DE2747267A1

DE2747267A1 - Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2747267A1
Application number: DE19772747267
Authority: DE
Inventors: Klaus-D Ing Grad Hausotter; Klaus Kapeller; Gerhard Dipl Ing Roeckl; Gerd Ruff
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1977-10-21
Filing date: 1977-10-21
Publication date: 1979-04-26

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
mit einem Gleichstrompulsumwandler, insbesondere für eine als bürstenlose Gleichstrommaschine ausgebildete Last, enthaltend im Hauptstromkreis ein erstes periodisch ansteuerbares Halbleiterelement sowie einen Freilaufstromkreis.
Wird an eine derartige Schaltungsanordnung eine Last, insbesondere eine Gleichstrommaschine angeschlossen, so kann durch Ein- und Ausschalten des Halbleiterelementes der von der Maschine im Motorbetrieb aufgenommene Strom gesteuert werden, wobei über das Tastverhältnis die Größe des Stromes bzw. des abgegebenen Drehmoments vorwählbar ist. Zur Glättung des Stromes und bedingt durch die Induktivität der Maschinenwicklung ist es erforderlich, einen parallelgeschalteten Freilaufstromkreis, welcher im allgemeinen eine Diode enthält, vorzusehen, damit bei gesperrtem Halbleiterelement der Maschinenstrom weiterfließen kann. Um die Schaltungsanordnung auch für den sogenannten Zweiquadrantenbetrieb einzusetzen, wenn also die Maschine auch als Generator betrieben werden soll, war bisher ein erheblicher zusätzlicher Aufwand erforderlich, wobei im Prinzip ein weiterer entsprechend mit der Last verbundener Gleichstrompulswandler vorgesehen wurde.
Darüber hinaus ergeben sich Schwierigkeiten beim Übergang von einem Quadranten in den anderen, beispielsweise vom Motor- zu Generatorbetrieb, zumal, wenn hierbei der Maschinenstrom konstant weiterfließen soll. Diese Forderung stellt sich insbesondere bei Schwung- oder Reaktionsrädern in der Raumfahrttechnik, deren Drehmoment bzw. Drehmoment änderungen zur Stabilisierung von Satelliten oder sonstigen Flugkörpern ausgenutzt werden. Darüber hinaus werden in der Raumfahrttechnik besonders hohe Anforderungen an die Funktionssicherheit und die Lebensdauer der Schaltanordn-ungen gestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und flnrtionssichere Schaltungsanordnung zu schaffen, deren Strom unabhängig von Größe und Richtung der an der Last anliegenden Spannung auf einen konstanten Wert regelbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus, denn im Vergleich mit einem bekannten Gleichstrompulsumwandler wird lediglich ein weiteres Halbleiterelement im Freilaufstromkreis angeordnet, welches mittels der Regeleinrichtung in der genannten Weise angesteuert wird. Als Halbleiterelemente können beispielsweise Thyristoren oder bevorzugt Transistoren vorgesehen werden, wobei letztere in besonders einfacher Weise ansteuerbar sind. Wird die Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des zweiten Patentanspruches .iusgebildet, so wird das steuerbare Halbleiterelement, welches im Motorbetrieb voll durchgesteuert ist, im Generatorbetrieb durch ein analoges Signal der Regeleinrichtung derart angesteuert, daß der Maschinenstrom dem vorgesehenen Wert entspricht, wobei auch während des Umachaltungsvorganges der Strom unverändert weiterfließen kann. Das Tastverhältnis für das Halbleiterolement des Hauptstromkreises wird bevorzugt mittels eines Hysteresekomparators vorgegeben, welcher durch das Strom-Istwertsignal und das Ausgangssignal eines I-Reglers in Abhängigkeit des Differenzsignals aus Strom-Sollwert und Strom-Isbwert angesteuert wird. Die Komponenten der Regeleinrichtung werden zweckmäßig aus Operationsverstärkern aufgebaut. Es ist von besonderer Bedeutung, daß die Regeleinrichtung derart aufgebaut ist, daß das Steuersignal für das Halbleiterelement des Freilaufstromkreises immer ausreichend groß ist, um im Motorbetrieb mit Sicherheit einen Stromfluß durch den Freilaufstromkreis zu gewährleisten.
