DE2639055B2 - Schaltungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor - Google Patents

Description

ausgerösteter Motor durch einen erhöhten Wirkungsgrad und verminderte Drehmomentschwankungen aus.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert Im einzelnen zeigen

Fig. IA bis IC Signaldiagramme einiger der bei der Erfindung benutzten Eingangs-und Ausgangssignale,

Fig.2A und 2E Schaltungsskizzen eines Ausführungsbeispiels der Schaltungsanordnung,

Fig.3A und 3B Schaltungsskizzen eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

F i g. 4 eine schematische Darstellung der Rotor- und Statorpole und von Halleffekt-Elementen als Detektoren für einen kollektorlosen Gleichstrommotor, bei dem die in Fi g. 2 gezeigte Schaltungsanordnung verwendet wird,

Fig.5 eine schematische Schaltung der Halleffekt-Elemente und der ihnen zugeordneten Differenzverstärker.

Die allgemeinen Prinzipien einer Schaltungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach der Erfindung werden in Verbindung mit denen in F i g. 1A bis 1C gezeigten Signalformen beschrieben.

Fig. IA zeigt drei gleich phasenverschobene, rechteckige Signalformen a, b und c, die aus den Ausgangssignalen von mit Abstand angeordneten Detektoren für die Drehstellung des Rotors gewonnen werden und drei entgegengesetzte Phasen aufweisende oder reziproke rechteckige Signalformen ä, b und c Die letzteren können mit Hilfe von Differenzverstärkern, Umkehrstufen od. dgl. gleichzeitig mit der Erzeugung der Signalformen a, b und c erzeugt werden. Die Signale a, b. c und ~ä, b,~c sollen als erste Signale bezeichnet werden.

Die Addition der Signalformen a und c ergibt eine in F i g. 1B gezeigte zweite Signalform ac, deren Amplitudenpegel '/2 im Bereich von 0 bis 60°, 1 im Bereich von 60 bis 180°, 1/2 im Bereich von 180° bis 240° und 0 im Bereich von 240 bis 360° ist Wird daher die zweite Signalform ac an den Eingang einer Schwellwertschaltung gegeben, deren Durchlaß- oder Schwellwertpegel zwischen '/2 und 1 eingestellt wird, so wird das Ausgangssignal der Schwellwertschaltung angehoben oder hat einen StromfluBwinkel von '20°. Dieses Signal soll als drittes Signal bezeichnet werden. In gleicher Weise können phasenverschobene Ausgangssignale, die einen gleichen Stromflußwinkel von 120° haben, aus den Signalformen bWund cf erhalten werden.

Wird die erste Signalform a zu der Signalform b addiert, so ergibt sich die in Fig. IC gezeigte zweite Signalform »ab«. Wird diese Signalform »aix< an eine Schwellwertschaltung gegeben, die der zuvor beschriebenen gleich ist, jo kann daraus ein drittes Signal erhalten werden, das einen StromfluBwinkel oder eine Impulsdauer von 60° hat. In gleicher Weise können dritte Signale erhalten werden, die gegeneinander phasenverschoben sind, jedoch gleiche Stromflußwinkel von 60° haben, wenn die ersten Signalformen b und c a und c, ä und ei a und Έ, sowie cund F addiert und an die Schwellwertschaltung gegeben werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß, wenn die sechs Ausgangssignale (positive Signale) der Detektoren für die Drehstellung des Rotors (die drei sich in ihrer Phasenlage überlappenden Signalformen a, b und c in Fig. IA und d»"ren reziproke Signale a~, & und c (negative Signale) in verschiedenen Kombinationen addiert und dann an eine Schwellwertschaltung mit einem geeigneten Schwellwertpegel gegeben werden, Ströme für die Statorwicklungen mit den gewünschten Stromflußwinkeln oder Impulsdauern und einer eine geeignete zeitliche Folge aufweisenden, sich nicht überlappenden Phasenlage erzeugt werden können. Als Folge davon kann der Motorwirkungsgrad verbessert und die Drehmomentschwankungen stark vermindert

ίο werden.

