DE2806595A1

DE2806595A1 - Steuerschaltung fuer einen selbstanlaufenden elektromotor

Info

Publication number: DE2806595A1
Application number: DE19782806595
Authority: DE
Inventors: Joergen Hyldal; Hans Kristian; Frode Soerensen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1978-02-16
Filing date: 1978-02-16
Publication date: 1979-08-23
Also published as: GB2014810B; BR7900957A; DK61379A; DE2806595C2; DK147219C; JPS6220789B2; ATA29279A; YU33879A; AT366856B; ES477691A1; YU42944B; DK147219B; JPS54118514A; SE436460B; IT1165627B; CA1157083A; FR2417882B1; SE7901341L; IT7967333A0; FR2417882A1

Description

Steuerschaltung für einen selbstanlaufenden Elektromotor

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen selbstanlaufenden Elektromotor mit einem Dauermagnet-Läufer, einem zwei Wicklungen aufweisenden Ständer und mit diesen in Reihe an einer Betriebsgleichspannung liegenden elektronischen Schaltgliedern, deren Schaltzustände von im Gegentakt auftretenden Schaltsignalen, die aus Steuersignalen eines die Läuferdrehwinkellage auch im Stillstand erfassenden Fühlers abgeleitet sind, so steuerbar sind, daß das Ständerfeld in Abhängigkeit von der Drehwinkellage des Läufers seine Richtung ändert, und mit einer derart gewählten Magnetfeldverteilung zwischen Ständer und Läufer, daß der Läufer als Ruhelage höchstens eine gegenüber der Neutrallage (der neutralen Drehwinkellage) versetzte Winkellage einnehmen kann.

Bei einer bekannten Steuerschaltung dieser Art kann der Läufer zahlreiche Ruhelagen einnehmen. Er ist jedoch bestrebt, eine extreme Ruhelage einzunehmen, in der ein Läufermagnet am weitesten von einem Ständer-Polschuli umschlossen ist. Bei symmetrisch aufgebauten Ständerpolen ist in diesen Lagen bei magnetisiertem Ständer das resultierende Drehmoment des Läufers gleich Null.

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Wenn sich der Läufer in einer Neutrallage befindet, fällt seine neutrale Achse mit der neutralen Achse des Ständers zusammen. Durch eine unsymmetrische Magnetfeldverteilung zwischen Läufer und Ständer, z.B. durch einen zusätzlich am Ständer angebrachten Dauermagneten wird erreicht, daß die Ruhelage nicht mit der Neutrallage zusammenfällt, sondern höchstens um einen spitzen Winkel (etwa 5°) gegenüber dieser verdreht ist. Dadurch wird eine definierte Anlaufrichtung erreicht.

Bei einem derartigen Motor muß das Ständerfeld nach jeder halben Läuferumdrehung umgepolt werden. Aufgrund der Eigeninduktivität der Ständerwicklung geschieht diese Umpolung jedoch nicht so schnell wie das Umschalten der Schaltglieder. Legt man daher den Umschaltpunkt der Schaltglieder so, daß das Umschalten genau in dem Augenblick einsetzt, in dem der Läufer eine neutrale Drehwinkellage durchläuft, dann ist die Umpolung des Ständerfeldes erst abgeschlossen, nachdem der Läufer diese neutrale Drehwinkellage bereits durchlaufen hat, so daß er von dem Augenblick an, in dem er diese neutrale Drehwinkellage durchläuft, bis zum Zeitpunkt der endgültigen Umpolung des Ständerfeldes ein Gegendrehmoment erhält, das ihn abbremst. Dies ergibt einen schlechten Wirkungsgrad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung anzugeben, bei der der Motor einen besseren Wirkungsgrad erreicht und die gleichzeitig sicherstellt, daß der Motor aus jeder Drehwinkellage anlaufen kann.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

a) der normale Umschaltpunkt der Schaltglieder kurz vor jeder Neutrallage des Läufers liegt, und

b) eine Übersteuerungsschaltung vorgesehen ist, die in einer Ruhelage des Läufers, die einer nach dem Überschreiten des Umschaltpunktes in der gewünschten Drehrichtung und vor der darauffolgenden Neutrallage des Läufers liegenden Drehwinkellage entspricht, das in dieser Drehwinkellage leitende

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Schaltglied während einer Übersteuerungszeit - unabhängig von dem während dieser Zeit vom Fühler erzeugten Steuersignal - leitend hält.

Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß die Umpolung des Ständerfeldes bereits vor dem Erreichen einer neutralen Drehwinkellage einsetzt und beim Erreichen dieser Lage die Umpolung zumindest im -wesentlichen abgeschlossen ist. Das Ständerfeld wirkt daher praktisch gleich beim Erreichen der neutralen Drehwinkellage in der gewünschten Drehrichtung, ohne schon vor dem Erreichen der neutralen Drehwinkellage ein merkliches Gegendrehmoment auszuüben. Dies ergibt ein gleichmäßigeres Drehmoment im Betrieb.

'wegen des Vorhaltwinkels, um den der normale Umschaltpunkt vor der Neutrallage liegt, wurden aber Schwierigkeiten entstehen, falls der Läufer beim Ausschalten in einer der extremen Drehwinkellagen kurz vor der Neutrallage nach dem Überschreiten des normalen Umschaltpunktes anhält. Beim Einschalten des Motors in einer derartigen Drehwinkellage treibt das Ständerfeld den Läufer rückwärts an. Kurz danach wird der normale Umschaltpunkt in Rückwärtsrichtung durchlaufen. Das sich jetzt umpolende Ständerfeld würde den Läufer abbremsen und ihn in der gewünschten Drehrichtung antreiben. Dabei würde der Umschaltpunkt sofort wieder durchlaufen. Da die Drehgeschwindigkeit des Läufers noch nicht so hoch wäre, daß sein Trägheitsmoment ausreichen würde, ihn trotz der erneut einsetzenden Ständerfeldumpolung, des Gegendrehmoments der unsymmetrischen Magnetfeldverteilung (des zusätzlichen Dauermagneten) und der Last weiter in der gewünschten Drehrichtung bis über die neutrale Drehwinkellage hinaus anzutreiben, würde er gleich erneut entgegengesetzt zur gewünschten Drehrichtung, also rückwärts, angetrieben. Die Folge wäre, daß der Läufer um die Drehwinkellage in der die Umpolung des Ständerfeldes stattfindet, hin- und herpendeln würde. Derartige Pendelschwingungen werden durch die Maß-

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nähme b) vermieden.

