DE3019903C2 - - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
- H02P6/20—Arrangements for starting
Description
Die Erfindung betrifft ein Ansteuersystem für eine kollektorlosen
Gleichstrommotor, der einen permanentmagnetischen Rotor
sowie einen mehrere Wicklungen aufweisenden Stator umfaßt, mit
Schalteinrichtungen, die jeweils einer Wicklung zugeordnet und
zur Herstellung und Unterbrechung einer Verbindung dieser Wicklungen
mit einer Gleichspannungsquelle durch Steuerspannungen
beaufschlagt sind, die infolge einer Drehung des Rotors in den
Wicklungen induziert werden, sowie mit einer Anlaufsteuerung
zur Einleitung einer Rotordrehung aus dem Stand.
Bei einem aus der DE-OS 24 50 968 bekannten Ansteuersystem dieser
Art verbindet jede Schalteinrichtung die ihr jeweils zugeordnete
Wicklung dann mit der Spannungsquelle, wenn die in einer anderen
Wicklung induzierte Spannung negativ wird. Andererseits wird
diese Verbindung wieder unterbrochen, wenn die in dieser anderen
Wicklung induzierte Spannung Null wird. Es wird demnach die in
einer Wicklung induzierte Spannung als ein Lagesignal des Rotors
erfaßt, um einer jeweils anderen Wicklung einen Antriebsstrom
zuzuführen.
Ungünstig bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist, daß beispielsweise
gegebene Winkeltoleranzen zwischen den Statorwicklungen
in die Steuerung eingehen können. Andererseits können Einsetzpunkt
und Dauer der Beaufschlagung einer jeweiligen Wicklung
nicht ohne weiteres variiert werden.
In der DE-OS 24 28 718 ist eine Kommutierungseinrichtung beschrieben,
bei der das Durchschalten einer betreffenden Phase in Abhängigkeit
davon erfolgt, ob der aus den Spannungen der beiden anderen
Phasen gewonnene Mittelwert eine Bezugsspannung überschreitet
oder nicht. Ein Sperren der Phase erfolgt in Abhängigkeit davon,
ob die Spannung einer Phase einer zusätzlichen Steuerwicklung
die Bezugspannung unterschreitet oder nicht. Hierbei ist der
schaltungs- und steuerungstechnische Aufwand relativ groß.
In der älteren deutschen Patentanmeldung P 30 13 550.3-32 ist
ein Ansteuersystem der eingangs genannten Art beschrieben, bei
der jede der Wicklungen über die ihr zugeordnete Schalteinrichtung
stets dann mit der Gleichspannungsquelle verbindbar ist, wenn
die in derselben Wicklung induzierte Steuerspannung während ihres
ins Negative gehenden Abschnitts einen vorgebbaren ersten Wert
erreicht, und wobei diese Verbindung durch die Schalteinrichtung
in Abhängigkeit von dem Erregungszustand einer anderen Wicklung
wieder unterbrechbar ist. Dadurch, daß das Einsetzen des Stromes
in einer bestimmten Wicklung in Abhängigkeit von der Steuerspannung
bestimmt wird, die in derselben Wicklung induziert wird,
wird erreicht, daß die Spannung genau phasenrichtig auf die Statorwicklung
gegeben wird, die gerade antriebsmäßig auf den Motor
wirkt. Es lassen sich so erhebliche Lastschwankungen des Motors
sicher beherrschen. Herstellungstechnische Wickeltoleranzen zwischen
den Statorwicklungen gehen nicht in die Steuerung ein.
Der zum Einsetzen des Stroms herangezogene Durchgang der induzierten
Steuerspannung ins Negative läßt sich leicht diskriminieren,
insbesondere wenn man die Spannung der Spannungsquelle als Referenz
wählt. Die Unterbrechung der Strombeaufschlagung einer Wicklung
in Abhängigkeit von dem Erregungszustand einer anderen Wicklung
ist schaltungsmäßig unaufwendig und steuertechnisch sehr
präzise.
Die Anlaufsteuerung zur Einleitung der Rotordrehung ist bei dem
Ansteuersystem gemäß der deutschen Patentanmeldung P 30 13 550.3-32
so mit den Schalteinrichtungen verbunden, daß beim Anlaufen zunächst
eine der Statorwicklungen erregt wird. Der Rotor dreht
dann in eine von dieser Statorwicklung bestimmte Stellung, worauf
eine zweite, benachbarte Statorwicklung zugeschaltet wird, um
den Rotor in die eine oder andere Richtung weiter zu drehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ansteuersystem zu schaffen,
das auf Herstellungstoleranzen bei der Anordnung der Statorwicklungen
unempfindlich reagiert und starke Lastschwankungen des
Motors im Anlauf problemlos bewältigt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Anlaufsteuerung über Schaltelemente
so mit den Schalteinrichtungen verbunden, daß beim Anlaufen
zunächst zwei der Statorwicklungen erregt werden, um den Rotor
in eine von diesen Statorwicklungen bestimmte Stellung zu drehen,
und daß dann eine der Statorwicklungen stromlos wird, um den
Rotor in die entsprechende Stellung weiter zu drehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert; in der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Schemaschaltbild des erfindungsgemäßen
Ansteuersystems für einen kollektorlosen
Gleichstrommotor und
Fig. 2 und 3 Diagramme von beim Betrieb des
Systems nach Fig. 1 bei der Drehung des
Rotors auftretenden Größen.
