DE3614093A1 - Vorrichtung zum bremsen eines kommutatorlosen elektromotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bremsen eines kommutator­ losen Elektromotors, insbesondere eines bürstenlosen Gleichstrommo­ tors, der über einen mit steuerbaren Schaltelementen versehenen Puls­ wechselrichter gespeist ist.

Zur Speisung von Asynchronmotoren, Synchronmotoren und bürstenlosen Gleichstrommotoren werden seit einigen Jahren in verstärktem Maße Pulswechselrichter eingesetzt, deren steuerbare Schaltelemente als Halbleiterelemente, vorzugsweise Transistoren, ausgelegt sind. Bei der im folgenden vorrangig betrachteten Speisung eines bürstenlosen Gleichstrommotors erfüllt der Pulswechselrichter in bekannter Weise die Funktion der Weiterschaltung des Strombelages im Motor ("Kommu­ tierung") und vorzugsweise auch der Einstellung der Höhe des Maschi­ nenstromes durch rasches Ein- und Ausschalten der Schaltelemente (Transistoren). Dieses rasche Ein- und Ausschalten (Takten) kann bei­ spielsweise impulsbreitenmoduliert erfolgen und vorgesehen werden, um den Motorstrom oder die Motordrehzahl zu steuern oder zu regeln.

In der überwiegenden Zahl der Anwendungsfälle, beispielsweise beim Antrieb von Arbeitsmaschinen, wie Industrienähmaschinen, ist der Puls­ wechselrichter dreiphasig in Vollbrückenschaltung aufgebaut und dem­ entsprechend mit sechs Brückenzweigen versehen, in denen jeweils ein steuerbares Schaltelement liegt. Es können alle sechs Brückenzweige gleichartig getaktet werden. Dies ergibt ausgezeichnete Betriebsei­ genschaften, erfordert jedoch sechs aufwendige, für die hohe Frequenz des Taktens (z.B. 10 kHz) geeignete Transistor-Ansteuerschaltungen und gegebenenfalls sechs Zusatzschaltungen für die Entlastung der Transistoren von Schaltverlusten.

Der Aufwand läßt sich vermindern, wenn in der aus der DE-OS 31 45 232 bekannten Weise nur drei der sechs Brückenzweige getaktet werden oder wenn die Taktfunktion einem der Vollbrückenschaltung zugeordneten Längstransistor übertragen wird. Dann ist jedoch eine quasi-stetige Umkehrung der Stromrichtung im bürstenlosen Gleichstrommotor und da­ mit seines Drehmoments nicht mehr möglich. Stattdessen können beim Übergang in den Bremsbetrieb das Drehmoment und die Ströme drehzahl­ abhängig auf Werte ansteigen, die, abhängig von den Daten des Puls­ wechselrichters und des betreffenden Motors, so hoch liegen können, daß der Pulswechselrichter und/oder der Motor weit überdimensioniert werden müßten. Darüber hinaus kann, abhängig vom Anwendungsfall, das Regelverhalten des Antriebs unzureichend werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art anzugeben, die ein wirkungsvolles Abbremsen des Antriebes ohne Überdimensionierung des Pulswechselrichters und/oder des Motors auch dann erlaubt, wenn die in den Brückenzweigen des Puls­ wechselrichters liegenden steuerbaren Schaltelemente nur zum Teil oder überhaupt nicht getaktet werden. Die Bremsvorrichtung soll sich mit besonders geringem Aufwand aufbauen lassen. Es sollen verbesserte re­ gelungstechnische Eigenschaften erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Vor­ richtung der eingangs genannten Art eine Steuerstufe, die zum Bremsen mindestens einen Teil der Schaltelemente des Pulswechselrichters zwecks Herstellung eines Klemmenkurzschlusses des Motors aufsteuert, eine Strommeßeinrichtung zum Gewinnen eines Strommeßwertes, der ein Maß für den jeweiligen dem Betrage nach größten Motorstrom darstellt, und eine Komparatorschaltung vorgesehen sind, die den Strommeßwert mit einem einem vorgegebenen oberen Grenzwert des dem Betrage nach größten Motorstroms entsprechenden (ersten) Sollwert vergleicht und die, wenn der Strommeßwert diesen Sollwert erreicht, die Steuerstufe veranlaßt, den Klemmenkurzschluß vorübergehend aufzuheben. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird also nach Einleiten des Bremsvor­ ganges durch einen Klemmenkurzschluß ein bremsend wirkendes Strom­ system aufgebaut. Sobald der Betrag des dem Betrage nach größten Mo­ torstroms einen vorgegebenen Wert überschritten hat, werden die zu­ vor für den Klemmenkurzschluß leitend gemachten Schaltelemente ge­ sperrt, so daß das Stromsystem in dem Motor wieder abgebaut wird. Die­ se beiden Vorgänge werden wechselweise wiederholt. Unerwünscht hohe Stromwerte im Motor lassen sich so einfach vermeiden. Es kann eine quasi-stetige Verstellung der Bremswirkung erreicht werden, die zu verbessertem regelungstechnischem Verhalten führt.

