DE3116945C2

DE3116945C2 -

Info

Publication number: DE3116945C2
Application number: DE19813116945
Authority: DE
Inventors: Claus Dipl.-Ing. Holfert; Dieter Zahn; Juergen Dipl.-Ing. Ddr 7302 Hartha Dd Jerzembek
Original assignee: VEB ELEKTROMOTORENWERK HARTHA DDR 7302 HARTHA DD
Current assignee: VEB ELEKTROMOTORENWERK HARTHA DDR 7302 HARTHA DD
Priority date: 1980-05-27
Filing date: 1981-04-29
Publication date: 1989-09-28
Also published as: JPS5713990A; HU189523B; DE3116945A1; PL231326A1; CH656991A5; NL8102462A; RO84949B; RO84949A; PL139520B1; BG35589A1; CS233781A1; DD156508A3

Description

Die Erfindung betrifft die Schaltungsanordnung zur elektro nischen Abkommutierung der Ständerwicklung bei elektronisch kommutierten Motoren kleiner Leistung, die z. B. als Antriebe in Geräte der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden.The invention relates to the circuit arrangement for electro African commutation of the stator winding for electronic commutated motors of low power, the z. B. as drives be used in consumer electronics devices.

Es ist bekannt, daß die hohen Induktionsspannungsimpulse, die beim Abschalten der einzelnen Ständerwicklungen bei derartigen Antrieben entstehen, z. B. durch Z-Dioden, Varistoren oder Widerstände begrenzt werden müssen. Dabei wird ein Teil der Spulenenergie durch diese Bauelemente vernichtet. Damit der Abbau der im Magnetfeld der Spule gespeicherten Energie in dieser Form realisierbar ist, ist es erforderlich, daß die Amplitude der Impulse bei Z-Dioden und Varistoren stets größer als der Spitzenwert der EMK des Motors ist, bzw. daß bei Widerständen ein Stromfluß in der genera torischen Halbwelle zustande kommt. Die GB 12 27 025 bzw. die GB 15 15 186 zeigen beispielhaft derartige Anordnungen.It is known that the high induction voltage pulses, when switching off the individual stator windings such drives arise, for. B. by zener diodes, varistors or resistances must be limited. In doing so, a Part of the coil energy destroyed by these components. So that the degradation of those stored in the magnetic field of the coil Energy is feasible in this form, it is necessary that the amplitude of the pulses in Z diodes and varistors is always greater than the peak EMF of the motor, or that with resistors a current flow in the genera toric half-wave comes about. GB 12 27 025 or GB 15 15 186 show examples of such arrangements.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Abbau der Spulen energie durch die Spule selbst unabhängig von der Kummu tierungsfrequenz und vom Motorstrom so zu steuern, daß nur kleine, definierte Spannungsimpulse induziert werden und der Spulenstrom kontinuierlich und vollständig gegen Null geht. The aim of the invention is to dismantle the coils energy through the coil itself regardless of the Kummu tion frequency and to be controlled by the motor current so that only small, defined voltage pulses are induced and the Coil current continuously and completely goes to zero.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß zwei Tran sistoren derart zusammengehalten sind, daß der Kollektor des einen Transistors mit der Basis des zweiten Transistors, der Kollektor des zweiten Trasistors mit der Basis des ersten Transistors verbunden wird und zwei Widerstände je weils zwischen Basis und Emitter der Transistoren einge fügt werden und über ein in Reihe mit den Transistoren, Widerständen liegenden Ankoppelelement einer Ständerwick lung derart parallel geschalten wird, daß die Bauelemente der Schaltungsanordnung bei Ansteuerung der Ständerwick lung durch einen Schalttransistor invers, d. h. in Sperr richtung gepolt sind.According to the invention this is achieved in that two tran Sistors are held together so that the collector one transistor with the base of the second transistor, the collector of the second transistor with the base of the first transistor is connected and two resistors each Weil between the base and emitter of the transistors be added and in series with the transistors, Resistance coupling element of a stator wick tion is connected in parallel in such a way that the components the circuit arrangement when driving the stator winding inverse by a switching transistor, d. H. in lock direction are polarized.

Die genannten zwei Transistoren weisen eine unterschied liche Zonenfolge auf.The two transistors mentioned have one difference zone sequence.

Die Abkommutierung eines durch die Ständerwicklung flie ßenden Spulenstromes kann direkt über das Ankoppelelement, welches in diesem Fall eine Ankoppeldiode ist, oder indirekt über den Schalttransistor erfolgen.The commutation of one flows through the stator winding the coil current can be directly via the coupling element, which in this case is a coupling diode, or indirectly done via the switching transistor.