Wenn nämlich der Läufer in der genannten extremen Lage hält, ist die Übersteuerungsschaltung wirksam, so daß der Läufer zwar entgegen der gewünschten Drehrichtung anläuft, aber den normalen Umschaltpunkt überläuft, der unterdrückt wird. Hierbei kann sich der Läufer so weit rückwärts drehen, wie er innerhalb der Übersteuerungszeit gelangen kann, die u.a. von der Last abhängt. Nach Ablauf der Übersteuerungszeit wird das Ständerfeld entsprechend der augenblicklichen Läufer-Drehwinkellage umgepolt, der Läufer wird abgebremst und läuft in der gewünschten Richtung an, Da der Läufer nunmehr in Vorwärtsrichtung einen größeren Drehwinkel bis zum erneuten Erreichen des normalen Umschaltpunktes durchlaufen muß, erhält er eine hinreichend hohe Drehgeschwindigkeit, um das Gegendrehmoment zu überwinden und die Neutrallage zu überschreiten, von der an das Ständerfeld mit der augenblicklichen Polung weiter in der gewünschten Drehrichtung wirkt. Der Läufer wird deshalb aus der kritischen, extremen Halt-Drehwinkellage zunächst rückwärts um einen Winkel, der größer als der Vorhai twinkel ist, und danach in der gewünschten Richtung ohne Pendelschwingungen angetrieben.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jeder Anlauf des Motors vom Einschaltaugenblick an mit einer Übersteuerungs-r zeit eingeleitet und der den Steuersignalen in einer kritischen, extremen Ruhelage entsprechende Schaltzustand der Schaltglieder zwangsläufig eingestellt.

Auf diese Weise wird die komplizierte Zuordnung des Eingriffs der Übersteuerungsschaltung zu einer bestimmten Anlauf-Lage vermieden. Zwar dreht sich der Läufer zunächst rückwärts, auch aus mehreren Anlauf-Lagen heraus, aus denen er sonst unmittelbar in der gewünschten Drehrichtung anlaufen würde. Hierdurch wird aber eine sehr einfache Schaltung erreicht.

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In einem ersten Anlauf-Drehwinkelbereich außerhalb der kritischen, extremen Lage dreht sich der Läufer sofort in der vorgeschriebenen Richtung, nämlich im größten Teil des Drehwinkelbereichs, in dem der von der Übersteuerungsschaltung zwangsweise eingestellte Schaltzustand der Schaltglieder mit dem vom Fühler geforderten übereinstimmt.

In einem anderen Drehwinkelbereich, in dem in der Übersteuerungszeit mit dem vom Fühler verlangten Schaltzustand keine Übereinstimmung besteht, läuft der Läufer zunächst rückwärts.

Sodann ist es günstig, wenn in der tibersteuerungsschaltung ein Signal vorbestimmter Dauer erzeugt wird, das beim Anlauf anstelle der Steuersignale zur Ableitung der Schaltsignale dient. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau der Übersteuerungsschaltung.

Den elektronischen Schaltgliedern können die Schaltsignale über eine Torschaltung zuführbar sein, die in Abhängigkeit von dem Normallauf-Signal aufgetastet wird und im Anlaufaugenblick sowie bei blockiertem Läufer von einem vom Normallauf-Signalgeber unabhängigen Impulsgeber abwechselnd verhältnismäßig kurze Anlauf-Signale als Auftastsignale sowie längere Halt-Signale als Sperrsignale erhält, die bei normalem Betrieb von dem Normallauf-Signal übersteuert werden. Hierbei wird beim Einschalten des Motors der erste Anlaufversuch vorgenommen, wenn das erste Anlauf-Signal vom Impulsgeber zugeführt wird. Läuft der Motor nicht an, wird die Zufuhr der Schaltsignale zu den elektronischen Schaltgliedern während der Dauer des folgenden Halt-Signals des Impulsgebers durch die Torschaltung gesperrt. Erst beim Auftretendes folgenden Anlauf-Signals erfolgt ein erneuter Anlaufversuch. Läuft der Motor, wird der Betrieb aufgrund der Übersteuerung durch das Normallauf-Signal fortgesetzt. Wird der Läufer während des Betriebs blockiert, verschwindet das Normallauf-Signal, und der Motor wird durch ein Halt-Signal des Impulsgebers abgeschaltet. Danach wird beim Auftreten des nächsten

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Anlauf-Signals automatisch wieder ein Anlauf versucht. Die Anlauf-Versuche erfolgen mithin nur kurzzeitig nach längerer Pause, so daß die betreffende Ständerwicklung oder das betreffende Schaltglied nicht überlastet werden. Wenn eine Blockierung von selbst verschwindet, läuft der Motor selbsttätig wieder an. Der Normallauf-Signalgeber bewirkt hierbei die Übersteuerung der Signale des unabhängigen Impulsgebers, sobald der Motor normal läuft.

Die Steuersignale des Fühlers können der Torschaltung einfach über einen Eingang der Übersteuerungsschaltung zugeführt werden.

Ferner kann der Tasteingang der Torschaltung mit dem Tasteingang der Übersteuerungsschaltung verbunden sein, wobei den beiden Eingängen das Anlauf-, das Halt- und das Normallauf-Signal zugeführt werden. Hierbei spricht die Übersteuerungsschaltung nur auf das zuerst an ihrem Tasteingang auftretende Signal an, so daß die Schaltung besonders einfach wird.

