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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für einen
schaltbaren Reluktanzmotor (SRM).
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Aus
US 5 115 181 ist eine Leistungswandler-Vorrichtung
für einen
Reluktanzschaltmotor mit n-Wicklung bekannt. Wenn an den Transistor
Q1 dieser Vorrichtung ein Phasenerregersignal angelegt wird, fließt der an
einem Kondensator C2 anliegende Eingangsstrom durch eine Diode X4,
die Motorwicklung W1 und den Transistor Q1. Wenn anschließend der
Transistor Q1 ausgeschaltet wird, fließt der durch die Wicklung W1
fließende
Erregerstrom durch die Diode X1 in einen Speicherkondensator C1
und wird eine entsprechende Energie in dem Speicherkondensator C1
gespeichert. Anschließend
wird die in dem Kondensator C1 gespeicherte Energie entladen und
in nachfolgenden Zyklen an die Wicklung W1 zurückgegeben. Die Energie im Kondensator
C1 kann in den nachfolgenden Zyklen nur unter der Bedingung entladen
werden, daß die
Klemmspannung des Kondensators Cl höher ist als die Spannung des
Kondensators C2. Dies erfordert einen nachteilhaft hohen Kapazitätswert des
Kondensators C1 gegenüber dem
Kondensator C2.
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1 zeigt eine Konstruktion
aus einem Ständer
und einem Läufer
eines gewöhnlichen
SRM, bei der die Spulen 4, 5, 6 auf den
Polen 1, 2, 3 des Ständers gewickelt sind. Wenn
der Magnetfluß durch Anlegen
von Phasenerregungssignalen an die Spulen 4, 5, 6 erzeugt
wird, dreht sich der Läufer 7.
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Die 2A bis 2E zeigen verschiedene konventionelle
Treiberschaltungen für
3-Phasen-SRM, einschließlich
einer R-Entladungsschaltung in 2A,
einer q+1-Schaltung in 2B,
einer C-Entladungsschaltung in 2C,
einer asymmetrischen Brückenschaltung
in 2D und einer Schaltung
mit Bifilarwicklung in 2E.
Eine der 2C entsprechende
Schaltung ist im übrigen
bekannt aus Bass, Ehsan: "Development
of a unipolar converter for variable Reluctance Motor Drives" in Conference Record IEEE
on Ind. Appl., 1985, Toronto, S. 1062–1068. Wenn bei den konventionellen
Treiberschaltungen für
3-Phasen-SRM das Phasenerregungssignal mit einer vorgegebenen Phasenverschiebung
an die Spulen 4, 5, 6 angelegt wird,
wird der SRM angetrieben und die magnetische Energie der Spulen 4, 5, 6 wird
an die Hauptstromquelle zurückgegeben.
Im folgenden wird der Betrieb der konventionellen SRM-Treiberschaltung
beschrieben, wobei im wesentlichen auf die R-Entladungsschaltung
in 2A Bezug genommen
wird.
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Die
konventionelle R-Entladungsschaltung besteht aus den parallel geschalteten
Spulen 4, 5, 6, den Schaltgliedern T1, T2, T3 zum
Schalten des durch die Spulen 4, 5, 6 fließenden Erregerstroms
durch Steuerung des Phasenerregungssignals, den Dioden D1, D2, D3,
die jeweils an die Spulen 4, 5, 6 angeschlossen
sind, den Widerständen
R1, R2, R3, die jeweils an die Dioden D1,
D2, D3 angeschlossen
sind, und einem Kondensator C1 zum Speichern
des durch die Widerstände
R1, R2, R3 fließenden
Stroms. Wenn der Magnetfluß durch
Steuerung des Phasenerregungssignals erzeugt wird, dreht sich der
Läufer 7 des
SRM, dessen Betrieb im folgenden detailliert beschrieben wird.
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Wenn
die Netzspannung angelegt wird, wird ein erstes Phasenerregungssignal
Sa an den Transistor des Schaltglieds T1 angelegt,
wodurch der Transistor eingeschaltet wird; anschließend fließt ein Strom
durch die Spule 4 und der Magnetfluß wird erzeugt.
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Nach
dem oben beschriebenen Vorgang, wenn das Schaltglied T1 durch
Unterbrechen der Bereitstellung des ersten Phasenerregungssignals
Sa ausgeschaltet wird und das Schaltglied T2 durch
Anlegen eines zweiten Phasenerregungssignals Sb an das Schaltglied
eingeschaltet wird, fließt
der Erregerstrom, der in der Spule 4 als magnetische Energie gespeichert
war, durch die Diode D1 und den Widerstand
R1 zum Kondensator C1,
um dort als elektrische Energie gespeichert zu werden, und ein Strom
fließt durch
die Spule 5, so daß ein
Magnetfluß erzeugt wird.
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Weiterhin,
wenn das Schaltglied T2 durch Unterbrechen
der Bereitstellung des zweiten Phasenerregungssignals Sb ausgeschaltet
wird und das Schaltglied T3 durch Anlegen
eines dritten Phasenerregungssignals Sc an das Schaltglied T3 eingeschaltet wird, fließt der in
der Spule 5 als magnetische Energie gespeicherte Erregerstrom
durch die Diode D2 und den Widerstand R2 zum Kondensator C1,
um dort als elek trische Energie gespeichert zu werden, und ein Strom
fließt
durch die Spule 6, so daß ein Magnetfluß erzeugt
wird. Wie aus der obigen Beschreibung zu erkennen ist, wird in der
konventionellen SRM-Treiberschaltung die in den Spulen 4, 5, 6 gespeicherte
magnetische Energie im Kondensator C1 als
elektrische Energie gespeichert, wobei die oben beschriebenen Vorgänge kontinuierlich
und wiederholt durchgeführt
werden.
