DE2931686C2

DE2931686C2 -

Info

Publication number: DE2931686C2
Application number: DE2931686A
Authority: DE
Inventors: Benno 7742 St Georgen De Doemen
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1979-08-04
Filing date: 1979-08-04
Publication date: 1990-08-16
Also published as: US4449081A; DE2931686A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung mit einem kollektorlosen Gleich strommotor mit permanentmagnetischem Rotor und mit einer elektronischen Kommutierungseinrichtung, die zwei Halbleiterschaltstufen aufweist, welche über die beiden Ausgänge eines ein magnetfeldabhängiges Fühlerelement bildenden Hallgenerators in Abhängigkeit von der Rotorstellung gesteuert werden.

Bei einer bekannten Antriebsanordnung dieser Art (DE-OS 27 47 036) besteht das Problem, daß Hallgeneratoren einen nicht unerheblichen Temperaturgang haben und auch relativ große Exemplarstreuungen auftreten können. Dadurch kann die erwünschte lückende Strombeaufschlagung der Wicklungsanordnung, d. h. die Sperrung des Wicklungsstromflusses im Bereich der Kommutierungszeit punkte, gefährdet werden. Es kann zu übermäßigem Stromfluß in dem wirkungs losen Zwischenbereich des Magnetfeldes und damit zu unerwünschten Wirkungs gradvermietungen oder gar zur Zerstörung der Halbleiterschaltstufen und/oder der Wicklungsanordnung kommen.

Es ist auch bekannt (DE-Z"Elektronik", 1969, Heft 4, Seiten 97 bis 99), bei Hall generatoren für eine Temperaturkompensation mit Hilfe einer temperaturabhän gigen Steuerstromregulierung über eine Heißleiter-Widerstandskombination und eine Z-Diode zu sorgen. Dies erfordert jedoch einen relativ großen zusätzlichen Schaltungsaufwand.

Bei einer anderen bekannten Temperaturkompensationsschaltung für Hallgene ratoren (US-PS 36 22 898) wird der Umstand, daß Temperaturänderungen Ein fluß nicht nur auf die Ausgangsspannung, sondern auch auf den Innenwiderstand des Hallgenerators haben und daß sich dementsprechend der Hallgenerator-In nenwiderstand zusammen mit der Hallkonstanten ändert, in der Weise genutzt, daß der eine Ausgang des Hallgenerators über einen Kondensator an den inver tierenden Eingang eines rückgekoppelten Verstärkers angekoppelt wird, während der andere Hallgeneratorausgang an den nichtinvertierenden Eingang dieses Verstärkers angeschlossen wird. Dadurch wird von dem Hallgenerator ein am Ausgang des Verstärkers auftretendes, einziges, temperaturkompensiertes Aus gangssignal abgeleitet. Bei Antriebsanordnung der vorliegend betrachteten Art sind aber zwei Steuersignale zum getrennten Ansteuern der beiden Halbleiter schaltstufen erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Antriebsanordnung der ein gangs genannten Art für eine einfache und besonders wirkungsvolle Kompensa tion des Temperaturgangs und/oder der durch Exemplarstreuungen bedingten Hallgeneratorempfindlichkeit zu sorgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen jeden der beiden Ausgänge des Hallgenerators und die beiden Halbleiterschaltstufen je weils eine rückgekoppelte Verstärkerstufe geschaltet ist, deren mit dem Verstär kerstufenausgang über einen im Vergleich zu dem hallseitigen Innenwiderstand des Hallgenerators großen Rückkopplungwiderstand verbundener Eingang an jeweils einen der Hallgeneratorausgänge unmittelbar derart angeschlossen ist, daß der hallseitige Innenwiderstand des Hallgenerators als Teil der Rückkopp lung sowohl der einen als auch der anderen Verstärkerstufe wirkt.

Durch die erfindungsgemäße Art der Einbeziehung des temperaturabhängigen hallseitigen Innenwiderstands des Hallgenerators in den Rückkopplungskreis beider Verstärkerstufen wird auf vergleichsweise einfache und verläßliche Weise über die in der Praxis in Betracht kommenden Temperaturbereiche hinweg eine relativ genaue Temperaturkompensation für die Ansteuersignale beider Halblei terschaltstufen erreicht. Weil im allgemeinen Hallgeneratoren mit geringem In nenwiderstand auch ein relativ kleines Ausgangssignal abgeben, lassen sich durch die erfindungsgemäße Ausnutzung des Hallgeneratorinnenwiderstandes als Teil der Rückkopplung der beiden anschließenden Verstärkerstufen auch Empfind lichkeitsstreuungen der einzelnen Hallgeneratoren weitgehend kompensieren.

