DE2931686A1

DE2931686A1 - Antriebsanordnung mit kollektorlosem gleichstrommotor und halbleiterschalter

Info

Publication number: DE2931686A1
Application number: DE19792931686
Authority: DE
Inventors: Benno Doemen
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1979-08-04
Filing date: 1979-08-04
Publication date: 1981-02-19
Also published as: US4449081A; DE2931686C2

Description

DT-237

Papst-Motoren KG
7742 St. Georgen/Schwarzwald

Antriebsanordnung mit kollektorlosem Gleichstrommotor und Halbleiterschalter

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung mit vorzugsweise einsträngigem, kollektorlosem Gleichstrommotor, dessen Wicklungsanordnung über Halbleiterschalter mit Strom versorgt ist, die in Abhängigkeit von einem ein magnetfeldabhängiges Fühlerelement bildenden Hallgenerator geschaltet sind.

Bei Antriebsanordnungen dieser Art stellt sich das Problem, daß Hallgeneratoren einen nicht unerheblichen Temperaturgang haben und auch relativ große Exemplarstreuungen auftreten können. Dadurch kann die lUckende Strombeaufschlagung der Wicklungsanordnung, d.h. die Sperrung des Wicklungsstromflusses im Bereich der Kommutierüngszeitpunkte, gefährdet werden. Es kann zu übermäßigem Stromfluß in dem wirkungslosen Zwischen-

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bereich des Magnetfeldes und damit zu unerwünschten Wirkungsgradverminderungen oder gar zur Zerstörung der Halbleiterschalter und/oder der Wicklungsanordnung kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine einfache und besonders wirkungsvolle Kompensation des Temperaturgangs und/oder der durch Exemplarstreuungen bedingten Hallgeneratorempfindlichkeit zu sorgen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß der hallseitige Innenwiderstand des Hallgenerators derart als Teil der Rückkopplung einer dem Hallgenerator nachgeschalteten Verstärkerstufe einbezogen, daß das Ausgangssignal der Verstärkerstufe im wesentlichen unabhängig von der Temperatur des Hallgenerators ist.

Die Erfindung nutzt den Umstand aus, daß temperaturbedingte Änderungen der Aijsgangsspannung des Hallgenerators von Änderungen des hallseitigen Innenwiderstands oder des Bahnwiderstands des Hallgenerators begleitet sind. Durch Einbeziehung des hallseitigen Innenwiderstandes in das Rückkopplungsnetzwerk der mit der Ausgangsspannung des Hallgenerators beaufschlagten Verstärkerstufe wird über die in der Praxis in Betracht kommenden Temperaturbereiche hinweg eine relativ genaue Temperaturkompensation gewährleistet.

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Weil im allgemeinen Hallgeneratoren mit geringem Innenwiderstand auch ein relativ kleines Ausgangssignal abgeben, lassen sich durch die erfindungsgemäße Ausnutzung des Hallgeneratorinnenwiderstandes als Teil der Rückkopplung der anschliessenden Verstärkerstufe auch Empfindlichkeitsstreuungen der einzelnen Hallgeneratoren weitgehend kompensieren.

Das Rückkopplungsnetzwerk läßt sich in besonders einfacher Weise derart auslegen, daß der hallseitige Innenwiderstand des Hallgenerators mit einem an den Verstärkerausgang angeschlossenen, im Vergleich zu diesem Innenwiderstand großen, konstanten Rückkopplungswiderstand einen Spannungsteiler bildet, an dem die Summe aus Verstärkerausgangsspannung und Hallspannung anliegt, und daß der Teilerabgriff mit dem Eingang der Verstärkerstufe verbunden ist. Unter der leicht zu verwirklichenden Bedingung, daß der Rückkopplungswiderstand groß im Vergleich zu dem hallseitigen Innenwiderstand des Hallgenerators ist, wird infolgedessen die Verstärkung durch den Quotienten aus Rückkopplungswiderstand und Hallgeneratorinnenwiderstand bestimmt.

Ein Steuerahschluß des Hallgenerators ist dabei vorzugsweise mit dem negierenden Eingang der nachgeschalteten Verstärkerstufe unmittelbar verbunden; dieser Eingang bildet gleichzeitig den Knotenpunkt einer zum Ausgang der Verstärkerstufe führenden Rückkopplungsschleife. Der Hallgenerator wird in einem solchen Fall ausgangsseitig weitgehend im Kuxzschluß betrieben.