Wenn die Übersteuerungsschaltung auf die Vorderflanke eines Lauf signals anspricht, ist sichergestellt, daß beim Einschalten des Motors das Auftreten eines Anlaufsignals die Übersteuerungszeit einleitet und die Dauer des Übersteuerungssignals unabhängig von der Dauer anderer Signale ist.

Wenn die Steuersignale unwirksam gemacht werden und die Torschaltung auf einen vorbestimmten Schaltzustand beim Ansprechen der Übersteuerungsschaltung umgeschaltet wird, läßt sich die gewünschte Übersteuerung der Schaltsignale besonders leicht erreichen.

Die Dauer der Übersteuerungszeit der Übersteuerungsschaltung sollte hierbei kürzer als ein Anlauf-Signal sein. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß sich gleich nach Ablauf der Übersteuerungszeit wieder die richtigen Anlaufverhältnisse einstellen, um den Läufer in der vorgeschriebenen Drehrichtung anzutreiben.

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Die ÜbersteuerungaaDhaltung kann ein Zeitglied, und ein von diesem beaufschlagtes Verknüpfungsglied aufweisen, das in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Zeitgliedes das Steuersignal des Fühlers sperrt und die Torschaltung umschaltet und beide nach Ablauf der Übersteuerungszeit wieder freigibt. Dies ergibt eine besonders einfache Ausführung der Übersteuerungsschaltung.

Ferner kann das Zeitglied in Abhängigkeit von dem dem Auftasteingang der Torschaltung zugeführten Signal auslösbar sein und die Übersteuerungsschaltung den Übertragungseingang der Torschaltung beaufschlagen. Dies ergibt eine besonders einfache Synchronisierung der Auslösung des Zeitgliedes mit der Einschaltung des Motors durch ein Anlauf-Signal.

Sodann kann dafür gesorgt sein, daß das Zeitglied ein differenzierendes RC-Glied enthält und zwischen dem Verknüpfungsglied und dem Zeitglied eine Schaltstufe liegt. Hierbei wird die Schaltstufe genau durch die Vorderflanke eines Auslöseimpulses umgeschaltet, während die Dauer des neuen Schaltzustandes der Schaltstufe nicht vom Verschwinden des Auslöseimpulses, sondern lediglich von der Laufzeit des Zeitgliedes abhängt. Die Dauer des Anlaufsignals oder eines dieses überlappenden Normallaufsignals beeinflußt deshalb nicht die Übersteuerungszeit.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung ausführlicher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer nach der Erfindung ausgebildeten Steuerschaltung,

Fig. 2 verschiedene Ruhelagen des Läufers mit zugehöriger ^1S Ständerfeldpolarität ohne Übersteuerungsschaltung,

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Fig. 7 eine Abwandlung eines Teils der Steuerschaltung nach Fig. 1,

Fig. 8 ein ausführlicheres Schaltbild eines Teils der Steuerschaltung nach Fig. 1

Fig. 9 ein ausführlicheres Schaltbild des Steuerschaltungsteilsnach Fig. 7.

Fig. 1 stellt eine Steuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem zweipoligen Dauermagnet-Läufer 1 und zv/ei Ständerwicklungen 2 und 3 dar, die jeweils in Reihe mit einem elektronischen Schaltglied 4 beziehungsweise 5 an einer Betriebsgleichspannung Un liegen. Die Schaltglieder 4 und 5 werden von 1-Signalen durchgesteuert und von O-Signalen gesperrt. Eine Umformeinrichtung 6 enthält einen Fühler 7 zur Erfassung der Drehwinkellage des Läufers 1 und einen dem Fühler 7 nachgeschalteten Impulsformer 8. Der Fühler 7, vorzugsweise eine Spule mit sättigbarem Kern, spricht auf den Vorbeilauf einer am Läufer 1 befestigten, etwa halbkreisförmigen Ringscheibe R aus Metall, vorzugsweise magnetisierbarem Metall, aufgrund einer Änderung seines (induktiven) Widerstands an und liefert ein Signal, dessen Betrag nach jeweils einer halben Umdrehung des Läufers den anderen von zwei Werten einnimmt. Dieses Signal wird vom Impulsformer 8 in eine Folge von Steuersignalen S^, S₂ umgesetzt, deren Tastverhältnis (Impulsdauer/Periodendauer) gleich 1 : 2 ist. Zu diesem Zweck enthält der Impulsformer 8 einen vom Fühlersignal ein- und ausschaltbaren Oszillator 10 mit nachgeschaltetem Demodulator 11. Die Steuersignale S., S₂ werden dem Übertragungseingang 12 einer Torschaltung 13 über eine Übersteuerungsschaltung 14 zugeführt. Der andere Eingang 15 der Torschaltung 13

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dient als Tasteingang. Die Torschaltung 13 enthält zwei Verknüpfungsglieder 16 und 17 in Form von ODER-Gliedern mit Je einer Umkehrstufe im Übertragungseingang. Die Tasteingänge der Verknüpfungsglieder 16 und 17 sind miteinander verbunden. Ferner ist der Ausgang des Verknüpfungsgliedes 16 mit dem Übertragungseingang des Verknüpfungsgliedes 17 verbunden. Die Ausgänge der Verknüpfungsglieder 16 und 17 bilden gleichzeitig die Ausgänge der Torschaltung 13 und sind über je ein NICHT-Glied 18 beziehungsweise 19 in Form von Umkehrverstärkern mit den Steuereingängen der Schaltglieder 5 beziehungsweise 4 verbunden. Auch zwischen dem Tasteingang 15 und den Tasteingängen der Verknüpfungsglieder 16, 17 liegt ein gemeinsames NICHT-Glied 20. Dieses bildet mit jedem nachgeschalteten Verknüpfungsglied 16 beziehungsweise 17 ein NAND-Glied.