Vorzugsweise ist die Antriebsanordnung so ausgelegt, daß der hallseitige Innen widerstand des Hallgenerators zusammen mit dem konstanten Rückkopplungswi derstand einen Spannungsteiler bildet, an dem die Summe aus der Verstärker ausgangsspannung und der Hallspannung anliegt , und daß der Teilerabgriff mit dem Eingang der betreffenden Verstärkerstufe verbunden ist. Die Verstärkung der rückgekoppelten Verstärkerstufen ist dann durch den Quotienten aus Rück kopplungswiderstand und Hallgeneratorinnenwiderstand bestimmt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Ausgänge des Hallgene rators mit dem Eingang der nachgeschalteten Verstärkerstufe jeweils unmittelbar verbunden. Nachdem die Verstärkerstufeneingänge gleichzeitig den Knotenpunkt der zum Ausgang der Verstärkerstufen führenden Rückkopplungsschleifen bil den, wird der Hallgenerator weitgehend im Kurzschluß betrieben.

Vorzugsweise sind ferner die beiden Verstärkerstufen aus Operationsverstärkern aufgebaut, mit deren negierendem Eingang der betreffende Ausgang des Hallge nerators unmittelbar verbunden ist. Solche Verstärker sind in der Lage, ein relativ großes Ausgangssignal bei gleichzeitig verbesserter Kompensationswirkung abzugeben. Der Hallgenerator arbeitet ausgangsseitig nahezu vollkommen im Kuzschluß.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Antriebsanordnung nach der Erfindung sind anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Hallgenerators mit nachgeschaltetem, rückgekoppeltem Verstärker,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Antriebsanordnung nach der Erfindung mit einer gemischten Halbleiterschaltung- und Spulenbrücke, sowie

Fig. 3 ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der An triebsanordnung mit einer Halbleiterschalter-Vollbrücke.

In Fig. 1 stellt 1 das Ersatzschaltbild eines Hallgenerators bestehend aus der die Hallspannung U _H abgebenden Spannungsquelle H und dem hallseitigen Innen widerstand oder Bahnwiderstand R _H dar. Der Ausgang des Hallgenerators ge mäß dem Ersatzschaltbild 1 ist mit dem negierenden Eingang eines Verstärkers 2 verbunden, von dessen Ausgang ein Rückkopplungswiderstand R _R zu dem negierenden Eingang zurückführt. Bei dieser Schaltungs auslegung ist die Ausgangsspannung U _A des Verstärkers 2 gege ben durch

U _A=V · U _H (1).

Die Verstärkung V des rückgekoppelten Verstärkers 2 ergibt sich zu

Falls der Rückkopplungswiderstand R _R wesentlich größer als der hallseitige Innenwiderstand R _H gewählt ist, vereinfacht sich die Gleichung (2) zu

Für die Temperaturabhängigkeit der Hallspannung U _H und des Innenwiderstandes R _H gilt

U _H=U _OH · K_T (4)

sowie

R _H=R _OH · K_T (5)

wenn mit K _T der Temperaturkoeffizient bezeichnet wird. Durch Einsetzen der Gleichung (3), (4) und (5) in die Gleichung (1) folgt

bzw.

Aus der Gleichung (7) ist zu erkennen, daß die Ausgangsspannung U _A unabhängig von dem Temperaturkoeffizienten K _T wird, und daß dies nicht nur für einen bestimmten Abgleichpunkt, sondern über den vollen Temperaturbereich gilt, solange nur die Tempe raturkoeffizienten für die Hallspannung und für den hallseiti gen Innenwiderstand einander entsprechen, eine Bedingung, die in der Praxis innerhalb des infragekommenden Temperaturbe reichs erfüllt ist.

Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Antriebsanordnung, bei der ein kollektorloser Gleichstrommotor mit permanentmag netischem Rotor und einer aus zwei Statorspulen 5, 6 bestehenden Wicklungsanordnung vorgesehen ist. Die Statorspulen 5, 6 sind jeweils mit einem Schalttran sistor 7, 8 in Reihe geschaltet. Sie bilden gemeinsam mit diesen Transistoren eine gemischte Spulen-Halbleiterschalter brücke. Die Schalttransistoren 7, 8 werden über Vorwiderstände 9 bzw. 10 von einem zugeordneten Treibertransistor 11 bzw. 12 angesteuert. In Reihe mit den parallelen Brücken zweigen 5, 7 und 6, 8 liegt ein niederohmiger Meßwiderstand 13, an dem eine Spannung abfällt, die proportional zu dem über die Spulenanordnung 5, 6 fließenden Strom ist. Der Kop pelpunkt 14 zwischen dem Meßwiderstand 13 und der Brücken schaltung 5, 6, 7, 8 ist an den Emitter eines Vergleicher transistors 15 angeschlossen. Die Emitter-Kollektor-Strecke des Meßtransistors 15 und ein diesem Transistor zugeordneter Kollektorwiderstand 16 liegen in Reihe mit der Emitter-Kollek tor-Strecke der beiden Treibertransistoren 11, 12.

Ein als magnetfeldabhängiges Fühlerelement dienender Hall generator 18 liegt in Reihe mit Widerständen 19, 20, 21 so wie einer Diode 22 an der Betriebsspannung (OV, +UB). Die Hallgeneratorausgänge 23, 24 sind an die negierenden Eingänge 26 bzw. 27 von Operationsverstärkern 29, 30 unmittelbar an geschlossen. Zwischen dem negierenden Eingang 26, 27 und dem Ausgang der Operationsverstärker 29, 30 liegt jeweils ein Rückkopplungswiderstand 31 bzw. 32. Der jeweils andere Ein gang der Operationsverstärker 29, 30 steht mit der Mittelan zapfung eines von zwei Widerständen 33, 34 gebildeten Spannungs teile in Verbindung, der parallel zu der Steuerstrecke des Hallgenerators 18 liegt.

Die Ausgänge der Operationsverstärker 29, 30 sind an die Basen jeweils eines der Treibertransistoren 11, 12 ange schlossen. Sie stehen ferner über jeweils einen Kondensa tor 35, 36 mit den beiden Eingängen einer Vollweggleich richterbrücke 37 in Verbindung. Die Brücke 37 liegt in Reihe mit einem Widerstand 38 zwischen +UB und der Basis des Vergleichertransistors 15. Parallel zu der Reihenschal tung aus Brücke 37 und Widerstand 38 ist ein Widerstand 39 geschaltet.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 arbeitet wie folgt:

In Abhängigkeit von der Rotorstellung liefert der Hallgenerator 18 eine magnetfeldabhängige Hallspannung, die in den rückgekoppelten Operationsverstärkern 29, 30 phasenrichtig verstärkt und an die Eingänge der Treibertransistoren 11, 12 sowie über die Kondensatoren 35, 36 auf die Gleichrichter brücke 37 gegeben wird. Die verstärkte Hallspannung wird mittels der Brücke 37 gleichgerichtet. Am Ausgang der Brücke 37 wird ein Signal erzeugt, das im wesentlichen proportional dem Betrag des vom Hallgenerator 18 erfaßten Magnetfeldes ist. Dieses Signal liegt an der Basis des Vergleichertran sistors 15 und wird von diesem mit dem am Meßwiderstand 13 gebildet, dem Strom in den Statorspulen 5 bzw. 6 propor tionalen Signal verglichen. Anhand dieses Vergleichs regelt der Transistor 15 über seine Kollektor-Emitter-Strecke den von den Treibertransistoren 11, 12 für die Endstufen-Schalt transistoren 7, 8 angelieferten Steuerstrom derart, daß der Motorstrom weitgehend proportional dem Betrag des erfaßten Magnetfeldes ist.

