DE4233243A1

DE4233243A1 - Gleichstrommotorantrieb und verfahren zur steuerung desselben

Info

Publication number: DE4233243A1
Application number: DE4233243A
Authority: DE
Inventors: Neal Alan Werner; Gary William Box
Original assignee: Graco Inc
Current assignee: Graco Minnesota Inc
Priority date: 1991-10-03
Filing date: 1992-10-02
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2012-10-03
Also published as: ITUD920151A0; GB2260204A; DE4233243C2; KR930009223A; FR2682234A1; US5336063A; FR2682234B1; TW198149B; GB2260204B; US5220259A; CA2079397A1; JP3295146B2; JPH077989A; ITUD920151A1; IT1259500B; GB9221122D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichstrommotoran trieb und ein Verfahren zur Steuerung des vom Motor abgegebe nen Drehmoments. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Gleichstrommotorantrieb, der zum Antrieb einer linearen Hub kolbenflüssigkeitspumpe mechanisch mit dieser verbunden ist.

Nach dem Stand der Technik sind lineare Hubkolbenflüssig keitspumpen meist mechanisch mit pneumatischen Antriebs systemen verbunden. Ein offensichtlicher Vorteil in der Ver wendung eines pneumatischen Antriebssystems liegt darin, daß ein Druckluftantrieb so aufgebaut werden kann, daß er in li near hin und her wirkender Weise angetrieben wird, wobei die Bewegung und Position den Eigenschaften der Pumpe angepaßt werden. In typischen Vorrichtungen wird die lineare Pumpe über einen vorgebenen Hubweg angetrieben, worauf ihre Bewe gungsrichtung geändert wird und sie in umgekehrter Richtung über denselben vorgegebenen Hubweg angetrieben wird. Typi scherweise weist die Pumpe zwei innere Kammern auf, so daß sie aus einer dieser Kammern während der Dauer ihres Hubes Flüssigkeit abgeben kann, während sie gleichzeitig in die an dere Kammer Flüssigkeit aufnimmt. Die Pumpe nimmt daher sowohl während des Vorwärts- als auch während des Rückwärts- Hubweges Flüssigkeit auf und gibt gleichzeitig Flüssigkeit ab. Ein pneumatischer Antrieb kann so aufgebaut sein, daß er in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung über einen Hubweg, der dem Pumpenausstoßhub entspricht, Antriebskraft erteilt. Der Zeit- und Wegbereich, in dem die Pumpe ihre Hubrichtung wechselt, wird Hubumkehr genannt. Bei einem pneumatischen Antrieb ist typischerweise eine geringfügige Druckänderung in der von der Pumpe ausgestoßenen Flüssigkeit während der Hubumkehr vorhan den. Diese Druckänderung ist jedoch gewöhnlich recht gering, da ein Pneumatikantrieb eine geringe Trägheit aufweist und den Umkehrzyklus recht rasch durchlaufen kann. Das heißt, daß ein Pneumatikantrieb eine sehr geringe Trägheit oder gespei cherte Energie während der Hubumkehr freizusetzen hat. Wäh rend oder nahe dem Zeitpunkt der Hubumkehr tragen auch die Flüssigkeitsrückschlagventile in einer Hubkolbenpumpe zu den Druckänderungen bei, die während des Hubumkehrintervalles auftreten. Die Gesamtauswirkung der Hubumkehr ist ein starker Druckabfall, der unmittelbar von einer Druckwelle gefolgt ist, aber die geringe Trägheit eines Pneumatikantriebes sorgt dafür, daß diese Druckstörung rasch korrigiert wird. Wird je doch eine Hubkolbenpumpe von einem drehmomentgesteuerten elektrischen Antrieb betrieben, so vergrößert die Trägheit des Motorantriebs diese Druckstörungen und bildet einen län geren Druckabfall sowie eine stärkere Druckwelle während des Hubumkehrintervalles. Dies wurde für lange Zeit als nachtei lig bei der Verwendung von elektrischen, drehmomentgesteuer ten Motorantrieben für diesen Zweck betrachtet.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Verwendung eines li nearen Pneumatikantriebes zum Antrieb der linearen Druckkol benpumpe ist die Fähigkeit des Pneumatikantriebes zu "blockieren", wenn der Flüssigkeitsausstoßdruck ausreichend groß wird, um den dem Pneumatikantrieb zugeführten Luftdruck auszugleichen. Dieses Merkmal ist insbesondere in Anlagen wichtig, in denen der Flüssigkeitsfluß zwischenzeitlich ein und ausgeschaltet wird, wie etwa in Flüssigkeitsförderanlagen oder Farbförderanlagen. Wird das Flüssigkeitsdurchflußventil plötzlich geschlossen, so wird jede weitere Antriebsbewegung des Pneumatikantriebes gestoppt, sobald der Druck der gestau ten Flüssigkeit dem Antriebsdruck des Pneumatikantriebes gleich wird und der Pneumatikantrieb bleibt in diesem blockierten Zustand, bis das Flüssigkeitsdurchflußventil wiederum geöffnet wird.

Zu den Nachteilen bei der Verwendung eines Pneumatikantriebes zählt, daß eine externe Druckluftquelle erforderlich ist und derartige Anlagen einen relativ niedrigen Wirkungsgrad auf weisen. Aufgrund dieser und weiterer Nachteile wurden andere Arten von Motorantrieben zur mechanischen Verbindung mit li nearen Hubkolben-Pumpanlagen konstruiert. Für diesen Verwen dungszweck wurden auch elektrische Motorantriebe versuchs weise eingesetzt, wobei durch elektrische Steuerungen die Mo torantriebsgeschwindigkeit entweder als Funktion des Flüssig keitsdruckes oder des Volumenflusses geregelt wurde. Elektri sche Trennschalter wurden zum Trennen der Stromversorgung vom Motor vorgesehen, wenn die Betriebsbedingung des Blockier druckes erreicht wird, und Gleichstrommotorantriebe wurden vorgesehen, bei welchen der Motor in einen blockierten Zu stand gebracht werden kann, wobei dem Motor ein konstanter Strom mit verringerter Stärke zugeführt wird, um ein Motor drehmoment zu erzeugen, daß den Blockierdruck im Pumpenaus stoßsystem ausgleicht.

Ein Nachteil in der Verwendung eines Gleichstrommotors zum Antrieb einer linearen Hubkolbenpumpe liegt in der Tatsache, daß der Gleichstrommotor typischerweise eine sehr hohe Träg heit bzw. gespeicherte Energie hat, die ein Problem während der Hubumkehr der Pumpe von einer Hubrichtung zur anderen darstellt. Während der Pumpenhubumkehr fällt der Flüssigkeitsdruck typischerweise kurzzeitig ab, was zu einem plötzlichen Ansteigen der Motordrehzahl führt. Anschließend erzeugt die erhöhte Motordrehzahl einen erhöhten Druck, der als Druckwelle im Pumpenausstoßsystem bei Vollendigung des Hubumkehrzyklus fühlbar ist. Daher treten bei jedem Hubum kehrzyklus Druckspitzen auf, die die Flüssigkeits fördereigenschaften, die in einem vorgegebenen System wün schenswert sind, verschlechtern können. Wenn die Flüssig keitsdurchflußventile im System ein- und ausgeschaltet wer den, treten notwendigerweise als Folge der Motorträgheit Druckveränderungen auf, die zu Druck- und Durchflußwellen führen, die sich störend auf die relativ gleichmäßigen Flüs sigkeitsflußeigenschaften auswirken, die vom System erwartet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerung für einen Gleichstrommotor zum Antrieb einer Flüssigkeitspump anlage unter gleichmäßigen Flüssigkeitsdruckbedingungen auf zuzeigen. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, eine Gleich strommotorsteuerung aufzuzeigen, die gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen einen reduzierten Kraftbedarf aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gleichstrommotorsteuerung aufzuzeigen, die Druckwellen bzw. Druckanstiege im Flüssigkeits ausstoßsystem während der Hubumkehr der Pumpe und während Zeiträumen, in denen der Flüssigkeitsstrom im System unter brochen ist, möglichst gering hält.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus Patentanspruch 1, 20, 21, 22 und 25. Unteransprüche zeigen bevorzugte Ausführungs formen der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung zeigt eine Energieregelungstechnik zur Steuerung eines Gleichstrommotorantriebes des beschriebe nen Typs auf, die das Entstehen von Überdruck im Flüssigkeitsausstoßsystem verhindert. Gemäß der Erfindung werden eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung aufgezeigt, mit der elektrisch die kinetische En ergie des Motorläufers jedesmal dann absorbiert wird, wenn der Flüssigkeitsfluß angehalten wird, und die Drehzahlsteige rung des Motors während der Hubumkehr der Flüssigkeitspumpe begrenzt wird. Weiter erlaubt die Erfindung eine Verminderung des Stromverbrauches der Anlage unter blockierten Druckbedingungen, indem die elektrische Motorantriebskraft während dieses Betriebszustandes selektiv verringert wird.

