DE2742932A1

DE2742932A1 - Im schrittbetrieb arbeitender gleichstrommotor mit permanentmagnetlaeufer und elektronischer kommutierungseinrichtung

Info

Publication number: DE2742932A1
Application number: DE19772742932
Authority: DE
Inventors: Georg Koegler; Karl Schalk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-09-23
Filing date: 1977-09-23
Publication date: 1979-03-29
Also published as: FR2409633A1; FR2409633B1; DE2742932B2; NL7808678A; US4242624A; DE2742932C3

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCPiAFT Jj Unser Zeichen

Berlin und München 77 P 3 2 3 3 BRD

Im Schrittbetrieb arbeitender Gleichstrommotor mit Permanentmagnetläufer und elektronischer Kommutierunflselnrlchtung

Die Erfindung bezieht sich auf einen im Schrittbetrieb arbeitenden Gleichstrommotor mit Permanentmagnetläufer und elektronischer Kommutierungseinrichtung, bei dem die einzelnen Wicklungsstränge nacheinander über eine Auswahlschaltung ansteuerbar sind und der in den Wicklungssträngen fließende Strom mit Hilfe eines Stromreglers auf einen konstanten Wert regelbar ist.

Soll ein solcher Motor in einer vorgegebenen Position angehalten werden, so wird die Kommutierungsreihenfolge unterbrochen unter Aufrechterhaltung des Jeweiligen Signals. Der Permanentmagnetläufer stellt sich dann in Richtung der bestromten Wicklungsachse ein. Der Läufer erreicht hierbei erst nach einem längeren Einschwingvorgang die vorgegebene Rastposition. Nach erfolgter Positionierung wird eine erhebliche Verlustleistung im Motor in Wärme umgesetzt, obwohl der Motorstrom durch den Stroraregler konstant gehalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gleichstrommotor der eingangs beschriebenen Art nicht nur das Einschwingverhalten des Permanentmagnetläufers in der vorgegebenen Rastposition zu verbessern, sondern auch den Wirkungsgrad des Motors zu verbessern. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

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gelöst, daß bei jedem Positioniervorgang über eine Zeitstufe ein zusätzliches Bremsmoment ausgelöst und/oder nach Ablauf der Zeitstufe der Sollwert des Stromreglers von einem Nennstrom-Sollwert auf einen Haltestrom-Sollwert herabgesetzt wird. Vorzugsweise wird eine nachtriggerbare Zeitstufe verwendet, die von den Kommutierungssignalen der Auswahlschaltung getriggert wird. Bei einer bevorzugten AusfUhrungsform ist ein Ausgangssignal der Zeitstufe mit einem Eingangssignal für "Laufen"und "Bremsen¹¹ derart verknüpft, daß bei dem Eingangssignal für "Bremsen"

D zur Erzielung des zusätzlichen Bremsmoments die in den Wicklungssträngen durch den Permanentmagnetläufer induzierte Spannung während der Laufzeit der Zeitstufe ausgekoppelt und kurzgeschlossen wird.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert.

Die mit W1 bis W4 bezeichneten Wicklungsstränge sind in einem Sternpunkt zusammengeschaltet und über die Kollektor-Emitterstrecke eines Leistungstransistors T3 mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden. Mit ihrem anderen Wicklungsende sind die Wicklungsstränge W1 bis W4 über Dioden D6 bis D9 und der Kollektor-Emitter-Strecke von Leistungstransistoren T5 bis T8 verbunden. Die Emitter dieser Leistungstransistoren T5 bis T8 sind zu einem Anschlußpunkt a zusammengefaßt und über einen Strommeßwiderstand R14 mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Die Basen X1 bis X4 der Leistungstransistoren T5 bis T8 sind mit einer Auswahlschaltung AW verbunden, über welche die Leistungstransistoren T5 bis T8 in zyklischer Reihen-

'0 folge ansteuerbar sind.

Der als Reglerendstufe dienende Transistor T3 ist mit seiner Basis einerseits über einen Widerstand R8 und Kondensator C3 mit seinem Kollektor und andererseits über einen Widerstand R7 mit •5 dem Pluspol der Gleichspannungsquelle verbunden. In Reihe mit dem Widerstand R7 ist ein Widerstand R6 geschaltet, der über die

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Kollektor-Emitter-Strecke eines Regel-Transisio rs T2 mit dem Anschlußpunkt a verbunden ist. Die Basis des Transistors T2 ist über Widerstände R15 und R16 mit einem Eingang b verbunden, über den eine dem Sollwert I ,, proportionale Größe eingebbar ist.

