DE60132012T2

DE60132012T2 - Bypass-schaltung im einsatz mit einer gleichstrommotor-regelung

Info

Publication number: DE60132012T2
Application number: DE60132012T
Authority: DE
Inventors: Christopher M. New Hope LANGE; Greg T. Brooklyn Park MROZEK
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2021-11-20
Also published as: WO2002043236A3; ATE381807T1; US6369540B1; AU2002239309B2; WO2002043236A2; AU3930902A; DE60132012D1; EP1340313B1; EP1340313A2; CA2430195A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Umgehen der Zener-Dioden, die über einen DC-Kollektormotor angeschlossen sind, um die Drehzahl des Motors zu regeln, wenn der Motor sich unter der Kraftwirkung einer Vorspannungsvorrichtung, wie zum Beispiel einer Feder, im Rücklauf befindet.
In einer mitanhängigen Patentanmeldung von Christopher M. Lange unter dem Titel "Drive Circuit and Method for an Electric Actuator with Spring Return [Antriebsschaltung und Verfahren für eine elektrische Betätigungsvorrichtung mit Federkraftrückstellung]", Serien-Nr. 08/904,005, angemeldet am 13. Juli 1997 und dem Beauftragten der vorliegenden Erfindung zugeordnet, wird ein Betätigungssystem gezeigt, bei dem eine Ausgangswelle durch eine Feder in einer ersten Position positioniert wird und bei Betätigung über einen Getriebezug durch einen Elektromotor in eine zweite Position gebracht wird. Die Schaltung umfasst eine Eingangsschaltung zum Bereitstellen eines ausreichend großen Stroms, um die Welle gegen die Kraft der Feder zu bewegen. Ein Rotationssensor erzeugt ein Signal, wenn der Motor und die Welle in der zweiten Position zum Stillstand kommen, und eine Modulationsschaltung, die das Signal vom Rotationssensor aufnimmt, reduziert den Strom für den Motor, um so die angehaltene Welle und den Motor mit einem minimalen Energieverbrauch in der zweiten Position zu halten. Wenn der Strom durch den Motor ausgeschaltet wird, bewegt die Feder den Motor rückwärts, und die Welle kehrt in die erste Position zurück. Eine Zener-Diode und eine herkömmliche Diode liegen in Reihe zwischen den Anschlussklemmen des Motors, um einen Stromkreislaufweg bereitzustellen, der die Spannung, die in den Windungen des Motors induziert wird, regelt und den Bremseffekt verstärkt, für den der Motor sorgt, wenn er stromlos ist und unter der Kraft der Vorspannung rückwärts läuft. Bedauerlicherweise läuft der Strom bei Leistungsbetrieb, wenn der Motor die Welle in die zweite Position bringt, durch die Zener-Diode, was zu einem zusätzlichen Energieverbrauch führt und den Wirkungsgrad verringert.
EP-A-0895346 offenbart eine Vorrichtung zur Verwendung mit einem Motor, die den Motor mit einer Spannungsquelle erregt und eine Spannungsregelvorrichtung in ihrem Rücklaufweg hat. US-A-6078204 offenbart eine Umgehungsschaltung für einen FET.
Die vorliegende Erfindung überwindet das Problem der verschwendeten Energie, die durch die Zener-Diode(n) während des Vorwärtsbetriebs läuft, durch Bereitstellen einer Umgehungsschaltung, die zum Umgehen der Zener-Diode(n) während des Vorwärtsbetriebs aktiviert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verwendung mit einem Motor bereitgestellt, der durch eine Spannungsquelle erregt wird, um in einer ersten Richtung zu laufen, und unter der Wirkung einer Vorspannungskraft in einer entgegengesetzten Richtung zurückkehrt, wenn die Spannungsquelle entfernt wird, wobei der Motor eine Spannungsregelvorrichtung im Rücklauf hat, um die Spannung zu begrenzen, die während des Rücklaufs induziert wird, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Folgendes umfasst:
einen spannungsgesteuerten Schalter, der über der Spannungsregelvorrichtung angeschlossen ist, um die Spannungsvorrichtung kurzzuschließen, wenn sie aktiviert wird; und
einen Sensor, der zum Aktivieren des spannungsgesteuerten Schalters angeschlossen ist, wenn der Motor erregt wird, damit er sich die erste Richtung bewegt.
Es wird auch ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt.
