WO1988008221A1 - Circuit arrangement for operation of a brushless small single-phase motor in the d.c. network of motor vehicles - Google Patents

Circuit arrangement for operation of a brushless small single-phase motor in the d.c. network of motor vehicles Download PDF

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    • H02P6/34—Modelling or simulation for control purposes

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for operating a brushless single-phase motor, in particular a hysteresis motor, on the DC network of motor vehicles of the type defined in the preamble of claim 1.
  • Hysteresis motors offer the advantage of asynchronous starting with a relatively high starting torque and synchronous running after self-synchronization with a torque, the maximum of which is determined by the hysteresis torque.
  • the two amplifiers are controlled by a resonant circuit with a constant frequency. If the DC voltage of the motor vehicle electrical system drops below a lower value in this circuit arrangement, the motor can no longer start because the motor current decreases as a result of the AC resistance. If, on the other hand, the line voltage rises above an upper value, the motor current increases inadmissibly.
  • the permissible voltage range between the upper and lower value is relatively small, so that in the case of the voltage fluctuations usually occurring in motor vehicle electrical systems, which can be between 6 V and 16 V, circuitry-intensive measures would have to be provided in order to ensure the correct operation of the hysteresis motor
  • circuit arrangement according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the motor start-up is reliably ensured even at the lower end of the fluctuation range of the DC network voltage of vehicle electrical systems. The speed is automatically limited at high mains voltages.
  • Push-pull operational amplifier designed, while in a unipolar motor winding with center tap and with only one permissible current direction in each winding branch, the two amplifiers according to the embodiment of the invention according to claim 5 are advantageously designed as simple power transistors.
  • a hysteresis motor operated with the circuit arrangement according to the invention is particularly suitable as a drive motor for a temperature sensor fan of regulated air conditioning systems in motor vehicles.
  • the temperature sensor of the air conditioning system is constantly ventilated with indoor air, which by means of this
  • the drawing shows a block diagram of a circuit arrangement for operating a hysteresis motor on the electrical system of a motor vehicle.
  • the hysteresis motor designated 10 in the drawing and shown only schematically, is known in its structure and mode of operation. In general, its rotor contains an annular sheet with high specific hysteresis losses.
  • the excitation or motor winding is housed in the stator. It can be bipolar or unipolar. With a bipolar motor winding, this is alternately in the opposite direction from
  • a center tap is provided, and the two winding branches formed by the center tap are always alternately flowed through by the motor current in the same direction.
  • the two ends of the motor winding are each connected to the outputs of two amplifiers 11, 12, which are designed as push-pull operational amplifiers or simple full-bridge branches in the case of the bipolar motor winding and as simple semiconductor switches, for example transistors, in the case of the unipolar motor winding.
  • the two amplifiers 11, 12 are operated in push-pull mode, so that the motor winding is alternately connected via the amplifier 11 or the amplifier 12 to the DC voltage of a motor vehicle electrical system 13.
  • the control inputs of the amplifiers 11, 12 are each connected to one of two outputs x, x of a voltage-controlled oscillator (VCO) 14.
  • VCO voltage-controlled oscillator
  • the VCO 14 delivers a control pulse sequence at the output x, the pulse repetition frequency of which is proportional to the voltage at its control input. The same pulse sequence is present at output x, but is shifted by 180 ° with respect to the pulse sequence at output x.
  • the control input of the VCO 14 is connected to the electrical system 13 of the motor vehicle via a diode network 15.
  • the diode network 15 contains at least one zener diode 16, which specifies a lower threshold voltage for driving the VCO 14. With a second Zener diode in series with the first, the maximum control voltage reaching the control input of the VCO 14 and thus the maximum frequency can be determined.
  • the hysteresis motor 10 behaves between the threshold values predetermined by the diode network 15 similarly to a conventional DC motor, i.e. the engine speed changes analogously to the applied voltage.
  • the start of the motor 10 is also ensured in the case of on-board electrical system voltages that are in the lower region of the Vehicle electrical system fluctuations, e.g. 6 V.
  • the frequency is limited so that the hysteresis motor still starts safely there.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiment described.
  • a VCO with only one output can be used.
