DE3418276C2

DE3418276C2 -

Info

Publication number: DE3418276C2
Application number: DE3418276A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm 7187 Schrozberg De Reinhardt; Helmut Dipl.-Ing. Lipp (Fh), 7119 Hohebach, De
Original assignee: Ebm Elektrobau Mulfingen & Co 7119 Mulfingen De GmbH
Current assignee: Ebm Elektrobau Mulfingen & Co 7119 Mulfingen De GmbH
Priority date: 1984-05-17
Filing date: 1984-05-17
Publication date: 1990-09-06
Also published as: GB2160036B; GB2160036A; DE3418276A1; US4694371A; GB8511286D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung zum Blockier schutz eines kollektorlosen Gleichstrommotors, die einen Leistungstransistor in Reihe mit jeder Statorwicklung, der zur Kommutierung des Stromes von einem Hall- Generator, insbesondere Hall-IC, ansteuerbar ist, und der in Abhängigkeit von einer in den Statorwicklungen induzierten Steuerspannung ein- und ausgeschaltet wird, sowie ein Verzö gerungsglied aufweist, das in der Anlaufphase des Gleichstrommotors die Kommutierungs-Ansteuerung der Leistungstransistoren unabhängig von der Steuerspannung ermöglicht.

Eine derartige Schutzschaltung ist aus der DE-OS 32 03 691 A 1 bekannt. Diese bekannte Schaltung eignet sich jedoch nur für Motoren geringerer Leistung. Dies liegt daran, daß hier der Basis jedes Leistungstransistors die Kollektor/Emitter- Strecke eines Transistors vorgeschaltet ist, wobei die Basen dieser vorgeschalteten Transistoren mit dem Mittenabgriff einer als Anlauf-Verzögerungsglied fungierenden RC-Reihen schaltung verbunden sind. Ein über die induzierte Steuer spannung angesteuerter Blockierschutz-Transistor ist eben falls mit den Basen der Vorschalt-Transistoren verbunden, so daß die Kommutierungsfunktion bei Vorhandensein der Steuer spannung über die dann von dem Blockierschutz-Transistor durchgeschalteten Vorschalt-Transistoren ermöglicht und bei Ausfall der Steuerspannung durch Sperren des Blockierschutz- Transistors unterbunden wird. Bei der bekannten Schaltung treten nun insbesondere in dem Fall Probleme auf, wenn der Motor in einem blockierten Zustand eingeschaltet wird, denn im Einschaltmoment sind die Vorschalt-Transistoren über den Kondensator des Verzögerungsgliedes durchgeschaltet, so daß - je nach Rotorstellung durch den Mall-Generator angesteu ert - auch einer der Leistungstransistoren durchgeschaltet ist. Durch die Aufladung des Kondensators gehen die Vor schalt-Transistoren nun langsam in ihren Sperrzustand über, so daß auch der jeweilige Leistungstransistor langsam sperrt. Dieser Vorgang dauert aber so lang, daß die in den Halbleiter-Schaltelementen, d. h. insbesondere in dem Lei stungstransistor auftretende Verlustleistung bei Motoren größerer Leistung zu deren thermischer Zerstörung führen würde.

Eine weitere Schutzschaltung ist aus der DE-OS 32 03 829 A 1 bekannt. Bei dieser wird zur Vermeidung einer thermischen Überlastung der Statorwicklung bei einer Blockierung ein Transistor leitend, dessen Emitter-Kollektor-Strecke in Serie zu den Statorwicklungen und den diesen zugeordneten Speisetransistoren liegt, und dessen Basis die in den Sta torwicklungen induzierte Spannung führt. Diese Schaltung ist daher ebenfalls nur für Motoren mit sehr geringer Leistungsaufnahme geeignet. Bei Motoren höherer Leistung besteht daher die Gefahr der Überhitzung und damit der Zerstörung des Blockierschutztransistors. Ebenso ergeben sich bei größeren Motoren Schwierigkeiten in der Anlauf phase. Dies ist darauf zurückzuführen, daß aufgrund des erforderlichen höheren Antriebsmomentes ein für den selbst tätigen Anlauf vorgesehenes RC-Glied wesentlich größer dimensioniert werden müßte, wozu aber der im Motor zur Verfügung stehende Raum nicht ausreichen würde.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, die Schutz schaltung so zu verbessern, daß sie sich auch für Motoren höherer Leistung eignet.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein Thyri stor zwischen einer Plus- und einer Minusleitung angeordnet und zusätzlich mit seiner Anode an der Basis eines Vor schalt-Transistors angeschlossen ist, daß der Emitter dieses Vorschalt-Transistors mit den Basisanschlüssen der Leistungstransistoren verbunden ist, daß aus der Steuerspan nung ein digitales Schaltsignal gewonnen wird, das einem Steueranschluß des Thyristors zugeführt wird, daß bei einem "L"-Pegel des Schaltsignals der Thyristor sperrt und der Vorschalt-Transistor sowie der jeweils stromführende Lei stungstransistor durchgesteuert sind und daß bei einem "H"-Pegel des Schaltsignals der Thyristor durchgeschaltet ist und der Vorschalt-Transistor und die Leistungstransisto ren gesperrt sind. Der Thyristor schaltet hierbei erfin dungsgemäß über den Vorschalt-Transistor die Basisströme der Leistungstransistoren derart schnell ab, daß thermische Zerstörungen dieser Halbleiterelemente vorteilhafterweise auch bei hohen Motorleistungen praktisch ausgeschlossen sind.