Bei dem Schaltbild nach Fig. 1 ist das der ganzen Schaltung
gemeinsame Erd- oder Massepotential 5 jeweils mit dem Schaltzeichen DIN
40712, lfd. Nr. 33, bezeichnet.
Die Versorgungsspannungsquelle kann eine übliche
Batterie 3 oder jede andere, mit den Strom- und Spannungsanforderungen
der Schaltung verträgliche Gleichstromquelle
sein.
Das erfindungsgemäße Ansteuersystem
ist für einen kollektorlosen Gleichstrommotor
vorgesehen, der einen Stator
mit einer Mehrzahl von Phasenwicklungen aufweist, die
der Reihe nach mit einer angelegten Versorgungsspannung
über jeweilige einzelne Schalteinrichtungen
erregt werden,
und mit einem permanentmagnetischen Rotor, der
in magnetischer Kopplung mit den Statorwicklungen
gedreht werden kann, wodurch bei der Rotordrehung
das Magnetfeld des Rotors Steuerspannungen
in den Statorwicklungen induziert, die gegeneinander
um eine Anzahl von elektrischen Graden versetzt
sind, welche durch die Anzahl der Statorphasen bestimmt
wird.
Das Ansteuersystem
benutzt vier
Norton-Operationsverstärker. Die Norton-
Operationsverstärker werden jedoch nur als Beispiel
einer
Operationsverstärkerschaltung angesehen.
Während übliche
Operationsverstärkerschaltungen auf verschiedene Eingangsspannungen
reagieren, sind die bei Norton-Operationsverstärkern
benutzten Eingangssignale Ströme. Es
werden deswegen externe Eingangswiderstände mit hohen Werten
benutzt, um die Eingangsspannungen in Eingangsströme zu
wandeln. Die Betriebsweise eines Nortonverstärkers beruht
auf dem Prinzip, daß dann, wenn der in die Plus-Eingangsklemme
fließende Strom eine größere Stromstärke besitzt,
als der in die Minus-Eingangsklemme fließende, das Ausgangssignal
der Schaltung auf einen Wert ansteigt, der im
wesentlichen gleich der Versorgungsspannung ist, und daß
dann, wenn der in die Minus-Eingangsklemme fließende
Strom eine größere Stromstärke besitzt, als der in die Plus-
Eingangsklemme fließende Strom, das Ausgangssignal der
Schaltung im wesentlichen auf Erd- oder Massepotential abfällt.
Der kollektorlose Gleichstrommotor 6, gemäß Fig. 1, besitzt einen
Stator 7 mit drei Statorwicklungen A, B und C, sowie
einen permanentmagnetischen Rotor 8, der in Durchmesserrichtung so
magnetisiert ist, daß an einer Seite der magnetische Nord- und auf der
anderen Seite der Südpol liegt.
Jeweils eine Klemme jeder der drei Statorwicklungen ist
an einem gemeinsamen Knotenpunkt N zusammengefaßt.
Die Phasenversetzung der in den Statorwicklungen A, B, C induzierten Steuerspannungen
beträgt
120°.
Die Versorgungsspannungsquelle, d. h. die Batterie 3,
kann mit Hilfe eines einpoligen Ein-Aus-Schalters 10 an
das Ansteuersystem
angelegt oder von ihm abgetrennt werden, wobei der
Schalter 10 einen beweglichen Kontakt 11 und einen stationären
Kontakt 12 enthält; es können aber auch stattdessen
andere elektrische Schaltgeräte verwendet werden.
Die Statorphasenwicklungen
A,B und C können einzeln
von der Batterie 3 über jeweilige
einzelne Schalteinrichtungen
erregt werden.
Die Schalteinrichtung für die Statorwicklung
A umfaßt die Leitung 9, den beweglichen Kontakt
11 und den stationären Kontakt 12 des Schalters 10, die
Leitung 13, den Knotenpunkt N, die Statorwicklung
A, die Leitung 14, den Stromweg eines aus NPN-Transistoren
bestehenden Darlington-Paares 15 und den Bezugspunkt
für das Erdpotential 5. Die Schalteinrichtung für die
Statorwicklung B besteht aus der Leitung 9, dem beweglichen
Kontakt 11 und dem stationären Kontakt 12 des
Schalters 10, der Leitung 13, dem Knotenpunkt N, der
Statorwicklung B, der Leitung 16, dem Strompfad eines
aus NPN-Tansistoren bestehenden Darlington-Paares 17 und
dem Referenzpunkt für das Erdpotential 5. Die Schalteinrichtung
für die Statorwicklung C besteht aus der
Leitung 9, dem beweglichen Kontakt 11 und dem stationären
Kontakt 12 des Schalters 10, der Leitung 13, dem Knotenpunkt
N, der Statorwicklung C, der Leitung 18, dem
Stromweg eines aus NPN-Transistoren bestehenden Darlington-
Paares 19 und dem Bezugspunkt für das Erdpotential 5.