Als Ankoppelelement kann die Ankoppeldiode durch einen An koppeltransistor und Koppelwiderstand ersetzt werden.As a coupling element, the coupling diode can be connected to an coupling transistor and coupling resistor to be replaced.

Bei indirekter Ankopplung über einen Schalttransistor ent spricht der durch die Schaltungsanordnung zur Abkommutierung fließende Strom nur dem, welcher als Basisstrom zur An steuerung des Schalttransistors notwendig ist, womit die beiden Transistoren für einen um den Stromverstärkungs faktor des Schalttransistors geringeren Strom und somit für eine wesentlich geringere Verlustleistung als der Schalt transistor ausgelegt werden können.With indirect coupling via a switching transistor speaks through the circuitry for commutation flowing current only to the one that is used as the base current Control of the switching transistor is necessary, with which two transistors for one around the current gain factor of the switching transistor lower current and thus for a much lower power loss than the switch transistor can be designed.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß ein von der Spule selbst gesteuerter Abbau der in ihrem Magnetfeld ge speicherten Energie beim Abkommutierungsvorgang unabhängig vom Motorstrom und von der Kommutierungsfrequenz geschieht. Die Spulenenergie wird dabei in ein Drehmoment umgewandelt. The advantages of the invention are that one of the Coil self-controlled degradation of the ge in their magnetic field stored energy independently during the commutation process happens from the motor current and the commutation frequency. The coil energy is converted into a torque.

Da die Stellung ohne gesonderte Kapazitäten und/oder zu sätzliche Induktivitäten auskommt, ist die monolithische Integration der Abkommutierungsanordnung möglich. Die Ab kommutierungsschaltung ist an Spulen, wie Ständerwicklungen elektronisch kommutierter Motoren, an denen positive und negative Spannungen (Halbwellen) auftreten, einsetzbar. Es werden nur Abkommutierungsimpulse sehr kleiner Amplitude induziert und damit sehr kleine, durch das transformato rische Verhalten der Ständerwicklung verursachte Störim pulse den Tachospannungen der anderen Ständerwicklungen überlagert.Since the position without separate capacities and / or too additional inductors, is the monolithic Integration of the commutation arrangement possible. The Ab commutation circuit is on coils, such as stator windings electronically commutated motors on which positive and negative voltages (half waves) occur, can be used. There are only commutation pulses of very small amplitude induced and therefore very small, by the transformato behavior of the stator winding caused interference pulse the tacho voltages of the other stator windings overlaid.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbei spiel näher erläutert werden. In der Zeich nung zeigtThe invention is illustrated below in one embodiment game are explained in more detail. In the drawing shows

Fig. 1 Prinzipschaltung der Abkommutierungsschaltung, Fig. 1 is a basic circuit of the Abkommutierungsschaltung,

Fig. 2 Ausführungsschaltung 1 - direkte Ankopplung, Fig. 2 executing section 1 - direct coupling,

Fig. 3 Ausführungsschaltung 2 - indirekte Ankopp lung mittels Diode über einen Schalttran sistor, Fig. 3 embodiment circuit 2 - indirect Ankopp averaging means via a diode Schalttran sistor,

Fig. 4 Ausführungsschaltung 3 - indirekte Ankopp lung mittels Transistor über Schalttransi stor. Fig. 4 execution circuit 3 - indirect Ankopp ment by means of transistor over Schalttransi stor.

Der Abbau der Spulenenergie wird gemäß der Schaltungs anordnung nach Fig. 1, im weiteren Abkommutierungsschal tung genannt, erreicht. Die Prinzipschaltung besteht aus den Transistoren 1 und 2, den Widerständen 3 und 4 und der Ankoppeldiode 5. Der Abkommutierungsvorgang wird in der Weise eingeleitet, daß der Schalttransistor 6 in Fig. 2 sperrt, d. h. den Spulenstrom J _L unterbricht und dadurch in der Ständerwicklung 7 ein Spannungsimpuls U _i mit sehr hoher Spannungsanstiegsgeschwindigkeit induziert wird.The breakdown of the coil energy is achieved according to the circuit arrangement according to FIG. 1, hereinafter referred to as the commutation circuit. The basic circuit consists of transistors 1 and 2 , resistors 3 and 4 and coupling diode 5 . The commutation process is initiated in such a way that the switching transistor 6 in FIG. 2 blocks, ie interrupts the coil current J _L and a voltage pulse U _{i is} induced in the stator winding 7 with a very high rate of voltage rise.