Ist der Pulswechselrichter in der aus der DE-OS 31 45 232 bekannten Weise so aufgebaut, daß nur ein Teil der in einer Vollbrückenschal­ tung liegenden Schaltelemente zwecks Steuerung oder Regelung des Mo­ tors während der Antriebsphase mit einem Taktungssignal beaufschlagt ist, wirkt vorzugsweise die dem Bremsen dienende Steuerstufe nur auf die getakteten Schaltelemente ein. Die Anzahl der eine Taktung zulas­ senden Schaltelemente bzw. entsprechender Ansteuerschaltungen läßt sich dadurch minimieren.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Steuerstufe den Klem­ menkurzschluß periodisch mit einer vorgegebenen Bremstaktfrequenz einleiten, die gleich der Frequenz des Taktungssignals in der An­ triebsphase sein kann. Entsprechend einer abgewandelten Ausführungs­ form kann die Komparatorschaltung aber auch den Strommeßwert zusätz­ lich mit einem einem vorgegebenen unteren Grenzwert des dem Betrage nach größten Motorstroms entsprechenden zweiten Sollwert vergleichen und die Steuerstufe veranlassen, den vorübergehend aufgehobenen Klem­ menkurzschluß wieder herzustellen, sobald der Strommeßwert diesen zweiten Sollwert erreicht. Eine ähnliche Funktionsweise läßt sich er­ reichen, wenn die mit nur einem Sollwert beaufschlagte Komparator­ schaltung einen Komparator mit Hysterese aufweist.

Die Strommeßeinrichtung kann einen in einer der gemeinsamen Zuleitun­ gen der Schaltelemente des Pulswechselrichters liegenden Meßwider­ stand aufweisen, wie er beispielsweise ohnehin vorgesehen sein kann, wenn für eine Stromregelung des Motors in der Antriebsphase gesorgt wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines pulswechselrichtergespeis­ ten bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer erfindungs­ gemäßen Bremsvorrichtung,

Fig. 2 schematisch eine abgewandelte Ausführungsform der Brems­ vorrichtung, und

Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines anderen pulswechselrichter­ gespeisten bürstenlosen Gleichstrommotors, für den sich die Bremsvorrichtung nach der Erfindung eignet.

Der in Fig. 1 bei 10 angedeutete bürstenlose Gleichstrommotor ist dreiphasig ausgelegt und weist in Sternschaltung liegende Motorwick­ lungsstränge 11, 12 und 13 auf. Der Motor 10 wird aus einem Pulswech­ selrichter 14 gespeist, der an eine Gleichstromquelle 15 angeschlos­ sen ist. Der Pulswechselrichter 14 weist Schaltelemente in Form von sechs Leistungstransistorstufen 16 bis 21 auf, die in einer dreipha­ sigen Vollbrückenschaltung liegen. Eine nicht näher dargestellte Treiberschaltung versorgt die Leistungstransistorstufen 16 bis 21 abwechselnd mit Basisstrom in der Kommutierungsfrequenz. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist davon ausgegangen, daß die Leistungstransistorstufen 17, 19 und 21 in der Antriebsphase zusätz­ lich mit einem impulsbreitenmodulierten Taktungssignal beaufschlagt werden, um für eine Strom- oder Drehzahlregelung des Motors 10 zu sorgen. Den Leistungstransistorstufen 16 bis 21 ist jeweils eine Rückstromdiode 22 zugeordnet.

Eine Anordnung der insoweit beschriebenen Art ist aus der DE-OS 31 45 232 bekannt und bedarf infolgedessen vorliegend keiner näheren Erläuterung.