  • Push-pull operation of the amplifiers can then be effected by connecting the output of the VCO to the inverting input of one and to the non-inverting input of the other amplifier or by connecting the output of one to the input of the other amplifier.

Abstract

In a circuit arrangement for operation of a brushless small single-phase motor, in particular a hysteresis motor, in the d.c. network of motor vehicles with two balanced amplifiers (11, 12) whose outputs are connected to the motor winding, reliable starting and a motor speed limit over the whole range of fluctuations of the vehicle's supply voltage are ensured by providing the amplifiers (11, 12) with a control frequency proportional to said supply voltage. The control frequency is taken from a VCO (14), the control input of which is connected to the vehicle's power system (13) through a diode network (15).

Description

Schaltungsanordnung zum Betreiben eines bürstenlosen kleinen Einphasenmotors am Gleichspannungsnetz von KraftfahrzeugenCircuit arrangement for operating a brushless small single-phase motor on the DC network of motor vehicles
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines bürstenlösen kleinen Einphasenmotors, insbesondere eines Hysteresemotors, am Gleichspannungsnetz von Kraftfahrzeugen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.The invention relates to a circuit arrangement for operating a brushless single-phase motor, in particular a hysteresis motor, on the DC network of motor vehicles of the type defined in the preamble of claim 1.
Solche Einphasenmotoren sind bauklein und geräuscharm und werden vorzugsweise als Netzspannungsmotoren zum Antrieb von Schaltuhren verwendet. Hysteresemotoren bieten dabei den Vorteil des asynchronen Anlaufs mit relativ hohem Anlaßmoment sowie des synchronen Laufs nach Selbstsynchronisation mit einem Drehmoment, dessen Maximum durch das Hysteresemoment festgelegt ist. Bei einer bekannten Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art werden die beiden Verstärker von einem Schwingkreis mit konstanter Frequenz angesteuert. Sinkt bei dieser Schaltungsanordnung die Netzgleichspannung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes unter einen unteren Wert ab, so kann der Motor nicht mehr anlaufen, da der Motorstrom infolge des Wechselstromwiderstandes abnimmt. Steigt die Netzgleichspannung hingegen über einen oberen Wert an, so erhöht sich der Motorstrom unzulässig. Der zulässige Spannungsbereich zwischen oberem und unterem Wert ist relativ klein, so daß bei den üblicherweise in Kraftfahrzeug-Bordnetzen auftretenden Spannungsschwankungen, die zwischen 6 V und 16 V liegen können, schaltungstechnisch aufwendige Maßnahmen vorgesehen werden müßten, um den einwandfreien Betrieb des Hysteresemotors im zulässigenSuch single-phase motors are compact and low-noise and are preferably used as mains voltage motors for driving time switches. Hysteresis motors offer the advantage of asynchronous starting with a relatively high starting torque and synchronous running after self-synchronization with a torque, the maximum of which is determined by the hysteresis torque. In a known circuit arrangement of the type mentioned at the outset, the two amplifiers are controlled by a resonant circuit with a constant frequency. If the DC voltage of the motor vehicle electrical system drops below a lower value in this circuit arrangement, the motor can no longer start because the motor current decreases as a result of the AC resistance. If, on the other hand, the line voltage rises above an upper value, the motor current increases inadmissibly. The permissible voltage range between the upper and lower value is relatively small, so that in the case of the voltage fluctuations usually occurring in motor vehicle electrical systems, which can be between 6 V and 16 V, circuitry-intensive measures would have to be provided in order to ensure the correct operation of the hysteresis motor