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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Verstärkerstufe und/oder ein zusätzlicher nachgeschalteter Verstärker derart nichtlinear ausgelegt, daß eine Verbreiterung des stromlosen Bereichs der Wicklungsanordnung zum Zeitpunkt der Kommutierung erfolgt. Eine solche Verbreiterung verbessert den Wirkungsgrad der Antriebsanordnung. Außerdem wird die Störanfälligkeit weiter gesenkt.

Die Verstärkerstufe kann zweckmäßig aus Operationsverstärkern aufgebaut sein. Solche Verstärker sind in der Lage, ein relativ großes Ausgangssignal bei gleichzeitig verbesserter Kompensationswirkung abzugeben. Der Hallgenerator arbeitet ausgangsseitig nahezu vollkommen im Kurzschluß.

Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung sind eine der Verstärkerstufe nachgeschaltete Signalumsetzerstufe zur Ableitung eines dem Betrag des Magnetfeldes im wesentlichen proportionalen Signals, eine Meßstufe zur Bildung eines dem Wicklungsstrom im wesentlichen proportionalen Signals und eine mit diesen beiden Signalen beaufschlagte Regelstufe vorhanden, mittels deren der Motorstrom im wesentlichen proportional dem Betrag des Magnetfelds haltbar ist. Dadurch wird einer unerwünschten Strombeaufschlagung im Kommutierungsbereich zusätzlich entgegengewirkt.

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Das Ausgangssignal der Verstärkerstufe kann vorteilhaft über einen Kondensator ausgekoppelt sein, der sich bei Blockieren des Motors auflädt und den über die Wicklungsanordnung fliessenden Strom sperrt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild von Hallgenera

tor und nachgeschaltetem, rückgekoppeltem Verstärker,

Fig. 2 . _._ ein Schaltbild einer Antriebsanord-

: ;-".'": nung mit gemischter Halbleiterschal

ter- und Spulenbrücke, sowie

Fig. 3 ein Schaltbild einer abgewandelten

Ausführungsform mit Halbleiterschalter-Vollbrücke.

In Fig. 1 stellt 1 das Ersatzschaltbild eines Hallgenerators bestehend aus der die Hallspannung ü\, abgebenden Spannungsquelle H und dem hallseitigen Innenwiderstand oder Bahnwiderstand Rj, dar. Der" Ausgang des Hallgenerators gemäß dem Ersatzschaltbild 1 ist mit dem negierenden Eingang eines Verstärkers

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verbunden, von dessen Ausgang ein Rückkopplungswiderstand R~ zu dem negierenden Eingang zurückführt. Bei dieser Schaltungsauslegung ist die Ausgangsspannung U. des Verstärkers 2 gegeben durch

u_A = v . u_H (1).

Die Verstärkung V des rückgekoppelten Verstärkers 2 ergibt sich zu

^Rl? ^{+ R}H

Falls der Rückkopplungswiderstand Rp wesentlich größer als der Bahnwiderstand Ru gewählt ist, vereinfacht sich die Gleichung (2) zu

Für die Temperaturabhängigkeit der Hallspannung U,, und des Innenwiderstandes Rj, gilt

U_H = U_0H - Κ, (4)

^RH ~ ^R0H " ^KT

ORiGIHAL äi\!3?£

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- ίο -

wenn mit K^ der Temperaturkoeffizient bezeichnet wird. Durch Einsetzen der Gleichungen (3), (4) und (5) in die Gleichung (D folgt

^UA = ^U0H · ^KT

^UA = ^U0H ~-
^R0H

Aus Gleichung (7) ist zu erkennen, daß die Ausgangsspahnung LL unabhängig von dem Temperaturkoeffizienten K,- wird, und daß dies nicht nur für einen bestimmten Abgleichpunkt, sondern über den vollen Temperaturbereich gilt, solange nur die Temperaturkoeffizienten für die Hallspannung und für den hallseitigen Innenwiderstand einander entsprechen, eine Bedingung, die in der Praxis innerhalb des infragekommenden Temperaturbereichs erfüllt ist.

Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Antriebsanordnung, bei der ein kollektorloser Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor (nicht veranschaulicht) und einer aus zwei Statorspulen 5, 6 bestehenden Wicklungsanordnung vorgesehen ist. Die Statorspulen 5,-6 sind jeweils mit einem Schalttransistor 7, 8 in Reihe geschaltet. Sie bilden gemeinsam mit diesen Transistoren eine gemischte Spulen-Halbleiterschalter-

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ORIGINAL INSPECTED

brücke. Die Schalttransistoren 7, 8 werden über Vorwiderstände 9 bzw. 10 von einem zugeordneten Treibertransistor 11 bzw. 12 angesteuert. In Reihe mit den parallelen Brückenzweigen 5, 7 und 6, 8 liegt ein niederohmiger Meßwiderstand 13, an dem eine Spannung abfällt, die proportional zu dem über die Spulenanordnung 5, 6 fließenden Strom ist. Der Koppelpunkt 14 zwischen dem Meßwiderstand 13 und der Brückenschaltung 5, 6, 7, 8 ist an den Emitter eines Vergleichertransistors 15 angeschlossen. Die Emitter-Kollektor-Strecke des Meßtranistors 15 und ein diesem Transistor zugeordneter Kollektorwiderstand 16 liegen in Reihe mit der Emitter-Kollektor-Strecke der beiden Treibertransistoren 11, 12.

Ein als magnetfeldabhängiges Fühlerelement dienender Hallgenerator 18 liegt in Reihe mit Widerständen 19, 20, 21 sowie einer Diode 22 an der Betriebsspannung (OV, +UB). Die Hallgeneratorausgänge 23, 24- sind an die negierenden Eingänge 26 bzw. 27 von Operationsverstärkern 29, 30 unmittelbar angeschlossen. Zwischen dem negierenden Eingang 26, 27 und dem Ausgang der Operationsverstärker 29, 30 liegt jeweils ein Rückkopplungswiderstand 31 bzw. 32, Der jeweils andere Eingang der Operationsverstärker 29, 30 steht mit der Mittelanzapfung eines von zwei Widerständen 33, 34 gebildeten Spannungsteilers in Verbindung, der parallel zu der Steuerstrecke des Hallgenerators 18 liegt.

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Die Ausgänge der Operationsverstärker 29, 30 sind an die Basen jeweils eines der Treibertransistoren 11, 12 angeschlossen. Sie stehen ferner über jeweils einen Kondensator 35, 36 mit den beiden Eingängen einer Vollweggleichrichterbrücke 37 in Verbindung. Die Brücke 37 liegt in Reihe mit einem Widerstand 38 zwischen +UB und der Basis des Vergleichertransistors 15. Parallel zu der Reihenschaltung aus Brücke 37 und Widerstand 38 ist ein Widerstand geschaltet.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 arbeitet wie folgt:

In Abhängigkeit von der Rotorstellung liefert der Hallgenerator 18 eine magnetfeldabhängige Hallspannung, die in den rückgekoppelten Operationsverstärkern 29, 30 phasenrichtig verstärkt und an die Eingänge der Treibertransistoren 11, sowie über die Kondensatoren 35, 36 auf die Gleichrichterbrücke 37 gegeben wird. Die verstärkte Hallspannung wird mittels der Brücke 37 gleichgerichtet. Am Ausgang der Brücke 37 wird ein Signal erzeugt, das im wesentlichen proportional dem Betrag des vom Hallgenerator 18 erfaßten Magnetfeldes ist. Dieses Signal liegt an der Basis des Vergleichertransistors 15 und wird von diesem mit dem am Meßwiderstand gebildeten, dem Strom in den Statorspulen 5 bzw. 6 proportionalen Signal verglichen. Anhand dieses Vergleichs regelt der Transistor 15 über seine Kollektor-Emitter-Strecke den

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von den Treibertransistoren 11, 12 für die Endstufen-Schalttransistoren 7, 8 angelieferten Steuerstrom derart/ daß der Motorstrom weitgehend proportional dem Betrag des erfaßten Magnetfeldes ist.

Wird beispielsweise über den Operationsverstärker 29 bei hinreichend großem Feld der Treibertransistor 11 angesteuert, wird der Schalttransistor 7 leitend. Die Statorspule 5 wird mit Strom beaufschlagt. Wenn dann im Verlauf der Rotordrehung das Magnetfeld schwächer wird, wird der Transistor 7 über den Treibertransistor 11 gesperrt. Nach der Kommutierungslücke wird umgekehrt über den Treibertransistor 12 der Schalttransistor 8 leitend gemacht, so daß Strom über die Statorspule fließt. Da der Vergleichertransistor 15 eine relativ große Basis-Emitter-Schwellspannung hat, ist im Bereich kleiner Felder eine starke Nichtlinearität gegeben. Der Steuerstrom des betreffenden Treibertransistors 11 oder 12 wird vorzeitig gesperrt.

