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Diese
Erfindung betrifft allgemein Motorsysteme und insbesondere eine
verbesserte Ansteuerung der Steuerelektroden für einen elektronisch kommutierten
Einphasenmotor.
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Im
Allgemeinen weist ein Motor, beispielsweise ein elektronisch kommutierter
oder bürstenloser
Motor Permanentmagnete auf, die auf seinem Rotor montiert sind.
Der Stator eines derartigen Motors weist mehrere Zähne und
drahtgewickelte Spulenwicklungen an den Zähnen auf, die, wenn sie mit Strom
gespeist sind, mit dem Permanentmagnetrotor wechselwirken, um in
Abhängigkeit
von der Richtung des Stromes in Bezug auf die Polarität der Magnete ein
positives oder negatives Drehmoment zu erzeugen. Die Polarität der Magnete
in Bezug auf die Statorwicklung wechselt, wenn der Rotor sich in
einer Richtung gleichlaufend bewegt. Ein synchroner Wechsel der
Richtung des Statorstroms erhält
somit eine gleich bleibende Richtung des Drehmomentes aufrecht.
Gewöhnlich
steuert eine elektronische Inverterbrücke die Erregung der Statorwicklung
zur Steuerung der Richtung und der Größe des durch den Motor erzeugten
Drehmomentes sowie der Rotorwellendrehzahl.
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Beispielsweise
weist ein bürstenloses Gleichstrommotorsystem
gewöhnlich
eine Inverterbrücke
zum Antreiben des Motors auf. Die Inverterbrücke weist mehrere Leistungsschaltervorrichtungen
mit einer Rücklaufdiode
auf, die mit jeder der Vorrichtungen gekoppelt ist und dazu verwendet wird,
die Motorenwicklungen über
eine Energieversorgungsverbindung mit einer Energiequelle zu verbinden.
Die Energieversorgungsverbindung weist eine positive und eine negative
Spannungsleitung auf, die den Motor mit der Energie quelle verbinden. Im
Allgemeinen führt
ein derartiges Motorsystem eine pulsweitenmodulierte Energie den
Wicklungen zu, indem es eine der Leistungsschaltervorrichtungen
ein- und ausschaltet.
Momentan verfügbare
Ansteuerungen für
Vollbrückenschaltungen
enthalten RC-Schaltkreise, in denen der Spannungswechsel über einer
Kapazität
die Leitfähigkeit
der diagonal angeordneten Transistoren der Brückenschaltung steuert. Diese
Steuerungen versuchen, Durchschussströme zu verhindern, indem sie
die Ansteuersignale, die alternierend die Transistoren schalten,
verzögern, d.h.
eine „Totzeit" zwischen den Kommutierungsumschaltereignissen
vorsehen. Der leitfähige
Zustand jedes der oberen beiden Transistoren der Brückenschaltung
hängt häufig von
dem leitfähigen
Zustand seines zugehörigen
diagonalliegenden unteren Transistors (d.h. des unteren Transistors
auf der gegenüberliegenden
Seite der Last) ab. Eine Kapazität,
die die Basen der beiden Eingänge
der unteren Transistoren miteinander verbindet, verzögert den
leitfähigen
Zustand in einer Diagonale so lange, bis die andere Diagonale abgeschaltet
worden ist. Siehe beispielsweise US-Patentschriften Nr. 5 309 347,
5 469 095 und 4 439 806.
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Bürstenlose
Gleichstrommotoren sind allgemein beispielsweise in den US-Patentschriften
Nr. 5 423 192, 4 933 984 und 4 757 241 beschrieben, die alle auf
die gemeinsame Anmelderin der vorliegenden Erfindung lauten. Insbesondere
sind Einphasenmotoren bspw. in den US-Patentschriften Nr. 5 483 139,
5 465 019, 5 140 243, 4 724 678, 4 635 349, 4 626 755, 4 313 076
und 3 138 385 beschrieben, die alle auf die gemeinsame Anmelderin
der vorliegenden Erfindung lauten.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Motorsystem geschaffen, das aufweist:
eine
drehbare Anordnung;
eine stationäre bzw. feststehende Anordnung
in magnetischer Kopplungsbeziehung zu der drehbaren Anordnung, wobei
die stationäre
Anordnung eine Wicklung enthält;
eine
Energieversorgungsverbindung mit einer oberen Leitung und einer
unteren Leitung, die durch eine Energieversorgung bzw. Spannungsquelle
gespeist sind,
eine Brückenschaltung,
die einen Satz oberer Leistungsschalter, die zwischen der Wicklung
und der oberen Leitung angeschlossen sind, und einen Satz unterer
Leistungsschalter enthält,
die zwischen der Wicklung und der unteren Leitung angeschlossen sind,
wobei jeder der unteren Schalter zu einem der oberen Schalter auf
der gleichen Seite der Wicklung wie der untere Schalter gehört, wobei
die einander zugehörigen
oberen und unteren Schalter, die mit dem gleichen Ende der Wicklung
verbunden sind, einen Arm der Brückenschaltung
bilden, wobei die Schalter jeweils einen leitenden Zustand und einen nicht
leitenden Zustand aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand
jedes der oberen Schalter durch den Zustand seines zugehörigen unteren Schalters
auf dem gleichen Arm der Brückenschaltung
bestimmt ist;
eine Steuerungsschaltung zur Erzeugung eines
Motorsteuersignals zur Steuerung der Schalter, wobei die unteren
Schalter das Motorsteuersignal empfangen und auf dieses ansprechen;
und
eine Ansteuerungsschaltung, die auf den Zustand der unteren
Schalter anspricht, um die zugehörigen oberen
Schalter anzusteuern, um die Leitungen der Energieversorgungsverbindung
wahlweise mit der Wicklung zu verbinden, wodurch die Wicklung mit Strom
gespeist wird, um ein elektromagnetisches Feld zur Drehung der drehbaren
Anordnung in Bezug auf die stationäre Anordnung zu erzeugen, wobei
die Ansteuerungsschaltung die oberen Schalter steuert, um ein Verzögerungsintervall
zwischen den leitenden Zuständen
der einander zugehörigen
oberen und unteren Schalter bereitzustellen, wodurch Durchschussströme reduziert
werden.
