DE2742932C3

DE2742932C3 - Schrittweise betriebener kollektorloser Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnetläufer

Info

Publication number: DE2742932C3
Application number: DE2742932A
Authority: DE
Inventors: Georg 8540 Schwabach Koegler; Karl 8500 Nuernberg Schalk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-09-23
Filing date: 1977-09-23
Publication date: 1980-08-14
Also published as: US4242624A; FR2409633A1; DE2742932B2; DE2742932A1; NL7808678A; FR2409633B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen schrittweise betriebenen kollektorlosen Gleichstrommotor mit

ίο einem Permanentmagnetläufer, mit einem Ständer, in dem mehrere in Stern geschaltete Wicklungsstränge angeordnet sind, die läuferstellungsabhängig nacheinander über eine eine Auswahlschaltung enthaltende Steuerschaltung an eine Gleichstromquelle schaltbar sind.

Ein derartiger Gleichstrommotor ist aus der DE-OS 20 03 896 bekannt. Beim Einsatz eines solchen Motors als Schrittmotor muß der Läufer in einer vorgegebenen Position angehalten werden. Hierfür wird die Kommutierungsreihenfolge unterbrochen und lediglich die gewünschte Wicklungsaehse unier Si; omfiuß gehalten. Der Permanentmagnetläufer stellt sich dann in Richtung der bestromten Wicklungsaehse ein. Allerdings erreicht er die vorgegebene Rastposition erst nach einem längeren Einschwingvorgang. Dieses Problem ist in der erwähnten DE-OS 20 03 896 nicht angesprochen.

Aus der DE-AS 16 38 091 ist eine »Steuer- und Bremsschaltung für einen Schrittschaltmotor« bekannt, durch die der Motor in der vorgegebenen Rastposition

sicher und ohne Überschwingen zum Stillstand gebracht werden kann. Hierfür wird eine komplizierte elektronische Schaltung eingesetzt, die dafür sorgt, daß während des letzten Schrittes, während dem der Läufer in die durch Bcsiromung eines Wicklungsstranges vorgegcbe-

)5 nc Rastposition einläuft, ein oder mehrere der restlichen Wicklungsstränge mit einem Stromimpuls beaufschlagt werden, der ein Gegendrehmomeni zur Abbrenisung des Läufers erzeugt. Diese bekannte Bremsschaltung ist mit einem erheblichen schallungstcchnischcn Aufwand verbunden.

Ferner ist aus der Siemens-Zeitschrift l%b, llefl 9, Seiten 690 bis 693 bekannt, die in den stromlosen Wicklungssträngen durch die Rotation eines Permanentmagnctläufers induzierten EMKs über Auskoppcldioden auszukoppeln und zur Drehzahlregelung zu verwenden. Die ausgekoppelten EMKs dienen hierbei als Drehzahl-Istwert.

Der Erfindung liegl die Aufgabe zugrunde, bei einem Gleichstrommotor der eingangs beschriebenen Art das Einschwingverhalten des Permanenimagnetläufers in der vorgegebenen Rasiposition zu verbessern, wobei nur ein geringer Aul wand erforderlich sein soll.

Die Aufgabe wird crfindungsgcmiiß dadurch gelöst, daß bei jedem Positioniervorgang durch eine eine Zeitslufc enthaltende Schaltungsanordnung die negative und/oder positive Spanniingshalbwelle der in den Wicklungssträngcn durch den Permancntmagnetläufcr induzierten EMK ausgekoppelt und gegen den Slernpunkt der Wicklungsstränge kurzschließbar ist. llier-

M) durch wird mit geringem Aufwand das Einschwingvcrhalten des Permanentmagnetläufcrs in die vorgegebene Rastposition erheblich verbessert. Da die induzierte EMK das Brcmsmoment liefen, entfällt die Belastung der äußeren Gleichstromquelle für das Abbremsen des