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In
der in 2B gezeigten
q+1-Schaltung fehlen die Widerstände
R1, R2, R3 der R-Entladungsschaltung und ein Schaltglied
T4, das zum Abschneiden dient, ist zwischen
der Gleichstromquelle Vdc und den Spulen 4, 5, 6 angeschlossen.
In der in 2C gezeigten
C-Entladungsschaltung wird der Phasenerregerstrom der R-Entladungsschaltung
in 2A zunächst in
einem Kondensator Cd als elektrische Energie gespeichert, und anschließend kann die
elektrische Energie durch Schalten des Schaltglieds T6 durch
eine Spule Ld im Kondensator C1 gespeichert
werden. In der asymmetrischen Brückenschaltung
in 2D sind die Schaltglieder
T4, T5, T6 jeweils zwischen der Gleichstromquelle
Vdc und den Spulen 4, 5, 6 angeschlossen,
und der Phasenerregerstrom wird im Kondensator C1 als
elektrische Energie durch die Dioden D1,
D2, D3 gespeichert.
In der Schaltung mit Bifilarwicklung in 2E induzieren die Spulen 4, 5, 6 den
Phasenerregerstrom durch die induktiven Koppelschaltungen L1, L2, L3 und
der induzierte Phasenerregerstrom wird an den Kondensator zurückgegeben
durch die Dioden D4, D5,
D6, die den Entladungsweg des Phasenerregerstroms
bilden.
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Jedoch
ist der Energieverlust in der R-Entladungsschaltung zu hoch, der
Platzbedarf des Schaltglieds T4 ist hoch,
der Hochgeschwindigkeitsbetrieb ist aufgrund der gegenseitigen Induktivität in der q+1-Schaltung
eingeschränkt
und der Hochgeschwindigkeitsbetrieb der C-Entladungsschaltung ist unvorteilhaft.
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Darüber hinaus
sind die Herstellungskosten der asymmetrischen Brückenschaltung
sehr hoch, und das Volumen des Motors der Schaltung mit Bifilarwicklung
ist zu groß und
seine Herstellung zu schwierig.
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Generell
wird, wenn es in einem SRM keine Phasenverschiebung gibt, das heißt, wenn
die Pole 1, 2, 3 des Ständers den
Zähnen
des Läufers 7 gegenüberliegen,
die Induktivität
der Spulen 4, 5, 6 maximiert, während im
Falle einer Phasenverschiebung zwischen den Polen 1, 2, 3 des
Ständers
und den Zähnen
des Läufers 7 von
45° die
Induktivität
der Spulen minimiert wird.
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In
einem gewöhnlichen
SRM wird die Erregung ausgelöst,
wenn die Phasenverschiebung 45° beträgt, das
heißt,
wenn die Induktivität
der Spulen zu steigen beginnt. Wenn die Erregung ausgelöst wird,
wenn die Induktivität
der Spulen sich verringert, wird der Motor gebremst.
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2F und 2G zeigen zwei konventionelle Treiberschaltungen
für 4-Phasen-SRM.
In der Treiberschaltung für
4-Phasen-SRM in 2F sind
Paare von NMOS-Transistoren (M1, M2), (M3, M4), (M5, M6), (M7, M8) jeweils in Reihe geschaltet, die Spulen 4, 5, 6, 8 sind
jeweils zwischen den Sources der ersten NMOS-Transistoren M1, M3, M5,
M7 und den Drains der zweiten NMOS-Transistoren
M2, M4, M6, M8 angeschlossen,
die Kathoden der ersten Dioden D8, D10, D12, D14 sind an die Sources der ersten NMOS-Transistoren
M1, M3, M5, M7 angeschlossen, die
Anoden der zweiten Dioden D9, D11,
D13, D15 sind an
die Drains der zweiten NMOS-Transistoren M2, M4, M6, M8 angeschlossen
und die Kathoden der zweiten Dioden sind an die Gleichstromquelle
Vdc angeschlossen und die Drains der ersten NMOS-Transistoren M1, M3, M5,
M7 sind ebenfalls an die Gleichstromquelle
Vdc angeschlossen.
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Wenn
ein Pulsdauermodulationssignal (PDM-Signal) mit H-Pegel an die Gates
eines Paars von NMOS-Transistoren M1, M2 angelegt wird, werden die NMOS-Transistoren M1, M2 eingeschaltet und
ein Strom fließt
durch die Spule 4.
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Wenn
ein PDM-Signal mit L-Pegel nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne
an die Gates der NMOS-Transistoren M1, M2 angelegt wird, werden die NMOS-Transistoren M1, M2 ausgeschaltet
und ein Stromentladungsweg, bestehend aus der ersten Diode D1, der Spule 4 und der zweiten Diode
D9 wird gebildet.
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Dann
beginnt der als magnetische Energie in der Spule 4 gespeicherte
Strom über
den Stromentladungsweg zu fließen,
so daß er
allmählich
geringer wird. Daher wird die magnetische Energie über den Stromentladungsweg
im Kondensator C1, der zwischen dem Pluspol
und dem Minuspol der Gleichstromquelle Vdc angeschlossen ist, als
elektrische Energie gespeichert.
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Wenn
das Gegenstrombremsen durchgeführt
wird, wird mehr Strom als der angelegte Strom von der Spule 4 durch
die ersten und zweiten Dioden D8 und D9 zum Kondensator C1 zurückgeführt und
dadurch die Spannung erhöht.
Um dies zu verhindern, wird der Widerstand R4 in
Reihe mit dem NMOS-Transistor
M9 zwischen den Pluspol und den Minuspol
der Gleichstromquelle Vdc parallel zum Kondensator C1 angeschlossen.