Schwankungsbereich der Netzgleichspannung zu gewährleisten.Ensure fluctuation range of the mains DC voltage.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Motoranlauf auch am unteren Ende des Schwankungsbereiches der Netzgleichspannung von Kraftfahrzeug-Bordnetzen zuverlässig sichergestellt ist. Bei hohen Netzspannungen wird automatisch die Drehzahl begrenzt.In contrast, the circuit arrangement according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the motor start-up is reliably ensured even at the lower end of the fluctuation range of the DC network voltage of vehicle electrical systems. The speed is automatically limited at high mains voltages.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Schaltungsanordnung möglich.Advantageous further developments and improvements of the circuit arrangement specified in claim 1 are possible through the measures listed in the further claims.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dabei aus Anspruch 2. Durch diese Maßnahmen wird mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln die spannungsproportionale Ansteuerf equenz für die Verstärker gewonnen. Bei einer bipolaren Motorwicklung, die also in zwei entgegengesetzten Richtungen vom Strom durchflössen werden kann, sind dabei die Verstärker gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Anspruch 4 alsAn advantageous embodiment of the invention results from claim 2. These measures are the simple circuitry means voltage-proportional control frequency for the amplifiers. In the case of a bipolar motor winding, which can thus have current flowing through it in two opposite directions, the amplifiers according to the exemplary embodiment according to claim 4 are
Push-Pull-Operationsverstärker ausgebildet, während bei einer unipolaren Motorwicklung mit Mittelanzapfung und mit nur einer zulässigen Stromrichtung in jedem Wicklungszweig die beiden Verstärker gemäß der Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 5 vorteilhaft als einfache Leistungstransistoren ausgebildet sind.Push-pull operational amplifier designed, while in a unipolar motor winding with center tap and with only one permissible current direction in each winding branch, the two amplifiers according to the embodiment of the invention according to claim 5 are advantageously designed as simple power transistors.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 3. Mittels der Zenerdioden können Spannungsschwellwerte zur Veränderung des Spannungsanstiegs und/oder zum Einstellen von Schwellspannungen realisiert werden. Der Motor verhält sich in dem Spannungsbereich zwischen dem unteren und oberen Schwellwert ähnlich einem konventionellen Gleichstrommotor.An advantageous embodiment of the invention also results from claim 3. Using the zener diodes, voltage threshold values for changing the voltage rise and / or for setting threshold voltages can be realized. The motor behaves similarly to a conventional DC motor in the voltage range between the lower and upper threshold.
Ein mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung betriebener Hysteresemotor eignet sich insbesondere als Antriebsmotor für ein Temperaturfühler-Gebläse von geregelten Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen. Zur Erzielung einer relativ geringen Regelabweichung bei der Temperaturregelung wird der Temperaturfühler der Klimaanlage ständig mit Innenraumluft belüftet, die mittels diesesA hysteresis motor operated with the circuit arrangement according to the invention is particularly suitable as a drive motor for a temperature sensor fan of regulated air conditioning systems in motor vehicles. To achieve a relatively small control deviation in the temperature control, the temperature sensor of the air conditioning system is constantly ventilated with indoor air, which by means of this
Kleinstgebläses über einen kleinen Kanal aus dem Innenraum angesaugt wird. Ein solches Kleinstgebläse benötigt eine nur geringe Antriebsleistung, muß aber wegen seines erforderlichen Dauerbetriebs dauerbelastbar und extrem geräuscharm sein. Diese Forderung erfüllt der mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung betriebene Hysteresemotor in idealer Weise. ZeichnungSmall fan is sucked out of the interior via a small duct. Such a small blower requires only a low drive power, but because of its required continuous operation it has to be durable and extremely quiet. This requirement is ideally met by the hysteresis motor operated with the circuit arrangement according to the invention. drawing
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Hysteresemotors am Bordnetz eines Kraftfahrzeugs.The invention is explained in more detail in the following description with reference to an embodiment shown in the drawing. The drawing shows a block diagram of a circuit arrangement for operating a hysteresis motor on the electrical system of a motor vehicle.
