DE3221654C2 - Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Dreiphasen-Elektronikmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Dreiphasen-Elek­ tronikmotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art (US-PS 3 746 941) weist die Drei­ phasen-Treiberschaltung sechs Steuertransistoren und sechs Hilfs-Gleichstromquellen auf. Von den Steuertransistoren ist jeweils einer jedem der Endstufentransistoren zuge­ ordnet. Eine erste, eine zweite und eine dritte der sechs Hilfs-Gleichstromquellen sind über Vorwiderstände zwischen Emitter und Basis jedes auf der einen Potentialseite der Brücke liegenden Endstufentransistors geschaltet. Die Emitter dieser Endstufentransi­ storen sind jeweils mit dem Kollektor eines auf der anderen Potentialseite der Brücke liegenden Endstufentransistors verbunden. Die Emitter der Endstufentransistoren auf der anderen Potentialseite der Brücke, die Emitter der diesen Endstufentransistoren zugeordneten Steuertransistoren sowie die Emitter der Steuertransistoren, welche den auf der einen Potentialseite der Brücke liegenden Steuertransistoren zugeordnet sind, sind jeweils mit einem gemeinsamen Knotenpunkt verbunden. Zwischen den Knoten­ punkt der Emitter der auf der anderen Potentialseite der Brücke liegenden Endstufen­ transistoren und den Knotenpunkt der Emitter der diesen Endstufentransistoren zuge­ ordneten Steuertransistoren liegt die vierte Hilfs-Gleichstromquelle. Die fünfte Hilfs- Gleichstromquelle ist zwischen die beiden Knotenpunkte der Emitter der beiden Steu­ ertransistorgruppen geschaltet. Die sechste Hilfs-Stromquelle ist zwischen den Knoten­ punkt der Emitter der auf der anderen Potentialseite der Brücke liegenden Endstufen­ transistoren und einen Knotenpunkt geschaltet, mit dem zu den Basen dieser Endstufen­ transistoren führende Widerstände verbunden sind. Im Betrieb der bekannten Schal­ tungsanordnung stellen die erste, die zweite und die dritte Hilfs-Gleichstromquelle die Steuerströme für die jeweils beiden auf der einen Potentialseite der Brücke liegenden Endstufentransistoren bereit, während die sechste Hilfs-Gleichstromquelle den Steuer­ strom für den jeweils einen auf der anderen Potentialseite der Brücke liegenden End­ stufentransistor liefert. Die praktische Ausführbarkeit der bekannten Schaltungsanord­ nung wird durch das Erfordernis der sechs zusätzlichen, voneinander unabhängigen Hilfs-Gleichstromquellen erheblich erschwert.

Eine andere bekannte Schaltungsanordnung (US-PS 3 609 492) zur Steuerung eines Dreiphasen-Elektronikmotors mit in Dreieck geschalteten Wicklungen weist sechs Kommutierungssensoren auf, von denen jeweils zwei einander diametral gegenüberlie­ gen. Jedes Paar von diametral gegenüberliegenden Kommutierungssensoren steuert über eine Gruppe von insgesamt sechs zugeordneten Schaltstromkreisen das Anschalten jeweils einer der drei Verbindungsstellen der Motorwicklungen an die eine oder die an­ dere Potentialseite der Betriebsstromquelle. Zu den Schaltstromkreisen gehören jeweils eine Transistorschaltstufe und eine als Treiber dafür ausgelegte Transistorverstärker­ stufe, deren Aufbau nicht näher offenbart ist. Drei der Schaltstromkreise dienen dem Anschalten der Wicklungsverbindungsstellen an die positive Seite der Betriebsstrom­ quelle; über die drei anderen Schaltstromkreise werden die Wicklungsverbindungsstel­ len alternierend an die negative Seite der Betriebsstromquelle angeschlossen. Die Schaltstromkreise werden von den sechs Kommutierungssensoren je nach gewünschter Drehrichtung über eine erste oder eine zweite Gruppe von jeweils sechs UND-Gattern angesteuert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, die mit einem vergleichsweise geringen Aufwand für die An­ steuerung der Endstufentransistoren auskommt.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung kommt ohne eine zusätzliche Gruppe von Hilfs-Gleichstromquellen aus. In stromsparender Weise werden die Steuerströme für die auf der einen Potentialseite der Brücke liegenden Endstufentransistoren zugleich auch zum Steuern des auf der anderen Potentialseite der Brücke liegenden Endstufen­ transistors genutzt. Außerdem werden den Endstufentransistoren auf beiden Potential­ seiten der Brücke Steuerströme zugeführt, deren Größe den Strömen angepaßt ist, wel­ che die betreffenden Endstufentransistoren jeweils führen sollen.