Der Verbindungspunkt 21 zwischen der Ständerwicklung 2 und dem Schaltglied 4 ist über ein Impulsfolgefrequenzmeßglied mit dem einen Eingang eines Vergleichers 23 verbunden, der die Funktion eines NAND-Gliedes hat. Am anderen Eingang des Vergleichers 23 liegt eine Bezugsspannungsquelle 24. Das Ausgangssignal A des Vergleichers 23 ist mit dem Ausgangssignal B eines Impulsgebers 25 durch ein UND-Glied

26 verknüpft. Das Ausgangssignal des UND-Gliedes 26 wird dem Tasteingang 15 der Torschaltung 13 und dem Tasteingang 28 der Übersteuerungsschaltung 14 über ein NICHT-Glied

27 zugeführt. Die Übersteuerungsschaltung 14 enthält am Eingang 28 ein Zeitglied 29, eine diesem nachgeschaltete Schaltstufe in Form eines NICHT-Gliedes 30, das den Tasteingang eines als Tor wirkenden Verknüpfungsgliedes 31 * hier ein UND-Glied, beaufschlagt, dessen Übertragungseingang den Übertragungseingang 32 der Übersteuerungsschaltung 14 bildet.

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Am Ständer ist ein Dauermagnet 33 so angebracht, daß der Läufer 1 bei stromlosen Ständerwicklungen 2 und 3 normalerweise eine Lage einnimmt, in der die neutrale Achse 34 des Läufers 1 nicht mit der neutralen Achse 35 des Ständers zusammenfällt. Der Fühler 7 ist in der neutralen Achse 35 des Ständers angeordnet, während die Ringscheibe R so angeordnet ist, daß bei der durch den Pfeil P angedeuteten vorgeschriebenen beziehungsweise gewünschten Drehrichtung die Umschaltung (Kommutierung) der Schaltglieder 4 und 5 etwa in dem Augenblick erfolgt, in dem die Enden der Ringscheibe R an dem Fühler 7 Vorbeiläufen, also etwa nach .jeder halben Umdrehung des Läufers 1. i\i und S bezeichnen den Nord- und Südpol des Läufers 1 beziehungsweise des Dauermagneten 33. Im normalen Umschaltpunkt liegt mithin die neutrale Achse 34 des Läufers 1 vor der dargestellten Lage..

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Steuerschaltung nach Fig. 1 sei zunächst angenommen, daß die Übersteuerungsschaltung 14 nicht vorhanden, das heißt die Übertragung se ingänge 32 und 12 direkt verbunden sind.

Beim Einschalten des Motors erzeugt der Impulsgeber 25 ein die Anlaufzeit des Motors überdauerndes, aber vergleichsweise kurzes Anlauf-Signal B=O, das vom nächsten Anlauf-Signal durch ein wesentlich längeres Halt-Signal B = getrennt ist. Im Stillstand tritt am Verbindungspunkt 21 noch kein positiver Impuls auf. Dies ist erst bei einer Unterbrechung des Ständerwicklungsstroms, also beim Lauf, der Fall. Das Impulsfolgefrequenzmeßglied 22 führt daher dem Vergleicher 23 ein O-Signal zu, so daß am Ausgang des Vergleichers ein Nichtlauf-Signal A = 1

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auftritt. Unter diesen Umständen wird, solange das Anlauf-Signal B=O andauert, dem Tasteingang 15 der Torschaltung 13 aufgrund der Inversion durch das NICHT-Glied 27 ein 1-Signal zugeführt, das die Torschaltung 13 auftastet. Dadurch erhält das eine der beiden Schaltglieder 4 oder 5 ein 1-Signal, je nach dem, ob am Eingang 12 ein 1- oder ein O-Signal ansteht. Wenn der Läufer 1 zu Beginn eine solche Drehwinkelstellung einnimmt, daß das Steuersignal Sp auftritt, das ein O-Signal ist, tritt am Ausgang des Verknüpfungsgliedes 16 ein 1-Signal auf, das dem Steuereingang des Schaltgliedes 5 über das NICHT-Glied 18 als Schaltsignal Sa2 in Form eines O-Signals zugeführt wird und dieses gesperrt hält. Dagegen gibt das Verknüpfungsglied 17 ein O-Signal ab, das über das NICHT-Glied 19 dem Steuereingang des Schaltgliedes 4 als Schaltsignal Sa₂ in Form eines 1-Signals zugeführt wird und dieses durchsteuert. Trat im Stillstand des Läufers 1 jedoch das Steuersignal S₁ auf, also ein 1-Signal, dann wird zuerst das Schaltglied 5 durchsteuert. Das Durchsteuern des einen oder anderen Schaltgliedes 4 oder 5 wirft den Motor an, so daß auch am Verbindungspunkt 21 positive Impulse mit einer Folgefrequenz auftreten, die einen solchen Betrag hat, daß das Impulsfolgefrequenzmeßglied 22 ein Meßsignal abgibt, das gleich oder größer als die von der Bezugsspannungsquelle abgegebene Bezugsspannung 1st. Dies entspricht dem Fall, daß beide Eingänge des Vergleichers 23 durch ein 1-Signal belegt sind. Der Vergleicher-Ausgang wechselt daher vom Nichtlauf-Signal A = 1 auf das Normallauf-Signal A=O und sperrt das UND-Glied 26 unabhängig davon, ob B = O oder B = 1 ist. Das heißt, dem Tasteingang wird weiterhin ein 1-Signal zugeführt, das die Torschaltung 13 aufgetastet hält und die nunmehr bei

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laufendem Motor in kürzeren Abständen folgenden Steuersignale S₁, S₂ als Schaltsignale Sa₁, Sa₂ und Ha₁, 3"a₂ durchläßt, so daß dem Steuereingang der Schaltglieder 4 und 5 abwechselnd 1-Signale im Rhythmus der Steuersignale zugeführt werden. Dementsprechend bleibt auch die Frequenz der Impulse am Verbindungspunkt 21 so hoch, daß das Meßsignal am Ausgang des Impulsfolgefrequenzmeßgliedes 22 ein 1-Signal und das Ausgangssignal A vom Vergleicher 23 das Normallauf-Signal A «■ O bleibt.