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Wenn
an den Kondensator C1 eine hohe Spannung
angelegt wird, wird ein Signal mit H-Pegel an das Gate des NMOS-Transistors M9 angelegt, so daß am Widerstand R4 eine
Spannung anliegt.
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2H zeigt Wellenformen an
verschiedenen Gliedern der Schaltungen in 2F; hierbei zeigt a die Änderung
der Induktivität
der Spule 4 entsprechend der Phase Q, b zeigt die Änderung
des durch die Spule 4 fließenden Phasenstroms, c zeigt die
Wellenform des an das Paar der NMOS-Transistoren M1 und
M2 angelegten Phasenerregungssignals und
d zeigt die Wellenform des Drehmoments.
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2G zeigt eine andere konventionelle Treiberschaltung
für 4-Phasen-SRM,
bei der die ersten Dioden D8, D10,
D12, D14 und die
ersten NMOS-Transistoren M1, M3,
M5, M7 der in 2F gezeigten Schaltung fehlen.
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2I zeigt Wellenformen an
verschiedenen Gliedern der Schaltungen in 2F; hierbei zeigt a die Änderung
der Induktivität
der Spule 4 entsprechend der Phase Q, b zeigt die Änderung
des durch die Spule 4 fließenden Phasenstroms, c zeigt
die Wellenform des an den NMOS-Transistor M2 angelegten
Phasenerregungssignals und d zeigt die Wellenform des Drehmoments.
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In 2G und 2I wird, wenn ein Phasenerregungssignal
mit H-Pegel, wie in 2Ia gezeigt, an das
Gate des NMOS-Transistors
M2 angelegt wird, der NMOS-Transistor M2 eingeschaltet, wodurch Strom durch die
Spule 4 zu fließen
beginnt, und der Stromfluß wird
allmählich
stärker,
während
sich das Phasenerregungssignal auf H-Pegel befindet.
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Wenn
ein Phasenerregungssignal mit L-Pegel an das Gate des NMOS-Transistors
M2 angelegt wird, während der Strom ansteigt, wird
der NMOS-Transistor M2 ausgeschaltet und
der in der Spule 4 als magnetische Energie gespeicherte
Strom zirkuliert in einem Ruhestromkreis durch die Diode D9. Somit ändert
sich der durch die Spule 4 fließende Strom, wie in 2Ib gezeigt, entsprechend
dem Schaltzustand des NMOS-Transistors M2.
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Wenn
der NMOS-Transistor M2 ausgeschaltet ist,
weil der in der Spule 4 als magnetische Energie gespeicherte
Strom zirkuliert, wird der Strom im Ruhestromkreis, der durch die
Spule 4 und die Diode D9 gebildet
wird, nur langsam reduziert, und daher, weil eine ziemlich große Strommenge
weiter im Ruhestromkreis zirkuliert, obwohl die Induktivität abnimmt,
wird der SRM gebremst und ein Drehmoment wirkt, wie in 2d gezeigt, auf den SRM.
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Somit
hat die in 2F gezeigte
Schaltung eine gute Antriebseffizienz, benötigt jedoch eine Überspannungsschutzschaltung,
da die Spannung des Kondensators sich erhöht, wenn der Motor gebremst
wird, während
die in 2G gezeigte Schaltung
die Spannung des Kondensators beim Bremsen des Motors nicht erhöht, jedoch
nur eine geringe Antriebseffizienz und Geschwindigkeit bietet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine SRM-Treiberschaltung anzugeben,
die Energie effizient nutzen kann, indem die in der Spule gespeicherte
magnetische Energie durch verschiedene Energieumwandlungsprozesse
zum Kondensator geführt
wird, der sich zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der Stromquelle
befindet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe lehrt die Erfindung eine Treiberschaltung für einen
schaltbaren Reluktanzmotor gemäß Patentanspruch
1.
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Durch
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung werden die nachfolgend dargelegten Zwecke der Erfindung
erfüllt.
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Ein
weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine SRM-Treiberschaltung
bereitzustellen, die verhindert, daß beim Bremsen des Motors eine Überspannung
an den Kondensator angelegt wird, der sich zwischen dem Pluspol
und dem Minuspol der Stromquelle befindet.
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Ein
weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine SRM-Treiberschaltung
bereitzustellen, welche einen Gegenstrombremseffekt erzielen kann.
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Ein
weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine SRM-Treiberschaltung
bereitzustellen, in der die Drehmomentwelligkeit des Stroms minimiert
werden kann.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die SRM-Treiberschaltung nach der vorliegenden Erfindung
darüber hinaus
eine Frequenzmodulationseinrichtung zum Steuern des Schaltvorgangs
der zweiten Schalteinrichtung umfaßt.
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Noch
vorteilhafter ist es, wenn die SRM-Treiberschaltung nach der vorliegenden
Erfindung außerdem
folgendes umfaßt:
Eine
Steuereinrichtung zum Empfangen des vorgegebenen elektrischen Signals
und zur Erzeugung eines Schaltsignals;
ein dritter Schalter
zur Durchführung
des Schaltvorgangs entsprechend des von der Steuereinrichtung ausgegebenen
Schaltsignals; und
eine Rückflußverhinderungseinrichtung,
die verhindert, daß die
Energie der ersten Energiespeichereinrichtung zurückfließt, wenn
der dritte Schalter schaltet.
