DE69908825T2

DE69908825T2 - Geschwindigkeitsregler zur modulation der pulsweite in gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE69908825T2
Application number: DE69908825T
Authority: DE
Inventors: Herminio Navalon Carretero
Original assignee: Nagares SA
Current assignee: Nagares SA
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2019-04-16
Also published as: US6831441B1; EP1168592A1; EP1168592B1; DE69908825D1; ES2201692T3; ATE242935T1; WO2000064040A1

Description

GEGENSTAND DER ERFINDUNG
In dieser Erfindung wurde ein elektronischer Regler entwickelt, der die Geschwindigkeit eines Gleichstrommotors kontrolliert und der es erlaubt, das Design im Vergleich zu bestehenden Geschwindigkeitsreglern zu vereinfachen.
Es ist ausserdem Ziel der Erfindung, das vom Umstellen erzeugte Geräusch zu verringern, so dass der Motor so leise wie möglich laufen kann und ein akzeptables Niveau von elektromagnetischen Interferenzen erreicht wird.
VORANGEGANGENE TECHNIK DER ERFINDUNG
PWM (Impulsamplitudenmodulation)-Regler, die wirksamer sind als lineale Regler, sind bekannt. Bei letzteren wird die Geschwindigkeit des Gleichstrommotors dadurch kontrolliert, dass der induzierte Strom dadurch variiert wird, dass die Werte eines ohmschen Elements (zum Beispiel ein linealer Transistor) verändert werden, das in Serie mit dem Motor geschaltet ist und ihr Nachteil besteht darin, dass es in dem ohmschen Element zu hohen Verlusten kommt.
Der Pulsamplitudenmodulationsregler (PWM) ermöglicht eine wirksamere Regulierung. Diese Regler basieren ihre Funktion auf einer Schaltvorrichtung, die ein Leistungstransistor sein kann, auf den ein festgelegtes Frequenzsignal angewendet wird und der dazu gebracht wird, immer in einem von zwei Zuständen zu funktionieren:
Übertragen oder nicht Übertragen. Um den Strom oder die Ausgangsspannung zu verändern, wird die Pulsationsamplitude verändert, die die Übertragungszeit des Umschaltungselements festlegt. Nach der Umschaltungsphase, muss ein Filter angebracht sein, um im notwendigen Mass die Strom- und/oder Spannungsschwankungen zu beseitigen, die durch das Umschalten hervorgerufen werden.
Die Verwendung der PWM-Regler hat sich nicht endgültig auf dem Automobilsektor durchgesetzt, da es sich um eine Lösung handelt, die hohe Kosten mit sich bringt. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Produkt vorzustellen, das auf diesem und anderen Sektoren einsetzbar ist, in denen die Kosten eine wichtige Rolle spielen.
Das Deutsche Patent DE-196.17.947 offenbart einen Stromzufuhrkreislauf für Motoren, der die Hauptnetzreaktionen auf ein Minimum reduziert. Der Kreislauf umfasst einen Gleichrichter, ein kontrolliertes Umschaltelement und ein Sollwertpotentiometer. Der Motor verfügt über eine freidrehende parallel geschaltete Diode mit Amaturen und einer anderen Statorwicklung. Eine weitere Statorwicklung erfüllt die Aufgabe der Glättungsdrossel in Verbindung mit einem Kondensator.
Bei dieser Kreislaufanordnung ist der unabhängige Einsatz mehrerer Statorwicklungen notwendig, wofür ein modifizierter Motor eingesetzt werden muss.
Das Europäische Patent EP-655.835 beansprucht eine Methode und eine Vorrichtung zur Kontrolle eines elektrischen Apparats durch eine Impulsamplitudenmodulationsvorrichtung, bei der der elektrische Apparat bei einer niedrigen Zyklusrate zwischen 20 Hz und 10 KHz an- und ausgestellt wird und bei der jedes niedrigfrequente Signal (a) gefolgt wird von einer Reihe von hochfrequenten Signalen (b), die zwischen 10 KHz und 100 KHz liegen, womit der Stromabfall verzögert wird.
Bei dieser Methode wird das niederfrequente Geräusch verhindert, das aufgrund des sinunsförmigen Stromabfalls am Ende eines Niedrigfrequenzzyklussignas ausgelöst wird.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Geschwindigkeitsregler für Gleichstrommotoren, den diese Erfindung vorstellt, weist ein vereinfachtes Design auf, mit dem sich die Kosten merklich verringern und gleichzeitig die Geräusche vermindert werden, die durch das Umschalten des Motors hervorgerufen werden, womit das Umschalten so sanft wie möglich erfolgt.
So besteht die Erfindung darin, dass der Regler kein Induktionselement benötigt, um den Ausgang der Umschaltvorrichtung zu filtern, da die Wicklung des Motors und dessen Trägheit die Filterfunktion übernehmen, was eine bemerkenswerte Kostenersparnis mit sich bringt, da besagtes Induktionselement wegfällt.
