DE3448484B4

DE3448484B4 - Motorsteuerschaltung und Verfahren zur Steuerung von Drehzahl und Drehrichtung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE3448484B4
Application number: DE3448484A
Authority: DE
Inventors: Ricky Francis Bitting; William Peil; Thomas Alfred Brown; William Kenneth Guzek
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-06-09
Filing date: 1984-06-01
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2004-06-02
Also published as: DE3448483C2

Abstract

Die Steuerschaltung für den Motor mit elektronischem Kommutator erfüllt hauptsächlich interne Kommutierungs- und Steuerfunktionen und spricht auf äußere Steuervorrichtungen an, die üblicherweise durch eine Bedienungsperson betätigt werden. In einer Ausführungsform werden die Motordrehzahl oder das Motordrehmoment und die Drehrichtung des Motors eines Deckenventilators gesteuert. Die Steuerschaltung enthält einen Differenzsteilheitsverstärker, der periodisch durch eine Autonull-Schaltung abgeglichen wird, zur Kommutierungszeitsteuerung. Eine Steuerlogik enthält einen bidirektionalen Zähler, dessen Zähldauer ungeachtet der Zählung, der Zählrichtung oder Änderungen in der Zählrichtung gleich bleibt, und eine Decodierschaltung, die eine unerregte Motorwicklungsstufe zum Abfühlen wählt, die erregten Wicklungsstufen zur Erregung wählt und sowohl auf Richtungs- als auch auf Energiesteuersignale anspricht. Eine Schutzschaltung ist wirksam, wenn der Strom zum ersten Mal eingeschaltet wird. Eine integrierte Schaltung, die vorstehende Merkmale aufweist, sowie ein neues Verfahren zum Betreiben eines Motors mit elektronischem Kommutator, sind ebenfalls beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Motorsteuerschaltung und ein Verfahren zum Steuern der Drehzahl und der Drehrichtung eines aus einem Wechselstromnetz gespeisten elektronisch kommutierten Gleichstrommotors.
Steuerschaltungen für Motoren mit elektronischem Kommutator werden bislang unter Verwendung von diskreten elektronischen Bauelementen hergestellt, aber die erwünschte Herstellung von solchen Steuerschaltungen als Festkörper- oder kontaktlose Elektronikschaltungen, bei denen in großem Umfang von einer monolithischen integrierten Schaltungsanordnung Gebrauch gemacht wird, wird in Diskussionen unter Sprechern der Elektroindustrie weitgehend anerkannt, was sich auch durch das gleichermaßen breite Vorhandensein von Produkten, die solche monolithischen integrierten Schaltungen enthalten, auf dem gegenwärtigen Markt zeigt.

Beispiele für die Motoren mit elektronischem Kommutator, für die eine solche Steuerschaltungsanordnung verwendbar wäre, finden sich in den US-Patentschriften 4 005 347, 4 169 990 und 4 162 435. Diese Motoren sind durch eine mehrstufige Wicklungsbaugruppe und durch eine Magnetbaugruppe gekennzeichnet, die beide so angeordnet sind, dass sie relativ zueinander drehbar sind, wobei der Motor in einem bestimmten Zustand einer Mehrzustandserregungssequenz eine unerregte Wicklungsstufe hat, in der eine induzierte Gegen-EMK auftritt, die, wenn sie über der Zeit auf einen vorbestimmten Wert integriert wird, den Zeitpunkt angibt, in welchem die gegenseitige relative Winkelposition erreicht worden ist, welche zur Kommutierung auf den nächsten Zustand geeignet ist. In den meisten Fällen ist die mehrstufige Wicklungsbaugruppe üblicherweise stationär, und die Magnetbaugruppe ist innerhalb der Wicklungsbaugruppe angeordnet und in bezug auf die unmittelbare Umgebung in Lagern drehbar, die an einem Rahmen befestigt sind, welcher der Wicklungsbaugruppe mechanisch gemeinsam ist. Die mechanisch entgegengesetzte Anordnung, in der sich die Wicklungsbaugruppe innerhalb der Magnetbaugruppe dreht, ist weniger üblich, stellt aber viele derselben Forderungen an die Steuerschaltungsanordnung, und im allgemeinen ist die Steuerschaltungsanordnung bei solchen Motoren gleichermaßen verwendbar. Darüber hinaus ist die üblichere Magnetbaugruppe in solchen Motoren eine Permanentmagnetbaugruppe. Eine Anordnung jedoch, in der die Magnetbaugruppe elektromagnetisch ist, stellt viele derselben Anforderungen an die Steuerschaltungsanordnung, und im allgemeinen ist die Steuerschaltungsanordnung bei solchen Motoren gleichermaßen verwendbar.

Von dem Motor wird beispielsweise ein Haushaltsgerät angetrieben, das im Haus aufgestellt wird, und Steuervorrichtungen werden, wenn es praktisch ist, in dem Haushaltsgerät vorgesehen, und, wenn es nicht praktisch ist, an Wandplätzen, die für den Benutzer bequem erreichbar sind. In dem praktischen Fall einer Kombination aus einem Deckenventilator und einer Leuchte, welche das praktische Produkt darstellt, das hier als Beispiel gewählt wird, enthält der "Ventilator" einen Motor, eine Lampe und vom Benutzer betätigte Steuervorrichtungen für diese. Die Steuervorrichtungen sind sowohl in die Leuchte eingebaut als auch entfernt angeordnet. Die Fernsteuerung kann an einem zweckmäßigen Wandplatz angebracht werden und kann weitgehend doppelt vorhandene, durch den Benutzer betätigte Steuervorrichtungen umfassen. Die üblichen Funktionen der durch den Benutzer betätigten Steuervorrichtungen sind das Ein- oder Ausschalten des Ventilators oder der Lampe, das Einstellen der Helligkeit des Lichtes und das Einstellen der Drehzahl oder der Drehrichtung des Ventilators.

Die vom Benutzer betätigten Steuervorrichtungen, insbesondere die an der Wand angebrachten Steuervorrichtungen, werden selbst ähnlich wie andere Installationsvorrichtungen, die im Haus benutzt werden, aufgebaut und durch ein elektrisches Kabel untereinander verbunden, das für die übliche Haushaltsverdrahtung für 110 V Wechselspannung typisch ist. Im allgemeinen ist die Forderung, die an solche "Steuersysteme" gestellt wird, dass die Schaltungsverbindungen minimal sind und, wenn möglich, keine zusätzliche Sonderverdrahtung erfordern. Im Idealfall soll die Verdrahtungsinstallation die vollständige Übertragung innerhalb der "Steuersysteme" durch lediglich ein Zweidrahtkabel gestatten. Im Idealfall soll die hier als Beispiel beschriebene, vom Benutzer betätigte Steuerschaltungsanordnung nicht mehr als zwei Drähte zwischen der Wandsteuervorrichtung, der Leuchte und der Hausverdrahtung erfordern, damit minimale Installationskosten entstehen. In dieser Kategorie wird die Steuerschaltung in der Form typischer Haushaltsverdrahtungsanlagen hergestellt.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine Steuerschaltung für einen elektronisch kommutierten Motor mit verbesserter Drehzahlsteuerung zu schaffen, mit der auch die Drehrichtung vorgegeben werden kann.

Ferner soll ein verbessertes Verfahren zum Steuern der Drehzahl eines Motors mit elektronischem Kommutator geschaffen werden, mit dem auch die Drehrichtung vorgegeben werden kann.

Die folgende Beschreibung befaßt sich mit diesen Zielen der Erfindung. Sie werden in einer Steuerschaltung für einen Motor mit elektronischem Kommutator erreicht, der aus einer Gleichstromquelle speisbar ist und eine dreistufige Wicklungsbaugruppe sowie eine Magnetbaugruppe hat, die beide so angeordnet sind, dass sie relativ zueinander drehbar sind. In einem bestimmten Zustand einer sechs Zustände umfassende Erregungsfrequenz, die die Relativdrehung bewirkt, ist eine Wicklungsstufe des Motors in einem Sinn erregt, eine zweite Wicklungsstufe ist in entgegengesetztem Sinn erregt und mit der ersten Wicklungsstufe in Reihe geschaltet und eine dritte Wicklungsstufe ist unerregt.

Eine erfindungsgemäße Kombination in der Steuerschaltung enthält Leistungseingangsklemmen zum Anschluß an eine für den Motorbetrieb geeignete Stromversorgung; einen Wellenformgenerator zum Liefern einer sich wiederholenden Niederspannungswellenform mit im wesentlichen konstanter Folgefrequenz, Amplitude und Konfiguration, deren Kenndaten von einer Abhängigkeit von dem Motor im wesentlichen frei sind, wobei die Wellenform eine erste Steigung einer ersten Dauer und eine zweite Steigung mit einer zweiten Dauer und mit einem zu der ersten Steigung entgegengesetzten Sinn und eine Folgefrequenz hat, die mit Bezug auf die Kommutierungsfrequenz hoch ist; eine Einrichtung zum Erzeugen einer im wesentlichen glatten, einstellbaren Steuerspannung; einen modulierenden Komparator, der einen ersten Eingang hat, an den die sich wiederholende Spannungswellenform angelegt wird, und einen zweiten Eingang, an den die einstellbare Steuerspannung angelegt wird, um Ausgangsimpulse zu erzeugen, wenn Schnittpunkte zwischen den Eingangssignalen auftreten, wobei die Ausgangsimpulse mit der konstanten Folgefrequenz auftreten und eine "aktive" Ein-Zeit haben, die gleich dem Intervall zwischen abwechselnden Paaren von Schnittpunkten ist; eine Steuerlogikeinrichtung, die auf die "aktive" Ein-Zeit der Modulatorimpulse hin pulsbreitenmodulierte Signale zur Steuerung der Erregung der Wicklungsstufen in der mehrere Zustände umfassenden Erregungssequenz steuert, sowie eine Vorwärts-/Rückwärts-Logik, die in Abhängigkeit von der Steuerspannung die Drehrichtung des Motors bestimmt. Im Betrieb wird durch das Einstellen der Steuerspannung die aktive Ein- Zeit jedes Impulses und dadurch die Geschwindigkeit eingestellt, mit der elektrische Energie dem Motor zugeführt wird, um die Motordrehzahl oder das Motordrehmoment festzulegen. Außerdem wird dadurch die Drehrichtung des Motors festgelegt.

Die sich wiederholende Spannungswellenform ist vorzugsweise eine Sägezahnwellenform, die eine Folgefrequenz von über 20 kHz hat. Die einstellbare Spannung ist in bezug auf die Motorkommutierungsgeschwindigkeit und in bezug auf die Folgefrequenz der sich wiederholenden Spannungswellenform glatt. Die Eingangssignale, die an den modulierenden Komparator angelegt werden, werden in dem bevorzugten Fall so gewählt, dass eine Ausgangswellenform erzeugt wird, die an einer ersten Grenze der Einstellung im wesentlichen immer im Ein-Zustand ist, an einer zweiten Grenze im wesentlichen immer im Aus-Zustand ist und bei Zwischeneinstellungen eine impulsförmige Rechteckwellenform variabler Breite ist. Überschreitet die einstellbare Spannung die zweite Grenze (Aus-Zustand), wird die Drehrichtung des Motors umgekehrt.