Um Instabilitäten vorzubeugen, ist bei in Stern geschalte­ ten Widerständen der Sternpunkt zweckmäßig an ein raschen Änderungen des Sternpunktpotentials entgegenwirkendes Zeitglied angeschlossen. Um Kurzschlüssen der Steuer­ transistoren vorzubeugen, sind ferner vorteilhaft den Steuertransistoren Sperrglieder vorgeschaltet, die ein Einschalten der Steuertransistoren verhindern, bis der jeweils andere Steuertransistor des betreffenden Steuer­ transistorpaares ausgeschaltet ist.

Insbesondere in Fällen, in denen der Motor zum Antrieb von Geräten, wie Festplattenspeichern, eingesetzt wird, die gegenüber hochfrequenten Störsignaleinstreuungen empfindlich sind, werden vorzugsweise Zeitglieder vor­ gesehen, welche die Umschaltgeschwindigkeit der Endstu­ fentransistoren begrenzen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beiliegen­ den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein teilweise schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäß ausgelegten Steuer­ schaltung, und

Fig. 2 den Verlauf von Spannungen und Strömen, die an verschiedenen Punkten der Schal­ tungsanordnung nach Fig. 1 auftreten.

Der Dreiphasen-Elektronikmotor weist drei in Dreieck ge­ schaltete Statorwicklungen 10, 11, 12 und einen nicht dar­ gestellten, vorzugsweise dauermagnetischen Rotor auf. Im Bereich des ebenen oder zylindrischen Luftspalts zwischen Rotor und Stator sind um den Statorumfang herum drei Kommu­ tierungssensoren 13, 14, 15 verteilt, bei denen es sich vorzugsweise um Hall-ICs handelt. Im Betrieb des Motors erscheinen an den Ausgängen der Kommutierungssensoren 13, 14, 15 drei gegeneinander um 120^°el. versetzte Rechteck­ signale gemäß den Fig. 2A, B und C. Das Signal des Sen­ sors 13 (Fig. 2A) wird über eine Diode 16 bzw. einen Wi­ derstand 17 den Basen zweier Steuertransistoren 18, 19 zugeführt. Bei dem Steuertransistor 18 handelt es sich um einen npn-Transistor, während der Steuertransistor 19 ein pnp-Transistor ist. Die Emitter der Transistoren 18, 19 sind miteinander verbunden. In entsprechender Wei­ se gehen die Ausgangssignale des Sensors 14 (Fig. 2B) und des Sensors 15 (Fig. 2C) über Dioden 20, 21 und Wider­ stände 22, 23 an die Basen von Paaren von Steuertransisto­ ren 24, 25 und 26, 27, deren Emitter gleichfalls jeweils miteinander verbunden sind. Die derart verbundenen Emit­ terpaare der Steuertransistoren stehen über eine in Stern geschaltete Gruppe von untereinander gleichen Widerstän­ den 28, 29, 30 miteinander in Verbindung. Der Sternpunkt 31 der Widerstände 28, 29, 30 ist über einen Kondensator 32 mit einer Masseleitung 33 verbunden. Zwischen einer Leitung 34, die eine mittels eines Spannungsreglers 35 konstantgeregelte positive Spannung, z. B. +5V, führt, und den Ausgängen der Sensoren 13, 14, 15 liegt jeweils ein Arbeitswiderstand 36.