Das Ansteuersystem
enthält eine Anlaufsteuerung 20,
die in Fig. 1 gestrichelt umrandet
ist, und die eine Drehung des Rotors 8 vom Stillstand
einleitet, durch welche die phasenversetzten
Steuerspannungen anfangs in den Statorwicklungen
A, B und C induziert werden, sowie drei miteinander
identische Kommutationsschaltungen
21, 22,
23. Die Kommutationsschaltungen 21, 22, 23 sind
jeweils mit den phasenversetzten Steuerspannungen
befaßt, die in den Statorwicklungen A, B bzw. C
induziert werden, um die Drehung des Rotors 8 dadurch
aufrechtzuerhalten, daß nacheinander die jeweiligen
Erregungszustände für
die Statorwicklungen hergestellt und
wieder unterbrochen werden. Jede Kommutationsschaltung 21,
22, 23 ist einer Statorwicklung
A, B bzw. C zugeordnet und bewirkt jeweils das Einsetzen der Erregung
dieser Statorwicklung
in Abhängigkeit davon, daß die
in dieser
Statorwicklung induzierte Steuerspannung ins Negative geht.
Die Unterbrechung dieser Erregung
wird in Abhängigkeit von dem Betrieb einer anderen, einer anderen
Statorwicklung zugeordneten
Kommutationsschaltung bewirkt.
Somit werden nach Einleitung einer Drehung
des Rotors 8 vom Stillstand durch die Anlaufsteuerung 20
die Statorwicklungen A, B und C nacheinander erregt
und später entregt,
um ein drehendes Magnetfeld zu erzeugen, das die
Drehung des Rotors 8 aufrechterhält.
Während der Rotor 8 in Drehung ist, induziert sein Magnetfeld
Steuerspannungen in den Statorwicklungen
A, B und C,
die sich dem Gleichspannungswert B⁺
der Versorgungsspannungsquelle überlagern wie
es durch Kurve 2 A in Fig. 2 dargestellt ist.
Die induzierten Steuerspannungen haben eine Frequenz
und eine Amplitude, die direkt proportional der Drehgeschwindigkeit
des Rotors 8 sind.
Die aus NPN-Transistoren bestehenden Darlington-
Paare 15, 17 und 19 sind während eines Teils der Betriebszeit
im leitenden Zustand und während des anderen Teils im
Sperrzustand. Während das
Darlington-Paar 15 gesperrt ist, ist der Spannungswert
an der Verbindungsstelle 71 im wesentlichen gleich der
Summe aus dem in der Statorwicklung A durch das
Magnetfeld des Rotors 8 induzierten Steuerspannung
und dem Spannungswert der Versorgungsspannungsquelle.
In der Zeit, in der das
Darlington-Paar 15 leitet, liegt die
Verbindungsstelle 71 im wesentlichen auf Masse- oder Erdpotential,
wie die Kurve 2 B in Fig. 2 zeigt.
Entsprechendes gilt für die Darlington-Paare 17 und 19; vgl. Kurve 2 C und 2 D.
Die Anlaufsteuerung 20 besteht aus dem Norton-Operationsverstärker
25, den Eingangswiderständen 26 und 27, dem Kondensator
28 und dem Widerstand 29. Nach dem anfänglichen Anlegen
der Versorgungsspannung durch Betätigung
des Schalters 10,
durch die der Stromkreis geschlossen wird, werden
alle Kondensatoren des Systems entladen. Demzufolge ist die
Verbindungsstelle 24 im wesentlichen auf Erd- oder Massepotential
und der Kondensator 28 beginnt sich über die Leitung
9, die geschlossenen Kontakte des Schalters 10, die
Leitung 31 und den Widerstand 29 von der Versorgungsspannungsquelle
3 her aufzuladen. Deshalb wird nach dem
Anlegen der Versorgungsspannung der Norton-Operationsverstärker
25 in den Zustand getriggert,
in dem sein an der Verbindungsstelle 30 anliegendes Ausgangssignal
im wesentlichen gleich der Versorgungsspannung
ist. Die Länge dieses Ausgangssignals wird durch
die RC-Zeitkonstante des Schaltungsnetzwerks bestimmt, das
den Eingangswiderstand 27, den Kondensator 28 und den Widerstand
29 enthält. Sobald der Kondensator 28 aufgeladen ist,
liefert die Batterie 3 mehr Strom durch den Eingangswiderstand
27 an die Minus-Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers
25 als über den Eingangswiderstand 26 dessen
Plus-Eingangsklemme zugeliefert wird. Der größere
Strom an der Minus-Eingangsklemme triggert den Norton-
Operationsverstärker 25 in den Zustand, in dem sein an der
Verbindungsstelle 30 anliegendes Ausgangssignal im wesentlichen
auf Erdpotential liegt.