Wenn der Motor beziehungsweise Läufer 1 jedoch blockiert wird, zum Beispiel durch Überlastung, fehlt die Fdgefrequenz der Steuersignale S₁, S₂ und damit die der Impulse am Verbindungspunkt 21, so daß das Nichtlauf-Signal A = vorhanden ist. Die Folge ist, daß nunmehr wieder die Anlauf-Signale B=O vom UND-Glied 26 durchgelassen werden und so lange selbsttätig mit jedem Anlauf-Signal einen Anlaufversuch durchführen, bis die Blockierung, zum Beispiel von selbst, verschwunden und der Motor wieder hochgelaufen ist. Die zum Beispiel bei etwa 0,28 Sekunden liegende Dauer der Anlauf-Signale B=O ist jedoch im Verhältnis zu der bei etwa 22,4 Sekunden liegenden Gesamtperiodendauer des Signals B so kurz, daß die Anlauf-Signale B = 0 im blockierten Zustand des Motors für diesen keine schädlichen Folgen haben. Zwar treten im blockierten Zustand durch die Halt-Signale B = 1 bei einer solchen Stellung des Läufers, daß der Eingang 12 der Torschaltung 13 während der Dauer der Blockierung mit einem O-Signal S₂ belegt ist, aufgrund der wiederholten Unterbrechung des Stroms in der Ständerwicklung 2 am Verbindungspunkt 21 positive Impulse auf, diese haben jedoch die gleiche niedrige Frequenz wie die,Anlauf- und Halt-Signale B, so daß das Impulsfolgefrequenz-Meßsignal die Bezugsspannung nicht überschreitet und kein Normallauf-Signal A = 0 am Ausgang des Vergleichers 23 abgegeben wird.

Da zur Messung der Impulsfolgefrequenz der am Verbindungs-

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punkt 21 auftretenden positiven Impulse die Einhaltung einer Meßzeiteinheit erforderlich ist, ist das im Meßglied 22 enthaltene Zeitglied, das die Meßzeiteinheit bestimmt, so ausgelegt, daß gleichzeitig die erforderliche Wartezeit sichergestellt ist, die im Norinalbetrieb zum Hochlaufen des Motors eingehalten werden muß, bevor der Normalzustand durch das Auftreten des Norinallauf-Signals A=O signalisiert wird und die Anlauf-Signale B=O gesperrt werden.

Der Umschaltpunkt der Schaltglieder 4 und 5 liegt kurz vor der neutralen Drehwinkellage, in der die neutrale Achse des Läufers 1 mit der neutralen Achse des Ständers zusammenfällt. Im Umschaltpunkt fallen die Enden der Scheibe R etwa mit der neutralen Achse 35 des Ständers zusammen. Dies hat den Vorteil, daß die Umpolung des Ständerfeldes so rechtzeitig einsetzt, daß sie aufgrund natürlicher Verzögerungen abgeschlossen ist, wenn der Läufer die neutrale Drehwinkellage gerade durchlaufen hat. Das vom Ständerfeld ausgeübte Drehmoment wirkt dann während des Betriebs des Motors über einen großen Winkelbereich stets in der gewünschten Drehrichtung, hier in Richtung des Pfeils P. Würde die Umschaltung der Schaltglieder genau in der neutralen Drehwinkellage erfolgen, dann würde von da an bis zur endgültigen Umpolung des Ständerfeldes ein Bremsmoment auf den Läufer ausgeübt.

Diese Wahl der Lage des Umschaltpunktes kann jedoch eine Schwierigkeit beim Anlaufen ergeben, wenn der Läufer 1 in einer Drehwinkellage hält, in der seine neutrale Achse 34 zwischen einer mit dem Umschaltpunkt und einer mit der neutralen Achse 35 des Ständers zusammenfallenden Lage liegt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. In dieser Lage wird beim Einschalten des Motors durch das erste Anlaufsignal B = 0 ein Ständerfeld mit einer Polarität aufgebaut, das den Läufer 1 entgegen der gewünschten Drehrichtung P antreibt, bis kurz darauf der Umschaltpunkt erreicht ist und sich nach dessen Überschreitung ein Ständerfeld aufbaut, das den

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Läufer wieder abbremst und in der entgegengesetzten, das heißt der gewünschten Drehrichtung, antreibt. Da hierbei gleich wieder der Umschaltpunkt durchlaufen wird, polt sich das Ständerfeld erneut um, noch bevor die neutrale Drehwinkellage überschritten ist, da der vom Umkehrpunkt des Läufers aus in Richtung der gewünschten Drehrichtung P bis zum Umschaltpunkt zurückgelegte Drehwinkel zu gering ist, um dem Läufer eine zur Überwindung des durch die erneute Läuferfeldumpolung bis zum Erreichen der neutralen Drehwinkellage ausgeübten Gegendrehmomenis ausreichende Drehgeschwindigkeit zu erteilen. Hierbei wird das Gegendrehmoment noch durch den Dauermagneten 33 erhöht. Die Folge ist, daß der Läufer 1 ständig hin- und herpendelt, ohne hochzulaufen. Diese Betrachtungen gelten jedoch nur, wenn die Übersteuerungsschaltung 14, wie erwähnt, nicht vorhanden ist.