Die Erfindung umfaßt eine Steuerschaltung für einen Gleich strommotorantrieb, in der ein Stromsensor zur Überwachung des Motorstromes/Drehmoments verwendet wird, sowie eine Sollwert steuerung, um die manuelle Einstellung eines gewünschten Stromes/Drehmoments zu erlauben. Die Motordrehzahl und Posi tion wird von einem Encoder überwacht. Ein Mikroprozessor ist mit den Überwachungs- und Sensoreinrichtungen sowie mit der Motorantriebssteuerschaltung verbunden. Die zusammenwirkenden Merkmale der Erfindung erzeugen eine verbesserte Motordreh zahl/Drehmomentcharakteristik, die idealisierten Motordreh zahl-/Drehmoment-Betriebsbedingungen sehr nahe kommt, um über einen breiten Bereich von verschiedenen Betriebsbedingungen ein konstantes Motordrehmoment zu erzeugen. Die Schaltungen der vorliegenden Erfindung reduzieren auch die Strom belastungserfordernisse der Motorantriebsschaltung und ver bessern den Wirkungsgrad des Stromverbrauches des gesamten Motorantriebes. Das Verfahren zum Betrieb der Motorantriebs steuerschaltung wird in allen sechs Betriebszuständen von ei nem Mikroprozessor gesteuert. Der Mikroprozessor steuert den Motorantriebsstrom bei Beginn der Motorblockierung, bei an haltender Motorblockierung, bei Beginn des Fließzustandes der Flüssigkeit, unter linearen Pumpbedingungen, bei Hubumkehrbe dingungen der Pumpe und bei abrupter Unterbrechung des ge pumpten Flüssigkeitsflusses.

Vorstehend genannte und weitere Aufgaben und Vorteile der Er findung werden aus der folgenden Beschreibung und den Patentansprüchen sowie aus den beigefügten Figuren ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1A eine herkömmliche Motordrehzahl-/Drehmoment Kurve;

Fig. 1B eine gemäß vorliegender Erfindung erzeugte Motordrehzahl/Drehmoment-Kurve;

Fig. 2 ein Gesamtblockschaltbild der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3A ein schematisches Schaltbild der Motorantriebsschaltung und des Motors;

Fig. 3B die Kommutierungssequenz des Motors;

Fig. 4 die Busstromüberwachungsschaltungen;

Fig. 5 einige der Drehzahlerfassungs- und Phasenstromsimulationsschaltungen;

Fig. 6 die Summier- und Stromfehlererzeugungs schaltungen;

Fig. 7 einige der Motorsteuerungsschaltungen;

Fig. 8 die Mikroprozessorschaltungen;

Fig. 9 den Motor mit Encoder; und

Fig. 10 ein Flußdiagramm des Betriebsverfahrens.

Fig. 1A zeigt eine herkömmliche Motordrehmoment-/Drehzahl- Kurve. Der Bereich 1 dieser Kurve ist im wesentlichen von den physikalischen Eigenschaften des Motors selbst bestimmt und kann nicht wesentlich verändert werden, wenn einmal eine be stimmte Motorkonstruktion gewählt ist. In diesem Bereich führt eine Zunahme des abgenommenen Motordrehmoments zu einer nahezu linear entsprechenden Abnahme der Motordrehzahl. Be reich 2 der Kurve wird allgemein als Betriebsbereich bezeich net, in dem eine Erhöhung der Drehlast des Motors einer steil fallenden und allgemein übertriebenen Verringerung der Motor drehzahl entspricht. Die durchschnittlichen inneren Motorantriebsströme wachsen in entsprechender Weise mit der Drehlast an, erzeugen jedoch eine zunehmend langsamere Motordrehzahl. Bereich 3 der Kurve zeigt einen starken Überlastbetriebsbereich, in dem hohe Drehlast-(und Strom-) Zunahmen auftreten, während die Motordrehzahl auf Null fällt, was als "blockierte" Bedingung bezeichnet wird. Die Umschlagcharakteristik dieses Kurvenbereichs ist in der Drehlastwelligkeit des Motors begründet und der Motor bloc kiert, wo der Läufer ein minimales Drehmoment mit konstantem Strom abgibt.

Fig. 1B zeigt ein Motordrehzahl-/Drehmomentcharakteristik, die durch die vorliegende Erfindung erzielt wird, wobei Be reich 1 wiederum von den Konstruktionseigenschaften des Mo tors abhängig ist. Bereich 2 verläuft als nahezu idealisierte vertikale Linie, die anzeigt, daß der Motor im wesentlichen ein konstantes Drehmoment über einen breiten Betriebsbereich von Drehzahlbedingungen abgibt. Bereich 3 der herkömmlichen Antriebscharakteristik ist bei der vorliegenden Erfindung praktisch eliminiert.

Fig. 2 zeigt ein Gesamtblockschaltbild der vorliegenden Er findung. Auf diese Figur wird durchgehend in der folgenden Beschreibung Bezug genommen, um die einzelnen Schaltungen der Erfindung, die darin genauer beschrieben sind, in geeigneter Weise zuzuordnen. Fig. 2 zeigt in Form eines Blockschaltbil des die Verbindung der verschiedenen hier zu beschreibenden Schaltungen sowie die allgemeine Anordnung der erfindungsge mäßen Vorrichtung. Bestimmte in Fig. 2 gezeigte Blöcke sind hier nicht im einzelnen erläutert, da sie herkömmliche, im Handel erhältliche Baugruppen darstellen. So ist zum Beispiel eine Gleichrichterschaltung 20 ein herkömmlicher Ein-Phasen- Gleichrichter zur Umwandlung einer Wechselspannung in Gleich spannung zur Stromlieferung entsprechend den Anforderungen des speziellen für die Verwendung in der Erfindung ausgewähl ten Motors. Die Gleichrichterschaltung 20 schließt eine hohe Kapazitanz über die Gleichspannungsleitung zur Energiespei cherung ein. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet zwei Kondensatoren mit 1400 Mikrofarad (µf) , die zu diesem Zweck parallel miteinander verbunden sind. Ein D/A-Wandler 30 kann ein handelsüblicher 10-bit Digital-Analog-Wandler sein, wie er zum Beispiel von Analog Devices Corporation hergestellt wird. Ein Stromsensor 40 ist vorzugsweise ein Stromsensor mit der Typbezeichnung IHA-100, hergestellt von F.W. BeIl Com pany. Ein Mikroprozessor 50 kann ein handelsübliches Produkt, wie zum Beispiel ein Intel-Prozessor Typ 87C51 sein. I/O- Steuerglieder 54 können herkömmliche handelsübliche RS 232 Treiber/Empfängerhalbleiter sein. Eine Motorsteuerung 60 ist eine integrierte Schaltungskonstruktion, hergestellt von Uni trode unter der Typbezeichnung UC 1625.

Mit dem Gleichrichter 20 ist eine geeignete Wechselstrom quelle verbunden und dessen Ausgang erzeugt eine gefilterte Gleichspannung sowie Gleichstrom. Der Strom wird durch den Stromsensor 40 geleitet und anschließend weiter zu einer Mo torantriebsschaltung 70. Der Strom wird einem Motor 90 über drei Wicklungsphasen, die nachfolgend beschrieben werden, zu geführt. Der Motor 90 ist mit einem Drehencoder 80 verbunden, der über eine Leitung 84 ein Motorpositionssignal zur Motor steuerschaltung 60 abgibt, sowie ein Signal über eine Leitung 83 zu einer Drehzahl/Richtungsschaltung 82. Die Dreh zahl/Richtungsschaltung 82 gibt digitale Darstellungen der Drehzahl und der Drehrichtung an den Mikroprozessor 50.