b^r> Pcrmanenlniagneiläufers. Diese EMK und mit ihr das icmsmomenl verschwindet, wenn der Pennanentmagnctläufer zur Ruhe gekommen ist. Somit muH Für das Bremsen keine äußere Energie eingespeist werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß als Zeitstufe eine nachtriggerbare Zeitstufe vorgesehen ist, deren Triggereingang über eine erste logische Verknüpfungsschaltung an den Ausgang der Kommutierungssignale abgebenden Auswahlschaltung angeschlossen ist und daß der Ausgang der Zeitstufe und eine mit Spannungssignalen für die Betriebsarten »Laufen« und »Bremsen« beaufschlagte Leitung an eine zweite logische Verknüpfungsschaltung geführt sind, durch deren Ausgangssignal bei Anstehen des eingangsseitigen Spannungssignals »Bremsen« der Kurzschluß während der Laufzeit der Zeitstufe erfolgt. Unter einer »nachtriggerbaren Zeitstufe« ist eine Zeitstufe zu verstehen, die bei jedem Eingang eines Triggerimpulses — also auch wenn sie unmittelbar vorher durch einen vorangehenden Triggerimpuls getriggert wurde — jeweils von neuem für die gesamte Laufzeit gesetzt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den restlichen Unteransprüchen gekennzeichnet

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert.

Die mit Wl bis WA bezeichneten Wicklungsstränge sind in einem Sternpunkt zusammengeschaltet und über die Kollektor-Emitter-Strecke einer hier nicht zu erörternden Reglerendstufe mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle verbunden. Mit ihrem anderen Wicklungsende sind die Wicklungsstränge IVl bis WA über Dioden D 6 bis D 9 mit der Kollektor-Emitter-Strecke von Leistungstransistoren T5 bis Γ8 verbunden. Die Emitter dieser Leistungstransistoren 7"5 bis 7"8 sind zu einem Anschlußpunkt α zusammengefaßt und über einen Strommeßwiderstand R 14 mit dem anderen Pol der Gleichstromquelle verbunden. Die Basen X 1 bis X4 der Leistungstransistoren TS bis 7"8 sind mit einer Auswahlschaltung verbunden, über welche die Leistungstransistoren T5 bis TS in zyklischer Reihenfolge ansteuerbar sind.

Bei kollektorlosen Gleichstrommotoren ohne Bremseinrichtung erreicht der Permanentmagnetläufer erst nach längerem Einschwingen die vorgegebene Rastposition. Um das Einschwingverhalten zu verbessern, wird erfindungsgemäß eine zeitabhängige elektrische Dämpfung vorgesehen. Hierzu wird eine Zeitslufe V1 benutzt.

Die Laufzeit der Zeitstufe Vl wird durch einen Widerstand Ri und einen Kondensator Cl vorgegeben. Während der Eingang A der Zeitstufe V1 an Masse liegt, werden dem Triggereingang B der Zeitstufe Vl über eine NOR-Stufe V2 die Kommutierungssignale der Auswahlschaltung A W zugeführt. Bei jedem Konimulierungssignal wird also die Zeitstufe Vl getriggert. Während der Drehbewegung des Gleichstrommotors wird die nachtriggerbare Zeitstufe Vl durch die Kommutierungssignale der Auswahlschaltung A W ständig getriggert, so daß in diesem Falle der Ausgang Qder Schaltstufe Vl Η-Signal führt. Bei einer Positionierung bleibt das letzte Kommutierungssignal der Auswahlschaltung AW stehen, so daß sich der Permanenimagnetläufer in Richtung der bestromten Wicklungsachse einstellen kann. Nach der durch Widerstand R 1 und Kond^.vi.or Cl vorgegebenen Laufzeit geht die Zeitstufe Vl in ihre Ausgangsstellung zurück, in der der Ausgang Q L-Signal erhält.

Der Ausgang ζ) der Zeitstufe Vl ist mit dem einen Hingang einer NAND-Stufc V3 verbunden. Der andere Hingang der NAND-Stufc V3 ist mit einer Leitung L 1 verbunden, über die Spannungssignalc für die Betriebsarten des Gleichstrommotors gegeben werden können.