Eine zweite Einrichtung zur variablen Drehzahl- oder Drehmomentsteuerung ist durch eine einstellbare Spannungsreduziereinrichtung vorgesehen, die den Motor mit der Stromversorgung in Reihe schaltet. Diese Spannungsreduziereinrichtung in der Leistungsschaltung wird vorzugsweise gemeinsam mit der einstellbaren Steuerspannung benutzt, die die aktive Ein-Zeit der pulsbreitenmodulierten Impulse beeinflußt, welche zur Steuerung der Stromaufnahme des Motors benutzt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die einstellbare Spannungsreduziereinrichtung von der einstellbaren Steuerspannung unabhängig, um eine erste Verringerung der Motordrehzahl oder des Motordrehmoments zu erzeugen, aber für weitere Verringerungen sind Einrichtungen vorgesehen, um die einstellbare Steuerspannung an den Impulsmodulator in Abhängigkeit von dessen reduzierter Spannung zur Stromversorgung des Motors anlegbar zu machen. Das ergibt eine gemeinsame Reduzierung sowohl der Spannung als auch des Tastverhältnisses der dem Motor zugeführten pulsbreitenmodulierten Energie. Das gestattet einen vollen Bereich der Drehzahl- oder Drehmomentsteuerung bis zum Stillstand bei einer kleineren Verringerung der Motorspannung und gestattet außerdem, dass die reduzierte Spannung immer groß genug bleibt, um die Steuerschaltung mit ausreichendem Strom zu versorgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein neues Verfahren zum Steuern der Drehzahl oder des Drehmoments eines Motors mit elektronischem Kommutator beschrieben. Die Schritte beinhalten das Erzeugen einer variablen Ausgangsspannung, die für einen Motorbetrieb mit veränderlicher Drehzahl oder veränderlichem Drehmoment sowie änderbarer Drehrichtung geeignet ist, mittels einer einstellbaren Spannungsreduziereinrichtung, die den Motor mit der Stromquelle in Reihe schaltet, wobei eine sich wiederholende Niederspannungssägezahnwellenform mit im wesentlichen konstanten Parametern erzeugt wird; das Erzeugen einer einstellbaren, im wesentlichen glatten Steuerspannung für Motordrehzahl- oder -drehmoment- sowie Drehrichtungssteuerzwecke, wobei die sich wiederholende Spannungswellenform mit der einstellbaren Steuerspannung in einem Modulator verglichen wird, um Ausgangsimpulse zu erzeugen, wenn Schnittpunkte zwischen den Eingangssignalen auftreten, wobei die Ausgangsimpulse mit der Folgefrequenz der Sägezahnwellenform auftreten und eine "aktive" Ein-Zeit haben, die gleich dem Intervall zwischen abwechselnden Paaren von Schnittpunkten ist; das Erzeugen eines Signals zum Umsteuern der Drehrichtung, wenn die Steuerspannung einen Schwellenwert überschreitet; das Zuführen von Energie aus der Stromquelle zu dem Motor während der aktiven Ein-Zeit der Modulatorimpulse und das Einstellen nur der variablen Ausgangsspannung für eine kleine Verringerung der Motordrehzahl oder des Motordrehmoments und für eine weitere Verringerung das gleichzeitige Einstellen der variablen Ausgangsspannung und der Steuerspannung für die Motordrehzahl- oder die Motordrehmomentsteuerung.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen
1 eine Darstellung der Installation einer Deckenleuchte, die einen Ventilator und eine Lampe in sich vereinigt und manuelle Steuervorrichtungen aufweist, wobei der Deckenventilator durch einen Gleichstrommotor mit elektronischem Kommutator angetrieben wird,
2 ein Schaltbild der elektronischen Schaltungsanordnung, die die elektronische Kommutierung des Ventilatormotors bewirkt und die manuellen Steuervorrichtungen wirksam macht, wobei 2 insbesondere ein Schaltbild einer gedruckten Schaltkarte zeigt, die die gegenseitigen Verbindungen des Ventilatormotors, der Deckenlampe, der manuellen Steuervorrichtungen und eine kundenspezifische integrierte Schaltung für die Motorsteuerung zeigt,
3 ein Blockschaltbild der funktionalen Hauptunterteilungen oder -blöcke der integrierten Motorsteuerschaltung und der Funktionsverbindungen zwischen den Funktionsblöcken,
4A eine Kombination eines Schaltbildes und eines Logikdiagramms des Oszillators, des Pulsbreitenmodulators und der Vorwärts/Rückwärts-Logikblöcke nach 4,
4B Wellenformen zur Erläuterung des Betriebes des Pulsbreitenmodulatorblockes,
4C ein Diagramm der Auswirkung der manuellen Bedienung der Wandsteuervorrichtung auf die Motordrehzahl und die Drehrichtung,
4D eine vereinfachte Darstellung, die eine schaltbare Wandsteuervorrichtung für die Motordrehzahl und die Motordrehrichtung zeigt,
4E ein Blockschaltbild, das eine rückführungslose Pulsbreitenmodulationsmotorsteueranordnung nach der Erfindung zeigt, und
5 eine Darstellung von Signal-Zeitverläufen.
1 zeigt eine Kombinationsvorrichtung aus einer Lampe 100 und einem Deckenventilator 101 zusammen mit geeigneten manuellen Steuervorrichtungen. Der Ventilatormotor, der in einem Gehäuse 102 untergebracht ist, ist in dieser Ausführungsform ein Gleichstrommotor mit elektronischem Kommutator (Elektronikmotor), der den vierblättrigen Ventilator antreibt. Eine stationäre Baugruppe des Motors umfasst einen ferromagnetischen Ständer, dem eine mehrstufige Wicklungsanordnung zugeordnet ist, welche mehrere Stufen enthält, die jeweils aus mehreren Spulen gebildet sind, welche in mehrere Nuten eingeführt sind, die in gegenseitigem Umfangsabstand in einem Blechpaket des Ständers angeordnet sind. Eine drehbare Baugruppe des Motors ist in wahlweiser magnetischer Kopplungsbeziehung zu den Wicklungsstufen des Ständers angeordnet und umfasst einen Läufer, auf dem mehrere Permanentmagnetelemente angeordnet sind.
Zu Beschreibungszwecken ist zwar hier ein besonderer Elektronikmotor dargestellt, es können jedoch andere Typen von Elektronikmotoren, die einen anderen Aufbau und andere elektrische Kenndaten haben, im Rahmen der Erfindung benutzt werden. Beispielsweise können einige der Elektronikmotoren benutzt werden, die in den US-Patentschriften 4 005 347, 4 169 990 und 4 162 435 beschrieben sind.
Die Verbindungen mit dem Motor durchqueren eine Hohlwelle in dem Motor, die einem stationären Rohr gestattet, Drähte zwischen einem Leitungsrohr 103, das auf der oberen Oberfläche des Motorgehäuses 102 befestigt ist, und einem Steuerkasten 104 zu tragen, der auf der unteren Oberfläche des Gehäuses befestigt ist. Das Leitungsrohr 103 kann benutzt werden, um Drähte zu einem Anschlußkasten (nicht dargestellt) zu führen, der an der Decke befestigt ist.
Das Leitungsrohr 103 kann außerdem die Kombinationsvorrichtung tragen. Der Steuerkasten 104 enthält die Steuerschaltungsanordnung für den Betrieb des Motors sowie drei manuell betätigte Steuervorrichtungen. Die Lampenbaugruppe 100 ist an der unteren Oberfläche des Steuerkastens 104 angebracht. Die Steuerschaltungsanordnung befindet sich auf einer kreisförmigen gedruckten Schaltkarte, die in den Steuerkasten eingepaßt ist. Die Steuervorrichtungen für die Lampe/Ventilator-Vorrichtung sind ein Dreiwegschalter S2, der durch eine Zugkette betätigt wird, zur Betriebsartwahl, ein Vorwärts/Rückwärts-Schiebeschalter S1 und ein Drehzahleinstellpotentiometer R40. Der Betriebsartwählschalter gestattet vier Betriebsarten: Ventilator ein; Lampe ein; Ventilator und Lampe ein; und Ventilator und Lampe aus. Die Deckenvorrichtung wird aus einem 115-V-Wechselstromnetz gespeist, das mit einer an der Wand befestigten Steuervorrichtung 105 in Reihe geschaltet ist, die ebenfalls manuelle Steuervorrichtungen aufweist.
In dem dargestellten Beispiel enthält die Wandsteuervorrichtung manuelle Steuervorrichtungen sowohl für den Ventilator als auch für den Motor. Zu diesen gehören ebenfalls ein Ein- und Aus-Schalter für die Deckenvorrichtung, eine Motordrehzahl-, eine Vorwärts/Rückwärts-Steuervorrichtung und ein Lampendimmer.
Die Steuerschaltungsanordnung für den Betrieb der Deckenvorrichtung ist in 2 dargestellt, die ein Verdrahtungsdiagramm der Anlage nach 1 zeigt. 2 enthält als Hauptmerkmale die Lampe 100, den drei Wicklungsstufen aufweisenden Motor 120, die Wandsteuervorrichtung 105, die auf der gedruckten Schaltungskarte angebrachte Verdrahtung, welche als fünf Hauptmerkmale eine integrierte Motorsteuerschaltung 121, drei Hauptfestkörperschalter 122, 123, 124 und einen vier Abschnitte aufweisenden Präzisionswiderstandsspannungsteiler 125 enthält. Zusätzlich zu diesen fünf Hauptmerkmalen enthält die gedruckte Schaltungskarte die Schaltungselemente für die Stromversorgung der Lampe, des Motors, der Motorsteuer-IC 121 und der Zeitsteuerung und die manuellen Steuervorrichtungen, die mit der integrierten Schaltung verbunden sind.
Die Deckenvorrichtung arbeitet folgendermaßen. Die Lampe empfängt Strom während "positiver" Halbperioden des Wechselstromnetzes. Der Betrieb der Lampe (allein) erfolgt, wenn der Dreiwegbetriebsartwählschalter S2 auf die NUR-Lampe-Position gedreht wird. Weiter sei angenommen, dass die Wandsteuervorrichtung "Ein" ist und einen bidirektionalen Strompfad niedrigen Widerstands zwischen ihren zwei externen Klemmen bildet. Ferner sei angenommen, dass das 115-V-Wechselstromnetz eingeschaltet ist und dass der Strom einem Pfad von der ersten Wechselstromklemme 126 über die Wandsteuervorrichtung 105, den lösbaren Verbinder E4, die Lampe 100, den lösbaren Verbinder E2, zuerst die Anode und dann die Katode der Diode CR4, den lösbaren Verbinder E1, den Schalter S2 und schließlich zur zweiten Wechselstromklemme 127 folgt.