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Der
obengenannte Zweck sowie weitere Merkmale und Vorzüge der vorliegenden
Erfindung werden durch die folgenden Beschreibungen der beiliegenden
Zeichnungen deutlich:
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1 zeigt
eine Konstruktion aus einem Ständer
und einem Läufer
eines gewöhnlichen
SRM,
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2A bis 2G zeigen
die konventionellen SRM-Treiberschaltungen,
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2H und 2I zeigen
jeweils die Wellenformen der in 2F und 2G gezeigten Schaltungen,
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3 zeigt
eine Ausführungsform
einer SRM-Treiberschaltung nach der vorliegenden Erfindung,
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer SRM-Treiberschaltung nach der vorliegenden Erfindung,
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5A und 5B zeigen
die Wellenformen von Strömen
in einigen Gliedern der in 3 und 4 gezeigten
Schaltungen,
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer SRM-Treiberschaltung nach der vorliegenden Erfindung,
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7A und 7B zeigen
Detailansichten eines Teils der in 6 gezeigten
Schaltung,
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8A bis 8F erläutern die
Wirkungsweise der in 6 gezeigten Schaltung,
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9 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer SRM-Treiberschaltung nach der vorliegenden Erfindung,
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10 zeigt
eine Detailansicht eines Teils der in 9 gezeigten
Schaltung,
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11A bis 11J erläutern die
Wirkungsweise der in 10 gezeigten Schaltung,
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12A bis 12C zeigen
die Änderungen
der Ströme
und der Wellenformen des Drehmoments in den jeweiligen Phasen entsprechend
dem Tastverhältnis
des Pulsdauermodulationssignals.
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3 zeigt
das Schaltbild einer Ausführungsform
einer SRM-Treiberschaltung nach der vorliegenden Erfindung. Die in 3 gezeigte SRM-Treiberschaltung
umfaßt
ein Magnetflußerzeugungsglied 13 zur
Erzeugung des Magnetflusses entsprechend der Wirkung eines ersten
Schaltgliedes 11 zum Schalten durch Empfangen eines Phasenerregungssignals,
ein Diodenfeld 15 zum Weiterleiten des Erregerstroms, der
durch das Magnetflußerzeugungsglied 13 fließt, in eine
Richtung, ein erstes Energiespeicherglied 16 zum Speichern
des durch das Diodenfeld 15 geflossenen Erregerstroms als
elektrische Energie, ein Energieumwandlungsglied 17 zur Aufnahme
der im ersten Energiespeicherglied 16 gespeicherten elektrischen
Energie und deren Umwandlung in magnetische Energie, ein zweites Schaltglied 18 zum
Steuern der Wirkung des Energieumwandlungsglieds 17 sowie
ein zweites Energiespeicherglied 19 zum Speichern des Ausgangs des
Energieumwandlungsglieds 17 als elektrische Energie.
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Das
Magnetflußerzeugungsglied 13,
das aus mehreren parallel geschalteten Spulen besteht, erzeugt den
magnetischen Fluß,
der den Läufer
des SRM zum Drehen bringt.
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Das
Magnetflußerzeugungsglied 13 des 3-Phasen-SRM
besteht aus drei Spulen 9, 10, 11 und das
des 4-Phasen-SRM besteht aus vier Spulen.
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Das
erste Schaltglied 14 besteht aus den Transistoren Q1, Q2, Q3 zum
Schalten des durch die Spulen 9, 10, 11 geflossenen
Phasenerregerstroms durch Steuern des Phasenerregungssignals, und
das Diodenfeld 15 besteht aus den Dioden D16,
D17, D18, von denen
jeweils ein Ende an die Spulen 9, 10, 11 angeschlossen
ist.
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Das
erste Energiespeicherglied 16 besteht aus einem Kondensator
C2 und das Energieumwandlungsglied 17 besteht
aus einer induktiven Koppelschaltung 17a und einer Diode 17b.
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Das
zweite Schaltglied 18 besteht aus einem Transistor Q4.
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In 3 ist
zu erkennen, daß wenn
die Gleichstromquelle Vdc angelegt wird und anschließend ein
erstes Phasenerregungssignal Sa an die Basis des Transistors Q1 angelegt wird, so daß der Transistor Q1 eingeschaltet
wird, Strom durch die Spule 9 fließt und dadurch der Magnetfluß erzeugt wird.
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Wenn
der Transistor Q1 durch Unterbrechen der
Bereitstellung des ersten Phasenerregungssignals Sa ausgeschaltet
wird und der Transistor Q2 durch Anlegen
eines zweiten Phasenerregungssignals Sb an die Basis des Transistors
Q2 eingeschaltet wird, fließt der in
der Spule 9 als magnetische Energie gespeicherte Erregerstrom
durch die Diode D16 zum Kondensator C2 des zweiten Energiespeicherglieds 16,
um im Kondensator C2 als elektrische Energie
gespeichert zu werden, und ein Magnetfluß wird erzeugt, weil der Strom
durch die Spule 10 fließt.
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Wenn
während
des oben beschriebenen Vorgangs ein Signal mit einer vorgegebenen
Frequenz an die Basis des Transistors Q4 angelegt
wird, wird der Transistor Q4 entsprechend
der vorgegebenen Frequenz wiederholt geschaltet.
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Somit
wird ein Teil der im Kondensator C2 des
ersten Energiespeicherglieds 16 gespeicherten Energie an
die Primärwicklungen
Np der induktiven Koppelschaltung 17a übertra gen; um im Kondensator
C1 als elektrische Energie des zweiten Energiespeicherglieds 19 durch
die Diode 17b gespeichert zu werden.
