DE4323504A1 - Bestromungsschaltung für kollektorlose Gleichstrommotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bestromungsschaltung mit einer Kommutierungsschaltung für kollektorlose Gleichstrommotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Bestromungsschaltung für ein- oder zweisträngige, zweipulsige Gleichstrommotoren, und dient zum Beispiel einer Drehzahlreglung oder einer Drehzahleinstellung bei solchen Motoren.

Eine solche Schaltung ist bekannt aus der DE-38 17 870 A1.

Es ist Aufgabe der Erfindung, unter Beibehalt der nützlichen Schaltungseigenschaften dieser bekannten Schaltung eine noch weiter vereinfachte Bestromungsschaltung bzw. -vorrichtung zu schaffen, welche insbesondere für höhere Betriebsspannungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Ansteuerschaltung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dies gelingt gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise dadurch, daß folgende wenige Einzel-Schaltelemente bzw. -maßnahmen in kostengünstiger Weise und mit geringem schaltungstechnischem Aufwand kombiniert werden:

• - Ein Hall-IC mit antivalent arbeitenden Ausgängen wirkt auf eine Integratorstufe ein, welche trapezförmige Steuerimpulse an ihrem Ausgang erzeugt.
• - Ein ansteuerbarer Impulsgenerator, dessen Ausgangsspannung ein variables Tastverhältnis aufweist, bewirkt über eine Mischstufe ein getaktetes Ausgangssignal für eine getaktete (pulsweitenmodulierte) Bestromung des nachgeschalteten Motors.
• - Es werden relativ schnell schaltende Darlington- Transistoren zur Bestromung des nachgeschalteten Motors spezifiziert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Beispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ansteuerschaltung, aufgeteilt in mehrere Schaltungsblöcke, zur Beeinflussung der Impulsform von Ansteuersignalen.

Fig. 2 eine zweite Ansteuerschaltung in vereinfachter Ausführungsform.

Fig. 3 ein erstes Impulsdiagramm

Fig. 4 ein weiteres Impulsdiagramm mit pulsweitenmodulierten Pulszügen

Fig. 5 ein weiteres Impulsdiagramm mit pulsweitenmodulierten Pulszügen

Fig. 6 ein weiteres Impulsdiagramm zur Wiedergabe bzw. Darstellung des Gesamt-Spulenstrom eines Motors, der mit einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung bestromt wird.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 befindet sich zwischen einer ersten Versorgungsspannungsleitung 50 und einer Bezugspotentialleitung 10 ein Hall-IC 1 mit zwei antivalent wirkenden, d. h. im wesentlichen komplementären Ausgängen.

Das Hall-IC 1 dient zur Erfassung der Rotorstellung eines bürstenlosen Gleichstrommotors in an sich bekannter Weise. Seine Ausgangssignale werden auf die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker bzw. Komparatoren 12 und 32 geschaltet, deren nicht-invertierende Eingänge mit einer Spannung versorgt werden, deren Größe etwa 1/3 der genannten ersten Versorgungsspannung beträgt.

Die zeitliche Folge der Ausgangssignale des IC 1 ist dabei so, daß vor Aktivierung eines der beiden Ausgangssignale des jeweils andere deaktiviert wird, so daß eine Überlappung von aktiven Signalpegeln in zeitlicher Nähe der Umschaltpunkte (Kommutierungszeitpunkte) verhindert wird.

Die Operationsverstärker 12 und 32 arbeiten mit maximaler Verstärkung und erzeugen an ihrer Ausgängen Ausgangssignale von annähernd rechteckförmiger Gestalt.

Diese Signale werden über eine RC-Spannungsteilerschaltung bestehend aus Widerstand 14 und Kondensator 15 (bzw. 34 und 35) unter Einbezug des Operationsverstärkers 13 (bzw. 33) integriert. Die Anstiegs- bzw. Abfallflanken dieser Signale werden also verrundet bzw. abgeschrägt.

Diese Maßnahme dient dazu, die Bestromung der Motorspulen 24 und 44 mittels der Endstufen 23 und 43 nicht schlagartig vorzunehmen sondern mit einer vorgegebenen Übergangszeit, welche etwa einige Prozent bis einige Zehntel der Zeit eines Komutierungszyklus beträgt. Diese Maßnahme hilft nämlich bei der Vermeidung von Motorgeräuschen. Zu diesem Zweck werden die Ausgänge des Operationsverstärkers 13 über einen Widerstand 16 und eine Diode 18 mit der Basis eines Transistors 19 beschaltet, welche zusätzlich mit einem Widerstand 20 gegen Masse geschaltet ist. Der Transistor 19 ist als Emitterfolger geschaltet. Sein Emitterwiderstand 21 bewirkt im Zusammenspiel mit dem gemeinsamen Kollektor-Vorwiderstand 4 eine Begrenzung seines Ausgangssignals, welches über den Widerstand 22 auf die Basis eines Darlingtontransistors 23 geschaltet wird. Dieser Transistor 23 ist emitterseitig direkt mit Masse verbunden und kollektorseitig direkt mit einer von zwei Motorspulen verbunden.