1 ist ein schematisches Diagramm der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 wird die Schaltung, die mit "Zener Diode Bypass [Zener-Dioden-Umgehung]" gekennzeichnet wird, 10, mit ihrer Anschlussleitung 12 an eine DC-Spannungsquelle, 14, die durch VM gekennzeichnet ist, gezeigt. Ein Motor 20 wird mit einer ersten Eingangsklemme, 21, gezeigt, die mit der Leitung, 12, verbunden ist, und einer zweiten Eingangsklemme, 22, die über einen Schalter, 24, mit der Betriebserde verbunden ist. Der Motor, 20, arbeitet über einen Getriebezug, 26, zum Antrieb einer Welle, 28, gegen die Vorspannung einer Feder, 30, von einer ersten oder Ruheposition in eine zweite oder angehaltene Position. Die Welle, 28, kann zum Beispiel mit dem Dämpferventil eines Heiz- oder Kühlsystems (nicht dargestellt) verbunden sein, bei dem die erste oder Ruheposition vollständig geschlossen und die zweite oder angehaltene Position vollständig offen ist. Die Drehzahl des Motors, 20, wird während des Antriebs von der ersten Position zur zweiten Position durch den Schalter, 24, reguliert, der ein FET sein kann, welcher sich sehr schnell in einer Weise öffnet und schließt, die in der oben erwähnten mitanhängigen Patentanmeldung Serien-Nr. 08/904,005 offenbart wird. In der angehaltenen Position besitzt der Motor, 20, genügend Energie, um das Ventil in der vollständig offenen Position zu halten. Wenn der Motor, 20, abgeschaltet wird, wie zum Beispiel durch das Entfernen der Spannung VM, dreht die Feder 30 die Welle, 28, in der Richtung entgegengesetzt dem Antriebsmotor, 20, zurück in die geschlossene Position.
Über den Motor, 20, liegen von Anschlusspunkt 21 zu Anschlusspunkt 22 zwei Zener-Dioden, 32 und 34, in Reihe, angeschlossen an einen Anschlusspunkt 35 mit einer herkömmlichen Diode, 36, mit Katode an Katode. Obwohl zwei Zener-Dioden, 32 und 34, gezeigt werden, kann die Zahl je nach der benötigten Verlustleistung variieren.
Da die Drehzahl des Rücklaufs proportional zur Spannung über den Zener-Dioden, 32 und 34, ist, bestimmt ihr Wert die Federrücklaufgeschwindigkeit der Betätigungsvorrichtung, und dementsprechend besteht ein Hauptverwendungszweck der Zener-Dioden, 32 und 34, darin, die Spannung zu regeln, die über den Wicklungen von Motor, 20, induziert wird, um die Drehzahl des Rücklaufs von Motor, 20, zur ersten Position zu regeln und den Bremseffekt zu verstärken, der vom Motor, 20, bereitgestellt wird, wenn die Energie entfernt wird. Weil sie jedoch im Rücklaufstromweg liegen, verschwenden die Zener-Dioden, 32 und 34, während des Vorwärtsantriebs der Betätigungsvorrichtung Energie. Dementsprechend ist es wünschenswert, die Zener-Dioden, 32 und 34, zu umgehen, wenn der Motor 20 sich zur zweiten Position hin bewegt.
Dies wird in einer bereits verkauften Dämpferschaltung (die von Honeywell als 'ML8105 Schnell ansprechende Zweipunktbetätigungsvorrichtung angegeben wird) unter Verwendung eines stromgesteuerten Umgehungstransistors erreicht, der über die Zener-Dioden angeschlossen ist und bei einem "Ein"-Zustand betätigt wird, um die Zener-Dioden kurzzuschließen, wenn der Strom zwischen Emitter und Kollektor des Transistors fließt. Da der Stromfluss vom Emitter zum Kollektor auftritt, wenn der Transistor "ein" geschaltet ist und wenn der Rücklaufstrom durch den Motor fließt (d. h. wenn VM anliegt und wenn der schnell ansprechende Schalter oder FET offen ist), werden die Zener-Dioden kurzgeschlossen, wie gewünscht, wenn der Motor sich beim Antreiben vorwärts bewegt. Wenn der schnell ansprechende Schalter, oder FET, geschlossen ist, wie dies sehr schnell zur Steuerung des Motorstroms auftritt, schaltet der Transistor leider auf "aus", und die Zener-Dioden sind nicht kurzgeschlossen. Wenn der schnell ansprechende Schalter, oder FET, sich wieder öffnet, dann ist der Transistor "aus" und wird wieder zurück in den "Ein"-Zustand gebracht, damit der Motorrücklaufstrom vom Emitter zum Kollektor durch ihn hindurchfließen kann. Auch wenn dieser Transistor sehr schnell wieder zum "Ein" zurückkehrt, wird beträchtliche unerwünschte Energie verschwendet, weil der Motorrücklaufstrom während des kurzen Zeitraums durch die Zener-Dioden fließen muss, in dem der Transistor zum "Ein"-Zustand zurückkehrt. Die vorliegende Erfindung überwindet dieses Problem durch die Verwendung einer Zener-Dioden-Umgehungsschaltung, bei der der Umgehungstransistor spannungsgesteuert wird, wie noch beschrieben wird.