Der vom Stromsenor 40 erfaßte Strom wird von den Stromüberwa chungsschaltungen 42 überwacht. Die Stromüberwachungsschal tungen 42 geben ein Ausgangssignal an Spitzenwertfolgeschal tungen 46 und eine Vergleichseinrichtung 62 ab. Die Spitzen wertfolgeschaltungen 46 empfangen ebenfalls ein Eingangssi gnal von Drainsteuerschaltungen 45, das eine Funktion der Motordrehzahldaten ist. Die Drainsteuerschaltungen 45 empfan gen Eingangssignale von einer Drehzahlmittelwertschaltung 64 und Umkehrbremsstromkreisen 47. Die Umkehrbremsstromkreise 47 erhalten ein Eingangssignal von dem Mikroprozessor 50. Die Drehzahlmittelwertschaltung 64 erhält ein Eingangssignal von der Motorsteuerschaltung 60 und überträgt ebenfalls ein Aus gangssignal an eine Strombefehlssummierschaltung 63.

Ein von einer Bedienungsperson einstellbares Sollwertsignal ist mit einer Sollwertvergleichsschaltung 32 verbunden, die ebenso ein Eingangssignal vom D/A-Wandler 30 erhält. Das Aus gangssignal aus der Sollwertvergleichsschaltung 32 ist mit dem Mikroprozessor 50 verbunden. Das von der Bedienungsperson einzustellende Sollwertsignal wird über die Rückkoppelungs schleife, bestehend aus der Vergleichsschaltung 32, dem Mi kroprozessor 50 und dem D/A-Wandler 30 erzeugt. Ein Binär zähler im Mikroprozessor 50 erzeugt ein Ausgangssignal, das mit dem D/A-Wandler 30 verbunden ist, und der D/A-Wandler 30 entwickelt eine analoge Ausgangsspannung, die dieses binäre Eingangssignal darstellt. Diese Ausgangsspannung ist mit der Vergleichsschaltung 32 gekoppelt, um dort mit der tatsächli chen Sollwertspannung verglichen zu werden. Sind die beiden Spannungen nicht gleich, so erzeugt die Vergleichsspannung 32 ein Signal, das dem Mikroprozessor 50 eingegeben wird, um die Größe auf einen anderen Wert zu erhöhen oder zu verringern. Entspricht der Größenwert nach der Umwandlung durch den D/A- Wandler 30 dem tatsächlichen Sollwertsignal, so erzeugt die Vergleichsschaltung 32 ein Signal an den Mikroprozessor 50, um so jede weitere Einstellung des Binärzählers zu unterbre chen. Als Ergebnis davon behält der Mikroprozessor 50 eine digitale Darstellung des Sollwertes und dieser Wert wird in eine analoge Spannungsdarstellung zur Verwendung in den in Fig. 2 gezeigten analogen Schaltungen umgewandelt. Das ana loge Ausgangsspannungssignal des D/A-Wandlers wird über drei Summierschaltungen 63, 65 und 67 verarbeitet und in mo difizierter Form einer Vergleichsschaltung 42 zugeführt, die das Signal mit dem Ausgangssignal der Stromüberwachungsschal tungen 42 vergleicht, um ein Steuersignal für die Motorsteu erschaltung 60 zu erzeugen. Der Mikroprozessor 50 erzeugt weiterhin ein "BRK 1"-Signal, um die Bremsstromkreise 48 umzukehren, die dieses Signal in ein Richtungssignal (DIR) und ein phasenverschobenes Signal (QUAD) umwandeln, die je weils zur Motorsteuerschaltung 60 übertragen werden. Der Mikroprozessor 50 gibt weiterhin ein "BRK 2"-Signal an die Umkehrbremsstromkreise 47 ab. Der Mikroprozessor 50 empfängt binäre Ein/Aus-Signale von den Drehzahl/Richtungsschaltungen 82, die über die Leitungen 83 mit den optischen Unterbrecher signalen verbunden sind, die vom Encoder 80 erzeugt werden. Diese Signale erlauben dem Mikroprozessor 50, die Drehzahl des Motors 90 zu berechnen und die Drehrichtung des Motors 90 festzustellen. Dadurch kann der Mikroprozessor 50 auch die Beschleunigung oder Verzögerung des Motors 90 berechnen, wo bei er diesen Wert zur Entwicklung der BRK 1 und BRK 2-Si gnale verwendet. Der Mikroprozessor 50 ist ebenso mit einem Eingangs/Ausgangs-(I/O)-Register 54 verbunden, das aus herkömmlichen RS232-Schaltungen besteht, um den Mikroprozes sor 50 in die Lage zu versetzen, mit externen digitalen Einrichtungen und Computerprozessoren zu kommunizieren.

In Fig. 3A ist ein schematisches Schaltbild des Motors (M) 90 und der Motorantriebsschaltungen 70 dargestellt. Dieses sche matische Schaltbild stellt einen typischen drehmomentgesteu erten bürstenlosen Gleichstrommotor dar, wobei die Motorwick lungen in drei Phasen U, V und W angeordnet sind. Die jewei ligen Motorwicklungen sind jeweils mit einer zweifachen Tran sistorzweigschaltung verbunden, wobei die Motorwicklung U mit Zwischentransistoren U1 und U2 verbunden ist, die Motorwick lung V mit Zwischentransistoren V3 und V4, und die Motorwick lung w mit Zwischentransistoren WS und W6. Die Schaltung 70 bildet eine Dreiphasenwechselrichterschaltung, wobei zwei der sechs dargestellten Transistoren zu jedem gegebenen Zeitpunkt eingeschaltet sind, um Strom durch die verschiedenen Motor wicklungen zu leiten. Jeder der Transistoren U1, U2, U3, U4, W5 und W6 hat eine Umkehrvorspannungsdiode D, die parallel mit dem jeweiligen Transistor verbunden ist. Die Dioden D wer den jeweils selektiv während Teilen der Motorantriebssequenz, die nachfolgend beschrieben werden, mit Vorwärts-Vorspannung versehen. Die Auswahl, welche zwei Transistoren der Schaltung 70 an einem jeweils gegebenen Zeitpunkt einzuschalten sind, wird von der Motorsteuerschaltung 60 entsprechend der Stel lung des Motorläufers getroffen. Der Auswahlvorgang wird Kom mutation genannt und eine bestimmte Sequenz wird eingehalten, um ein positives Drehmoment vom Motor unter Vorwärts- oder Rückwärtsantriebsbedingungen sicherzustellen. Die Kommutati onssequenz ist in Fig. 3B dargestellt, wobei jedes Nummer paar, das in einem kleinen Kreis gezeichnet ist, der Transi storbezeichnung in Fig. 3A entspricht. Der Zeitraum, während dem jeweils zwei Transistoren ausgewählt werden können, ist als Kommutationszeit definiert. Die Zeitdauer innerhalb einer Kommutationszeit, während der die Transistoren tatsächlich eingeschaltet sind, bestimmt den durchschnittlichen Stromfluß durch die Wicklungen und daher das Drehmoment, das vom Motor 90 abgegeben wird. Unter praktischen "2-QUAD" Betriebsbedin gungen wird typischerweise einer der beiden während einer Kommutationsperiode ausgewählten Transistoren über die ge samte Dauer der Kommutationsperiode eingeschalten gelassen und der andere der beiden Transistoren wird selektiv für einen Abschnitt der Periode in Abhängigkeit vom erforderli chen Strombedarf für den Motor eingeschaltet. Dieses selek tive Einschalten wird als "zerhacken" bezeichnet und durch einfaches Zuführen eines gesteuerten Antriebssignals zu einem Transistor für einen ausgewählten Zeitintervall gesteuert. In Fig. 3A und 3B ist eine typische Betriebssequenz für den Vor wärtsantrieb des Motors ohne weiteres ablesbar. Beispiels weise wird während der ersten Kommutationsperiode das Transi storeinschaltsignal U1 angelegt und das Transistorsignal V4 wird selektiv während dem Zerhackintervall angelegt. Dies er zeugt einen Stromfluß durch die Wicklungen U und V. Während der nächsten Kommutationsperiode bleibt das Transistoran triebssignal U1 eingeschaltet und das Antriebssignal W6 wird während dem Zerhackintervall selektiv eingeschaltet. Dies er zeugt einen Motorantriebsstrom durch die Wicklungen U und W. Während der nächsten Kommutationsperiode wird das Transistor antriebssignal V3 eingeschaltet und das Transistorantriebssi gnal W6 wird selektiv während dem Zerhackintervall einge schaltet. Dies erzeugt einen Motorantriebsstrom durch die Wicklungen V und W. Während der nächsten Kommutationsperiode wird das Transistorantriebssignal V3 eingeschaltet und das Antriebssignal U2 wird selektiv während dem Zerhackintervall eingeschaltet. Dies erzeugt einen Antriebsstrom durch die Mo torwicklungen V und U. Während der nächsten Kommutationsperi oder wird das Transistorantriebssignal W5 eingeschaltet und das Transistorantriebssignal U2 wird selektiv während dem Zerhackintervall eingeschaltet. Dies erzeugt einen Motoran triebsstrom durch die Wicklungen W und U. Während der näch sten Kommutationsperiode wird das Transistorantriebssignal W5 eingeschaltet und das Transistorantriebssignal V4 wird selek tiv während dem Zerhackintervall eingeschaltet. Dies erzeugt einen Motorantriebsstrom durch die Wicklungen W und U. Diese Sequenz wiederholt sich anschließend wie hier beschrieben. Für den Rückwärtsantrieb des Motors wird die Signalsequenz, wie in Fig. 3B gezeigt, umgekehrt.