Diese Forderung wird zweckmäßig durch ein vorwählbares Signal am Eingang des Operationsverstärkers erfüllt, welcher mittels eines Kondensators als I-Regler geschaltet ist. Wird die Gleichstrommaschine in bekannter Weise als mehrphasiger, bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet, so kann die Umschaltung von Motor auf Generatorbetrieb durch Vertauschen der Ansteuerfolge der Phasen mittels einer Gatterkombination in der Kommutierungselektronik in einfacher Weise vorgenommen werden. Es ist ersichtlich, daß damit auch die Drehrichtung der Maschine vorgegeben werden kann.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert: Es zeigen Fig. 1 - ein Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung Fig. 2 - ein Schaltbild entsprechend Fig. 1, wobei die Regeleinrichtung mittels Operationsverstärkern aufgebaut ist Fig. 3 - ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung für eine dreiphasige, bürstenlose Gleichstrommaschine mit Kommutierungselektronik.
Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 enthält im Hauptstromkreis ein als Leistungstransistor 1 ausgebildetes Halbleiterelement, welchem zur Stromglättung eine Drossel 2 nachgeschaltet ist. An den Ausgangsklemmen 3, 4 ist als Last eine bürstenlose Gleichstrommaschine mit Wicklungen 5, 6, 7 angeschlossen, welche einen hier nicht dargestellten Rotor mit Permanentmagneten enthält. Mittels einer Kommutierungselektronik 8 werden die den Wicklungen zugeordneten Leistungsschalter 10, 11, 12 derart angesteuert, daß die Maschine im Motor- bzw. Generatorbetrieb arbeitet. Parallel zu den Klemmen 3, 4 ist zur Spannungsglättung ein Kondensator 13 nachgeschaltet. In einem Freilaufkreis ist eine Diode 14 sowie ein als Schalttransistor 15 ausgebildetes Halbleiterelement vorgesehen, wobei der Kollektor des PNP-Schalttransistors 15 mit der Anode der genannten Diode 14 verbunden ist. Die Ansteuerung der Transistoren 1 und 15 erfolgt mittels einer Regeleinrichtung 16, welcher über eine Meßeinrichtung 17 ein dem Strom-Istwert entsprechendes Signal sowie der Strom-Sollwert zugeführt wird. Das Differenzsignal wird einem I-Regler (integrales Verhalten) 18 zugeführt, dessen Ausgang über eine' Treiberstufe 19 auf die Basis des Transistors 15 geführt ist. Der Ausgang des I-Reglers 18 ist außerdem mit einem Hysteresekomparator 20 verbunden, welchem ebenfalls der Strom-Istert zugeführt wird. Der Ausgang des Hysteresekomparators 20, welcher noch eine Rückführung 21' aufweist, ist über eine Treiberstufe 23 zur Ansteuerung des Transistors 1 mit dessen Basis verbunden. Die Regeleinrichtung ist in der Weise ausgelegt, daß bei Motorbetrieb, wenn also die Gegen ESE der Maschine der Speisespannung entgegengerichtet ist, der Transistor 15 voll durchgeschaltet ist.
Der Transistor 1 arbeitet hierbei im Schaltbetrieb, wobei die Pulswerte mittels des Komparators 20 in Abhängigkeit des Strom-Sollwertes vorgegeben wird. Im übrigen entspricht die Funktionsweise insoweit einem bekannten Gleichstrompulswand-1er.
Wird nun die Maschine umkommutiert und als Generator betrieben, so wird aufgrund der nunmehr negativen Spannung an den Klemmen 3, 4 der Transistor 1 keinen Strom mehr führen. Über die Regeleinrichtung wird jedoch der Transistor 15 analog derart angesteuert, daß der Maschinenstrom dem vorgewählten Strom-Sollwert entspricht. Somit erfolgt automatisch eine Umschaltung vom Pulsbetrieb (Transistor 1) auf die analoge Stromregelung mittels des Transistors 15 im Freilaufkreis.
