DE3835031A1 - Verfahren zum bremsen von buerstenlosen gleichstrommotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bremsen von bürstenlosen Gleichstrommotoren, die jeweils einen permanentmagnetischen Rotor und als Drehfeldwicklung in Sternschaltung angeordnete Statorwicklungen aufweisen, die mit einer Gleichstromquelle über eine Brückenschaltung verbindbar sind, in der jeder Statorwicklung ein stromzuführender und ein stromabführender Transistor zugeordnet ist, die durch eine Steuerung angesteuert werden und denen jeweils eine Freilaufdiode parallelgeschaltet ist, wobei zum Bremsen des Gleichstrommotors bei der Kommutierung aufeinanderfolgender Statorwicklungen der Stromfluß über die jeweils vorher stromführende erste Statorwicklung ausgeschaltet und über die jeweils folgende zweite Statorwicklung eingeschaltet wird.

Permanent erregte bürstenlose Gleichstrommotoren weisen einen permanentmagnetischen Rotor und einen Stator auf, der eine übliche Drehfeldwicklung erhält. Um mit dem Motor variable Drehzahlen fahren zu können, wird der Motor aus einem Leistungssteller versorgt. Der Leistungssteller weist einen Zwischenkreis, bestehend aus einem Netzgleichrichter und einem Kondensator sowie elektronische Schalter auf, üblicherweise Transistoren, die meist in einer Brückenschaltung geschaltet sind. Die Statorwicklungen werden durch die Brückenschaltung so gesteuert, daß im Stator ein sich drehendes Magnetfeld entsteht. Der magnetisierte Rotor dreht sich synchron zum Statorfeld.

Bei aufwendigeren Antrieben werden die Ströme in den Statorwicklungen sinusförmig angesteuert. Diese Art der Ansteuerung führt zu einem Drehfeld, das sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit dreht. Bei einfacheren Antrieben, z. B. Antriebsmotoren für Industrienähmaschinen, werden die Statorwicklungen nacheinander aus- und eingeschaltet. Dadurch springt das Statorfeld von einer Lage zur nächsten. Bei einem Rotor mit einem Magnetpolpaar ergeben sich dann für das Statorfeld 6 Stellungen, bei zwei Magnetpolpaaren 12 usw.

Die Kommutierung, d. h. die Umschaltung der Statorwicklungen zur Drehung des Statorfeldes zur nächsten Lage, erfolgt in Abhängigkeit von der Rotorlage. Die Rotorlage wird über einen Rotorlagengeber erfaßt; dessen Signale werden dann einer Steuerung zugeführt, die dann die Umschaltung der Statorwicklungen vornimmt. Dadurch wird sichergestellt, daß die magnetischen Kräfte zwischen dem Rotorfeld und Statorfeld aufrechterhalten bleiben, und somit der Motor ein möglichst konstantes Drehmoment erzeugt.

Die Geschwindigkeit des Rotors wird über den Motorstrom kontrolliert. Die Transistoren einer ersten Gruppe der Brückenschaltung dienen nur der Kommutierung der Statorwicklungen, während die Transistoren einer zweiten Gruppe zusätzlich noch mit einem Pulweitenmodulations- Signal getaktet werden. Durch das Puls-Pausen-Verhältnis wird dann die Höhe der Ströme in den Statorwicklungen eingestellt.

Im Motorbetrieb verläuft die Entregung der jeweils abgeschalteten Statorwicklung relativ schnell, da der Strom gegen die elektromagnetische Kraft (EMK) und den Spannungsabfall am ohm'schen Widerstand der Statorwicklung erfolgt. Der Stromanstieg in der neu eingeschalteten Statorwicklung ist relativ langsam, da sich der Strom wiederum gegen die EMK und den Spannungsabfall am Widerstand aufbaut. Aus diesem Grunde kommt es bei der Kommutierung in der stromführenden Statorwicklung bei höheren Drehzahlen zu Stromeinbrüchen, da sich die EMK bei diesen Drehzahlen stärker bemerkbar macht.

Beim Bremsen (Generatorbetrieb) kehrt sich das Vorzeichen der EMK um. Deshalb haben die Ströme sowohl bei der Taktung als auch beim Kommutieren einen anderen Verlauf als beim Motorbetrieb. Wenn die beiden Transistoren in einem zwei Statorwicklungen enthaltenden Strompfad leitend sind, addiert sich die EMK zur Zwischenkreisspannung. Deshalb zeigt der Motorstrom Spitzen bei der Kommutierung im Bremsbetrieb, die aber von der Steuerung nicht erfaßt werden können.