Unter "4-QUAD" Betriebsbedingungen werden beide Transistoren, die während einer jeweiligen Kommutationsperiode ausgewählt sind, gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Diese Betriebsart ist besonders nützlich in Verbindung mit der vorliegenden Er findung, wie nachfolgend erläutert wird.

Während des Betriebes des Motors entsprechend der vorstehend beschriebenen Kommutationssequenz entsteht in den Motorwick lungen eine Gegen-EMK, die proportional zur Läuferdrehzahl ist. Diese Gegen-EMK steht dem Stromfluß in den Motorwicklun gen entgegen und wirkt sich auf den Betrieb des Motors auf verschiedene Weise aus, je nachdem, in welchem der Betriebs bereiche in Fig. 1A der Motor betrieben wird. Beispielsweise ist in Bereich 1 die Motordrehzahl hoch und die Gegen-EMK re lativ groß. Der Phasenstrom durch den Motor ist daher verrin gert und das resultierende abgegebene Drehmoment wird ent sprechend vermindert. Mit dem Abnehmen der Motordrehzahl nimmt der Phasenstrom durch die Wicklungen auf den jeweiligen voreingestellten Stromwert, der zu einem bestimmten Betriebs zeitpunkt gewählt wurde, hin zu. Aufgrund der Kommutationsse quenz erreicht jedoch der Phasenstrom niemals ganz den Strom sollwert, so daß daher die Motorantriebsschaltung im gesamten Bereich 1 von Fig. 1A keine "Zerhackvorgänge" durchführen muß.

Im Bereich 2 ist die Motordrehzahl ausreichend niedrig, um die Gegen-EMK zu verringern, so daß ein stärkerer Phasenstrom durch die Wicklungen fließt. In diesem Bereich steigt der durchschnittliche Phasenstrom auf den Sollwert an, wenn die Motordrehzahl sich verringert, daher ist ein "Zerhacken" in verschiedenem Ausmaß erforderlich, um den Betrieb auf den für den Motor gewählten Sollwert hin zu steuern.

In Bereich 3 ist die Motordrehzahl so gering, daß die Gegen- EMK gegen null geht, was zu einer sehr kleinen Gegenwirkung gegen den Phasenstrom führt. Der Phasenstrom bewegt sich da her über dem für den Motor gewählten Sollwert und ein Zer hacken tritt in beträchtlichem Ausmaß auf. Die Änderungsge schwindigkeit des Stromflusses durch die Wicklungen im Be reich 3 kann tatsächlich größer sein als die Leistungs fähigkeiten der Schalttransistoren, so daß daher die Phasen ströme höher ansteigen können, als die Sollwerterfordernisse angeben.

Die Gegen-EMK und Phasenstromprobleme, die in jedem der in Fig. 1A gezeigten Bereiche auftreten, verursachen die nicht linearen Motordrehzahl/Drehmomentcharakteristiken, die in der Figur dargestellt sind. Es ist eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, elektrische Überwachungs- und Steuer schaltungen aufzuzeigen, um diese Motordrehzahl/Drehmoment probleme zu eliminieren und die in Fig. 1B dargestellten Be triebseigenschaften herzustellen. Die nachfolgend beschriebe nen Schaltungen erfüllen diesen Zweck.

Das erste Merkmal der Erfindung bezieht sich auf die Motor drehzahl/Drehmomentkurvendarstellung im Bereich 2 von Fig. 1A, um diesen Bereich 2 in die Charakteristik, die in Bereich 2 in Fig. 1B dargestellt ist, umzuwandeln. Die Realisierung dieses Merkmales kann dadurch erzielt werden, daß ein analo ges Signal proportional zur Drehzahl des Motors dem Strom sollwert hinzugefügt wird, wodurch Veränderungen der Motor drehzahl kompensiert werden und ebenso die Auswirkung derar tiger Veränderungen auf die Drehzahl/Drehmomenteigenschaften.

Das zweite Merkmal der Erfindung bezieht sich auf die Motor drehzahl/Drehmomentkurve im Bereich 3 in Fig. 1A, die durch die Betriebseigenschaften des Motors und der Motorsteuer schaltungen verursacht wird, wenn die Zerhacktransistoren eingeschaltet werden, während der Motorphasenstrom höher ist als der Sollwertstrom. Dieses Merkmal wird dadurch reali siert, daß der Wert des momentanen Stroms in den Motorwick lungen (Drehmoment) erfaßt wird und ein Signal erzeugt wird, das zur Steuerung des "Zerhackens" der Transistoren in der Motorantriebsschaltung verwendet werden kann. Dies kann durch die Verwendung von mehreren Stromsensoren und weiteren Schal tungen in Verbindung mit den Motorwicklungen erzielt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch das Ergebnis mit nur einem einzelnen Sensor erzielt. Diese Verwirklichung ist möglich, da die Geschwindigkeit der Abnahme der Motorphasen ströme von der Motordrehzahl oder der Gegen-EMK des Motors abhängig ist. Da der Widerstand und die Induktivität der Mo torwicklung bekannt sind, erlaubt es die Messung der Motor drehzahl, die Veränderungsgeschwindigkeit des Motor wicklungsstromes zu bestimmen. Dafür wird erfindungsgemäß eine Spitzenwertfolge- und -halteschaltung verwendet, um ein momentanes Motorstromsignal zu erfassen, und die Abfallge schwindigkeit des Motorphasenstroms als Funktion der Motor drehzahl zu variieren, um so ein Ausgangssignal zu erzeugen, das den momentanen Strom (Drehmoment) in den Motorwicklungen wiedergibt. Damit wird ein Steuersignal produziert, das zur Eliminierung des Bereiches 3 der Motordrehzahl/Dreh momentkurve in Fig. 1A verwendet wird, wie nachfolgend be schrieben wird.

Ein drittes Merkmal der Erfindung ist das Vorsehen der ge steuerten Umkehrbremsung des Motors, um die gespeicherte Trägheitsenergie des Motorläufers zu verringern. Die Umkehr bremsung ist eine Technik, die in der Vergangenheit zum Ab bremsen oder Anhalten eines bürstenlosen Gleichstrommotors verwendet wurde, indem die Gegen-EMK zur Erzeugung eines Stromes veranlaßt wird, der in umgekehrter Richtung im Motor fließt und so den Motor veranlaßt, als Generator zu wirken. Dies wandelt die kinetische Energie des Läufers in elektri sche Energie um und bremst den Läufer ab. Eine frühere Tech nik zur Erreichung dieses Zweckes ist es, einen Transistor zu verwenden, um den Fluß des Umkehrstromes durch einen Kraftwi derstand zu verursachen und dadurch die elektrische Energie in Wärme umzuwandeln. Eine weitere frühere Technik zur Um kehrbremsung ist diejenige, bei der die Kommutationssequenz in den Motorantriebsschaltungen umgekehrt wird, um so einen Weg für den Umkehrstromfluß in den Motorwicklungen herzustel len. Dies führt zu sehr hohen Motorwicklungsströmen und die Transistoren in den Motorantriebsschaltungen müssen demgemäß sehr groß ausgelegt sein, um diese Ströme zu verarbeiten.

Die Technik gemäß vorliegender Erfindung zur gesteuerten Um kehrbremsung ist ähnlich der Technik der Umkehrung der Kommu tationssequenz, wobei zusätzlich der Vorteil vorhanden ist, daß die Größe des Umkehrstromes gesteuert wird. Anstelle der einfachen Umkehrung der Kommutationssequenz wird gemäß vor liegender Erfindung auch die "Zerhacktechnik" abgewandelt, das heißt, die Technik des Ein- und Ausschaltens der Motoran triebstransistoren. Anstelle des Einschaltens eines Transi stors während der gesamten Kommutationsperiode und des selek tiven Einschaltens des anderen Transistors für einen Teil der Kommutationsperiode (2-QUAD) werden erfindungsgemäß beide Transistoren gleichzeitig ein- und ausgeschaltet (4-QUAD). Dies erlaubt das freie Umlaufen des Umkehrstromflusses in den Motorwicklungen über die mit Umkehrvorspannung versehenen Di oden D.