Von entscheidender Bedeutung ist, daß der Maschinenstrom ohne Unterbrechung in der durch den Strom-Sollwert vorgegebenen Größe weiterfließt, wenn von der einen Betriebsweise in die andere übergegangen wird. Damit auch für kleine Werte des Maschinenstroms der Transistor 15 voll durchsteuerbar ist, ist der Regler derart ausgelegt, daß das Signal an der Basis des Transistors 15 auch dann noch ausreichend negativ ist.
In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, welche im wesentlichen der aus Fig. 1 entspricht, jedoch sind die verschiedenen Elemente der Regeleinrichtung mittels integrierten Schalt- bzw. Operationsverstärkern realisiert. Im Hauptstromkreis ist wiederum ein Leistungstransistor 21 vorgesehen, welchem in Darlington-Schaltung ein Transistor 22 vorgeschaltet ist. Als Hysterese-Komparator ist ein Verstärker 24 mit einem Rückfühnviderstand 25 vorgesehen, wobei der Rückführungsfaktor in der Größenordnung von i/10 bis 1/100 gewählt worden ist. Zur Messung des Strom-Istwertes ist ein Meßwiderstand 26 im Hauptstromkreis vorgesehen, dessen Meßspannung sowohl auf den Verstärker 24 als auch in entgegengesetzter Polung auf einen Operationsverstärker 30 geführt wird. Dem Verstärker 24 ist eine Treiberstufe mit einem NPN-Transistor 28 nachgeschaltet mit welchen der Leistungstransistor 21 angesteuert wird. Mit dem Transistor 27 wird erreicht, daß bei Ausfall der Versorgungsspannung der Leistungstransistor 21 nicht andauernd durchschaltet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 30 ist auf den negativen Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 31 geführt, welchem auch der Strom-Sollwert 1soll zu geführt wird. Der Verstärker ist mit einem Kondensator 32 beschaltet und weist somit ein integrales Übertragungsverhalten auf.
Am positiven Eingang des Verstärkers 31 ist ein ohmscher Spannungsteiler 33 bis 36 angeschlossen, welcher an einer positiven Spannung liegt. Zur Stabilisierung ist eine Zenerdiode 37 vorgesehen. Mittels des Potentiometers 34 läßt sich somit eine stabilisierte Vorspannung derart einstellen, daß die Ausgangsspannung des Verstärkers 31 (I-Regler) auch bei sehr kleinem Stromwert dem Betrage nach ausreichend groß ist. Somit wird gewährleistet, daß über den nachgeschalteten Operationsverstärker 38 mit ohmscher Rückführung 39 (proportionales Verhalten) sowie über die Transistoren 40, 41 einer Treiberstufe an der Basis des Transistors 15 ein negatives Signal anliegt und der Freilaufstromkreis im Motorbetrieb voll durchgeschaltet bleibt.
In Fig. 3 ist die Schaltungsanordnung mit der Kommutierungselektronik zum Umschalten von Notorbetrieb auf Generatorbetrieb durch Umkomrnutierung einer dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommaschine dargestellt.
Jeder Vlicklungsphase 5, 6, 7 ist ein elektronischer Leistungsschalter 45, 46, 47 nachgeschaltet, welche beispielsweise eine Verstärkerstufe und eine nachgeschaltete Darlington-Leistungsstufe (nicht dargestellt) enthalten. Die Maschine enthält auf dem Stator Sensoren 48, 49, 50, um die jeweilige Stellung des Rotors abzutasten. Die genannten Sensoren sind derart am Umfang der Maschine angeordnet, daß bei vorgegebener Drehrichtung über die Gatter 54, 56, 58 bzw. 60, 61, 62 die Leistungsschalter 45, 46, 47 nacheinander für einen Stromflußwinkel von etwa 1200 el durchgeschaltet werden. Bei dieser Drehrichtung liegt über dem Eingang 64 und das NOR-Gatter 65 ein L-Signal an den Gattern 54, 56, 58.
