DE3147908A1

DE3147908A1 - Transistorbestueckter servomotorverstaerker fuer eine gleichstrommotorpositionssteueranordnung

Info

Publication number: DE3147908A1
Application number: DE19813147908
Authority: DE
Inventors: Lambert 44501 Youngstown Ohio Haner
Original assignee: Commercial Shearing Inc
Current assignee: Commercial Shearing Inc
Priority date: 1980-12-08
Filing date: 1981-12-03
Publication date: 1982-10-14
Also published as: CA1167515A; US4358724A; GB2089598B; BR8107928A; IT8149850A0; ZA817923B; IT1144520B; AU542173B2; JPS6212751B2; JPS57122680A; AU7836181A; GB2089598A; DE3147908C2; FR2495856A1; FR2495856B1

Description

j. ν . :■-: -; 3U7908

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen transistorbestückten Servomotorverstärker bzw. Servoverstärker für eine Gleichstrommotorpositionssteueranordnung, und zwar insbesondere für eine solche Anordnung, die mit einer niedrigen Gleichstrom-Spannung betrieben wird bzw. von einer Sammelschiene, welche mit einer niedrigen Gleichstrom-Spannung versorgt wird, beispielsweise von einer Sammelschiene, die durch eine 12 Volt-Batterie mit Leistung versorgt wird.

Es besteht seit langem das Bedürfnis für einen Servoverstärker, der unter niedrigen Kosten hergestellt werden kann und trotzdem eine hohe Genauigkeit hat und einen hohen Ausgangsstrom von einer Gleichstromwelle niedriger Spannung liefert. Unter anderem werden solche Servoanordnungen bzw. -verstärker insbesondere in elektrischen Proportional-Fernsteueranordnungen für hydraulische oder andere Systeme verwendet.

In der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist ein Gleichstrommotor eine Drehinomenterzeugungseinrichtung, in welcher das Motordrehmoment proportional dem im Motor fließenden elektrischen Strom ist. Die Richtung des Drehmoments kann sowohl im Uhrzeiger- als auch im Gegenuhrzeigersinn hervorgebracht werden, indem der Motorstrom so gesteuert wird, daß er in jeder Richtung im Anker- bzw. Läuferkreis fließt. Eine konventionelle Art, in der das nach dem Stand der Technik erreicht werden kann, besteht darin, eine Leistungsstufe in der Form einer Ausgangs- bzw. Leistungsbrücke aufzubauen, und zwar unter Verwendung einer Darlington-Transistorkonfiguration bzw. eines Darlington-Transistoraufbaus. In diesem Aufbau wird bewirkt, daß Strom in einen Anschluß des Motors hinein und aus dem entgegenge-

setzten Motoranschluß heraus fließt, indem der Eingangsanschluß auf einer Seite positiver als der Eingangsanschluß auf der entgegengesetzten Seite gemacht wird. Die Stromrichtung kann im Motor dadurch umgekehrt werden, daß die entgegengesetzte Seite positiver gemacht wird. Die maximale Spannung, die zwischen den Motoranschlüssen dadurch aufgebaut werden kann, daß ein Paar der Darlingtonzweige zur Sättigung gebracht wird, beträgt etwa 8,8 Volt. Verwendet man eine 12 Volt-Stromquelle, dann ist die maximal erzielbare Spannung etwa 6 Volt am Motor. Das sind etwa 50 % Aussteuerungswirkungsgrad bzw. -leistungsfähigkeit, und dadurch wird das maximale Spitzendrehmoment, das von dem Motor erzeugt werden kann, begrenzt. Um den Spannungsabfall am Motor zu vermindern, wurde vorgeschlagen, einen impulsbreitenmodulierten Leistungsverstärker vom Umschalttyp unter Verwendung von Leistungstransistoren (keine Darlington-Transistoren) auszubilden. Durch angemessene Ausbildung ist es möglich, bei Verwendung einer 12 Volt-Stromquelle bis zu 11 Volt am Motor hervorzubringen. Jedoch hat die impulsbreitenmodulierte Anordnung viele Nachteile. Erstens ist der Steuerverstärker komplizierter und teurer. Zweitens kommt es aufgrund der Umschaltnatur des Verstärkers, die sich als unerwünscht erweist, zu unerwünschten Funktions-"Nebenwirkungen". Die Erfahrung hat gezeigt, daß ein Verstärker vom linearen Typ mit einer niedrigen Sättigungsspannung für die in Betracht stehenden Anordnungen wünschenswert ist. Bisher ist keine solche Einrichtung verfügbar gewesen.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger Leistungsverstärker zur Verfügung gestellt, der kostengünstig und in hohem Maße wirksam bzw. leistungsfähig ist und der genügend Leistung liefert, mit der es möglich ist, Steuermotoren sowohl schnell als auch genau zu betreiben.

