AT527291B1 - Treiberstufe zum Antrieb von Gleichstrommaschinen - Google Patents

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AT527291B1 ATA115/2023A AT1152023A AT527291B1 AT 527291 B1 AT527291 B1 AT 527291B1 AT 1152023 A AT1152023 A AT 1152023A AT 527291 B1 AT527291 B1 AT 527291B1
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Abstract

Motortreiber für den Betrieb von Gleichstrommaschinen, bestehend aus vier strombidirektionalen Schaltern (S1, S2, S3, S4 jeweils ein aktiver elektronischer Schalter mit einer antiparallelen Diode), einem Kondensator C1 und einer Spule L1. Die Spannung an der Maschine kann für eine Drehrichtung im Mittel auf höhere Werte als die Eingangsbetriebsspannung gebracht werden. Zwischen dem Tastverhältnis zur Ansteuerung von S1 und der Drehzahl herrscht ein linearer Zusammenhang, wenn der Schalter S2 mit einem konstanten größeren Tastverhältnis angesteuert wird. Regelungstechnisch ist interessant, dass dann der Konverter ein Phasenminimumsystem ist. Eine Erweiterung der Schaltung zur Vermeidung des Einschaltstromstoß und als elektronische Sicherung wird ebenfalls dargestellt. Für den Treibbetrieb dienen die Schalter S1 und S2, zum Bremsen dienen S4 und S3, die Dioden der jeweils anderen Schalter können zur Verringerung der Verluste, wenn diese Dioden eingeschaltet sind, diese überbrücken. Will man die andere Drehrichtung erzielen, so sind die Schalter S4 und S3 anzusteuern und die Dioden der anderen Schalter können wieder, wenn diese leiten, durch die zugehörigen aktiven Schalter überbrückt werden. Für diese Drehrichtung steht aber nur eine Spannung kleiner als die Betriebsspannung zur Verfügung.