Bei den schematischen Schaltplänen sind die Schaltungsbau teile wann immer möglich durch ihre tatsächlichen Werte be zeichnet, das heißt, daß Widerstände in Ohm oder Kiloohm dar gestellt sind und Kondensatoren in Mikrofarad (µf) bezeichnet sind. Entsprechend werden Dioden durch ihre tatsächliche Her stellertypbezeichnung bezeichnet, wobei selbstverständlich ist, daß alle Dioden ohne weiteres im Handel erhältlich sind. Die verschiedenen Operationsverstärker und andere Halbleiterschaltungen, die symbolisch dargestellt sind, wer den in der folgenden Beschreibung mit Hersteller und Typbe zeichnung des Herstellers beschrieben. Alle derartigen Bau teile sind ebenfalls ohne weiteres im Handel erhältlich.

Fig. 4 zeigt die Stromüberwachungsschaltungen 42. Diese Schaltungen empfangen ein Eingangssignal vom Stromsensor 40 im Bereich von +/- 200 Millivolt pro Ampere des erfaßten Mo torstromes. Der erfaßte Strom kann entweder positiv oder ne gativ in seiner Richtung sein, in Abhängigkeit von den Motor betriebsbedingungen. Dieses Spannungssignal wird an einem An schluß 100 in Form einer positiven oder negativen Spannung empfangen und Operationsverstärker 212a und 212b (Motoröls Typ MC1558) wandeln dieses Spannungssignal in ein Absolutwertsignal derselben Größe um. Das Signal wird an schließend zu Operationsverstärkern 220a und 220b (National Typ LM 2904) geleitet, die zum empfangenen Signal einen posi tiven Spannungsausgleich hinzufügen, wodurch ein erfaßter Stromwert "Null" auf annähernd 300 Millivolt angehoben wird. Das Signal wird anschließned in Operationsverstärker 221a und 221b (National Typ LM 2904N) geleitet, die alle negativen Spannungen durch Clamping des Signals auf null Volt und Fil tern aller Rauschsignal über einem Megahertz (MHZ) eliminie ren. Das Ausgangssignal wird anschließend an einen Anschluß 101 abgegeben, der der Eingangseinschluß der Spitzenwertfol geschaltung 46 ist und ebenso der Eingangsanschluß der Ver gleichsschaltung 62.

Fig. 5 zeigt die Spitzenwertfolgeschaltung 46, die Drainsteu erschaltung 45, und die analoge Drehzahlmittelwertschaltung 64. Die analoge Drehzahlmittelwertschaltung 64 empfängt ein Eingangssignal von der Motorsteuerschaltung 60 über einen Eingangsanschluß 105 und gibt ein analoges Ausgangssignal ab, das einem Negativwert von 3,4 Volt pro 1000 Umdrehungen pro Minute (min -1) des Motors entspricht. Das Eingangssignal am Anschluß 105 an Operationsverstärkern 216a und 216b, die die analoge Drehzahlmittelwertschaltung 64 umfassen, ist eine Im pulskette von der Motorsteuerschaltung 60, wobei jeder Impuls eine Länge von 800 Mikrosekunden (µs) hat bei 18 Impulsen pro Umdrehung des Motors.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 216a ist mit einem Ope rationsverstärker 219a der Drainsteuerschaltung 45 verbunden. Die Schaltung 45 hat einen Ausgang zur Spitzenwertfolgeschal tung 46 um einen Kondensator 49 des Spitzenwertdetektors zu "entleeren". Diese "Entleerungsrate" ist der durchschnittli chen Motordrehzahl proportional. Die Spitzenwertfolgeschal tung 46 simuliert in effektiver Weise den in den Motorwick lungen umlaufenden Strom während der "AUS"-Zeiten im Zerhack modus des Motors. Ein Verstärker 219b führt eine Entleerung des Spitzenwertsensorkondensators 49 proportional zur Dreh zahl durch, wodurch das Signal der Spitzenwertfolgeschaltung zu einem Signal modifiziert wird, das zum momentan umlaufen den Strom in den Motorwicklungen proportional ist. Die Opera tionsverstärker 216a und 216b sind Schaltungen des Typs Na tional LM2904M. Die Operationsverstärker 219a und 219b haben diesselbe Typbezeichnung. Operationsverstärker 213a und 213b sind Verstärker von Motoröls Typ MC1558U. Die Vergleichsein richtung 210a ist ein Vergleichsschaltung von National, Typbezeichnung LM2903M, die zum Hemmen der "Halte"-Funktion während des "4-QUAD"-Betriebes verwendet wird, da während des "4-QUAD"-Betriebes der Strom "BUS gleich dem Strom"I_PHASE ist. Die Spitzenwertfolgeschaltung 46 empfängt ein erstes Eingabesignal am Anschluß 101 von der Stromüberwa chungsschaltung 42. Ein zweites Eingangssignal erhält sie vom Operationsverstärker 219b von der Drainsteuerschaltung 45 und ein drittes Eingangssignal erhält sie von der Vergleichsein richtung 210a. Das Ausgangssignal aus der Spitzenwertfolge schaltung 46 liegt an dem Anschluß 102 als Eingang zur Sum mierschaltung 65 an.

Die analoge Drehzahlmittelwertschaltung 64 gibt über den Ope rationsverstärker 216b ebenfalls ein Eingangssignal 103 an den Summierverstärker 63, das zu dem am Anschluß 106 (s. Fig. 6) empfangenen Signal hinzuzufügen ist. Das am Anschluß 106 anliegende Signal ist das analoge Ausgangssignal des D/A- Wandlers, das den Sollwert für die gewünschte Motorantriebs bedingung darstellt. Durch Hinzufügen des analogen Drehzahl mittelwertschaltungssignales zu dem Sollwertsignal gibt der Verstärker 215a ein Ausgangssignal ab, das das Sollwertsignal erhöht, um so das durchschnittliche Drehmoment bei höheren Drehzahlen zu korrigieren. Dieses Ausgangssignal ist als Ein gang mit der Summierschaltung 65 und der Summierschaltung 67 verbunden. Verstärker 217a der Summierschaltung 64 empfängt ebenfalls ein Eingangssignal von der Spitzenwertfolgeschal tung 46 über den Eingangsanschluß 102 und das Ausgangssignal der Summierschaltung 65 ist ein Fehlersignal, das eine Funk tion der Differenz zwischen dem momentanen Motorwicklungssi gnal, das von den Schaltungen 45 und 46 erzeugt wird, und dem Stromsollwert ist. Das Ausgangssignal der Summierschaltung 65 ist das zehnfache der Differenz zwischen dem momentanen Stromsignal und dem Sollwertsignal. Dieses Ausgangssignal kann nur subtraktiv sein und nur so groß wie das Sollwertsi gnal selbst. Das Ausgangssignal des Verstärkers 217b der Sum mierschaltung 65 ist als zweites Eingangssignal mit dem Ver stärker 214a der Summierschaltung 67 verbunden, der ein Si gnal erzeugt, das die Summe der beiden Eingangssignale dar stellt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 214b der Summier schaltung 67 ist ein Signal, das als ISET bezeichnet wird, das den eingestellten Strom (Drehmoment) Sollwert darstellt. Dieser Sollwert wird über den Anschluß 104 dem Vergleicher 62 als Eingangssignal eingegeben, wo er mit dem Ausgangssignal der Stromüberwachungsschaltungen 42 verglichen wird, um so ein Signal an die Motorsteuerschaltungen 60 (Fig. 7) zu geben. Dieses Signal schaltet die Antriebsspannung an den Basisan triebsschaltungen der Motorsteuerschaltungen ab und "zerhackt" daher den Motorantriebsstrom.