Der Schaltungsteil in der unteren Hälfte der Fig. 1 ist bezüglich der aktiven und passiven Bauteile (32 bis incl. 43) funktional praktisch identisch mit dem vorstehend beschriebenen Schaltungsteil aus der oberen Hälfte der Fig. 1.

Mittels der RC-Kombination 14, 15 wird für die Endstufen 23, 43 also eine maximale Stromanstiegsgeschwindigkeit definiert, und mittels der Widerstandskombination 4, 21 bzw. 4, 41 wird für die Wicklung 24 und 44 ein maximal erreichbarer Motorspulen-Strom vorgegeben.

Die Signalgabe des Hall-ICs stellt sicher, daß stets nur eine Endstufe bzw. Spule des Motors bestromt wird. Dies beruht wie bereits oben beschreiben darauf, daß die antivalent arbeitenden Ausgänge des Hall-ICs nahezu komplementäres Schaltverhalten aufweisen, wobei bei einem Pegelwechsel der Ausgangssignale dieses ICs dafür gesorgt ist, daß immer zunächst der logisch aktive Pegel zurückgeschaltet wird und erst nach einer kurzen Schaltpause der antivalente, also logisch inaktive Pegel, auf einen logisch aktiven Status umgeschaltet wird.

Neben der Versorgung der Endstufen mit Ansteuerspulen, deren Größe als Funktion der Zeit einem vordefinierten Muster entspricht, ist darüberhinaus gemäß der Erfindung eine Einstellung des Gesamtstroms für die Motorwicklungen möglich.

Dies geschieht mittels einer Pulsweitenmodulationsstufe 70, welche mit nur einem Transistor 71 und zwei Dioden 17, 37 bestückt ist. Diese wird von einem impulsweiten-modulierten Signal angesteuert und wirkt auf beide Kanäle der erfindungsgemäßen Schaltung gleichzeitig ein.

Jeweils leitende Endstufen der Ansteuer- bzw. Bestromungsschaltung werden auf diese Weise mit einer hohen Frequenz (entsprechend einer Frequenz aus dem akustischen Ultraschallbereich) kurzfristig unterbrochen, d. h. pulsweitenmoduliert. Der Spulenstrom vermag den schnellen Änderungen des Schaltungszustandes der Endstufen nicht zu folgen und stellt sich je nach Tastverhältnis der Ansteuerspannung für Transistor 71 mit höherem oder niedrigerem gleitendem Mittelwert ein.

Bei der Verwendung der erfindungsmäßig spezifizierten Darlington- Transistoren als Endstufen-Transistoren ist es im allgemeinen nicht notwendig, Endstufen oder Motorspulen mit sog. Freilaufdioden zu versehen, da solche Freilaufdioden zumeist als parasitäre Dioden (Reversdioden) in handelsüblichen Darlingtontransistoren vorhanden sind.

Die Motorstrom-Änderung mittels Pulsweitenmodulation kann erfindungsgemäß für folgende Maßnahmen vorteilhaft eingesetzt werden:

Zum einen ist es möglich, ein und denselben Motor an unterschiedlich hohen Versorgungsspannungen zu betreiben. Hierzu muß lediglich das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulationsspannung an die Versorgungsspannung des Motors angepaßt werden, so daß ein vorgegebener maximaler Spulenstrom der einzelnen Spulen des Motors nicht überschritten wird, wobei naturgemäß auch der maximal zulässige Strom durch eine Endstufe 23, 43 nicht überschritten werden darf.

Zum anderen kann die Modulation des Motorstroms insbesondere dazu dienen, unterschiedlich hohe Motor-Drehmomente bereitzustellen, so daß bei Abweichung der Motor-Drehzahl von einer Soll-Drehzahl ein übergeordneter Regler den Motorstrom so nachführt, daß eine nahezu konstante Motordrehzahl erreicht wird. Da solche Motor- Drehzahlregelungen vom Prinzip her bekannt sind, ist es auch möglich, mittels einer Kombination der erfindungsgemäßen Schaltung und einer Pulsweitenmodulationsstufe eine kontinuierliche oder nahezu sprungweise Änderung einer aktuellen Ist-Drehzahl zu bewirken. Hierzu ist es lediglich erforderlich, eine Zusammenschaltung mit geeigneten Reglern oder Stelleinrichtungen gemäß bekanntem Stand der Technik vorzunehmen. Auf diese Weise kann der zugeschaltete Motor zum Beispiel aufgrund einer gemessenen Temperatur, eines Drucks oder Differenz solcher Größen auf unterschiedliche Drehzahlen gebracht werden.