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Unter
den verschiedenen Aufgaben dieser Erfindung, sind insbesondere zu
nennen: die Schaffung eines verbesserten Motorsystems, das Durchschussströme in seiner
Inverterbrücke
reduziert; die Schaffung eines derartigen Motorsystems, das die Verwendung
eines Hochspannungsbasispegelstellers zur Ansteuerung der Inverterbrücke beseitigt;
die Schaffung eines derartigen Motorsystems, das eine Steuerung
der oberen Leistungsschalter der Inverterbrücke in Abhängigkeit von den Zuständen der
unteren Leistungsschalter ermöglicht;
die Schaffung eines derartigen Motorsystems, das keine mit den oberen
Leistungsschaltern verbundenen Pulsweitenmodulationsumschaltverluste
aufweist und die Schaffung eines derartigen Motorsystems, das wirtschaftlich
realisierbar und technisch ausführbar
ist.
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Kurz
zusammengefasst, weist ein Motor, der Aspekte der Erfindung verkörpert, eine
stationäre
Anordnung, die eine Wicklung enthält, und eine drehbare Anordnung
auf, die mit der stationären
Anordnung in magnetischer Kopplungsbeziehung steht. Der Motor enthält ferner
eine Energieversorgungsverbindung mit einer oberen und einer unteren
Leitung, die durch eine Energiequelle gespeist sind, sowie eine Brückenschaltung
mit oberen und unteren Leistungsschaltern, die zwischen der Wicklung
und der oberen bzw. unteren Leitung angeschlossen sind. Jeder untere
Schalter gehört
zu einem der oberen Schalter, und jeder Schalter weist einen leitenden
Zustand sowie einen nicht leitenden Zustand auf. Der Motor enthält ferner
eine Steuerungsschaltung zur Erzeugung eines Motorsteuersignals,
um die Schalter zu steuern. Die unteren Schalter empfangen das Motorsteuersignal
und sprechen auf dieses an, während
eine Ansteuerungsschaltung auf den Zustand der unteren Schalter
anspricht, um die oberen Schalter anzusteuern. Die Schalter verbinden
die Leitungen der Energieversorgungsverbindung selektiv mit der
Wicklung, um diese mit Strom zu speisen, um ein elektromagnetisches
Feld zu erzeugen, das die drehbare Anordnung veranlasst, sich in
Bezug auf die stationäre
Anordnung zu drehen. Die Ansteuerschaltung steuert die oberen Schalter
an, um zwischen den leitenden Zuständen der einander zugehörigen oberen
und unteren Schalter eine Verzögerung
zu erzielen, wodurch Durchschussströme reduziert werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung betrifft eine Inverterbrücke zum Antreiben eines Motors.
Der Motor weist eine stationäre
Anordnung, die eine Wicklung enthält, und eine drehbare Anordnung auf,
die mit der stationären
Anordnung magnetisch gekoppelt angeordnet ist. Der Motor enthält ferner eine
Energieversorgungsverbindung, die eine obere und eine untere Leitung
aufweist, die durch eine Energieversorgung gespeist sind und eine
Steuerungsschaltung zur Erzeugung eines Motorsteuersignals, um die
Kommutierung der Wicklung zu steuern. Die Brücke enthält einen Satz oberer Leistungsschalter, die
zwischen der Wicklung und der oberen Leitung angeschlossen sind,
und einen Satz unterer Leistungsschalter, die zwischen der Wicklung
und der unteren Leitung angeschlossen sind. Jeder untere Schalter,
der einem der oberen Schalter entspricht, empfängt das Motorsteuersignal und
spricht auf dieses an. Jeder Schalter weist einen leitenden Zustand und
einen nicht leitenden Zustand auf. Die Brücke enthält ferner eine Ansteuerungsschaltung,
die auf den Zustand der unteren Schalter anspricht, um die oberen
Schalter anzusteuern. Die Schalter verbinden die Leitungen der Energieversorgungsverbindung wahlweise
mit der Wicklung, um diese zu erregen, um ein elektromagnetisches
Feld zu erzeugen, das die drehbare Anordnung veranlasst, sich in
Bezug auf die stationäre
Anordnung zu drehen. Die Ansteuerungsschaltung steuert die oberen
Schalter, um ein Verzögerungsintervall
zwischen den leitenden Zuständen
der einander zugehörigen
oberen und unteren Schalter bereitzustellen, wodurch Durchschussströme reduziert
werden.
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Ausführungsformen
der Erfindung sind nachstehend zu Beispielszwecken mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Motorsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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2 ein
schematisiertes Schaltbild einer Inverterbrücke zur Steuerung des Motors
nach 1.
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3A–3F beispielhafte
Zeitdiagramme, die die Beziehung zwischen der Gegen-EMK (der elektromotorischen
Gegenspannung) und einem Spitzenstrom in dem Motor nach 1 gemäß einer bevorzugten
Kommutierungsstrategie der Erfindung veranschaulicht.
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Einander
entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen in sämtlichen Zeichnungen einander zugehörige Teile.
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Bezugnehmend
nun auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 ein Motorsystem 10 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das System 10 enthält einen
allgemein mit 12 bezeichneten Motor, der eine stationäre Anordnung
oder einen Stator 14 und eine drehbare Anordnung oder einen
Rotor 16 in magnetischer Kopplungsbeziehung mit dem Stator 14 aufweist.