Fig. 7 zeigt die Motorsteuerschaltung 60 und einige der Um kehrbremsschaltungen 48. Daneben empfängt die Motorsteuer schaltung 60 über Anschlüsse 112, 113 und 114 Motorkommutati onssignale. Wie Fig. 9 zeigt, werden diese Signale von licht emitierenden Dioden und einer Phototransistorschaltung 85 am Motor 90 in Verbindung mit einem gezackten Rad 86, das an der Motorwelle befestigt ist, erzeugt. Das Rad 86 hat drei Zacken 87a, 87b und 87c, die jeweils zwischen den lichtemitierenden Dioden und den Phototransistoren, die als Optosensor 91, 92 und 93 bezeichnet werden, rotieren, und so jedesmal, wenn eine Zacke den Lichtweg in diesen Einrichtungen unterbricht oder freigibt, ein Kommutationssignal erzeugen. Daher erzeugt eine Umdrehung des Motors 18 Kommutationsimpulse in einer zeitgesteuerten Abfolge basierend auf der relativen Positio nierung der Optosensorstellung bezüglich der Radstellung. Da drei Optosensoren in festem Abstand um den Umlaufweg des Ra des angeordnet sind, unterbricht jede Zacke des Rades den Lichtweg der jeweiligen Sensoren in einer vorgegebenen Se quenz entsprechend der Kommutationssequenz der Motorwicklun gen. Die Signale, die diese Kommutationssequenz darstellen, werden mit der Motorsteuerschaltung 60 über Leitungen 84 verbunden. Die primären Ausgangssignale der Motorsteuerschaltungen 60 sind sechs Basisantriebssignale 120, die mit der Motorantriebsschaltung 70 verbunden sind. Diese sechs Signale entsprechen den Basisantriebssignalen für die Transistoren U1, U2, V3, V4, W5 und W6, wie in Fig. 3A darge stellt.

Die Motorsteuerschaltung 60 erhält ebenso zwei Eingangssi gnale von den Umkehrbremsverstärkern 211a und 211b. Diese Verstärker werden durch ein "BRK 1"-Signal vom Mikroprozessor 50 zu einem Zeitpunkt aktiviert, an dem die Vorrichtung er faßt, daß eine Umkehrbremsung erforderlich ist. Die beiden Signale an die Motorsteuerschaltung 60 wechseln die Betriebs art der Motorsteuerung 60 von "2-QUAD-Zerhacken" auf "4-QUAD- Zerhacken", das heißt, daß die normale Zerhacksequenz der Motorsteuerung 60 (2-QUAD) so verläuft, daß einer der beiden Schalttransistoren während der gesamten Kommutationsperiode eingeschaltet ist, und der andere Transistor während des Zer hackanteiles der Periode ein- bzw. ausgeschaltet wird. Wäh rend des Umkehrbremsvorganges wechselt die Zerhacksequenz auf "4-QUAD", wodurch die beiden Transistoren während des Zerhackintervalles der Kommutationsperiode gleichzeitig ein und ausgeschaltet werden. Dieses gleichzeitige Schalten er laubt den Stromfluß in den Motorwicklungen in umgekehrter Richtung der normalen Phasenströme, um so einen Bremseffekt auf die Rotation des Läufers zu bewirken. Darüber hinaus tritt dieser Strom durch den Stromsensor 40 und die Größe des Stromes wird durch die gleichen Techniken wie bei den norma len Phasenströmen gesteuert.

Fig. 8 zeigt den Mikroprozessor 50 und dazugehörige Schaltun gen. Der Mikroprozessor 50 berechnet ein digitales 10-bit- Sollwertsignal und überträgt dieses Signal zum D/A-Wandler 30 über Anschlüsse P 1.0 bis P 1.7 und P 2.0 bis P 2.1. Der ana loge Signalausgang vom D/A-Wandler 30 wird über den Ausgangsanschluß 106 zur Summierschaltung 63 übertragen und gangssignal im Vergleicher 209 ist das vom Bedienungspersonal einstellbare Sollwertsignal über den Anschluß 110. Das Aus gangssignal vom Vergleicher 209 wird zum Mikroprozessor 50 zurückgeführt, um einen Sollwertzähler zu aktualisieren. Wenn der zählergetriebene Sollwert, der vom D/A Wandler 30 umge wandelt wird, dem Sollwertsignal am Anschluß 110 entspricht, kehrt der Mikroprozessor 50 die Zählrichtung um und zählt an schließend um einen Zähler nach oben und um einen Zähler nach unten um den Sollwertausgleichspunkt, bis eine weitere Dis krepanz vom Vergleicher 209 erfaßt wird.

Weiter empfängt der Mikroprozessor 50 Binärsignale, die die Drehzahl und Drehrichtung des Motors 90 darstellen. Diese Si gnale stammen aus der Schaltung 85 des Encoders 80, der me chanisch am Motor 90 angebracht ist (s. Fig. 9). Sie werden über Anschlüsse 107 und 108 zur Drehzahl/Richtungsschaltung 82 übertragen. Die an den Anschlüssen 107 und 108 empfangenen Signale sind Opto-Unterbrechersignale, wobei das Signal am Anschluß 107 das Unterbrechen des Lichtstrahles des Opto-Sen sors 95 durch eine erste Kante der jeweiligen umlaufenden En coderzacke 94 darstellt und das Signal am Anschluß 108 das Unterbrechen des Lichtstrahles des Opto-Sensors 96 durch die zweite Kante der umlaufenden Encoderzacke 94. Die Sequenz des Signalempfanges an den Anschlüssen 107 und 108 gibt einen Hinweis auf die Drehrichtung des Läufers des Motors 90 und die Messung der Zeit zwischen den vom Anschluß 107 emp fangenen Signalen stellt die Drehzahl des Läufers des Motors 90 dar. Die am Anschluß 107 erhaltenen Signale werden durch Wechselrichter 201a und 201b geleitet, um eine Flip-Flop- Schaltung 202 entweder einzustellen oder rückzustellen. Das am Anschluß 108 empfangene Signal durchläuft einen Wechsel richter 201c, um für die Flip-Flop-Schaltung 202 als Taktge ber zu wirken. Die Empfangssequenz dieser Signale steuert den Status der Flip-Flop-Schaltung 202, die mit Anschluß 2.2 des Mikroprozessors 50 verbunden ist. Der Mikroprozessor 50 ist daher in der Lage, die Empfangssequenz dieser Signale zu be stimmen und damit die Drehrichtung des Läufers. Das am An schluß 107 erhaltene Signal ist auch mit einem Eingang des Typs INTO des Mikroprozessors 50 verbunden. Der Mikroprozes sor 50 mißt die Zeitspanne zwischen Gruppen von drei Vor wärtssignalen, die an diesem Eingang empfangen werden, und ist daher in der Lage, die Drehzahl des Motorläufers zu er rechnen. Wechselrichter 201a, b und c sind im Handel erhält liche Schaltung, wie z. B. des Typs SN54LS14J, hergestellt von Texas Instruments. Die Flip-Flop-Schaltung 202 ist eine her kömmliche duale J-K Flip-Flop-Schaltung, wie etwa des Typs SN 54LS107J, hergestellt von Texas Instruments.

Das Verfahren zur Überwachung der verschiedenen Motorwerte und zur Durchführung der erforderlichen Messungen und Berech nungen zum Erzielen der gewünschten Motordrehzahl/Dreh momentkurve in Fig. 1B ist in Fig. 10 dargestellt. Fig. 10 bezieht sich auf die Werte, die während jeder Kommu tationsperiode gemessen und gesteuert werden, um den geeigne ten Zerhackintervall für die Stromsteuerung des Motors zu be stimmen. Zunächst wählt bei Schritt 501 der Maschinenwärter von Hand einen Drehmomentsollwert durch Einstellen eines Potentiometers oder eine ähnlichen Einrichtung. Dies erzeugt einen Sollwertstrom I_COM. Der Stromwert I_COM steuert letztendlich in Verbindung mit den anderen überwachten Werten die Motorzerhackintervalle. In Schritt 502 wird die Motor drehzahl überwacht, um eine resultierende Spannung I_SPD zu erzeugen und in Schritt 503 wird ein modifizierter Sollwert strom I_MOD erzeugt. Der modifizierte Strom I_MOD wird der Summe von I_COM + I_SPD angeglichen.

Der momentane Motorantriebsstrom wird in Schritt 504 über wacht, um so einen Strom I_BUS zu erzeugen. Der Strom I_BUS wird bei Schritt 505 von der internen Schaltung verarbeitet, um den momentanen Motorspitzenstrom I_PEAK zu erfassen und festzuhalten. Diese Erfassungs- und Haltefunktion wird durch Laden eines Kondensators mit einer Spannung, die I_PEAK darstellt, erreicht. Der Kondensator wird mit einer Steuerge schwindigkeit von einem Signal, das die Motordrehzahl I_SPD darstellt, entladen, um den Motorwicklungsphasenstrom I_PHASE zu simulieren, der bei 506 auftritt. Der simulierte Phasen strom I_PHASE kann durch Entladen des Kondensators 49 in einer zeitgesteuerten Rate entsprechend der Gleichung I_PHASE = I_PEAK x (1 - nt) erzeugt werden, wobei n eine Konstante ist und t der Kehrwert von I_SPD. Dieser simulierte Phasenstrom wird anschließend in den übrigen Schritten des Betriebsver fahrens verwendet, um letztendlich den Zerhackintervall des Motorantriebsstromes zu steuern.