Die Anlaufsteuerung 20 erzeugt also einen
elektrischen Startsignalimpuls einer vorbestimmten Länge
nach Anlegen der Versorgungsspannung. Bei einer praktischen
Ausführung des Ansteuersystems besitzt dieser
Startsignalimpuls eine Länge in der Größenordnung
von 30 ms. Der Startsignalimpuls ist in Fig. 3 durch die Kurve
D dargestellt.
Der Startsignalimpuls liefert über die Leitung 32 und den Widerstand
33 Strom zur Plus-Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers
60 der Kommutationsschaltung 23. Die Auslegung
ist so, daß die Summe aus diesem Strom und dem Strom,
der durch die Batterie 3 der Plus-Eingangsklemme
über die Leitung 9, die geschlossenen Kontakte des Schalters
10, die Leitungen 31 und 34 und den Eingangswiderstand 61 zugeführt wird,
ausreicht, um das Triggern des Norton-Operationsverstärkers
60 in den Zustand zu erzwingen, in dem das Ausgangssignal
des Norton-Operationsverstärkers 60 an der Verbindungsstelle
63 im wesentlichen den Versorgungsspannungswert einnimmt.
Dieses Ausgangssignal liefert über die Leitung 64 und den
Eingangswiderstand 52 der Kommutationsschaltung 22 einen
Strom zur Minus-Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers
50. Die Widerstandswerte der Eingangswiderstände
51 und 52 des Norton-Operationsverstärkers
50 sind so miteinander abgestimmt, daß das Ausgangssignal
des Norton-Operationsverstärkers 60 mehr Strom der Minus-
Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers 50 zuführt,
als durch die Batterie 3 über die Leitung 9, die geschlossenen
Kontakte des Schalters 10, die Leitungen 31 und 34 und
den Eingangswiderstand 51 der Plus-Eingangsklemme dieses
Operationsverstärkers zugeführt wird, so daß eine Triggerung
des Norton-Operationsverstärkers 50 in den Zustand erreicht
wird, in dem dessen an der Verbindungsstelle 53 anliegendes
Ausgangssignal im wesentlichen auf Masse- oder Erdpotential
ist. Da hierdurch kein Strom über die Leitung 54 und den
Eingangswiderstand 42 der Kommutationsschaltung 21 an die
Minus-Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers
40 geliefert wird, triggert der durch die Batterie 3 über
die Leitung 9, die geschlossenen Kontakte des Schalters 10,
die Leitungen 31 und 34 und den Eingangswiderstand 41 der
Plus-Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers 40
zugeführte Strom diesen in den Zustand, in dem sein an der
Verbindungsstelle 43 anliegendes Ausgangssignal im wesentlichen
auf Versorgungsspannung liegt. Dieses Ausgangssignal
liefert wiederum über die Leitung 44 und den Eingangswiderstand
62 der Kommutationsschaltung 23 einen Strom an die Minus-
Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers 60.
Die Widerstandswerte der Eingangswiderstände 61 und 62
und des Widerstands 33 sind so miteinander abgestimmt, daß
das Ausgangssignal des Norton-Operationsverstärkers 40
mehr Strom an die Minus-Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers
60 liefert, als durch die Batterie 3 über
die Leitung 9, die geschlossenen Kontakte des Schalters 10
die Leitungen 31 und 34 und den Eingangswiderstand 61 der Plus-
Eingangsklemme zugeführt wird, jedoch weniger, als die Summe
der durch die
Batterie über den genannten Weg und den Startsignalimpuls
gelieferten Ströme. Demzufolge bewirkt der Startsignalimpuls
die Triggerung des Norton-Operationsverstärkers 60
in den Zustand, in dem das an der Verbindungsstelle 63 anliegende
Ausgangssignal desselben einen Spannungswert besitzt,
der gleich der Versorgungsspannung ist und hält
diesen Operationsverstärker in diesem Zustand, solange der
Startsignalimpuls andauert. Zu dieser Zeit, unmittelbar
nach der erstmaligen Anlegung der Versorgungsspannung, ist
ein elektrisches Signal mit einer im wesentlichen der Versorgungsspannung
gleichen Spannung an der Verbindungsstelle
43 vorhanden, an der Verbindungsstelle 53 herrscht im wesentlichen
Erd- oder Massepotential und während der Dauer
des Startsignalimpulses ist ein elektrisches Signal mit
im wesentlichen Versorgungsspannung an der Verbindungsstelle
63 vorhanden.
Das elektrische Signal mit im wesentlichen Versorgungsspannung
an der Verbindungsstelle 43 ergibt einen Basistreiberstrom
über den Widerstand 45 zu dem
Darlington-Paar 15 und öffnet dessen Leitpfad,
während von der im wesentlichen auf Erdpotential liegenden
Verbindungsstelle 53 kein Basistreiberstrom über den Widerstand
55 zum Darlington-Paar 17 gelangt, so daß dieses gesperrt
bleibt. Während der Dauer des Startsignalimpulses
ergibt das an der Verbindungsstelle 63 anliegende elektrische
Signal mit im wesentlichen Versorgungsspannung einen Treiberstrom
über den Widerstand 65 an das Darlington-Paar 19,
so daß dieses ebenfalls leitend wird.
