DE3513179A1

DE3513179A1 - Schutzschaltung fuer kollektorlose gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE3513179A1
Application number: DE19853513179
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr.-Ing. 7742 St Georgen Müller
Original assignee: Papst Motoren & Co Kg 7742 St Georgen GmbH; Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1985-04-12
Filing date: 1985-04-12
Publication date: 1986-10-16
Anticipated expiration: 2005-04-13
Also published as: DE3513179C2

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für kollektorlose Gleichstrommotoren, die über Leistungstransistoren erregt werden, deren Kollektorströme die Statorwicklungen des Gleichstrommotors speisen. Für die Steuerung der beiden Leistungstransistoren abhängig von der Rotorstellung kann zumindest eine Rotorpositionsfeststellvorrichtung, bevorzugt in Form eines galvanomagnetischen Sensors, verwendet werden. Die Schutzschaltung dient dazu, den Motor vor Überlastung, insbesondere in blockiertem Zustand oder ähnlichen Fehlbedingungen, zu schützen.
Zu diesem Zweck sind bisher drei prinzipiell verschiedene Schutzvorrichtungen verwendet worden: 1. Kopplung der Steuersignale auf die Leistungsstufen durch kapazitive Koppelglieder derart, daß nur Wechselsignale auf die Leistungsstufen übertragen werden, so daß im Stillstand, wenn die Steuersignale zu Gleichspannungssignalen entarten, die Kopplung unterbrochen wird und die Leistungsstufen stromlos werden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es praktisch unabhängig von der Umgebungstemperatur arbeitet, jedoch den Nachteil, daß zum Anlauf des Motors beim Einschalten ein gewisser Spannungssprung erforderlich ist.
2. Begrenzung des Anlaufstromes durch rasches Ein- und Ausschalten der Leistungsstufen (Pulsbreiten-Modulation). Dieses Verfahren vermeidet den Nachteil der unter 1. genannten Methode, es hat jedoch den anderen Nachteil, daß im blockierten Zustand des Motors ständig ein Strom fließt, der den Motor unnötig aufheizt. Außerdem ist die Durchführung dieses Verfahrens mit relativ großem elektronischem Aufwand verbunden, 3. Einsatz eines sog. PTC-Widerstandes, der in Reihe mit dem zu schützenden Motor geschaltet ist und der sich im Falle eines anormal hohen Stromes aufheizt, dadurch hochohmig wird und so den Strom auf ein unschädliches Maß reduziert. Dieses Verfahren ist einfach in der Anwendung, in seiner Schutzwirkung sicher, hat jedoch den Nachteil, daß die Belastbarkeit des PTC-Widerstands stark von der Umgebungstemperatur abhängt, so daß bei normalem Betriebsstrom, aber hoher Umgebungstemperatur ein ungewolltes Ansprechen der Schutzfunktion auftreten kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorteile der bekannten Schutzverfahren zu kombinieren ohne deren Nachteile zu übernehmen. Dies ist durch eine nach Anspruch 1 ausgebildete Schutzschaltung möglich.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, die Funktion eines PTC-Widerstandes auf elektronischem Wege nachzuahmen, ohne dabei thermische Effekte zu benutzen. Dazu wird entsprechend dem Erfindungsgedanken so vorgegangen, daß der Motorstrom in einem Meßwiderstand als Spannungsabfall gemessen wird. Dieser Meßwert wird einer relativ trägen Verzögerungsstufe.
z. B. einem RC-Glied mit einer Zeitkonstanten im Sekundenbereich, zugeführt und erst dann. wenn das Ausgangssignal dieser Verzögerungsstufe einen bestimmten vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird ein Abschaltsignal für die Leistungsstufen ausgelöst. Damit ist gewährleistet, daß bei einer kurzzeitigen Überschreitung des für den normalen Betriebszustand typischen Stromes kein Abschalten erfolgt. Dieses Verhalten ist für einen sicheren Anlauf des Motors notwendig. Wenn andererseits die Überschreitung des normalen Stromwertes für längere Zeit andauert, was auf eine Betriebsstörung schließen läßt, so steigt das Ausgangssignal der Verzögerungsstufe allmählich so weit an, bis der für den Störungszustand charakteristische Grenzwert erreicht ist, woraufhin sämtliche Leistungsstufen abgeschaltet werden und damit eine Überlastung des Motors bzw.
der Leistungsstufen selbst sicher vermieden wird.