Aufgrund der vorstehend anhand der Fig. 1 erläuterten Art der Rückkopplung der Verstärker 29, 30 unter Einbeziehung des hallseitigen Innenwiderstands des Hallgenerators 18 bleiben Temperaturänderungen ebenso wie Empfindlichkeitsschwankungen des Hallgenerators 18 im wesentlichen ohne Einfluß auf die Arbeitsweise der Antriebsanordnung. Durch den Temperaturgang der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 15 läßt sich eine

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etwaige restliche Temperaturabhängigkeit des Hallgenerators kompensieren.

Sollte der Motor blockieren, wird durch Aufladung des Kondensators 35 und/oder 36 die weitere Stromzufuhr zu der Wicklungsanordnung 5, 6 unterbrochen. Der Motor wird dadurch gegen Beschädigung wirkungsvoll geschützt.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Antriebsanordnung mit einem zweipoligen kollektorlosen Gleichstrommotor, der einen permanentmagnetischen Rotor (nicht veranschaulicht) und eine einsträngige Statorwicklung 41 aufweist, die über eine Gleichrichtervollbrücke mit Endstufentransistoren 42, 43, 44, 45 mit Strom in wechselnder Richtung beaufschlagt wird.

In der Statorwicklung 41 wird ein Wechselfeld erzeugt, das durch einen Hallgenerator 46 in Abhängigkeit von der Rotorstellung gesteuert wird. Der Hallgenerator 46 liegt in Reihe mit Widerständen 47, 48 on der Betriebsspannung (+UB, 0). Die Hallgeneratorausgänge 49, 50 sind mit den Basen von Transistoren 51, 52 eines Differenzverstärkers verbunden. Die Transistoren 51, 52 sind über Widerstände 53 bzw. 54 rückgekoppelt, die zusammen mit dem hallseitigen Innenwiderstand des Hallgenerators 46 das Rückkopplungsnetzwerk für die Transistoren 51, 52 bilden. Die Kollektoren der Transistoren

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51, 52 sind mit den Basen von Transistoren 56, 57 sowie dem Emitter des jeweils anderen dieser beiden Transistoren verbunden. Die Transistoren 56, 57 dienen der Pegelumsetzung und Schwellspannungsbildung, um für die notwendigen Lücken in der Bestromung der Statorwicklung 41 im Bereich kleiner Feldstärken, d.h. im Bereich der Kommutierungszeitpunkte, zu sorgen. Dies wird dadurch erreicht, daß bei kleinen Feldern die von den Transistoren 51, 52 abgegebene Spannung kleiner als die Basisemitterspannung der Transistoren 56, 57 bleibt.

Über die Transistoren 56, 57 werden Treibertransistoren 59, für die Endstufentransistorpaare 42, 43 bzw. 44, 45 angesteuert. Den Kollektor-Emitter-Strecken der Endstufentransistoren 42 bis 45 sind Dioden 61, 62, 63 bzw. 64 zum Schutz gegen Spannungsspitzen durch Umwandlung der in der Statorwicklung 41 gespeicherten magnetischen Energie in elektrische Energie beim Übergang der Endstufentransistoren in den gesperrten Zustand parallelgeschaltet.

Die Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:

Wird der Hallgenerator 46 vom Magnetfeld erregt, wird einer der beiden Transistoren 51, 52, z.B. der Transistor 51, leitend. Bei hinreichend großem Feld und dadurch bedingtem Überschreiten der Basis-Emitter-Schwellspannung des Transistors 56 wird auch dieser Transistor angesteuert. Der Transistor 56 zieht über die

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Kollektor-Emitter-Strecke des Treibertransistors 5? Strom. Der von dem Transistor 59 gebildete Treiberkreis wird durchgesteuert. Dadurch werden die Endstufentransistoren 42 und 43 leitend. Die Statorwicklung 41 wird in der durch den Pfeil 66 angedeuteten Richtung von Strom durchflossen.

Wird nun im Verlauf der Rotordrehung das auf den Hallgenerator 46 einwirkende Magnetfeld schwächer, wird kurz vor der bevorstehenden Kommutierung die am Transistor 51 anliegende Steuerspannung so klein, daß die Leitfähigkeit des Transistors 56 verringert wird. Wegen der Nichtlinearität, die .zwischen der Basis-Emitter-Spannung und dem Kollektorstrom eines Transistors besteht, wird der Transistor 5-6, relativ schnell vom voll leitenden Zustand in den voll gesperrten Zustand gesteuert. Dadurch wird der Treibertransistor 5? mit Sicherheit gesperrt, bevor das Magnetfeld gegen Null geht. Durch diese rasche Sperrung wird ferner der Wirkungsgrad der Anordnung verbessert.