Der Motor und die IC empfangen Strom während "negativer" Halbperioden des Wechselstromnetzes. Wenn angenommen wird, dass der Schalter S2 auf die Nur-Motor- oder auf die Motor- und -Ventilator-Ein-Position gedreht wird, geht der Strom von der Klemme 127 über den Schalter S2, den Verbinder E5 zu einer 150-V-Gleichstromversorgung, die aus einer Sicherung F1, einem Strombegrenzungswiderstand R22, einer Diode CR5 und einem Filterkondensator C1 besteht, welch letzterer zwischen die Katode der Diode CR5 und die gemeinsame Masseverbindung der Versorgung geschaltet ist. Die Transistorschalter 122, 123, 124 haben jeweils eine Stromeingangsklemme, die über eine Schutzschaltung L1, CR12, CR13 an den +150 Volt-Bus der Gleichstromversorgung, der an der Katode der Diode CR5 beginnt, und an eine Lastklemme angeschlossen ist, die über die Verbinder E6, E7 bzw. E8 mit einem Ende der Motorwicklungsstufen A, B bzw. C verbunden ist. Die anderen Enden der Motorwicklungsstufen sind mit einem Null- oder Sternpunkt 128 verbunden, der kein externer Anschlußpunkt für die Motorerregung ist. Die Schalter A, B und C, die den gleichen Aufbau haben, arbeiten so, dass ein Schalter (beispielsweise A) in einem leitenden H-, ein anderer, (z. B. B) in einem leitenden L- und der dritte Schalter (C) in einem nichtleitenden Zustand hoher Impedanz ist. In diesem Fall fließt der Strom von dem 150 V B+ Bus über den Schalter 122, den Verbinder E6 in die Wicklung A, über den Wicklungspunkt 128 in die Wicklung B, in den Verbinder E7, und über den Schalter 123 zur gemeinsamen Masse. Die gemeinsame Masse wird ebenso wie die negative Klemme des Filterkondensators C1 über den Verbinder E4 und die Wandsteuervorrichtung 105 zu der anderen Klemme 126 des Wechselstromnetzes zurückgeführt. Strom wird wie angegeben dem Motor 120 und dem Motorsteuer-IC 121 nur während der negativen Halbperiode der Netzwechselspannung zugeführt, und zwar wegen des unidirektionalen Leitens der Diode CR5. Strom wird der Lampe nur während der positiven Halbperioden der Netzwechselspannung zugeführt, und zwar wegen des unidirektionalen Leitens der Diode CR4.
Das Motorsteuer-IC 121 empfängt seinen Strom (Vdd) an dem Ausgang der Schutzschaltung L1, CR12, CR13 über einen Spannungsvorwiderstand R23, einen Filterkondensator C2 und eine Spannungsbegrenzungs-Z-Diode CR1, die mit dem Anschlußfleck P13 verbunden ist. Die IC-Masse (Vss) wird über den Anschlußfleck P6 zu der Systemmasse zurückgeführt, zu der auch der Kondensator C2 und die Z-Diode CR1 zurückgeführt werden. Die Anordnung liefert eine Spannung Vdd von ungefähr +9,0 V zum Betreiben der IC. Das IC wird aus Silizium unter Verwendung eines komplementären (C) Metall-Oxid-Halbleiter-(MOS)-Prozesses hergestellt. Der CMOS-Prozeß ergibt auf einfache Weise P-Kanal-Feldeffekttransistoren (FETs), N-Kanal-Feldeffekttransistoren, einzelne Dioden und Widerstände.
Das Steuer-IC liefert die geeigneten Ausgangssignale zum Kommutieren des drei Wicklungsstufen aufweisenden Motors 120 und übt die Steuerung über den Motor aus, wobei es die manuellen Steuervorrichtungen in dem an dem Motor befestigten Steuerkasten 104 und in der Wandsteuervorrichtung 105 wirksam macht. Das IC gewinnt die Zeitsteuerinformation, die für die Kommutierung benutzt wird, aus den einzelnen Wicklungsstufen des Motors, wobei die nichterregte Wicklung auf die Gegen-EMK hin abgefühlt wird, um den Zeitpunkt für die Kommutierung festzulegen. Die Enden der Wicklungsstufen A, B und C sind einschließlich des Wicklungspunktes 128 über die Verbinder E6, E7, E8 bzw. E3 mit einer Endklemme von jeweils vier gesonderten, jeweils zwei Widerstände enthaltenden Präzisionsspannungsteilern verbunden. Die andere Endklemme jedes Spannungsteilers ist mit einem Schaltungspunkt 129 verbunden und über zwei in Reihe geschaltete und in Vorwärtsrichtung gepolte Dioden CR2 und CR3 mit Masse verbunden. Die Dioden sind durch einen Filterkondensator C3 überbrückt. Ein Widerstand R28 verbindet den Schaltungspunkt 129 mit dem B+ Ausgang an CR5, C1. Die Abgriffe an den vier Spannungsteilern, die auf ein Teilungsverhältnis von 1 zu 41 eingestellt sind, sind mit den Eingangsanschlußflecken des Motorsteuer-IC verbunden, die mit P5 (VA), P4 (VB), P3 (VC) bzw. P2 (VN) verbunden sind. Das Spannungsteilungsverhältnis ist so gewählt, dass der Spannungshub um die Nullinie (VN) an den IC-Eingängen nicht die Eingangsbelastbarkeiten des Motorsteuer-IC übersteigt. Die vorstehend beschriebene Konfiguration, die zum Abfühlen der Gegen-EMK in der vorübergehend nichterregten Wicklungsstufe benutzt wird, gestattet der Spannung an dem Wicklungssternpunkt 128, die im Idealfall gleich der Hälfte der scheinbaren B+ Versorgung ist und ebenfalls auf 1 Teil von 41 heruntergeteilt wird, eine Referenzspannung (VN) zu bilden. Die Spannungen VA, VB oder VC, die auf die Spannung VN bezogen sind, bilden ein geeignetes Signal zum Anlegen an den Differenzeingang des IC.
Für ein sicheres Anlaufen in Gegenwart eines Fehlers in der "Single In-line Plastic (SIP)"-Widerstandsmatrix 125 ist eine Entladungsvorrichtung Q92, R41 an P1 für den Kondensator C5 vorgesehen, die eine wesentliche Mindestzeitkonstante von 0,20 s noch aufrechterhält. Der Kollektor von Q92 ist mit P1 verbunden, der Emitter ist über R41 (240 K) mit der Systemmasse verbunden und die Basis ist mit dem Schaltungspunkt 129 verbunden, so dass sich ein Stromfluß von 2,5 μA an P1 ergibt. Die Wahl ergibt eine Anlaufperiode von 0,25 s und einen Spielraum für einen Systemfehler von 2 μA. Der Offset-Fehler in der Zeitsteuerung wird bei mittleren und hohen Drehzahlen vernachlässigbar.
Die Schalter 122, 123 und 124 sind so ausgelegt, dass sie auf Steuersignale ansprechen, die durch das IC an den Anschlußflecken P7 (AT); P8 (AB); P9 (BB); P10 (BT); P11 (CT); und P12 (CB) geliefert werden. Die Anfangsbuchstaben A, B und C bezeichnen die Wicklungsstufe des Motors 120. Der zweite Buchstabe "T" bedeutet, dass "Ein"-Signale von den Anschlußflecken, die auf der IC so bezeichnet sind, das Schalterleiten zu dem +150 Volt-Bus (T für Top oder Oben) in Beziehung zum Systemmassepotential oder zu einem +75 Volt-Punkt in Beziehung zu der Spannung an dem Wicklungssternpunkt 128 erzeugen werden. Der zweite Buchstabe "B" gibt an, dass "Ein"-Signale von den Anschlußflecken, die auf der IC so bezeichnet sind, das Schalterleiten zur Systemmasse (B für Bottom oder Unten) oder zu einem Punkt von –75 Volt in Beziehung zu der Spannung an dem Sternpunkt 128 erzeugen werden.
Die Schaltung des Schalters 122, der die A-Wicklung des Motors steuert, ist in 2 gezeigt. Sie enthält drei bipolare Transistoren Q82, Q88, Q85, die die nicht mit dem Sternpunkt verbundene Klemme der Wicklung A mit der Klemme B+ verbinden, wenn AT an P7 auf H ist, und ein einzelner FET Q91 verbindet diese Wicklungsklemme mit der Systemmasse, wenn AB an P8 auf H ist. Die Schalter stellen eine wenig kostende Anordnung dar, in der die Basis des Eingangs-NPN-Transistors Q82 mit dem Anschlußfleck P7 und der Emitter über R37 mit Masse verbunden ist. Das Signal, das an dem Kollektor von Q82 erscheint, wird in dem Lastwiderstand R31 gebildet, der über die Schutzdiode CR6, und zwar zuerst über die Katode und dann über die Anode, mit dem 150 V B+ Bus in Reihe geschaltet ist. Die Basis des PNP-Transistors Q88, der in Emitterschaltung angeordnet ist, ist mit dem Kollektor von Q82 verbunden, und sein Emitter ist mit der Katode der Diode CR6 verbunden. Der Kollektor von Q88 ist mit der Basis des NPN-Ausgangstransistors Q85 und über einen Kollektorlastwiderstand R34 mit dem Emitter von Q85 verbunden. Der Kollektor von Q85 ist über die Diode CR6 mit dem +150 Volt-Bus verbunden. Der Emitter von Q85 ist über den Verbinder E6 mit der A-Wicklungsstufe verbunden. Der Transistor Q88 dient zum Verschieben des Wertes und zum Festlegen des korrekten Sinnes der Ansteuerung des Ausgangstransistors Q85. Die Diode CR9, deren Anode mit dem Emitter von Q85 und deren Katode mit dem B+ Ausgang an CR5, C1 verbunden ist, ist eine Rücklaufdiode, die Schaltübergangsvorgänge in umgekehrter Richtung reduziert. Die Kombination aus Q82, Q88 und Q85 stellt eine Verbindung niedrigen Widerstands und hoher Stromkapazität der Wicklungsstufe A mit dem 150 V Bus her, wenn die Spannung AT an dem Anschlußfleck P7 auf einen aktiven H-Zustand geht.
Der Feldeffekttransistor Q91 ist eine N-Kanal-Vorrichtung, die die Wicklungsstufe A mit der Systemmasse verbindet. Der Gateanschluß von Q91 ist mit dem Anschlußfleck P8 verbunden. Der Sourceanschluß ist mit der Systemmasse verbunden, und der Drainanschluß ist mit dem Emitter von Q85 und über den Verbinder E6 mit der nicht mit dem Sternpunkt verbundenen Klemme der Wicklungsstufe A verbunden. Der Transistor Q91 bildet eine Verbindung niedrigen Widerstands und hoher Strombelastbarkeit der Wicklungsstufe A mit der Systemmasse, wenn die Spannung AB an dem Anschlußfleck P8 auf einen "aktiven" H-Zustand geht. Die erwähnten hohen Ströme sind diejenigen, die für einen 50-Watt-Ventilatormotor geeignet sind.
Die Drossel L1, die Teil der Schutzschaltung L1, CR12, CR13 ist, verhindert die extrem hohen Schaltstromspitzen, die die Festkörperleistungsschalter beanspruchen würden. Im vorliegende Fall ist das Problem in den FETs der unteren Stufe (Q91 in dem Schalter A oder die Gegenstücke von Q91 in den Schaltern B und C) akuter. Diese Spitzenströme würden gewöhnlich auftreten, wenn die gewählten bipolaren Transistorschalter der oberen Stufe (Q85 in dem Schalter A oder die Gegenstücke von Q85 in den Schaltern B und C) eingeschaltet werden, während der Strom aus dem Motor in dem Diodenteil des FET (Drain-Source-Verbindung) fließt. Die Erholung dieser "Diode" (strukturell die Basis-Kollektor-Übergangszone eines bipolaren Transistors in dem FET) bestimmt diesen Strom und die "sichere" Erholung der Vorrichtung.