Die Darlington-Paare 15
und 19 sind also leitend und das Darlington-Paar 17 gesperrt. In
Fig. 3 ist die Versorgungsspannung ebenfalls mit B⁺ bezeichnet.
Die Zeit T₀ entspricht dem Augenblick des Schließens
des Versorgungsspannungskreises
mit dem Schalter 10.
Da zu diesem Zeitpunkt
Darlington-Paare 15 und 19 leitend werden,
liegen die Verbindungsstellen 71 und 73 im wesentlichen
auf Masse- oder Erdpotential, wie die Kurven 3 A und
3 C zeigen, und, da das Darlington-Paar 17 gesperrt ist, liegt
die Verbindungsstelle 72 im wesentlichen auf Versorgungsspannung,
wie die Kurve 3 B zeigt.
Der leitende Zustand des
Darlington-Paars 15 bewirkt Erregung
der Statorwicklung A über die zugehörige Schalteinrichtung.
Ebenso bewirkt das leitende
Darlington-Paar 19 die
Erregung der Statorwicklung C über die
zugehörige Schalteinrichtung.
Auf die Erregung der Statorwicklungen
A und C hin richtet sich der Rotor 8 entsprechend
deren Magnetfeld aus, wobei seine Richtung im wesentlichen
in die Mitte zwischen die Statorwicklungen
A und C fällt.
Bei Beendigung des Startsignalimpulses
zum Zeitpunkt T₁ geht die Verbindungsstelle 30 und damit das
ihr zugewandte Ende des Widerstandes 35 der Kommutationsschaltung
22 im wesentlichen auf Massepotential. Damit beginnt
ein Ladestrom für den Kondensator 36 aus der Plus-
Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers 50 zu fließen,
und das durch den Startsignalimpuls der Plus-Eingangsklemme
des Norton-Operationsverstärkers 60 der Kommutationsschaltung
23 zugeführte Stromsignal ist beendet. Während sich der Kondensator 36 über
den Widerstand 35 auflädt, wird der Norton-Operationsverstärker
50 in dem Zustand gehalten, in dem sein an der Verbindungsstelle
53 anliegendes Ausgangssignal im wesentlichen
auf Erdpotential bleibt, und der Strom, der durch das Ausgangssignal
des Norton-Operationsverstärkers 40 über die
Leitung 44 und den Eingangswiderstand 62 der Minus-Eingangsklemme
des Norton-Operationsverstärkers 60 der Kommutationsschaltung
23 zugeführt wird, triggert den Norton-Operationsverstärker
60 in den Zustand, in dem sein an der
Verbindungsstelle 63 anliegendes Ausgangssignal im wesentlichen
auf Erd- oder Massepotential liegt. Da dadurch kein
Basistreiberstrom für das
Darlington-Paar 19 geliefert wird, wird dieses gesperrt und
unterbricht die vorher beschriebene Erregung
der Statorwicklung C. Zum Zeitpunkt T₁ bleibt damit
die Statorwicklung A erregt, und die Statorwicklungen
B und C sind entregt. Demzufolge bleibt die Verbindungsstelle
71 im wesentlichen auf Erd- oder Massepotential,
die Verbindungsstelle 72 bleibt im wesentlichen auf Versorgungsspannung
und die Verbindungsstelle 73 besitzt eine
Spannung, die gerade zum Versorgungsspannungswert ansteigt;
vgl. Kurven 3 A, 3 B und 3 C. Nach dem Entregen
der Statorwicklung C befindet sich das durch die
noch erregte Statorwicklung A erzeugte Magnetfeld
in Gegenuhrzeigersinn (nach Fig. 1) gedreht gegenüber dem
vorher vorhandenen resultierenden Magnetfeld, das gemeinsam
durch die erregten Statorwicklungen A, C erzeugt
wurde. Diese Änderunge des Statormagnetfeldes leitet eine
Drehung des Rotors 8 im Gegenuhrzeigersinn nach Fig. 1 mit
einer Geschwindigkeit ein, die größer als die minimale
Kommutierungsgeschwindigkeit ist.