Der Kollektor des Steuertransistors 18 ist über eine Se­ rienschaltung von Widerständen 37, 38 mit einer Leitung 39 verbunden, an der eine Betriebsspannung anliegt, die höher als die Betriebsspannung auf der Leitung 34 ist und beispielsweise +30V beträgt. Die Basis eines pnp-End­ stufentransistors 40 ist an den Verbindungspunkt der Wi­ derstände 37, 38 angeschlossen. Parallel zu dem Wider­ stand 37 liegt ein Kondensator 41. Der Kollektor des Steuertransistors 19 ist über einen Widerstand 43 mit der Leitung 33 verbunden. Er steht ferner in unmittel­ barer Verbindung mit der Basis eines npn-Endstufentran­ sistors 44. Parallel zu dem Widerstand 43 liegt ein Kon­ densator 45. Die Basis des Steuertransistors 18 ist über einen Widerstand 46 an eine Steuerleitung 47 angeschlos­ sen, die mit dem Ausgang eines Drehzahl- und Motorstrom­ reglers 48 verbunden ist. Zwischen den Basen der Steuer­ transistoren 18, 19 und der Masseleitung 33 liegen fer­ ner Kondensatoren 49 bzw. 50. Die Kollektor-Emitter­ strecken der Endstufentransistoren 40, 44 sind in Reihe geschaltet, wobei die Kollektoren der Transistoren 40, 44 unmittelbar miteinander und mit der Verbindungsstelle 52 der beiden Wicklungen 10, 12 verbunden sind. Parallel zur Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 44 liegt eine Diode 53.

In entsprechender Weise sind den Steuertransistoren 24, 25 Endstufentransistoren 54, 55 zugeordnet, während den Steuertransistoren 26, 27 Endstufentransistoren 56, 57 nachgeschaltet sind. Die drei Endstufentransistorpaare 40, 44, 54, 55 und 56, 57 bilden eine Dreiphasen-Voll­ brücke. Die Steuertransistorpaare 24, 25 und 26, 27 so­ wie die Endstufentransistorpaare 54, 55 und 56, 57 sind in der gleichen Weise beschaltet wie dies im einzelnen für die Transistoren 18, 19, 40, 44 erläutert ist. Dabei stehen die Kollektoren der Endstufentransistoren 54, 55 mit der Verbindungsstelle 58 der Wicklungen 10, 11 in Verbindung, während die Kollektoren der Endstufentransi­ storen 56, 57 an die Verbindungsstelle 59 der Wicklungen 11, 12 angeschlossen sind.

Im Betrieb geht auf die Steuerleitung 47 ein von dem Reg­ ler 48 kommendes Taktsignal, das bei 61 schematisch an­ gedeutet ist. Bei dem Regler 48 kann es sich zweckmäßig um einen integral wirkenden Schaltregler handeln, wie er beispielsweise in DE 30 44 056 C2, DE 31 15 243 C2 und DE 31 40 852 A1 näher er­ läutert ist.

Das Taktsignal 61 wird ebenso wie die Ausgangssignale der Sensoren 13, 14, 15 den Steuertransistorpaaren 18, 19; 24, 25; 26, 27 zugeführt. Dabei sei angenommen, daß wäh­ rend des Einlaufens eines Taktsignals über die Wider­ stände 46 die Kommutierungssensoren gleichzeitig Signa­ le abgeben, wie sie in Fig. 2 für den Zeitpunkt t_o darge­ stellt sind, d. h., daß die Ausgänge der Sensoren 13 und 14 hoch liegen, während der Ausgang des Sensors 15 nied­ rig liegt. Das Sensorsignal 62 des Sensors 13 schaltet den Steuertransistor 18 ein und sperrt den Steuertran­ sistor 19. In entsprechender Weise werden mittels des Sensorsignals 63 des Sensors 14 der Steuertransistor 24 eingeschaltet und der Steuertransistor 25 gesperrt. Um­ gekehrt wird durch das Sensorsignal 64 des Sensors 15 der Steuertransistor 26 ausgeschaltet und der Steuer­ transistor 27 eingeschaltet. An den untereinander ver­ bundenen Emittern der Steuertransistorpaare 18, 19; 24, 25 und 26, 27 erscheint infolgedessen eine dem Verlauf der Sensorspannung entsprechende Spannung, wobei in die­ sem Fall an den vom Sternpunkt 31 abliegenden Enden der Widerstände 28, 29 ein jeweils gleiches Potential er­ scheint, das positiv mit Bezug auf das Potential an dem vom Sternpunkt abgewendeten Ende des Widerstands 30 ist. Da die Widerstände 28, 29, 30 gleiche Wider­ standwerte haben, wird in dem betrachteten Augenblick ein Strom über den Widerstand 30 erzwungen, der zweimal so groß wie der Strom ist, der jeweils über den Wider­ stand 28 und den Widerstand 29 fließt. Diese Ströme ge­ hen als Steuerströme in die Basen der Endstufentransi­ storen 40, 54 und 57. Dies bewirkt, daß den Verbindungs­ stellen 52 und 58 jeweils ein Wicklungsstrom vom Betrag I zugeht, während der Endstufentransistor 57 von der Ver­ bindungsstelle 59 einen Strom vom Betrag 2I zieht. Die Verbindungsstellen 52 und 58 liegen auf gleichem Potential. In der Statorwicklung 10 fließt infolgedessen kein Strom. Dagegen werden die Statorwicklungen 11,12 jeweils von ei­ nem Strom der Größe I durchflossen.