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
Der in der Zeichnung mit 10 bezeichnete, nur schematisch dargestellte Hysteresemotor ist im Aufbau und in der Wirkungsweise bekannt. Im allgemeinen enthält sein Läufer ein ringförmiges Blech mit hohen spezifischen Hysterseverlusten. Die Erreger- oder Motorwicklung ist im Ständer untergebracht. Sie kann bipolar oder unipolar ausgebildet sein. Bei einer bipolaren Motorwicklung wird diese wechselweise in entgegengesetzter Richtung vomThe hysteresis motor, designated 10 in the drawing and shown only schematically, is known in its structure and mode of operation. In general, its rotor contains an annular sheet with high specific hysteresis losses. The excitation or motor winding is housed in the stator. It can be bipolar or unipolar. With a bipolar motor winding, this is alternately in the opposite direction from
Motorstrom durchflössen. Bei einer unipolaren Motorwicklung ist eine Mittelanzapfung vorgesehen, und die beiden durch die Mittelanzapfung gebildeten Wicklungszweige werden wechselweise immer in der gleichen Richtung vom Motorstrom durchflössen. Die beiden Enden der Motorwicklung sind jeweils mit den Ausgängen zweier Verstärker 11,12 verbunden, die im Falle der bipolaren Motorwicklung als Push-Pull-Operationsverstärker oder einfache Vollbrückenzweige und im Falle der unipolaren Motorwicklung als einfache Halbleiterschalter, z.B. Transistoren, ausgebildet sind. Die beiden Verstärker 11,12 werden im Gegentakt betrieben, so daß die Motorwicklung wechselweise über den Verstärker 11 bzw. den Verstärker 12 an die Netzgleichspannung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes 13 angeschlossen wird. Die Steuereingänge der Verstärker 11,12 sind hierzu an jeweils einem von zwei Ausgängen x,x eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 14 angeschlossen. Der VCO 14 liefert an dem Ausgang x eine Steuerimpulsfolge, deren Impulsfolgefrequenz proportional der an seinem Steuereingang liegenden Spannung ist. Am Ausgang x liegt di gleiche Impulsfolge an, die jedoch gegenüber der Impulsfolg am Ausgang x um 180° verschoben ist. Der Steuereingang des VCO 14 ist über ein Dioden-Netzwerk 15 mit dem Bordnetz 13 des Kraftfahrzeugs verbunden. Das Dioden-Netzwerk 15 enthäl mindestens eine Zenerdiode 16, die eine untere Schwellspannung zum Ansteuern des VCO 14 vorgibt. Mit einer zweiten, mit der ersten in Reihe liegenden Zenerdiode kann die an den Steuereingang des VCO 14 gelangende maximale Steuerspannung und damit die Maximalfrequenz festgelegt werden.Flowing through motor current. In the case of a unipolar motor winding, a center tap is provided, and the two winding branches formed by the center tap are always alternately flowed through by the motor current in the same direction. The two ends of the motor winding are each connected to the outputs of two amplifiers 11, 12, which are designed as push-pull operational amplifiers or simple full-bridge branches in the case of the bipolar motor winding and as simple semiconductor switches, for example transistors, in the case of the unipolar motor winding. The two amplifiers 11, 12 are operated in push-pull mode, so that the motor winding is alternately connected via the amplifier 11 or the amplifier 12 to the DC voltage of a motor vehicle electrical system 13. For this purpose, the control inputs of the amplifiers 11, 12 are each connected to one of two outputs x, x of a voltage-controlled oscillator (VCO) 14. The VCO 14 delivers a control pulse sequence at the output x, the pulse repetition frequency of which is proportional to the voltage at its control input. The same pulse sequence is present at output x, but is shifted by 180 ° with respect to the pulse sequence at output x. The control input of the VCO 14 is connected to the electrical system 13 of the motor vehicle via a diode network 15. The diode network 15 contains at least one zener diode 16, which specifies a lower threshold voltage for driving the VCO 14. With a second Zener diode in series with the first, the maximum control voltage reaching the control input of the VCO 14 and thus the maximum frequency can be determined.