Auf diese Einleitung der Drehung
des Rotors 8 zum Zeitpunkt T₁ hin beginnt dessen Magnetfeld
die bereits erwähnten Steuerspannungen in den
entregten Statorphasenwicklungen B und C zu induzieren,
wie in den Kurven 3 B bzw. 3 C
dargestellt. Zu einem Zeitpunkt T₂, der später als die Entregung
der Statorphasenwicklung C (Zeitpunkt T₁) liegt und
durch die RC-Zeitkonstante des Widerstandes 35 und des Kondensators
36 bestimmt ist, ist der Kondensator 36 so weit
aufgeladen, daß die Batterie 3 von ihrer positiven Ausgangsklemme
über die Leitung 9, die geschlossenen Kontakte des
Schalters 10, die Leitungen 31 und 34 und den Eingangswiderstand
51 Strom an die Plus-Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers
50 der Kommutierungsschaltung 22 zu liefern
beginnt. Zu diesem Zeitpunkt T₂ ist jedoch der Spannungswert
an der Verbindungsstelle 72 infolge der in der Statorwicklung
B induzierten Steuerspannung über den
Versorgungsspannungswert hin angewachsen. Dieser erhöhte
Spannungswert an der Verbindungsstelle 72 ergibt einen
größeren Strom über die Widerstände 77 und 79 an die Minus-
Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers 50,
als durch die Batterie 3 der anderen Eingangsklemme geliefert
wird. Demzufolge wird der Norton-Operationsverstärker 50 in
dem Zustand gehalten, in dem sein an der Verbindungsstelle
53 anliegendes Ausgangssignal immer noch im wesentlichen auf
Erd- oder Massepotential bleibt, und das
Darlington-Paar 17 bleibt gesperrt. Deshalb bleibt
die Statorwicklung A erregt, und die Statorwicklungen
B und C bleiben entregt.
Während der Drehung des
Rotors 8 im Gegenuhrzeigersinn (Fig. 1) zwischen den Zeitpunkten
T₁ und T₃ steigt die in der Statorwicklung B
induzierte Steuerspannung in positiver Richtung von dem
Versorgungsspannungswert an, durchläuft ein Maximum und fällt
in negativer Richtung wieder unter den Versorgungsspannungswert
ab, während gleichzeitig die in der Statorwicklung
C induzierte Steuerspannung zunächst den negativen Maximalwert
durchläuft, und dann in positiver Richtung über den Versorgungsspannungswert
hinaus zum positiven Maximalwert ansteigt.
Zum Zeitpunkt T₃ ist der durch den Versorgungsspannungswert
an der Verbindungsstelle 72 über die Widerstände 77 und 79
der Minus-Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers
50 gelieferte Strom kleiner als der, den die Batterie 3
zur Plus-Eingangsklemme dieses Operationsverstärkers
liefert. Damit wird der Operationsverstärker 50 in den Zustand
getriggert, in dem sein an der Verbindungsstelle 53
anliegendes Ausgangssignal einen Spannungswert im wesentlichen
gleich der Versorgungsspannung besitzt. Dieses Ausgangssignal
ergibt über den Widerstand 55 einen Basistreiberstrom
für das Darlington-Paar
17 und führt über die Leitung 54 und den Eingangswiderstand
42 der Kommutationsschaltung 21 Strom zur Minus-Eingangsklemme
des Norton-Operationsverstärkers 40. Der Widerstandswert
der Eingangswiderstände 41 und 42 des Norton-Operationsverstärkers
40 sind so aufeinander abgestimmt,
daß der durch das Ausgangssignal des Norton-Operationsverstärkers
50 der Minus-Eingangsklemme des Operationsverstärkers
40 über die Leitung 54 und den Eingangswiderstand
42 zugeführte Strom größer ist als der Strom, der der Plus-
Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers 40 durch
die Batterie 3 über die Leitung 9,
den Schalter 10, die Leitungen 31 und 34 und den Eingangswiderstand
41 zugeführt wird. Infolgedessen wird der
Norton-Operationsverstärker 40 in den Zustand getriggert,
in dem sein an der Verbindungsstelle 43 anliegendes Ausgangssignal
im wesentlichen auf Masse- oder Erdpotential liegt.
Da nun kein Basistreiberstrom für das
Darlington-Paar 15 geliefert wird, wird dieses
gesperrt und unterbricht die
Erregung der Statorwicklung
A. Im wesentlichen zur gleichen Zeit triggert der
von dem an der Verbindungsstelle 53 anliegenden Ausgangssignal
des Norton-Operationsverstärkers 50 über den Widerstand
55 gelieferte Basis-Treiberstrom das
bestehende Darlington-Paar 17 in den leitenden
Zustand, so daß eine Erregung der Statorwicklung
B über die zugehörige Schalteinrichtung erfolgt.
Zum Zeitpunkt T₃ wird also die Statorwicklung B erregt, während die
Statorwicklungen A und C entregt sind. Demzufolge
geht die Verbindungsstelle 72 im wesentlichen auf Erd- oder
Massepotential, die Verbindungsstelle 73 besitzt eine Spannung,
die im wesentlichen gleich der Summe der induzierten
Steuerspannung und dem Versorgungsspannungswert ist
und an der Verbindungsstelle 71 steigt die Spannung zum
Versorgungsspannungswert hin an; vgl. die
Kurven 3 B, 3 C und 3 A. Nach diesen im wesentlichen gleichzeitig
vor sich gehenden Vorgängen, d. h. der Entregung der
Statorwicklung A und der Erregung der Statorwicklung
B rückt das durch die Statorwicklung B erzeugte
Magnetfeld wiederum im Gegenuhrzeigersinn
gemäß Fig. 1 gegenüber dem weiter, das durch die zuvor erregte
Statorwicklung A erzeugt wurde. Diese Änderung
des Statormagnetfeldes hält den Rotor 8 im Gegenuhrzeigersinn
nach Fig. 1 in Drehung mit einer Geschwindigkeit,
die größer als die minimale Kommutationsgeschwindigkeit ist.