Die Basis des Transistors T2 ist über eine Diode D1 und über Widerstände R4 und R5 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Parallel zu dieser Kombination liegen ein Glättungskondensator C2 und eine Diode D10 parallel zu diesem. Die beiden Widerstände R4, R5 sowie die an dem Eingang b angelegte Spannung sind so gewählt, daß die Basis des Transistors T2 eine dem Nennstrom des Motors proportionale Größe aufweist. Die beiden Widerstände R4 und R5 bilden somit den Sollwert-Widerstand des Motorstroms. Der Verbindungspunkt c der beiden Widerstände R4 und R5 ist über die Kollektor-Emitterstrecke eines weiteren Transistors T1 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Ist der Transistor T1 leitend, so wird der Wirderstand R4 praktisch kurzgeschlossen, so daß als Sollwertwiderstand für den Stromregler nurmehr der Widerstand R5 zur Wirkung kommt. Durch die Verkleinerung des Sollwert-Widerstandes wird der Stromsoll-

!0 wert reduziert, so daß sich ein Motor-Haltestrom einstellt, wie weiter unten noch ausführlicher dargelegt werden wird. Durch das Widerstandsverhältnis R4 zu R5 kann das Verhältnis von Motor-Nennstrom zu Motor-Haltestrom eingestellt werden. Die Basis des Transistors T1 ist einerseits über einen Widerstand R3 mit Masse und anererseits über einen Widerstand R2 mit einem Ausgang S einer Zeitstufe V1 verbunden. Liegt am Ausgang C L-Signal, so liegt die Basis des Transistors T1 an Masse und der Transistor T1 ist somit gesperrt. Führt hingegen der Ausgang Q der Zeitstufe V1 Η-Signal, so wird das Potential der Basis des Transistors T1 entsprechend dem Widerstandsverhältnis R2 zu R3 erhöht; damit wird der Transistor T1 leitend und schließt den Sollwert-Teilwiderstand R4 kurz, so daß der Haltestrom-Sollwert für den Stromregler T2 zur Wirkung kommt. Die Laufzeit der Zeitstufe V1 wird durch einen Widerstand R1 und einen Kondensator C1 vorgegeben. Während der Eingang A der Zeitstufe V1 an Masse liegt, werden dem Takteingang B der Z_eitstufe V1 über eine NOR-Stufe V2

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die Kommutierungssignale der Auswahlschaltung AW zugeführt. Bei jedem Kommutierungssignal wird also die Zeitstufe V1 getriggert. Während der Drehbewegung des Motors wird die nachtriggerbare Zeitstufe V1 durch die Kommutierungssignale der Auswahlschaltung AW ständig getriggert, so daß der Transistor T1 gesperrt bleibt, da in diesem Falle der Ausgang (J der Zeitstufe V1 L-Signal führt. Damit sind beide Widerstände Rh und R5 wirksam. Das bedeutet, daß der Nennstrom-Sollwert für den Stromregler vorgegeben ist. Bei einer Positionierung bleibt das letzte Kommutierungssignal der Auswahlschaltung AW stehen, so daß sich der Läufer in Richtung der bestromten Wicklungsachse einstellen kann. Hierbei wird der Motorstrom durch den Stromregler T2 konstant gehalten. Nach erfolgter Positionierung wird durch diesen Motorstrom eine erhebliche Verlustleistung im Motor in Wärme umgesetzt. Nach der durch Widerstand R1 und Kondensator C1 vorgegebenen Ablaufzeit kippt die Zeitstufe V1 in ihre Ausgangsstellung zurück, in der der Ausgang ü Η-Signal erhält. Dadurch wird der Transistor leitend und damit der Widerstand R4 kurzgeschlossen. Durch den Motor fließt also ein entsprechend niedriger Strom. Damit kann die Verlustleistung im Motor wesentlich reduziert werden.