Wird beispielsweise über den Operationsverstärker 29 bei hin reichend großem Feld der Treibertransistor 11 angesteuert, wird der Schalttransistor 7 leitend. Die Statorspule 5 wird mit Strom beaufschlagt. Wenn dann im Verlauf der Rotordrehung das Magnetfeld schwächer wird, wird der Transistor 7 über den Treibertransistor 11 gesperrt. Nach der Kommutierungslücke wird umgekehrt über den Treibertransistor 12 der Schalttran sistor 8 leitend gemacht, so daß Strom über die Statorspule 6 fließt. Da der Vergleichstransistor 15 eine relativ große Basis-Emitter-Schwellspannung hat, ist im Bereich kleiner Felder eine starke Nichtlinearität gegeben. Der Steuerstrom des betreffenden Treibertransistors 11 oder 12 wird vorzeitig gesperrt.

Aufgrund der vorstehend anhand der Fig. 1 erläuterten Art der Rückkopplung der Verstärker 29, 30 unter Einbeziehung des hall seitigen Innenwiderstands des Hallgenerators 18 bleiben Tempe raturänderungen ebenso wie Empfindlichkeitsschwankungen des Hallgenerators 18 im wesentlichen ohne Einfluß auf die Ar beitsweise der Antriebsanordnung. Durch den Temperaturgang der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 15 läßt sich eine etwaige restliche Temperaturabhängigkeit des Hallgenerators kompensieren.

Sollte der Motor blockieren, wird durch Aufladung des Kon densators 35 und/oder 36 die weitere Stromzufuhr zu der Wick lungsanordnung 5, 6 unterbrochen. Der Motor wird dadurch ge gen Beschädigung wirkungsvoll geschützt.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Antriebsanordnung mit einem zweipoligen kollektorlosen Gleichstrom motor, der einen permanentenmagnetischen Rotor und eine einsträngige Statorwicklung 41 aufweist, die über eine Gleichrichtervollbrücke mit Endstufentransistoren 42, 43, 44, 45 mit Strom in wechselnder Richtung beauf schlagt wird.

In der Statorwicklung 41 wird ein Wechselfeld erzeugt, das durch einen Hallgenerator 46 in Abhängigkeit von der Rotor stellung gesteuert wird. Der Hallgenerator 46 liegt in Reihe mit Widerständen 47, 48 an der Betriebsspannung (+UB, 0). Die Hallgeneratorausgänge 49, 50 sind mit den Basen von Transistoren 51, 52 eines Differenzverstärkers verbunden. Die Transistoren 51, 52 sind über Widerstände 53 bzw. 54 rückgekoppelt, die zusammen mit dem hallseitigen Innenwider stand des Hallgenerators 46 das Rückkopplungsnetzwerk für die Transistoren 51, 52 bilden. Die Kollektoren der Transistoren 51, 52 sind mit den Basen von Transistoren 56, 57 sowie dem Emitter des jeweils anderen dieser beiden Transistoren ver bunden. Die Transistoren 56, 57 dienen der Pegelumsetzung und Schwellspannungsbildung, um für die notwendigen Lücken in der Bestromung der Statorwicklung 41 im Bereich kleiner Feldstär ken, d. h. im Bereich der Kommutierungszeitpunkte, zu sorgen. Dies wird dadurch erreicht, daß bei kleinen Feldern die von den Transistoren 51, 52 abgegebene Spannung kleiner als die Basisemitterspannung der Transistoren 56, 57 bleibt.

Über die Transistoren 56, 57 werden Treibertransistoren 59, 60 für die Endstufentransistorpaare 42, 43 bzw. 44, 45 angesteuert. Den Kollektor-Emitter-Strecken der Endstufentransistoren 42 bis 45 sind Dioden 61, 62, 63 bzw. 64 zum Schutz gegen Spannungs spitzen durch Umwandlung der in der Statorwicklung 41 gespeicherten magnetischen Energie in elektrische Energie beim Über gang der Endstufentransistoren in den gesperrten Zustand pa rallelgeschaltet.

Die Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:

Wird der Hallgenerator 46 vom Magnetfeld erregt, wird einer der beiden Transistoren 51, 52, z. B. der Transistor 51, leitend. Bei hinreichend großem Feld und dadurch bedingtem Überschreiten der Basis-Emitter-Schwellspannung des Transistors 56 wird auch dieser Transistor angesteuert. Der Transistor 56 zieht über die Kollektor-Emitter-Strecke des Treibertransistors 59 Strom. Der von dem Transistor 59 gebildete Treiberkreis wird durch gesteuert. Dadurch werden die Endstufentransistoren 42 und 43 leitend. Die Statorwicklung 41 wird in der durch den Pfeil 66 angedeuteten Richtung von Strom durchflossen.