Zum Zeitpunkt T₄ wird in entsprechender Weise
die Statorwicklung C erregt, während
die Statorwicklungen A und B entregt sind.
Die resultierende Drehung des Statormagnetfeldes
hält die Drehung des Rotors 8 im Gegenuhrzeigersinn nach
Fig. 1 mit einer Geschwindigkeit aufrecht, die größer als
die minimale Kommutationsgeschwindigkeit ist. Während sich
nun der Rotor 8 weiterdreht,
induziert sein Magnetfeld weiter die
Steuerspannungen in den Statorwicklungen A,
B und C. Solange die Kontakte des Schalters 10
geschlossen bleiben, wird demnach die Drehung des Rotors 8
durch den Betrieb der Kommutationsschaltungen 21, 22, 23 aufrechterhalten.
Soll der Rotor 8 im Uhrzeigersinn
gemäß Fig. 1 in Drehung versetzt werden, so muß die
Erregung der Statorwicklung B statt der Statorwicklung
C auf die Anlegung der Versorgungsspannung hin erfolgen.
Das kann dadurch bewirkt werden, daß der
Startsignalimpuls an die Plus-Eingangsklemme des Norton-
Operationsverstärkers 50 der Kommutationsschaltung 22 angelegt
wird und daß die Serienschaltung aus Widerstand 35
und Kondensator 36 mit der Plus-Eingangsklemme des Norton-
Operationsverstärkers 60 der Kommutationsschaltung 23 verbunden
wird.
Die Kommutierung der Darlington-Paare
15, 17 und 19 wird durch Erfassen des Spannungswertes
in den Statorwicklungen A, B und C erreicht.
Die Kommutierung wird durch die Kommutationsschaltungen
21, 22 und 23 bewirkt, die jeweils die in den Statorwicklungen
A, B und C durch das sich drehende Magnetfeld
des Rotors 8 induzierten phasenversetzten Steuerspannungen
erfassen. Der Spannungswert der Statorwicklung
A erscheint an der Verbindungsstelle 71 und wird über den
Widerstand 74 und den Kondensator 75 gefiltert. Der Spannungswert
der Statorwicklung B erscheint an der Verbindungsstelle
72 und wird durch den Widerstand 77 und den
Kondensator 78 gefiltert. Der Spannungswert der Statorwicklung
C erscheint an der Verbindungsstelle 73 und wird
durch den Widerstand 80 und den Kondensator 81 gefiltert.
Die Schaltung aus Widerstand 74 und Kondensator 75 wirkt
als Spannungsspitzen-Folgeschaltung, und dadurch folgt die
Ladung des Kondensators 75 der Änderung der Spannung an
der Verbindungsstelle 71; die Schaltung aus Widerstand 77
und Kondensator 78 wirkt als Spannungsspitzen-Folgeschaltung,
und dadurch folgt die Ladung des Kondensators 78 der Änderung
des Spannungswertes an der Verbindungsstelle 72 und die Schaltung
aus Widerstand 80 und Kondensator 81 wirkt als Spannungsspitzen-
Folgeschaltung, und die Ladung des Kondensators 81
folgt der Spannungsänderung an der Verbindungsstelle 73.
Kurve 2 A zeigt die in den jeweiligen Statorwicklungen
A, B und C induzierten Steuerspannungen, während
die Kurven 2 B, 2 C bzw. 2 D den Spannungsverlauf an den jeweiligen
Verbindungsstellen 71, 72 bzw. 73 zeigen, nachdem
die Drehung des Rotors 8 durch die Startschaltung 20
eingeleitet ist und durch den Betrieb der Kommutationsschaltungen
21, 22 und 23 aufrechterhalten wird.
Die Versorgungsspannung
ist mit B⁺ gekennzeichnet.