Obwohl sich die vorstehende Beschreibung auf die Erzeugung von 3-Phasen-Signalen mit aufeinanderfolgenden Stromflußwinkeln von 60° bezieht können 6-Phasen-Signale mit Stromflußwinkeln von 120° ebenfalls mit Hilfe eines Verfahrens gewonnen werden, das dem zuvor beschriebenen gleicht Außerdem können 12-Phasen-SignaIe mit Stromflußwinkeln von 30° erhalten werden, wenn zusätzliche Detektoren für die Drehstellung des Rotors benutzt werden, oder deren gegenseitige Abstände geändert werden. Das heißt Ausgangssignale mit Stromflußwinkeln, die mit der Phasendifferenz der Ausgangssign&*c der Detektoren für die Drehstellung des Rotors zusammenfallen, können immer mit Hilfe einer geeigneten Signalverar-

2^r, beitung erhalten werden.

F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßcii Schaltungsanordnung für die Statorwicklungen eines kollektorlosen Gleichstrommotors, die das zuvor entwickelte Konzept der Signalverarbeitung

JO benutzt Eine Additionsschaltung oder ein Summierer zum Erzeugen der 6-Phasen-Ausgangssignale mit Stromflußwinkeln von 120° ist in Fig.2A gezeigt Bei diesem Summierer werden Signale, die die Drehstellungserfassungs-Signalformen in der in F i g. 1A gezeig-

r> ten Weise haben, jeweils an Anschlüsse A, B,C7i,Bund C gegeben. Paare von gleiche Werte aufweisenden Widerständen Ri, Rl; R2, R2; R3, A3; A4, RA; R5, R 5 und_R6, Λ 6 sind jn jleihe zwischen Anschlüssen A und C, Cund B, Bund A, A und C, Cund Zfsowie Bund A_

■to geschaltet. Ausgangsanschlüsse X, Z Y, X, Z und Y werden von den Verbindungspunkten oder Mittenpunkten dieser Widerstandspaare jeweils herausgeführt Bei dieser Anordnung erscheinen die in F i g. 1B gezeigten Signalformen an den Ausgangsanschlüssen X, Y und Z, während Signalformen entgegengesetzter Phasenlage an den Ausgangsanschlüssen Jt, V und Z erscheinen. Bei Schaltungsanordnungen bei denen nur Signalformen X, Kund Zbenötigt werden, können die Widerstandspaare R 2, R 4 und R 6 fortgelassen werden.

w Fig.2B zeigt eine Schwellwertschaltung, an die die an den Anschlüssen X, Y und Z der F i g. 2A erscheinenden Ausgangssignale als Eingangssignale gegeben werden, um dadurch sich nicht überlappende Ströme für die Statorwicklungen eines kollektorlosen

ά Gieicfisirommotors mit StromfluBwinkeln von 120° zu erzeugen. In dieser Schaltung wirken Transistoren Q1, Q 2 und Q 3 als Schwellwertschalter, und die an den Anschlüssen X, Y und Z in F i g. 2A abgenommenen Signale werden an die Basen dieser Transistoren

M) gegeben. Während der Zeitintervalle, während der die Transistoren Q1, Q 2 und Q 3 leitend sind, werden über Treibertransistoren Q 4, Q 5 und Q 6 jeweils aufeinanderfolgende Ströme mit Stromflußwinkeln oder Impulsbreiten von 120° an die Statorwicklungen Wl, W2 und

h^r> VV3 des Motors gegeben. Eine Steuerspannung CVwird an den gemeinsamen Anschluß der Wicklungen Wl, W 2 und W3 gegeben, um die Geschwindigkeit des Motors zu regeln.

Mit dem Additions-Widerstandsnetzwerk und der Schwellwertschaltung in der in F i g. 2 gezeigten Anordnung werden die Transistoren in ihren leitenden Zustand nur während den Zeitintervallen geschaltet, während denen ihre Eingangssignale Amplitudenpegel haben, die größer als '/2 sind, obwohl die an die Transistoren Q\,Q2 und Q3 gegebenen Spannungen drei Pegel von I₁V; und 0 haben, wie dieses in F i g. IB gezeigt ist, so daß dadurch die in den Statorwicklungen Wi, W2 und W3 fließenden Ströme sich nicht überlappende Stromflußwinkel von 120° haben.

Bei der in Fig.3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind sechs aufeinanderfolgende, sich nicht überlappende Ausgangssignale mit Stromflußwinkeln von 60° vorgesehen. F i g. 3A zeigt als Additions-Widerstandsnetzwerk ein Paar von Dreiecks-Additionsschaltungen, die ähnlich wie in F i g. 2A so ausgelegt sind, daß beim Zuführen von Signalen mit den in Fig. IA gezeigten Signalformen an Elngangsanschiüsse A, Ü, (J, Ϊ 5 C Schaltungssignale mit aufeinanderfolgenden, sich nicht überlappenden 60°-Signalformen, wie sie in Fig. IC gezeigt sind, an Ausgangsanschlüssen X, Y, Z₁ X, TTZerhalten werden. Eine Schwellwertschaltung für diese Ausführungsform ist in Fig.3B gezeigt, die ähnlich wie die Schwellwertschaltung der Fig.2B Ströme für die Statorwicklungen Wl bis W 6 zuführt, die Stromflußwinkel von 60° und keine Phasenüberlappung zeigen.