Eine Strommeßeinrichtung 25, bei der es sich einfach um einen in ei­ ner der gemeinsamen Zuleitungen der Leistungstransistorstufen 16 bis 21 des Pulswechselrichters 14 liegenden Meßwiderstand handeln kann, ist an den einen Eingang einer Komparatorschaltung 26 angeschlossen und gibt an diesen einen Strommeßwert i _M , der dem jeweiligen dem Be­ trage nach größten Motorstrom entspricht. An einen zweiten Eingang der Komparatorschaltung 26 ist ein Sollwert i _S angelegt, der einem vorgegebenen oberen Grenzwert des dem Betrage nach größten Motorstroms entspricht. Das Ausgangssignal der Komparatorschaltung geht an eine Schaltungsstufe 27, die außerdem über einen Eingang 29 mit einem Takt­ signal beaufschlagt ist und die aus dem Vergleichsergebnis der Kom­ paratorschaltung 26 ein Transistor-Schaltsignal in Abhängigkeit von dem Taktsignal erzeugt. An den Ausgang der Schaltungsstufe 27 ist ei­ ne Logikschaltung 30 angeschlossen. Bei Vorliegen des Schaltsignals der Schaltungsstufe 27 gibt im Falle der veranschaulichten Ausfüh­ rungsform die Logikschaltung 30 Signale auf die Steuereingänge 32, 33, 34 der Leistungstransistorstufen 17, 19 und 21. Dadurch wird ein Kurzschluß an den Motorklemmen R, S, T hergestellt.

Die Anordnung arbeitet wie folgt: Zum Bremsen des Motors 10 wird die Bremsvorrichtung 26, 27, 30 akti­ viert, beispielsweise indem auf den Eingang 29 der Schaltungsstufe 27 das Taktsignal aufgeschaltet wird. Sofern der von der Strommeßeinrich­ tung erfaßte Motorstrom kleiner als ein vorgegebener oberer Grenzwert ist, werden bei Wirksamwerden des Taktsignals über die Logikschaltung 30 die Leistungstransistorstufen 17, 19 und 21 unter Herstellung ei­ nes Klemmenkurzschlusses des Motors 10 aufgesteuert. Es fließt ein den Motor abbremsendes Stromsystem über die Wicklungsstränge 11, 12, 13. Wenn der dem Betrage nach größte Motorstrom den vorgegebenen obe­ ren Grenzwert entsprechend dem Signal i _S an der Komparatorschaltung 26 erreicht, schaltet die Schaltungsstufe 27 um. Über die Logikschal­ tung 30 wird der Klemmenkurzschluß aufgehoben. Dadurch wird das Strom­ system im Motor wieder abgebaut. Diese Vorgänge werden mit der Fre­ quenz des Taktsignals, die beispielsweise 10 kHz betragen und mit der Frequenz des der Strom- oder Drehzahlregelung des Motors 10 dienenden Taktungssignals übereinstimmen kann, wiederholt.

Bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird der dem Motor­ bremsstrom entsprechende Strommeßwert i _M von einer Komparatorschal­ tung 26′ mit einem dem Sollwert i _S entsprechenden ersten Sollwert i _{S 1} sowie zusätzlich mit einem zweiten, kleineren Sollwert i _{S 2} ver­ glichen. An der Schaltungsstufe 27′ liegt kein Taktsignal an. Die Auslegung ist derart getroffen, daß bei Wirksammachen der Bremsvor­ richtung 26′, 27′, 30 in der zuvor erörterten Weise für einen Klem­ menkurzschluß des Motors 10 gesorgt und dieser Kurzschluß aufrecht­ erhalten wird, solange i _M kleiner als i _{S 1} ist. Ist der dem Betrage nach größte Motorstrom auf den vorgegebenen ersten Sollwert ange­ stiegen, wird der Klemmenkurzschluß aufgehoben, und er bleibt aufge­ hoben, bis der dem Betrage nach größte Motorstrom auf den dem Soll­ wert i _S2 entsprechenden unteren Grenzwert abgesunken ist. Erreicht i _M den Wert von i _{S 2}, wird der Klemmenkurzschluß wieder hergestellt. Das erläuterte Arbeitsspiel wiederholt sich.