Mit der beschriebenen Schaltungsanordnung verhält sich der Hysteresemotor 10 zwischen den von dem Dioden-Netzwerk 15 vorgegebenen Schwellwerten ähnlich wie ein konventioneller Gleichstrommotor, d.h. die Motordrehzahl verändert sich analog zur angelegten Spannung. Der Anlauf des Motors 10 is auch bei Bordnetzspanungen gewährleistet, die am unteren Bereich der. Bordnetzschwankungen liegen, z.B. 6 V. Bei hohe Bordnetzspannungen, die oberhalb der Betriebsspannung von 12 V liegen, z.B. bei 16 V, erfolgt eine Frequenzbegrenzung so daß der Hysteresemotor auch dort noch sicher anläuft.With the circuit arrangement described, the hysteresis motor 10 behaves between the threshold values predetermined by the diode network 15 similarly to a conventional DC motor, i.e. the engine speed changes analogously to the applied voltage. The start of the motor 10 is also ensured in the case of on-board electrical system voltages that are in the lower region of the Vehicle electrical system fluctuations, e.g. 6 V. At high electrical system voltages that are above the operating voltage of 12 V, e.g. at 16 V, the frequency is limited so that the hysteresis motor still starts safely there.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. In gleicher Weise kann ein VCO mit nur einem Ausgang verwendet werden. Ein Gegentaktbetrieb der Verstärker läßt sich dann durch Anschluß des Ausgangs des VCO an den invertierenden Eingang des einen und an den nichtinvertierenden Eingang des andere Verstärkers oder durch Verbinden des Ausgangs des einen mit dem Eingang des anderen Verstärkers bewirken. The invention is not limited to the exemplary embodiment described. In the same way, a VCO with only one output can be used. Push-pull operation of the amplifiers can then be effected by connecting the output of the VCO to the inverting input of one and to the non-inverting input of the other amplifier or by connecting the output of one to the input of the other amplifier.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines bürstenlosen kleinen Einphasenmotors, insbesondere eines Hysteresemotors, am Gleichspannungsnetz von Kraftfahrzeugen, mit zwei im Gegentakt betriebenen Verstärkern, deren Ausgänge an jeweils einem Wicklungsende der Motorwicklung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker (11,12) mit einer der Netzgleichspannung proportionalen Steuerfrequenz belegt" sind.1. Circuit arrangement for operating a brushless small single-phase motor, in particular a hysteresis motor, on the DC network of motor vehicles, with two push-pull amplifiers, the outputs of which are connected to one winding end of the motor winding, characterized in that the amplifiers (11, 12) are connected to one control frequency proportional to the mains DC voltage are occupied " .
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein spannungsgesteuerter Oszillator (14) mit einem mit der Netzgleichspannung zu belegenden Steuereingang vorgesehen ist, an dem ausgangsseitig die Verstärker (11,12) in Gegenkopplung angeschlossen sind.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a voltage-controlled oscillator (14) is provided with a control input to be occupied with the mains DC voltage, to which the amplifiers (11, 12) are connected in negative feedback on the output side.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (14). zwei Ausgänge (x,x) aufweist, an welchen zueinander invertierte Steuerimpulsfolgen abnehmbar sind, und daß jeweils einer der beiden Ausgänge (x,x) mit einem der beiden Verstärker (11,12) verbunden ist. 3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the oscillator (14). has two outputs (x, x), from which mutually inverted control pulse sequences can be removed, and that in each case one of the two outputs (x, x) is connected to one of the two amplifiers (11, 12).
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuereingang des Oszillators (14) und dem Gleichspannungsnetz (13) mindestens eine Zenerdiode (16) zur Vorgabe eines unteren und/oder oberen Spannungsschwellwertes angeordnet ist..4. Circuit arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that between the control input of the oscillator (14) and the DC voltage network (13) at least one Zener diode (16) is arranged for specifying a lower and / or upper voltage threshold.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 - 4 für einen Motor mit bipolarer Motorwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstärker (11,12) als. Push-Pull-Operationsverstärker ausgebildet sind.5. Circuit arrangement according to one of claims 1-4 for a motor with a bipolar motor winding, characterized in that the two amplifiers (11, 12) as. Push-pull operational amplifiers are designed.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1' - 4 für einen Motor mit unipolarer Motorwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstärker (11,12) als elektronische Schalter, z.B. Transistoren, ausgebildet sind.6. Circuit arrangement according to one of claims 1 ' - 4 for a motor with a unipolar motor winding, characterized in that the two amplifiers (11, 12) are designed as electronic switches, for example transistors.
7. Einphasenmotor, insbesondere Hysteresemotor, mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 - 6, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Antriebsmotor für ein Temperaturfühler-Gebläse in geregelten Klimaanlagen on Kraftfahrzeugen. 7. single-phase motor, in particular hysteresis motor, with a circuit arrangement according to one of claims 1-6, characterized by its use as a drive motor for a temperature sensor fan in controlled air conditioning systems on motor vehicles.
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