Der Läufer erreicht erst nach längerem Einschwingen die vorgegebene Rastposition. Um das Einschwingverhalten zu verbessern, wird eine zeitabhängige elektrische Dämpfung vorgeschlagen. Hierzu wird ebenfalls die Zeitstufe V1 benutzt. Der Ausgang Q der Zeitstufe V1 ist mit dem einen Eingang eines NAND-Schaltglledes V3 verbunden. Der andere Eingang des NAND-Schaltgliedes V3 ist mit einer Kommandoleitung L1 verbunden, über die ein "Start"-Befehl gegeben werden kann. Führt die Leitung L1 L-Signal, so bedeutet das "Laufen" oder "Betrieb" des Motors und führt die Leitung L1 Η-Signal, so bedeutet dies "Bremsen". Der Ausgang des NAND-Schaltgliedes V3 ist über einen Widerstand R9 mit der Basis eines Transistors T10 verbunden. Über einen Widerstand R10 ist die Basis dieses Transistors ebenfalls mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden, so daß der Transistor T10 nicht leitend ist, wenn am Ausgang des NAND-Schaltgliedes V3 L-Signal vorliegt. Führt jedoch das NAND-Schaltglied V3 am Ausgang

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Η-Signal, so wird der Transistor T1O leitend und schließt damit einen Widerstand R11 eines Spannungsteilers R11 und R12 kurz. Da der Verbindungspunkt d dieses Spannungsteilers mit der Basis eines weiteren Transistors T4 verbunden ist, ist dieser gesperrt, wenn der Transistor T10 leitend ist. Der Emitter des Transistors T4 ist über einen Widerstand R13 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Der Kollektor des Transistors T4 ist einerseits über drei Dioden DU, D12 und D13mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle und andererseits mit der Basis eines Leistungstransistors T9 verbunden. Der Leistungstransistor T9 dient zum Kurzschließen der über Dioden D2 bis D5 ausgekoppelten positiven Spannungshalbwelle der durch den Permanentmagnetläufer induzierten Spannung der zur Zeit nicht stromführenden Wicklungsstränge.

Ist der Schrittmotor im Betrieb, so wird über den Befehlseingang L1 auf das NAND-Schaltglied V3 ein L-Signal gegeben. Da während der Drehbewegung des Motors durch die Kommutierungssignale der Auswahlschaltung AW die Zeitstufe V1 ständig getriggert wird, führt der Ausgang Q Η-Signal, so daß der Ausgang des NAND-Schaltgliedes V3 Η-Signal führt. Dadurch ist der Transistor T10 leitend und der Transistor T4 gesperrt, wie zuvor ausgeführt worden ist. Demzufolge ist auch der Transistor T9 gesperrt. Der Ausgang Q der Zeitstufe V1 führt L-Signal und damit ist der Transistor T1 gesperrt, so daß der Nennstrom-Sollwert für den Stromregler wirksam ist.

Zum Positionieren wird die Kommutierungsfolge der Auswahlschaltung AW unterbrochen, wobei das letzte Signal bestehen bleibt. Gleichzeitig wird über den Befehlseingang L1 ein Η-Signal gegeben, was "Bremsen" bedeutet. Da voraussetzungsgemäß der Ausgaig Q der Zeitstufe V1 Η-Signal führt, beide Eingänge des NAND-Schaltgliedes V3 somit Η-Signal führen, erscheint am Ausgang desselben L-Signal. Durch das L-Signal am Ausgang des NAND-Schaltlgiedes V3, wird Transistor T10 gesperrt, die Basisspannung des Transistors T4 wird durch Wirksamwerden des Spannungsteilerwiderstandes R11 angehoben, damit wird auch der Transistor T9 leitend,

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wobei dessen Basisspannung um die Schwellspannung der drei Dioden D11 bis D13unter dem Potential des Wicklungssternpunktes W9 liegt. Durch diese Basisvorspannung des Leistungstransistors T9 wird erreicht, daß die in den Wicklungssträngen W1 bis W4 indzierte positive Halbwelle der EMK kurzgeschlossen wird; hierbei werden die Schwellspannungen der Auskoppeldioden D2 bis D5 und die Basis-Emitter-Spannunge des Leistungstransistors T9 durch die Dioden D11 bis D13 kompensiert.

Durch den Kurzschluß der in den Wicklungssträngen W1 bis W4 induzierten Spannungen ergibt ein zusätzliches Bremsmoment, so daß das Einschwingverhalten des Motors verbessert wird. In gleicher Weise kann die negative EMK ausgekoppelt und kurzgeschlossen werden; auch beide Spannungsrichtungen können zur Bildung eines

^5 zusätzlichen Bremsmomentes kurzgeschlossen oder belastet werden.