F i g. 4 zeigt die allgemeine Anordnung eines kollektorlosen Gleichstrommotors, der mit der in F i g. 2 gezeigten Schaltungen gespeist werden kann. Wie zu erkennen ist, hat der Stator dieser Ausführungsform neun Pole, wobei jede der Wicklungen Wl bis W3 in F i g. 2B tatsächlich drei getrennte Wicklungen hat, die ■ in Reihe geschaltet sind. Der Permanentmagnet-Rotor hat sechs Pole, umgibt den Stator und hat die Form eines Hohlzylinders. Die drei Halleffekt-Elemente Ha, Weund Hc als Fühler sind mit Abstand zueinander um den Umfang des Stators herum in unmittelbarer Nachbar-

ii> schaft des Rotors angeordnet um damit ihre Ausgangssignale so groß wie möglich zu machen. Die Gleichmäßigkeit des Betriebs des Motors kann leicht aus Fig.4 erkannt werden, wo zu erkennen ist, daß gleichartige Statorpole, die die gleichen Wicklungen

Γι haben und damit zur gleichen Zeit erregt werden, etwas unterschiedliche Positionen in bezug auf die benachbarten Rotorpole einnehmen. F i g. 4 zeigt dabei lediglich eine beispielsweise Ausführungsform um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, so daü vieie andere

->o Rotor- und Stator-Konstruktionen möglich sind, ohne daß das Konzept der Erfindung dadurch verlassen wird. Fig.5 zeigt eine schematische Schaltung der Halleffekt-Elemente Ha, Hb und Hcund ihrer zugeordneten Differenzverstärker. Die Ausgangssignale a. a, b,

r> b, c, c werden an die entsprechend bezeichneten Anschlüssen in den Additions-Widerstandsnetzwerken der F i g. 2A oder 3A gegeben. Die Emitteranschlüsse sind ütv;r Konstantspannungselemente geerdet, wie z. B. über Zenerdioden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprache;

   U Schaltungsanordnung for einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem mehrpoligen Rotor und einem mehrpoligen Stator, auf dem mehrere Statorwicklungen angeordnet sind, und mit mehreren am Umfang des Stators gleichmäßig verteilt angeordneten, die Rotordrehstellung erfassende Detektoren, die sich überlappende, phasenverscho- to bene erste Signale abgeben, bestehend aus einem Additions-Widerstandsnetzwerk mit in Ring geschalteten paarweise einander zugeordneten Widerständen, die jeweils zwei äußere, mit zwei verschiedenen Detektoren verbundene Anschlußpunkte und einen mittleren Verbindungspunkt aufweisen, an dem gegenüber den ersten Signalen zeitlich versetzte zweite Signale mit nicht konstanter Amplitude abgreifbar sind, einer Schwellwertschaltung, die an die Verbindungspunkte angeschlossen ist und die derart ausgelegt ist, daß bei Obersteigen vorgegebener Amplitudenwerte durch die zweiten Signale dritte Signale mit gegenüber den zweiten Signalen kleinerer Signaldauer entstehen, und mit einer Leistungsschaltung, die an die Schwellwertschaltung angeschlossen ist und die in Abhängigkeit von den dritten Signalen die Statorwicklungen mit einer Gleichstromquelle verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Rotorpole von der der Stai.orpole abweicht, daß als Detektoren (Hallgeneratoren HA, Hb, HC) solche verwendet sind, die jeweils über 180° elektrisch positive und daran anschließend über 180" elektrisch gleiche negative erste Signt.ie erzeugen und daß das Additions-Widerstandsnetzwerk (vgl. Fig.2A, 3A) « derart ausgelegt ist, daß symmei Ische Stufensignale als zweite Signale entstehen, aus denen die eine große Amplitude aufweisenden mittleren Abschnitte durch die Schwellwertschaltung (vgl. F i g. 2B, 3B) zu den dritten Signalen ausgewertet sind.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung (F t g. 2B, 3B) eine Vielzahl von Transistorenpaaren (Qi, C?4; QZ Q5; Q3, Q6) aufweist, wobei jede,· Paar einen ersten Schwellwertschalter-Transistor (Qi-Q3) aufweist, dessen Basis an einen Verbindungspunkt angeschlossen ist und dessen Kollektor mit der Basis eines zweiten Treibertransistors (Q4—Q6) verbunden ist, dessen Kollektor mit einer Statorwicklung (W \—W6) verbunden ist. v>
3. 3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche t und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor ein Malleffekt-Element (H_A, H₃, Hc) aufweist, das zwei Ausgangsanschlüsse hat, die jeweils an die Eingangsanschlüsse eines Differenz- vi Verstärkers angeschlossen sind.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor sechs Pole und der Stator neun Pole besitzt, daß jede Statorwicklung (Wi bis W3) drei in Reihe m> geschaltete individuelle Wicklungen aufweist, daß drei Detektoren (Ha, W& Hc) vorgesehen sind und daß der obere Teil eines jeden Stufensignals einen Stromflußwinkel von 120 elektrischen Grad in bezug auf den Rotor hat. μ