Führt die Leitung L1 H-Signai, so bedeutet das »Laufen« oder »Betrieb« des Gleichstrommotors, und führt die Leitung /, 1 Η-Signal, so bedeutet dies »Bremsen«. Der Ausgang der NAND-Stufe V3 ist über einen Widerstand /?9 mit der Basis eines Transistors Γ10 verbunden. Übe einen Widerstand R 10 ist die Basis dieses Transistors TlO ebenfalls mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle verbunden, so daß der Transistor 7Ί0 nichtleitend ist, wenn am Ausgang tier NAN D-Stufe V3 Η-Signal vorliegt. Führt jedoch die NAND-Stufe V3 am Ausgang Η-Signal, so wird der Transistor 7"IO leitend und schließt damit einen Widerstand R 11 eines aus den Widerständen RiI und R12 bestehenden Spannungsteilers kurz. Da der Verbindungspunkt d dieses Spannungsteilers mit der Basis eines weiteren Transistors T 4 verbunden ist, ist dieser gesperrt, wenn der Transistor 7"10 leitend ist. Der Emitter des Transistors Γ 4 ist über einen Widerstand R 13 mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle verbunden. Der Kollektor des Transistors T4 ist einerseits über drei Dioden OH, DXI und D 13 rliii dein positiven Pol der Gleichstromquelle und andererseits mit der Basis eines Leistungstransistors 7"9 verbunden. Der Leistungstransistor 79 dient zum Kurzschließen der über Auskoppeldioden D 2 bis D 5 ausgekoppelten positiven Spannungshalbwelle der durch den Permanentmagnetläufer induzierten Spannung der zur Zeit nicht stromführenden Wicklungsstränge.

Ist der Gleichstrommotor in Betrieb, so wird über die Leitung L1 auf die NAND-Stufe V3 ein L-Signal gegeben. Da während der Drehbewegung des Gleichstrommotors durch die Kommutierungssignale der Auswahlschaltung AW die Zeitstufe Vl ständig getriggert wird, führt der Ausgang Q Η-Signal, so daß der Ausgang der NAND-Stufe V3 Η-Signal führt. Dadurch ist der Transistor T10 leitend und der Transistor Γ4 gesperrt, wie zuvor ausgeführt worden ist. Demzufolge ist auch der Leistungstransistor 79 gesperrt.

Zum Positionieren wird die Kommutierungsfolge der Auswahlschaltung A W unterbrochen, wobei das letzte Signal bestehen bleibt. Gleichzeitig wird über die Leitung L 1 ein Η-Signal abgegeben, das »Bremsen«, bedeutet. Da voraussetzungsgemäß der Ausgang Quer Zeitstufe Vl Η-Signal führt, beide Eingänge der NAND-Stufe V3 somit Η-Signal führen, erscheint am Ausgang derselben L-Signal. Durch das L-Signal am Ausgang der NAND-Stufe V3 wird der Transistor Γ10 gesperrt, die Basisspannung des Transistors T4 wird durch Wirksamwerden des Spannungsteilerwiderstandes RW angehoben. Damit wird auch der Leistungstransistor Γ9 leitend, wobei dessen Basisspannung um die Schwellspannung der drei Dioden DIl bis D 13 unter dem Potential des Sternpunktes IV9 liegt. Durch diese Basisvorspannung des Leistungstransistors Γ9 wird erreicht, daß die in den Wicklungssträtigen W1 bis W4 induzierte positive Halbwelle der EMK kurzgeschlossen wird; hierbei werden die Schwellspannungen der Auskoppeldioden D2 bis D5 und die Basis-Emitter-Spannung des Leistungstransistorx T9 durch die Dioden DIl bis D13 kompensiert. Der Kurzschlußpfad verläuft hierbei beispielsweise im Falle des Wicklungsstninges W3 von dem dem Sternpunkt VV9 abgewandten Ende des Wicklungsstranges VV3 über die Auskoppeldiode D 2 und den Leistungstransistor 7 9 zu dem das Bezugspotential führenden Leiter und von hier über die Stromquelle ( —, +) zurück zum Sternpunkt W 9.

Durch den Kurzschluß der in den Wicklungssträngen Wl bis H'4 induzierten IZMKs ergibt sich ein zusätzliches Bremsmomeni, so daß das Einschwingverhalten des Gleichstrommotors verbessert wird. In gleicher Wcse kann die negative EMK ausgekoppelt und kurzgc ilossen werden; auch beide Spannungsrichtungen Rönnen zur Bildung eines zusätzlichen Bremsmomentes kurzgeschlossen oder belastet werden.