In der hier beschriebenen Ausführungsform
ist der Motor 12 durch einen einphasigen, elektronisch
kommutierten Permanentmagnetmotor gebildet. Es versteht sich jedoch,
dass Aspekte der vorliegenden Erfindung auf einen beliebigen elektronisch
steuerbaren Motor oder eine beliebige dynamoelektrische Maschine, der
bzw. die gewöhnlich
durch eine elektronische Steuerungsschaltung mit Energie versorgt
ist, angewendet werden kann. Zu derartigen Motoren gehören beispielsweise
Außenläufermotoren
(d.h. Inside-Out-Motoren), Permanentmagnetmotoren, Motoren mit einzelner
und variabler Drehzahl, Motoren mit wählbarer Drehzahl, die mehrere
Drehzahlen aufweisen, bürstenlose
Gleichstrommotoren, elektronisch kommutierte Motoren, Reluktanzschrittmotoren und
Induktionsmotoren. Außerdem
können
die Motoren Mehrphasen- oder Einphasenmotoren sein, wobei derartige
Motoren in jedem Fall eine einzelne Hilfsphasenwicklung oder eine
Mehrphasenwicklung aufweisen können.
Derartige Motoren können
ferner eine oder mehrere endliche, diskrete Rotordrehzahlen bereitstellen,
die durch einen elektrischen Schalter oder eine sonstige Steuerungsschaltung
ausgewählt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung verbindet eine Motorwelle 18 den Rotor 16 in
mechanischer Weise mit einer bestimmten Vorrichtung, die angetrieben
werden soll, beispielsweise einer drehbaren Komponente 20.
Die drehbare Komponente 20 umfasst beispielsweise ein Gebläse, einen
Bläser,
einen Kompressor oder dergleichen zur Verwendung in einer Heizungs-,
Lüftungs-
und Klimaanlage oder in einer Kühlanlage.
Obwohl der Motor 12 zum Antreiben eines Gebläses besonders nützlich ist,
versteht es sich, dass der Motor 12 einen Teil einer Anzahl
unterschiedlicher Systeme zum Antreiben anderer drehbaren Komponenten
bilden kann. Beispielsweise kann die drehbare Komponente 20 ein
Rührwerk
und/oder eine Trommel einer eine vertikale Drehachse aufweisenden
Waschmaschine oder eine Trommel einer eine horizontale Achse aufweisenden
Waschmaschine oder einer Waschmaschine mit Rührung um einen Zentralpfosten
bilden. Außerdem
kann die drehbare Komponente 20 auch eine Verbindungseinrichtung
zur Ankopplung derselben an die Welle 18 enthalten. Die
auf die gemeinsame Anmelderin lautenden US-Patentschriften Nr. RE 33
655, 5 492 273, 5 418 438, 5 423 192 und 5 376 866 beschreiben verschiedene
drehbare Komponenten, für
deren Verwendung die vorliegende Erfindung geeignet ist.
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Vorzugsweise
liefert eine Benutzerschnittstelle oder eine Systemsteuerung 22 Systemsteuersignale
an eine Steuerungsschaltung 24 über eine Leitung 26.
In diesem Fall nehmen die Systemsteuersignale die Form von Motorbefehlen
ein, die beispielsweise Einschalt- und Abschaltbefehle sowie gewünschte Gebläsedrehzahlen
kennzeichnen. In Abhängigkeit
von den Systemsteuersignalen erzeugt die Steuerschaltung 24 anschließend Motorsteuersignale.
Wie durch das Blockschaltbild nach 1 dargestellt,
führt die
Steuerungsschaltung 24 die Motorsteuersignale über eine
Leitung 28 zu, um mehrere Steuerelektrodentreiber 30 zu
steuern. Die Steuerelektrodentreiber 30 liefern wiederum
Ansteuersignale über
eine Leitung 32, um mehrere Leistungsschalter 34,
beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode
(insulated gate bipolar transistors, IGBT), bipolare Sperrschichttransistoren
oder Metalloxidsilizium-Feldeffekttransistoren,
zu schalten. Außer der
Bereitstellung einer ausreichenden Spannung (von beispielsweise
15 Volt) zur Ansteuerung der Leistungsschalter 34 konditionieren
die Steuerelektrodentreiber 30 auch die durch die Steuerungsschaltung 24 bereitgestellten
Signale für
eine optimale Funktion der Leistungsschalter 34. In einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Steuerungsschaltung 24 durch einen
Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller und/oder eine anwendungsspezifische
integrierte Schaltung (ASIC, Application Specific Integrated Circuit)
oder eine universelle integrierte Schaltung für einen elektronisch kommutierten
Motor (UECM IC, Universal Electronically Commutated Motor Integrated
Circuit) verwirklicht.
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Wie
in 1 veranschaulicht, führt eine Energieversorgung
oder Spannungsquelle 36 Hochspannungsgleichstrom-Energie über eine
Leitung 38 den Leistungsschaltern 34 zu. Indem
die Energieversorgung 36 wahlweise mit einer Motorwindung 40 (siehe 2)
in Verbindung geschaltet wird, die in dem Stator 14 enthalten
ist, liefern die Leistungsschalter 34 Energie bzw. Strom über eine
Leitung 42 zu dem Motor 12. Die Leistungsschalter 34 erregen die
Motorwicklung 40 vorzugsweise gemäß einer im Voraus gewählten Sequenz
zur Kommutierung des Motors 12 in Abhängigkeit von der Steuerungsschaltung 24.
In diesem Fall aktiviert die Steuerungsschaltung 24 gezielt
die Leistungsschalter 34, um die Drehung in dem Motor 12 in
Abhängigkeit
von den Motorsteuersignalen zu steuern. Es ist verständlich, dass
die Energieversorgung 36 auch Energie zum Betreiben der
Steuerungsschaltung 24 liefern kann.
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Weiter
bezugnehmend auf 1 versorgt ein Positionssensor 44 die
Steuerungsschaltung 24 über
eine Leitung 46 mit einer Rückmeldung, die die Winkelposition
des Rotors 16 in Bezug auf den Stator 14 kennzeichnet.