Mit der Erfindung wird eine Verstärkerschaltung vom linearen Typ in der Form einer Ausgangs- bzw. Leistungstransistorbrücke zur Verfügung gestellt, die einen mit einem Servomotor verbundenen Ausgang zur Abgabe von Leistung an diesen Motor hat, sowie eine komplementäre Brücke von Darlington-Transistoren in Reihe mit der Ausgangs- bzw. Leistungstransistorbrücke, und die als ihre Last einen vorgewählten Widerstand hat, wobei der Ausgang von der Darlingtonbrücke und der Lastwiderstand mit dem Eingang der Transistorbrücke verbunden sind.

Eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der einzigen Figur der beigefügten Zeichnung dargestellt.

Nach der Zeichnung ist der Servomotor 11 zwischen die Anschlüsse 12 und 13 einer Ausgangs- bzw« Leistungsbrücke geschaltet, die pnp-Transistoren 14 und 16 aufweist, wobei jeder pnp-Transistor in Reihe mit je einem npn-Transistor 15 bzw. 17 geschaltet ist und die beiden Reihenschaltungen parallel geschaltet sind. Der Servomotor 11 bildet eine Diagonale dieser Brücke. Die Emitter der Transistoren 14 und 16 sind mit dem Anschluß 18 verbunden, während die Emitter der Transistoren 15 und 17 mit dem Anschluß 19 verbunden sind. Die Stromversorgung für die Transistoren ist zwischen die Anschlüsse 18 und 19 geschaltet und bildet die andere Diagonale der Brücke. Die Transistoren der Äusgangsbrücke werden je durch ihren komplementären Treibertransistor betrieben, und diese Treibertransistoren bilden selbst eine Brücke. Die Kollektoren der Treibertransistoren 20 und 22 sind je über einen Widerstand 24 bzw. 26 mit dem Anschluß 18 verbunden. Die Kollektoren der Treibertransistoren 21 und 23 sind je über einen Widerstand 25 bzw. 27 mit dem Anschluß 19 verbunden. Die Emitter der Transistoren 20 und 21 sind miteinander und über einen Widerstand 28 mit dem Anschluß 12 verbunden. Die Emitter der

Transistoren 22 und 23 sind ebenfalls miteinander und über einen Widerstand 29 mit dem Anschluß 13 verbunden. Die Emitter der Transistoren 20 und 21 sind mit einem Ende eines Lastwiderstands 30 verbunden, dessen anderes Ende mit den Emittern der Transistoren 22 und 23 verbunden ist. Die Basen der Ausgangstransistoren 14, 15, 16 und 17 sind jeweils mit dem Kollektor des zugeordneten Treibertransistors 20, 21, 22 und 23 verbunden. Die Basen der Treibertransistoren 20 und 21 sind am Anschluß 31 miteinander verbunden, während die Basen der Treibertransistoren 22 und 23 am Anschluß 32 miteinander verbunden sind. Dioden 34 und 36 sind zwischen den Anschluß 18 und den Anschluß 12 bzw. 13 geschaltet, und weitere Dioden 35 und 37 sind zwischen den Anschluß 19 und den Anschluß 12 bzw. 13 geschaltet.

Es sei nun der Betrieb des Servomotorverstärkers beschrieben.