Eine weitere Gruppe von Sensoren 51, 52, 53 ist in bezug zur ersten Sensorgruppe um 1800 el versetzt angeordnet, so daß die entsprechende Phase bei entgegengesetztem Vorzeichen der Motor ECK durchschaltbar ist. Die Ausgänge der Sensoren sind über Gatter 55, 57, 59 mit den OR-Gattern 60, 61, 62 verbunden. Wird am Eingang 64 ein O-Signal angelegt, so sperren die Gatter 54, 56, 58 und die Signale der Sensoren 48, 49, 50 können die Phasen nicht mehr durchschalten.
Über das NOR-Gatter 65 liegt nunmehr an den Gattern 55, 57, 59 ein L-Signal, so daß die Signale der Sensoren 51, 52, 53 die Phasen durchschalten werden. Aufgrund der angegebenen Anordnung der Sensoren 51, 52, 53 folgt das Signal des Serisors 51 zeitlich nach dem Signal des Sensors 52, so daß auch die Reihenfolge des, Durchschaltens der Phasen 5, 6 vertauscht ist und die Maschine im Generatorbetrieb arbeitet.
Das Umschalten von Motor- auf Generatorbetriebbzw. die Umkehrung des Drehmoments der Maschine erfolgt also in einfacher Weise dadurch, daß das Signal am Eingang 64 umgepolt wird. Der Maschinenstrom fließt nach Richtung und Größe unverändert weiter und wird, wie oben bereits angeführt wurde, mittels der Regeleinrichtung durch analoges Ansteuern des Transistors 15 auf konstantem Wert gehalten. In einer bevorzugten 1eiterbildwlg, welche mit gestrichelten Linien dargestellt ist, werden die Ausgänge der Gatter 60, 61 auf ein NOR-Gatter 63 geführt und hiermit das Steuersignal für die Phase 7 erzeugt. Auf diese Weise können die Sensoren 50, 53 sowie die Gatter 58, 59, 62 eingespart werden. Weiterhin ist der Ausgang des Sensors 48 über ein NOR-Gatter 66 mit der Basis eines NPN-Transistors 67 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand 68 mit einer Spannungsquelle verbunden ist. In Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl gelangen pro Zeiteinheit mehr oder weniger Signale an die Basis des Transistors 67, so daß das Signal am Ausgang 69 ein Maß für die jeweilige Maschinendrehzahl darstellt. Die Ausgänge der Sensoren 48, 51 sind mit einer als D-Flip-Flop ausgebildeten Kippstufe 70 verbunden, an deren Ausgang somit ein von der zeitlichen Folge der Sensorsignale bzw. der Drehrichtung der Maschine abhängiges Signal ansteht. Der Kippstufe 70 ist ein NPN-Transistor 72 nachgeschaltet, dessen Kollektor über einen Widerstand 73 mit einer Spannungsquelle verbunden ist. In Abhängigkeit der Drehrichtung der Maschine liegt daher am Ausgang 74 entweder ein positives L-Signal oder ein O-Signal.
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Claims

Schaltungsanordnung Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung mit einem Gleichstrompulswandler, insbesondere für eine als pürstenlose Gleichstrommaschine ausgebildete Last, enthaltend im Hauptstromkreis ein erstes periodisch ansteuerbares Halbleiterelement sowie einen Freilaufstro£reis, dadurch gekennzeichnet, daß im Freilaufstromkreis ein zweites steuerbares Halbleiterelement (15)vorgesehen ist und daß mittels einer Regeleinrichtung (16) die Halbleiterelemente (1, 15) derart ansteuerbar sind, daß unabhängig von Größe und Richtung der Last spannung der Strom einen vorwählbaren Wert aufweist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Betriebsart, in welcher die Last Leistung aufnimmt (Motorbetrieb), das erste Halbleiterelement (1) periodisch angesteuert wird und das zweite Halbleiterelement (15) voll durchgesteuert ist und daß in einer zweiten Betriebsart, in welcher die Last Leistung zurückliefert (Generatorbetrieb), das erste Halbleiterelement (1) sperrt und das zweite Halbleiterelement (is) analog angesteuert wird.