Die beiden in Reihe geschalteten Dioden CR12 und CR13 überbrücken die Drossel L1, so dass Spannungseinschwingvorgänge, die an dem 150 V Bus auftreten, auf den Hauptfilterkondensator C1 geklemmt werden. Deshalb wird der Anschluß B+ an diesen Schaltern nicht nennenswert über die Spannung B+ rücklaufen, die durch den Filterkondensator gebildet wird. Damit die Schaltung wirksam ist, sollte eine der Dioden (z. B. CR12) eine Diode mit schneller Erholung sein. Die Schutzschaltung schützt vor dem oben erwähnten "shoot thru"-Strom während des Pulsbreitenmodulationsschaltvorganges, der sonst zu gefährlich hohen Spitzenströmen in beiden Stufen der Transistorschaltung führen würde.
Ein alternatives Schutzschema für die FETs der unteren Stufe besteht darin, zwei Dioden zu benutzen, von denen eine zwischen den Drainanschluß und die Systemmasse parallel zu dem FET der unteren Stufe (z. B. Q91) geschaltet ist, wobei die Diode so gepolt wird, dass sie leitet, wenn der FET in Sperrichtung vorgespannt ist, und von denen die zweite Diode in die Drainverbindung eingefügt und so gepolt wird, dass sie leitet, wenn der FET in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.
Die Zeichnung des Schalters zeigt, dass, wenn beide Anschlußflecken P8 und P7 im L-Zustand sind, der Schalter A in einem Zustand hoher Impedanz oder nichtleitenden Zustand ist, wobei die nicht mit dem Sternpunkt verbundene Zuleitung der Wicklungsstufe A, die nun unerregt ist, frei ist, irgendeinen Wert zu erreichen, der durch die Gegen-EMK erzeugt wird, wenn die Wicklungsstufe A dem Feld ausgesetzt ist, das durch den rotierenden Dauermagnetläufer erzeugt wird.
Die Erzeugung der korrekten Sequenz von Schaltwellenformen zum Erzeugen der Vorwärtsdrehung, der Rückwärtsdrehung oder einer schnelleren oder langsameren Motordrehung und zum Kommutieren der Ständerbaugruppe in der korrekten Winkelposition des Läufers ist die Funktion des Motorsteuer-IC 121, deren innerer Aufbau nun beschrieben wird.
Die Hauptfunktionsunterteilungen des Motorsteuer-IC 121 sind in 4 gezeigt.
Der Oszillator 147 wird für zwei Zwecke auf dem Steuer-IC benutzt. Im Betrieb der Autonull-Schaltung steuert dem Oszillatorausgangssignal die Zählgeschwindigkeit, die zum Dekrementieren des Offsetstroms beim Nullabgleich des Verstärkers 141 benutzt wird. Der Oszillator 147 und der Pulsbreitenmodulator 148 sind gemeinsam an der Einstellung der Drehzahl des Ventilatormotors beteiligt. Der Motor mit elektronischem Kommutator ist so ausgelegt, dass er mit einer Drehzahl arbeitet, die durch die Stärke des dem Motor zugeführten elektrischen Stroms bestimmt wird. Wenn mehr elektrischer Strom zugeführt wird, dreht sich der Motor mit einer höheren Drehzahl, und wenn weniger elektrischer Strom zugeführt wird, dreht sich der Motor mit einer niedrigeren Drehzahl. In der hier beschriebenen Ausführungsform unterliegt die Stärke des dem Ventilatormotor zugeführten Stroms der Steuerung von ungefähr 100% bis weniger als 1% der maximalen Leistung. Dieser Bereich der Leistungs- oder Stromeinstellung ergibt wenigstens einen 200 : 10-U/min-Drehzahlbereich.
Die Beschreibung hier befaßt sich mit dem Oszillator 147 und mit dem Pulsbreitenmodulator 148 im Zusammenhang mit der Erzeugung dieser Wellenform, was eine Kombination darstellt, die den breiten Bereich der hier angestrebten Motordrehzahl erleichtert.
Der Oszillator 147 ist ein Kipposzillator. Die Schaltungselemente des Oszillators außerhalb des IC sind in 2 gezeigt. Diejenigen Schaltungselemente, die sich auf dem IC befinden, sind in 4A gezeigt. Sie enthält einen Kondensator C6, einen Transistor Q42 zum wiederholten Entladen des Kondensators und einen Widerstand R24 zum wiederholten Aufladen des Kondensators. Die Oszillatorschaltung enthält außerdem zwei Komparatoren (COM 4 und COM 5) zum Einstellen der Grenzwerte des Spannungshubes des Kipposzillators, wobei jedem Komparator ein invertierendes Hysteresegatter U87, U88, ein Flipflop aus NAND-Gattern U90, U91, eine Referenzspannungseinrichtung, die Transistoren Q47, Q48, Q49 enthält, Widerstände R9 und R10 und eine Schutzschaltung, die den Widerstand R11 und die Dioden D2 und D3 enthält, nachgeschaltet sind.
Die Elemente des Oszillators sind folgendermaßen miteinander verbunden. Der Kondensator C6, der sich außerhalb der integrierten Schaltung befindet, hat eine Klemme, die mit dem Anschlußfleck P15 verbunden ist, während seine andere Klemme mit der Systemmasse verbünden ist. Der Widerstand R24, der sich ebenfalls außerhalb der integrierten Schaltung befindet, ist zwischen den Anschlußfleck P13, an den die Quelle der Vdd-Spannung angeschlossen ist und den Anschlußfleck P15 geschaltet. Der Drainanschluß des N-Kanal-Transistors Q42 ist mit dem Anschlußfleck P15 und sein Sourceanschluß mit der IC-Masse verbunden. Der Drainanschluß des Transistors Q42 ist außerdem über den 250-Widerstand R11 mit dem positiven Eingang des Komparators COM 4 und mit der negativen Eingangsklemme des Komparators COM 5 verbunden. Die negative Eingangsklemme des Komparators COM 4 ist mit der Spannungsreferenzschaltung in einem Punkt verbunden, der ein normales Potential von 1,8 V hat. Die positive Eingangsklemme des Komparators COM 5 ist mit einer Spannungsreferenz (Vref 5) verbunden, die ein Potential von 0,75 V hat. Die Ausgangsklemme des Komparators COM 4 ist über das invertierende Hysteresegatter U87 mit einer Eingangsklemme (S) des NAND-Gatters U90 verbunden. Die Ausgangsklemme des Komparators COM 5 ist über das invertierende Hysteresegatter U88 mit einer Eingangsklemme (R) des NAND-Gatters U91 verbunden. Der andere Eingang des NAND-Gatters U90 ist mit dem Ausgang des NAND-Gatters U91 verbunden, an welchem das Q-Ausgangssignal des Flipflops erscheint. Der andere Eingang des NAND-Gatters U91 ist mit dem Ausgang des NAND-Gatters U90 verbunden, an welchem das Q-Ausgangssignal des Flipflops erscheint. Der Q-Ausgang des Flipflops (U90, U91) ist mit dem Gateanschluß von Q42 verbunden. Das Ausgangssignal CLK des Oszillators in Form eines Rechteckimpulses, der eine kurze Intervalldauer von ungefähr 300 ns und eine Impulsfolgefrequenz von 20 kHz hat, wird von dem Ausgang von U91 aus an U93 in der Autonull-Schaltung zur Zeitsteuerung der Zählgeschwindigkeit angelegt.
Die Spannungsreferenz und die übrigen Schaltungskomponenten der Oszillatorschaltung sind folgendermaßen miteinander verbunden. Der Sourceanschluß des P-Kanal-Transistors Q47 mit 4/8 Geometrie ist mit Vdd verbunden, sein Gateanschluß ist mit der IC-Masse verbunden, und sein Drainanschluß ist über den 1,6 K-Widerstand R9 und den 1,6 K-Widerstand R10 mit dem Drainanschluß des N-Kanal-Transistors Q49 mit 50/4- Geometrie verbunden. Der Gateanschluß und der Drainanschluß von Q49 sind miteinander verbunden, und der Sourceanschluß von Q49 ist mit der IC-Masse verbunden. Die Referenzspannung von 1,8 V, die an der negativen Eingangsklemme von COM 4 anliegt, erscheint an dem Drainanschluß von Q49. Die Schutzdioden D2 und D3 sind zwischen Vdd und der IC-Masse in Reihe geschaltet, und ihre gegenseitige Verbindung ist mit der positiven Eingangsklemme von COM 4 und mit der negativen Eingangsklemme von COM 5 verbunden.
Der Oszillator arbeitet als Kipposzillator, dessen Amplitude durch die Grenzwerte festgelegt ist, die durch die Referenzspannungen an den Komparatoreingängen eingestellt worden sind. Wellenformen, die für das Verständnis der Wirkungsweise des Oszillators nützlich sind, sind in 4B angegeben. Bei der ersten Erregung beginnt der Kondensator C6 sich auf Vdd aufzuladen, wobei die Spannung auf dem Kondensator C6 an den Eingängen von beiden Komparatoren erscheint. Wenn die Spannung PWM REF (+1,8 V) übersteigt, setzt COM 4 das Flipflop, und der Q-Ausgang geht auf H, wodurch Q42 eingeschaltet wird, das den Kondensator C6 entlädt. Wenn die Spannung auf dem Kondensator C6 unter Vref 5 (+0,75 V) abfällt, geht COM 5 auf H, wodurch das Flipflop rückgesetzt wird, wobei Q auf L ist und Q42 abgeschaltet wird. Da die Entladung von C6 äußerst schnell erfolgt (bei den gezeigten Werten von R24 und C6) und da COM 5 eine endliche Ansprechzeit hat, ist die Spannung auf C6 bestrebt, ganz auf Massepotential abzufallen. Der Kondensator C5 beginnt dann, sich wieder aufzuladen, und der Zyklus wiederholt sich. Die Ausgangswellenform (CLK), die an dem Ausgang von U91 erscheint, wird an U93 der Autonull-Schaltung angelegt. Die Wellenform, die an dem Kondensator C6 erscheint, ist die Sägezahnwellenform in dem oberen Teil von 10B. Die CLK-Wellenform ist der rechteckige Impuls, welcher der Sägezahnwellenform überlagert ist. Wie weiter oben erwähnt, ist das Tastverhältnis für die Taktwellenform < 1%, wenn die angegebenen Parameter benutzt werden. Die Wahl der Parameter wird so getroffen, dass eine relativ lineare Sägezahnwellenform auf dem Kondensator C5 erzeugt wird.
Der Pulsbreitenmodulator 148 benutzt die Sägezahnkondensatorwellenform und erzeugt eine Ausgangswellenform (d. h. PWM Ausgang), die wahlweise entweder immer Aus, einige Zeit Ein, einige Zeit Aus; oder immer Ein ist. Das Verhältnis der Ein/Aus-Zeit (d. h. die Impulsbreite) wird durch die Einstellung des externen Potentiometers R40 oder der Wanddrehzahlsteuervorrichtung 105 gesteuert. Diese drei Möglichkeiten sind in 4B angegeben.