Beispielsweise weist der Positionssensor 44 einen oder
mehrere Halleffektsensoren auf, die ein Rotorpositions-Rückführsignal
liefern. Im Allgemeinen weist das Positionssignal eine vordefinierte
Winkelbeziehung in Bezug auf die elektromotorische Gegenkraft (EMG)
des Motors 12 (z.B. Phasengleichheit mit der EMG oder eine
Phasenverschiebung von ungefähr
90° gegenüber dieser
auf). Andere Positionssensoren, beispielsweise optische Sensoren,
können
ebenfalls dazu verwendet werden, anstelle oder zusätzlich zu
den Halleffektsensoren eine Rotorpositionsrückmeldung zu liefern. Beispielsweise
beschreibt die auf die gemeinsame Anmelderin lautende EP-A-0 820 140 eine Quadraturwicklung,
die zur Erzeugung eines Positionssignals in einem Einphasenmotor,
beispielsweise dem Motor 12, geeignet ist.
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Vorzugsweise
erzeugt die Steuerungsschaltung 24 ihre Steuersignale in
Abhängigkeit
von den Nulldurchgängen
der elektromotorischen Gegenkraft EMG der Wicklung 40.
In diesem Fall bestimmt das Produkt aus dem Strom und der elektromotorischen Gegenkraft
EMG die Drehmomenterzeugung in dem Motor 12. Durch Erregung
der Wicklung 40 in dem Zeitpunkt, wenn die elektromotorische
Gegenkraft EMG den Nullwert in der Richtung, die der diese erregenden
Spannung entgegenwirken wird, durchschritten hat, erhält der Motor 12 ein positives
Drehmoment aufrecht. Da es erwünscht
ist, dass der Motorstrom den Nullwert in dem Zeitpunkt durchfährt, wenn
die elektromotorische Gegenkraft EMG ebenfalls den Nullwert durchfährt, schaltet
die Steuerung 24 vorzugsweise den Motor 12 bei
einem Winkel in Bezug auf den nächsten
Nulldurchgang der elektromotorischen Gegenkraft um. In anderen Worten schätzt die
Steuerungsschaltung 24 nachfolgende Nulldurchgänge der
elektromotorischen Gegenkraft auf der Basis der erfassten Position
des Rotors 16 ab und erzeugt Ansteuersignale an der Leitung 32 zur Ansteuerung
der Leistungsschalter 34 in Übereinstimmung mit oder vor
den geschätzten
Nulldurchgängen
der elektromotorischen Gegenkraft. Somit erzeugt die Steuerungsschaltung
die Motorsteuersignale als Funktion der erfassten Position des Rotors 16,
wie diese durch das Positionssignal gekennzeichnet ist. Als ein
Beispiel beschreibt die auf die gemeinsame Anmelderin lautende US-Patentschrift
Nr. 5 423 192 eine bevorzugte Einrichtung zur Erfassung von Nulldurchgängen.
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Im
Betrieb implementiert die Steuerungsschaltung 24 eine Zustandsmaschine
zur Erzeugung von Signalen, die gewünschte Kommutierungsintervalle
definieren, in Abhängigkeit
von den Systemsteuersignalen. Wenn die Leistungsschalter 34 in
Abhängigkeit
von den Motorsteuersignalen umgeschaltet werden, erzeugt das System 10 einen
Motorstrom, der die Lastdrehmomentanforderung in Abhängigkeit
von einem geregelten Stromreferenzpegel anpasst. Durch Abgleichen
des Lastdrehmomentes mit dem erzeugten Drehmoment ist der Motor 12 in der
Lage, bei einem gewünschten
Drehmoment oder einer gewünschten
Drehzahl betrieben zu werden. Die Steuerungssignale enthalten vorzugsweise
eine Folge von impulsweitenmodulierten Takten oder Zyklen, wobei
ein Takt bzw. Zyklus ein entsprechendes Umschaltereignis der Leistungsschalter 34 hervorruft.
Der Strom in der Wicklung 40 erzeugt wiederum ein elektromagnetisches
Feld zur Drehung des Rotors 16 des Motors 12.
Zur Steuerung der Drehzahl der drehbaren Komponente 20 steuert
das System 10 vorzugsweise die der Last zugeführte Leistung, um
die Drehzahl des Motors 12 zu steuern. Insbesondere regelt
das System 10 den Strom in dem Motor 12, der wiederum
das Drehmoment regelt, um die gewünschte Motordrehzahl durch
Anpassung des Last- und Motorverlustanforderungsdrehmomentes bei
der gewünschten
Drehzahl zu erhalten.
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In
einer Ausführungsform
ist der geregelte Stromreferenzpegel durch einen für einen
normalen Motorbetrieb vorgesehenen Strom mit geregeltem Spitzenwert
gebildet, der mittels eines impulsweitenmodulierten Regelsignals
(siehe 3C) übertragen wird, das ein variables
Tastverhältnis
aufweist, das für
den gewünschten
Strompegel kennzeichnend ist. Beispielsweise kann das Tastverhältnis zwischen
0 und 100 % variieren, wobei 100 % einem maximalen Spitzenwert geregelten
Stromwert entspricht und wobei das Tastverhältnis zu dem gewünschten
Strom in dem Motor 12 proportional ist. In einer Modifikation erzeugt
die Steuerungsschaltung 24 ein variables Spannungssignal,
dessen Amplitude den gewünschten
Strom kennzeichnet. Weitere geeignete Einrichtungen zur Bereitstellung
des Spitzenwert geregelten Strompegels umfassen eine einfache Widerstandsschaltung
oder einen Potentiometer.
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Die
auf die gemeinsame Anmelderin lautende EP-A-0 808 010 beschreibt
ein System zur Regelung eines Motorstroms und Steuerung von in einem geschlossenen
Stromkreis fließenden
Strömen
in einem Einphasenmotor. Die auf die gemeinsame Anmelderin lautende
EP-A-0 848 489 beschreibt einen geeigneten Motor und eine geeignete
Steuerung zur Verwendung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung.