Patentansprüche 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Freilaufstromkreis eine Diode (14) vorgesehen ist, an deren Anode der Kollektor des als PNP-Transistor ausgebildeten Halbleiterelements angeschlossen ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung für ein Schwungrad oder Reaktionsrad, dessen Drehmoment nach Größe über den Maschinenstrom sowie nach Richtung entsprechend der Betriebsart vorwählbar ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (16) einen vorzugsweise als Integrator ausgebildeten Regler (18) enthält, welchem das Differenzsignal aus Strom-Sollwert und Strom-Istwert zugeführt wird, und daß mittels des Reglersignals in der ersten Betriebsart (Motorbetrieb) die Pulsfrequenz des ersten Halbleiterelements (1) gesteuert und das zweite Halbleiterelement (15) durchgesteuert wird und in der zweiten Betriebsart(Generatorbetrieb) das zweite Halbleiterelement (is) analog angesteuert und das erste Halbleiterelement (1) gesperrt wird.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reglersignal und der Strom-Istwert einem Hysteresekomparator (20) mit Rückführung zugeleitet wird, dessen Ausgang über eine Treiberstufe (23) mit dem ersten Halbleiterelement (1) verbunden ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (18) und/oder eine nchgeschaltete Treiberstufe (19) derart ausgelegt ist, daß auch für gegen Null gehenden Strom-Istwert das Ausgangssignal einen dem Betrage nach ausreichend großen Wert aufweist, um das zweite Halbleiterelement (15) durchzusteuern.
Patentansprüche I 8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hysteresekomparator einen Verstärker (24) mit ohm'scher Rückführung (25) enthält.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler einen Operationsverstärker (31) mit einem Kondensator (32) als Ruckführung enthält und daß an einem Eingang des Operationsverstärkers (31) ein vorsvählbares Signal angelegt ist, welches dem Betrage nach immer größer ist, als die an den anderen Eingang gelangenden Signale.
10. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom-Istwert auf den Verstärker (24) sowie auf einen Operationsverstärker (30), welchem der Verstärker (31) nachgeschaltet ist, geführt wird, und aaß der Ausgang des Verstärkers (31) mit dem Verstärker (24) und mit einem dritten Operationsverstärker (38) verbunden ist.
11. Schaltungsanordnung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Last eine bürstenlose Gleichstrommaschine mit einer mehrphasigen Wicklung (5, 6, 7) vorgesehen ist, wobei jede Phase wahlweise mittels um 1800 el versetzten Steuersignalen ansteuerbar ist, und daß entsprechend der vorwählbaren Momentenrichtung die mittels zweier um 1800 el versetzt angeordneten Sensorengruppen (48 bis 50; 51 bis 53) und/oder einer Gatterkombination (54 bis 62) erzeugten Steuersignale zur nacheinander erfolgenden Ansteuerung der Phasen (5, 6, 7) verwendet werden.
Patentansprüche 12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensorengruppen (48-50; 51-53) vorgesehen sind, wobei den Phasen jeweils zwei um 1800 el versetzt angeordnete Sensoren zugeordnet sind, und daß mittels der Gatterkombination (54-62), welche AID-Gatter (54-59) sowie nachgeschaltete OR-Gatter (60-62) enthält, in Abhängigkeit eines am Eingang (64) angelegten Signals über ein NOR-Gatter (65) entweder die Signale der ersten Gruppe (48-50) oder der zweiten Gruppe (51-53) den Leistungsschaltern (45, 46, 47) der Phasen (5, 6, 7) zugeführt werden.
13. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsschal ter (47) wenigstens einer Phase (7) von einem Steuersignal ansteuerbar ist, welches aus den Steuersignalen der übrigen Phasen (5, 6) vorzugsweise mittels eines NOR-Gatters (63) gebilde wird.
14. Schaltungsanordnung nach anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung eines Drehzahlsignals der Ausgang wenigstens eines Sensors (48) mit einem NOR-Ga ter (66) verbunden ist, dessen Ausgang mit der Basis eines Transistors (67)verbunden ist.
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung eines Drehrichtungssignals die Sensoren (48, 51) mit einem D-Flip-Flop (70) verbunden und dessen einer Ausgang mit der Basis eines Transistors (72) verbunden ist.