Mit den erläuterten Bremsvorrichtungen werden auf vorteilhafte Weise unerwünscht hohe Bremsströme sicher und einfach vermieden. Des wei­ teren wird die Bremswirkung durch Vorgabe des Sollwerts i _S quasi­ stetig verstellt, was zu einer Verbesserung des regelungstechnischen Verhaltens beispielsweise im Falle von Drehzahlregel- und/oder Posi­ tionierantrieben führt.

Während bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen davon ausge­ gangen ist, daß zwecks Drehzahl- oder Stromregelung im Antriebsfall jeweils einer der beiden im Zuge der Kommutierung jeweils durchge­ schalteten Brückenzweige getaktet ist, versteht es sich, daß die be­ schriebene Bremsvorrichtung grundsätzlich auch in Fällen eingesetzt werden kann, wo sämtliche Brückenzweige des Pulswechselrichters 14 getaktet werden, oder wo keine derartige Taktung erfolgt. Des weite­ ren eignet sich die erläuterte Bremsvorrichtung auch für eine Schal­ tungsauslegung des Pulswechselrichters 14′ gemäß Fig. 3, wo zwecks Regelung im Antriebsfall ein zusätzlicher Längstransistor 36 getak­ tet, auf eine Taktung der Leistungstransistorstufen 16 bis 21 aber verzichtet wird.

Statt entsprechend Fig. 2 der Komparatorschaltung 26′ zwei getrennte Sollwerte i _{S 1} und i _{S 2} zuzuführen, kann die mit einem einzigen Soll­ wert i _S beaufschlagte Komparatorschaltung 26 der Fig. 1 auch einen Komparator mit Hysterese aufweisen, um dafür zu sorgen, daß der Mo­ torkurzschluß bei Unterschreiten eines unteren Sollwerts eingeleitet und wieder aufgehoben wird, wenn ein oberer Sollwert überschritten wird.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Bremsen eines kommutatorlosen Elektromotors, ins­ besondere eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der über einen mit steuerbaren Schaltelementen versehenen Pulswechselrichter gespeist ist, gekennzeichnet durch eine Steuerstufe (27, 27′, 30), die zum Bremsen mindestens einen Teil der Schaltelemente (16 bis 21) des Pulswechselrichters (14) zwecks Herstellung eines Klemmenkurzschlusses des Motors (10) aufsteuert, eine Strommeßeinrichtung (25) zum Gewinnen eines Strommeßwertes (i _M ), der ein Maß für den jeweiligen dem Betrage nach größten Motorstrom darstellt, und eine Komparatorschaltung (26, 26′), die den Strommeßwert mit einem einem vorgegebenen obe­ ren Grenzwert des dem Betrage nach größten Motorstroms entspre­ chenden (ersten) Sollwert (i _S , i _{S 1}) vergleicht und die, wenn der Strommeßwert diesen Sollwert erreicht, die Steuerstufe veranlaßt, den Klemmenkurzschluß vorübergehend aufzuheben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 bei Verwendung eines Pulswechselrich­ ters mit in einer Vollbrückenschaltung liegenden Schaltelemen­ ten, von denen zur Steuerung oder Regelung des Motors jeweils nur das in einem der beiden im Zuge der Kommutierung gleichzei­ tig angesteuerten Brückenzweige befindliche Schaltelement mit einem Taktungssignal beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstufe (27, 27′, 30) nur auf die getakteten Schalt­ elemente (17, 19, 21) einwirkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstufe (27, 30) den Klemmenkurzschluß periodisch mit einer vorgegebenen Bremstaktfrequenz einleitet.

4. Vorrichtung nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremstaktfrequenz gleich der Frequenz des der Steuerung oder Regelung des Motors dienenden Taktungssignals ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung (26′) den Strommeßwert (i _M ) zusätzlich mit einem einem vorgegebenen unteren Grenzwert des dem Betrage nach größten Motorstroms entsprechenden zweiten Sollwert (i _{S 2}) vergleicht und die Steuerstufe (27′, 30) veranlaßt, den vorüber­ gehend aufgehobenen Klemmenkurzschluß wieder herzustellen, sobald der Strommeßwert diesen zweiten Sollwert erreicht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung (26) einen Komparator mit Hysterese auf­ weist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strommeßeinrichtung (25) einen in einer der gemeinsamen Zuleitungen der Schaltelemente (16 bis 21) des Pulswechselrichters (14) liegenden Meßwiderstand aufweist.