Weitere erfindungsgemäße Aspekte der Schaltung gemäß Fig. 1 sind folgende:

Durch Einwirkung derr PWM-Stufe 70, die z. B. mit einem Transistor 71 realisiert wird und die von einem (nicht gezeigten) PWM- Oszillator angesteuert wird, dessen Ausgangsspannung ein variables Tastverhältnis aufweist, wird das normalerweise positive Potential am Meßpunkt Mp2 bei leitender Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 71 annähernd gegen Masse geschaltet. Ein positives Potential an Meßpunkt 3 wird auf diese Weise ebenfalls gegen null geführt. Hierauf folgen die Kollektorströme der Transistoren 19 und 23 und gehen ebenfalls gegen null, der Stromfluß durch Spule 24 wird dementsprechend ebenfalls reduziert.

Da Transistor 19 als Emitterfolger geschaltet ist, erfolgt keine Phasenumkehr des Eingangssignals. Gleichzeitig wird durch den Emitterwiderstand 21 von z. B. 100 Ohm und durch den Kollektorwiderstand 4 von z. B. 820 Ohm eine Gegenkopplung hervorgerufen, was zwar eine reduzierte Verstärkung der Treiberstufen 19 und 39 verursacht, dafür aber die Möglichkeit bietet, die maximale Verstärkung der Eingangssignale auf einen gewünschten Wert einzustellen oder zu limitieren. Dies wird durch geeignete Wahl des Verhältnisses von Widerstand 4 und 21 bzw. 41 erreicht.

Fig. 2 zeigt, wie unter Verzicht auf die Strombegrenzungsfunktion eine einfachere Schaltung bereitgestellt werden kann, welche auf die Treibertransistoren 19 und 39 verzichtet. Wie ersichtlich, existiert gemäß Fig. 2 ein funktional gleicher Schaltungsaufbau für Hall-Element und nachfolgende Operationsverstärker 12, 13, 32 und 33, und auch hier wird das Ausgangsmaterial über entsprechende Ableitdioden 17, 37 und den zugehörigen Pulsweitenmodulator-Transistor 71 intermittierend gegen Masse (Bezugspotential) abgeleitet, bei geöffnetem, also wenig leitfähigem Transistor 71 gelangen diese Signale über die Widerstände 22, 42 direkt auf die Basen der Endstufentransistoren 23 und 43.

Wie im vorhergehenden Falle gemäß Beschreibung zu Fig. 1 wird auch in der Schaltung gemäß Fig. 2 durch die pulsierende Bestromung der Motorspulen 24 und 44 dafür gesorgt, daß die Motorstromstärke im zeitlichen Verlauf im wesentlichen einen gewünschten, annähernd trapezförmigen Verlauf aufweist und induktivitätsbedingte Stromanstiegs- bzw. Stromabfallzeiten von untergeordneter Bedeutung sind.

Weitere Einzelheiten zur Wirkungsweise der genannten Ansteuerschaltung ergeben sich aus den Impulsdiagrammen Fig. 3 bis Fig. 6.

Fig. 3 stellt zwei zeitsynchrone Oszillogramme dar, welche den Spannungsverlauf an den Meßpunkten Mp1 und Mp2 einer Schaltung gemäß Fig. 1 wiedergeben.

Der an Meßpunkt 1 abgegriffene Spannungsverlauf (CH2) ist ersichtlich von praktisch rechteckförmiger Gestalt, sein Tastverhältnis ist etwas kleiner als 50%. Durch die Signalbearbeitung mittels der Operationsverstärker 12 und 13 ergibt sich ein Spannungsverlauf an Meßpunkt Mp2, wie er in der unteren Hälfte des Oszillogramms (CH1) dargestellt ist, und der auf die integrierende Funktion des Operationsverstärkers 13 zurückzuführen ist. Die Integrationszeitkonstanten sind aufgrund des pegelabhängigen Ausgangswiderstandes von Operationsverstärker 12 von unterschiedlicher Höhe. Dieses an Meßpunkt Mp2 anliegende Spannungssignal bewirkt damit den mittleren zeitlichen Verlauf eines Spulenstroms durch die Motorspule 24 mit rampenförmig ansteigenden und abfallenden Stromstärken, wie dies im folgenden näher erläutert wird.