Durch den Einbau der Übersteuerungsschaltung 14 sind die Pendelschwingungen des Läufers 1 vermieden. Zur Erläuterung sei wieder angenommen, daß der Läufer 1 in der in Fig. 1 dargestellten Lage angehalten habe, so daß das O-Signal Sg, das Nichtlauf-Signal A = 1 und das Halt-Signal B = 1 auftreten. Der Tasteingang 15 der Torschaltung 13 ist daher mit einem O-Signal beaufschlagt, so daß beiden Schaltgliedern 4 und 5 zwangsläufig ein O-Signal Sa₁, beziehungsweise Sa₂ zugeführt wird. Beim Auftreten des ersten Anlauf-Signals B = O wird dagegen beiden Eingängen 15 und 28 ein 1-Signal zugeführt. Die Folge ist, daß die Torschaltung 13 aufgetastet und gleichzeitig das Zeitglied 29 ausgelöst wird, so daß dieses für die Dauer seiner Laufzeit ein 1-Signal erzeugt. Dieses 1-Signal wird durch das NICHT-Glied 30 in ein O-Signal invertiert und sperrt das UND-Glied 31. Da am Eingang 32 bereits ein O-Signal S_? ansteht, bleibt das O-Signal am Ausgang des UND-Gliedes 31 zwar erhalten, doch ändert sich der Signalzustand am Ausgang der Torschaltung 13 aufgrund des Auftretens des 1-Signalsam Tasteingang 15, so daß nunmehr die Signale Sa_Q und Sa₀ auftreten. Mithin wird das Schaltglied

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durchgesteuert, während das Schaltglied 5 gesperrt bleibt. Das sich nunmehr aufgrund des durch die Ständerwicklung 2 fließenden Stroms aufbauende Ständerfeld ist, wie in Fig. 1 dargestellt, so gerichtet, daß es den Läufer aus der in Fig. 1 dargestellten Lage entgegen der gewünschten Drehrichtung P antreibt. Die Dauer des Anlauf-Signals B=O und die demgegenüber kürzere Laufzeit des Zeitgliedes 29 sind jedoch so lang gewählt, daß der Läufer 1 noch während der Laufzeit des Zeitgliedes 29 den Umschaltpunkt passiert. Dabei erfolgt jetzt, weil das UND-Glied 31 weiterhin während der Laufzeit des Zeitgliedes 29 gesperrt bleibt, keine Umschaltung der Schaltsignale, obwohl nunmehr das Steuersignal S₁ auftritt. Die Folge ist, daß der Läufer 1 verhältnismäßig weit über den Umschaltpunkt, entgegen der gewünschten Drehrichtung P, hinwegläuft, bis schließlich die Laufzeit des Zeitgliedes 29 abgelaufen ist. Sobald die Laufzeit des Zeitgliedes 29 abgelaufen ist, wird der Tasteingang des UND-Gliedes 31 mit einem 1-Signal beaufschlagt, so daß es aufgetastet und das an seinem anderen Eingang 32 noch anstehende Steuersignal S* durchgeschaltet wird. Da noch das Anlauf-Signal B=O und damit das 1-Signal am Tasteingang 15 der Torschaltung 13 andauert, werden die Schaltsignale jetzt auf Sa^ und S"a^ umgeschaltet, so daß auch der Schaltzustand der Schaltglieder 4 und 5 wechselt und das Ständerfeld umgepolt wird, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Der Läufer 1 wird daher abgebremst und beginnt dann schließlich in der gewünschten Drehrichtung P wieder anzulaufen. Da ihm jetzt ein größerer Anlauf-Drehwinkel bis zum erneuten Erreichen des Umschaltpunktes und damit der neutralen Drehwinkellage zur Verfügung steht, kann er eine so hohe Drehgeschwindigkeit erreichen, daß er den Umschal tpunkt und die neutrale Drehwinkellage überläuft, obwohl sich das Ständerfeld beim Überlaufen des Umschaltpunktes erneut mit entgegengesetzter Polarität aufbaut. Das Ständerfeld kann daher bis zum Überlaufen der neutralen Drehwinkel-

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lage noch eine geringfügige Abbremsung bewirken, treibt den Läufer jedoch nach Überlaufen der neutralen Drehwinkellage weiter in der gewünschten Drehrichtung P an (Fig. 5). Das Anlauf-Signal B=O dauert noch mindestens bis zum Erreichen des nächsten Umschaltpunktes nach einer halben Umdrehung in Richtung P an. Aber auch die Drehgeschwindigkeit des Läufers ist inzwischen so weit angestiegen, daß dann der aus den Elementen 22 bis 24 gebildete Normallauf-Signalgeber mit der Abgabe des Normallauf-Signals A=O anspricht und die Aufrechterhaltung des 1-Signals am Tasteingang 15 der Torschaltung 13 übernimmt, bevor das Anlaufsignal B=O verschwindet. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß das Zeitglied 29 nicht erneut durch das Normallauf-Signal A=O oder ein weiteres Anlauf-Signal B=O ausgelöst wird, nachdem der Motor einmal richtig angelaufen ist.

Bei einem Anlauf aus einer anderen Drehwinkellage des Läufers 1, in der der Südpol S des Läufers 1 mehr dem Dauermagneten zugekehrt (Fig. 3 und 4) und der Drehwinkel bis zum Erreichen des Umschaltpunktes (35) hinreichend groß ist, tritt neben dem Nientlauf-Signal A = 1 zunächst (im Stillstand) das Steuersignal S. für die richtige Drehrichtung P auf. (An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Polungen des Ständerfeldes für die dargestellten Ruhelagen des Läufers 1 ohne Übersteuerung gelten.) Ein Anlauf-Signal B=O löst dann das Zeitglied aus, sperrt damit das UND-Glied 31 und tastet die Torschaltung 13 am Eingang 15 auf. Mithin wird das Schaltsignal von S*a,, auf Sa_? umgeschaltet, während das Schaltsignal Sa₂ bestehen bleibt. Der somit in der Ständerwicklung 2 eingeschaltete Strom baut daher ein Ständerfeld auf, dessen Nordpol im linken Polschuh des Ständers liegt. Der Läufer 1 läuft mithin (zunächst) wieder entgegengesetzt zur gewünschten Drehrichtung P an, jedoch kehrt sich das Ständer-Drehmoment noch vor Ablauf der Laufzeit des Zeitgliedes