Diese Verhältnisse sind in Fig. 2 dargestellt. Dort zei­ gen Fig. 2D den Strom durch den Endstufentransistor 40, Fig. 2E den Strom des Endstufentransistors 44 sowie die Fig. 2F, G, H und J die Ströme der Endstufentransisto­ ren 54, 55, 56 bzw. 57. In den Fig. 2K, L und M sind schließlich die über die Statorwicklungen 10, 11 bzw. 12 fließenden Ströme veranschaulicht. Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, wechseln die Verhältnisse alternierend nach jeweils 60°el. entsprechend dem Wechsel der Sensor­ ausgangssignale zwischen hohem und niedrigem Potential. Durch den geschilderten Schaltungsaufbau ist aber ge­ währleistet, daß jeweils zwei auf der gleichen Poten­ tialseite der Dreiphasen-Vollbrücke liegende Endstufen­ transistoren, also z. B. die Transistoren 40 und 54, mit dem gleichen Steuerstrom und der auf der jeweils ande­ ren Potentialseite der Brücke liegende Endstufentran­ sistor des jeweils dritten Paares, in diesem Beispiel der Transistor 57, mit dem doppelten Steuerstrom beaufschlagt ist.

Wenn das Signal 62 des Sensors 13 beispielsweise zum Zeit­ punkt t₁ von hohem Potential auf niedriges Potential springt, wird über die Diode 16 die Basis des Steuertran­ sistors 18 sehr schnell auf niedriges Potential gezogen. Der Kondensator 49 wird über die Diode 16 rasch entla­ den. Der Steuertransistor 18 wird infolgedessen sofort gesperrt. Dagegen wird der Steuertransistor 19 über das von dem Widerstand 17 und dem Kondensator 50 gebildete RC-Zeitglied nur langsam eingeschaltet. Strom fließt über den Steuertransistor 19 also erst, nachdem zuvor der an­ dere Steuertransistor 18 des Steuertransistorpaars 18, 19 sicher gesperrt hat. Geht dagegen zum Zeitpunkt t₄ das Aus­ gangssignal 62 des Sensors 13 von niedrigem auf hohes Po­ tential, wird über den Widerstand 17 der Kondensator 50 relativ schnell aufgeladen. Das Potential an der Basis des Steuertransistors 19 steigt schnell. Eine entspre­ chend schnelle Aufladung des Kondensators 49 erfolgt aber nicht, weil die Diode 16 sperrt. Der Kondensator 49 hält infolgedessen die Basis des Steuertransistors 18 für ei­ ne gewisse Verzögerungszeit noch auf niedrigem Potential. Daher erfolgt das Einschalten des Steuertransistors 18 erst, nachdem zuvor der Steuertransistor 19 sicher ge­ sperrt hat. Entsprechendes gilt für die beiden übrigen Steuertransistorpaare. Durch das zeitlich versetzte An­ sprechen der Steuertransistoren 18, 19 werden die nach­ geschalteten Endstufentransistoren 40, 44 entsprechend zeitlich versetzt geschaltet. Auf diese Weise sind Be­ schädigungen der Transistoren durch übermäßig hohe Strö­ me im Kommutierungszeitpunkt vermieden.

