DE3628306A1 - Schaltungsanordnung zur ansteuerung eines kollektorlosen gleichstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß Oberbe­ griff des Anspruchs 1 zur Ansteuerung der Statorwicklung eines kollektorlosen Gleichstrommotors.

Bei derartigen kollektorlosen Gleichstrommotoren mit permanent­ magnetischem Rotor wird häufig das Magnetfeld der Rotormagneten ausgenutzt, um mit Hilfe eines oder mehrerer im Wirkungsbereich des Magnetfeldes angeordneter galvanomagnetischer Positions- Sensorelemente die Kommutierung zu steuern. Wegen der einfachen Verarbeitbarkeit digitaler Signale werden als Sensorelemente gerne Hall-Elemente mit digitalen Ausgangssignalen einge­ setzt, die aber bei unmittelbarer Verwendung zur Ansteuerung der Transistoren in der Endstufe der Schaltungsanordnung eine nahezu übergangslos kurze Stromänderung in den Wicklungssträngen hervorrufen, damit Hochfrequenz-Störungen erzeugen und starke, hörbare Vibrationsgeräusche verursachen.

Um diese hochfrequenten Schwingungen zu reduzieren, ist bereits vorgeschlagen worden, zwischen Basis und Kollektor der Endstufen- Transistoren einer Motor-Ansteuerschaltung jeweils einen kleinen Kondensator anzuordnen (DE-PS 30 22 836). Die Wirkung dieser Kondensatoren war jedoch im Hinblick auf die Geräuschreduzierung unbefriedigend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit gegenüber dem Stand der Technik einfachen Mitteln bei einer Schaltungsanord­ nung der eingangs genannten Art die Ein- und Ausschaltvorgänge an den Endstufen-Transistoren derart zu beeinflussen, daß die Änderung der Ströme und Spannungen in bzw. an den Wicklungs­ strängen sanft erfolgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß trotz der Verwendung galvanomagnetischer Positions-Sensorelemente mit digitalen Ausgangssignalen während der Ein- und Ausschalt­ vorgänge der Endstufen-Transistoren hochfrequente Störungen weitgehend vermieden werden. Aufgrund der relativ allmählich erfolgenden Änderung der Ströme in den Wicklungssträngen treten auch keine nennenswerten Vibrationen auf, so daß auch die Geräu­ sche stark reduziert werden. Dieses Ergebnis wird mit minimalem Schaltungsaufwand erreicht, wobei die Erkenntnis des Erfindungs­ gedankens insbesondere in der Bemessung der Bauelemente zu sehen ist, die zu Umladeströmen bestimmter Größe in Bezug auf den Basisstrom des jeweiligen Endstufen-Transistors und bestimmter Zeitdauer in bezug auf die Perioden der Dauer eines Schalt­ zyklus führt.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungs­ beispiels,

Fig. 2 eine Variante des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Ansteuerschaltung für einen zweisträngigen kollektorlosen Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor mit den zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauteilen dargestellt. Die beiden Wicklungsstränge 1, 2 des Stators liegen jeweils über Endstufen-Transistoren 3, 4 an einer Betriebs­ spannungsquelle, wobei in bekannter Weise die Stromzufuhr zu den Wicklungssträngen 1, 2 in Abhängigkeit von der Stellung des Ro­ tors durch wechselweises Öffnen bzw. Schließen der Endstufen- Transistoren 3, 4 gesteuert wird. Zu diesem Zweck ist im Wir­ kungsbereich des Magnetfeldes des permanentmagnetischen Rotors ein galvanomagnetisches Positions-Sensorelement 5 angeordnet, das in Abhängigkeit von der Rotorstellung ein digitales Ausgangs­ signal hohen bzw. niedrigen Pegels abgibt.