Über den Zener-Dioden, 32 und 34, ist ein p-Kanal-FET, 38, angeschlossen, dessen Source-Elektrode mit einem Anschlusspunkt, 40, verbunden ist, der durch eine Leitung, 42, mit dem Anschlusspunkt, 35, verbunden ist, dessen Drain-Elektrode mit der Spannungsquelle VM an Leitung, 12, und dessen Gate-Elektrode mit einem Anschlusspunkt, 44, verbunden ist. Ein Widerstand, 46, liegt zwischen der Source-Elektrode an Anschlusspunkt 40 und der Gate-Elektrode an einem Anschlusspunkt, 44. Der Anschlusspunkt 44 ist auch über einen Widerstand, 48, mit dem Kollektor eines npn-Transistors, 50, verbunden, dessen Emitter mit der Betriebserde verbunden ist. Die Basis von Transistor, 50, ist mit einem Anschlusspunkt, 52, zwischen einem Paar von Widerständen, 54 und 56, verbunden, die zwischen einer geregelten DC-Spannungsquelle, VCC, und der Betriebserde in Reihe geschaltet sind. VCC wird aus einer Spannungsregelschaltung gewonnen und schaltet mit VM "aus" und "ein".
Wenn beim Betrieb das System die Welle, 28, zum Anhaltepunkt bewegt und solange die Welle sich am Anhaltepunkt befindet, sind die Stromversorgung, VM, und VCC "ein" geschaltet. Der Widerstand, 54, und der Widerstand, 56, werden so gewählt, dass eine ausreichende Vorspannung an der Basis des Transistors, 50, erzeugt wird, was ihn auf "ein" schaltet, wodurch ein Weg von der Source-Elektrode des FET 38 durch die Transistoren, 46 und 48, zur Betriebserde erzeugt wird. Dadurch wird ein Torsignal am FET, 38, erzeugt, welches ihn "einschaltet", und die Zener-Dioden 32 und 34 werden kurzgeschlossen, wobei nur die herkömmliche Diode 36 im Rücklaufstromweg liegt. Da FET, 38, nicht stromgesteuert ist, schaltet er nicht "aus", wenn der Schalter 24 geschlossen wird. Er schaltet nur "aus", wenn VCC unter einen vorgegebenen Wert fällt. Dies tritt auf, wenn VM und daher VCC "aus" geschaltet sind und das System abgeschaltet wird, und wenn die Feder, 30, die Welle, 28, den Motor, 20, rückwärts zieht, hört die Spannung am Anschlusspunkt, 52, auf und der Transistor 50 schaltet "aus". Das Gate von FET, 38, ist nicht mehr auf "ein" vorgespannt, wodurch der FET-Schalter, 38, auf "aus" schaltet. Im "Auszustand" sind die Zener-Dioden 32 und 34 nicht mehr kurzgeschlossen, und sie können nun die Spannung regeln, die in Motor, 20, induziert wird, und den Bremseffekt verstärken, wie es ihre Aufgabe ist.
Es ist daher zu erkennen, dass wir eine Schaltung zum Umgehen der Spannungsregelvorrichtungen in einer Rücklaufschaltung eines DC-Kollektormotors bereitgestellt haben. Dies wird ohne unnötige Energieverschwendung in der Umgehungsschaltung erreicht. Viele Änderungen und Modifizierungen an der bevorzugten Ausführungsform, die beschrieben wird, sind für Fachleute auf diesem Gebiet erkennbar. Zum Beispiel kann die Zahl der Dioden geändert werden, um den gewünschten Betrieb bereitzustellen, und verschiedene Antriebsmittel und Vorspannungsvorrichtungen können an Stelle von Getriebe 26 und Feder 30 verwendet werden.
