DE3230892C2

DE3230892C2 -

Info

Publication number: DE3230892C2
Application number: DE3230892A
Authority: DE
Inventors: Makoto Nishinomiya Hyogo Jp Gotou
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1981-08-20
Filing date: 1982-08-19
Publication date: 1991-05-23
Also published as: DE3230892A1; JPS5833986A; US4491770A; JPH0216117B2

Description

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer feldflußerzeugenden Einrichtung mit einer Vielzahl von N- und S-Polen, Mehrphasenspulen zum Erzeugen einer Kraft infolge der Wechselwirkung zwischen einem durch sie fließenden Strom und den von der feldflußerzeugenden Einrichtung erzeugten Fluß, einer Gleichspannungsquelle zur Zufuhr der erforderlichen elek trischen Leistung, einer Vielzahl von Ausgangstransistoren zum Aufschalten der elektrischen Betriebsleistung aus der Gleich spannungsquelle auf die Mehrphasenspulen, einem Sollwertsignal generator, der ein Sollwertsignal erzeugt, einem Stellungs detektor, der eine Gruppe von Ausgangssignalen entsprechend der Relativstellung zwischen der feldflußerzeugenden Einrichtung und den Mehrphasenspulen liefert, einer Verteilereinrichtung, die wahlweise die Ausgangstransistoren entsprechend den Aus gangssignalen des Stellungsdetektors durchschaltet, um den Mehrphasenspulen einen Strom entsprechend dem Sollwertsignal zuzuführen, und einem Spannungsdetektor, der in jedem Durch schaltintervall die Spannungsabfälle über den Ausgangs transistoren erfaßt und sein Ausgangssignal entsprechend den ermittelten Spannungsabfällen ändert.

Um die Geschwindigkeit eines bürstenlosen Gleichstrommotors zu steuern, können die Ströme für eine Vielzahl von Ständer spulen elektronisch geschaltet und geregelt werden, und zwar gewöhnlich mit Transistoren. Herkömmlicherweise wird bei einem bürstenlosen GS-Motor der Gesamtankerstrom gewöhnlich mit einem mit dem Anker in Reihe gelegten Transistor gesteuert und der Strompfad zu den Ständerwicklungen mit durchschalten den und sperrenden Ausgangstransistoren geschaltet.

Die Ausgangstransistoren lassen sich zur Steuerung der Strom stärke in den Ständerwicklungen im ungesättigten Betrieb verwenden. Der Ankerstrom wird dabei indirekt über die Basis ströme der Ausgangstransistoren gesteuert. Der durch die Ständerspulen fließende Strom ist vom h_FE-Wert (Vorwärts- Stromverstärkungsfaktor) jedes einzelnen Ausgangstransistors abhängig; der durch die Ständerspulen fließende Gesamtstrom ist daher unvermeidlich wellig. Ein GS-Motor mit einem Permanentmagnet erzeugt ein im wesentlichen dem Ankerstrom proportionales Drehmoment. Ungleiche h_FE-Werte der Ausgangstransistoren bewirken daher eine Welligkeit im er zeugten Drehmoment.

Bei einem bekannten bürstenlosen Gleichstrommotor der eingangs erwähnten Art (DE 30 06 707 A1) ist eine Regelschaltung vor gesehen, bei der das Ausgangssignal einem GS/GS-Schaltwandler über einen Differenzverstärker bei Abweichung von einem Soll wert zugeführt wird, so daß der Spannungsabfall über dem Ausgangstransistor einen vorbestimmten kleinen Wert annimmt.

Ein weiterer bekannter bürstenloser GS-Motor (DE 21 30 533 B2), der keinen Spannungsdetektor aufweist, arbeitet mit einem Regelkreis, mit dem der in den Ständerspulen fließende Gesamt strom proportional einem Bezugssignal gesteuert wird und un abhängig von ungleichen h_FE-Werten der Ausgangstransistoren wird. Auf diese Weise wird die Drehmomentwelligkeit des bürsten losen GS-Motors infolge der h_FE-Unterschiede erheblich abge schwächt; es tritt jedoch eine Welligkeit auf, wenn der Aus gangstransistor in die Sättigung geht.

Beim Anlaufen und Beschleunigen liefert der GS-Motor einen starken Strom an die Ständerspulen, da ein schnelles An- und Hochlaufen erwünscht ist. Dabei wird in jeder Ständerspule eine Gegen-EMK als Wechselspannung erzeugt, deren Amplitude von der Drehgeschwin digkeit abhängt, und die Spannungsabfälle über den Ausgangs transistoren nehmen mit der Zunahme der Gegen-EMKs ab. Die Ausgangstransistoren werden daher bei jedem Durchschalten während des Übergangs vom Anlaufen zur Sollgeschwindigkeit gesättigt und der den Ständerspulen zugeführte Betriebsstrom ist wellig, da der dem Bezugssignal entsprechende Strom nicht fließen kann und die Gegen-EMK sich während des Durchschalt zustands ändert.