In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann dieser Abschaltzustand zeitlich begrenzt werden, so daß nach dieser Zeit ein erneuter Einschaltbefehl an die Leistungsstufen geht. Vorteilhafterweise kann die Vorgabe dieser Abschaltzeit durch die gleiche Verzögerungsstufe erfolgen, mit der die maximale Zeitdauer der Überschreitung des Stromgrenzwertes bestimmt wird.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß in einem Störungsfall der Motor selbsttätig den Startvorgang wiederholt und daher nach Beseitigung der Störung selbsttätig wieder anläuft. Ein grundsätzlicher Nachteil aller elektronischer Schutzschaltungen ist, daß im Falle einer Störung die Funktion der Schaltung selbst nicht beeinträchtigt sein darf. Diese Voraussetzung ist jedoch nicht gegeben, wenn z. B. eine Leistungsstufe defekt ist und nicht mehr abschalten kann. Um in einem solchen Fall weitere Folgeschäden (Brände) zu vermeiden, wird in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens als Meßwiderstand ein Sicherungswiderstand mit definiertem Durchbrennverhalten vorgesehen. Dieser brennt bei Überschreibung eines festlegbaren Maximalstromes wie eine Schmelzsicherung durch und vermeidet damit weitere Schäden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung, die eine Ansteuerungsschaltung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor zeigt, bei der die erfindungsgemäße Schutzschaltung Verwendung findet.
Zwischen den Leitern 1 und 2 liegt eine Betriebsgleichspannung (z. B. 48 V) an. Es fließt Strom durch Statorwicklungen 31 und 32, wenn in Reihe dazu geschaltete Leistungstransistoren 33 bzw. 34 leiten. Mittels Zenerdioden 35 bzw. 36 werden die Leistungstransistoren 33 und 34 vor Überspannungen geschützt. Die Ansteuerung der Leistungstransistoren 33 und 34 erfolgt über ihre Basen und Widerstände 37 bzw. 38 (z.B.
5,6 K n ), die mit einer Ansteuerungsschaltung verbunden sind.
Diese besteht aus einer Rotorpositions-Feststellvorrichtung, insbesondere einem galvanomagnetischen Sensor 9, der beispielsweise ein IC-Hallgenerator sein kann. Ein Steuereingang 3 des Sensors 9 steht über einem Widerstand 8 mit einem Abgriff eines Spannungsteilers aus drei in Reihe geschalteten Widerständen 6,20 und 21 in Verbindung. Der Spannungsteiler 6, 20, 21 ist über eine Leitung 7 und eine Zenerdiode 5 spannungsstabilisiert. Die Ausgänge 41 und 42 des Sensors 9 sind einerseits mit je einem Eingang 11 bzw. 14 zweier Differenzverstärkerstufen 10 bzw. 13 verbunden, während andererseits ein Spannungsteiler 18/19 bzw. 16/17 von den Ausgängen 41, 42 des Sensors 9 zur Betriebsspannungsleitung 1 führt. Der Mittelabgriff der Spannungsteiler aus den Widerständen 16/17 bzw. 18/19 ist mit dem jeweils anderen Eingang 12 bzw, 15 der Differenzverstärkerstufen 10 bzw. 13 verbunden.
Vom Sensor 9 aus werden die Differenzverstärkerstufen 10, 13 so gesteuert, daß sie die Leistungstransistoren 33 und 34 zu gewünschten Zeiten öffnen bzw. schließen, wobei mittels der beiden Differenzverstärkerstufen eine Schwellenspannung bei Vollast erkannt werden kann, die beide Leistungstransistoren 33, 34 für kurze Zeit gleichzeitig sperrt.
Nachstehend soll nun eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung beschrieben werden.
Diese enthält insbesondere einen Meßwiderstand 30, der zwischen die Betriebsspannungsleitung 1 und die Emitter der beiden Leistungstransistoren 33,34 geschaltet ist, so daß durch ihn die Summe der Statorströme fließt. Die eine Seite des Meßwiderstandes 30 ist mit einem RC-Glied verbunden, das im Ausführungsbeispiel aus der Reihenschaltung eines Widerstandes 27 (z. B. 33 K Q) und eines Kondensators 28 (z. B. 10 ,hF) besteht.