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Bezugnehmend
nun auf 2 verkörpert eine Inverterbrückenschaltung 48,
die zwei untere Schalter 50, 52 und zwei obere
Schalter 54, 56 aufweist, die die Arme einer H-Brückenkonfiguration
bilden, die Leistungsschalter 34 (1). Rücklauf-
bzw. Freilaufdioden 58, 60, 62, 64 sind
in einer antiparallelen Anordnung mit jedem Schalter 50, 52, 54 bzw. 56 gekoppelt,
wie dies in 2 veranschaulicht ist. Die Inverterbrückenschaltung 48 weist
ferner eine positive oder obere Spannungsleitung 66 und
eine negative o-der
untere Spannungsleitung 68 auf, die durch eine Energieversorgung
bzw. Spannungsquelle 36 gespeist sind. Ein Shunt-Widerstand,
Stromtransformator, Halleffekt-Stromsensor,
integrierter Stromsensor oder ein sonstiger Sensor oder eine Schaltung, die
in der Technik bekannt sind, können
dazu verwendet werden, den Wicklungs- oder Motorstrom des Motors 12 zu
erfassen. Es ist zu verstehen, dass die Leitungen 66, 68 eine
auch durch die Leitungen 38, 42 angezeigte Energieversorgungsverbindung zur
Zuführung
von Energie bzw. Strom zu der Motorwicklung 40 bilden.
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Außerdem veranschaulicht 2 eine
allgemein mit 70 bezeichnete Ansteuerschaltung oder Steuerelektrodentreiberschaltung,
die der rechten Seite oder dem rechten Arm der Brückenschaltung 48 (d.h.
den Schaltern 52, 54) zugeordnet ist, sowie eine
Ansteuerschaltung oder Steuerelektrodentreiberschaltung, die allgemein
mit 72 bezeichnet und der linken Seite oder dem linken
Arm der Brückenschaltung 48 (d.h.
den Schaltern 50, 56) zugeordnet ist. Obwohl die
Leistungsschalter 34, die Leitung 32 und die Ansteuerungen
bzw. Steuerelektrodentreiber 30 in 1 aus Einfachheits gründen gesondert
veranschaulicht sind, versteht es sich, dass die Brückenschaltung 48 nach 2 Ausführungsformen
jeder dieser Komponenten verkörpert.
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Ein
bevorzugtes Anregungsschema für
den Motor 12 umfasst einen Befehl zum Einschalten zweier
Schalter während
jedes Kommutierungsintervalls, und zwar eines von den unteren Schaltern 50, 52 und
eines von den oberen Schaltern 54, 56. Der Motor 12 wird
mit einem Strom einer im Wesentlichen symmetrischen quadratischen
Signalform angesteuert. Dies bedeutet, dass die Schalter 50, 54 während abwechselnder
50 %iger Halbzyklen Strom leiten, während die Schalter 52, 56 während der
anderen 50 %igen Halbzyklen stromleitend sind. In mechanischer Weise
ausgedrückt,
führen
die Leistungsschalter 34 der Brückenschaltung 48 die „Kommutator"-Funktion eines Gleichstrommotors mit
Bürsten aus.
Insbesondere erzeugt die Steuerungsschaltung 24 ein geeignetes
Kommutierungssignal, um einen der unteren Schalter 50, 52 und
einen diagonal angeordneten oberen Schalter 54, 56 einzuschalten. Durch
Aktivierung der Leistungsschalter 34 paarweise in Diagonalen
verbindet die Brückenschaltung 48 die
Motorwicklung 40 mit der oberen und der unteren Leitung 66, 68 und
verbindet diese somit mit der Energieversorgung 36. Im
normalen Betrieb wählt
die Steuerungsschaltung 24 ferner einen der aktiven Leistungsschalter 34 aus,
der zur Steuerung des Motorstroms verwendet werden soll. In einer
bevorzugten Ausführungsform
führt der
gewählte
Schalter eine Pulsweitenmodulation (PWM) der der Wicklung 40 zugeführten Energie
aus, um den Motorstrom zu steuern. Obwohl die Zeitdauer des leitenden
Zustands eines oder beider der leitenden Leistungsschalter durch
Pulsweitenmodulation gesteuert werden kann, um während einer beliebigen gegebenen Halbwelle
den der Motorwicklung 40 zugeführten Strom zu steuern, werden
in der Ausführungsform nach 2 die
unteren Schalter 50, 52 durch Pulsweitenmodulation
gesteuert. Beispielsweise wird während
eines normalen Motorbetriebs der aktive untere Schalter 50 oder
der aktive untere Schalter 52 für die PWM verwendet. Die auf
die gemeinsame Anmelderin lautende US-Patentschrift Nr. 4 757 603 veranschaulicht
eine beispielhafte PWM-Steuerung eines Motors.
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Als
ein Beispiel für
den Betrieb des Motors 12 liefert die Steuerungsschaltung 24 Steuersignale, um
ein Paar von Leistungsschaltern 34 (d.h. die Schalter 50, 54 oder
die Schalter 52, 56), die sich jeweils auf einer
gegenüberliegenden
Seite der Wicklung 40 befinden, zu aktivieren. Einer der
beiden aktiven Schalter (z.B. der Schalter 50 oder der
Schalter 52) führt
die PWM aus, während
der andere (z.B. der Schalter 54 oder der Schalter 56)
in seinem eingeschalteten oder leitenden Zustand für das gesamte Kommutierungsintervall
verbleibt, wie dies durch die Kommutierungslogik angewiesen wird.
Die Polarität der
elektromotorischen Gegenkraft des Motors während dieses Zeitintervalls
ist der Versorgungsspannung entgegengerichtet, so dass die antreibende elektromotorische
Kraft gleich der Versorgungsspannung abzüglich der elektromotorischen
Gegenkraft ist. In der veranschaulichten Ausführungsform wendet die Steuerungsschaltung 24 Steuersignale
auf die Schalter 50, 52 in Abhängigkeit von den Kommutierungs-
und Regelungssignalen an. Beispielsweise wird auf den Schalter 50 ein
Pulsweitenmoduliertes Signal angewandt, während auf den Schalter 52 ein binäres Low-Pegel-Signal
angewandt wird, und umgekehrt.