In Fig. 4 wird der zeitliche Verlauf der Motoransteuerungssignale wiedergegeben, wie er an Meßpunkten (CH2) und Mp4 (CH1) beim Betrieb des Motors gemessen wird. Positive Spannungspegel an Mp3 werden durch die Pulsweitenmodulationsstufe 70 unter Zuhilfenahme der Trenndiode 17 periodisch und mit vorgegebenem Tastverhältnis gegen null geführt, die Einhüllende der Impulse an Mp3 weist aufgrund der analog arbeitenden Schaltungsweise der beteiligten Verstärkerelemente weiterhin die gewünschten ansteigenden und abfallenden Flanken auf. Das an Mp3 anliegende Signal wird über die Pegelangleich-Diode 18 auf die Basis des Transistors 19 geleitet, welche noch mit einem Ableitwiderstand 20 beschaltet ist, wobei dieser Verschaltungspunkt gleichzeitig den Meßpunkt Mp4 darstellt. Das dort anliegende Signal erfährt durch den Transistor 19 eine Impedanzwandlung, so daß sich ein zeitlicher Verlauf des Signals an Meßpunkt Mp5 (Emitteranschluß des Transistors 19) einstellt, wie es in Fig. 5 durch Oszillogramm CH2 in gestreckter Darstellung wiedergegeben ist. Wie man erkennt, ist die Einhüllende der getakteten Einzelpulse mit ansteigenden und abfallenden Schrägungen (Rampen) versehen. Ähnliches gilt für die Signalform, wie sie an Meßpunkt Mp6 (CH1 der Fig. 5) gemessen wird und an der Basis des Endstufen-Transistors 23 anliegt. Die Transistoren 23, 43 werden zweckmäßigerweise als Darlington- Transistoren mit schnellen Schalt-Zeitkonstanten spezifiziert.

Fig. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf des Gesamtstroms des Motors, wie er sich bei Bestromung beider Motorspulen 24 und 44 einstellt. Ausgehend von einem Stromwert null ergibt sich als Einhüllende der durch die Pulsweitenmodulation erzeugten Einzelpulse ein mittlerer Stromverlauf des Gesamtstroms, der im wesentlichen dem Strom durch eine bestromte Spule entspricht und der zunächst etwa die Gestalt eines Sinus-Bogens aufweist, aber gegen Ende eines Bestromungsvorgangs für eine einzelne Spule noch einmal anwächst. Ein solcher Zuwachs ist kurz vor oder nach dem genannten Zeitpunkt (Kommutierungszeitpunkt) im allgemeinen unerwünscht, da die dann zusätzlich zugeführte elektrische Leistung zumeist nicht in zusätzliches Drehmoment bzw. mechanische Leistung des Motors umgesetzt wird. Durch Wahl der Integrationszeitkonstanten der Operationsverstärker 13, 33 und des Gegenkopplungsfaktors für Transistoren 19 und 39 kann die Stromerhöhung gegen Ende eines Kommutierungs-Intervalls gemäß der Erfindung in gewünschter Weise eingestellt werden und bei Bedarf auch vollständig unterdrückt werden. Auf diese Weise werden Motorgeräusche, die durch zu schnellen Stromanstieg bzw. -abfall verursacht werden, weitgehend reduziert. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß durch die rechtzeitige Strom-Reduzierung gegen Ende eines Kommutierungsintervalls eine problemlose Vorverlagerung des Kommutierungswinkels (bezogen auf die Gegen-EMK des unbeschalteten Motors) möglich ist, sofern dies aus anderen Überlegungen heraus wünschenswert sein sollte. Im allgemeinen kann mit der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung eine im wesentlichen drehzahlunabhängige Anpassung des Motorstroms während eines Kommutierungsintervalls an die Gegen-EMK des Motors erreicht werden, wodurch über einen weiten Drehzahlbereich ein guter Wirkungsgrad des Motors erreicht wird.