Der tatsächlich fließende Strom ist daher weit schwächer als der Sollwert und schaltet kurzzeitig während eines Umschaltvorgangs zwei Transistoren durch, so daß der Iststrom gleich dem Sollstrom wird.

Diese Stromwelligkeiten erzeugen während des Anlaufens und Be schleunigens mechanische Schwingungen und Geräusche; dies stellt bei für NF- und Videogeräten verwendete bürstenlose GS-Motoren ein schwerwiegendes Problem dar.

Bekannt ist schließlich eine Anordnung zur Erfassung der Läuferdrehzahl und/oder -stellung an einem Gleichstrommotor (DE 22 12 497 C3), an dessen Ständerwicklungen jeweils mit seinem Emitter ein Transistor angeschlossen ist, dessen Basis an den Sternpunkt der Ständerwicklung gelegt und so gepolt ist, daß über seinem Kollektor jeweils diejenigen Halbwellen der vom Läufer in den Ständerwicklungen induzierten Spannungen, deren Polarität der Speisespannung entgegengesetzt ist, aus gekoppelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bürstenlosen Gleichstrommotor gemäß der eingangs erwähnten Art anzugeben, der für NF- oder Videogeräte geeignet ist und unabhängig von der Drehzahl einwandfrei glatt durchläuft.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Tiefpaß filter, das die hochfrequenten Teile im Sollwertsignal dämpft, und eine Nachstelleinrichtung, die das Eingangssignal des Tief paßfilters entsprechend dem Ausgangssignal des Spannungs detektors nachstellt, wenn mindestens einer der Spannungsabfälle über den Ausgangstransistor in jedem Durchschaltintervall kleiner als eine vorbestimmte Spannung ist.

Vorteilhafterweise weist die Verteilereinrichtung einen Stromdetektor, der den in den Mehrphasenspulen fließenden Gesamtstrom ermittelt, einen Stromregler, der einen Ausgangs strom entsprechend der Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Stromdetektors und dem Ausgangssignal des Tiefpaßfilters liefert, und eine Wahleinrichtung auf, die den Stromflußweg vom Ausgangsanschluß des Stromreglers zu den Steueranschlüssen der Ausgangstransistoren entsprechend den Ausgangssignalen des Stellungsdetektors wählt.

Der Spannungsdetektor enthält vorzugsweise eine Vielzahl von Fühltransistoren, die mit ihren Basen an einem der Ausgänge der Ausgangstransistoren liegen, wobei es sich bei den Fühltransistoren um bipolare PND-Transistoren mit lateraler oder Substrat-PNP-Struktur handelt.

Der Spannungsdetektor kann eine spannungserzeugende Einrichtung enthalten, die die vorbestimmte Spannung erzeugt, die sich entsprechend dem Sollwertsignal ändert.

Der Sollwertsignalgenerator kann eine Motorstopeinrichtung aufweisen, die das Sollwertsignal zum Sperren des den Mehr phasenspulen zugeführten Stromes veranlaßt.

Der erfindungsgemäße bürstenlose GS-Motor kann auch mit beliebiger Phasenzahl aufgebaut oder als bürstenloser Linear-GS-Motor ausgelegt sein. Auch kann den Mehrphasen spulen des GS-Motors der Strom bidirektional wie z. B. bei dem bürstenlosen GS-Motor nach der US-PS 40 35 700 zugeführt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen bürstenlosen GS-Motor wird in vorteilhafter Weise eine beträchtliche Abschwächung der Welligkeit des Arbeitsstromes I_a erreicht.

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen bürstenlosen Gleich strommotors werden nun anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen sind:

Fig. 1 ein Schaltplan einer Ausführungsform eines bürstenlosen GS-Motors,

Fig. 2 ein Schaltplan eines in der Ausführungsform nach Fig. 1 verwendeten Spannung-Strom-Wandlers,

Fig. 3 ein Schaltplan einer in der Ausführungsform des bürstenlosen GS-Motors nach Fig. 1 verwendeten Stromregel schaltung,

Fig. 4 ein Schaltplan zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ausführungsform des bürstenlosen GS-Motors nach Fig. 1,

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ausführungsform des bürstenlosen GS-Motors nach Fig. 1