Als Steuerspannung wird vorzugsweise die Summe aus der an der jeweiligen antriebsstromlosen Wicklung anliegenden Betriebsspannung und der in dieser induzierten Gegen-EMK verwendet. Für den Fall, daß die Summe der Spannungen größer als die Betriebsspannung ist, wird das der jeweils stromfüh renden Wicklung zugeordnete Halbleiter-Schaltelement durch gesteuert, und für den Fall, daß die Gegen-EMK Null wird oder einen bestimmten Abschaltspannungswert unterschreitet, wird das jeweilige Halbleiter-Schaltelement gesperrt. Dem nach erfolgt das Abschalten des Motors in Abhängigkeit von der Höhe der in der jeweiligen antriebsstromlosen Wicklung erzeugten Gegen-EMK, was deshalb vorteilhaft ist, da die Gegen-EMK hinsichtlich ihrer Größe unmittelbar abhängig ist von der Drehzahl des Motors. Erfindungsgemäß ist es demnach möglich, nicht nur eine Abschaltung beim Stillstand des Mo tors zu erreichen, sondern auch bereits dann, wenn die Dreh zahl des Motors eine Mindestdrehzahl unterschritten hat.

In der Anlaufphase des Gleichstrommotors erfolgt eine An laufüberbrückung mittels des Verzögerungsgliedes derart, daß für die Zeitspanne, in der der Spannungswert der Gegen-EMK Null oder dem Abschaltspannungswert ist, das jeweilige, der stromführenden Wicklung zugeordnete Halbleiter-Schalt element durchgesteuert ist. Hierdurch wird verhindert, daß beim Anlaufen des Motors aus dem Stillstand ein ungewolltes Abschalten auftreten kann.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn in der Anlaufphase eine Anlaufstrom-Begrenzungsschaltung wirksam ist, die in Abhängigkeit von einer bestimmten Höhe des Anlaufstromes die Halbleiter-Schaltelemente solange sperrt und durchsteuert, bis die Gegen-EMK in den Motorwicklungen derart ausgeprägt ist, daß nur noch ein begrenzter Motor strom fließen kann. Dabei wird die Tatsache berücksichtigt, daß die Gegen-EMK der Betriebsspannung entgegengerichtet ist, so daß hierdurch eine automatische Begrenzung des durch die Wicklungen fließenden Stromes erfolgt.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels wird nunmehr die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Kommutierungsschaltung eines zweisträngi gen, zweipulsigen kollektorlosen Gleichstrom motors mit einer eingebauten erfindungsgemäßen Schutzschaltung,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Verzögerungsglied, das als Integrierglied realisiert ist,

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Verzögerungsglied, bestehend aus einer Timer-Schaltung,

Fig. 4 den Verlauf der Betriebsspannung U _V und der Gegen-EMK U _i iun Abhängigkeit von der Drehzahl,

Fig. 5 den Verlauf der Kollektor-Emitterspannung des Transistors 9 in Fig. 1,

Fig. 6 den Verlauf der Spannung U _p am nicht invertieren den Eingang des Operationsverstärkers 21 in Fig. 1,

Fig. 7 den Verlauf der Spannung U _N am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 21,

Fig. 8 den Verlauf der Ausgangsspannung U _A des Opera tionsverstärkers 21,

Fig. 9 den Verlauf der Ausgangsspannung U des Zeitglie des gemäß Fig. 1,

Fig. 10 den Verlauf der Zündspannung U _G am Thyristor ge mäß Fig. 1,

Fig. 11 die Beeinflussung der Abschaltdrehzahl durch den Widerstand 29 gemäß Fig. 1.

Zunächst soll die allgemeine Funktionsweise kurz erläu tert werden.

Bei Anlauf eines Motors ist dessen Stromaufnahme wesent lich höher als im Nennbetrieb und oft unerwünscht, da dies z. B. bei gleichzeitigem Anlassen mehrerer Motoren zu einer meist starken Belastung der Spannungsquelle führt. Um diese erhöhte Stromaufnahme zu verhindern, ist eine Anlaufstrombegrenzung eingebaut, die bei Überschrei ten eines vorgegebenen Stromwertes die Stromzuführung zu den Wicklungen unterbricht bzw. begrenzt.

Weiterhin ist es üblich, daß die Kommutierungsschaltung von kollektorlosen Gleichstrommotoren mittels digital schaltender Hall-IC's erfolgt, wobei jedoch es im Rahmen der Erfindung liegt, auch andere Schaltelemente zu verwenden.

Um bei einer Blockierung des Motors durch irgendwelche Einflüsse dessen Zerstörung aufgrund zu starker Er hitzung der Wicklungen bzw. der elektronischen Bauteile infolge des ansteigenden Motorstroms zu verhindern, er halten die bekannten Motoren eine Abschaltautomatik. Nach der automatischen Abschaltung kann der Motor nach Be seitigung der Blockierung und kurzzeitiger Abschaltung der anliegenden Spannung wieder in Betrieb genommen werden.

Im folgenden wird nun die Erfindung näher erläutert.