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bei Erreichen der Neutrallage aufgrund der gleichbleibenden Ständerfeldrichtung um, so daß der Läufer bei Ablauf der Laufzeit des Zeitgliedes 29 wegen des noch andauernden Steuersignals S^ in der gewünschten Drehrichtung weiterläuft. Der Anlauf beginnt daher aus dieser Ruhelage ebenfalls mit einer kurzzeitigen kleinen Teilumdrehung entgegen der gewünschten Drehrichtung P, doch läuft der Motor dann, unterstützt durch den Dauermagneten 33, in der gewünschten Drehrichtung weiter, ohne daß Dauerpendelungen beim Anlauf auftreten. Auch bei einem Anlauf aus irgendeiner anderen Ruhelage heraus führt der Läufer keine Pendelungen beziehungsweise Drehschwingungen aus. Beginnt der Anlauf dagegen aus einer Drehwinkellage nach den Figuren 2, 5 und 6, also wenn der Nordpol N des Läufers näher beim Dauermagneten 33 als beim Fühler 7 oder in der Mitte des rechten Ständerpolschuhs steht, dann wird der Läufer 1 ohne Richtungsumkehr in der richtigen Richtung P weiter angetrieben.

Ohne den zusätzlichen Dauermagneten 33 würde der Dauermagnet-Läufer 1 bei abgeschaltetem Motor, also entmagnetisiertem Ständer, eine der beiden Neutrallagen einnehmen, da sich die Pole des Läufers 1 in das Gebiet der größten Eigenmasse ausrichten. Der Dauermagnet 33 sorgt jedoch dafür, daß der Läufer 1 entweder die Lage nach Fig. 1 oder die Lage nach Fig. 3 einnimmt. Die Lage nach Fig. 3 wird jedoch häufig überlaufen, da der Schwung des auslaufenden Läufers 1 und die Magnetkraft in dieser Lage gleichgerichtet sind, so daß meistens die Lage nach Fig. 1 eingenommen wird. In dieser Lage bestünde ohne die Übersteuerungsschaltung 14 die Gefahr des Pendeins, ohne daß der Motor anliefe.

Wenn der Dauermagnet 33 umgekehrt, als dargestellt, gepolt ist, kann prinzipiell das gleiche Anlaufverhalten dadurch erreicht werden, daß der Tasteingang 28 der Übersteuerungsschaltung 14 nicht mit dem Eingang 15, sondern mit dem Ausgang des NICHT-Gliedes 20 der Torschaltung 13 verbunden wird, das Verknüpfungsglied 31^f als ODER-Glied ausgebildet und das Zeitglied 29' umgepolt wird, so daß es durch einen O-1-Sprung

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ausgelöst und während seiner Laufzeit ein O-Signal abgibt, wie es in '''ig. 7 dargestellt ist, während der übrige Aufbau der Steuerschaltung nach Fig. 1 unverändert bleiben kann.

Fig. 8 stellt ein ausführlicheres Schaltbild eines Teils der Steuerschaltung nach Fig. 1 dar. Danach enthalten die Schaltglieder 4 und 5 jeweils einen Transistor 37 beziehungsweise 38 mit antiparallel geschalteter Freilaufdiode 39 beziehungsweise 40. Der steuerbare Oszillator 10, der durch Impulse des magnetfeldabhängigen Fühlers 7 ein- und ausgeschaltet wird, schwingt im eingeschalteten Zustand mit einer Frequenz von etwa 100 kHz. Der nachgeschaltete Demodulator 11 erzeugt aus der Hüllkurve der entsprechend der Drehzahl des Läufers 1 ein- und aussetzenden Oszillatorschwingungen die Steuersignale, aus denen die Schaltsignale für die Transistoren 37 und 38 abgeleitet werden. Zu diesem Zweck enthält der Demodulator 11 eingangsseitig einen Koppelkondensator 41, zwei einen Einweggleichrichter bildende Dioden 42, 43, einen Glättungskreis aus einem Widerstand 44 und einem Kondensator 45 in Parallelschaltung sowie einen Ausgangswiderstand 46. Die Verknüpfungsglieder 16 und 17 der Torschaltung 13 enthalten zwei im Gegentakt geschaltete Transistor-Schaltstufen,denen das NICHT-Glied 20 mit einem Transistor 47 gemeinsam ist. Der Transistor 47 liegt über je einen Widerstand in Reihe mit jeweils einem weiteren Transistor 48 beziehungsweise 49, un der kollektorseitige Ausgang des Transistors 48 ist mit der Basis des Transistors 49 verbunden. Wenn daher der gemeinsame Transistor 47 gesperrt wird, dadurch daß dem Tasteingang 15 ein O-Signal zugeführt wird, kann auch durch die Transistoren 48 und 49 praktisch kein Strom fließen, so daß beide Transistoren 48 und 49 ausgangsseitig ein 1-Signal abgeben, daß den Transistoren 37 und 38 aufgrund der Umkehr in den NICHT-Gliedern 18 und 19 als sperrendes O-Signal zugeführt v/ird. Das NICHT-Glied 27 enthält ebenfalls einen als Umkehrverstärker geschalteten Transistor 50.

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Das Zeitglied 29 enthält einen Kondensator 51 im Eingangszweig sowie einen ohmschen Widerstand 52 mit parallelgeschalteter Diode 53, die vom Ausgang des Zeitgliedes 29 nach Masse (O) gelegt sind, so daß der Kondensator 51 in Verbindung mit dem Widerstand 52 auch als differenzierendes RC-Glied wirkt. Das NICHT-Glied 30 enthält einen Transistor 54.

V/enn am Tasteingang 28 durch das Sperren des Transistors 50, weil seiner Basis ein Anlauf-Signal B=O zugeführt wird, ein O-1-Sprung auftritt, bildet der Kondensator 51 praktisch einen Kurzschluß, so daß der Transistor 54 völlig durchgesteuert wird. Sobald der mit der im wesentlichen durch den Widerstand 52 bestimmten Zeitkonstanten abnehmende Strom des Kondensators 51 einen unteren Grenzweri^jnterschreitet, ist der Transistor 54 wieder gesperrt. Im leitenden Zustand des Transistors 54 ist die Spannung zwischen der Basis des Transistors 48 und Masse (0) so niedrig, daß der Transistor unabhängig von der Ausgangsspannung des Demodulators 11 leitend bleibt. Der Verbindungspunkt vom Demodulator 11 und NICHT-Glied 30 an der Basis des Transistors 48 hat daher die Punktion des UND-Gliedes 31. Die Diode 43 stellt praktisch einen Kurzschluß für einen 1-0-Sprung am"Eingang 28 dar.