Fig. 6 ein Schaltplan einer weiteren Ausführungsform des bürstenlosen GS-Motors.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, liegt die den Feldfluß erzeugende Einrichtung in Form eines mehrpoligen Permanentmagneten 1 mit einer Vielzahl von N- und S-Polen vor. Die drei Phasenspulen 2, 3 und 4 sind mit dem Fluß des Magneten 1 so verkettet, daß ein durch jede Phasenspule 2, 3 oder 4 fließender Strom infolge der Wechselwirkung zwischen dem Strom und dem Fluß aus dem Magneten 1 eine Kraft (Drehmoment) erzeugt. Ausgangstransistoren 5, 6 und 7 dienen zum Umschalten des Stromflußweges von der Gleichspannungsquelle V_cc (zwischen den Anschlüssen 81, 82) unter den Phasenspulen 2, 3 und 4. Ein gestrichelt gezeichneter Stellungsdetektor 8 weist Hall-Elemente 50, 51, 52 auf, die den Fluß des Magneten 1 erfassen und 3phasige Spannungssignale erzeugen. Weiterhin sind Verteiler 9 mit einem Stromfühler 41, einer Stromregelstufe 42 und einer Wahlstufe 43 sowie ein Spannungsfühler 10 mit einer Vielzahl von Fühltransistoren 70, 71, 72 zur Ermittlung der Spannungsabfälle über den Ausgangs transistoren 5, 6 und 7 innerhalb jedes Durchschaltinter valls vorgesehen. Ein Sollwertsignal-Generator 11 weist einen Geschwindigkeitsfühler 21 und einen Spannungs-Strom-Wandler (U/I-Wandler) 24 zur Erzeugung eines Sollwertsignals i₁ auf. Eine Nachstelleinrichtung 12 in Form einer Stromspiegelstufe dient zur Erzeugung der dem Sollwertsignal i₁ entsprechender Ströme i₂ und i₃ und eines Ausgangssignals i₆ des Spannungs fühlers 10. Ein Tiefpaßfilter 13 wandelt ein Eingangsstrom signal i₂ zu einem Ausgangsspannungssignal V₁ um, wobei V₁ ein Eingangssignal für die Stromregelstufe 42 im Verteiler 9 ist.

Die Arbeitsweise des bürstenlosen GS-Motors ist folgendermaßen: Eine Gleichspannungsquelle (V_cc = 12 V) ist zwischen die Anschlüsse 81, 82 gelegt. Der Sollwertsignalgenerator 11 enthält einen herkömmlichen Drehgeschwindigkeitsdetektor 21 zur Erzeugung eines Spannungssignals 22 entsprechend der Differenz zwischen der Drehgeschwindigkeit des Magneten 1 und einer Sollgeschwindigkeit. Der U/I-Wandler 24 vergleicht das Spannungssignal 22 mit einer Spannung E_r aus einer Spannungsquelle 23 und der Ausgangsstrom i₁ entsprechend der Eingangsspannungsdifferenz fließt aus der Nachstellstufe 12 ein, wenn ein Motorstopsignal 24 den Pegel L hat (null Volt). Der Strom wird zu null, wenn das Motorstopsignal 25 den Pegel H (5 V) annimmt.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des U/I-Wandlers 24. Wenn das Motorstopsignal 25 den Pegel L hat, liefern die Differenz transistoren 103, 106 einen Strom i₁₀ aus einer Konstantstrom quelle 100, aufgeteilt auf die Kollektorströme i₁₁, i₁₂ ent sprechend der Differenz zwischen dem Spannungssignal 22 und der Spannung E_r. Die Transistoren 109, 110 bilden eine Strom spiegelschaltung (aktive Lasten für die Differenztransistoren 103, 106, so daß der Differenzstrom (i₁₁-i₁₂) bei (i₁₁-i₁₂) 0 von einem Transistor 112 abgeleitet wird. Das Stromsignal i₁, d. h. das Sollwertsignal, ist proportional dem Strom (i₁₁-i₁₂) entsprechend der Differenz zwischen dem Spannungssignal 22 und E_r bei (i₁₁-i₁₂) 0. Wenn (i₁₁-i₁₂) <0, d. h., wenn die Drehgeschwindigkeit des Magneten höher als die Sollgeschwindigkeit ist, gilt i₁ = 0.

Wenn das Motorstopsignal 25 den Pegel H annimmt, schaltet der Transistor 27 durch, und der Ausgangsstrom i₁ wird unab hängig von der Eingangsspannungsdifferenz auf 0 gelegt.

Das Sollwertsignal i₁ ist an die Nachstellschaltung 12 gelegt, bei der es sich um einen Stromspiegel handelt. Da die Basis- Emitter-Spannungen (V_BES) der Transistoren 29, 30, 31 gleich oder fast gleich sind, sind auch die Spannungsabfälle über den Widerständen 32, 33, 34 jeweils gleich bzw. fast gleich. Die Ausgangsströme i₂, i₃ der Korrekturschaltung 12 sind also

i₂ = i₁-i₆ 0 (1)

i₃ = i₁ 0 (2)

wenn die Widerstände 32, 33, 34 untereinander gleich sind, wenn i₆ der Ausgangsstrom des Spannungsdetektors 10 ist.