Nennbetrieb

Es wird hierbei zunächst von einem zweipulsigen, zweipoli gen, kollektorlosen Gleichstrommotor ausgegangen. Zwei pulsig bedeutet in diesem Zusammenhang, daß den Wick lungen 1, 2 (Fig. 1) des Motors zwei Impulse pro Rotor drehung zugeführt werden.

Die Erfindung ist aber keinesfalls auf Motoren dieser Bauart beschränkt, sondern kann ohne Einschränkung auch bei Motoren höher pulsiger und höherpoliger Bauart verwendet werden.

Während des Betriebes des Motors werden durch das Zusam menwirken von Rotor und Rotorstellungssensor Rotorstel lungssignale erzeugt, mit Hilfe derer die Statorwicklun gen 1, 2 angesteuert werden. Dabei ist ein Rotorstel lungssensor als digial schaltendes Hall-IC 3 ausgebildet, dessen Ausgang 3 a je nach Rotorstellung die logischen Werte "L" oder "H" annehmen kann. Der Wert "L" bedeutet, daß am Ausgang 3 a Nullpotential anliegt, wohingegen beim Wert "H" nahezu die gesamte Betriebsspannung U _V liegt.

Im folgenden wird nun auf die Kommutierungseinrichtung eingegangen werden, die in Fig. 1 dargestellt ist. Liegt am Ausgang 3 a des Hall-IC 3 Nullpotential, also der Wert "L", dann hat dies zur Folge, daß dieses Potential an Basisanschlüssen von Transistoren 4 und 15 über deren Vor widerstände 6 und 33 anliegt. Dadurch werden die Tran sistoren 4 und 15 gesperrt. Durch die Sperrung der Kollek tor-Emitter-Strecke der Transistoren 4 und 15 liegt nun jeweils an den Kollektoren dieser Transistoren der "H"- Pegel an. Hierbei ist vorausgesetzt, daß im normalen Be trieb leitende Transistoren 8 und 9 der erfindungsge mäßen Schaltung bzw. einer Anlaufstrombegrenzungsstufe, die später beschrieben wird, durchgesteuert sind.

Aufgrund des hohen Kollektorpotentials von Transistor 4 erfolgt über den Widerstand 7 die Durchsteuerung des Transistors 5, so daß der Wicklungsstrom der Wicklung 1 fließen kann. Dies erfolgt ausgehend von einer Plus- Leitung 10 über Wicklung 1, Transistor 5 und im wesent lichen über einen sehr niederohmigen Widerstand 11 zur Minusleitung 34.

Außerdem wird über einen Widerstand 12 ein Transistor 13 durchgeschaltet, was aber zur Folge hat, daß das Basis potential eines Transistors 14 auf Nullpotential gelegt wird. Dadurch wird ein Durchschalten von Transistor 14 verhindert, die Wicklung 2 kann nicht vom Strom durch flossen werden.

Hat sich der Rotor des Motors um eine halbe Umdrehung weitergedreht, ändert sich das Magnetfeld des Rotor magneten, das dem Hall-IC 3 gegenübersteht. Dadurch ändert sich dessen Ausgangspotential am Ausgang 3 a von "L" auf "H", d. h. nahezu die gesamte Betriebsspannung U _V liegt am Ausgang 3 a an. Dadurch steuern die Transistoren 4 und 15 durch, und der Transistor 5 wird aufgrund des an sei ner Basis anliegenden Minuspotentials gesperrt. Der Wick lungsstrom der Wicklung 1 wird dadurch unterbrochen. Eben so wird an die Basis von Transistor 13 Nullpotential gelegt, was zu dessen Sperrung führt. Dadurch steigt dessen Kol lektorpotential an, und der Transistor 14 kann durchschal ten. Der Wicklungsstrom der Wicklung 2 fließt nun aus gehend von der Plusleitung 10 zur Wicklung 2, über die Kollektor-Emitter-Strecke von Transistor 14 und auch hier im wesentlichen über den sehr niederohmigen Widerstand 11 zur Minusleitung 34.

Diese Umschaltung von einer Wicklung zur anderen erfolgt nach jeder halben Rotordrehung.

Während des Laufes des Motors entsteht in den Wicklungen 1, 2 eine Gegen-EMK, die der angelegten Betriebsspannung U _V entgegenwirkt. Diese Induktionsspannung U _i wird zu den Zeit punkten, in denen die jeweilige Statorwicklung nicht er regt ist, über Dioden 16 bzw. 17 ausgekoppelt. Es ent steht also, wenn z. B. der Transistor 5 gerade gesperrt ist, am Punkt B eine Spannung U _B, die sich aus der Addition von Betriebsspannung U _v und der in Wicklung 1 induzierten Spannung U _i zusammensetzt. Ebenso verhält es sich mit der Wicklung 2, wenn Transistor 14 gesperrt ist und aufgrund des dann leitenden Transistors 5 die Wicklung 1 strom führend ist.

Diese addierte Spannung U _B ist höher als die Betriebsspannung U _V und wird dem Emitter eines Transistors 18 zugeführt. An der Basis des Transistors 18 liegt die Betriebsspannung U _V an, so daß nun aufgrund der negativen Basis-Emitter-Span nung U _BE der Transistor 18 durchgesteuert wird. Dies ist auch in Fig. 5 zwischen den Zeitpunkten t ₀ und t ₁ dar gestellt. Dies hat zur Folge, daß die aus Betriebsspan nung U _V und induzierten Spannung U _i zusammengesetzte Spannung U _B an der Serienschaltung der Widerstände 19, 20 entsprechend der Stellung des Mittenanschlusses vom Widerstand 29 anliegt. Eine am Verbindungspunkt C zwischen der Serienschaltung der Wi derstände 19 und 20, entsprechend dem Teilerverhältnis anliegende Spannung wird abgenommen und dem invertieren den Eingang 21 e eines Operationsverstärkers 21 zugeführt.