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Wenn
der Transistor Q2 durch Unterbrechen der
Bereitstellung des zweiten Phasenerregungssignals Sb ausgeschaltet
wird und der Transistor Q3 durch Anlegen
eines dritten Phasenerregungssignals Sc an die Basis des Transistors
Q3 eingeschaltet wird, wird der in der Spule 10 als
magnetische Energie gespeicherte Erregerstrom durch die Diode D17 im Kondensator C2 gespeichert,
und ein Magnetfluß wird
erzeugt, weil der Strom durch die Spule 11 fließt.
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In
der gleichen Weise wie die Energie, die im Kondensator C2 als elektrische Energie gespeichert ist,
durch Unterbrechen der Bereitstellung des zweiten Phasenerregungssignals
Sb an den Kondensator C1 zurückgegeben
wird, wird der durch die Wicklungen 10 und 11 fließende Phasenerregerstrom
im Kondensator C1 gespeichert. In diesem
Fall ist die Spannung des geladenen Kondensators C2 abhängig von
dem durch die Spulen 9, 10, 11 fließenden Strom und
der Drehzahl des SRM.
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4 zeigt
eine andere Ausführungsform der
SRM-Treiberschaltung nach der vorliegenden Erfindung. Verglichen
mit der Schaltung in 3 enthält die in 4 gezeigte
Schaltung zusätzlich
eine Spule 12 im Magnetflußerzeugungsglied 13,
einen Transistor Q5 im ersten Schaltglied 14 und
eine Diode D19 im Diodenfeld 15,
da 3 eine Schaltung für einen 3-Phasen-SRM zeigt,
während 4 eine Schaltung
für einen
4-Phasen-SRM zeigt.
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Die
Wirkung der Schaltung in 4 ist die gleiche wie die der
Schaltung in 3.
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5A zeigt
die Änderungen
des durch die Primärwicklungen
Np der induktiven Koppelschaltung 17a fließenden Stroms
i1 und des durch die Sekundärwicklungen
Ns der induktiven Koppelschaltung 17a fließenden Stroms
i2, entsprechend des Schaltzustands des
Transistors Q4 des zweiten Schaltglieds 18,
während 5B die Änderungen des
durch die Primärwicklungen
Np der induktiven Koppelschaltung 17a fließenden Stroms
i1 und des durch die Sekundärwicklungen
Ns der induktiven Koppelschaltung 17a fließenden Stroms
i2 entsprechend der Spannung des Kondensators
C2 des ersten Energiespeicherglieds 16 zeigt.
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In 5A ist
zu erkennen, daß der
Strom i1, der durch die Primärwicklungen
Np der induktiven Koppelschaltung 17a fließt, während der
Transistor Q4 eingeschaltet ist, konstant
ansteigt, und wenn der Transistor Q4 ausgeschaltet
ist, der Strom i2 der Sekundärwicklungen
Ns, der durch die magnetische Energie des Stroms der Primärwicklungen
Np induziert wurde, während
der Transistor Q4 eingeschaltet war, durch
die Diode 17b zum Kondensator C1 des ersten
Energiespeicherglieds 19 fließt.
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Weiter
zeigt 5B, daß die Ströme i1 und
i2 des Drahtes umso größer sind, je höher die
Spannung des Kondensators C2 ist.
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6 zeigt
eine andere Ausführungsform der
SRM-Treiberschaltung nach der vorliegenden Erfindung, die folgendes
umfaßt:
Ein erstes Schaltglied 14 zum Schalten durch den Empfang
eines Phasenerregungssignals, ein Magnetflußerzeugungsglied 13 zum
Erzeugen eines Magnetflusses entsprechend der Wirkung des ersten
Schaltgliedes 14, ein Diodenfeld 15 zum Weiterleiten
des Erregerstroms, der durch das Magnetflußerzeugungsglied 13 fließt, in eine
Richtung, ein erstes Energiespeicherglied 16 zum Speichern
des durch das Diodenfeld 15 geflossenen Erregerstroms als
elektrische Energie, ein Energieumwandlungsglied 17 zur
Aufnahme der im ersten Energiespeicherglied 16 gespeicherten
elektrischen Energie und deren Umwandlung in magnetische Energie,
ein zweites Schaltglied 18 zur Steuerung der Wirkung des
Energieumwandlungsglieds 17, ein zweites Energiespeicherglied 19 zum
Speichern des Ausgangs des Energieumwandlungsglieds 17 als
elektrische Energie sowie ein Frequenzmodulationsglied 20 zur
Steuerung des Schaltverhaltens des zweiten Schaltglieds.
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Das
erste Schaltglied 14 besteht aus vier NMOS-Transistoren
M9, M10, M11, M12, das Magnetflußerzeugungsglied 13 besteht
aus vier Spulen 9, 10, 11, 12 und
das Diodenfeld besteht aus vier Dioden D16,
D17, D18, D19.
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Das
erste Energiespeicherglied 16 besteht aus einem Kondensator
C2 und das Energieumwandlungsglied 17 besteht
aus einer induktiven Koppelschaltung 17a und einer Diode 17b.
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Das
zweite Schaltglied 18 besteht aus einem NMOS-Transistor
M13.
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7 ist eine detaillierte Darstellung des
in 6 gezeigten Frequenzmodulationsglieds 20.
Wie in 7A gezeigt, besteht das Frequenzmodulationsglied 20 aus
einem ODER-Gatter, das ein Steuersignal als einen Eingang und ein
Bremssignal als einen anderen Eingang empfängt und dann eine ODER-Verknüpfung dieser
Signale durchführt,
um einen Ergebniswert zu produzieren.