Der Ausgangsstrom i₂ der Nachstellschaltung 12 ist an ein Tiefpaßfilter 13 gelegt, das i₂ in das Spannungssignal V₁ umwandelt, das an den Verteiler 9 gelegt ist. Die Übertragungs funktion des Tiefpaßfilters 13 ist

wobei R₃₅, R₃₆ und C₃₇ die elektrischen Werte der Widerstände 35, 36 bzw. des Kondensators 37 sind. Das Tiefpaßfilter 13 eliminiert somit hochfrequente Anteile aus dem Stromsignal i₂, das aus dem Sollwertsignal i₁ und dem Ausgangssignal i₆ des Spannungsdetektors 10 zusammengesetzt ist. Die Diode 38 begrenzt die Ausgangsspannung V₁ des Tiefpaßfilters 13.

Die Spannung V₁ ist an den nichtinvertierenden Eingang des Stromreglers 42 im Verteiler 9, und ein Ausgangssignal V₂ des Stromdetektors 41 an den invertierenden Eingang des Stromreglers 42 gelegt. Das Ausgangssignal i₄ entspricht somit der Eingangsspannungsdifferenz (V₁-V₂).

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des Stromreglers 42. Die Differenztransistoren 123, 126 liefern einen Strom i₁₃ aus einer Konstantstromquelle 120, aufgeteilt auf die Kollektor ströme i₁₄, i₁₅, entsprechend der Differenz zwischen V₁ und V₂. Die Transistoren 129, 130 bilden eine Stromspiegelschaltung, so daß der Differenzstrom (i₁₅-i₁₃) von den Transistoren 131 und 132 verstärkt wird, wenn (i₁₅-i₁₄) <0. Daher entspricht der Ausgangsstrom i₄ des Stromreglers 42 der Eingangsspannungs differenz (V₁-V₂), wenn V₁ V₂, bei V₁ <V₂ gilt i₄ = 0. Der Ausgangsstrom i₄ des Stromreglers 42 wird zum gemeinsamen Emitterstrom der drei Differenztransistoren 45, 46, 47 des Wahlschalters 43.

Die Hall-Elemente 50, 51, 52 im Stellungsdetektor 8 erzeugen drei Phasen-Wechselspannungen mit etwa gleichen Amplituden von etwa 0,3 V_pp, die an die Basen der Differenztransistoren 45, 46, 47 im Wahlschalter 43 gelegt sind. Der gemeinsame Emitter strom i₄ wird auf die Kollektorströme der Transistoren 50, 51, 52 aufgeteilt entsprechend den Spannungsdifferenzen der Aus gangsspannungen der Hall-Elemente 50, 51, 52. Infolgedessen führt der Transistor mit der geringsten Basisspannung den höchsten Kollektorstrom; die Kollektorströme der anderen Transistoren sind weit geringer (fast null).

Die Umschaltung zwischen dem Transistor im Wahlschalter 43 erfolgt gleichmäßig entsprechend der Drehung des Magneten 1, da die Ausgangsspannungen der Hall-Elemente 50, 51, 52 eben falls stetig in Form von drei Sinuswellen sich ändern. Die Kollektorströme der Transistoren 45, 46, 47 im Wahlschalter 43 werden zu den Basisströmen der Ausgangstransistoren 5, 6 und 7. Die Ausgangstransistoren 5, 6 und 7 werden daher wahlweise vom Wahlschalter 43 entsprechend den Ausgangssignalen des Stellungs detektors 8 durchgeschaltet und erlauben den Stromfluß durch die drei Phasenspulen 2, 3 bzw. 4. Der Stromfühler 41 er mittelt den durch die drei Phasenspulen 2, 3, 4 fließenden Gesamtstrom und liefert ein Signal V₂, das an den invertierenden Eingang des Stromreglers 42 gelegt ist.

Der Rückführkreis (erster Regelkreis) wird vom Stromregler 42, dem Wahlschalter 43, den Ausgangstransistoren 5, 6 und 7 und dem Stromdetektor 41 gebildet und regelt den den drei Phasen spulen 2, 3 und 4 zugeführten Strom entsprechend dem Ausgangs signal des Tiefpaßfilters 13, das entsprechend dem Sollwert signal i₁ des Sollwertsignalgenerators 11 und dem Ausgangs signal i₆ des Spannungsdetektors 10 variiert, so daß er trotz ungleicher h_FE-Werte der Ausgangstransistoren konstant bleibt.