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Wie
in 2 veranschaulicht, legt die Steuerungsschaltung 24 eine
Spannung an die Basis des Schalters 52 über einen Widerstand 74 an,
um das Umschalten des Transis tors zu steuern. In einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ist der Wert des unteren Einschaltwiderstandes 74 ausgewählt, um
den unteren Schalter 52 zu veranlassen, mit einer verhältnismäßig langsamen
Geschwindigkeit in Bezug auf die Geschwindigkeit, mit der der obere
Schalter 54 abschaltet, einzuschalten. In einer ähnlichen
Weise veranlasst ein oberer Einschaltwiderstand 76, dessen
Wert viel größer ist
als der des Widerstandes 74, den oberen Schalter 54,
im Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit der der untere Schalter 52 abschaltet,
langsamer einzuschalten.
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Ein
Abschaltwiderstand 78 bestimmt die Geschwindigkeit, mit
der der obere Schalter 54 abschaltet. In diesem Fall führt eine
Diode 80 einen Strom von der Motorwicklung 40,
wenn der untere Schalter 52 leitend ist. Dieser Strom zieht
das Potential an dem Abschaltwiderstand 78 hinunter, was
wiederum die Basis des oberen Schalters 54 derart vorspannt, dass
sichergestellt ist, dass der Schalter 54 ausgeschaltet
bleibt, solange der Schalter 52 an ist. In anderen Worten
ist der Widerstand 78 an ein Spannungsniveau von -0,6 Volt
in Bezug auf den Emitter des den Schalter 54 bildenden
Transistors angeschlossen. Außerdem
ist der Wert des Widerstands 78 vorzugsweise derart gewählt, dass
die Gate-Source-Kapazität des Schalters 54 schnell
entladen wird. Als ein Beispiel wird eine Zeitkonstante von 100
Nanosekunden (d.h. 1000 pF·100 Ω) verwendet.
Diese Kombination aus der Diode 80 und den Widerständen 74, 76, 80 der
Ansteuerschaltung 70 verhindert oder minimiert Durchschussströme, die
sich ergeben, wenn beide Schalter 52, 54 in dem
gleichen Zeitpunkt leitend sind. Der Motorstrom wird durch das direkte
Umschalten lediglich der unteren Schalter 50, 52 kommutiert
bzw. umgeschaltet und geregelt. Die Zustände der oberen Schalter 54, 56 sind
automatisch zu den Zuständen
der unteren Schalter 50, 52 komplementär.
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In
der veranschaulichten Ausführungsform enthält die Steuerelektrodentreiberschaltung 72 Widerstände 82, 84, 86 in
Kombination mit einer Diode 88. Diese Kombination aus den
Widerständen 82, 84, 86 und
der Diode 88 reduziert Durchschussströme in den Schalter 50, 56 in
einer ähnlichen
Weise wie die Widerstände 74, 76, 78 und
die Diode 80.
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2 veranschaulicht
eine bevorzugte Ladepumpenschaltung zum Einschalten des oberen Schalters 54,
wenn der untere Schalter 52 abgeschaltet ist. Vorzugsweise
lädt sich
ein Kondensator 90 auf eine Spannung von +15 Volt über eine
Diode 92 auf, wenn der Schalter 52 leitend ist.
Infolgedessen schaltet die Spannung über dem Kondensator 90 den
oberen Schalter 54 ein, wenn der untere Schalter 52 ausgeschaltet
ist. In ähnlicher
Weise schalten ein Kondensator 94 und eine Diode 96 den
oberen Schalter 56 ein, wenn der untere Schalter 50 ausgeschaltet
ist.
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Somit
hängt für jeden
Arm der Brückenschaltung 48 (d.h.
den oberen und den unteren Schalter auf der gleichen Seite der Last)
der Zustand des oberen Schalters (d.h. des Schalters 54 oder
des Schalters 56) von dem Zustand seines zugehörigen unteren
Schalters (d.h. des Schalters 52 bzw. des Schalters 50)
ab. Außerdem
veranlassen die Ansteuerschaltungen 70, 72 der
Brückenschaltung 48 den oberen
Schalter jedes Arms, mit einer geringeren Rate im Vergleich zu der
Rate, mit der sein zugehöriger
unterer Schalter abschaltet, einzuschalten und mit einer schnelleren
Rate im Vergleich zu der Rate, mit der sein zugehöriger unterer
Schalter einschaltet, abzuschalten. Auf diese Weise stellt die vorliegende Erfindung
sicher, dass der obere und der untere Schalter in dem gleichen Arm
der Brückenschaltung nicht
gleichzeitig leitend sein werden und stellt eine „eingriffsfreie" („hands
off") bzw. vollautomatische Steuerung
der oberen Schalter 54, 56 zur Verfügung.
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Wie
in 2 veranschaulicht, sind die Schalter 34 in
Form von Transistoren realisiert, die jeweils eine Basiselektrode,
eine Emitterelektrode und eine Kollektorelektrode aufweisen. In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die unteren Einschaltwiderstände 74, 82 mit
den Basiselektroden der unteren Schalter 52 bzw. 50 verbunden.
In ähnlicher
Weise sind die oberen Einschaltwiderstände 76, 84 mit
den Basiselektroden der oberen Schalter 54, 56 verbunden.
Die Kombination aus dem Kondensator 90 und der Diode 92 sowie
die Kombination aus dem Kondensator 94 und der Diode 96 bilden
Ladepumpenschaltungen zum Einschalten der jeweiligen oberen Schalter 54, 56 in
Abhängigkeit
von dem Ausschalten des zugehörigen
unteren Schalters 52, 50 auf dem gleichen Arm
der Brückenschaltung 48.