Mit dem Anstieg dieses Spannungsimpulses U _i wird über die Ankoppeldiode 5 eine Umladung der Sperrschichtkapazitäten der Zonenübergänge der Transistoren 1 und 2 vorgenommen. Der hierbei auftretende Umladestrom erzeugt über den Wider ständen 3 und 4 eine Spannung, welche proportional der Höhe des Umladestroms und somit der Umladezeit ist.With the rise of this voltage pulse U _i , a charge reversal of the junction capacitance of the zone transitions of the transistors 1 and 2 is performed via the coupling diode 5 . The charge-reversal current that occurs generates a voltage across resistors 3 and 4 , which is proportional to the amount of charge-reversal current and thus the charge-reversal time.

Die Zeitdauer der Umladung ist eine Funktion der Spannungs anstiegsgeschwindigkeit des induzierten Spannungsimpulses U _i, derart, daß bei höherer Spannungsanstiegsgeschwindig keit sich die Umladezeit der Sperrschichtkapazitäten der Zonenübergänge der Transistoren 1 und 2 auf einen be stimmten Spannungswert und damit der Umladestrom steigt. Bis zu einer bestimmten definierten Spannungsan stiegsgeschwindigkeit fließt der Umladestrom über die Widerstän de 3 und 4 ab. Wird jedoch diese definierte Spannungsan stiegsgeschwindigkeit durch den induzierten Spannungsim puls U _i überschritten, so wird der Spannungsabfall über den Widerständen 3 und 4 größer als die Basis-Emitter spannung der Transistoren 1 und 2. Dadurch fließt der Um ladestrom zum Teil als Basisstrom über die Basis-Emitter übergänge der Transistoren 1 und 2. Infolgedessen kommen Kollektorströme in den Transistoren 1 und 2 zustande.The duration of the charge is a function of the rate of voltage rise of the induced voltage pulse U _i , such that the charge transfer capacitance of the junction capacitances of the zone transitions of the transistors 1 and 2 increases to a certain voltage value and thus the charge transfer current increases at higher voltage rise rates. Up to a certain defined voltage rise rate, the charge reversal current flows through the resistors 3 and 4 . However, if this defined voltage rise rate is exceeded by the induced voltage pulse U _i , the voltage drop across the resistors 3 and 4 will be greater than the base-emitter voltage of the transistors 1 and 2 . As a result, the charge current flows partly as a base current via the base-emitter transitions of transistors 1 and 2 . As a result, collector currents occur in transistors 1 and 2 .

Diese Kollektorströme addieren sich zu den Umladeströmen. Bedingt durch die Stromaddition kommt es zu einer wei teren gegenseitigen Aufsteuerung der Transistoren 1 und 2. Dieser einem Durchbruch ähnliche Effekt erfolgt in einer Zeit, welche durch die Schaltzeiten der Transistoren 1 und 2 bestimmt wird.These collector currents add up to the charge reversal currents. Due to the current addition, there is a further mutual opening of the transistors 1 and 2 . This effect, which is similar to a breakdown, occurs in a time which is determined by the switching times of transistors 1 and 2 .

In der Zeit, welche vom Moment der Sperrung des Schalttran sistors 6 bis zum vollständigen Durchschalten der Abkom mutierungsschaltung aus den Transistoren 1 und 2 und den Widerständen 3 und 4 vergeht, fließt der Spulenstrom J _L in die sehr geringe Wicklungskapazität der Ständer wicklung 7 und erzeugt somit den Abkommutierungsimpuls U _i mit der sehr hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, welche zum oben beschriebenen Durchschalten der Abkommu tierungsschaltung und somit zur Übernahme des Spulen stromes J _L führt. In diesem somit aufgebauten Freilauf kreis wird die im Magnetfeld der Wicklung gespeicherte Energie als Wirkleistung, im Falle des Motors als Dreh moment abgebaut, wobei der Strom durch die Ständerwick lung 7 sich derart verringert, daß die Summe des von der Ständerwicklung 7 induzierten Abkommutierungsspannungs impulses U _i und der Urspannung e stets der Flußspannung der Kommutierungsschaltung entspricht. Damit geht der Strom J _L durch die Ständerwicklung 7 von ihr selbst ge steuert derart zurück, daß zu dem Zeitpunkt, wo die im Magnetfeld der Ständerwicklung 7 gespeicherte Energie voll ständig abgebaut ist, die induzierte Spannung der Ständer wicklung 7 kleiner als die Flußspannung der Abkommutie rungsschaltung wird. Somit sperrt die Abkommutierungs schaltung zu dem Zeitpunkt, wo der Strom durch die Stän derwicklung 7 gegen den Wert Null geht.In the time that passes from the moment of blocking the Schalttran sistor 6 to the complete switching of the Abkom mutation circuit from the transistors 1 and 2 and the resistors 3 and 4 , the coil current J _{L flows} into the very low winding capacity of the stator winding 7 and generates thus the commutation pulse U _i with the very high voltage rise rate, which leads to the switching of the commutation circuit described above and thus to the takeover of the coil current J _L. In this thus constructed freewheeling circuit stored in the magnetic field of the coil energy when active power is, in the case of the motor broken down moment as a rotation, wherein the current lung through the stator Wick 7 is reduced such that the sum of the induced by the stator winding 7 Abkommutierungsspannungs pulse U _i and the original voltage e always corresponds to the forward voltage of the commutation circuit. Thus, the current J _L through the stator winding 7 controls itself ge back so that at the time when the energy stored in the magnetic field of the stator winding 7 is completely degraded, the induced voltage of the stator winding 7 is less than the forward voltage of the commutation circuit. Thus, the Abkommutierungs circuit blocks at the time when the current through the stan derwickung 7 goes to zero.