Drei Reihenschaltungen aus den Widerständen 61, 63, 65 und den Kondensatoren 62, 64, 66 sind jeweils den drei Phasen spulen 2, 3, 4 parallelgeschaltet, um die Spannungsspitzen beim Umschalten zu dämpfen. Ein Kondensator 48 dient zur Phasenkompensation des ersten Regelkreises und verhindert damit Regelschwingungen.

Da das Signal V₂ die über dem Widerstand 44 abfallende Spannung ist und infolge der Funktion des ersten Regelkreises V₂ =V₁ gilt, beträgt der Strom I_a zu den drei Phasenspulen 2, 3 und 4

I_a = V₁/R₄₄ (4)

wobei R₄₄ der Widerstandswert des Widerstands 44 ist; der Strom I_a zu den drei Phasenspulen 2, 3, 4 ist somit proportional der Eingangsspannung V₁ des Verteilers 9. Liegt der Spannungs abfall über dem durchgeschalteten Transistor nicht unter einem vorbestimmten Spannungswert, ist der Ausgangsstrom i₆ gleich null, wie später genauer erläutert wird. In diesem Fall ist der Strom I_a

Ia = (1/R₄₄) · C(jω) · i₁ (5)

d. h. der erste Rückführungskreis arbeitet so, daß den drei Phasenspulen 2, 3, 4 ein konstanter Strom entsprechend dem Kommandosignal i₁ aus dem Sollwertsignalgenerator 11 zugeführt wird. Die Drehgeschwindigkeit des Magneten 1 wird daher gut geregelt.

Der Spannungsdetektor 10 der Ausführungsform des bürstenlosen GS-Motors nach Fig. 1 arbeitet folgendermaßen:

Der Strom i₃ der Nachstelleinrichtung 12, der proportional dem Sollwertsignal i₁ ist, wird auf einen Widerstand 67 und die Dioden 68, 69 im Spannungsdetektor 10 gegeben, wenn die Ströme zu den Fühltransistoren 70, 71, 72 gleich null sind, und erzeugt eine Spannung

V_3r = 1,4 + R₆₇ · i₃ (6)

zum gemeinsamen Emitteranschluß der Ausgangstransistoren 5, 6 und 7, wobei die 1,4 V der Spannungsabfall über den Dioden 68, 69 und R₆₇ der Widerstandswert des Widerstands 67 sind. Die Emitter der Fühltransistoren 70, 71, 72 sind unmittelbar oder über einen Widerstand oder eine Dichte an den V_₃r führen den Punkt gelegt, die Basen der Fühltransistoren 70, 71, 72 unmittelbar oder über einen Widerstand oder eine Diode an die Ausgangsanschlüsse der Ausgangstransistoren 5, 6 und 7.

Fig. 4 zeigt den Stromflußweg des Stromes I_a, wenn der Aus gangstransistor 5 durchgeschaltet ist und der Strom vom positiven Anschluß der Gleichspannungsquelle V_cc über die Phasenspule 2 und den Ausgangstransistor 5 zum negativen Anschluß der Gleichspannungsquelle führt. Der Spannungsabfall über dem durchgeschalteten Ausgangstransistor 5 (Absolutwert der Spannung zwischen Kollektor und Emitter, d. h. |V_CE|) ist dann kleiner als über den anderen beiden Ausgangstransistoren 6 bzw. 7. Die Fühltransistoren 70, 71, 72 vergleichen also die Spannungsabfälle über den Ausgangstransistoren 5, 6, 7 in jedem Durchschaltintervall mit einer vorbestimmten Spannung, und der entstehende Strom i₅ geht an eine Stromspiegelschaltung aus einer Diode 73, einem Transistor 75 und den Widerständen 74, 76, wenn der Spannungsabfall über einem Ausgangstransistor in dessen Durchschaltintervall kleiner als der vorbestimmte Wert

(V_3r-0,7) = 0,7 + R₆₇ · i₃

wird, wobei 0,7 V der Absolutwert des Vorwärtsspannungsabfalls zwischen Emitter und Basis des entsprechenden Fühltransistors ist.

In der Fig. 4 gilt für i₅ und V₃:

i₅ = (1/R₆₇) · (V_3r-0,7-|V_CE|) (7)

V₃ = V_3r-R₆₇ · i₅ (8)

wenn |V_CE| kleiner ist als (V_3r-0,7), d. h. i₅ 0.

Der Strom i₅ wird nach Verstärkung und Polaritätsumkehr durch den Stromspiegel zum Ausgangssignal i₆. Das Ausgangssignal i₆ des Spannungsdetektors 10 ist somit null, wenn die Spannungs abfälle über den Ausgangstransistoren 5, 6, 7 in deren Durch schaltintervallen jeweils nicht kleiner als eine vorbestimmte kleine Spannung (V_3r-0,7) ist, und das Ausgangssignal i₆ variiert entsprechend der Spannungsdifferenz (V_3r-0,7 |V_CE|), wenn mindestens einer der Spannungsabfälle über den Ausgangs transistoren 5, 6, 7 im Durchschaltintervall kleiner als (V_3r-0,7) wird.