Wie veranschaulicht, ist die Diode 92 zwischen dem oberen Einschaltwiderstand 76 und
der +15-Volt-Spannungsquelle angeschlossen, während der Kondensator 90 zwischen
der Diode 92 und der Kollektorelektrode des zugehörigen unteren
Schalters 52 angeschlossen ist. In gleicher Weise ist die
Diode 96 zwischen dem oberen Einschaltwiderstand 84 und
der +15-Volt-Spannungsquelle angeschlossen, während der Kondensator 94 zwischen
der Diode 96 und der Kollektorelektrode des entsprechenden
unteren Schalters 50 angeschlossen ist.
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Darüber hinaus
enthalten die Treiberschaltungen 70, 72 Ausschaltwiderstände 78, 86,
die zwischen der Basiselektrode der jeweiligen oberen Schalter 54, 56 und
der Kollektor elektrode ihrer zugehörigen unteren Schalter 52, 50 angeschlossen
sind. Wie vorstehend beschrieben, wird jeder Ausschaltwiderstand 78, 86 spannungsmäßig heruntergezogen, wenn
der untere Schalter 52 bzw. 50 leitend ist. Auf diese
Weise erhalten die Treiberschaltungen 70, 72 die
oberen Schalter 54, 56 in ihren nicht leitenden
Zuständen
aufrecht, wie dies entsprechend der Kommutierungsstrategie erwünscht ist.
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Aus
diesen Gründen
ist die vorliegende Erfindung insbesondere zur Steuerung des Motordrehmomentes
oder der Motordrehzahl mittels PWM der unteren Schalter 50, 52 der
Brückenschaltung 48 geeignet.
Um ein Beispiel anzugeben, bleibt der obere Schalter 54 ständig an,
wenn der untere Schalter aus ist, d.h. wenn ein logisches Low-Pegel-Signal
der Basis des Schalters 52 zugeführt wird. Unterdessen wird
der untere Schalter 50 zu Steuerungszwecken durch Pulsweitenmodulation
angesteuert. Da der eingeschaltete Zustand des oberen Schalters 54 von dem
ausgeschalteten Zustand des unteren Schalters 52 und nicht
von dem An- oder Aus-Zustand des unteren Schalters 50 abhängig ist,
bleibt der Schalter 54 an, selbst wenn der Schalter 50 pulsweitenmoduliert wird.
Vorteilhafterweise wird der Schalter 54 nicht unnötig ein-
und ausgeschaltet. Die Raten bzw. Geschwindigkeiten, mit denen die
Schalter 34 der Einphasen-Steuerelektrodentreiberbrücke 48 einschalten
und abschalten, bieten ebenfalls Vorteile gegenüber herkömmlichen H-Brücken.
Insbesondere sind die Abschaltgeschwindigkeiten der oberen Schalter 54, 56 schneller
als die Einschaltgeschwindigkeiten der unteren Schalter 52 bzw. 50.
Dies bedeutet, dass der Schalter 54 abschaltet, bevor der
Schalter 52 einschaltet, und dass der Schalter 56 abschaltet,
bevor der Schalter 50 einschaltet. Ferner sind die Einschaltge schwindigkeiten
der oberen Schalter 54, 56 langsamer als die Abschaltgeschwindigkeiten
der unteren Schalter 52 bzw. 50. Dies bedeutet, dass der Schalter 54 einschaltet,
nachdem der Schalter 52 abgeschaltet hat, und dass der
Schalter 56 einschaltet, nachdem der Schalter 50 abschaltet.
Somit vermeiden die durch die Brückenschaltung 48 verkörperten Steuerelektrodentreiber
Durchschussströme
während
der PWM des Motorwicklungsstroms, ohne eine Zeitspanne zwischen
den den Schaltern 50, 52 zugeführten Steuersignalen zu erfordern.
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Im
Gegensatz zu herkömmlichen
Steuerelektrodentreibern macht die Brückenschaltung von keiner Kapazität Gebrauch,
um zwischen den Ansteuersignalen, die den Leistungsschaltern 54 zugeführt werden,
eine Zeitspanne, d.h. eine „Totzeit", zu erzeugen, um
Durchschussströme
zu verhindern. In der Tat entsteht selbst in dem Fall, wenn beide
Eingangssteuerungen der Schalter 50, 52 sich gleichzeitig
auf dem hohen logischen Pegel befinden, kein Durchschussstrom. Dies
ist darauf zurückzuführen, dass
die Kombination aus dem Widerstand 78 und der Diode 80 bewirkt,
dass der Zustand des oberen Schalters 54 der entgegengesetzte,
umgekehrte Zustand des unteren Schalters 52 auf dem gleichen Arm
der Brückenschaltung 48 ist,
und dass die Kombination aus dem Widerstand 86 und der
Diode 88 bewirkt, dass der Zustand des oberen Schalters 56 der
entgegengesetzte, umgekehrte Zustand des unteren Schalters 50 auf
dem gleichen Arm der Brückenschaltung 48 ist.
Die Verwendung der Kombinationen aus Diode und Widerstand zur negativen
Vorspannung der Basis jedes oberen Transistors in Bezug auf seinen
Emitter sowie die Wahl geeigneter werte für die Widerstände und
Kondensatoren, die in der Schaltung 48 verwendet werden,
stellt sicher, dass die oberen Schalter im Vergleich zu der Geschwindigkeit,
mit der die unteren Schalter einschalten, relativ schnell abschalten.
Die vorliegende Erfindung verhindert wesentlich Durchschussströme, selbst
wenn die Steuerungseingänge
für beide
unteren Schalter 50, 52 den logischen Pegel HIGH
oder EINS aufweisen, und macht sich die Pulsweitenmodulation der
unteren beiden Schalter zu nutze, um die Menge des durch die Motorwicklung 40 fließenden Stroms
zu steuern. Die Tatsache, dass die oberen Schalter 54, 56 jeweils
während
der gesamten Kommutierungshalbwelle oder des halben Zyklus eingeschaltet
bleiben, selbst wenn der diagonal liegende untere Schalter 50 bzw. 52 pulsweitenmoduliert
wird, macht die obigen Unterschiede noch deutlicher.