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs U

   In der DE-AS 24 28 718 ist eine solche Schaltungsanordnung vorgeschlagen. Dort bestehen die Detektoren aus Steuerwicklungen, die bei jedem Wechseln des an der Wicklung vorbeilaufenden Rotorpols einen mehr oder weniger scharfen Steuerimpuls liefern. Die Impulsdauer hängt hierbei ab von der Drehgeschwindigkeit des Rotors.

   Es sind bereits bürstenlose Gleichstrommotoren bekannt (z. B. DE-OS 20 59 884 und DE-OS 20 63 351), bei denen die Detektoren rechteckige Signale liefern, die einen elektrischen Stromflußwinkel von 180° bezüglich der Rotorumdrehung aufweisen. Derartige Detektoren sind beispielsweise Hallgeneratoren. Bei den zuletzt genannten Motoren besteht jedoch der Nachteil, daß sich die an die Statorwicklungen gelangenden Treiberimpulse zeitlich überlappen, wodurch der Wirkungsgrad des Motors beeinträchtigt wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß Drehmomentschwankungen auftreten können, was insbesondere dann nachteilig ist, wenn von dem Motor eine extrem hohe Drehzahlkonstanz gefordert wird, wie es beispielsweise bei Plattenspielern der Fall ist

   Aus der DE-AS 12 44 283 ist ein kollektorloser Gleichstrommotor bekannt, bei dem für die Drehzahlregelung ein aus Dreifickimpulsen bestehendes Steuersignal erzeugt wird. Diese Dreieckimpulse sind relativ weit voneinander beabstandet Um eine in weiten Grenzen wirksame Regelung zu erzielen, werden die Dreieckimpulse einer Gleichspannung überlagert Bei dieser Lösung sind keine Maßnahmen vorgesehen, ein Oberlappen der Dreieckimpulse zu vermeiden.

   Weiterhin ist aus der GB-PS 13 63 117 ein kollektorloser Gleichstrommotor bekannt bei dem ein von Steuerwicklungen erzeugtes sinusförmiges Signal mit einer konstanten Spannungsamplitude verglichen wird, um dann, wenn das sinusförmige Signal den konstanten Spannungspegel überschreitet einen Steuerimpuls zu erzeugen. Das Problem der Überlappung von Treiberimpulsen stellt sich hier nicht weil nur eine Steuer- oder Detektorwicklung vorgesehen ist Nachteilig bei einer solchen Anordnung ist die ungenaue Steuerung der Drehzahl des Motors.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art anzugeben, die einen verbesserten Motorwirkungsgrad gewährleistet und Drehmomentsc/iwankungen vermindert.

   Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

   Im Gegensatz zu dem Vorschlag nach der DE-AS 24 28 718 werden bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung also rechteckige Steuersignale sowie hierzu reziproke Signale erzeugt, wobei sämtliche Signale zum Erzeugen der Stufensignale herangezogen werden können. Bei der Schaltung nach der DE-AS 24 28 718 gelangen die Signale an einen Differenzverstärker, an dessen zweiten Eingang eine Bezugsspannung gelegt ist. Hierdurch können nur Signale einer bestimmten Polarität berücksichtigt werden. Bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung kann durch verschiedene Signalkombinationen eine große Anzahl von Treiberimpulsen erzeugt werden, um verschiedenen Anforderungen gerecht zu werden. Gegenüber den übrigen oben erläuterten bekannten Gleichstrommotoren zeichnet sich ein mit der erfindungsgemäßen Treiberschaltung