Das Ausgangssignal i₆ des Spannungsdetektors 10 wird an die Nachstelleinrichtung 12 gegeben und korrigiert bzw. verringert das Eingangssignal i₂ des Tiefpaßfilters 13 so, daß das Ein gangssignal V₁ der Verteilerschaltung 9 ebenfalls korrigiert wird bzw. abnimmt. Mit abnehmendem Eingangssignal V₁ sinkt auch der Strom I_a zu den drei Phasenspulen infolge der Funktion der ersten Rückführungsschleife, so daß der Spannungsabfall über dem jeweils durchgeschalteten Ausgangstransistor steigt. Es bilden somit der Spannungsdetektor 1, die Nachstellein richtung 12, das Tiefpaßfilter 13 und der erste Rückführkreis einen zweiten Regelkreis, der den Spannungsabfall über dem durch geschalteten Ausgangstransistor so regelt, daß dieser nicht sättigen kann.

Die Kennlinie des Spannungsabfalls |V_CE| als Funktion des Stroms |I_a| infolge des zweiten Regelkreises ist in Fig. 5 (durchgezogene Gerade) gezeigt; sie liegt im aktiven Bereich des Transistors (unterhalb der Sättigungsgrenze). Infolge des zweiten Regelkreises wird somit die vom ersten Regelkreis im herkömmlichen bürstenlosen GS-Motor erzeugte Stromwelligkeit ausgeregelt.

Da weiterhin das Tiefpaßfilter 13 die Welligkeit (hochfrequente Anteile) im Ausgangssignal i₂ der Nachstelleinrichtung 12 eliminiert bzw. abschwächt, wird auch die Stromwelligkeit infolge der Welligkeiten im Sollwertsignal aus dem Sollwert signalgenerator 11 und im Ausgangssignal i₆ des Spannungs detektors 10 abgeschwächt. Für den bürstenlosen GS-Motor wird somit eine beträchtliche Abschwächung der Welligkeit des Arbeitsstroms I_a erreicht.

Wird angenommen, daß die vorbestimmte Spannung (V_3r-0,7) im Maximum des Sollwertsignals i₁ gleich 1 V ist, so sind sämtliche Transistoren 70, 71, 72 gesperrt (i₅ = 0), wenn der Spannungsabfall über dem durchgeschalteten Ausgangs transistor größer als 1 V ist, und der zweite Regelkreis hat keine Wirkung auf den Strom I_a. Der Strom I_a zu den drei Phasenspulen 2, 3, 4 entspricht somit lediglich dem Sollwert signal i₁ aus dem Sollwertsignalgenerator 11, und die Drehge schwindigkeit des Magneten 1 wird mit guter Stabilität auf den Sollwert eingeregelt.

Das Tiefpaßfilter 13 kompensiert die Phase des zweiten Regel kreises so, daß Regelschwingungen verhindert sind, da der Frequenzgang seines Übertragungsfaktors mit 6 dB/Okt. oberhalb einer vorbestimmten Frequenz f₁ = 1/2 C₃₇ (R₃₅ + R₃₆) abfällt (vgl. Gl. (3). Weiterhin verhindert das Tiefpaßfilter 13 schritt- bzw. sprungartige Änderungen des zu den Phasenspulen 2, 3, 4 fließenden Stroms I_a, wenn das Motorstopsignal 25 von 0 auf 5 V oder von 5 V auf 0 springt, wie unten erläutert wird.