Während sich der Rotor zwischen den Zeitpunkten T₅ und T₆
dreht, wächst die an der Verbindungsstelle 72 anliegende
Steuerspannung, die in der Statorwicklung B durch
das Magnetfeld des sich drehenden Rotors 8 induziert wird,
von B⁺ in positiver Richtung zu einem maximalen positiven
Spannungswert an, wie Kurve 2 C zeigt. Das Signal an der
Verbindungsstelle 73 bleibt im wesentlichen auf Erd- oder
Massepotential, da das
Darlington-Paar 19 leitend ist, siehe Kurve 2 D. Die an
der Verbindungsstelle 71 anliegende, in der Statorwicklung
A durch das Magnetfeld des sich drehenden Rotors
8 induzierte Wechselspannung nimmt ins Negative
ab und der Spannungswert an der Verbindungsstelle 71
durchläuft, wie Kurve 2 B zeigt, den Versorgungsspannungswert
B⁺. Der Spannungsänderung an der Verbindungsstelle 71 folgt
die entsprechende Ladungsänderung des Kondensators 75. Wenn
zum Zeitpunkt T₆ die Ladung des Kondensators 75 so weit abgenommen
hat, daß ein Gleichspannungswert erreicht ist, der
nicht mehr Strom über den Eingangswiderstand 76 der Minus-
Eingangsklemme des Norton-Operationsverstärkers 40 zuliefert,
als die Batterie 3 der Plus-Eingangsklemme
dieses Operationsverstärkers über den Eingangswiderstand
41 liefert, wird der Norton-Operationsverstärker
40 abrupt in den Zustand getriggert, in dem sein
an der Verbindungsstelle 43 anliegendes Ausgangssignal
einen positiven Spannungswert im wesentlichen gleich der
Versorgungsspannung einnimmt. Dieses an der Verbindungsstelle
43 erscheinende positive Spannungssignal
liefert einen Basistreiberstrom über den Widerstand 45
an das Darlington-Paar 15,
triggert dieses leitend und bewirkt damit die bereits
beschriebene Erregung der Statorwicklung
A; gleichzeitig geht, wie Kurve 2 B zeigt,
die Spannung an der Verbindungsstelle 71 im wesentlichen
auf Erd- bzw. Massepotential. Das an der Verbindungsstelle 43
vorhandene positive Spannungssignal liefert
auch über die Leitung 44 und den Eingangswiderstand 62 der
Kommutationsschaltung 23 mehr Strom an die Minus-Eingangsklemme
des Norton-Operationsverstärkers 60, als dessen
Plus-Eingangsklemme über den Eingangswiderstand 61
von der Batterie 3 erhält, so daß der Norton-Operationsverstärker
60 abrupt in den Zustand getriggert wird, in dem
sein an der Verbindungsstelle 63 erscheinendes Ausgangssignal
im wesentlichen auf Masse- oder Erdpotential liegt.
Dadurch wird das Darlington-Paar
19 wegen fehlenden Basistreiberstroms gesperrt und die
Erregung der Statorwicklung
C unterbrochen. Dadurch
wird die durch das Magnetfeld des sich drehenden Rotors 8
in der Statorwicklung C induzierte Steuerspannung
der Versorgungsspannung überlagert
und erscheint, wie Kurve 2 D zeigt, an der Verbindungsstelle 73.
Zum Zeitpunkt T₇ wird in entsprechender Weise die Statorwicklung B erregt und
die Erregung der Statorwicklung A unterbrochen. Zum Zeitpunkt T₈
wird die Statorwicklung C erregt und die Erregung der Statorwicklung B
unterbrochen. Zum Zeitpunkt T₉ wird wieder die Statorwicklung A
erregt und die Erregung der Statorwicklung C unterbrochen, usw.
Es wird darauf hingewiesen, daß nach Laden des
Kondensators 28 der Anlaufsteuerung 20 nach dem Schließen
des Schalters 10 dieser Kondensator geladen bleibt, so daß
die Anlaufsteuerung 20 gesperrt bleibt, solange der Schalter 10
geschlossen ist.
Claims (1)
- Ansteuersystem für einen kollektorlosen Gleichstrommotor, der einen permanentmagnetischen Rotor sowie einen mehrere Wicklungen aufweisenden Stator umfaßt, mit Schalteinrichtungen, die jeweils einer Wicklung zugeordnet und zur Herstellung und Unterbrechung einer Verbindung dieser Wicklungen mit einer Gleichspannungsquelle durch Steuerspannungen beaufschlagt sind, die infolge einer Drehung des Rotors in den Wicklungen induziert werden, wobei jede der Wicklungen über die ihr zugeordnete Schalteinrichtung stets dann mit der Gleichspannungsquelle verbindbar ist, wenn die in derselben Wicklung induzierte Steuerspannung während ihres ins Negative gehenden Abschnitts einen vorgebbaren ersten Wert erreicht, und wobei diese Verbindung durch die Schalteinrichtung in Abhängigkeit von dem Erregungszustand einer anderen Wicklung wieder unterbrechbar ist, sowie mit einer Anlaufsteuerung zur Einleitung einer Rotordrehung aus dem Stand, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufsteuerung (20) über Schaltelemente (32, 33, 35, 36) so mit den Schalteinrichtungen (22, 23) verbunden ist, daß beim Anlaufen zunächst zwei der Statorwicklungen (A, C) erregt werden, um den Rotor (8) in eine von diesen Statorwicklungen (A, C) bestimmte Stellung zu drehen, und daß dann eine der Statorwicklungen (C) stromlos wird, um den Rotor (8) in die entsprechende Stellung weiter zu drehen.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US06/046,911 US4262237A (en) | 1979-06-08 | 1979-06-08 | Commutatorless direct current motor drive system |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8125 | Change of the main classification |
Ipc: H02K 29/02 |
|
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8331 | Complete revocation |