Die Begrenzung des Kurz.schlußstromes erfolgt bei der dargestellten Schaltung durch den Widerstand der Wicklungsstränge Wl bis W 4. Bei zu hohen Kurzschlußströmen kann in die Kollektorleitung des Leistungstransistors 79 ein zusätzlicher Widerstand zur

Strombegrenzung eingebaut werden, oder es kann di Ansteuerung des Leistungstransistors 79 in Abhängig keit vom Kollektorstrom dieses Transistors gerege werden.

Nach dem Einschwingen des Permanentmagnetläu fers werden die Kommutierungssignale abgeschalte und die Zeitstufe Kl kippt nach der eingestellte Laufzeit in die Ruhelage (Q = LQ = H)zurück. Dam erscheint am Ausgang der NAND-Stufe V 3 wiederur Η-Signal, der Transistor 710 wird aufgesteuert, di Basis des Transistors 74 an Masse gelegt, so daß de Transistor 74 und der Leistungstransistor 79 gespen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schrittweise betriebener kollektorloser Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnetläufer, mit einem Ständer, in dem mehrere, in Stern geschaltete Wicklungsslränge angeordnet sind, die läuferstellungsabhängig nacheinander über eine eine Auswahlschaltung enthaltende Steuerschaltung an eine Gleichstromquelle schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Positioniervorgang durch eine eine Zeitstufe (VX) en'haltende Schaltungsanordnung die negative und/oder positive Spanniingshalbwelle der in den Wicklungssträngen (WX bis W 4) durch den Permanentmagnetläufer induzierten EMK ausgekoppelt und gegen den Sternpunkt (W9) der Wicklungsstränge (WX bis W4) kurzsciiließbar ist.

2. Koilektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitstufe (VX) eine nachtriggerbare Zeitstufe vorgesehen ibt, deren Triggereingang (B) über eine erste logische Verknüpfungsschaltung (NOR-Stufe V2) an den Ausgang der Kommutierungssignale (X X bis X 4) abgebenden Auswahlschaltung (A W) angeschlossen ist und daß der Ausgang (Q) άατ Zeitstufe (VX) und eine mit Spannungssignalen für die Betriebsarten »Laufen« und »Bremsen« beaufschlagte Leitung (L X) an eine zweite logische Verknüpfungsschaltung (NAN D-Stufe V3) geführt sind, durch deren Ausgangssignal bei Anstehen des eingangsscitigen Spannungssignals »Bremsen« der Kurzschluß während der Laufzeit der Zeitstufe (V X) erfolgt.

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die dem Stcrnpunkt (W^) der Wicklungsstränge (W X bis W4), der an den einen Pol der Gleichstromquelle geschaltet ist, jeweils abgewandten Enden der Wickliingsstriinge (WX bis W4) die Anoden von Auskoppeldiodcn (Dl bis D5) angeschlossen sind, deren Kathoden miteinander verbunden und über die Emutcr-Kollcktor-Slreckc eines von der Zcitsuife ^V I) anstcuerbaren Leistungstransistors (TV\ an den anderen Pol der Gleichstromquelle schaltbar sind.

4. Kullektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der Basis des Lcistungstransislors (T⁰)) mit Hilfe von in Reihe geschalteten Dioden (D 11 bis D 13) unter das Potential des Sternpunkles (W9) der Wieklungssträngc (W X bis W4) gelegt ist.

j. Kollekiorioscr Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß so viele Dioden (D X X bis D 13) in Reihe geschaltet sind, dall die .Schwellspannungen der Auskoppcldioden (D 2 bis 1)5) und die Basis-Emitier-Spannung des Leislungstransistors (T9¹) kompensiert sind.

6. Koilektorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die induzierte EMK in den Wieklungssträngen (WX bis W4) getriebene Strom durch einen Widerstand begrenzt ist.

7. Kolleklorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß der Widersland /ur Strombegrenzung in die Kollektorleitung des Leislungstransistors (T9) eingeschaltet ist.

8. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des Leistungstransistors (T9) in Abhängigkeit vom Kollektorstrom desselben mit Hilfe eines Reglers geregelt ist.