Wird angenommen, daß das Motorstopsignal 25 von 0 auf 5 V springt, wenn das Sollwertsignal i₁ so groß ist, daß der Strom I_a sein Maximum annimmt, so geht das Sollwertsignal i₁ des Sollwertsignalgenerators 11 schnell auf null. Ohne den Kondensator würde der Sprung in i₁ einen Sprung in V₁ und damit auch in I_a verursachen. Dieser schnelle Übergang von maximalem I_a auf null erzeugt in einer entsprechenden Spule eine kräftige Spannungsspitze, wobei die Induktivität der Spule eine schnelle Änderung des Stroms I_a verhindert. Diese Spannungsspitze ist so hoch, daß die Reihenschaltung aus dem Widerstand und dem Kondensator, die parallel zur Spule liegt, sie nicht wesentlich verringern kann. Infolgedessen kann der Ausgangstransistor beschädigt oder in seiner Lebensdauer beeinträchtigt werden. Die schnelle Änderung von I_a kann in dem bürstenlosen GS-Motor nach Fig. 1 jedoch nicht auftreten, da der Kondensator 37 im Tiefpaßfilter 13 die Änderung von V₁ auch bei einem Sprung in i₁ verlangsamt. Diese weniger schnelle Änderung von V₁ ergibt eine langsamere Änderung von I_a, so daß auch die Spannungsspitze über der entsprechenden Spule weit schwächer ist. Die Ausgangstransistoren 5, 6, 7 können daher nicht beschädigt werden, wenn das Motorstopsignal 25 von 0 auf 5 V oder von 5 auf 0 V springt.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des bürstenlosen GS-Motors, die im Aufbau der Ausführungsform nach Fig. 1 - mit Ausnahme des Spannungsdetektors 10 und der Nachstellein richtung 12 - entspricht. Da fast alle Bauteile denen der Fig. 1 entsprechen, sind sie mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist der Aus gangsstrom I₃ der Nachstelleinrichtung 12 an den Widerstand 67 und die Dioden 68, 69 sowie eine Diode 91 im Spannungs detektor 10 gelegt, so daß eine Spannung V_4r = 2,1 + R₆₇ · i₃ entsteht, wenn der Strom i₅ im Vergleichstransistor 92 gleich null ist. Die Emitter der Fühltransistoren 93, 94, 95 sind gemeinsam an die Basis des Vergleichstransistors 92 gelegt, ihre Kollektoren ebenfalls gemeinsam an den Punkt niedrigsten Potentials (negativer Anschluß der Gleichspannungsquelle), und ihre Basen liegen jeweils an den Ausgängen der Ausgangstransisto ren 5, 6, 7.

Der Emitter des Vergleichstransistors 92 liegt an der Spannung V_4r, und der Vergleichstransistor 92 vergleicht den Spannungsabfall über den Ausgangstransistoren 5, 6, 7 in jedem Durchschaltintervall mit einer vorbestimmten Spannung. Das Ausgangssignal i₅ des Vergleichstransistors 92 entspricht der Spannungsdifferenz (V_4r-1,4-|V_CE|) und wird durch Ver stärkung und Polaritätsumkehr im Stromspiegel (Diode 73, Transistor 75, Widerstände 74, 76) zum Ausgangssignal i₆ des Spannungsdetektors 10. Dieses Ausgangssignal i₆ geht an den Kollektor des Transistors 30 in der Nachstelleinrichtung 12, und das Ausgangssignal i₂ der Nachstelleinrichtung ist (i₁-i₆). Die Funktionsweise dieser Ausführungsform ent spricht der der Ausführungsform nach Fig. 1.

Da die Fühltransistoren im Spannungsdetektor 10 in den Aus führungsformen der Fig. 1 und 6 durchweg bipolare PNP- Transistoren sind, werden als Fühltransistoren 70, 71, 72 in der Ausführungsform der Fig. 1 Transistoren mit lateraler PNP-Struktur und für die Fühltransistoren 93, 94, 95 in der Ausführungsform der Fig. 6 Transistoren mit Substrat-PNP- Struktur verwendet. Da bei PNP-Transistoren mit lateraler oder Substrat-PNP-Struktur - im Vergleich zu NPN-Transistoren oder PNP-Transistoren mit vertikaler PNP-Struktur - die Spannungsfestigkeit zwischen Basis und Emitter und auch zwischen Basis und Kollektor weit höher ist, können die Spannungsspitzen aus den drei Phasenspulen 2, 3, 4 kaum Durchschläge bewirken. Diese Transistoren mit lateraler oder Substrat-PNP-Struktur lassen sich mit der Technologie der integrierten Schaltkreise sehr leicht herstellen, und die in der Fig. 1 oder 6 gezeigte Schaltung ist besonders gut geeignet zur Integration in einem abgeschlossenen Modul, der nur wenige externe Bauelemente benötigt und der auch die Fühltransistoren integriert enthält.

Die vorbestimmte Spannung des Spannungsdetektors 10 ist

V_3r-0,7 = 0,7 + R₆₇ · i₃ (Fig. 1)

bzw.

V_4r - 1,4 = 0,7 + R₆₇ · i₃ (Fig. 6)

Da sich i₂ und i₃ entsprechend dem Sollwertsignal i₁ (i₆ = 0) und der Strom I_a mit i₂ ändern, ändert die vorbe stimmte Spannung sich entsprechend I_a. Die vorbestimmte Spannung ist folglich groß, wenn I_a groß ist, und klein, wenn I_a klein ist. Dies kompensiert die Sättigungscharakteristik der Ausgangstransistoren (vgl. die Sättigungsgrenze in Fig. 5), gewährleistet das einwandfreie Arbeiten des Spannungsdetektors 10 unabhängig von I_a und hält den Arbeitsbereich des zweiten Regelkreises entsprechend dem Strom I_a gering.

