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Elektromotor, insbesondere zum Antrieb
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eines Schwungrads Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere
zum Antrieb eines Schwungrads, enthaltend statorsei ti g wenigstens zwei Motorspulen,
die auf einen ferromagnetischen Rotor einwirken und eine Ansteuerschaltung.
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Es ist aus der DE-PS 1 960 837 bekannt, einen fremderregten Gleichstrommotor
zum Antrieb eines Schwungrads, insbesondere eines Stabilisierungsschwungrades für
einen Satelliten, vorzusehen. Es wird ein Momentenverlauf vorgegeben, welcher bei
der Nenndrehzahl einen Sprung von einem positiven in ein negatives Reaktionsmoment
ausführt.
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Mittels einer Stromkonstanthaltung beim Motorhochlauf wird versucht
ein konstantes positives Moment bis zur Nenndrehzahl zu bilden. Bei Erreichen der
Nenndrehzahl wird durch entsprechende Dimensionierung des Motors die lineare Abhängigkeit
des Ankerstroms von der Drehzahl sehr steil; damit erhält man angenähert den gewünschten
Momentenverlauf. Der Motor ist dabei speziell auf das entsprechende Reaktionsmoment
abgestimmt. Eine Änderung des Momentenverlaufs ist nur durch entsprechende Anderung
des Motoraufbaus möglich.
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Aufgabe der Erfindung is-t es daher, einen Motor mit einer Ansteuerschaltung
zu schaffen, der an beliebige Reaktionsmomente angepaßt werden kann.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Rechenmittel vorgesehen sind,
die aus dem benötigten Motormoment bzw. Momentverlauf den Motorstrom und/oder die
Ansteuertaktfrequenz ermitteln und der Ansteuerschaltung zuführen.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung erfolgt die Motorstromregelung
über einen Pulsweitenmodulator, wobei die den Motorstrom schaltenden Elemente mit
dem Ausgangssignal des Pulsweitenmodulators gesteuert werden.
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Es hat sich als günstig erwiesen, die Motordrehzahl nicht mittels
eines speziellen Drehzahl sensors, sondern über die induzierte Spannung in einer
Motorspule abzugreifen.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
enthalten.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 einen Schaltungsaufbau für einen geregelten Gleichstrommotor
Fig. 2 einen Schaltungsaufbau für einen geregelten Hysterese- oder Asynchronmotor
Fig. 3 den Momentenverlauf für ein Reaktionsschwungrad
Stabilisierungsschwungräder in Raumfahrzeugen haben in erster Linie
die Aufgabe, dem Raumfahrzeug eine ausreichende Steifigkeit um die zur Rotationsachse
senkrechten Achsen zu verleihen. Sie werden jedoch gleichzeitig auch dazu benutzt,
kleine Reaktionsmomente um die Rotationsachse zu erzeugen. Hierzu wird die Drehzahl
des Schwungrads in einem vorgegebenen Bereich (z.B. 10%) um die Nenndrehzahl erhöht
und erniedrigt. Soll beispielsweise eine an einem Satelliten angebrachte Antenne
immer zur Erde ausgerichtet sein, so wird mit Hilfe eines an dem Satelliten angebrachten
Sensors festgestellt, wenn die gewünschte Ausrichtung nicht mehr eingehalten ist.
Die vom Sensor dann gelieferte Spannung wird dazu benutzt, das vom Motor abgegebene
Moment, das bei richtiger Ausrichtung gerade das Reibungsmoment aufhebt, zu erhöhen
oder zu erniedrigen, wodurch eine Drehzahl änderung des Schwungrads zustande kommt.
Durch die Änderung des vom Motor abgegebenen Moments kommt eine Drehung des Satelliten
um die Rotationsachse zustande.
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Ist die richtige Ausrichtung des Satelliten wieder erreicht, so ist
die Au.sgangsspannung des Sensors wieder Null und damit wird auch das vom Motor
abgegebene Moment wieder so bemessen, daß er gerade wieder das Reibungsmoment kompensiert.