Die andere Seite des Meßwiderstandes 30 ist an einen Widerstand 29 (z. B. 560 KQ) angeschlossen, dessen andere Klemme mit der anderen Seite des RC-Gliedes 27/28 verbunden ist. Dieser Verbindungspunkt ist auch an einen Eingang 24 eines Komparators 22 angeschlossen, dessen anderer Eingang 23 am Abgriff zwischen den Widerständen 20 und 21 des Spannungsteilers 6,20, 21 liegt. Der Ausgang 25 des Komparators 22 ist an den anderen Steuereingang 4 des Sensors 9 gelegt und der Komparator 22 wird durch einen Mitkopplungswiderstand 26 (z. B. 560 KQ) überbrückt.
Der Komparator 22 vergleicht den durch den Spannungsteiler 20, 21 festgelegten Grenzwert mit einem Spannungswert, der der Summe der durch den Meßwiderstand 30 fließenden Statorströme entspricht und über die Verzögerungsstufe 27,28,29 an den Eingang 24 angelegt wird. Bei Überschreiten des Grenzwerts gibt der Komparator 22 am Ausgang 25 ein Signal ab, das dem Sensor 9 am Steuereingang 4 zugeführt wird. Der Sensor 9 reagiert damit, daß er die Differenzverstärkerstufen 10 und 13 derart steuert, daß beide Leistungstransistoren 33 und 34 gesperrt werden. Die Verzögerungsstufe 27, 28, 29 verzögert den am Meßwiderstand 30 abgegriffenen Spannungswert, so daß kurzzeitige Spannungsspitzen nicht dem Komparator 22 zugeführt werden.
Der Widerstand 26 bewirkt eine Mitkopplung zwischen dem Ausgang 25 und dem Eingang 24, so daß der an die Leistungstransistoren 33, 34 gegebene Abschaltbefehl sich selbst unterstützt und aufrecht erhält, auch wenn der im Meßwiderstand 30 fließende Strom auf Null abgesunken ist.
Wird der Widerstand 26 durch ein Zeitglied ersetzt oder mit einem derartigen Zeitglied verbunden, dann kann die Aufrechterhaltung des Abschaltbefehls auch zeitlich begrenzt werden, so daß der Motor selbsttätig wieder anläuft.
Der Meßwiderstand 30 wird bevorzugt als Sicherungswiderstand mit definiertem Durchbrennverhalten ausgebildet und brennt wie eine Schmelzsicherung beim Überschreiten eines festlegbaren Maximalstromes durch.

Claims

Patentansprüche 1. Schutzschaltung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor, der über mindestens zwei Leistungstransistoren erregt wird, deren Kollektorströme die Statorwicklung speisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Statorströme einen Meßwiderstand (30) zugeführt wird, daß der Spannungsabfall über diesen Meßwiderstand (30) über eine Verzögerungsstufe (27, 28, 29) dem einen Eingang (24) einer Komparatorstufe (22) zugeführt wird, deren anderen Eingang (23) ein Grenzwertsignal in Form eines vorgegebenen Spannungswertes zugeführt wird, und daß bei überschreitung dieses Grenzwertsignals durch das Ausgangssignal der Verzögerungsstufe ein Abschaltbefehl für die mindestens zwei Leistungstransistoren gebildet wird.
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsstufe wenigstens ein RC-Glied (27, 28) enthält, dessen Zeitkonstante in der Größenordnung einer bis mehrerer Sekunden liegt.
3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Grenzwertsignal durch einen Spannungsteiler (20/21) erzeugt wird, der einen Teil der Betriebsspannung als Grenzwert bildet.
4. Schutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Teil der Betriebsspannung gegenüber deren Schwankungen stabilisiert ist.
5. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Komparatorstufe (22) derart auf deren Eingänge (23,24) mitgekoppelt wird, daß der an die Leistungstransistoren (33, 34) gegebene Abschaltbefehl sich selbst unterstützt und aufrecht erhält, wenn der im Meßwiderstand (30) fließende Strom auf Null abgesunken ist.
6. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrechterhaltung des Abschaltbefehls zeitlich begrenzt ist.
7. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (30) als Sicherungswiderstand mit definiertem Durchbrennverhalten ausgebildet ist.
8. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschaltbefehl an einen galvanomagnetischen Sensor (9) angelegt wird, der vorzugsweise über Differenzverstärkerstufen (10, 13) die Leistungstransistoren (33,34) steuert.
9. Schutzschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der galvanomagnetische Sensor ein IC-Hallgenerator (9) ist und durch den vom Komparator (22) abgegebenen Abschaltbefehl der Hall-Steuerstrom abgeschaltet wird.