Der Pulsbreitenmodulator enthält das externe Potentiometer R40, den externen Transistor Q81, die externen Widerstände R25, R26, R27, R29, R30 und den externen Kondensator C4, der dem "Regulier"-Anschlußfleck P14 und dem Komparator COM 6 zugeordnet ist, und das Hysteresegatter U89 auf der IC. Das 100 K-Ohm-Potentiometer R40 ist an seinen Endklemmen zwischen Vdd (Anschlußfleck P13) und die System- und IC- Masse (Anschlußfleck P6) geschaltet. Der Schleifer des Potentiometers R40 ist über den 150 K-Widerstand mit dem Anschlußfleck P14 verbunden. Der 2,2 μF-Kondensator C4 und der 39 K-Widerstand sind zwischen den Anschlußfleck P14 und Systemmasse geschaltet. Der Kollektor des PNP-Transistors Q81 ist mit dem Anschlußfleck P14 verbunden. Seine Basis ist mit der Anzapfung an einer Spannungsteilerschaltung verbunden, die einen 430 K-Widerstand R26 enthält, der mit der 150-Volt-Versorgung verbunden ist und einen 36 K-Widerstand R27, der mit der Systemmasse verbunden ist, und sein Emitter ist über den 36 K-Widerstand R25 mit Vdd verbunden. Die Hauptkollektorlast ist der 39 K-Widerstand R30, der zwischen den Kollektor von Q81 und die Systemmasse geschaltet ist.
Auf dem IC ist die negative Eingangsklemme des Komparators COM 6 mit dem Anschlußfleck P14 und seine positive Eingangsklemme über den Widerstand R11 mit dem Kondensator C6 verbunden. Der Ausgang des Komparators COM 6 ist mit dem invertierenden Hysteresegatter U89 verbunden, an dessen Ausgang das PWM-Ausgangssignal erscheint.
Die Grenze und eine Zwischenform der PWM-Ausgangswellenform sind in 4B dargestellt. Das Tastverhältnis wird sowohl durch das Potentiometer R40 als auch durch die Wandsteuervorrichtung 105 beeinflußt. Wenn das Potentiometer R40 sehr niedrig eingestellt ist, ist das negative Eingangssignal des Komparators immer unter der Spannung an dem Kondensator C6, und das Ausgangssignal von COM 6 ist auf H. Das PWM-Ausgangssignal aus U99 ist immer auf L. Wenn R40 sehr hoch eingestellt ist, ist das Komparatorausgangssignal immer auf L und das PWM-Ausgangssignal ist immer auf H. Wenn R40 auf eine Zwischenposition zwischen den Grenzen der Oszillationsspannung eingestellt ist, die an dem Kondensator erscheint, ist die PWM-Ausgangswellenform einen Teil der Zeit auf H und einen Teil der Zeit auf L. Da die Kondensatorspannung so gesteuert wird, dass sie im wesentlichen linear ansteigt und abfällt, ist der praktische lineare Einstellbereich des Tastverhältnisses sehr nahe bei den 0 bis 100 Absolutgrenzen.
4C, die ebenfalls für die Vorwärts/Rückwärts-Logik gilt, veranschaulicht, wie das Tastverhältnis durch die Wandsteuervorrichtung 105 beeinflußt wird. Wenn die Wandsteuervorrichtung benutzt wird, wird die maximale Spannung B+ auf etwa 135 V begrenzt. Die Abwärtsverstellung des Motorpotentiometers in der Wandsteuervorrichtung reduziert die Spannung B+ (+135 V), die an den Motor angelegt wird. Der Anfang der Abwärtsverstellung der Steuervorrichtung bringt eine Reduzierung der Drehzahl durch eine Reduzierung der an den Motor angelegten Spannung mit sich. Nachdem die Spannung von einem Nennwert von 150 V auf ungefähr 100 V reduziert worden ist, bringt eine weitere Abwärtsverstellung des Wandpotentiometers etwa gleichzeitig eine Abwärtsverstellung der Spannung B+ und das Aufprägen eines Impulsformats auf die Ausgangswellenform mit sich, deren Tastverhältnis allmählich verringert wird. Das ist in 4C dargestellt. Das Tastverhältnis ist durch diese Steuervorrichtung von 100 bis nahezu 0% steuerbar, was in Verbindung mit der Einstellung von R40 angegeben ist.
Die Betätigung der Wandsteuervorrichtung 105 umfasst die weiter oben in Verbindung mit dem Regulieranschlußfleck P14 erwähnten Komponenten. Zu diesen gehören der Widerstand Q81 und die Widerstände R25, R26, R27, R29, R30 und R40. Durch die Betätigung der Wandsteuervorrichtung wird die mittlere Spannung eingestellt, die an den Motor angelegt wird. Die maximale Spannung (z. B. 135 V) erzeugt die maximale Drehzahl. Das Verringern der mittleren Spannung mittels der Wandsteuervorrichtung ergibt eine im wesentlichen lineare Verringerung der an den Motor angelegten Spannung, was durch die obere ausgezogene Linie dargestellt ist. (Wenn diese Verringerung beginnt, sei angenommen, dass R40 auf den Maximalwert eingestellt ist.) Bei dem Maximalwert wird Q81 durch eine Differenz von ungefähr 1,4 V zwischen seiner Emitterspannung, die durch die Z-Diode CR1 auf 9 V über dem Massepotential festgelegt ist, und der Basisspannung, die auf etwa 10,4 V durch den Spannungsteiler festgelegt ist, welcher durch R26 und R27 gebildet ist, die zwischen die 135-V-Klemme B+ und Masse geschaltet sind, in Sperrichtung vorgespannt. Wenn das Potential B+ abwärts verstellt wird, bleibt die Spannung an dem Emitter, der mit der Z-Diode verbunden ist, konstant, während die Spannung an der Basis, die mit dem Spannungsteiler verbunden ist, im Verhältnis zu der Verringerung des Potentials B+ abfällt. Bei etwa 110 V von B+ wird die Vorspannung in Sperrichtung an Q81 beseitigt und eine ausreichende Vorspannung in Durchlaßrichtung wird angelegt, um den Übergangszonen-Spannungsabfall zu überwinden und den leitenden Zustand einzuleiten. Bis zu diesem Punkt blieb bei der Abwärtsverstellung des Potentials die Spannung an dem Regulieranschlußfleck P14 unbeeinflußt und auf dem Potential null. Jenseits dieses Punktes bewirkt das Leiten des Transistors Q81 zwischen Vdd und dem Regulieranschlußfleck, dass die Spannung an dem Anschlußfleck ansteigt. Jeder geringfügige Anstieg der Spannung erhöht den Schwellenwert von U89 und bewirkt eine Verringerung der Impulsbreite. Die gemeinsame Verringerung der absoluten Spannung B+ und des Tastverhältnisses erzeugt eine größere Geschwindigkeit der Abnahme der mittleren Spannung. Bei etwa 60 V wird eine Mindestdrehzahl (unmittelbar oberhalb des Stillstands des Motors) erreicht, und das PWM-Tastverhältnis ist nahe bei null. Bei einer REG-Spannung, die etwas gleich 2,2 V ist, sind das PWM-Tastverhältnis und die Drehzahl beide null. An diesem Punkt ergibt jede weitere Verringerung der Spannung keine weitere Verringerung der Drehzahl des Motors, stattdessen aber eine weitere Erhöhung der Spannung an dem Regulieranschlußfleck. Dieser letzte Bereich der Einstellung gestattet dem Spannungsanstieg an dem Regulieranschlußfleck, eine Drehrichtungsumkehr zu signalisieren, und zwar durch Auslösen eines auf 2,4 V eingestellten Komparators, was in Verbindung mit der Vorwärts/Rückwärts-Logik 149 beschrieben wird.
Die Vorwärts/Rückwärts- oder Richtungssteuerlogik 149 spricht auf die Einstellung des Vorwärts/Rückwärts-Schalters S1 an, der mit dem Anschlussfleck P16 auf der IC verbunden ist, und auf eine gesteuerte Verringerung in der Versorgung B+, welche durch die Motordrehzahlsteuervorrichtung an der Wand beeinflusst wird. Eine Inversion im Logikzustand des Ausgangssignals der Vorwärts/Rückwärts-Logik 149 bewirkt eine Inversion in der Zählsequenz und eine Drehrichtungsumkehr des Motors.
Die Richtungssteuerlogik 149 enthält den Transistor Q48, den Komparator COM 7, das Hysterese-Gatter U113, die Flipflops D13, D14, D15, die Exklusive-ODER-Gatter U107, U110 und die NOR-Gatter U111, und U112. Außerhalb der IC kommen für den Vorwärts/Rückwärts-Betrieb hinzu der Transistor Q81, die Widerstände R25, R26, R27, R29 und R30 (in Verbindung mit dem Pulsbreitenmodulator 148 erwähnt) und der Schalter S1.
Der Komparator COM 7, der das Herz der Steuerung ist, ist an seiner positiven Eingangsklemme mit dem "REG"-Anschlussfleck P14 und an seiner negativen Eingangsklemme mit einer internen Referenzspannung (Vref 9) von 2,4 V verbunden. Das Potential an dem Anschlussfleck P14 wird zwar durch die Einstellung des Potentiometers R40 beeinflusst, es wird aber den Zustand des Komparators COM 7 nicht ändern. Der Zustand von COM 7 kann nur durch die Einstellung der Steuervorrichtung, 105 geändert werden, die den leitenden Zustand von Q81 beeinflusst, wie weiter oben beschrieben.
Die negative Eingangsklemme von COM 7 ist mit einer Referenzspannung verbunden, welcher in dem Augenblick Hysterese hinzugefügt wird, in welchem das Schalten erfolgt. Die Eingangsverbindung führt zu dem Drainanschluß des P-Kanal-Transistors Q47, die niemals auf weniger als 1,8 V ist, und zwar ungeachtet von Verringerungen in B+. Der Drainanschluß von Q47 ist über die in Reihe geschalteten Widerstände R9, R10 und den Transistor Q49 (dessen Gate- und Drainanschlüsse miteinander verbunden sind) mit Masse verbunden. Die Pulsbreitenmodulationsreferenzspannung von 1,8 V, die an Q49 erscheint, wird als Referenzspannung zum Einstellen der maximalen Amplitude der Sägezahnwellenform benutzt. Durch Addieren der Spannungsabfälle an R9 und R10 zu diesem Wert (1,8 V) und Anlegen der sich ergebenden Spannung an die negative Eingangsklemme von COM 7 wird der Auslösepunkt für COM 7 auf eine Weise eingestellt, die gewährleistet, dass die Umkehr immer unter der Drehzahl null erfolgt. Eines der beiden Ausgangssignale des Komparators COM 7 wird über ein invertierendes Hysteresegatter U113 an den C-Eingang des Flipflops D15 angelegt. Das andere Ausgangssignal von COM 7 wird an den Gateanschluß des N-Kanal-Transistors Q48 mit 500/4-Geometrie, dessen Drain- und Sourceanschluß verbunden sind, um den Widerstand R9 zu überbrücken, angelegt. Wenn Q48 leitend wird, da das Ausgangssignal von COM 7 beim Abfühlen einer Zunahme in der Spannung an P14, die über Vref 9 liegt, auf H geht, reduziert er die Spannung an Vref 9 um ungefähr 1/4 Volt. Das ruft Hysterese hervor, die die Umkehr positiver wirkend macht, wodurch gewährleistet wird, dass nur eine einzelne Umkehr jedes Mal dann erfolgt, wenn VREG Vref 9 übersteigt.