Die Kondensatoren 41, 45 begrenzen die Anstiegsgeschwin­ digkeit des Stroms in den Endstufentransistoren 40 bzw. 44. Dadurch werden vom Motor angetriebene, gegen hoch­ frequente Einstreuungen empfindliche Geräte vor Störsig­ nalen geschützt.

Der Kondensator 32 wirkt raschen Änderungen des Potentials am Sternpunkt 31 entgegen. Damit wird jede Schwinganfäl­ ligkeit der Schaltungsanordnung ausgeschlossen.

Ein dem Regler 48 zugeordneter Strommeßwiderstand ist in Fig. 1 bei 65 dargestellt.

Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform der Er­ findung können die Widerstände 28, 29, 30 statt in Stern auch in Dreieck geschaltet sein.

Die erläuterte Schaltungsanordnung erlaubt die direkte An­ steuerung der Kommutierungsendstufe eines Dreiphasenmotors durch die Kommutierungssensoren, ohne daß es einer zusätz­ lichen Dekodierung bedarf. Die Schaltungsanordnung läßt sich besonders raumsparend aufbauen.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Dreiphasen-Elektronikmotors mit in Dreieck geschalteten Wicklungen und drei Kommutierungssensoren, die drei um 120°el. gegeneinander versetzte Rechtecksignale abgeben, über eine aus drei End­ stufentransistorpaaren aufgebaute Dreiphasen-Vollbrücke, wobei zur Ansteuerung der Dreiphasen-Vollbrücke eine mit den Signalen der Kommutierungssensoren be­ aufschlagte Dreiphasen-Treiberschaltung vorgesehen ist, die mit einem Steuerstrom-Verteilernetzwerk versehen ist, das für jeden Endstufentransistor einen Steuer­ transistor aufweist, und über welches alternierend jeweils zwei auf der gleichen Potentialseite der Brücke liegende Endstufentransistoren mit gleichem Steuerstrom beaufschlagt werden und über welches dem auf der jeweils anderen Potentialseite der Brücke liegenden Endstufenstransitor des dritten Endstufentransistorpaares Steuerstrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Endstufentransistoren (40, 44, 54 bis 57) innerhalb jedes Endstufentransistorpaares von gegensätzlichem Leitungstyp und mit ihren Kollektoren untereinander sowie mit jeweils einer Verbindungsstelle (52, 58, 59) der Motorwicklungen (10, 11, 12) verbunden sind;
daß das Steuerstrom-Verteilernetzwerk ferner eine in Stern oder in Dreieck geschaltete Gruppe von drei untereinander gleichen Widerständen (28, 39, 30) aufweist; und
daß die jedem Endstufentransistorpaar (40, 44; 54, 55; 56, 57) zugeordneten Steuertransistoren (18, 19; 24, 25; 26, 27) paarweise in Reihe untereinander verbunden sind und diese Verbindungsstellen an die Gruppe von Widerständen (28, 29, 30) angeschlossen sind, wobei dem Endstufentransistor des dritten Endstufentransistorpaares (40, 44 oder 54, 55 oder 56, 57) die Summe der beiden Steuerströme der End­ stufentransistoren der beiden anderen Endstufentran­ sitorpaare (54, 55; 56, 57 bzw. 56, 57; 40, 44 bzw. 40, 44; 54, 55) zugeführt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei in Stern geschalteten Wi­ derständen (28, 29, 30) der Sternpunkt (31) an ein raschen Änderungen des Sternpunktpotentials entgegenwirkendes Zeitglied (32) angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß den Steuertransistoren (18, 19, 24 bis 27) Sperrglieder (16, 20 bis 23, 49, 50) vorgeschaltet sind, die ein Einschalten der Steuertransistoren verhindern, bis der je­ weils andere Steuertransistor des betreffenden Steuertransistorpaares ausgeschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Zeitglieder (41, 45), welche die Umschaltgeschwindigkeit der End­ stufentransistoren (40, 44, 54 bis 57) begrenzen.