Die Basen der beiden Endstufen-Transistoren 3, 4 sind jeweils mit zwei Konstantstromelementen 6, 7 bzw. 8, 9 (im folgenden Stromquellen genannt) verbunden, von denen die eine Stromquelle 6, 8 einen Strom zur Basis der Endstufen-Transistoren 3, 4 und die andere Stromquelle 7, 9 einen Strom von der Basis der End­ stufen-Transistoren weg liefern (Die Konstantstromelemente 7 und 9 könnten somit bezüglich der Basen der Endstufen-Transistoren 3, 4 und als "Stromsenken" bezeichnet werden). Die jeweils zwei­ te Stromquelle 7, 9 ("Stromsenke") ist dabei ein- und ausschalt­ bar ausgeführt, wobei die dem einen Wicklungsstrang 1 zugeordne­ te Stromquelle 7 unmittelbar vom Ausgangssignal des Positions- Sensorelementes 5 ein- bzw. ausgeschaltet wird, die dem anderen Wicklungsstrang 2 zugeordnete Stromquelle 9 jedoch von dem mittels eines Inverters 10 invertierten Ausgangssignal des Positions-Sensorelementes 5. Durch diese Maßnahme ist sicherge­ stellt, daß immer nur eine der beiden Stromquellen 7, 9 einge­ schaltet ist. Zwischen Basis und Kollektor der beiden Endstufen- Transistoren 3, 4 ist außerdem noch jeweils ein Kondensator 11, 12 angeordnet.

Bewirkt nun das Ausgangssignal des Positions-Sensorelementes 5, daß die Stromquelle 7 ausgeschaltet ist, so fließt der Strom der Stromquelle 6 voll zu dem Kondensator 11 und zur Basis des End­ stufen-Transistors 3, wobei zunächst nur ein kleiner Stromanteil an die Basis des Transistors 3 gelangt, während der Kondensator 11 umgeladen wird. Die Folge ist ein allmähliches Durchschalten des Betriebsstromes an den Wicklungsstrang 1, der erst mit Ab­ schluß des Umladevorganges im Kondensator 11 voll bestromt ist.

Das selbe Ausgangssignal des Positions-Sensorelementes 5 hat im rechten Teil der Ansteuerschaltung aufgrund der Invertierung die Wirkung, daß die vorher ausgeschaltet gewesene Strom­ quelle 9 eingeschaltet wird. Die Folge ist, daß sowohl der Strom aus der Stromquelle 8 als auch der Umladestrom aus dem Kondensator 12 in die Stromquelle 9 abfließen, wobei wiederum ein geringer Stromanteil während der Dauer des Umlade­ vorganges des Kondensators 12 an der Basis des Endstufen-Tran­ sistors 4 wirkt. Die Bestromung des Wicklungsstranges 2 wird dadurch ebenfalls sanft abgeschaltet. Bei einem Wechsel des Aus­ gangssignal-Pegels des Sensorelementes 5 spielen sich die eben geschilderten Vorgänge in den jeweils gegenüberliegenden Zweigen der Ansteuerschaltung spiegelbildlich in gleicher Weise ab.

Aus der oben beschriebenen Wirkungsweise ist ersichtlich, daß die Dimensionierung der Stromquellen 6 bis 9 sowie der Konden­ satoren 11, 12 wesentlich für die Erfindung sind. Sowohl die für den Einschaltvorgang maßgebenden Stromquellen 6, 8 als auch die für den Abschaltvorgang maßgebenden Stromquellen 7, 9 müssen Ströme liefern, die größer, vorzugsweise deutlich größer als die für den Schalterbetrieb der Endstufen-Transistoren 3, 4 erfor­ derlichen Basisströme sind, und die Kondensatoren 11, 12 müssen derart bemessen sein, daß die Stromänderung beim Ein- bzw. Abschalten der jeweiligen Wicklungsbestromung allmählich erfolgt und vorzugsweise zwischen 5% und 10% der Periodendauer eines Schaltzyklus benötigt. Insgesamt müssen die erwähnten Schaltungselemente so aufeinander abgestimmt sein, daß die beim Einschaltvorgang in den Kondensatoren 11, 12 fließenden Umlade­ ströme - im zeitlichen Mittel - betragsmäßig annähernd gleich groß sind wie die beim Abschaltvorgang fließenden Umladeströme.