Die Verringerung in B+ wird an die Vorwärts/Rückwärts-Schaltung folgendermaßen angelegt. Wenn die Spannung B+ durch die Wandsteuervorrichtung 105 auf einen Punkt verringert wird, wo Q81 leitend wird, steigt die Spannung an dem Regulieranschlussfleck P14 monoton an, wie es in 10C gezeigt ist. (Es wird angenommen, dass R40 auf eine maximale Position im Uhrzeigersinn eingestellt wird, wenn die Wandsteuervorrichtung 105 benutzt wird). Die Verstellung der Wandsteuervorrichtung 105 über den normalen Bereich der Pulsbreitenmodulationssteuerung führt zu einem Endwert von 1,8 Volt. Die Einstellung über 1,8 Volt hinaus erzeugt eine Spannungsspitze von mehr als 2,4 Volt. Der Komparator COM 7 ist so eingestellt, dass er die Vorwärts/Rückwärts-Logik bei etwa 2,4 Volt auslöst.
Die Einstellung von R40 stört nicht die Umkehr, die durch die Steuerung 105 erzielt wird, und wird selbst keine Umkehr in der Motordrehung erzeugen. Solange wie Q81 nichtleitend ist, wird die Spannung an dem Regulieranschlussfleck P14 durch die Einstellung des Potentiometers R40 und der Widerstände R29 und R30 bestimmt. Wenn Q81 nichtleitend ist, stellt die Konfiguration eine maximale Spannung an dem Regulieranschlussfleck P14 von ungefähr 2,2 Volt ein, wenn die Anzapfung an R40 auf Vdd ist (und es wird keine Umkehr erfolgen). Die 2,2 Volt werden benutzt, um zu gewährleisten, dass die Mindestdrehzahl selbst unter ungünstigsten Bedingungen erreicht wird. Der Mindestwert von null Volt tritt auf, wenn die Anzapfung an R40 an Masse liegt. Wenn der Transistor Q81 durch ein geeignetes Absinken der Spannung B+ durch die Einstellung von 105 leitend wird, wird die Spannung an dem Regulieranschlussfleck P14 auf Vdd ansteigen, was in 10C gezeigt ist. Die Einstellung von R40, der durch die 150K Ohm von R29 getrennt ist, hat nur einen geringen Einfluss auf die Kennlinie nach 10C.
Im normalen Betrieb wird die Bedienungsperson, wenn sie sich entscheidet, die Drehrichtung des Ventilatormotors umzukehren, die manuelle Steuervorrichtung auf ihre niedrigste Drehzahleinstellung zurückdrehen, wodurch zuerst die Drehzahl auf einen Minimalwert (Stillstand) verringert und dann über diese Einstellung hinaus auf einen Wert gebracht wird, der den Umkehrkomparator COM 7 auslöst. Da die Einstellung für den Gebrauch zu niedrig ist, dreht die Bedienungsperson die Einstellung vorwärts auf die gewünschte Drehzahl. Auf diese Weise wird die Drehzahlkennlinie, die in 10C dargestellt ist, im Verlaufe entweder einer Drehzahlerhöhung oder einer Drehzahlverminderung reproduziert.
Der Ausgang von U113 ist mit dem C-Eingang des Flipflops D15 verbunden. Der R-Eingang von D15 ist mit der POR-Schaltung 150 (U120) verbunden. Der Q-Ausgang von D15 ist mit dem D-Eingang von D15 verbunden, und der Q-Ausgang von D15 ist mit einem Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 107 verbunden. Der andere Eingang des Gatters 107 ist mit dem Anschlussfleck P16 für die Verbindung entweder mit Vdd oder mit dem Systemmassepotential über den einpoligen Umschalter S1 verbunden. Der Schalter S1 bildet den permanenten Speicher für die Motordrehrichtung und bestimmt die Drehrichtung, wenn der Strom zum erstenmal zugeführt wird.
Der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters U107 ist mit dem D-Eingang des Flipflops D13 verbunden, das zusammen mit dem Flipflop D14 wenigstens einen Verzögerungstaktimpuls liefert, bevor eine Drehrichtungsumkehr erfolgen kann. Der Q-Ausgang von D13 ist mit dem D-Eingang des Flipflops D14 verbunden. Das CLK-Signal ist mit den C-Eingängen von D13, D14 verbunden. Das Exklusiv-ODER-Gatter U110 hat einen mit dem Ausgang von U107 verbundenen Eingang und einen Eingang, der mit dem Q-Ausgang von D14 verbunden ist, mit welchem ein Eingang von U116 (in POR 150) verbunden ist. Der Q-Ausgang von D14 ist mit einem Eingang von U115 (in POR 150) verbunden. Das NOR-Gatter U111 hat einen Eingang, der mit dem Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters U110 verbunden ist, und einen Eingang der mit D14 Q verbunden ist. Das NOR-Gatter 0112 hat einen Eingang, der mit dem Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 0110 verbunden ist, und einen mit D14 Q verbundenen Eingang. Der Ausgang von 0112, an welchem die Vorwärtswellenform erscheint, ist mit dem Gatter U12 in dem Modulo-6-Zähler verbunden und wird nach zwei aufeinanderfolgenden Inversionen in U12, U7 uninvertiert mit den Gattern U42–U47 der Steuerlogik verbunden. Der Ausgang des NOR-Gatters U111, an welchem die Rückwärtswellenform erscheint, ist mit den Gattern U36–U41 in der Steuerlogik verbunden.
Der Ausgangszustand der Vorwärts/Rückwärts-Logik wird durch den Zustand von D15 bestimmt, der seinerseits von dem Zustand von COM 7 und von der Einstellung des Schalters S1 abhängig ist, welcher mit dem Anschlussfleck P16 verbunden ist. Wenn die Anlage zum erstenmal eingeschaltet wird, wird D15 durch die POR-Schaltung rückgesetzt (Q auf L). Wenn P16 durch S1 mit Masse verbunden ist (ein logischer L-Zustand), dann wird mit den beiden L-Zuständen an dem Eingang von U107 ein L-Zustand an dem Ausgang von U107 erzeugt. Das erzeugt einen L-Zustand unmittelbar an dem Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters U110. Mittlerweile sind nach einer Verzögerung von 1 bis 2 Taktimpulsen D13 Q und D14 Q auf L gegangen. Bei zwei L-Zuständen an dem Eingang von U110 geht das Ausgangssignal von U110 auf L. Das bewirkt, dass U112 (vorwärts) auf L geht und dass U111 (rückwärts), dessen Eingänge mit D13 Q und U110 (beide auf L) verbunden sind, auf H geht und der Rückwärtsbetrieb erfolgt.
Wenn der Schalter S1 auf H eingestellt ist, während D15 Q auf L ist, dann geht der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters U107 auf H, und es geht ein H-Signal direkt und indirekt über D13 Q, D14 Q zu dem Exklusiv-ODER-Gatter U110. Der Ausgang des Gatters U110 geht auf L, und zwar nach einer Verzögerung von wenigstens einem Taktimpuls, und das NOR-Gatter U112, das L-Signale an beiden Eingängen hat, geht für den Vorwärtsbetrieb auf H.
Der um wenigstens einen Impuls verzögerte Betrieb wird, durch das Einfügen von D13 und D14 in den Signalweg parallel zu dem Ausgang von U107 und durch das Anlegen des verzögerten und des unverzögerten Signals an das Exklusiv-ODER-Gatter U110 erreicht. Das Exklusiv-ODER-Gatter erzeugt kein H-Signal, sofern nicht beide Eingangssignale unterschiedlich sind. Es verzögert so die Übertragung eines H-Signals zu dem Ausgangsgatter U110, bis die verzögerte und die unverzögerte Wellenform den Ausgang des Gatters U110 erreicht haben. Der logische Gebrauch der Q- und Q-Ausgangssignale der Flipflops gestattet, dass die Verzögerung sowohl bei einer Umschaltung auf Rückwärtsdrehung als auch bei einer Umschaltung auf Vorwärtsdrehung auftreten kann.
Die Richtungssteuerlogik 149 erzeugt Ausgangssignale an U111 und U112 zur Steuerung der Richtung der Motordrehung (im Uhrzeigersinn/im Gegenuhrzeigersinn oder Vorwärts/Rückwärts). Das Nichtvorhandensein eines aktiven Ausgangssignals aus U111 oder U112 blockiert jedes Eingangssignal an den Wicklungsstufen. Die aktiven Ausgangssignale (H-Signale) für U111 (Rückwärts) und U112 (Vorwärts) sind niemals gleichzeitig vorhanden, und eine Unterbrechung erfolgt lange genug, um die Festkörperschalter 122–124 zu schützen, nach dem ein aktiver Zustand beendet ist, bevor der andere aktive Zustand beginnt.
Die Vorwärts- und Rückwärtswellenformen (Signalzeitverläufe) sind in 5 dargestellt und nehmen einen logischen H- oder L-Zustand an. Die Verbindungen des Ausganges der Vorwärts/Rückwärts-Logik 149 werden mit Kommutierungszähler hergestellt zum Invertieren der Zählsequenz innerhalb des Zählers (U8, U9, U20, U21), wie weiter oben beschrieben, und mit der Steuerlogik zum Wählen der Vorwärts (U42, U47)- oder der Rückwärts (U36–U41)-"Decoder" zum Erzielen der korrekten Schaltfolge in den Ausgangstreibern 146.
Die Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Ventilatormotors erfolgt durch eine Kombination aus einer anfänglichen Verringerung der Spannung B+, die an den Ventilatormotor angelegt wird, gefolgt durch die Verwendung einer pulsbreitenmodulierten Form der Erregung, bei der eine weitere Verringerung der Versorgungsspannung B+ von einer zunehmenden Verschmälerung der Erregungsimpulse fester Folgefrequenz begleitet ist. Wenn die Spannung weiter reduziert wird, wird ein Mindestpunkt erreicht, in welchem es im wesentlichen keine "Ein"-Zeit für die Impulse gibt und die Erregung im wesentlichen abgeschaltet ist. Der praktische Bereich der Drehzahleinstellung überschreitet 200 : 20 U/min.
Zum Erzielen eines 10 : 1 -Drehzahlsteuerbereiches, wenn allein eine Veränderung der Versorgungsspannung B+ benutzt wird, wäre ein 10 : 1 -Spannungsbereich erforderlich. Das ist schwierig erreichbar, wenn eine einzelne Z-Dioden-Stromversorgung zum Versorgen des IC aus der Versorgung B+ benutzt werden soll. Durch proportionales Reduzieren der Impulsbreite mit der Reduktion der Spannung B+ kann ein 10 : 1 -Drehzahlbereich mit einer Veränderung in B+ von nur 2 bis 3 : 1 erzielt werden. Die Veränderung der Versorgungsspannung B+ wird benutzt, um die Motordrehzahl mit der Wandsteuervorrichtung zu steuern. Wenn keine Wandsteuervorrichtung benutzt wird, kann der volle Drehzahlbereich allein unter Verwendung der Pulsbreitenmodulation erzielt werden.