Es ist ersichtlich, daß entsprechend der Satellitenart unterschiedlich große Rückstell-Momente
gefordert werden. Ferner sind die Reibungsmomente über längere Zeit nicht konstant,
so daß eine Variation des von dem Motor abgegebenen Moments innerhalb einer bestimmten
Zeit nötig erscheint.
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Ein Schaltungsaufbau zur Erzeugung eines beliebigen Reaktionsmoments
mittels eines Gleichstrommotors 1 ist in Fig. 1 dargestellt.
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Der Gleichstrommotor ist in bekannter Weise als kollektorr oder Gleichstrommotor
aufgebaut und enthält bei -spielsweise als 3-phasiger Motor drei Kommutierungssensoren,
deren Signale über die Kommutierungssignalleitungen 2 der Ansteuerschaltung 3 zugeführt
werden. Weiterhin wird die Drehzahl des Motors über Signal leitung 4 der Rechenschaltung
5, die beispielsweise durch einen Mikrocomputer gebildet wird, zugeführt. Der dem
Motor i mittels der Ansteuerschaltung 3 zugeführte Spulenstrom J wird mittels einem
Stromsensor 6 und eines Signalumformers 7 in ein entsprechendes Spannungssignal
umgeformt und der Rechenschaltung 5 eingegeben. Soll nur ein bestimmtes Motormoment
oder ein bestimmter Momentenverlauf erzeugt werden, so wird über den Eingang M5
der Rechenschaltung eine entsprechende Information eingegeben, welche darauf das
Ist-Moment aufgrund der Strom- und Drehzahlmessung ermittelt und ein Steuersignal
erzeugt, welches über die Steuersignalleitung 8 die Ansteuerschaltung beaufschlägt.
Dieses Signal ist beispielsweise eine konstante Frequenz mit der die in der Ansteuerschaltung
enthaltene Endstufe getaktet wird und deren Impulsweite entsprechend moduliert wird.
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Die Rechenschaltung weist mehrere Ausgänge 9, 10, 11 auf, mit denen
die Motordrehzahl und das Ist-Moment Mj oder der Motorstrom J einer Anzeigeneinheit
zugeführt werden können.
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In Fig. 2 ist ein Schaltungsaufbau dargestellt für einen Asynchron-
bzw. Hysteresemotor. Von dem Motor sind hier lediglich die Spulen 12-15 dargestellt.
Diese sind mit Freilaufdioden 16-19 überbrückt, wobei Spulen und Freilaufdioden
an einem Ende mit der Versorgungsspannung Ub verbunden sind. Angesteuert werden
die Motorspulen 12-15 mittels FET-Leistungstransistoren, die wiederum
durch
UND-Gatter 24-27 gesteuert werden. Erste Eingänge der UND-Gatter sind mit einem
Festwertspeicher (PROM) 28 und die weiteren Eingänge gemeinsam mit dem Ausgang eines
Pulsweitenmodulators verbunden. Der Festwertspeicher 28 erzeugt die Ansteuerimpulse
für die Spulen 12-15 aus einer von einem Zähler 30 (Up/Down-Counter) gebildeten
Frequenz. Der Zähler 30 erhält über einen Teiler eine Referenzfrequenz von einer
Rechenschaltung 32 (beispielsweise ein Mikroprozessor) sowie ein Start-Stop und
ein Drehrichtungsbefehl. Bei Ansteuerung eines Hysteresemotors wird die Drehzahl
über einer Spule 12 als induzierte Spannung abgegriffen und über einen Komparator
33 und einen Zähler 34 der Rechenschaltung zugeführt. Die Sensierung des Spulenstroms,
welchem das Motormoment entspricht, erfolgt durch eine Spannungsmessung an dem Meßwiderstand
35. Die Meßspannung wird über einen Verstärker 36 dem ersten Eingang des Pulsweitenmodulators
29 und über einen Analog-Digital-Wandler 37 der Rechenschaltung 32 zugeführt. Die
Rechenschaltung erzeugt in Abhängigkeit von der geforderten Momentenkennlinie bzw.