Der Schlüssel, um es zu ermöglichen, den üblichen Induktor des PWM-Kreislaufs weg zu lassen, und durch den Motor zu ersetzen, besteht darin, eine Umschaltfrequenz unterhalb der hörbaren Frequenz, das heisst, unter 50 Hz und sanft umzuschalten. Aber da Gleichstrommotoren als Geräuschumwandler wirken, kann man die Umschaltfrequenz hören, wenn sie sich im hörbaren Bereich befindet. Im Fall einer Unterschallmodulationsfrequenz, sind es die Übergänge, die zu hören sind, die Änderung die hörbare Frequenzen enthalten. Um diesen Effekt zu mindern, hat man auf die Krümmung der direkten Welle zurückgegriffen, womit die üblichen abrupten Übergänge der PWM-Kreisläufe wegfallen.
Fällt der Induktor des Kreislaufs weg, kann dieser vollständig in eine Halbleiterkapsel integriert werden, was anders nicht möglich wäre (der Induktor kann nicht integriert werden).
Eine zusätzliche Folge aus der Verwendung eines sanften Umschaltens ist, dass man, genau wie auf den Induktor, oft auch auf die Drosselreglerdiode verzichten kann, die sich normalerweise an allen PMW-Kreisläufen befindet. Das bringt eine sehr hohe zusätzliche Kostenersparnis mit sich und die Möglichkeit, dass der Kreislauf durch eine Umkehrung der Versorgungsspannung nicht geschädigt wird.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um die Beschreibung, die hier durchgeführt wird, zu vervollständigen und mit dem Ziel, das bessere Verständnis der Eigenschaften der Erfindung zu unterstützen, wird als Teil dieser Beschreibung ein Satz Zeichnungen gemäss der bevorzugten praktischen Umsetzung dieser Erfindung beigefügt, in dem anschaulich, wenn auch nicht beschränkend, Folgendes dargestellt ist:
1 stellt schematisch den Geschwindigkeitsregler, der Gegenstand dieser Erfindung ist, dar.
2 stellt das ursprüngliche Modulationssignal des oberen Wellenbereichs dar und das Modulationssignal, das auf die Umschaltvorrichtung angewendet wird und im unteren Wellenbereich abgerundet ist.
In der 3 wird eine andere Ausführungsart der 1 dargestellt, wobei sich diesmal der Motor auf der Erdungsseite befindet. In den beiden 1 und 3 ist die Arbeitsweise die selbe.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In der 1 kann man eine Darstellung des Geschwindigkeitsreglers sehen, in der keine Induktionseinheit verwendet wird, um das Ausgangssignal zu filtern, da man erreicht hat, dass der Gleichstrommotor (M) selbst als Filterelement arbeitet und das Signal dämpft, womit eine bemerkenswerte Vereinfachung des Designs und eine erhebliche Kostensparung erzielt werden, da die Induktionseinheit ein Element ist, das die Kosten des Produkts beträchtlich erhöht.
Die Umschalteinheit ist bei dieser praktischen Ausführung ein Feldeffekttransistor in MOS-Technik (Q), dessen Umschaltung durch die Kontrollvariable (Vi) geregelt wird, bei der es sich um eine Direktspannung handelt und die gemäss ihres Werts die Amplitude des Impulssignals (A) festlegt, das von dem Rechteckwellengenerator (G) gesendet wird. Dieses Rechtecksignal (A) kann alternativ von einem Mikrocontroller direkt gesendet werden.
Dieses Signal (A) hat eine festgelegte Frequenz und eine variierende Impulsamplitude und läuft durch den Filter (F), der es krümmt und die aufsteigenden und abfallenden Kanten abschrägt, um einen sanften Übergang von der Übertragung zur Unterbrechung und umgekehrt des Transistors zu erzielen. Der Filter (F) beseitigt so die Hochfrequenzkomponente des Signals (A). Der Filter wirkt zusammen mit dem Transistor (Q) und dem Stromsensor auf den Strom, der durch den Motor fliesst und erzielt die sanfte Umschaltung. Hierfür muss der Stromwert immer bekannt sein, was durch einen Nebenschlusswiderstand R oder jede andere Art von Strommesssystem erzielt wird. In der Figur ist der Einfachheit halber ein Nebenschlusswiderstand gezeichnet, der aber nicht die einzige Möglichkeit des Strommessens darstellt.
Indem die Dauer der Übertragung und der Unterbrechung des Transistors (Q) kontrolliert wird, wird die Geschwindigkeit des Motors geregelt, die durch die Spannung (B+) erzielt wird.
Die Frequenz des Signals (A) wird durch (G) erzielt und ist festgelegt, wobei ihr Wert unter 50 Hz liegt, so dass sich die Umschaltfrequenz im Unterschallbereich befindet und somit nicht hörbar ist, da sie, läge sie über dieser Frequenz, hörbar wäre, denn der Gleichstrommotor wirkt als Geräuschübertrager.
Trotzdem sind beim Umschalten bei Unterschallfrequenzen die enthaltenen Frequenzen im hörbaren Bereich hörbar, und der Filter (F) unterdrückt diese, indem er das Signal (A) krümmt.