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7B zeigt
eine andere Ausführungsform des
Frequenzmodulationsglieds 20, bestehend aus einem Vergleicher 22,
der den durch Source oder Drain des NMOS-Transistors M13 fließenden Strom aufnimmt,
um ihn mit einem Standardsignal zu vergleichen, einem UND-Gatter 23,
das den Ausgang des Vergleichers 22 als einen Eingang und
ein Bremssignal als anderen Eingang empfängt, um eine UND-Verknüpfung damit
durchzuführen,
sowie einem ODER-Gatter 24, das den Ausgang des UND-Gatters 23 als
einen Eingang und ein Steuersignal als anderen Eingang empfängt, um
eine ODER-Verknüpfung
damit durchzuführen.
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Wenn
der NMOS-Transistor M13 des zweiten Schaltgliedes 18 in 6 nach
dem Ausgangssignal des Frequenzmodulationsgliedes 20 schaltet,
wird ein Teil der Energie, die im Kondensator C2 des
ersten Energiespeichergliedes 16 gespeichert war, über das
Energieumwandlungsglied 17 im Kondensator C1 des
zweiten Energiespeichergliedes 19 gespeichert.
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Das
bedeutet, daß während das
Bremssignal, das ein Eingangssignal des ODER-Gatters in 7A ist,
den L-Pegel aufweist, das Ausgangssignal des ODER-Gatters 21 vom
Steuersignal abhängt, das
ein anderes Eingangssignal des ODER-Gatters 21 ist.
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Wenn
das Steuersignal den H-Pegel aufweist, liegt am Ausgang des ODER-Gatters 21 ebenfalls
ein H-Pegel an, wodurch der NMOS-Transistor eingeschaltet wird.
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Während der
NMOS-Transistor M13 ausgeschaltet ist, wird
ein Teil der Energie des Kondensators C2 an
die Primärwicklung
Np der induktiven Koppelschaltung 17a übertragen.
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Wenn
das Steuersignal den L-Pegel aufweist, liegt am Ausgang des ODER-Gatters
ebenfalls der L-Pegel an, wodurch der NMOS-Transistor ausgeschaltet
wird.
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Während der
NMOS-Transistor M13 ausgeschaltet ist, wird
die magnetische Energie, die von der Primärwicklung Np in die Sekundärwicklung
Ns induziert wurde, im Kondensator C1 durch
die Diode 17b als elektrische Energie gespeichert.
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In
diesem Fall nimmt der Ausgang des ODER-Gatters 21, wenn
der Zustand des Steuersignals, das ein Eingangssignal des ODER-Gatters 21 ist,
von L- auf H-Pegel gesetzt wird, ebenfalls den H-Pegel an, ungeachtet
des Steuersignals, das ein weiteres Eingangssignal des ODER-Gatters
ist. Daher verbleibt der NMOS-Transistor ständig im Zustand "EIN".
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Die
Energie, die im Kondensator C2 gespeichert
war, wird entladen, um eine Schleife zu schließen, die aus der Primärwicklung
Np der induktiven Koppelschaltung 17a, dem NMOS-Transistor
und den jeweiligen Spulenpaaren 9, 10, 11, 12 besteht, und
wird in den jeweiligen Spulenpaaren 9, 10, 11, 12 als
magnetische Energie gespeichert.
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Dies
hat zur Folge, daß auch
während
der Zeit, in der die Induktivität
sinkt, ein recht großer Strom
durch die jeweiligen Spulenpaare 9, 10, 11, 12 fließt und somit
der Motor gebremst wird.
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Das
bedeutet, daß ein
Bremsen erreicht wird, wenn ein Bremssignal mit H-Pegel am Bremspunkt
angelegt wird.
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Das
Frequenzmodulationsglied in 7B kann
einen Überstrom
erkennen, der zur Steuerung durch den NMOS-Transistor M13 fließt, um dafür zu sorgen,
daß der Überstrom
nicht zu einer Zerstörung der
Elemente der Schaltung durch Überspannung führt.
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In
den 8A bis 8F wird
der Betrieb der in 6 dargestellten Schaltung dargestellt,
wobei 8A die Änderung des Stromes i1 zeigt, der durch die Primärwicklung
Np der induktiven Koppelschaltung fließt, 8B die Änderung
des Stromes i2 zeigt, der durch die Sekundärwicklung
Ns fließt, 8C die Änderung
der Spannung zeigt, die am Kondensator C2 anliegt, 8D eine
Wellenform des Steuersignals zeigt, 8E die
Wellenform des Bremssignals zeigt und 8F die
Wellenform des Ausgangssignals des ODER-Gatters 21 zeigt.
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Während das
Bremssignal den L-Pegel aufweist und das Steuersignal den L-Pegel,
steigt der Strom i1, der durch die Primärwicklung
Np der induktiven Koppelschaltung fließt, ständig an. Anschließend, wenn
das Steuersignal auf den L-Pegel gesetzt wird, sinkt der Strom,
der durch die Sekundärwicklung
fließt,
weil die magnetische Energie der Pri märwicklung Np in die Sekundärwicklung
induziert wird, um über
die Diode 17b entladen zu werden.
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Wenn
ein Bremssignal mit L-Pegel angelegt wird, fließt der durch die Primärwicklung
Np fließende Strom
konstant in einem stationären
Zustand, nachdem er ständig
erhöht
wurde, während
durch die Sekundärwicklung
kein Strom fließt,
da keine Induktion vorliegt.
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Wenn
am Bremspunkt ein Bremssignal mit H-Pegel angelegt wird, um den
SRM zu bremsen, kann der durch die Primärwicklung Np der induktiven Koppelschaltung 17a fließende Strom
recht groß sein.
Um dieses Problem zu umgehen, kommen daher verschiedene Methoden
als andere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung in Betracht, nämlich allmähliches Senken der Frequenz
des Steuersignals am Bremspunkt, Erhöhung des Tastverhältnisses
oder Ansteuern des NMOS-Transistors
M13 unter Verwendung des Stromes des NMOS-Transistors M13, wie in 7B dargestellt.