Am nicht invertierenden Eingang 21 f des Operationsverstär kers 21 liegt eine feste Bezugsspannung an, die ebenfalls an einem Spannungsteiler abgenommen wird, und zwar am ge meinsamen Verbindungspunkt D von Widerständen 22, 23. Der zweite Anschluß des Widerstandes 22 ist über eine Verpol schutzdiode 24 mit der Plus-Leitung 10 verbunden, während der zweite Anschluß des Widerstandes 23 mit der Minus-Lei tung 34 verbunden ist.

Die Spannungsteiler 19, 20 bzw. 22, 23 weisen dabei ein solches Widerstandsverhältnis auf, daß im Normalbetrieb, d. h. bei störungsfreiem Lauf des Motors am invertieren den Eingang 21 e eine höhere Spannung anliegt als am nicht invertierenden Eingang 21 f (siehe Fig. 6 und 7).

Dies hat zur Folge, daß am Ausgang 21 a des Operations verstärkers 21 Nullpotential ("L"-Pegel) anliegt (Fig. 8). Dieses Potential ist über einen Widerstand 25 an den Gate-Anschluß eines Thyristors 26 geführt und gleichzeitig auch an den Kollektoranschluß des Tran sistors 28. Durch diesen "L"-Pegel wird verhindert, daß der Thyristor 26 zündet. Durch die Sperrung der Anoden- Kathoden-Strecke des Thyristors 26 liegt an der Basis des Transistors 8 der "H"-Pegel an. Dies führt dazu, daß die ser während des störungsfreien Laufes durchgesteuert ist und über den ebenfalls durch gesteuerten Transistor 9 die Betriebsspannung U _V an die Kollektoren der Transistoren 4 und 13 anliegt.

Abschaltung

Wird der Motor durch irgendwelche Einflüsse blockiert oder unterschreitet er eine bestimmte Drehzahl, so muß eine automatische Abschaltung in Kraft treten. Dies ist deshalb erforderlich, weil z. B. bei Stillstand des Mo tors infolge des ansteigenden Motorstromes eine thermi sche Zerstörung der Wicklungen 1, 2 bzw. der Leistungs transistoren 5 bzw. 14 erfolgen kann. Dies ist darauf zurückzuführen, daß mit abnehmender Drehzahl bzw. bei Stillstand des Motors die Gegen-EMK abnimmt bzw. nicht mehr vorhanden ist. Dadurch tritt eine Erhöhung des Stromes mit damit verbundener Wärmeentwicklung ein, was zu einer Zerstörung der Bauteile führen kann.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung arbeitet mittels der im Nennbetrieb an den Wicklungen 1, 2 entstehenden Gegen- EMK. Sind diese vorhanden, ist sie außer Be trieb. Sind sie nicht vorhanden bzw. unterschreiten diese einen vorgegebenen Wert, so tritt sie in Kraft.

Wird nun der Motor zum Stillstand gebracht, so entfallen in den Wicklungen 1, 2 die Gegen-EMK. Dadurch liegt nunmehr z. B. bei gerade leitendem Transistor 5 und eingeschalteter Wicklung 1 am Punkt B zwischen den beiden Wicklungen über die Wicklung 2 die Betriebsspannung U _V an. Somit liegt sowohl am Emitter als auch an der Basis des Transistors 18 etwa gleiches Potential, was dazu führt, daß seine Kollektor-Emitter-Strecke gesperrt wird, sobald seine erforderliche Basis-Emitter-Spannung unterschrit ten wird. Dies geschieht zum Zeitpunkt t ₁ der Fig. 5.

Diese Sperrung hat ein Absinken des Potentials am Punkt C des Spannungsteilers 19, 20 auf Null zur Folge. Dieses Nullpotential wird dem invertierenden Eingang 21 e des Operationsverstärkers 21 zugeführt (Fig. 7). Da am nicht invertierenden Eingang 21 f eine fest durch den Spannungs teiler 22, 23 eingestellte positive Spannung anliegt (Fig. 6), erscheint nunmehr an seinem Ausgang das logi sche Signal "H" (Fig. 8, Zeitpunkt t ₁). Dieses Signal wird über den Widerstand 25 dem Gate-Anschluß des Thyristors 26 zugeführt und leitet damit die Zündung die ses Thyristors 26 ein (Fig. 10, Zeitpunkt t ₁). Es erfolgt somit dessen Durchschaltung, so daß die Basis des Transistors 8 über einen Widerstand 27 an die Minus leitung 34 gelegt wird. Dies führt zu einer Sperrung des Transistors 8, sobald dessen erforderliche Basis-Emitter- Spannung unterschritten wird. Damit wird die Versorgungs spannung U _V für die Basen der Transistoren 5 und 14 unter brochen, so daß diese Transistoren in den sperrenden Zu stand übergehen und somit den Stromfluß für beide Wick lungen 1, 2 unterbrechen. Bei diesen Betrachtungen wird davon ausgegangen, daß der Transistor 28 sich in ge sperrtem Zustand befindet.