Die Ausführung nach Fig. 9 entspricht der nach Fig. 7. Das Zeitglied 29' ist am Kollektor des Transistors 47 angeschlossen und umgekehrt gepolt als bei der Ausführung nach Fig. 8. Die Smitter-Kollektor-Strecke des Transistors 54 liegt im Basis-Emitter-Kreis des Transistors 48. Aufgrund der umgekehrten Polung des Zeitgliedes 29' wird es nicht durch einen 0-1-Sprung, sondern durch einen 1-0-Sprung ausgelöst, wobei es während seiner Laufzeit ein O-Signal abgibt, während der Transistor 54 nicht durch ein 1-Signal, sondern durch ein 0-Signal durchgesteuert wird, so daß das Ausgangssignal des Demodulators 11 bei einem Anlauf-Signal B=O übersteuert wird. Dies entspricht einer ODER-Funktion des Verknüpfungsgliedes 31'.

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-15-

e e r s e

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Claims

Patentansprüche

1. Steuerschaltung für einen selbstanlaufenden Elektromotor mit einem Dauermagnet-Laufer, einem zwei Wicklungen aufweisenden Ständer und mit diesen in Reihe an einer Betriebsgleichspannung liegenden elektronischen Schaltgliedern, deren Schaltzustände von im Gegentakt auftretenden Schaltsignalen, die aus Steuersignalen eines die Läuferdrehwinkellage auch im Stillstand erfassenden Fühlers abgeleitet sind, so steuerbar sind, daß das Ständerfeld in Abhängigkeit von der Drehwinkellage des Läufers seine Richtung ändert, und mit einer derart gewählten Magnetfeldverteilung zwischen Ständer und Läufer, daß der Läufer als Ruhelage höchstens eine gegenüber der Neutrallage (der neutralen Drehwinkellage) versetzte Winkellage einnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der normale Umschaltpunkt der Schaltglieder (4, 5) kurz vor jeder Neutrallage des Läufers liegt und eine Übersteuerungsschaltung (14) vorgesehen ist, die in einer Ruhelage des Läufers (1), die einer nach dem Überschreiten des Umschaltpunktes in der gewünschten Drehrichtung und vor der darauffolgenden Neutrallage des Läufers (1) liegenden Drehwinkellage entspricht, das in dieser Drehwinkellage leitende Schaltglied (4; 5) während einer Übersteuerungszeit - unabhängig von dem während dieser Zeit vom Fühler (7) erzeugten Steuersignal (S..)-leitend hält.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Anlauf des Motors vom Einschaltaugenblick an mit einer Übersteuerungszeit eingeleitet und der den Steuersignalen in

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einer kritischen, extremen Ruhelage entsprechende Schaltzustand der Schaltglieder (4, 5) zwangsläufig eingestellt wird.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Übersteuerungsschaltung (14) ein Signal vorbestimnrter Dauer erzeugt wird, des beim Anlauf anstelle des Steuersignals (S₁, S₂) zur Ableitung der

Sehaltsignale (Sa₂, Sa₂) dient.

4. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den elektronischen Schaltgliedern (4; 5) die Schaltsignale (Sa^, Sa₂; Sa., S~a₂) über eine Torschaltung (13) zuführbar sind, die in Abhängigkeit von dem Normallauf-Signal (A=O) aufgetastet wird und im Anlaufaugenblick sowie bei blockiertem Läufer (1) von einem vom Normallauf-Signalgeber (22-24) unabhängigen Impulsgeber (25) abwechselnd verhältnismäßig kurze Anlauf-Signale (B=O) als Auftastsignale sowie längere Halt-Signale (B=1) als Sperrsignale erhält, die bei normalem Betrieb von dem Normallauf-Signal (A=O) übersteuert werden.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale (S₁, S₂) des Fühlers (7) der Torschaltung über einen Eingang (12) der Übersteuerungsschaltung (14) zugeführt werden.

6. Steuerschaltung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tasteingang (15) der Torschaltung (13) mit dem Tasteingang (28) der Übersteuerungsschaltung (14) verbunden ist, und daß den beiden Eingängen (15, 28) das Anlauf-(B=0), das HaIt-(B=I) und das Normallauf-Signal (A=O) zugeführt werden.

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7. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersteuerungsschaltung (14) auf die Vorderflanke eines Laufsignals (A=O bzw. B=O) anspricht.

8. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ansprechen der Übersteuerungsschaltung die Steuersignale (S., Sp) unwirksam gemacht werden und die Torschaltung (13) auf einen vorbestimmten Schaltzustand umgeschaltet wird.

9. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Übersteuerungszeit kürzer als ein Anlaufsignal (B=O) ist.

10. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersteuerungsschaltung (14) ein Zeitglied (29; 29') und ein von diesem beaufschlagtes Verknüpfungsglied (31, 31') aufweist, das in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Zeitgliedes (29; 29') das Steuersignal (S_-1) des Fühlers (7) sperrt und die Torschaltung (13) umschaltet und beide nach Ablauf der Übersteuerungszeit wieder freigibt.

11. Steuerschaltung nach Anspruch 4 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (29; 29') in Abhängigkeit von dem dem^asteingang (15) der Torschaltung (13) zugeführten Signal auslösbar ist und die Übersteuerungsschältung (14) den Übertragungseingang (12) der Torschaltung (13) beaufschlagt.

12. Steuerschaltung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (29, 29') ein differenzierendes RC-Glied enthält und zwischen dem Verknüpfungsglied (31; 31') lind dem Zeitglied (29, 29') eine Schaltstufe (30) liegt.

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