Claims (12)

1. Schaltung zur Bestromung bürstenloser Gleichstrommotore, mit einer Einrichtung zur Beeinflussung der aufgenommenen und abgegebenen Leistung solcher Motoren mittels Variation des Verhältnisses von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer der Stromimpulse, welche einer Motorwicklung zugeführt werden, mit rampenförmig ansteigender Intensität dieser Stromimpulse zu Beginn einer Kommutierungsphase oder mit rampenförmig abfallender Intensität der Stromimpulse gegen Ende einer Kommutierungsphase, dadurch gekennzeichnet, daß eine Treiber- und Integratorstufe (12, 13; 32, 33) vorhanden ist zur Erzeugung von modulierenden Impulsen, deren Form einer vorgegebenen zeitlichen Funktion entspricht, insbesondere einer trapezförmigen Funktion, und daß mindestens eine Misch- oder Modulationsstufe (17, 37) vorhanden ist, welche die Ausgangssignale der Treiber- und Integrationsstufe (12, 13) und die Ausgangssignale des ansteuerbaren Impulsgenerators (70) im wesentlichen gemäß einer Multiplikationsfunktion verknüpft bzw. mischt oder moduliert und mindestens ein getaktetes Ausgangssignal zur direkten oder indirekten Bestromung einer Motorspule bereitstellt.

2. Schaltung zur Bestromung bürstenloser Gleichstrommotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei separate im Gegentakt arbeitende Schaltungseinheiten vorhanden sind, bestehend aus mindestens je einer Treiber- und Integratorstufe, je einer Mischstufe und je einer Leistungs- bzw. Endstufe.

3. Schaltung zur Bestromung bürstenloser Gleichstrommotoren, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Schaltungseinheit nach Maßgabe eines Kommutierungssignales wechselweise in einen inaktiven Status geschaltet wird, während sich die jeweils andere Schaltungseinheit in einem aktiven Schaltzustand befindet, wobei der aktive Schaltzustand sich auf Schaltelemente erstreckt, welche mit einer charakteristischen Folge von schnell wechselnden Schaltpegeln mit veränderbarem Tastverhältnis beaufschlagt sind.

4. Schaltung zur Bestromung bürstenloser Gleichstrommotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die End- bzw. Leistungsstufen (23, 43) mit Signalen in Form von Impulszügen angesteuert werden, wobei die Größe eines einzelnen Impulses eines solchen Impulszuges zu Beginn des Impulszuges jeweils größer ist als die eines vorhergehenden Impulses, so daß eine einhüllende Funktion der ansteigenden Flanke des Impulszuges eine rampenähnliche Form aufweist.

5. Schaltung zur Bestromung bürstenloser Gleichstrommotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die End- bzw. Leistungsstufen (23, 43) mit Signalen in Form von Impulszügen angesteuert werden, wobei die Größe eines einzelnen Impulses eines solchen Impulszuges am Ende eines Impulszuges jeweils kleiner ist als die eines vorhergehenden Impulses, so daß eine einhüllende Funktion der abfallenden Flanke des Impulszuges durch einen zeitliche Funktion in Form einer Rampe definiert ist.

6. Schaltung zur Bestromung bürstenloser Gleichstrommotoren, dadurch gekennzeichnet, daß End- bzw. Leistungsstufen (23, 43) vorhanden sind, welche mit Signalen in Form von Impulszügen angesteuert werden, wobei die einhüllende Funktion der Impulszüge eine im wesentlichen trapezförmige Gestalt aufweist und einzelne Impulse der Impulszüge in ihrem Tastverhältnis durch eine Pulsweiten-Einstellungsvorrichtung (70) definiert werden.

7. Schaltung zur Bestromung bürstenloser Gleichstrommotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Begrenzung der Anstiegszeiten der einzelnen Pulse eines Impulszuges vorhanden ist.

8. Schaltung zur Bestromung bürstenloser Gleichstrommotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Begrenzung der Stromstärke für eine einzelne Spule vorhanden ist.

9. Schaltung zur Bestromung bürstenloser Gleichstrommotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung vorhanden ist, welche nach Maßgabe eines Vergleichs zwischen einer Ist-Drehzahl und einer Soll-Drehzahl eines Motors den Motorstrom mittels einer Pulsweitenmodulationsstufe so einstellt, daß eine nahezu konstante Motordrehzahl erreicht wird.

10. Schaltung zur Bestromung bürstenloser Gleichstrommotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung oder eine Stelleinrichtung vorhanden ist, welche die Drehzahl des Motors nach Maßgabe einer gemessenen physikalischen Größe wie Temperatur oder Druckdifferenz einstellt.

11. Schaltung zur Bestromung bürstenloser Gleichstrommotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufen der Schaltung als schnell schaltende Darlington-Transistoren ausgebildet sind.

12. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ansteuerbare Impulsgenerator (70) Impulse mit einem einstellbar variablen Testverhältnis erzeugt zur getakteten Bestromung des Motors mit einer Frequenz, welche größer ist als eine größte Nenn-Kommutierungsfrequenz des Motors.