Die oben beschriebenen Zustände bleiben erhalten, bis eine Abschaltung der Betriebsspannung vorgenommen wird (Fig. 4, Zeitpunkt t ₂).

Um eine Beeinflussung der Abschaltdrehzahl vornehmen zu können, sind Widerstände 29 bzw. 30 vorgesehen. Der Widerstand 29 ist dabei zwischen den Punkt B und den positiven Versorgungsspannungsanschluß über der Diode 24 gelegt. Der veränderbare Mittenanschluß ist mit dem Emitter des Transistors 18 verbunden.

Mit Hilfe dieses Widerstandes 29 kann die Spannung U _R am Punkt R der Schaltung eingestellt werden. Ist z. B. der Mittenkontakt des Widerstandes 29 in seiner unteren Stel lung, so liegt am Emitter des Transistors 18 die Span nung U _B des Punktes B an. Wird der Abgriff des Widerstandes nach oben verändert, so verringert sich die Spannung U _R. Da zur Durchschaltung des Transistors 18 eine gewisse Differenz zwischen Betriebsspannung U _V und der Gegen-EMK vorhanden sein muß, bedeutet dies, daß die Spannung U _B höher sein muß als vorher. In Fig. 11 ist dies nochmals dargestellt. Ohne Widerstand 29 bzw. mit eingebautem Widerstand 29, aber bei ganz nach unten gedrehtem Abgriff, würde die erforderliche Basis-Emitter-Spannung des Tran sistors 18 am Punkt 1 unterschritten. Dies bedeutet die Abschaltung des Motors bei einer Drehzahl n ₁.

Wird der Abgriff des Widerstande 29 nach oben verändert, so verringert sich die Spannung U _R. Da der Transistor 18 stets bei der gleichen Schaltschwelle sperrt bzw. durch schaltet, muß die ausgekoppelte Gegen-EMK höher sein als vorher. Punkt 2 zeigt die zum Durchschalten des Tran sistors 18 erforderliche Spannung, wozu aber eine Gegen- EMK entsprechend Punkt 3 notwendig ist. Diese Gegen-EMK kann aber nur bei einer Drehzahl n ₂ erreicht werden, die größer ist als n _l. Die Abschaltung des Motors kann also zu höheren Drehzahlen hin verlegt werden.

Wird dagegen ein Widerstand 30 zwischen der Basis des Transistors 18 und der Minus-Leitung 34 eingefügt, so kann die Abschaltdrehzahl hin zu kleineren Drehzahlen verlegt werden.

Anlauf des Motors

Bei den folgenden Erläuterungen wird zunächst die ebenfalls eingebaute Anlaufstrombegrenzung nicht in Betracht gezogen, da sie separat beschrieben wird. Es ist lediglich darauf hinzuweisen, daß der Tran sistor 9 als durchgeschaltetes Bauteil zu betrachten ist.

Wird die Betriebsspannung U _V eingeschaltet, so ist zunächst davon auszugehen, daß sich die in den Motorwicklungen 1, 2 entstehende Gegen-EMK mit zunehmender Drehzahl des Mo tors vom Wert Null auf ihren Maximalwert aufbaut.

Zu Beginn der Drehung ist also die Gegen-EMK an den Austastdioden 16, 17 gleich oder nahezu Null (Fig. 4, Zeitpunkt t ₃).

Dies hat zur Folge, daß der Transistor 18 nicht durchge steuert hat, so daß, wie bereits beschrieben, das Null potential am Punkt C des Spannungsteilers 19, 20 an liegt. Dadurch ist der invertierende Eingang 21 e des Operationsverstärkers 21 negativer als der nicht invertierende Eingang 21 f (Fig. 6 und 7, Zeitpunkt t ₃). Als Folge dessen erscheint am Ausgang des Opera tionsverstärkers 21 der Wert logisch "H" (Fig. 8, Zeitpunkt t ₃), was zur Zündung des Thyristors 26 und damit zur Sperrung des Transistors 8 führen würde. Dies hätte dann die Sperrung der Transistoren 5 und 14 zur Folge, so daß der Anlaufvorgang sofort unterbrochen wäre. Um dies zu verhindern, ist eine soge nannte Anlaufüberbrückung vorgesehen, mittels der die kritische Anlaufphase, in der die an den Wicklungen 1, 2 entstehende Gegen-EMK noch zu gering ist, um den Aus gang des Operationsverstärkers 21 der Abschaltautomatik vom Wert logisch "H" auf "L" zu schalten, überbrückt werden kann. Diese Anlaufüberbrückung besteht aus einer Verzögerungsstufe 31, die beim Anlegen der Betriebsspan nung über einen gewissen Zeitraum hinweg eine positive Ausgangs spannung abgibt.

Diese positive Ausgangsspannung der Verzögerungsstufe 31 ist über den Widerstand 32 der Basis des Transistors 28 zugeführt, der infolge der anliegenden positiven Basis- Emitter-Spannung durchsteuert und damit "L"-Potential an den Gate-Anschluß des Thyristors 26 anlegt. Dies hat zur Folge, daß das vom Ausgang des Operationsverstär kers 21 her ebenfalls am Gate-Anschluß anliegende "H"- Signal unterdrückt wird, so daß die Zündung des Thyri stors 26 nicht erfolgen kann. Durch die Sperrung des Thyristors 26 ist der Transistor 8 leitend, so daß die Schaltung nach der eingangs beschriebenen Kommutierungs schaltung arbeitet.