Das Erzielen dieses Steuerbereiches erfordert ein System, das zu einem stabilen Betrieb sowohl an der oberen als auch an der unteren Betriebsgrenze in der Lage ist. Das ist durch das Vermeiden einer impulsweisen Rückkopplungsschleife für die Stromsteuerung und die Verwendung einer höheren Pulsbreitenmodulationsfrequenz erzielt worden. Die hier beschriebene Anordnung, in der eine Pulsbreitenmodulationskonfiguration mit offenem Wirkungskreis (d. h. rückführungsfrei) benutzt wird, ist besonders vorteilhaft, wenn der hier beschriebene breite Steuerbereich erzielt werden soll. Der rückführungsfreie Betrieb ist in dem Blockschaltbild in 4E dargestellt. Die einsetzbare Wellenform ist die AT-Wellenform nach 4F.
In der Darstellung in 4E wird die Motordrehzahl durch ein Energiegleichgewicht zwischen einer mechanischen Belastung, die auf den Elektronikmotor 206 hauptsächlich durch den Ventilator 207 ausgeübt wird, und der elektrischen Energie, die dem Motor zugeführt und durch die Bedienungsperson bestimmt wird, eingestellt. Das Blockschaltbild zeigt ein manuell eingestelltes Potentiometer 203, dessen Endklemmen zwischen Vdd und Masse geschaltet sind und dessen Schleifer mit der negativen Eingangsklemme des Komparators 202 verbunden ist. Die positive Eingangsklemme des Komparators 202 ist mit dem Ausgang einer Sägezahnwellenformquelle 201 verbunden. Der Ausgang des Komparators 202 ist mit einer elektronischen Gatterschaltung 205 verbunden. Strom wird der elektronischen Gatterschaltung 205 aus der Gleichstromversorgung 204 zugeführt. Strom wird der elektronischen Gatterschaltung 205 über drei gesonderte Verbindungen A, B, C entnommen, die zu den drei Wicklungsstufen des Elektronikmotors 206 führen. Der Komparator gibt an seinem Ausgang in Abhängigkeit von der Einstellung des Potentiometers 203 eine Ausgangswellenform ab, die eine andauernde logische "Eins", eine gepulste logische "1" mit einer festen Folgefrequenz von 20 kHz, deren Dauer durch die Einstellung des Potentiometers 203 bestimmt wird, oder schließlich eine andauernde logische "Null" ist.
Der dazwischenliegende Fall ist in 4E dargestellt. Die elektronische Gatterschaltung 205 ist hauptsächlich die Steuerlogik 145, deren Funktion es ist, für die Torsteuerung auf die Pulsbreitenmodulation hin zu sorgen, die an U89 erscheint, und auf das Ausgangssignal des Modulo-6-Zählers hin, das die doppelten Kommutierungsperioden zum Erregen der gesonderten Wicklungsstufen festlegt. Die Einstellung des Eingangssignals des Komparators wird durch die Bedienungsperson bestimmt, wenn diese die Spannung an dem Potentiometer 203 einstellt. Diese Anordnung ergibt einen vollen Steuerbereich, und zwar mit der erforderlichen Stabilität sowohl an der oberen als auch an der unteren Grenze. Dem rückführungsfreien System fehlt zwar die Driftstabilität eines Systems mit Rückführung, das in geschlossenem Kreis arbeitet, das rückführungsfreie System hat aber den Vorteil der Einfachheit, und irgendeine geringfügige Drift, die auftreten könnte, ist gewöhnlich nicht besonders nachteilig.
Das Ziel des rückführungsfreien Pulsbreitenmodulationsbetriebes ist es, Anomalien aufgrund der Zeitverzögerung zu vermeiden, die in mit Rückführung arbeitenden Pulsbreitenmodulationssystemen auftreten. In Pulsbreitenmodulationssystemen mit Rückführung wird das System eingeschaltet und dann zu einer späteren Zeit durch irgendeinen motorbezogenen Parameter, wie beispielsweise den Strom oder die Spannung, abgeschaltet. Es gibt eine Mindestimpulsbreite, die so erzeugt werden kann, welche der Gesamtzeitverzögerung des Systems einschließlich der Ausschaltverzögerung der Leistungstransistoren entspricht. Wenn der Versuch gemacht wird, einen pulsbreitenmodulierten Impuls zu erzeugen, der kürzer ist als die Systemzeitverzögerung, wird das System entweder von irgendeinem endlichen Wert auf null springen oder zwischen null und diesem minimalen endlichen Wert ständig hin- und herschalten und versuchen, die "verbotene" Einstellung durch Mittelwertbildung über viele Impulse zu erreichen, von denen einige zu groß und andere null sind.
Das Vermeiden dieser Anomalien stellt Anforderungen an die Art und Weise der Einstellung des variablen Wertes und der Art der Erzeugung der periodischen Wellenform, die beide als Eingangssignale an dem Komparator 202 in 4E dargestellt sind. Die Anforderungen werden auch an die Beziehung des einen zu dem anderen gestellt.
In der hier beschriebenen Ausführungsform kann der Benutzer des Ventilators den Ventilator anschauen, bestimmen, ob er sich mit der gewünschten Drehzahl dreht, und eine Auf- oder Abwärtsverstellung vornehmen. Die Einstellung ist, nachdem sie einmal gemacht worden ist, von dem was am Motor und in der Leistungsschaltung passiert, im wesentlichen unabhängig, und, wenn der Benutzer sich von der Steuervorrichtung wegbewegt hat und nicht mehr mittels Hand und Auge reguliert, ist dieser Betrieb ebenfalls rückführungsfrei.
Die Steuervorrichtung 203 braucht jedoch nicht auf die beschriebene Weise manuell eingestellt zu werden. Der eingestellte Wert kann Teil eines die Leistung, den Strom, die Kühlung usw. abfühlenden Rückführungssystems sein, in welchem Mittelwerte von sich langsam verändernden Parametern, wie beispielsweise mittlere Ströme, mittlere Temperaturen usw., benutzt werden können. Es ist somit möglich, einen rückführungslosen Modulator in einem mit Rückführung arbeitenden Motorsystem zu benutzen.
Der einstellbare Wert in dem Pulsbreitenmodulationseingangssignal muß zwei Kriterien erfüllen. Er sollte weder augenblicklich auf Parameter des Motorstromkreises ansprechen noch irgendwelche Frequenzkomponenten haben, die mit denen der sich wiederholenden Schwingung vergleichbar sind, so dass sie den Abstand zwischen Abschnitten stören würden, die benutzt werden, um den aktiven Zustand des Komparatorausgangssignals und so das Tastverhältnis der pulsbreitenmodulierten Wellenform festzulegen. Die einstellbare Schwingung sollte also nicht irgendwelche Komponenten haben, deren zeitliche Änderung mit der zeitlichen Änderung der sich wiederholenden Wellenform vergleichbar ist.
Eine weitere Forderung ist, dass die sich wiederholende Wellenform strikt von dem Motor unabhängig sein sollte, so dass weder kurzfristig noch langfristig eine Beziehung zwischen ihnen vorhanden ist. In der hier beschriebenen Ausführungsform wird der Oszillator aus derselben Gleichstromversorgung wie der Motor gespeist. Die Versorgung wird aber durch einen Z-Spannungsregler gesteuert und Gleichstromwerte sowie kurzfristige Strominstabilitäten werden daran gehindert, die Oszillatorfrequenz, die Amplitude oder die Wellenform nachteilig zu beeinflussen. Wenn diese Bedingungen eingehalten werden, dann wird die Motordrehzahl praktisch in ihrem gesamten Bereich ohne eine Ungleichmäßigkeit in der Motordrehzahlfunktion eingestellt.
In der hier beschriebenen Anordnung wird ein großer Bereich der Drehzahleinstellung bei ruhigem Betrieb erreicht. Der kontinuierliche Steuerbereich reicht von ungefähr 0% bis 100% Tastverhältnis oder relativer Einschaltdauer der Einstellung, was einer Drehzahl von ungefähr 10 U/min bis ungefähr maximal 200 U/min entspricht. Bei einem Tastverhältnis in der Nähe von null schalten die Leistungsschalter nicht voll ein und arbeiten auf analoge Weise bis herunter auf 0% Tastverhältnis. Die mit impulsweiser Rückführung arbeitenden Systeme sind dagegen gewöhnlich auf eine Einstellung mit 5% bis 95% Tastverhältnis beschränkt, und zwar wegen der Beschränkungen in den Verzögerungszeiten von verfügbaren billigen Halbleiterschaltern und den Verzögerungszeiten in der Signallogik selbst.
Wirtschaftliche Überlegungen verlangen normalerweise, dass die Folgefrequenz der Impulse über den Hörgrenzen (20 kHz) liegt, aber nicht nennenswert oberhalb der Hörgrenzen, was teuere Hochfrequenztransistorschalter erfordern würde. Eine wirtschaftlich praktische Grenze liegt bei ungefähr 30 kHz.
In praktischen Schaltungen, in denen NPN-Vorrichtungen benutzt werden, hat die Sägezahnwellenform eine sehr genaue positive Spitze und keine zu genaue Untere Spitze. Der Grund dafür ist, dass die positive Spitze dem Einschalten einer Vorrichtung zugeordnet ist, während die negative Spitze dem Abschalten der Vorrichtung zugeordnet ist. Aus diesem Grund ist die 0%-Modulation der positiven Spitze zugeordnet, die bei ungefähr 2 V auftritt, und die 100%-Modulation ist der negativen Spitze zugeordnet, die bei Massepotential auftritt, da eine gleichmäßige Modulation bis 0% kritischer ist. Die Einschaltzeit umfasst immer die positive Spitze, die Abschaltzeit die negative.