Bekanntlich entmagnetisieren Permanentmagnete, wenn die magnetische Erregung einen werkstoffspezifischen Wert übersteigt. Da die magnetische Erregung dem Motorstrom proportional ist, darf der Strom einen bestimmten Wert nicht übersteigen.

Um den Motor nicht zu gefährden, muß die Stromspitze, die beim Bremsbetrieb während der Kommutierung entsteht, unter einer von der Motorauslegung bestimmten Grenze bleiben. Wegen der vorhandenen Stromspitze muß der mittlere Bremsstrom weit unter dem zulässigen Motorstrom gehalten werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das im Bremsbetrieb die Stromspitzen während der Kommutierung vermeidet, so daß der Bremsstrom gleich dem maximal zulässigen Strom gewählt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bremsbetrieb während des Kommutierungsvorgangs nur der stromzuführende Transistor der jeweils folgenden zweiten Statorwicklung eingeschaltet wird und alle übrigen Transistoren der Brückenschaltung bis zur Beendigung des Kommutierungsvorgangs abgeschaltet bleiben.

Die Kommutierung geschieht somit in der Weise, daß die beiden stromführenden Transistoren ausgeschaltet werden. Der Kommutierungsstrom entregt dann über die Freilaufdioden gegen die Zwischenkreisspannung. Zum gleichen Zeitpunkt, zu dem die stromführenden Transistoren abgeschaltet wurden, wird derjenige Transistor eingeschaltet, der als nächster den Strom übernehmen soll. Jetzt bildet sich über diesen Transistor und eine Freilaufdiode, bedingt durch die EMK, ein Freilaufstrom. Diese beiden Ströme überlagern sich in der gemeinsamen Statorwicklung. Da der Abfall des abgeschalteten Stroms schnell und der Anstieg des zugeschalteten Stroms langsam verlaufen, kommt es nicht zu einer Stromerhöhung im Motor. Dieser Schaltzustand wird solange aufrechterhalten, bis die abzuschaltende Spule genügend entregt ist. Danach wird der zweite Transistor eingeschaltet. Der Kommutierungsvorgang ist damit beendet, ohne daß es zu einer Stromspitze gekommen ist. Der zulässige Bremsstrom kann somit so hoch gewählt werden wie der höchstzulässige Motorstrom, ohne daß die Gefahr einer Schädigung des Motors durch Entmagnetisierung des Rotors besteht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines bürstenlosen Gleichstrommotors,

Fig. 2 den Motorstrom, die Impulse der Pulsweitenmodulation und die Schaltzustände der wichtigsten Transistoren und Dioden der Schaltung nach Fig. 1, jeweils über der Zeit aufgetragen, bei herkömmlicher Kommutation beim Bremsvorgang und

Fig. 3 den Motorstrom, die Impulse der Pulsweitenmodulation und die Schaltzustände der wichtigsten Transistoren und Dioden der Schaltung nach Fig. 1, jeweils über der Zeit aufgetragen, bei einer Kommutation nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Der bürstenlose Gleichstrommotor, dessen Schaltbild in Fig. 1 dargestellt ist, weist einen permanentmagnetischen Rotor 1 auf, der sich in einem Stator mit drei in Sternschaltung geschalteten Statorwicklungen R, S und T dreht. Die Statorwicklungen R, S und T bilden eine Drehfeldwicklung und werden so kommutiert, daß im Stator ein sich drehendes Magnetfeld entsteht, in dem sich der Rotor 1 dreht.

Die Stromversorgung des Gleichstrommotors erfolgt über einen Leistungssteller, der aus einem Zwischenkreis 2 und einer Brückenschaltung 3 besteht, die von einer Steuerung 4 gesteuert wird.

Der Zwischenkreis 2 besteht aus einem Netzgleichrichter 5, der aus der von einem Netz gelieferten Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, und einem Kondensator 6, der diese Gleichspannung glättet.