Bei 507 wird der Strom I_PHASE mit dem Strom I_MOD verglichen, um zu bestimmten, ob der Strom I_PHASE größer ist als der Strom I_MOD. Ist der Strom I_PHASE größer, so wird ein Strom I_ERROR erzeugt und der Wert wird auf den Unterschied zwischen dem Strom I_PHASE minus I_MOD eingestellt, der in Schritt 508 mit einem Faktor 10 multipliziert wird. Ist der Strom I_PHASE nicht größer als I_MOD so wird der Strom I_ERROR in Schritt 509 auf null gesetzt. In jedem Fall wird in Schritt 510 eine Berechnung durchgeführt, um einen Strom I_SET zu erzeugen, der gleich der Summe von I_MOD plus I_ERROR eingestellt wird. Bei Schritt 511 wird ein Vergleich zwischen I_BUS und I_SET durch geführt. Ist I_BUS nicht gleich I_SET, so führt der Überwa chungsprozeß zu Schritt 504 zurück. Ist I_BUS gleich I_SET, so wird in Schritt 512 der Motorantriebsstrom für die verblei bende Dauer der Zerhackperiode zerhackt. Anschließend läuft der Vorgang in der nächsten und den nachfolgenden Zer hackperioden wiederholt ab.

In vorstehender Beschreibung ist das Verfahren zur Steuerung des Motorantriebsstromes zum Erzielen eines relativ konstan ten Drehmoments über einen äußerst breiten Drehzahlbetriebs bereich beschrieben. Das Verfahren gleicht die Auswirkungen der Motordrehzahlveränderungen und der Gegen-EMK des Motors aus, die mit zunehmender Motordrehzahl in immer stärkerem Maß aus, die mit zunehmender Motordrehzahl in immer stärkerem Maß entwickelt wird.

Der Betrieb der Motorbremsschaltungen der vorliegenden Erfin dung kann auch unter Bezug auf die Definitionen der verschie denen Ströme in den vorstehenden Absätzen erläutert werden. Die Motorbremssequenz wird eingeleitet, wenn die Verände rungsrate der Motordrehzahl unter einen vorgegebenen konstan ten Wert fällt. Das heißt, wenn der Motor mit einer größeren als der vorgegebenen Geschwindigkeit verzögert. Dieser Zu stand wird vom Mikroprozessor 50 erfaßt, wenn die Verände rungsrate der an INTO gemessenen Zeitdauer einen vorgebenen negativen Wert übersteigt. Dieser Wert wird bei der Program mierung des Mikroprozessors 50 eingestellt und führt dazu, daß der Mikroprozessor 50 sowohl ein BRK 1 als auch ein BRK 2-Signal abgibt. Das BRK 1-Signal verursacht die Umkehrung der Motorkommutationssequenz und schaltet ebenfalls den Motorbetrieb auf den "4-QUAD"-Modus, wodurch ein gleichzeiti ges Schalten der Motorantriebstransistoren verursacht wird. Das Signal BRK 2 führt dazu, daß die Spannung I_PHASE gleich I_BUS eingestellt wird, und der Strom I_COM wird durch einen neu definierten Strom I_BRAKE ersetzt, wobei der Strom I_BRAKE gleich einer Konstanten ist, die mit der Läuferdrehzahl mul tipliziert wird. Bezogen auf Fig. 10 wird unter diesen Be triebsbedingungen bei Schritt 501 der neue Sollwert I_BRAKE. Bei Schritt 503 ist der modifizierte Werte I_MOD gleich I_BRAKE plus I_SPD. In den Schritten 505 und 506 wird I_PHASE t zwangs weise gleich I_BUS. Daher wird bei Schritt 507 der Vergleich zu einer Feststellung, ob I_BUS größer oder kleiner als I_MOD ist. Aufgrund der Natur der Umkehrbremsung ist I_BUS zu Beginn der reinen Zerhacksequenz immer kleiner als I_MOD. Dies führt dazu, daß die Schritte 508 und 507 ignoriert werden, da I_ERROR in jedem Fall null ist. Bei Schritt 510 wird I_SET gleich I_MOD und bei Schritt 511 wird verglichen, ob I_BUS gleich I_MOD ist. Bei Schritt 512 wird der Motorantriebsstrom abgeschaltet, wenn I_BUS gleich I_MOD ist, was jedoch unter "4- QUAD" Betriebsbedingungen geschieht. Das bedeutet, daß die beiden Motorantriebstransistoren gleichzeitig abgeschaltet werden. Wie in Fig. 3A gezeigt, bewirkt das gleichzeitige Ab schalten von zwei Motorantriebstransistoren den freien Durch lauf des rücklaufenden Motorantriebsstromes durch die Umkehr dioden zurück in die Speicherkondensatoren der Spannungs gleichrichterschaltungen 20. Dieser rücklaufende Umkehrstrom wird vom Motorantriebsstrom abgezogen, um so die Bremsenergie in Form von elektrischer Energie abzuführen, die in den Spei cherkondensatoren des Gleichrichters gespeichert wird und wandelt im wesentlichen die Trägheitsenergie des Läufers in gespeicherte elektrische Energie um.

Claims

1. Vorrichtung zur Steuerung des Antriebsbusstromes in einem Gleichstrommotorantrieb durch selektives Steuern der Schalt intervalle mehrerer Wechselrichterschalter, die mit den Motorfeldwicklungen gekoppelt sind, umfassend