Das Drehmoment des Servomotors 11 ist proportional dem Strom, der durch ihn hindurchfließt. Die Drehrichtung des Servomotors 11 hängt von der Richtung dieses Stroms ab. Wenn die Steuerspannung am Anschluß 31 mit Bezug auf den Anschluß 3 2 positiv ist, dann dreht sich der Motor 11 in der einen Richtung, und wenn die Steuerspannung am Anschluß 32 mit Bezug auf den Anschluß 31 positiv ist, dann dreht sich der Motor 11 in der entgegengesetzten Richtung.

Der Verstärker ist so ausgebildet, daß man ein höheres Drehmoment vom Motor 11 bei einer niedrigen Betriebsspannung zwischen den Anschluß 18 und 19 erhält, beispielsweise bei einer Betriebsspannung von einer 12 Volt-Batterie oder von einer Sammelschiene. Ein typischer bzw. bevorzugter Servomotor für eine solche Spannung hat einen Widerstand von etwa 1,12 Ohm zwischen den Anschlüssen. Daher beträgt der maximale Motorstrom 10 Ampere. Der minimale erforderliche bzw. spezifizierte Stromverstärkungsfaktor

:. -_:. ;_:- .. 1 3U7908

durch die Transistoren 14, 15_f 16 und 17 bei 10 Ampere Kollektorstrom beträgt 15. Das bedeutet, daß der maximale Basisstrom, der erforderlich ist, den Motor mit 10 Ampere zu beaufschlagen, 0,67 Ampere beträgt. Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, daß der optimale Wert des Widerstands 30, wenn er in Verbindung mit den Schaltungsbauteilen verwendet wird, die in der Tabelle weiter unten angegeben sind, 7,5 Ohm beträgt. Der maximale Spannungsabfall am Widerstand 30 ist daher 7,5 χ 0,67 oder 5 Volt. Subtrahiert man diese Spannung von der Versorgungsspannung von 12 Volt, dann bleiben 7 Volt zur Überwindung der Spannungsabfälle der Ausgangstransistoren. Die Kollektor-zu-Emitter-Sättigungsspannung von jedem der Ausgangstransistoren beträgt 0,50 Volt, so daß 11 Volt am Servomotor 11 übrig bleiben.

Die Basis-zu-Emitter-Sättigungsspannung der Ausgangstransistoren beträgt je 1 Volt, und wenn diese Spannungen zusammen mit dem 5 Volt Spannungsabfall am Widerstand 30 von der Versorgungsspannung von 12 Volt abgezogen v/erden,dann bleiben 5 Volt für die Kollektor-Emitter-Spannungen der Treibertransistoren oder für jeden 2,5 Volt. Die Sättigungsspannung jedes Treibertransistors ist 1,5 Volt, so daß infolgedessen 1 Volt im Linearbereich jedes Transistors übrig bleibt. Der Basis-zu-Emitter-Spannungsabfall in jedem Treiber beträgt 2,5 Volt. Die Spannung zwischen den Anschlüssen 31 und 32 ist 10 Volt. Der minimale Stromverstärkungsfaktor, der für die Treibertransistoren erforderlich bzw. spezifiziert ist, beträgt 10000, und daher beträgt der maximale Basisstrom, der zum Erzeugen eines Kollektorstroms von 0,67 Ampere erforderlich ist, 67 Mikroampere.

Ein geeigneter Operationsverstärker zum Betreiben der Anschlüsse 31 und 32 bzw. zum Anschalten an die Anschlüsse 31 und 32, wie es beispielsweise der Operationsverstärker LM 324 ist, der von der Firma National Semiconductor oder

:.-:. /-.:": ί 3H7908

Motorola hergestellt wird, kann einen Ausgangsquellenstrom bzw. als Stromquelle einen Ausgangsstrom von bis zu 5000 Mikroampere am Anschluß 31 liefern, und zwar mit einem Spannungsabfall von 1,2 Volt, der von der Versorgungsspannung abgeht. Er kann eine Ausgangsstromsenke von bis zu 1000 Mikroampere mit einer Spannung von 0,5 Volt über Masse am Anschluß 32 bilden. Infolgedessen bleiben, wenn man von der Versorgungsspannung von 12 Volt die Summe von 1,2 +0,5 Volt subtrahiert, 10,3 Volt für den Operationsverstärker zum Aussteuern zwischen den Anschlüssen 31 und 32 verfügbar.