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9 zeigt
eine andere Ausführungsform der
SRM-Treiberschaltung nach der vorliegenden Erfindung, bestehend
aus einem ersten Schaltglied 14 für das Schalten durch den Empfang
eines Phasenerregungssignals, einem Magnetflußerzeugungsglied 13 zur
Erzeugung des Magnetflusses nach der Steuerung des ersten Schaltgliedes 14,
einem Diodenfeld 15 zum Weiterleiten des Erregerstromes,
der durch das Magnetflußerzeugungsglied 13 fließt, in einer
Richtung, einem ersten Speicherglied 16 zum Speichern des
Erregerstromes, der das Diodenfeld 15 durchlaufen hat,
als elektrische Energie, einem Energieumwandlungsglied 17 zum
Empfangen der elektrischen Energie, die im ersten Energiespeicherglied 16 gespeichert
wurde, um sie in magnetische Energie umzuwandeln, einem zweiten
Schaltglied 18 zum Ansteuern des Energieumwandlungsgliedes 17, einem
zweiten Energiespeicherglied 19 zum Speichern des Ausgangs
des Energieumwandlungsgliedes 17 als elektrische Energie,
einem Steuerglied 25 zum Empfangen des Phasenerregungssignals,
um ein Schaltsignal zu erzeugen, einem dritten Schaltglied 26 zum
Schalten nach dem Schaltsignal, das vom Steuerglied 25 ausgegeben
wird, und einem Rückflußverhinderungsglied 27,
das verhindert, daß die
Energie des ersten Energiespeichergliedes 16 in Rückwärtsrichtung
fließt,
wenn das dritte Schaltglied 26 schaltet.
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Das
erste Schaltglied besteht aus den NMOS-Transistoren M9,
M10, M11, M12. Das Magnetflußerzeugungsglied 13 besteht
aus den Spulen 9, 10, 11, 12.
Das Diodenfeld 15 besteht aus den Dioden D16, D17, D18,
D19. Das erste Energiespeicherglied besteht aus einem Kondensator
C2, und das Energieumwandlungsglied 17 besteht
aus einer induktiven Koppelschaltung 17a und einer Diode 17b.
Das zweite Schaltglied 18 besteht aus dem NMOS-Transistor
M13, dem zweiten Energiespeicherglied 19 und einem
Kondensator C1. Das dritte Schaltglied 26 besteht
aus einem NMOS-Transistor M14, und das Rückflußverhinderungsglied 27 besteht
aus einer Diode D20.
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10 zeigt
eine detailliertere Darstellung des Steuergliedes 25 aus 9,
bestehend aus einem Erkennungsglied für die abfallende Flanke 28 zum
Empfangen des entsprechenden Phasenerregungssignals, um seine abfallende
Flanke zu erkennen und ein Signal zu erzeugen, das eine vorgegebene
Dauer tw an der abfallenden Flanke hat, einem ODER-Gatter 29 zum
Empfangen des Ausgangssignals des Erkennungsgliedes für die abfallende
Flanke 28, um eine ODER-Verknüpfung durchzuführen, ein
Pegelumsetzungsglied 30, um den Pegel des Ausgangssignals
des ODER-Gatters 29 hochzusetzen, einem PDM-Signalerzeugungsglied 31 zur
Erzeugung eines PDM-Signals
und einem UND-Gatter 32 zum Empfangen des Ausgangssignals
des Pegelumsetzungsgliedes 30 und des Ausgangssignals des
PDM-Signalerzeugungsgliedes 31, um eine UND-Verknüpfung mit
Ihnen durchzuführen.
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In
den 11A bis 11J wird
die Arbeitsweise der in 10 gezeigten
Schaltung dargestellt. 11A zeigt
ein erstes Phasenerregungssignal, 11B zeigt
ein zweites Phasenerregungssignal, 11C zeigt
ein drittes Phasenerregungssignal und 11D zeigt
ein viertes Phasenerregungssignal.
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Wenn
das Phasenerregungssignal nach 10 und 11A bis 11J an
das Erkennungsglied für
die abfallende Flanke 28 des Steuergliedes 25 angelegt
wird, erzeugt das Erkennungsglied 28 ein in 11E dargestelltes Signal, und wenn das zweite
Phasenerregungssignal angelegt wird, erzeugt das Erkennungsglied 28 ein
in 11F dargestelltes Signal.
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Wenn
in der gleichen Weise jeweils das dritte und das vierte Phasenerregungssignal
an das Erkennungsglied 28 angelegt wird, erzeugt das Erkennungsglied 28 in
entsprechender Reihenfolge die in den 11G und 11H dargestellten Signale.
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Die
in den 11E bis 11H dargestellten
Signale haben eine vorgegebene Pulsdauer.
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Daher
erzeugt das ODER-Gatter 29, das das Ausgangssignal des
Erkennungsgliedes 28 empfing, das in 11I dargestellte Signal. Das Ausgangssignal des
ODER-Gatters 29 wird durch das Pegelumsetzungsglied 30 auf
den H-Pegel gesetzt, um als Eingangssignal an das UND-Gatter 32 angelegt
zu werden. Das Pegelumsetzungsglied 30 kann ein Optokoppler,
ein Impulsübertrager
oder ein Pegelumsetzer sein.
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Das
PDM-Signalerzeugungsglied 31 erzeugt ein PDM-Signal, dessen
Pulsdauer geringer ist als die des Ausgangssignals des ODER-Gatters 29,
um es an einem anderen Eingang des UND-Gatters 32 bereitzustellen.