Claims

Motorsteuerschaltung zum Steuern der Drehzahl und der Drehrichtung eines aus einem Wechselstromnetz (115V ≈) gespeisten elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (120; 206), der einen Dauermagnetläufer und einen Ständer mit mindestens drei im Stern geschalteten Phasenwicklungen (A, B, C) aufweist, mit einer ersten einstellbaren Spannungsverringerungseinrichtung (105), die in Reihe zwischen dem Wechselstromnetz (115V ≈) und einer Gleichrichteranordnung (R22, CR5, C1) liegt zur Erzeugung einer variablen Ausgangsgleichspannung (B+), mit der die Phasenwicklungen (A, B, C) abhängig von einer die Kommutierung bewirkenden Steuerlogik (145) erregt werden, die mit einer konstanten Versorgungsgleichspannung (V_DD) aus einer zweiten Spannungsverringerungseinrichtung (R23, CR1, C2) von der variablen Ausgangsgleichspannung (B+) gespeist wird, einem Sägezahngenerator (R24, C6, Q42) zur Bildung einer Sägezahnspannung mit im Verhältnis zur Kommutierungsfrequenz hoher Folgefrequenz, einer Schaltung (R25, R26, R27, R29, R30, R40, C4, Q81), der die variable Ausgangsgleichspannung (B+) über einen Eingang (R25) zugeführt wird und die aus der Versorgungsgleichspannung (V_DD) eine Steuergleichspannung (REG) erzeugt, welche von Null aus ansteigt, wenn die variable Ausgangsgleichspannung (B+) auf Werte unterhalb einer be stimmten Höhe abgesenkt wird, die niedriger als ihre maximale Höhe ist, einem Pulsbreitenmodulator (148), der einen Komparator (COM 6) mit einem ersten Eingang (+), an dem die Sägezahnspannung liegt, und mit einem zweiten Eingang (–), an dem die Steuergleichspannung (REG) liegt, aufweist, um der Steuerlogik (145) zuzuführende Modulatorimpulse mit einem bei ansteigender Steuergleichspannung (REG) von "Eins" abnehmenden Tastverhältnis zu erzeugen, das "Null" erreicht, wenn durch die erste Spannungsverringerungseinrichtung (105) die Ausgangsgleichspannung (B+) auf 1/2 bis 1/3 ihrer maximalen Höhe verringert ist, einer Vorwärts/Rückwärts-Logik (149), die einen weiteren Komparator (COM 7) mit einem ersten Eingang (+), an dem die Steuergleichspannung (REG) liegt, und einem zweiten Eingang (–), an dem eine interne Referenzgleichspannung (V REF 9) liegt, aufweist, wobei deren Größe so gewählt ist, dass ein Signal (VORWÄRTS/RÜCKWÄRTS) zum Umsteuern der Drehrichtung erzeugt wird, wenn durch weiteres Absenken der Ausgangsgleichspannung (B+) auf eine Höhe, die unterhalb der dem Tastverhältnis "Null" entsprechenden Höhe liegt, die ansteigende Steuergleichspannung (REG) die Größe der Referenzgleichspannung (V REF 9) übersteigt.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Pulsbreitenmodulator (148) umfasst: einen Wellenformgenerator (201, R24, C6, Q42) zum Erzeugen einer sich wiederholenden Wellenform niedriger Spannung mit im wesentlichen konstanter Folgefrequenz, Amplitude und Signalverlauf, wobei diese Eigenschaften von dem Motor im wesentlichen unabhängig sind, wobei die Wellenform eine erste Steigung mit einer ersten Dauer und eine zweite Steigung mit einer zweiten Dauer und zu der ersten Steigung entgegengesetztem Sinn aufweist; und einen modulierenden Komparator (202), der einen ersten Eingang, an dem die sich wiederholende Wellenform angelegt wird, und einen zweiten Eingang aufweist, an den die einstellbare Steuergleichspannung (REG) angelegt wird, um Ausgangsimpulse zu erzeugen, wenn Schnittpunkte zwischen den beiden Eingangssignalen auftreten, wobei die Ausgangsimpulse mit der konstanten Folgefrequenz auftreten und eine Ein-Zeit haben, die gleich dem Intervall zwischen abwechselnden Paaren von Schnittpunkten ist.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei ein Zwischenwert der Steuergleichspannung (REG) der gewünschten Mindestmotordrehzahl oder dem gewünschten Mindestmotordrehmoment entspricht und die Richtungsänderung zu der Mindestausgangsspannung hin erfolgt.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei ein Zwischenwert der Steuergleichspannung (REG) ungefähr dem Motorstillstand entspricht und die Richtungsänderung zu der Mindestausgangsspannung hin erfolgt.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 4, wobei der Komparator (COM 7) und die erste einstellbare Spannungsverringerungseinrichtung (105) vorgesehen sind zum Unterbrechen der Erregung des Motors (120; 206) für eine kurze Zeitdauer, wenn die Drehrichtung geändert wird.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Steuerlogik (145; 205) eine Energiesteuereinrichtung (146) aufweist, die auf die Steuergleichspannung hin die Geschwindigkeit einstellt, mit der elektrische Energie aus der Leistungsversorgung dem Motor zugeführt wird, um die Motordrehzahl oder das Motordrehmoment zu bestimmen.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Pulsbreitenmodulator (148) Ausgangsimpulse mit konstanter Folgefrequenz erzeugt und die elektrische Energie dem Motor (120; 206) während der aktiven Ein-Zeit der Impulse zugeführt wird.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 7, wobei der Pulsbreitenmodulator (148) eine Verringerung der aktiven Ein-Zeit der Impulse erzeugt, die ausreicht, um eine gewünschte Mindestmotordrehzahl oder ein gewünschtes Mindestmotordrehmoment zu erzeugen, bevor die Ausgangsgleichspannung unter den vorbestimmten Wert abfällt.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 7, wobei der Pulsbreitenmodulator (148) eine Verringerung der aktiven Ein-Zeit der Impulse erzeugt, die im wesentlichen ausreicht, um einen Motorstillstand zu erzeugen, bevor die Ausgangsgleichspannung unter den vorbestimmten Wert abfällt.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Vorwärts/Rückwärts-Logik (149) einen ersten Eingang aufweist, der mit dem Komparator (COM 7) verbunden ist, um entsprechend der Steuergleichspannung ein Signal zum Ändern der Drehrichtung des Motors zu erzeugen, und einen zweiten Eingang aufweist, der mit einem Schalter (S1) verbunden ist, zum Erzeugen eines Signals zum Steuern der Drehrichtung des Motors (120; 206).
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 6 oder 10, wobei ferner Einrichtungen (U111, U112) vorgesehen sind zum Unterbrechen der Erregung des Motors (120; 206) für eine kurze Zeitdauer, wenn die Drehrichtung geändert wird.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 10, wobei ferner Schalteinrichtungen (122, 123, 124) vorgesehen sind zum Reihenschalten der Wicklungsstufen (A, B, C) des Motors (120; 206) über die Eingangsklemmen mit der Leistungsversorgung, wobei die Schalteinrichtungen leitend sind, um die Wicklungsstufen in einer Erregungssequenz zu erregen, und Einrichtungen (U111, U112) vorgesehen sind zum Unterbrechen des Leitens der Schalteinrichtungen für eine kurze Zeitdauer, die ausreicht, um den oder die Schalteinrichtungen abzuschalten, wenn die Motordrehrichtung geändert wird, und zwar vor der Erregung der Wicklungsstufen in einer weiteren Erregungssequenz.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 12, wobei die Zeitspanne des Unterbrechens des Leitens aus dem Wellenformgenerator (201) gewonnen wird und eine Periode der sich wiederholenden Wellenform niedriger Spannung übersteigt.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 12, wobei die Vorwärts/Rückwärts-Logik (149) einen ersten Ausgang, der einen aktiven Zustand umfasst, um eine Drehung des Motors im Uhrzeigersinn zu erleichtern, und einen zweiten Ausgang aufweist, der einen aktiven Zustand umfasst, um eine Drehung des Motors im Gegenuhrzeigersinn zu erleichtern, wobei die beiden aktiven Ausgangszustände nicht gleichzeitig auftreten und wobei die Einrichtung zum Unterbrechen des Leitens des Schalters eine Unterbrechung erzeugt, indem beide Ausgangszustände für die Unterbrechungsperiode inaktiviert werden.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 14, wobei die zweite Spannungsverringerungseinrichtung (R23, CR1, C2) den Teil einer Steuerschaltung (121), welcher zu dem Motor (120; 206) parallel geschaltet ist, über die Eingangsklemmen mit der Leistungsversorgung verbindet und die Gleichspannungsversorgung niedriger Spannung für diesen Steuerschaltungsteil festlegt, und eine Schutzschaltung (150) vorgesehen ist, die ein Ausgangssignal entsprechend der Gleichspannung niedriger Spannung erzeugt und, wenn die Spannung nach dem Einschalten der Leistungszufuhr einen ersten Wert überschreitet die Vorwärts/Rückwärts-Logik (149) in einem Ausgangszustand auslöst, der durch die Einstellung des Schalters bestimmt ist, wobei der erste Wert derart eingestellt ist, dass der normale Schaltungsbetrieb bei niedrigen Versorgungsspannungen, die diesen Wert übersteigen, gewährleistet ist.
Verfahren zum Steuern der Drehzahl und der Drehrichtung eines aus einem Wechselstromnetz (115V ≈) gespeisten elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (120; 206), der einen Dauermagnetläufer und einen Ständer mit mindestens drei im Stern geschalteten Phasenwicklungen (A, B, C) aufweist, mit den Schritten: Erzeugen einer variablen Ausgangsgleichspannung (B+) durch eine in Reihe zwischen dem Wechselstromnetz (115V ≈) und einer Gleichrichteranordnung (R22, CR5, C1) liegenden ersten einstellbaren Spannungsverringerungseinrichtung, mit der die Phasenwicklungen (A, B, C) abhängig von einer die Kommutierung bewirkenden Steuerlogik (145) erregt werden, die mit einer konstanten Versorgungsgleichspannung (V_DD) aus einer zweiten Spannungsverringerungseinrichtung (R23, CR1, C2) von der variablen Ausgangsgleichspannung (B+) gespeist wird, Bilden einer Sägezahnspannung mittels eines Sägezahngenerators (R24, C6, Q42) mit im Verhältnis zur Kommutierungsfrequenz hoher Folgefrequenz, Erzeugen einer Steuergleichspannung (REG) mittels einer Schaltung (R25, R26, R27, R29, R30, R40, C4, Q81), der die variable Ausgangsgleichspannung (B+) über einen Eingang (R25) zugeführt wird, aus der Versorgungsgleichspannung (V_DD), wobei die Steuergleichspannung von Null aus ansteigt, wenn die variable Ausgangsgleichspannung (B+) auf Werte unterhalb einer bestimmten Höhe abgesenkt wird, die niedriger als ihre maximale Höhe ist, Erzeugen von der Steuerlogik (145) zuzuführende Modulatorimpulse mittels eines Pulsbreitenmodulators (148) mit einem bei ansteigender Steuergleichspannung (REG) von "Eins" abnehmenden Tastverhältnis, das "Null" erreicht, wenn durch die erste Spannungsverringerungseinrichtung (105) die Ausgangsgleichspannung (B+) auf 1/2 bis 1/3 ihrer maximalen Höhe verringert ist, und Bestimmen der Größe einer internen Referenzgleichspannung (V REF 9), die an einem Eingang eines Komparators (COM 7) einer Vorwärts/Rückwärts-Logik (149) anliegt, derart, dass ein Signal (VORWÄRTS/RÜCKWÄRTS) zum Umsteuern der Drehrichtung erzeugt wird, wenn durch weiteres Absenken der Ausgangsgleichspannung (B+) auf eine Höhe, die unterhalb der dem Tastverhältnis "Null" entsprechenden Höhe liegt, die ansteigende Steuergleichspannung (REG) die Größe der Referenzgleichspannung (V REF 9) übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 16, umfassend den Schritt: Erzeugen eines Signals zum Unterbrechen der Erregung zur Motordrehung in einer Richtung bei einem vorbestimmten Wert der Steuergleichspannung (REG), und Erzeugen eines Signals zur Motordrehung in entgegengesetzter Richtung nach einer kurzen Unterbrechung zum Schutz von Motorschalteinrichtungen.