a) Mittel zur manuellen Vorwahl eines Drehmomentsollwertes, der das gewünschte, vom Motor abzugebende Drehmoment be stimmt;
b) Mittel zur Überwachung des momentanen Motorantriebsbus stromes und der Drehzahl des Motorläufers und zur Erzeugung von Steuersignalen aus diesen;
c) Mittel zur Modifizierung des Drehmomentsollwertes, die auf das Steuersignal der Läuferdrehzahl des Motors reagieren, um einen modifizierten Sollwert zu erzeugen;
d) Mittel zur Simulation eines Motorwicklungsphasenstromes durch Verwendung des Motorantriebsbusstromes und der Läufer drehzahlsteuersignale, um ein simuliertes Motorphasenstrom signal zu erzeugen, und
e) Mittel zur Verwendung des modifizierten Drehmomentsollwer tes und des simulierten Motorphasenstromsignals, die ein Steuersignal zum Abschalten der Wechselrichterschalter erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Überwachen des momentanen Motorantriebs busstromes und zum Erzeugen der Steuersignale daraus weiter einen Stromsensor und Schaltungen umfaßt, die ein Signal I_BUS erzeugen, das den Motorantriebsbusstrom darstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum manuellen Vorwählen eines Drehmomentsoll wertes weiter eine Schaltung zum Entwickeln eines Signales I_COM umfaßt, das diesen Drehmomentsollwert darstellt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Überwachen der Läuferdrehzahl des Motors und zur Erzeugung der Steuersignale daraus weiter eine Schal tung umfaßt, die ein Signal I_SPD erzeugt, das die Läufer drehzahl des Motors darstellt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Abänderung des Drehmomentsollwertes weiter eine Schaltung zum Erzeugen eines Signales I_MOD umfaßt, das die Summe von I_COM und I_SPD darstellt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Überwachen des momentanen Motorantriebs busstromes und zur Erzeugung der Steuersignale daraus weiter Schaltungen umfaßt, die zum Empfang des Signales I_BUS ver bunden sind und ein Signal I_PEAK erzeugen, das den Spitzen wert von I_BUS darstellt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Überwachen des momentanen Motorbusstromes und zur Erzeugung von Steuersignalen daraus weiter Schaltun gen umfaßt, die zum Empfang des Signales I_PEAK und des Si gnales I_SPD verbunden sind, um ein Signal I_PHASE zu erzeugen, das den Motorwicklungsphasenstrom darstellt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Verwendung des modifizierten Sollwertes und des Motorphasenstromsignals weiter Schaltungen umfaßt, die das Signal I_PHASE mit dem Signal I_MOD vergleichen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Verwendung des modifizierten Sollwertes und des Motorphasenstromsignales weiter den Vergleich von I_PHASE mit I_MOD umfaßt und weiterhin Schaltungen zum Erzeugen eines Fehlersignales I_ERROR, wenn I_PHASE größer ist als I_MOD, wobei die Größe von I_ERROR proportional zum Unterschied zwi schen I_PHASE und I_MOD ist, und weiter Schaltungen umfaßt, die zur Erzeugung eines Fehlersignales I_ERROR dienen, das gleich null ist, wenn I_PHASE nicht größer ist als I_MOD.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Verwendung des modifizierten Sollwertes und des Motorphasenstromsignales weiter Schaltungen umfaßt, die zum Empfang des Motorstromsignales und des I_ERROR-Signales verbunden sind, und die ein Signal I_SET erzeugen, das die Summe von I_MOD und I_ERROR darstellt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Abschalten der Wechselrichterschalter wei ter eine Schaltung umfaßt, die das I_BUS-Signal mit dem I_SET- Signal vergleicht und ein Abschaltsignal für die Wechsel richterschalter erzeugt, wenn I_BUS gleich I_SET ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend Mittel zum Berechnen der Veränderungsrate der Läuferdrehzahl des Motors und Mittel zum Vergleichen der errechneten Änderungsrate mit einem vorgegebenen Wert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, weiter umfassend Mittel zum Erzeugen eines BRK 1- und eines BRK 2-Signales, wenn das Mittel zum Vergleich zeigt, daß die errechnete Änderungsrate gleich oder größer als der vorgege benen Wert ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, weiter umfassend Mittel zum Empfangen des BRK 1-Signales und Mittel zum Umkehren der Kommutationssequenz des Motors in Re aktion darauf.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, weiter umfassend Mittel zum Empfangen des BRK 2-Signals und Mittel, die in Reaktion darauf das simulierte Motorphasen stromsignal gleich dem Steuersignal des Motorantriebsbusstro mes setzen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, weiter umfassend weitere Mittel zum Verändern des Drehmo mentsollwertes auf einen Wert, der einer Konstanten multi pliziert mit dem Steuersignal für die Drehzahl des Motorläu fers gleich ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Modifizieren des Drehmomentsollwertes in Reaktion auf das Steuersignal für die Drehzahl des Motorläu fers weiter die Erzeugung eines modifizierten Signales I_MOD umfaßt, das gleich ist der Summe des Steuersignals der Dreh zahl des Motorläufers und dem multiplizierten Drehmo mentsollwert.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Simulieren des Phasenstromes weiter das Simulieren eines Phasenstromes umfaßt, der gleich dem mo mentanen Motorantriebsbusstrom ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Verwenden des modifizierten Drehmo mentsollwertes und des simulierten Motorphasensignales weiter die Verwendung des Signales I_MOD und des momentanen Mo torantriebsbusstromes umfaßt und das Mittel zum Erzeugen ei nes Steuersignales zum Abschalten der Wechselrichterschalter das Abschalten der Wechselrichterschalter umfaßt, wenn das Signal I_MOD gleich dem momentanen Motorfeldwicklungsstrom ist.

20. Gleichstrommotorantrieb mit variablen Lastbedingungen, der Halbleiterschalter umfaßt, die zwischen einer Gleich stromquelle und den Gleichstrommotorfeldwicklungen geschaltet sind, wobei die Verbesserung der Steuerung dieser Schalter zum Erzeugen eines konstanten Motordrehmomentes entsprechend einem manuell voreingestellten Drehmomentsollwert umfaßt:

a) Mittel zum Überwachen des Gleichstrommotorbusspitzenstro mes und Mittel zum Erzeugen eines ersten Steuersignales (I_PEAK) in Reaktion darauf,
b) Mittel zum Überwachen der Läuferdrehzahl des Gleichstrom motors und zum Erzeugen eines zweiten Steuersignales ( I_SPD) in Reaktion darauf,
c) Mittel zum Erzeugen eines dritten Steuersignales ( I_MOD) durch additives Kombinieren des zweiten Steuersignales mit dem Sollwert,
d) Mittel zum Erzeugen eines vierten Steuersignales (² PHASE) durch lineares Reduzieren des ersten Steuersignales über die Zeit,
e) Mittel zum Vergleichen des dritten Steuersignals und des vierten Steuersignals einschließlich Mittel zum Erzeugen ei nes Fehlersignals, wenn das vierte Steuersignal das dritte Steuersignal übersteigt,
f) Mittel zum Erzeugen eines fünften Steuersignals durch ad ditives Kombinieren des Fehlersignales und des dritten Steu ersignales, und
g) Mittel zum Abschalten der Schalter, wenn das fünfte Steu ersignal gleich dem Motorfeldwicklungsstrom wird.

21. Verfahren zur Steuerung eines Gleichstrommotorantriebes zur Erzeugung eines konstanten abgegebenen Drehmomentes unter variablen Lastbedingungen, reagierend auf einen vorgewählten Drehmomentsollwert, durch Steuerung des Gleichstrommotoran triebsbusstromes I_BUS, umfassend die Schritte:

a) Auswählen eines Sollwertstromes I_COM entsprechend dem vor gewählten Drehmomentsollwert,
b) Überwachen des momentanen Motorantriebsbusstromes I_BUS,
c) Überwachen der Motordrehzahl und Erzeugen einer Spannung I_SPD in Reaktion darauf,
d) Modifizieren von I_COM entsprechend mit I_SPD, um I_M0D = I_COM + I_SPD zu bilden,
e) Simulieren des Motorphasenstromes I_PHASE durch lineares Verringern der Spitzenwerte von I_BUS in einer Zeitrate entsprechend I_SPD,
f) Vergleichen von I_PHASE mit I_MOD und Erzeugen eines Feh lersignales, das proportional zur Differenz ( I_PHASE - I_MOD) ist,
g) Bilden eines neuen Sollwertsignales I_SET, das gleich der Summe von I_MOD plus dem Fehlersignal ist, und
h) das Abschalten des Stromes I_BUS, wenn I_SET gleich I_BUS ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet daß der Schritt der Simulation des Motorphasenstromes I_PHASE weiter das Erfassen des Spitzenwertes I_PEAK von I_BUS umfaßt und das lineare Verringern von I_PEAK, um I_PHASE gemäß der Beziehung I_PHASE = I_PEAK (1-nt) umfaßt, wobei n eine Kon stante und t der Kehrwert von I_SPD ist.

23. Verfahren auch Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vergleiches von I_PHASE mit I_MOD weiter die Erzeugung eines Nullfehlersignales I_ERROR = 0 umfaßt, wenn I_PHASE nicht größer ist als I_MOD und das Erzeugen eines Fehlersignales I_ERROR = ( I_PKASE - I_MOD) × 10, wenn I_PHASE größer ist als I_MOD.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Abschaltens des Stromes I_BUS weiter das Abschalten der Wechselrichterantriebstransistoren des Gleich strommotors umfaßt.

25. Verfahren zur Steuerung eines Gleichstrommotorantriebes unter variablen Lastbedingungen, umfassen die Schritte:

a) manuelles Einstellen eines Motordrehmomentsollwertes I_COM,
b) Überwachen des momentanen Motorantriebsbusstromes I_BUS′
c) Überwachen der Motordrehzahl I_SPD,
d) Modifizieren des Sollwertes I_COM entsprechend dem Zuwachs der Motordrehzahl I_SPD, um so ein modifiziertes Soll wertsignal I_MOD zu bilden,
e) das Erfassen der Spitzenwerte I_PEAK des Motorantriebsbus stromes I_BUS,
f) das lineare Verringern der erfaßten Spitzenwerte in einem Zeitverhältnis entsprechend der Motordrehzahl, um einen Mo torphasenstrom I_PHASE zu simulieren,
g) das Vergleichen des simulierten Motorphasenstromes I_PHASE mit I_MOD und das Erzeugen eines Fehlersignales, wenn der si mulierte Motorphasenstrom größer ist als der erhöhte Soll wert, wobei die Größe des Fehlersignales wesentlich größer ist als die Differenz zwischen dem simulierten Motorpha senstrom und dem erhöhten Sollwert,
h) das Addieren des Fehlersignales zu I_MOD, um ein neues Si gnal I_SET zu erzeugen,
i) das Vergleichen des neuen Signales I_SET mit dem überwach ten Antriebsbusstromsignal, und
j) das Abschalten des Antriebsbusantriebsstromes, wenn das überwachte Antriebsbusstromsignal gleich dem neuen Signal I_SET wird.