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Das
UND-Gatter 32 empfängt
das Ausgangssignal des Pegelumsetzungsgliedes 30 und das
Ausgangssignal des PDM-Signalerzeugungsgliedes 31,
um eine UND-Verknüpfung
mit ihnen durchzuführen,
so daß das
in 11J dargestellte Signal entsteht.
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Das
Ausgangssignal des UND-Gatters 32 wird als Eingangssignal
an das dritte Schaltglied 26 angelegt.
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Die
Arbeitsweise der in 9 dargestellten Schaltung wird
im Folgenden beschrieben.
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Wenn
das erste Phasenerregungssignal mit H-Pegel nach der Darstellung
in 11A an den NMOS-Transistor M9 angelegt
wird, wird der NMOS-Transistor M9 eingeschaltet,
und der Strom fließt
durch die Spule 9.
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Wenn
das zweite Phasenerregungssignal vom H-Pegel in den L-Pegel gesetzt
wird, wird das zweite, wie in 11B dargestellte
Phasenerregungssignal an den NMOS-Transistor M10 angelegt, wodurch
dieser Transistor eingeschaltet wird.
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In
diesem Fall wird. das Ausgangssignal Hg des Steuergliedes 25 durch
das erste Phasenerregungssignal an das Gate des NMOS-Transistors
M14 des dritten Schaltgliedes 26 angelegt.
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Während sich
das erste Phasenerregungssignal im H-Pegel befindet, wird der Erregerstrom,
der als magnetische Energie in der Spule 9 gespeichert wurde, über die
Diode D16 im Kondensator C2 des zweiten
Energiespeichergliedes 16 als elektrische Energie gespeichert,
und der Strom beginnt, durch die Spule 10 zu fließen.
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Wenn
in diesem Zustand das an den NMOS-Transistor M14 angelegte
Schaltsignal vom H-Pegel in den L-Pegel gesetzt wird oder umgekehrt, wird
der NMOS-Transistor M14 entsprechend dem Schaltsignal
geschaltet.
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Während der
NMOS-Transistor m14 eingeschaltet ist, fließt der Strom
durch die Spule 9 und durchläuft über die Diode D16 eine
Ruhestromschleife, so daß der
Strom in der Spule 9 sehr langsam abfällt. Bei ausgeschalten NMOS-Transistor
M14 fällt
der durch die Spule 9 fließende Strom schnell ab, weil
er über
die Diode 20 in den Kondensator C2 gespeichert wird.
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Wenn
das Tastverhältnis
des PDM-Signals groß ist,
wird die Zeit, in der der NMOS-Transistor eingeschaltet ist, verlängert, wodurch
der Strom langsam abfällt,
während
bei kleinem Tastverhältnis des
PDM-Signals die Zeit, in der der NMOS-Transistor ausgeschaltet ist,
verlängert
wird, wodurch der Strom schnell abfällt.
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Demnach
ist die Zeit, in der der Strom in der Spule 9 ansteigt,
umso kürzer,
je größer das
Tastverhältnis
des PDM-Signals ist. Dies ergibt sich durch den sehr langsamen Abfall
des Stromes in der Spule 9.
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Der
gleiche Ablauf ergibt sich, wenn das zweite Phasenerregungssignal
vom H-Pegel in den L-Pegel gesetzt wird und das dritte Phasenerregungssignal
mit H-Pegel an das Gate des NMOS-Transistors M11 angelegt
wird.
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Ebenso
wiederholt sich der oben beschriebene Ablauf immer, wenn das jeweilige
Phasenerregungssignal der Reihe nach auf die gleiche Art und Weise
angelegt wird.
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In
den 12A bis 12C werden
die Änderung
des Stromes und die Wellenformen des Drehmoments in den jeweiligen
Phasen nach dem Tastverhältnis
des PDM-Signals dargestellt, wobei A die Darstellung bei einem Tastverhältnis von
0%, B bei einem Tastverhältnis
von 50% und C bei einem Tastverhältnis
von 100% enthält.
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Wenn
das Tastverhältnis
bei etwa 0% liegt, ergibt sich die gleiche Wellenform des Stromes
wie diejenige, die sich ergibt, wenn das dritte Schaltglied nicht
beteiligt ist. Wenn das Tastverhältnis
bei 50% liegt, ähnelt
die Wellenform einem Rechteck. Wenn das Tastverhältnis bei 100% liegt, weil
der Strom zu Beginn zu schnell erhöht wurde, läßt sich ein Überschwingen
beobachten. Wenn das Tastverhältnis
bei 0% liegt, ist eine sägezahnförmige Welligkeit
des Drehmoments zu beobachten, während
die Welligkeit des Drehmoments bei 50% fast geglättet ist. Wenn Tastverhältnis fast
100% beträgt,
erhält
man eine Welligkeit die der doppelten Standardfrequenz entspricht.
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Wie
aus der vorangegangenen Beschreibung erkennbar ist, kann ein Schaltelement
in der Treiberschaltung nach der vorliegenden Erfindung die Funktion
von zwei Schaltelementen in herkömmlichen
SRM-Treiberschaltungen übernehmen.
Hierdurch können
Herstellungskosten gesenkt und die Größe der Schaltung verringert
werden. Darüber
hinaus wird ein Spannungsanstieg im Kondensator zwischen den beiden
Klemmen der Stromversorgung verhindert, wodurch einer Zerstörung von
Schaltelementen vorgebeugt wird.
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Weiterhin
kann ein schnelles Anhalten des Motors durch Gegenstrom bremsen
erzielt werden, und Geräusch
und Vibrationen des Motors können verringert
werden, indem das Tastverhältnis
des PDM-Signals gesteuert wird, um eine saubere Wellenform des Stromes
zu erzeugen.