Bei weiterer Rotordrehung kehrt das Feld, nachdem es zu Null geworden ist, seine Polarität um. Der Transistor 52 wird leitend. Die Spannung zwischen den Kollektoren der Transistoren 51, 52 wird allmählich größer. Wenn die Differenzspannung den der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 57 entsprechenden Schwellwert erreicht hat, wird der Transistor 57 schnell vom gesperrten in den leitenden Zustand gesteuert, über den Treibertransistor 60 wird das Endstufentransistorpaar 44, 45 lei-

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tend gemacht. Die Statorwicklung 41 wird in der dem Pfeil 66 entgegengesetzten Richtung von Strom durchflossen.

Auch bei dieser Schaltungsauslegung stellt die Einbeziehung des hallseitigen Innenwiderstandes des Hallgenerators 46 in das Rückkopplungsnetzwerk der von den Transistoren 51, 52 gebildeten Differenzverstärkerstufe eine wirkungsvolle Temperaturkompensation sicher. Der Hallgenerator A6 wird ausgangsseitig im wesentlichen im Kurzschluß betrieben.

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L e e r s e i t

Claims

PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWAN ELFENSTRASSE 32 · D-8000 MÜNCHEN 83 Ansprüche

1. ) Antriebsanordnung mit vorzugsweise einsträngigem, kollektorlosem Gleichstrommotor, dessen Wicklungsanordnung über Halbleiterschalter mit Strom versorgt ist, die in Abhängigkeit von einem ein magnetfeldabhängiges Fühlerelement bildenden Hallgenerator geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der hallseitige Innenwiderstand (Ru) des Hallgenerators (I, 18, 46) derart als Teil der Rückkopplung einer dem Hallgenerator nachgeschalteten Verstärkerstufe (2, 29, 30, 51, 52, 56, 57) ist, daß das Ausgangssignal der Verstärkerstufe im wesentlichen unabhängig von der Temperatur des Hallgenefators ist.

2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der rückgekoppelten Verstärkerstufe (2, 29, 30, 51, 52, 56, 57) über den Hallgeneratorinnenwiderstand (Ru) die Hallgeneratorempfindlichkeit kompensiert ist.

3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hallseitige Innenwiderstand (Ru.) des Hallgenerators (1, 18, 46) zusammen mit einem an den Verstärkerausgang angeschlossenen, im Vergleich zu diesem

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FERNSPRECHER: OS9/6012039 ■ KABEL: ELECTRICPATENT MÜNCHEN

Innenwiderstand großen, konstanten Rückkopplungswiderstand (R-, 31, 32, 53, 54) einen Spannungsteiler bildet, an dem die Summe aus Verstärkerausgangsspannung und Hallspannung anliegt, und daß der Teilerabgriff mit dem Eingang der Verstärkerstufe (2, 29, 30, 51, 52, 56, 57) verbunden ist.

4. Antriebsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steueranschluß (23, 24, 49, 50) des Hallgenerators (1, 18, 46) mit dem Eingang der nachgeschalteten Verstärkerstufe (2, 29, 30, 51, 51,56, 57) unmittelbar verbunden ist und dieser Eingang gleichzeitig den Knotenpunkt einer zum Ausgang dieser Verstärkerstufe führenden Rückkopplungsschleife bildet.

5. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe (2, 29, 30, 51, 52, 56, 57) und/oder ein zusätzlicher nachgeschalteter Verstärker derart nichtlinear ausgelegt sind, daß eine Verbreiterung des stromlosen Bereichs der Wicklungsanordnung (5, 6, 41) zum Zeitpunkt der Kommutierung erfolgt.

6. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe aus Operationsverstärkern (2, 29, 30) aufgebaut ist, mit deren negierendem Eingang der Steueranschluß (23, 24) des Hallgenera-

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tors (1, 18) unmittelbar verbunden ist.

7. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine der Verstärkerstufe (29, 30) nachgeschaltete Signalumsetzerstufe (37, 38) zur Ableitung eines dem Betrag des Magnetfelds im wesentlichen proportionalen Signals, eine Meßstufe (13) zur Bildung eines dem Wicklungsstrom im wesentlichen proportionalen Signals und eine mit diesen beiden Signalen beaufschlagte Regelstufe (15), mittels deren der Motorstrom im wesentlichen proportional dem Betrag des Magnetfelds haltbar ist.

8. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Verstärkerstufe (29, 30) über einen Kondensator (35, 36) ausgekoppelt ist, der bei blockiertem Motor unter Sperrung des über die Wicklungsanordnung (5, 6) fließenden Stroms aufladbar ist.

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