Momentenänderung ein Stellsignal, welches über den Digital -Anal og-Wandl er 38
dem zweiten Eingang des Pulsweitenmodulators 29 zugeführt wird. Dieser erzeugt eine
beliebige Frequenz, deren Taktverhältnis entsprechend den Eingangssignalen variiert;
d.h., zur Erhöhung des Motormoments ist das Stellsignal gegenüber dem von dem Verstärker
36 gelieferte Signal größer, der Pulsweitenmodulator 29 erzeugt analog dazu verbreiterte
Impulse.
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In Abhängigkeit von der Pulsweise werden die UND-Gatter 24-27 und
damit auch die Leistungstransistoren 20-23 getaktet. Damit wird eine Stromregelung
über die Kommutierungstransistoren realisiert. Die Motorwicklungen erfüllen gleichzeitig
die Funktion von Drossel spulen.
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Durch die mögliche Variation des Taktsignals, welches über den Teiler
31 dem Zähler 30 zugeführt wird und die Impulsweitenregelung läßt sich beispielsweise
bei einem Asynchronmotor, anpaßbar an das erforderliche Moment, bei allen Betriebsbedingungen
der optimale Arbeitspunkt einstellen. Hierbei ist über das Taktsignal der Schlupf
und über die Impulsweitenregelung das Motormoment regelbar.
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Selbstverständlich läßt sich mit dem dargestellten Schaltungsaufbau
auch ein Gleichstrommotor ansteuern.
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Der Hochlauf erfolgt dabei geregelt über eine veränderbare Ansteuerfrequenz,
bei Erreichen der Soll drehzahl kann der Motor als Synchronmaschine betrieben werden.
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Damit entfällt die Verwendung von Kommutierungssensoren und Signalaufbereitungselektronik.
Es sei noch erwähnt, daß über die Signalleitung 38 ein Drehrichtungssignal sowie
über die Signalleitung 39 ein Start!Stop-Signal dem Zähler 30 zugeführt werden kann.
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In Fig. 3 ist ein Momentenkennliniendiagramm dargestellt.
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Der Motor hat den mit MM1 gekennzeichneten Momentenverlauf. Das Moment
M1 wird bei dem Schlupf S1 erzeugt, d.h., der Arbeitspunkt des Motors wird auf das
maximale Moment eingestellt. Durch Variation des Motorstroms aufgrund der Änderung
der Pulsweite läßt sich der Momentenverlauf parallel verschieben und beispielsweise
den Momentenverlauf MM2 einstellen. Eine Erhöhung der Ansteuerfrequenz erhöht beispielsweise
den Schlupf auf den Wert S2' Damit wird deutlich, daß ein Motor bestimmter Auslegung
ohne konstruktive Änderungen universell einsetzbar ist.
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Bezugszeichenliste 1 Gleichstrommotor 2 Kommutierungssignalleitungen
3 Ansteuerschaltung 4 Signalleitung Drehzahl 5 Rechenschaltung (pP) 6 Stromssensor
7 Signalumformer 8 Steuersignalleitung 9 Ausgang Signalleitung 10 Ausgang Mj 11
Ausgang J 12 Spule 13 Spule 14 Spule 15 Spule 16 Freilaufdiode 17 Freilaufdiode
18 Freilaufdiode 19 Freilaufdiode 20 FET-Leistungstransistor 21 FET-Leistungstransistor
22 FET-Leistungstransistor 23 FET-Leistungstransistor 24 UND-Gatter 25 UND-Gatter
26 UND-Gatter 27 UND-Gatter 28 Festwertspeicher (PROM) 29 Pulsweitenmodulator 30
Zähler 31 Teiler 32 Rechenschaltung 33 Komparator 34 Zähler 35 Meßwiderstand 36
Verstärker 37 Analog-Digital-Wandler 38 Signalleitung 39 Signalleitung