Bei den beiden beschriebenen Ausführungsformen sind als Aus gangstransistoren 5, 6, 7 bipolare Transistoren angegeben. Es lassen sich hier jedoch auch Feldeffekttransistoren einsetzen, da die Kennlinie V_DS = f(I_D) (V_DS = Source-Drain-Spannung, I_D = Drainstrom) ähnlich der V_CE = f (I_C)-Kennlinie eines bipolaren Transistors verläuft. Der Ausgangsstrom I_D wird herkömmlicherweise mit der Gate-Spannung gesteuert. Die Drain-, Source- und Gate-Elektroden eines Feldeffekttransistors ent sprechen daher dem Ausgangs-, Eingangs- bzw. Steueranschluß des Ausgangstransistors (Kollektor, Emitter und Basis ent sprechen dem Ausgangs-, Eingangs- bzw. Steueranschluß der Ausgangstransistoren in den Ausführungsformen der Fig. 1 und 6).

Claims

1. Bürstenloser Gleichstrommotor mit einer feldflußerzeugenden Einrichtung mit einer Vielzahl von N- und S-Polen, Mehr phasenspulen zum Erzeugen einer Kraft infolge der Wechsel wirkung zwischen einem durch sie fließenden Strom und dem von der feldflußerzeugenden Einrichtung erzeugten Fluß, einer Gleichspannungsquelle zur Zufuhr der erforderlichen elektrischen Leitung, einer Vielzahl von Ausgangstransistoren zum Aufschalten der elektrischen Betriebsleistung aus der Gleichspannungsquelle auf die Mehrphasenspulen, einem Soll wertsignalgenerator, der ein Sollwertsignal erzeugt, einem Stellungsdetektor, der eine Gruppe von Ausgangssignalen entsprechend der Relativstellung zwischen der feldfluß erzeugenden Einrichtung und den Mehrphasenspulen liefert, einer Verteilereinrichtung, die wahlweise die Ausgangs transistoren entsprechend den Ausgangssignalen des Stellungs detektors durchschaltet, um den Mehrphasenspulen einen Strom entsprechend dem Sollwertsignal zuzuführen, und einem Spannungsdetektor, der in jedem Durchschaltintervall die Spannungsabfälle über den Ausgangstransistoren erfaßt und sein Ausgangssignal entsprechend den ermittelten Spannungs abfällen ändert, gekennzeichnet durch ein Tiefpaßfilter (13), das die hochfrequenten Teile im Sollwertsignal (i₁) dämpft und eine Nachstelleinrichtung (12), die das Eingangssignal (i₂) des Tiefpaßfilters (13) entsprechend dem Ausgangssignal (i₆) des Spannungsdetektors nachstellt, wenn mindestens einer der Spannungsabfälle über den Ausgangstransistoren in jedem Durchschaltintervall kleiner als eine vorbestimmte Spannung ist.

2. Bürstenloser GS-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilereinrichtung (9) einen Stromdetektor (41), der den in den Mehrphasenspulen ( 2, 3 4) fließenden Gesamt strom ermittelt, einen Stromregler (42), der einen Ausgangs strom (i₄) entsprechend der Differenz zwischen dem Ausgangs signal (V₂) des Stromdetektors (41) und dem Ausgangssignal (V₁) des Tiefpaßfilters (13) liefert, und eine Wahleinrich tung (43) aufweist, die den Stromflußweg vom Ausgangsanschluß des Stromreglers (42) zu den Steueranschlüssen der Ausgangs transistoren (5, 6, 7) entsprechend den Ausgangssignalen des Stellungsdetektors (8) wählt.

3. Bürstenloser GS-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Spannungsdetektor (10) eine Vielzahl von Fühltransistoren (70, 71, 72) enthält, die mit ihren Basen jeweils an einem der Ausgänge der Ausgangstransistoren (5, 6, 7) liegen, wobei es sich bei den Fühltransistoren (70, 71, 72) um bipolare PNP-Transistoren mit lateraler oder Substrat-PNP-Struktur handelt.

4. Bürstenloser GS-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsdetektor (10) eine spannungserzeugende Einrichtung enthält, die die vorbestimmte Spannung (67, 68, 69) erzeugt, die sich entsprechend dem Sollwertsignal (i₁) ändert.

5. Bürstenloser GS-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertsignalgenerator (11) eine Motorstopeinrich tung (15, 26, 27) aufweist, die das Sollwertsignal (i₁) zum Sperren des den Mehrphasenspulen (2, 3, 4) zugeführten Stromes veranlaßt.