In der Brückenschaltung 3 sind jeder Statorwicklung R, S und T jeweils ein stromzuführender Transistor T 1, T 3 bzw. T 5 und jeweils ein stromzuführender Transistor T 2, T 4 bzw. T 6 zugeordnet. Jeweils zwischen dem stromzuführenden Transistor und dem stromabführenden Transistor liegt und der Abgriff der Statorwicklung R, S bzw. T. Jedem der Transistoren T 1-T 6 ist eine Freilaufdiode D 1-D 6 parallelgeschaltet.

An einem an den Zwischenkreis 2 angeschlossenen Meßwiderstand 7 wird eine Meßspannung abgegriffen, die an die Steuerung 4 eine Information über den jeweils im Zwischenkreis 2 fließenden Motorstrom liefert.

Ein mit dem Rotor 1 verbundener Rotorlagegeber 8 liefert an die Steuerung 4 der Rotorwinkellage entsprechende Signale; abhängig von diesen erfolgt die Kommutierung der Statorwicklungen R, S und T.

Durch diese Kommutierung in Abhängigkeit von der Rotorwinkellage wird bewirkt, daß die magnetischen Kräfte zwischen dem magnetischen Feld des Rotors 1 und dem Drehfeld des Stators aufrechterhalten bleiben, wobei die Kommutierung so durchgeführt wird, daß der Motor ein möglichst konstantes Drehmoment erzeugt.

Die Geschwindigkeit des Rotors 1 wird über den Motorstrom gesteuert. Die oberen Transistoren T 1, T 3 und T 5 der Brückenschaltung 3 dienen nur der Kommutierung der Statorwicklungen R, S und T, während die unteren Transistoren T 2, T 4 und T 6 zusätzlich noch mit einem Pulsweitenmodulations-Signal getaktet werden, dessen Verlauf in den Fig. 2 und 3 als PWM dargestellt ist. Durch das Puls-Pausen-Verhältnis dieses Signals wird die Höhe der Ströme in den Statorwicklungen eingestellt.

Beispielsweise wird angenommen, daß der Strom durch die Statorwicklungen R und S fließen soll. Hierfür wird der Transistor T 1 durchgeschaltet, während der Transistor T 4 entsprechend der Pulsweitenmodulation getaktet wird. Wenn der Transistor T 4 leitend ist, fließt der Motorstrom I über die Transistoren T 1 und T 4. Solange der Transistor T 4 leitend bleibt, steigt der Motorstrom I an. Wenn der Transistor T 4 abgeschaltet wird, fließt der Motorstrom I weiter, bedingt durch die Induktivitäten der Statorwicklungen R und S. Der Strompfad läuft hierbei über T 1-R-S-D 3. Der Motorstrom I fließt also über die Freilaufdiode D 3 und entregt dabei. In dieser Zeit wird aus dem Zwischenkreis 2 keine Leistung entnommen.

Bei der Kommutierung von der Statorwicklung R zur folgenden Statorwicklung T kann so vorgegangen werden, daß der Transistor T 1 weiterhin leitend bleibt, der Transistor T 4 abgeschaltet und der Transistor T 6 eingeschaltet wird. Die zweite Möglichkeit, die nachfolgend beispielsweise näher beschrieben wird, besteht darin, daß der stromabführende Transistor T 4 der Statorwicklung S weiterhin leitend bleibt, der stromzuführende Transistor T 1 der Statorwicklung R abgeschaltet und der stromzuführende Transistor T 5 der folgenden Statorwicklung T eingeschaltet wird.

Nach der Kommutierung wird der Strom durch die Statorwicklung R und über den Strompfad D 2-R-S-T 4 entregt, während der Strom durch die Statorwicklung T ansteigt. In der Statorwicklung S erfolgt die Überlagerung beider Ströme.

Im Motorbetrieb verläuft die Entregung der abgeschalteten Statorwicklung R verhältnismäßig schnell, da der Strom gegen die EMK und den Spannungsabfall am ohm'schen Widerstand der Statorwicklung R erfolgt. Der Stromanstieg in der neu eingeschalteten Statorwicklung T ist verhältnismäßig langsam, da sich der Strom wiederum gegen die EMK und den Spannungsabfall am Widerstand aufbaut. Aus diesem Grund kommt es bei der Kommutierung in der stromführenden Statorwicklung S bei höheren Drehzahlen zu Stromeinbrüchen, da sich die EMK bei diesen höheren Drehzahlen stärker bemerkbar macht.

