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Dokumentenidentifikation DE3019903C2 12.10.1989
Titel Ansteuersystem für einen kollektorlosen Gleichstrommotor
Anmelder General Motors Corp., Detroit, Mich., US
Erfinder Gelenius, Robert Bruce, Davidson, Mich., US
Vertreter Manitz, G., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Finsterwald, M., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing., 8000 München; Grämkow, W., Dipl.-Ing., 7000 Stuttgart; Heyn, H., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., 8000 München; Rotermund, H., Dipl.-Phys., Pat.-Anwälte, 7000 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 23.05.1980
DE-Aktenzeichen 3019903
Offenlegungstag 11.12.1980
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.10.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.1989
IPC-Hauptklasse H02K 29/00
IPC-Nebenklasse H02P 6/02   

Beschreibung[de]

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&spplus; der Versorgungsspannungsquelle überlagern wie es durch Kurve 2A 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 2B in Fig. 2 zeigt.

Entsprechendes gilt für die Darlington-Paare 17 und 19; vgl. Kurve 2C und 2D.

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&spplus; bezeichnet. Die Zeit T&sub0; 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 3A und 3C zeigen, und, da das Darlington-Paar 17 gesperrt ist, liegt die Verbindungsstelle 72 im wesentlichen auf Versorgungsspannung, wie die Kurve 3B 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 T&sub1; 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 T&sub1; 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 3A, 3B und 3C. 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 T&sub1; hin beginnt dessen Magnetfeld die bereits erwähnten Steuerspannungen in den entregten Statorphasenwicklungen B und C zu induzieren, wie in den Kurven 3B bzw. 3C dargestellt. Zu einem Zeitpunkt T&sub2;, der später als die Entregung der Statorphasenwicklung C (Zeitpunkt T&sub1;) 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 T&sub2; 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 T&sub1; und T&sub3; 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 T&sub3; 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 T&sub3; 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 3B, 3C und 3A. 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 T&sub4; 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 2A zeigt die in den jeweiligen Statorwicklungen A, B und C induzierten Steuerspannungen, während die Kurven 2B, 2C bzw. 2D 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&spplus; gekennzeichnet.

Während sich der Rotor zwischen den Zeitpunkten T&sub5; und T&sub6; 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&spplus; in positiver Richtung zu einem maximalen positiven Spannungswert an, wie Kurve 2C zeigt. Das Signal an der Verbindungsstelle 73 bleibt im wesentlichen auf Erd- oder Massepotential, da das Darlington-Paar 19 leitend ist, siehe Kurve 2D. 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 2B zeigt, den Versorgungsspannungswert B&spplus;. Der Spannungsänderung an der Verbindungsstelle 71 folgt die entsprechende Ladungsänderung des Kondensators 75. Wenn zum Zeitpunkt T&sub6; 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 2B 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 2D zeigt, an der Verbindungsstelle 73.

Zum Zeitpunkt T&sub7; wird in entsprechender Weise die Statorwicklung B erregt und die Erregung der Statorwicklung A unterbrochen. Zum Zeitpunkt T&sub8; wird die Statorwicklung C erregt und die Erregung der Statorwicklung B unterbrochen. Zum Zeitpunkt T&sub9; 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.


Anspruch[de]
  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.






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