Mit zunehmender Drehung des Rotors steigt auch die Ge gen-EMK in den Motorwicklungen 1, 2 an. Wird die für Transistor 18 erforderliche Basis-Emitter-Spannung über schritten, schaltet er durch. Dadurch steigt das Potential am Punkt C der Reihenschaltung 19, 20 an. Dies geschieht entsprechend Fig. 5 ff zum Zeitpunkt t ₄.

Überschreitet die Spannung, die am invertierenden Ein gang 21 e anliegt, die am nicht invertierenden Eingang 21 f anliegende Spannung, dann wechselt die Ausgangs spannung des Operationsverstärkers 21 von logisch "H" auf "L" (Fig. 6, 7, 8). Dies bedeutet, daß der Thyristor 26 vom Operationsverstärker 21 ausgehend nicht mehr ge zündet werden kann und deshalb die mittels Verzögerungs glied 31 realisierte Anlaufüberbrückung nicht mehr er forderlich ist. Die Anlaufüberbrückung durch das Verzö gerungsglied 31 muß also solange wirksam sein, bis die in den Wicklungen 1, 2 wirksame Gegen-EMK ausreicht, um den Operationsverstärker 21 von logisch "H" auf "L" zu schalten. Nach Ablauf der Verzögerungsstufe 21 dessen Ausgang auf "L", und es erfolgt die Sperrung des Transistors 28, und damit ist die Abschaltautomatik wie der für den Blockierschutz betriebsbereit. Dies ist etwa zum Zeitpunkt t ₅ der Fig. 9 der Fall.

Die Verzögerungsstufe 31 der Anlaufüberbrückung kann ent weder als Integratorschaltung (Fig. 2) ausgeführt sein oder als monostabile Kippstufe (Fig. 3).

Ist die Anlaufüberbrückung als Integratorschaltung vor gesehen (Fig. 2), wird sie durch einen beschalteten Operationsverstärker 35 realisiert. Hierbei ist der Aus gang des Operationsverstärkers 35 über einen Kondensator 36 auf den invertierenden Eingang 35 e zurückgeführt, der dann über einen Widerstand 37 mit einer stabilisier ten Spannungsquelle U _V verbunden ist. Der nicht invertieren de Eingang 35 f ist zum einen über einen Widerstand 38 ebenfalls mit der stabilisierten Spannungsquelle U _V ver bunden und zum anderen über einen Widerstand 39 mit der Minus-Leitung 34.

Wird die Betriebsspannung U _V zugeschaltet, so wird der Integrator 35 eingeschaltet. Es entsteht eine Ausgangs spannung nach Fig. 9, Kurve a, die ausgehend von einem Maximal wert linear auf Null absinkt und dadurch nach einer be stimmten Zeit den Transistor 28 sperrt.

Ist die Anlaufüberbrückung als monostabile Kippstufe ausgeführt, so kann dies z. B. entsprechend Fig. 3 durch einen Timer (Typ SE 555) 40 realisiert sein. Dieser ist von seinem Eingang 40 e ausgehend über einen Kondensator 41 mit Nullpotential und über einen Widerstand 42 mit Pluspotential verbunden. Wird die Betriebsspannung U _V ein geschaltet, lädt sich der Kondensator 41 auf, und am Ausgang 40 a des Timers erscheint eine Rechteckspannung (Fig. 9, Kurve b). Die zeitliche Dauer dieser Spannung ist abhängig von der Zeitkonstante der Beschaltung durch einen Kondensator 43 und einen Widerstand 44. Diese Span nung schaltet bis zum Ablauf des Timers den Transistor 28 durch.

Wie bereits erwähnt, ist die Schaltung mit einer Anlauf strombegrenzung ausgestattet, die es erlaubt, den hohen Anlaufstrom während der Anlaufphase zu begrenzen. Hierzu sind die Emitter der Transistoren 5 und 14 miteinander verbunden und über einen Wider stand 11, dem eine Reihenschaltung von Widerständen 46, 47 parallelgeschaltet ist, an die Minus-Leitung 34 angeschlossen. Das Teiler verhältnis dieser Parallelschaltung ist dabei so bemes sen, daß die Wicklungsströme im wesentlichen über den Widerstand 11 fließen.

Am Verbindungspunkt E zwischen den Widerständen 46 und 47 ist die Basis eines Transistors 48 angeschlossen, des sen Emitter mit der Minus-Leitung 34 und dessen Kollek tor sowohl mit einem Widerstand 49 als auch der Basis des Transistors 9 verbunden ist. Das andere Ende des Widerstandes 49 ist mit dem Kollektor des Transistors 9 und u. a. über die Diode 24 mit der Plusleitung 10 verbunden.