Wird der Spannungsabfall über den Widerständen 3 und 4 kleiner als die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren 1 und 2, so sperren sich die Transistoren 1 und 2 gegen seitig. Dieser Zustand wird durch die Widerstände 3 und 4 aufrecht gehalten. Wird nachfolgend durch einen weiteren Spannungsimpuls U _i die definierte Spannungsanstiegsgeschwin digkeit erneut überschritten, läuft der beschriebene Vor gang von neuem ab.Is the voltage drop across the resistors 3 and 4 is smaller than the base-emitter voltage of the transistors 1 and 2, so the transistors 1 and 2 deadlock. This state is maintained by resistors 3 and 4 . If the defined voltage rise speed is again exceeded subsequently by a further voltage pulse U _i , the process described runs again.

Der von der Ständerwicklung 7 induzierte Spannungsimpuls U _i wird hierbei auf einen Spannungswert begrenzt, welcher sich aus der Flußspannung der Ankoppeldiode 5 oder der Basis-Emitter-Spannung des Ankoppeltransistors 8 und der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 1 und der Kollektor- Emitter-Sättigungsspannung des Transistors 2 oder der Flußspannung der Ankoppeldiode 5 oder der Basis-Emitter- Spannung des Ankoppeltransistors 8 und der Basis-Emitter- Spannung des Transistors 2 und der Kollektor-Emitter-Sätti gungsspannung des Transistors 1 sowie evtl. der Basis- Emitter-Spannung des Schalttransistors 6 zusammensetzt.The voltage pulse U _i induced by the stator winding 7 is limited to a voltage value which is derived from the forward voltage of the coupling diode 5 or the base-emitter voltage of the coupling transistor 8 and the base-emitter voltage of the transistor 1 and the collector-emitter Saturation voltage of the transistor 2 or the forward voltage of the coupling diode 5 or the base-emitter voltage of the coupling transistor 8 and the base-emitter voltage of the transistor 2 and the collector-emitter saturation voltage of the transistor 1 and possibly the base-emitter voltage of the switching transistor 6 is composed.

Die Schaltung nach Fig. 2 zeigt die direkte Ankopplung der Abkommutierungsschaltung an die Ständerwicklung 7. Als An koppelelement dient die Ankoppeldiode 5, die Transistoren 1 und 2 sind gleicher Leistungsklasse wie der Schalttran sistor 6.The circuit of FIG. 2 illustrates the direct coupling of the Abkommutierungsschaltung to the stator winding 7. As to the coupling element serves the coupling diode 5, the transistors 1 and 2 are the same capacity as the Schalttran sistor. 6

Die Schaltung nach Fig. 3 stellt eine weitere praktisch sinnvolle Ankopplung der Abkommutierungsschaltung an die Ständerwicklung 7 dar. Im Gegensatz zur Schaltung nach Fig. 2 erfolgt die Ankopplung indirekt, mittels der Ankop peldiode 5 über den Schalttransistor 6, wobei der Strom durch die Abkommutierungsschaltung um den Faktor der Strom verstärkung des Schalttransistors 6 kleiner ist. Diese Ankopplungsart findet Anwendung, wenn hohe Spulenströme abkommutiert werden sollen. Dazu wird als Schalttran sistor 6 ein entsprechender Leistungstransistor notwendig, wobei für die Transistoren 1 und 2 leistungsschwache Transistortypen eingesetzt werden können.The circuit according to FIG. 3 represents a further practically sensible coupling of the commutation circuit to the stator winding 7. In contrast to the circuit according to FIG. 2, the coupling takes place indirectly, by means of the coupling diode 5 via the switching transistor 6 , the current through the commutation circuit the factor of the current gain of the switching transistor 6 is smaller. This type of coupling is used when high coil currents are to be commutated. For this purpose, a corresponding power transistor is required as the switching transistor 6 , it being possible to use low-power transistor types for the transistors 1 and 2 .

