dioden-Kombination
bewirkt, daß das Potential des Verbindungspunktes 59 stets mindestens um ca. o,6
Volt positiver ist als das der Leitung 24, so daß die in Fig. 4 dargestellten Lücken
45, die an der Sammelleitung 33 auftreten, an dem Verbindungspunkt 59 ausgefüllt
sind, daher werden auch keine nachteiligen, negativen Spannungsimpulse während dieser
Lücken 45 auf den Verbindungspunkt 59 übertragen. Wird der Eingang des Reglers 34
also statt an die Sammelleitung 33 an den Verbindungspunkt 59 angeschlossen, so
arbeitet der Regler unter allen Umständen (diversen Belastungsfällen) stabil.
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Wenn die Erfindung bei mehrphasigen kollektorlosen Gleichstrom-Motoren
verwendet werden soll, geht man gem. Fig. 3 vor.
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Fig. 3 stellt in weiten Teilen eine Verdoppelung der Schaltung nach
Fig. 2 dar, wie das der Augenschein ohne weiteres ergibt, Die linke Hälfte von Fig.
3 erhält deshalb für gleiche bzw.
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gleich wirkende Teile dieselben Bezugszeichen wie Fig. 2 und die rechte
Hälfte dieselben Bezugszeichen mit nachgestelltem Apostroph, also z.B. 26' statt
26. Diese gleichen oder gleich wirkenden Teile werden nicht nochmals beschrieben.
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Die Emitter der vier Transitsoren 25j 26 25', 26' sind hier miteinander
und mit dem Kollektor eines npn -Transistors 50 verbunden, dessen Emitter mit der
Leitung 37 verbunden ist und dessen Basis über die Leitung 43 die Stellgröße vom
Regler 34 zugeführt erhält. Ebenso sind die unteren Stromausgänge der Hallgeneratoren
35 und 35' miteinander und über einen Widerstand mit der Minusleitung 37 verbunden.
Die beiden Sammelleitungen 33 und 33' sind nicht direkt miteinander verbunden, sondern
über zwei gleich große Entkopplungswiderstände 52 und 53, an deren Verbindungspunkt
54 eine wellige, der Drehzahl proportionale Gleichspannung zur Verfügung steht,
die beim Ausführungsbeispiel als Ist-Wert dem Drehzahl regler 34 zugeführt wird,
aber naturgemäß auch zur Drehstellungserkennung verwendet werden kann.
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Die Widerstände 52 und 53 werden verwendet, weil die Transistorpaare
27 - 28 und 27' - 28' jeweils im Push-pull-Betrieb arbeiten und weil verhindert
werden soll, daß die Ausgangsspannung von der einen Transistorgruppe die Arbeitsweise
der anderen Gruppe beeinflußt und umgekehrt. Da der Eingangswiderstand des Reglers
34 hoch ist, können die Widerstände 52 und 53 groß gewähit werden, z.B. je 8 kOhm.
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Wenn die Erfindung bei Motoren verwendet werden soll, deren Statorwicklungen
keine um 1800 gegeneinander versetzten Ausgangssignale liefern, also z.B. bei drehphasigen,
kollektorlosen Motoren, müssen zur Ansteuerung der Auskoppeltransistoren Phasenschieber
verwendet werden, welche die Phasenverschiebung auf 1800 erhöhen, oder es müssen
Spannungen, beispielsweise über Widerstandsnetzwerke,vektoriell addiert werden,
um die richtige Phasenlage zu
erhalten. Solche und ähnliche Modifikationen
liegen im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens der vorliegenden Erfindung.
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Ein wesentliches Charakteristikum der Erfindung ist also auch, daß
der sogenannte Auskopplungstransistor zum zugehörigen "Endstufen-Transistor" komplementär
ist, das heißt also z.B., daß in den Figuren 2, 3, 5 der jeweils mit 25 oder 26
bezifferte Transistor der Endstufe eine npn-Transitsor, hingegen der mit 27 oder
28 bezifferte "Auskopplungstransistor" vom pnp-Typ ist.
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L e e r s e i t e