Für das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 gilt für die Dimensionie­ rung der Stromquellen 6, 8 bzw. 7, 9 daher, daß, vorausgesetzt daß die Basisströme der Endstufen-Transistoren 3, 4 vernach­ lässigbar klein sind, die Stromquellen 7, 9 für den doppelten Strom dimensioniert sind wie die Stromquellen 6, 8. Ist der Basisstrom des Endstufen-Transistors 3, 4 nicht vernachlässig­ bar, ist es vorteilhaft, den Strom der Stromquellen 7, 9 ent­ sprechend zu reduzieren, den der Stromquellen 6, 8 entsprechend zu vergrößern.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, wobei nur ein Zweig der Schaltungsanordnung dargestellt ist und gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Auch wird der Betriebsstrom über einen Endstufen-Transistor 3 an den Wicklungsstrang 1 durchgeschaltet, die vom Ausgangssignal des Positions-Sensorelementes 5 ein- und ausschaltbare Stromquelle 7 steht wiederum mit der Basis des Endstufen-Transistors 3 in Verbindung und der Kondensator 11 liegt zwischen Kollektor und Basis des Endstufen-Transistors 3. Die Stromquelle 6 der Fig. 1 wird aber nunmehr von einem Widerstand 13 gebildet, der einer­ seits am Pluspol der Betriebsspannungsquelle, mit seiner anderen Seite ebenfalls an der Basis des Endstufen-Transistors 3 liegt. Die Wirkungsweise der Stromquelle 6 der Fig. 1 wird durch den Widerstand 13 in der beschriebenen Anordnung näherungsweise er­ füllt, so daß die Funktion der Ansteuerschaltung der oben be­ schriebenen entspricht.

Fig. 3 zeigt einen Schaltungsaufbau, bei dem das Positions-Sen­ sorelement der Fig. 1 detailliert als aus einem Hall-Element 14 und zwei Komparatoren 15, 16 bestehend dargestellt ist; die bei­ den antivalenten Ausgänge des Hall-Elementes 14 werden dabei wechselweise dem einen Komparator 15 bzw. 16 und dem invertie­ renden Eingang des anderen Komparators zugeführt. Beide Kompara­ toren 15, 16 weisen Ausgangs-npn-Transistoren 17, 18 auf, deren Emitter an Masse gelegt sind und deren Kollektoren das digitale Ausgangssignal für die Kommutierung führen.

Das Hall-Element 14 ist über einen Begrenzungswiderstand 19 mit der Betriebsspannungsquelle verbunden, und die Ausgänge der Komparatoren 15, 16 sind über Widerstände 20, 21 jeweils an eine Basis der beiden Endstufen-Transistoren 3, 4 geführt (in den Fig. 1 und 2 erwähnte Schaltelemente tragen auch hier die gleichen Bezugsziffern). Die Widerstände 13, 22 bilden, wie zu Fig. 2 erläutert, die einen nicht ein- bzw. abschaltbaren Strom­ quellen der Fig. 1 in guter Annäherung, während die Schalt­ transistoren 17, 18 in Verbindung mit den Widerständen 20, 21 die anderen, ein- bzw. abschaltbaren Stromquellen der Fig. 1 ersetzen. Die in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene Funktion wird von diesem sehr einfachen Schaltungsaufbau in zufrieden­ stellender Weise erfüllt. Die folgenden Werte sollen eine beispielsweise Dimensionierung der wichtigsten Schaltelemente angeben, wenn die Schaltungsanordnung mit einer Gleichspannungs­ quelle von 12 V betrieben wird:

Widerstände 13, 22:12 kOhm Widerstände 20, 21:2,7 kOhm Kondensatoren 11, 12:22 nF Transistoren 3, 4:BD679 (Darlington-Typ)

Zwischen den Emittern der beiden Endstufen-Transistoren 3, 4 und Masse ist ein Gegenkopplungs-Widerstand angeordnet, für den in vorteilhafter Ausgestaltung ein Widerstand mit starkem, posi­ tiven Temperaturkoeffizienten als Schutzwiderstand 23 gewählt wird. Solche Widerstände sind unter der Bezeichnung PTC-Wider­ stände bekannt. Durch die Anordnung des Gegenkopplungs-Wider­ standes wird eine stabilisierende Wirkung insbesondere auf den Abschaltvorgang der Endstufen-Transistoren 3, 4 durch Redu­ zierung der Transistor-Toleranzen erreicht, d. h. die Maßnahmen für eine sanfte Spannungs- und Stromänderung werden noch weiter unterstützt. Die Verwendung des beschriebenen Schutzwiderstandes an dieser Stelle realisiert darüber hinaus eine an sich bekannte Temperaturüberwachung, die jedoch in bekannten Schaltungen durch die zusätzliche Verwendung eines Schutzwiderstandes an anderer Stelle der Schaltungsanordnung erzielt werden muß. Durch diese Maßnahme kann demzufolge mindestens ein Schaltungselement ein­ gespart werden.