Die Schaltung nach Fig. 4 zeigt eine andere praktisch sinn volle Ankopplung der Abkommutierungsschaltung an die Stän derwicklung 7. Bei dieser Schaltung ist die Ankoppeldiode 5 durch den Ankoppeltransistor 8 und den Koppelwiderstand 9 ersetzt. Die Ankopplung erfolgt infolgedessen mittels An koppeltransistor 8 und Koppelwiderstand 9 über den Schalt transistor 6 an die Ständerwicklung 7. Durch die Verwen dung eines Leistungstransistors als Schalttransistor 6 und unter Ausnutzung der Stromverstärkung des Ankoppeltran sistors 8 können durch diese Schaltungsmaßnahmen extrem hohe Spulenströme abkommutiert werden. Die Transistoren 1 und 2 sind auch bei dieser Schaltung leistungsschwache Transistoren.The circuit according to FIG. 4 shows another practical, meaningful coupling of the commutation circuit to the stator winding 7 . In this circuit, the coupling diode 5 is replaced by the coupling transistor 8 and the coupling resistor 9 . The coupling is consequently carried out by means of coupling transistor 8 and coupling resistor 9 via switching transistor 6 to stator winding 7 . By using a power transistor as a switching transistor 6 and utilizing the current gain of the Ankoppeltran transistor 8 , extremely high coil currents can be commutated by these circuit measures. Transistors 1 and 2 are also low-power transistors in this circuit.

Ein weiterer Vorteil dieser Abkommutierungsschaltung nach Fig. 1 besteht darin, daß die Richtung des abkommutie renden Stromes und somit die Richtung der noch entstehenden, sehr kleinen Abkommutierungsimpulse entsprechend der auf gebauten Anwendungsschaltung beliebig ist. So werden diese Abkommutierungsimpulse im Gegensatz zu Fig. 2 und 3 bei Fig. 4 z. B. nicht in negativer Richtung zum Bezugspotential -U _B, sondern über die positive Betriebsspannung +U _B hin aus induziert, wenn eine Beschaltung der aufgebauten An wendungsschaltung mit negativen Impulsen gegenüber -U _B aus bestimmten Gründen, z. B. Sperrschichtisolationen, nicht möglich ist.Another advantage of this commutation circuit according to FIG. 1 is that the direction of the current coming off and thus the direction of the very small commutation pulses still being generated is arbitrary in accordance with the application circuit built on. Thus, these Abkommutierungsimpulse, in contrast to Fig. 2 and 3 in Fig. 4 eg. B. not in the negative direction to the reference potential - U _B , but induced by the positive operating voltage + U _B out when wiring the built-in application circuit with negative pulses compared to - U _B for certain reasons, eg. B. junction insulation, is not possible.

Durch diese Schaltungsanordnungen ist eine Einbeziehung der gesamten Abkommutierungsschaltung in eine monolithische Integration möglich.By these circuit arrangements is an inclusion the entire commutation circuit into a monolithic Integration possible.

Claims

1. Circuit arrangement for electronically commutating the stator winding in electronically commutated motors, characterized in that two transistors ( 1 and 2 ) of different zone sequence are held together in such a way that the collector of the transistor ( 1 ) with the base of the transistor ( 2 ), the collector of the Transistor ( 2 ) is connected to the base of the transistor ( 1 ) and two resistors ( 3 and 4 ) are inserted between the base and emitter of the transistors ( 1 and 2 ) and in series with the transistors ( 1 and 2 ), the resistors ( 3 and 4 ) lying coupling element ( 5 or 8 and 9 ) of a stator winding ( 7 ) is connected in parallel in such a way that the components of the circuit arrangement when the stator winding ( 7 ) is actuated by a switching transistor ( 6 ) inversely, ie polarized in the reverse direction are.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the commutation of a coil current (J _L ) directly via the coupling diode ( 5 ) or indirectly via the switching transistor ( 6 ) and the stator winding ( 7 ).

3. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a coupling transistor ( 8 ) and a coupling resistor ( 9 ) is used as the coupling element.

4. Circuit arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that the transistors ( 1 and 2 ) for a to the current amplification factor of the switching transistor ( 6 ) or the switching transistor ( 6 ) and the coupling transistor ( 8 ) lower current than the switching transistor ( 6 ) be laid out.