Die Widerstände 28 und 29 sind jeweils zum Erzielen einer Spannungsrückkopplung von den Kollektoren der Ausgangstransistoren 14 und 15 zu den Basen der Treibertransistoren 20 und 21 und von den Kollektoren der Ausgangstransistoren 16 und 17 zu den Basen der Treibertransistoren 22 und 23 erforderlich. Die Werte dieser Widerstände können nicht Null sein, weil dann die Basisspannung der Treibertransistoren 20 und 21 zwangsweise dazu gebracht würde, den KollektorSpannungen der Ausgangstransistoren 14 und 15 zu folgen, und diese Transistoren können nie in die Sättigung ausgesteuert werden, weil der Kollektor-Emitter-Spannungsabfall von 0,5 Volt weniger als der kombinierte Basis-Emitter-Spannungsabfall von 1 Volt plus dem Kollektor-Emitter-Spannungsabfall von 1,5 Volt bei der Sättigung des Treibertransistors wäre. Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, daß die optimalen Werte der Widerstände 28 und 29 für die angegebenen Bedingungen je 50 Ohm betragen.

3U7908

Bauteiltabelle

Bezugszeichen Einrichtung bzw. Bauteil

Benennung bzw. Herstellungs-Bemessung Firma

24, 27,	25, 26, 28, 29	Widerstand	51 Ohm	Motorola
30		Widerstand	7,5 Ohm, 12 W	Motorola
14,	16	pnp-Ausgangstran sistor	ZH4398	Motorola, GE
15,	17	npn-Ausgangstran sistor	2N5310	Motorola, GE
20,	22	npn-Dar1ington- Treibertransistor	D40K1	Motorola
21,	23	pnp-Dar1ington- Treibertransistor	D41K1	Pittman
34,	35, 36,	37 Diode	MR500
11		Servomotor	13000

Die Widerstände 24, 25, 26 und 27 sind effektiv die jeweiligen Basisrückführungswiderstände für die Ausgangstransistoren 20, 21, 22 und 23. Der Basis-zu-Emitter-Widerstandswert sollte so niedrig wie möglich sein, damit der Kollektor-zuEmitter-Rest- bzw. -Verluststrom bei erhöhten Anschluß- bzw. Übergangszonentemperaturen minimalisiert wird, sowie klein genug, um sicherzustellen, daß der maximale Kollektorverlust- bzw. -reststrom des jeweiligen Treibertransistors 14, 15, 16 und 17 nicht in die Basis des Ausgangstransistors fließt, der mit jedem dieser Treibertransistoren verbunden ist. Dieser maximale Verlust- bzw. Reststrom von den Treibertransistoren, die in der oben Tabelle aufgeführt sind, ist als 20 Mikroampere spezifiziert, und dieser Strom bewirkt einen Spannungsabfall von etwa 1 Millivolt an einem Widerstand von 51 Ohm, was ein geeigneter Wert für die Widerstände 24, 25, 26 und 27 ist. Diese Spannung reicht nicht aus, die Basis-zu-Emitter-Sperrspannung der Ausgangstransistoren zu überwinden.

3H7908

Die Dioden 34, 35, 36 und 37 dienen dazu, die Ausgangstransistoren vor Gegenspannungen zu schützen, die durch die Induktanz des Ankers des Motors 11 erzeugt werden können, wenn die Steuerung dahingehend wirkt, daß sie eine schnel-Ie Änderung des Motorstroms verursacht.