Die Dimensionierung der Kondensatoren muß nicht unbedingt derart sein, daß die Umladeströme jeweils während einer Zeitdauer von 5% bis 10% der Periodendauer eines Schaltzyklus fließen. Je nach Anwendungsfall kann es tolerierbar oder wünschenswert sein, durch Unterschreiten der angegebenen Grenze einen etwas lauteren Motor bei geringeren Transistor-Verlusten oder durch Überschrei­ ten der Grenze eine Zunahme der Verluste in den Endstufen durch Verlängerung des Analogbetriebes zugunsten geringerer Geräusche in Kauf zu nehmen. Weiterhin soll noch darauf hingewiesen wer­ den, daß alternativ zu der Darstellung in den Fig. 1 und 2 auch die jeweils andere Stromquelle bzw. beide Stromquellen ein- und abschaltbar ausgestaltet sein können, wobei die Stromquellen dann eine andere Dimensionierung aufweisen werden. Die Erfin­ dung ist auch nicht auf zweisträngige Motoren beschränkt, sondern kann durch dem Fachmann geläufige Maßnahmen mit gleicher Wir­ kung an andere Motoren angepaßt werden.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung der Statorwicklung eines kollektorlosen Gleichstrommotors mit permanentmagne­ tischem Rotor, mit mindestens zwei Endstufen-Transistoren, von denen nach Maßgabe der rotorstellungsabhängigen digita­ len Ausgangssignale wenigstens eines galvanomagnetischen Positions-Sensorelementes der Betriebsstrom an die jeweils zugeordneten Stränge der Statorwicklung durchgeschaltet wird, und mit einem Kondensator im Kollektor-Basis-Kreis eines jeden Endstufen-Transistors, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Stromquellen (6, 7; 8, 9) mit der Basis eines Endstufen-Transistors (3, 4) ver­ bunden sind, von denen mindestens eine durch das digitale Ausgangssignal des Positions-Sensorelementes (5) in Abhäng­ igkeit von der Rotorstellung ein- und ausschaltbar ist, und daß die Stromquellen (6, 7; 8, 9) derart bemessen sind, daß während des Ein- und während des Abschaltvorganges jedes Endstufen-Transistors (3, 4) im zeitlichen Mittel betrags­ mäßig annähernd gleich große Umladeströme durch den jewei­ ligen Kondensator (11, 12) fließen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Stromquellen (6, 7; 8, 9) Ströme lieferbar sind, die größer sind als der für den Schalterbetrieb des jeweiligen Endstufen-Transistors (3, 4) notwendige Basisstrom, vorzugsweise groß gegenüber dem Basisstrom.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (11, 12) am Kollektor-Basis-Kreis der Endstufen-Transistoren (3, 4) derart bemessen sind, daß die Stromänderungsgeschwindigkeit insbesondere beim Abschalten verlangsamt und dadurch die Erzeugung von HF-Störungen vermieden wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung der Kondensa­ toren (11, 12), daß die Umladeströme jeweils während einer Zeitdauer von mindestens 5%, vorzugsweise zwischen 5 und 10% der Periodendauer eines Schaltzyklus des zugeordneten Endstufen-Transistors (3, 4) fließen.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die eine der beiden Stromquellen (6, 8) näherungsweise von einem Widerstand (13, 22) gebildet wird, der am Pluspol der Betriebsspannungs­ quelle liegt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen dem ersten, die eine Stromquelle bildenden Widerstand (13, 22) und Masse ein Schalttransistor (17, 18) und zwischen dem ersten Widerstand (13, 22) und der Basis des Endstufen-Transistors (3, 4) ein zweiter Widerstand (20, 21) angeordnet ist, von denen die Wirkung der anderen, ein- und ausschaltbaren Stromquelle (7, 9) näherungsweise hervorgerufen wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand als Gegenkopp­ lungsmittel zwischen den Emittern der mindestens zwei End­ stufen-Transistoren (3, 4) und Masse angeordnet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungs-Widerstand als Schutzwiderstand (23) mit starkem positivem Temperatur­ koeffizienten ausgebildet ist.