Beim Bremsvorgang, d. h. beim Generatorbetrieb, kehrt sich das Vorzeichen der EMK um. Deshalb haben die Ströme sowohl bei der Taktung als auch bei der Kommutierung einen anderen Verlauf als beim Motorbetrieb.

Wenn die beiden Transistoren T 1 und T 4 leitend sind, addiert sich im Bremsbetrieb die EMK zur Zwischenkreisspannung, deshalb steigt der Motorstrom I steil an, wie in Fig. 2 oben dargestellt ist. Unter dem Pulsweitenmodulations-Signal PWM in Fig. 2 sind im zeitlichen Verlauf die Schaltzustände der Transistoren T 1, T 4 und T 5 sowie die Durchflußzustände der Freilaufdioden D 2, D 3 und D 6 aufgetragen. Der Kommutierungsvorgang beginnt zu dem mit K bezeichneten Zeitpunkt. Während der Taktpause fließt der Strom über eine der Freilaufdioden weiter. Bei höheren Drehzahlen verursacht die EMK einen weiteren Anstieg des Motorstroms I. Da diese Freilaufströme nicht über den Meßwiderstand 7 fließen, werden sie von der überwachenden Elektronik in der Steuerung 4 nicht erfaßt. Zu hohe Motorströme führen zu einer Entmagnetisierung des Rotors 1 und damit zu einer bleibenden Schädigung des Motors. Aus diesem Grund ist es erforderlich, den höchstmöglichen Bremsstrom zu kontrollieren. Deshalb werden beim Bremsvorgang nach dem in Fig. 2 dargestellten herkömmlichen Verfahren die oberen Transistoren T 1, T 3 bzw. T 5 und die unteren Transistoren T 2, T 4 bzw. T 6 jeweils gemeinsam getaktet.

Bei t 1 und t 2 in Fig. 2 erfolgt die Abschaltung, weil das Erreichen eines höchstzulässigen Strom Imax erkannt wird. Bei t 3 erfolgt das Einschalten der Transistoren T 4 und T 5. Im Zeitpunkt t 4 ist der Strom IR entregt.

Wenn bei dem beschriebenen Beispiel der Transistor T 1 zusammen mit dem Transistor T 4 abgeschaltet wird, fließt der Strom während der Taktphase über den Strompfad D 2-R-S- D 3 zum Zwischenkreis 2 zurück. Über diesen Strompfad erfolgt die Entregung in der Taktpause.

Bei dem bekannten Verfahren (Fig. 2) erfolgt die Kommutierung beim Bremsvorgang in der Weise, daß die jeweils vorher stromführende erste Statorwicklung R ausgeschaltet wird, indem der Transistor T 1 ausgeschaltet wird, und daß die jeweils folgende zweite Statorwicklung T eingeschaltet wird, indem der Transistor T 5 eingeschaltet wird. Wenn der Transistor T 4 getaktet wird, fließt der Strom der abzuschaltenden Statorwicklung R über den Strompfad D 2-R-S-T 4 im Freilauf und kann je nach dem Wert der EMK sogar ansteigen. In der Statorwicklung T steigt der Strom sehr steil an, da die EMK die Zwischenkreisspannung unterstützt. Diese beiden Ströme führen in der dritten Statorwicklung S zu einer Überlagerung, wobei aber nur ein Teil dieses Stroms im Zwischenkreis und über den Meßwiderstand 7 von der Steuerung 4 erfaßt wird. Um zu verhindern, daß diese auftretenden unkontrollierten Stromspitzen Ix zu einer Entmagnetisierung des Rotors 1 führen, wenn nämlich die dem Motorstrom proportionale magnetische Erregung einen werkstoffsspezifischen Wert des Rotors 1 übersteigt, muß der am Meßwiderstand 7 erfaßbare mittlere zulässige Bremsstrom Imax so niedrig gewählt werden, daß die im Motor auftretenden Stromspitzen und der von der Motorauslegung bestimmten Grenze bleiben.

Zu diesem Zweck erfolgt die in Fig. 3 entsprechend der Fig. 2 dargestellte Kommutierung in der Weise, daß die beiden stromführenden Transistoren T 1 und T 4 ausgeschaltet werden. Der Kommutierungsstrom entregt dann über die Freilaufdioden D 2 und D 3 gegen die Zwischenkreisspannung über den Strompfad D 2-R-S-D 3. Jeweils zu den in Fig. 3 mit x bezeichneten Zeitpunkten werden die Transistoren T 1 und T 4 durch die Steuerung 4 ausgeschaltet, weil der Strom am Meßwiderstand 7 den zulässigen Höchstwert Imax erreicht hat.