Die grundsätzlichen Vorteile des Verstärkers nach der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß er linear ist, d. h., daß er nichtumschaltend ist, daß er von einer ein-ζigen Stromversorgungsquelle niedriger Spannung betrieben werden kann, 'und daß er an die Last eine Versorgungsspannung abgibt, die nur um die Sättigungsspannungen von zwei seiner Ausgangstransistoren vermindert ist.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt, sondern sie läßt sich im Rahmen des Gegenstands der Erfindung, wie er in den Ansprüchen angegeben ist, sowie im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens, wie er den gesamten Unterlagen zu entnehmen ist, in vielfältiger Weise mit Erfolg verwirklichen.

Claims

KRAUS & WEISERT PATENTANWÄLTE UND ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT DR. WALTER KRAUS Dl PL. OMCH EMIKER · d'r.-INQ. ANNEKÄTC WEISERT DIPL.-INGi. FACHRICHTUNG CHEMIL" IRMSARDSTRASSE 15 · D-BOOO MÜNCHEN 71 · TELEFON O 8 9/79 7O 77-7Θ 7O 7 8 · TELEX OB-2121B6 kpatd teleqrammkrauspatent 3127 JS/BR COMMERCIAL SHEARING, INC. Youngstown, Oh./USA Transistorbestückter Servomotorverstärker für eine Gleichstrommotorpositionssteueranordnung Patentansprüche

1. J Transistorbestückter Servomotorverstärker, d a durch gekennzeichnet, daß er folgendes umfaßt: eine Ausgangs- bzw. Leistungsbrücke von komplementären Leistungs- bzw. Ausgangstransistoren (14 bis 17), die jeweils mittels einer Brücke von komplementären Treibertransistoren (20 bis 23) verbunden sind, von denen jeder mit einem gesonderten Kollektorwiderstand (24 bis 27) bzw. mit dem einen Ende eines gesonderten Kollektorwiderstands (24 bis 27) verbunden ist, wobei das andere Ende von jedem dieser Kollektorwiderstände (24 bis 27) mit dem Emitter seines zugehörigen bzw. mit ihm verbundenen Leistungs- bzw. Ausgangstransistor (14 bis 17) verbunden ist, wobei ferner die Diagonale der Ausgangs- bzw. Leistungsbrücke zwischen den Kollektoren von jedem Paar von komplementären Leistungs- bzw. Ausgangstransistoren (14 bis 17) den Brükkenausgang bildet; eine gesonderte Verbindung zwischen der Basis von jedem Leistungs- bzw. Ausgangstransistor (14 bis

3U7908

17) und dem Kollektor seines zugehörigen Treibertransistors (20 bis 23); einen Lastwiderstand (30), der über die Diagonale der Treiberbrücke zwischen die Verbindungsstellen der Emitter jedes Paars.von komplementären Treibertransistoren (20 bis 23) geschaltet ist; einen gesonderten Rückkopplungswiderstand (28, 29), der jeweils zwischen die Verbindungsstelle der Emitter des jeweiligen Paars von komplementären Treibertransistoren (20 bis 23) und die Verbindungsstelle der Kollektoren ihrer zugehörigen Leistungs- bzw. Ausgangstransistoren (14 bis 17) geschaltet ist; eine Einrichtung (18, 19) zum Anschließen einer Gleichstromquelle über bzw. an die andere Diagonale der Ausgangs- bzw. Leistungsbrücke; und eine Einrichtung (31, 32) zum Anschließen eines Eingangssignals bzw. einer Eingangsspannung zwischen die verbundenen Basen jedes Paars von komplementären Treibertransistoren (20 bis 23).

2. Transistorbestückter Servomotorverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination mit einem Servomotor (11), wobei der Widerstandswert des Lastwiderstands (30) größer als der Gleichstromwiderstandswert des Servomotors (11) ist.

3. Transistorbestückter Servomotorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert jedes Rückkopplungswiderstands (28, 29) so eingestellt bzw. gewählt ist, daß der Spannungsabfall an diesem Rückkopplungswiderstand (28, 29) größer als die Emitter-zu-Kollektor-Sättigungsspannung eines Leistungs- bzw. Ausgangstransistors (14 bis 17) ist.