Fließt nun, wie während des Anlaufes üblich, ein hoher Strom durch die Motorwicklungen 1, 2, so fließt entspre chend dem Teilerverhältnis der größte Teil des Stromes durch den niederohmigen Widerstand 11 und ein gering fügig kleiner Teil durch die Serienschaltung der Wider stände 46, 47. Der Widerstand 47 ist dabei so bemessen, daß z. B. bei einem Wicklungsstrom von ca. 4 A der Spannungsabfall an ihm so groß wird, daß der Transistor 48 durchsteuert und dadurch die Basis des Transistors 9 in Richtung Nullpotential zieht. Dadurch wird er gesperrt und unterbricht mit einer Kollektor-Emitter- Strecke die Basisströme der Transistoren 5 und 14, die dadurch in den sperrenden Zustand übergehen. Dies hat zur Folge, daß die Wicklungsströme unterbrochen werden, so daß nun kein Spannungsabfall an der Widerstandskombi nation 11, 46, 47 mehr auftritt. Der Transistor 48 wird wieder gesperrt, so daß aufgrund seines ansteigenden Kollektorpotentials der Transistor 9 wieder durchsteuert und damit die Basisströme für die Transistoren 5 und 14 wieder freigibt. Dieser Vorgang wiederholt sich nun, bis eine entsprechende Drehzahl des Motors erreicht ist. Dann fließt infolge der inzwischen angestiegenen Gegen- EMK in den Wicklungen 1, 2 ein soweit verringerter Motor strom, daß der Spannungsabfall an dem Widerstand 47 nicht mehr ausreicht, um den Transistor 48 durchzusteuern.

Durch geeignete Wahl der Widerstände 11, 46, 47 ist es möglich, die Höhe des Anlaufstromes zu verändern, wobei insbesondere durch die Verwendung eines verstellbaren Widerstandes 47 der Anlaufstrom stufenlos eingestellt werden kann.

Wie bereits erwähnt, ist die Schutzschaltung einschließlich der Anlaufstrombe grenzungsstufe nicht nur für zweipulsige, zweipolige Mo toren geeignet, sondern auch für höherpulsige und höher polige Motoren. Es ist hier lediglich entsprechend der bereits oben beschriebenen Schaltung die Gegen-EMK aller Stränge auszukoppeln und am Punkt B zur Verfügung zu stellen. Außerdem ist der Emitter des Transistors 8 mit den der beschriebenen Schaltung äquivalenten Punkten zu verbinden, damit die Steuerung der Basisströme der Lei stungstransistoren erfolgen kann. Drüber hinaus sind um die Anlaufstrombe grenzung wirksam werden zu lassen, die Wicklungsströme über entsprechend obiger Schaltung angeordnete Wider stände 11, 46, 47 zu führen.

Die Dioden 24 und 24 a in der Schaltung nach Fig. 1 sind Verpolschutzdioden, die die Motorsteuerung gegen versehentlichen Falschanschluß der Betriebsspannung schützen. Ein Kondensator 50 zwischen der Plus- und Minus-Leitung dient der Glättung der an liegenden Gleichspannung sowie der teilweisen Funkent störung. Eine Zenerdiode 51 parallel zum Hall-IC 3 dient zur Stabilisierung der Spannung am Hall-IC.

Die Zenerdiode 52, die parallel zum Widerstand 20 ange bracht sein kann, dient dazu, daß die Spannung am inver tierenden Eingang 21 e des Operationsverstärkers begrenzt werden kann. Dadurch ist es möglich, die Schaltung bei geeigneter Widerstandskombination von 19, 20 für einen wesentlich höheren Betriebsspannungsbereich zu verwenden.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann zumindest teilweise als integrierter Baustein oder in Hybridtechnik ausge bildet sein, wodurch sich eine wesentliche Platzerspar nis ergibt und eine erhöhte Betriebssicherheit erreicht wird.

Claims

1. Schutzschaltung zum Blockierschutz eines kollektorlosen Gleichstrommotors, die aufweist:
einen Leistungstransistor in Reihe mit jeder Stator wicklung, der zur Kommutierung des Stromes von einem Hall-Generator, insbesondere Hall-IC, ansteuerbar ist, und der in Abhängigkeit von einer in den Statorwicklun gen induzierten Steuerspannung ein- und ausgeschaltet wird, und
ein Verzögerungsglied, das in der Anlaufphase des Gleichstrommotors die Kommutierungs-Ansteuerung der Leistungstransistoren unabhängig von der Steuerspannung ermöglicht,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Thyristor (26) zwischen einer Plus- und einer Minuslei tung (10, 34) angeordnet und zusätzlich mit seiner Anode an der Basis eines Vorschalt-Transistors (8) angeschlossen ist,
daß der Emitter dieses Vorschalt-Transistors (8) mit den Basisanschlüssen der Leistungstransistoren (5, 14) verbunden ist,
daß aus der Steuerspannung (U _B) ein digitales Schaltsig nal gewonnen wird, das einem Steueranschluß des Thyri stors (26) zugeführt wird,
daß bei einem "L"-Pegel des Schaltsignals der Thyristor (26) sperrt und der Vorschalt-Transistor (8) sowie der jeweils stromführende Leistungstransistor (5, 14) durchgesteuert sind und
daß bei einem "H"-Pegel des Schaltsignals der Thyristor (26) durchgeschaltet ist und der Vorschalt-Transistor (8) und die Leistungstransistoren (5, 14) gesperrt sind.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerspannung (U _B) die Summe aus der an der jeweiligen antriebsstromlosen Statorwicklung (1, 2) anliegenden Betriebsspannung (U _V) und der in dieser induzierten Gegen-EMK-Spannung (U _i) verwendet wird, wobei für den Fall, daß die Summe der Spannungen größer als die Betriebsspannung ist, das digitale Schaltsignal den "L"-Pegel aufweist, und für den Fall, daß die Gegen-EMK Null wird oder einen bestimmten Abschaltspannungswert unterschreitet, das digitale Schaltsignal den "H"-Pegel besitzt.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anlaufphase eine Anlaufstrombegrenzungsschaltung (9; 46, 47, 48, 49) wirksam ist, die in Abhängigkeit von einer bestimmten Höhe des Anlaufstroms die Lei stungstransistoren (5, 14) sperrt bzw. durchsteuert, bis die erzeugte Gegen-EMK-Spannung (U _i) in den Statorwick lungen (1, 2) derart ausgeprägt ist, daß nur noch ein begrenzter Motorstrom fließen kann.

4. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (U _B) zwischen den Statorwicklungen (1, 2) und den mit diesen mit ihrer Kollektor-Emitter- Strecke in Reihe geschalteten Leistungstransistoren (5, 14) abgegriffen und zum Gewinn des digitalen Schaltsignals auf den Emitter eines Schalt-Transistors (18) geleitet wird, dessen Kollektor mit einem inver tierenden Eingang (21 e) eines Operationsverstärkers (21) verbunden ist und dessen Basis etwa auf dem Potential der Betriebsspannung (U _V) liegt, wobei an einem nicht-invertierenden Eingang (21 f) des Opera tionsverstärkers (21) eine feste Bezugsspannung an liegt und der das digitale Schaltsignal liefernde Ausgang (21 a) des Operationsverstärkers (21) mit dem Steueranschluß des Thyristors (26) verbunden ist.

5. Schutzschaltung nach einem oder Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied eine Verzögerungsstufe (31) auf weist, die beim Anlegen der Betriebsspannung (U _V) über einen gewissen Zeitraum hinweg eine positive Ausgangs spannung abgibt, die an der Basis eines Anlauf-Transi stors (28) anliegt, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen dem Steueranschluß des Thyristors (26) und der Minus-Leitung (34) liegt, so daß beim Durchschal ten des Anlauf-Transistors (28) ein am Ausgang (21 a) des Operationsverstärkers (21) anstehender "H"-Pegel dadurch unterdrückt wird, daß am Steueranschluß des Thyristors (26) über den Anlauf-Transistor (28) ein "L"-Pegel ansteht und hierdurch der Thyristor (26) in seinem gesperrten Zustand gehalten wird.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsstufe (31) als Integrator (35, 36, 37) oder als monostabile Kippstufe (40) ausgebildet ist.

7. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufstrombegrenzungsschaltung eine zwischen den Emittern der Leistungstransistoren (5, 14) und der Minus-Leitung (34) angeordnete Parallelschaltung aus einem niederohmigen Widerstand (11) und zwei in Reihe geschalteten, hochohmigen Widerständen (46, 47) auf weist, wobei zwischen den hochohmigen Widerständen (46, 47) die Basis eines ersten Steuer-Transistors (48) angeschlossen ist, dessen Kollektor-Emitter- Strecke zwischen der Plus- und Minus-Leitung (10, 34) liegt und weiterhin mit seinem Kollektor mit der Basis eines zweiten Steuer-Transistors (9) verbunden ist, dessen Emitter mit dem Kollektor des Vorschalt- Transistors (8) und dessen Kollektor mit der Plus- Leitung (10) verbunden ist, so daß bei Durchschaltung des ersten Steuer-Transistors (48) der zweite Steuer- Transistor (9) sperrt und damit über den Vorschalt- Transistor (8) der Basisstrom der Leistungstransisto ren (5, 14) unterbrochen wird und diese gesperrt werden.

8. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff der Steuerspannung (U _B) jeweils über eine Diode (16, 17) sowie vorzugsweise über einen veränderbaren Widerstand (29) erfolgt.

9. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Schalt-Transistors (18) über eine Reihenschaltung von Widerständen (19, 20) mit der Minus-Leitung (34) verbunden ist und der invertierende Eingang (21 e) des Operationsverstärkers (21) zwischen den als Spannungsteiler wirkenden Widerständen (19, 20) angeschlossen ist.

10. Schutzschaltung nach einem oder Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht-invertierende Eingang (21 f) des Operationsver stärkers (21) über einen Spannungsteiler aus Wider ständen (22, 23) auf die feste Bezugsspannung geschal tet ist.

11. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen der Transistoren (5, 14, 8, 28, 13, 15) jeweils über Basiswiderstände angeschlossen sind.

12. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine zumindest teilweise Ausbildung als integrierter Baustein oder in Hybridtechnik.

13. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis jedes Leistungstransistors (5, 14) über eine Kollektor-Emitter-Strecke eines Kommutierungs- Transistors (4, 13) mit der Minus-Leitung (34) verbun den ist, wobei die Basis des ersten Kommutierungs- Transistors (4) unmittelbar und die Basis des zweiten Kommutierungs-Transistors (13) mittelbar über einen Inverter-Transistor (15) von dem Hall-IC (3) angesteu ert werden.

14. Schutzschalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der über seine Basis von dem Hall-IC (3) angesteuerte Inverter-Transistor (15) mit seiner Kollektor-Emitter- Strecke zwischen der Basis des zweiten Kommutierungs- Transistors (13) und der Minus-Leitung (34) liegt.