Im Kommutierungszeitpunkt K wird der Transistor T 5 eingeschaltet, der als nächster den Strom zur Versorgung der Statorwicklung T übernehmen soll. Jetzt bildet sich über diesen Transistor T 5 und die Freilaufdiode D 3 bedingt durch die EMK ein Freilaufstrom aus, der dem Strompfad T 5- T-S-D 3 folgt. Die beiden Teilströme iR und iS überlagern sich in der gemeinsam durchflossenen Statorwicklung S. Da der Abfall des abgeschalteten Stroms iR in der Statorwicklung R schnell und der Anstieg des zugeschalteten Stroms iS in der Statorwicklung S langsam verlaufen, kommt es nicht zu einer Stromspitze in der Statorwicklung S, wie man aus dem Diagramm oben in Fig. 3 erkennt. Dieser Schaltzustand wird solange aufrechterhalten, bis die abzuschaltende Statorwicklung R genügend entregt ist. Der zweite Transistor T 4 wird eingeschaltet und der Kommutierungsvorgang, der sich über die in Fig. 3 eingezeichnete Zeitspanne Tk erstreckt, ist beendet. Der Zeitpunkt K des Beginns der Kommutierung wird durch die vom Rotorlagegeber 8 erfaßte Rotorwinkellage vorgegeben. Auch das Ende des Kommutierungszeitraums Tk kann durch ein der Rotorwinkellage entsprechendes Signal (einfache Zeitmessung) bestimmt sein. Da sich die EMK mit der Drehzahl ändert, wird während eines Bremsvorgangs Tk drehzahlabhängig eingestellt.

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde als Beispiel nur die Kommutierung zwischen der ersten Statorwicklung R und der zweiten Statorwicklung T beschrieben. Es versteht sich, daß in entsprechender Weise auch die Kommutierung zwischen den Statorwicklungen T und S bzw. S und R erfolgt. Der deutlicheren Darstellung halber sind deshalb in den folgenden Patentansprüchen nur die Bezugszeichen angegeben, die sich auf den beschriebenen Kommutierungsvorgang zwischen den Statorwicklungen R und T beziehen.

Claims (4)

1. Verfahren zum Bremsen von bürstenlosen Gleichstrommotoren, die jeweils einen permanentmagnetischen Rotor und als Drehfeldwicklung in Sternschaltung angeordnete Statorwicklungen aufweisen, die mit einer Gleichstromquelle über eine Brückenschaltung verbindbar sind, in der jeder Statorwicklung ein stromzuführender und ein stromabführender Transistor zugeordnet ist, die durch eine Steuerung angesteuert werden und denen jeweils eine Freilaufdiode parallelgeschaltet ist, wobei zum Bremsen des Gleichstrommotors bei der Kommutierung aufeinanderfolgender Statorwicklungen der Stromfluß über die jeweils vorher stromführenden ersten Statorwicklung ausgeschaltet und über die jeweils folgende zweite Statorwicklung eingeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Bremsbetrieb während des Kommutierungsvorgangs nur der stromzuführende Transistor (T 5) der jeweils folgenden zweiten Statorwicklung (T) eingeschaltet wird und alle übrigen Transistoren (T 1-T 4, T 6) der Brückenschaltung (3) bis zur Beendigung des Kommutierungsvorgangs abgeschaltet bleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden stromführenden Transistoren (T 1, T 4) vor Beginn des Kommutierungsvorgangs beim Überschreiten einer vorgegebenen Stromstärke Imax an der Verbindung zur Gleichstromquelle (2) abgeschaltet werden und daß der stromzuführende Transistor (T 5) der zweiten, folgenden Statorwicklung (T) bei einer von einem Rotorlagegeber (8) als Kommutierungsbeginn (K) vorgegebenen Rotorwinkellage eingeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stromabführende Transistor (T 4) der jeweils dritten Statorwicklung (S) eingeschaltet wird, sobald der Entregungsstrom in der jeweils vorher stromführenden Statorwicklung (R) eine vorgegebene Stromstärke unterschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne (Tk) der Kommutierung drehzahlabhängig eingestellt wird.