Wenn VM eine geregelte Spannungsquelle ist, kann sie VCC ersetzen, und in einigen Fällen ist es möglich, eine ungeregelte Quelle für VCC zu verwendet, vorausgesetzt, der Anschlusspunkt, 50, besitzt eine ausreichende Spannung, um den Transistor, 50, auf "ein" zu schalten. Es liegt also nicht in unserer Absicht, die speziellen Strukturen, die in Verbindung mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform verwendet werden, einzuschränken.

Claims

Vorrichtung (10) zur Verwendung mit einem Motor (20), der durch eine Spannungsquelle (14) erregt wird, um in einer ersten Richtung zu laufen, und die in eine entgegengesetzte Richtung unter der Wirkung einer Vorspannung (30) zurückkehrt, wenn die Spannungsquelle entfernt ist, wobei der Motor eine Spannungsregelvorrichtung (32, 34) im Rücklauf hat, um die Spannung zu begrenzen, die während des Rücklaufs induziert ist, wobei die Vorrichtung, die durch (32, 34) gekennzeichnet ist, umfasst: einen spannungsgesteuerten Schalter (38), der über der Spannungsregelvorrichtung (32, 34) angeschlossen ist, um die Spannungsvorrichtung kurzzuschließen, wenn er aktiviert ist; und einen Sensor, der zum Aktivieren des spannungsgesteuerten Schalters (38) angeschlossen ist, wenn der Motor (20) erregt ist, um in die erste Richtung zu laufen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der spannungsgesteuerte Schalter (24) ein FET (38) ist, der "leitend" wird, um die Spannungsregelvorrichtung (32, 34) kurzzuschließen, wenn die Spannungsquelle "ein" ist, und der "nichtleitend" wird, um der Spannungsregelvorrichtung zu ermöglichen, die Spannung zu regeln, wenn die Spannungsquelle "aus" ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei der Sensor einen Transistor (50) umfasst, der an die Spannungsquelle angeschlossen ist und betrieben werden kann, um den FET (38) "leitend" und "nichtleitend" zu schalten, wenn die Spannungsquelle "ein" und "aus" schaltet.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die Gateelektrode des FET (38) mit dem Transistor (50) verbunden ist, um zu bewirken, dass der FET leitend ist, wenn der Transistor "ein" ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei der FET (38) Source- und Drain-Elektroden hat, die über der Spannungsregelvorrichtung (32, 34) derart verbunden sind, dass der FET, wenn leitend, die Spannungsregelvorrichtung kurzschließt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 5, wobei die Spannungsregelvorrichtung (32, 34) eine Zener-Diode (32) aufweist.
Verfahren zum Minimieren eines überschüssigen Energieverbrauchs, wenn ein Motor (20) von einer Spannungsquelle (14) erregt ist, um sich in eine erste Richtung zu bewegen, bewirkt durch eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung (32, 34), die nötig ist, um die Spannung zu begrenzen, die erzeugt ist, wenn der Motor durch eine Vorspannung in eine entgegengesetzte Richtung bewegt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte umfasst: Platzieren eines spannungsgesteuerten Schalters (38) über die Spannungsbegrenzungsvorrichtung (32, 34), um die Spannungsbegrenzungsvorrichtung kurzzuschließen, wenn der Schalter aktiviert ist; und Deaktivieren des Schalters (38), wenn die Spannungsquelle entfernt ist, was dem Motor (20) ermöglicht, sich in der entgegengesetzten Richtung zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Deaktivierungsschritt Folgendes umfasst: Erfassen der Spannung, die den Motor (30) erregt; und Deaktivieren des Schalters (38), wenn die erfasste Spannung unter einen vorgegebenen Wert fällt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Erfassungsschritt Folgendes umfasst: Verbinden der Basis eines Transistors (50) mit der Spannungsquelle, derart dass der Transistor nur dann auf "ein" schaltet, wenn die erfasste Spannung oberhalb des vorgegebenen Werts liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Deaktivierungsschritt ferner Folgendes umfasst: Verbinden der Gateelektrode eines FET (38) mit dem Transistor (50) derart, dass er nur dann "leitend" wird, wenn der Transistor "ein" ist; und Verbinden der Source- und Drain-Elektrode eines FET über der Spannungsregelvorrichtung (32, 34) derart, dass der FET die Spannungsregelvorrichtung kurzschließt, wenn er leitet.