Wird nun im Verlauf der Rotordrehung das auf den Hallgenerator 46 einwirkende Magnetfeld schwächer, wird kurz vor der bevor stehenden Kommutierung die am Transistor 51 anliegende Steuer spannung so klein, daß die Leitfähigkeit des Transistors 56 verringert wird. Wegen der Nichtlinearität, die zwischen der Basis-Emitter-Spannung und dem Kollektorstrom eines Transistors besteht, wird der Transistor 56 relativ schnell vom voll lei tenden Zustand in den voll gesperrten Zustand gesteuert. Da durch wird der Treibertransistor 59 mit Sicherheit gesperrt, bevor das Magnetfeld gegen Null geht. Durch diese rasche Sperrung wird ferner der Wirkungsgrad der Anordnung verbessert.

Bei weiterer Rotordrehung kehrt das Feld, nachdem es zu Null geworden ist, seine Polarität um. Der Transistor 52 wird lei tend. Die Spannung zwischen den Kollektoren der Transistoren 51, 52 wird allmählich größer. Wenn die Differenzspannung den der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 57 entsprechenden Schwellwert erreicht hat, wird der Transistor 57 schnell vom gesperrten in den leitenden Zustand gesteuert. Über den Trei bertransistor 60 wird das Enstufentransistorpaar 44, 45 lei tend gemacht. Die Statorwicklung 41 wird in der dem Pfeil 66 entgegengesetzten Richtung von Strom durchflossen.

Auch bei dieser Schaltungsauslegung stellt die Einbeziehung des hallseitigen Innenwiderstandes des Hallgenerators 46 in das Rückkopplungsnetzwerk der von den Transistoren 51, 52 gebildeten Differenzverstärkerstufe eine wirkungsvolle Temperatur kompensation sicher. Der Hallgenerator 46 wird ausgangs seitig im wesentlichen im Kurzschluß betrieben.

Claims

1. Antriebsanordnung mit einem kollektorlosen Gleichstrommotor mit perma nentmagnetischem Rotor und mit einer elektronischen Kommutierungsein richtung, die zwei Halbleiterschaltstufen aufweist, welche über die beiden Ausgänge eines ein magnetfeldabhängiges Fühlerelement bildenden Hallgenerators in Abhängigkeit von der Rotorstellung gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeden der beiden Ausgänge (23, 24; 49, 50) des Hallgenerators (18, 46) und die beiden Halbleiterschaltstufen (7, 8, 11, 12; 43, 45, 59, 60) jeweils eine rückgekoppelte Verstärkerstufe (29, 30; 51, 52, 56, 57) geschaltet ist, deren mit dem Verstärkerstufenausgang über einen im Vergleich zu dem hallseitigen Innenwiderstand (R _H) des Hallgenerators großen Rückkopplungswiderstand (31, 32; 53, 54) verbundener Eingang an jeweils einen der Hallgeneratorausgänge (23, 24; 49, 50) unmittelbar derart angeschlossen ist, daß der hallseitige Innenwiderstand (R _H) des Hallgenerators (18, 46) als Teil der Rückkopplung sowohl der einen als auch der anderen Verstärkerstufe (29, 30; 51, 52, 56, 57) wirkt.

2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hall seitige Innenwiderstand (R _H) des Hallgenerators (18, 46) zusammen mit dem konstanten Rückkopplungswiderstand (31, 32; 53, 54) einen Spannungsteiler bildet, an dem die Summe aus der Verstärkerausgangsspannung und der Hallspannung anliegt, und daß der Teilerabgriff mit dem Eingang der betreffenden Verstärkerstufe (29, 30; 51, 52, 56, 57) verbunden ist.

3. Antriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei den Ausgänge (23, 24; 49, 50) des Hallgenerators (18, 46) mit dem Eingang der nachgeschalteten Verstärkerstufe (29, 30; 51, 52, 56, 57) jeweils unmittelbar verbunden sind.

4. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstärkerstufen aus Operationsver stärkern (29, 30) aufgebaut sind, mit deren negierendem Eingang der betreffende Ausgang (23, 24) des Hallgenerators (18) unmittelbar verbunden ist.