Claims

– Geschwindigkeitsregler mit einem Gleichstrommotor, bei dem die Regulierung über Impulsamplitudenmodulation erfolgt, deren Funktion durch eine Schaltvorrichtung bewirkt wird. Ein Stromtransistor wird mit dem Gleichstrommotor in Reihe geschaltet, der seinerseits von einem Rechteckwellengenerator gesteuert wird, bei dem die Impulsamplituden durch einen Spannungsregler moduliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorwicklung als auslösendes Element eingesetzt wird, um das Ausgangssignal, das von der Schaltvorrichtung kommt, zu filtern. Da die Frequenz des Modulationssignals, das von dem Rechteckwellengenerator gesendet wird, unter 50 Hz liegt, mit dem Ziel mit Schaltfrequenzen im Unterschallbereich zu arbeiten, ist dieses Modulationssignal durch einen Aktivfilter gebogen, der zwischen den Rechteckwellengenerator und die Schaltvorrichtung gesetzt wird. Dieser Aktivfilter dämpft die Höhen und Tiefen des Signals und beseitigt die Hochfrequenzkomponente.
– Geschwindigkeitsregler mit einem Gleichstrommotor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass keine Drosselreglerdiode verwendet wird, was es ermöglicht, dass die Umkehrung der Versorgungsspannung keine Schädigung zur Folge hat.
– Geschwindigkeitsregler mit einem Gleichstrommotor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aufgrund der fehlenden konventionellen Induktorkomponente in eine Halbleiterkapsel integriert ist.