Die Begrenzung des Kurzschlußstromes erfolgt bei der dargestellten Schaltung durch den Wicklungswiderstand. Bei zu hohen Kurzschlußströmen kann in dLe Kollektorleitung des Leistungstransistors T9 ein zusätzlicher Widerstand zur Strombegrenzung eingebaut werden oder es kann die Ansteuerung des Leistungstransistors T9 in Abhängigkeit vom Kollektorstrom dieses Transistors geregelt werden.

Nach dem Einschwingen des Permanentmagnetläufers werden die Kommutierungssignale abgeschaltet und die Zeitstufe V1 kippt nach der eingestellten Laufzeit in die Ruhelage (Q = L, Q= H) zurück. Damit erscheint am Ausgang des NAND-Schaltgliedes V3 wiederum Η-Signal, der Transistor T10 wird aufgesteuert, die Basis des Transistors T4 wird an Masse gelegt, so daß der Transistor T4 und der Leistungstransistor T9 gesperrt werden. Gleichzeitig wird der Transistor T1 eingeschaltet und damit der Sollwert-Teilwiderstand R4 überbrückt, so daß am Stromregler T2 ein kleinerer Strom-Sollwert (Haltestrom) vorgegeben wird.

11 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

77 P 3 2 3 3 BRD Patentansprüche

1. Im Schrittbetrieb arbeitender Gleichstrommotor mit Permänentmagnetläufer und elektronischer Kommutierungseinrichtung, bei dem die einzelnen Wicklungsstränge nacheinander über eine Auswahlschaltung ansteuerbar sind und der in den Wicklungssträngen fließende Strom mit Hilfe eines Stromreglers auf einen konstanten Wert regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Positioniervorgang über eine Zeitstufe (V1) ein zusätzliches Brerasmoraent ausgelöst und/oder nach Ablauf der Zeitstufe (V1 ) der Sollwert (I ,-,) des Stromreglers von einem Nennstrom-Sollwert auf einen Haltestrom-Sollwert herabgesetzt wird.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer nachtriggerbaren Zeitstufe (V1), die von den Kommutierungssignalen der Auswahlschaltung (AW) getriggert wird.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangssignal der Zeitstufe (V1) mit einem Eingangssignal für "Laufen" und "Bremsen" derart verknüpft ist, daß bei dem Eingangssignal für "Bremsen" zur Erzielung des zusatzlichen Bremsmoments die in den Wicklungssträngen W1 bis W4 durch den Permanentmagnetläufer induzierte Spannung während der Laufzeit der Zeitstufe (V1) ausgekoppelt und kurzgeschlossen wird.

k. Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des zusätzlichen Bremsmoments die negative und/oder die positive Spannungswelle der EMK ausgekoppelt und kurzgeschlossen wird.

5. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Wicklungsstrang (W1 bis W5) eine Auskoppeldiode (D2 bis D5) zugeordnet ist, sämtliche Auskoppeldioden mit einem Anschlußpol miteinander verbunden sund und daß dieser Verbindungspunkt über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Leistungstransistors (T9) geführt ist, welcher von der Zeitstufe (V1) ansteuerbar ist.

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6. Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der Basis des Leistungstransistors (T9) mit Hilfe von in Reihe geschalteten Dioden (Γ11 bis Π13) unter das Potential des Sternpunktes (W9) der WLcklungsstränge (W1 bis WA) gelegt ist.

7. Gleichstrommotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß so viel Dioden (D11 bis DI^) in Reihe geschaltet sind, daß die Schwellspannungen der Auskoppeldioden (D2 bis D5) und die Basis-Emitter-Spannung des Leistungstransistors (T9) kompensiert sind.

8. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die induzierte Spannung in den Wicklungssträngen (W1 bis WA) getriebene Strom durch einen Widerstand begrenzt ist.

9. Gleichstrommotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Widerstand zur Strombegrenzung in die Kollektorleitung des Leistungstransistors (T9) eingeschaltet ist.

10. Gleichstrommotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Ansteuerung des Leistungstransistors (T9) in Abhängigkeit vom Kollektorstrom desselben geregelt ist.

11. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Ausgangssignal der Zeitstufe (V1) über einen Transistor (Ti) ein Teil (RA) eines Stromsollwert-Widerstandes (RA, R5) kurzschließbar ist.

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