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Bezugnehmend
auf 3A–3F veranschaulichen
beispielhafte Zeitdiagramme die Beziehung zwischen verschiedenen
Signalen und Zuständen
des Systems 10. 3A zeigt
eine idealisierte Signalform der elektromotorischen Gegenkraft EMG für die Wicklung 40 des
Motors 12 und zeigt Nulldurchgänge mit dem Bezugszeichen ND
an. Wie vorstehend beschrieben, erzeugt die Steuerungsschaltung 24 Motorsteuersignale
in Abhängigkeit
von der Position des Rotors 16, die in Abhängigkeit
von den Nulldurchgängen
der elektromotorischen Gegenkraft EMGbestimmt werden kann. 3B veranschaulicht ein
beispielhaftes Kommutierungssignal, COMM, das durch die Steuerungsschaltung 24 erzeugt
wird. Wie veranschaulicht, definiert das COMM-Signal einander abwechselnde
Kommutierungsintervalle zur Steuerung der Erregung der Wicklung 40,
um den Rotor 16 des Motors 12 zu drehen. In einem
Kommutierungsintervall oder einer Halbwelle, fließt Strom durch
den Schalter 56, die Wicklung 40 und den Schalter 52.
In dem nächsten
Kommutierungsintervall fließt
Strom durch den Schalter 54, die Wicklung 40 und
den Schal ter 50. 3C veranschaulicht
zwei beispielhafte Signale fPWM und PWM
zur Verwendung bei der Regelung des Stroms in dem Motor 12.
In einer Ausführungsform
ist das Signal fPWM durch eine Impulsfolge
mit einer gewünschten
Pulsweitenmodulationsfrequenz (von z.B. 18 kHz oder höher) zur Auslösung der
PWM-Operation der Steuerungsschaltung 24 gebildet, während das
PWM-Signal eine impulsweitenmodulierte Darstellung des Motorstroms
im Vergleich zu dem Spitzenwert geregelten Strompegel bildet. 3D veranschaulicht
Motorsteuersignale, die durch die Steuerungsschaltung 24 in
Abhängigkeit
von dem Kommutierungssignal COMM und dem Regelsignal PWM erzeugt
werden, um eine Kommutierung in dem Motor 12 herbeizuführen. Beispielsweise
ist das obere Signal nach 3D, COMM1,
ein Produkt aus COMM und PWM und wird dazu verwendet, die Schalter 50, 54 zu
aktivieren; das untere Signal nach 3D, COMM2,
ist durch ein Produkt aus der Umkehrfunktion oder der Inversen von
COMM und PWM gebildet und wird zur Aktivierung der Schalter 52, 56 verwendet. 3E veranschaulicht
die leitenden und nicht leitenden Zustände der Leistungsschalter 34,
wie sie mit den anderen Signalen in Beziehung stehen. Wie in 3E veranschaulicht,
entspricht die mit Q1 bezeichnete Grafik dem Schalter 50,
während
die mit Q2 bezeichnete Grafik dem Schalter 52 entspricht,
die mit Q3 bezeichnete Grafik dem Schalter 54 entspricht
und die mit Q4 bezeichnete Grafik dem Schalter 56 entspricht. 3F veranschaulicht
den Motorstrom IM, der die Wicklung 40 während des
Betriebs des Motors 12 speist. Vorzugsweise regelt die
Steuerungsschaltung 24 den Strom in der Wicklung 40 in
Abhängigkeit
von dem Spitzenwert geregelten Strompegel durch Ein- und Abschalten
der der Wicklung 40 zugeführten Energie entsprechend
dem PWM-Signal. Wie in 3F veranschaulicht, veranlasst
dies den Strom IM, von seinem Spitzenwert
aus abzu fallen bzw. abzuklingen. Der Führungsstrom ist in 3F als
I·REF gekennzeichnet. Wie vorstehend beschrieben,
ist der Führungsstrom
in dem Motor 12 eine Funktion des Spitzenwert geregelten
Strompegels, wie dies durch das Signal IREF dargestellt
ist.
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Die
Zeitdiagramme nach 3A–3F legen
vier unterschiedliche Zustände
während
des Betriebs der durch die H-Brückenschaltung 48 getriebenen
Einphasenwicklung 40 fest. Ein erster Zustand, der mit
dem Bezugszeichen 98 gekennzeichnet ist, tritt auf, wenn
der Motor 12 unmittelbar an die Quellenspannung von der
Energieversorgung 36 angeschlossen ist. Ein zweiter Zustand,
der mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnet ist, tritt
während
eines PWM-Aus-Intervalls
auf, wenn der Motorstrom IM abklingt, während er
in einer Schleife zirkuliert, die durch einen Schalter (z.B. den
Schalter 56) und eine Diode (z.B. die Diode 62)
festgelegt ist. Ein dritter Zustand, wie er mit dem Bezugszeichen 102 gekennzeichnet
ist, tritt nach dem nächsten
Kommutierungsereignis auf, wenn der Motorstrom IM über die
Freilaufdioden (z.B. die Diode 62 und die Diode 58)
abklingt. In diesem Augenblick ist die tatsächliche Spannung über der
Motorwicklung 40 gleich der Versorgungsspannung zuzüglich der
elektromotorischen Gegenkraft EMG. Ein vierter Zustand, der mit
dem Bezugszeichen 104 gekennzeichnet ist, tritt in den Kommutierungszellen
auf, wenn alle Leistungsschalter 34 ausgeschaltet sind.
Die Diagramme nach 3A–3F veranschaulichen
ferner ein Verzögerungsintervall 106,
das dafür
charakteristisch ist, dass der untere Schalter (z.B. der Schalter 50)
mit einer langsameren Geschwindigkeit einschaltet als die Geschwindigkeit,
mit der der obere Schalter (z.B. der Schalter 56) abschaltet.
In ähnlicher
Weise stellt ein Verzögerungsintervall 108 dar, wie
der obere Schalter (z.B. der Schalter 54) mit einer im
Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit der der untere Schalter (z.B.
der Schalter 52) abschaltet, langsameren Geschwindigkeit
einschaltet.