Description

Beschreibung
TREIBERSTUFE ZUM ANTRIEB VON GLEICHSTROMMASCHINEN
[0001] Die Erfindung betrifft, Motortreiber bestehend aus einem ersten Anschlusspaar (1, 2), bestehend aus einem positiven (1) und einem negativen Eingangsanschluss (2), einem zweiten Anschlusspaar (3, 4), bestehend aus einem positiven (3) und einem negativen Ausgangsanschluss (4), einem ersten (S1), einem zweiten (S2), einem dritten (S3) und einem vierten strombidirektionalen Schalter (S4) mit zugehörigen Ansteuerschaltungen, einer Spule (L1) und einem Kondensator (C1).
[0002] In AT 507203 B (HIMMELSTOSS FELIX) werden diverse Ein- und Zweiquadrantenstellglieder dargestellt. AT 412376 B (HIMMELSTOSS FELIX) behandelt Schaltungen zur Pulsung von Gleichspannungen. Diese Stellglieder sind ebenfalls als Motorstellglieder geeignet. Die Ausgangsspannung kann beide Richtungen annehmen. JP 20011268900 A (HATTORI MASAYUKI et al) zeigt Motortreiberstufen, die auf dem nichtinvertierenden Buck-Boost Konverter, bzw. auf der Kaskadierung eines Hochsetzers und eines Tiefsetzers aufgebaut sind. Alle in diesen Dokumenten angeführten Motortreiberstufen unterscheiden sich topologisch von der gegenständlichen Erfindung.
[0003] In dieser Anmeldung wird ein neuer Motortreiber für den Betrieb von Gleichstrommaschinen vorgestellt. Die Schaltung ermöglicht einen linearen Zusammenhang zwischen der Drehzahl und dem Tastverhältnis. Die Spannung an der Maschine kann für eine Drehrichtung im Mittel auf höhere Werte als die Eingangsbetriebsspannung gebracht werden. Regelungstechnisch bildet der Antrieb im Kleinsignalverhalten ein Phasenminimumsystem. Für die andere Drehrichtung arbeitet der Treiber nur als Tiefsetzsteller. Eine Erweiterung der Schaltung zur Vermeidung des Einschaltstromstoß und als elektronische Sicherung wird ebenfalls dargestellt. Der Konverter besteht aus vier strombidirektionalen Schaltern (jeweils ein aktiver elektronischer Schalter mit einer antiparallelen Diode), einem Kondensator und einer Spule. Die Erfindung wird an Hand von Figuren dargestellt.
[0004] Fig. 1 zeigt die Schaltung der Treiberstufe beispielhaft mit MOSFETs gezeichnet. [0005] Fig. 2 zeigt das Spannungsübersetzungsverhältnis.
[0006] Fig. 3 zeigt die Erweiterung zur Vermeidung des Einschaltstromstoßes und zur Abschaltung im Fehlerfall (z.B. bei Kurzschluss, Bürstenfeuer).
[0007] Fig. 4 zeigt die Funktion dieses Zusatzes an Hand einiger Signalverläufe.
[0008] Fig. 5 zeigt noch die Schaltung der Treiberstufe, wenn eine negative Eingangsspannung verwendet wird.
[0009] Die Schaltung des Treibers ist in Fig. 1 dargestellt. An die Ausgangsklemmen (3, 4) ist die Gleichstrommaschine angeschlossen. Diese kann durch eine Induktivität Lu, einen Verlustwiderstand Rm und eine Spannungsquelle Uo, deren Wert proportional zur Drehzahl ist, dargestellt werden. Die Funktion des Treibers wird im eingeschwungenen Zustand und idealen Bauteilen (keine parasitären Widerstände, ideales Schalten der Halbleiter) betrachtet. Zur Erklärung wird nun der Treibbetrieb, also der Energiefluss von der Eingangsspannung U1 zur Maschine verwendet, dabei soll die Ausgangsspannung invertiert zur Eingangsspannung (entsprechend den Zählpfeilen) sein. Da als aktive Schalter MOSFETs gezeichnet sind, ist es nicht notwendig, diskrete Dioden antiparallel zu schalten, da diese von den Bodydioden gebildet werden. Werden z.B. IGBTs verwendet, so müsste man die Dioden zeichnen. Es sei auch angemerkt, dass, wenn, die Qualität der Bodydioden zu schlecht ist, diskrete Dioden antiparallel geschaltet werden können. Wenn nun im folgenden Dioden auftreten, so haben sie die gleiche Bezifferung wie der zugehö6rige Schalter. Im kontinuierlichen Betrieb folgen in einer Taktperiode drei Schaltzustände hintereinander ab. Im ersten Schaltzustand M1 sind beide aktiven Schalter S1 und S2 eingeschaltet. Dadurch liegt die Eingangsspannung U1 an der Spule L1 und der Strom durch sie steigt. Wird nun der erste aktive Schalter S1 ausgeschaltet, so schaltet die dritte Diode D3 ein und der Strom
der Spule L1 kommutiert in die dritte Diode D3. Die Spannung an der ersten Spule L1 ist daher praktisch null und der Strom durch sie bleibt konstant. Dies ist der zweite Schaltzustand M2. Der dritte Schaltzustand M3 beginnt, wenn auch der zweite aktive Schalter S2 ausgeschaltet wird. Der Strom durch die erste Spule kommutiert nun in den Kreis, bestehend aus erstem Kondensator C1 und der vierten Diode D4. An der Spule liegt nun die negative Spannung des ersten Kondensators C1 und der Strom in der Spule L1 sinkt. Die Spannung an C1 ist gleich der Summe aus Eingangsspannung plus dem Mittelwert der Spannung am Ausgang zwischen den Klemmen 3 und 4. Dieser entspricht bei einer idealen Maschine der Quellspannung Ug. Bei einer Berücksichtigung des Verlustwiderstands ist diese um den Spannungsabfall am Maschinenwiderstand RM, verursacht durch den Maschinenstrom, größer. Der Maschinenstrom ist proportional dem Lastmoment.
[0010] Das Spannungszeitgleichgewicht an der Spule L1 ergibt sich mit den Tastverhältnissen (Einschaltzeit des Schalters bezogen auf die Periodendauer) d+ für den elektronischen Schalter S1 und d2 für den elektronischen Schalter S2 zu
U, d;T = |-Ue 11 — d)T.
[0011] Setzt man nun für die Spannung am Kondensator Uc1 = U, +0,
ein, so ergibt sich das Spannungsübersetzungsverhältnis
M = * _ dıt+d2-1 Ur 1-d,
[0012] Die Summe der beiden Tastverhältnisse muss größer oder gleich eins sein. Die Drehzahl n hängt mit der Quellspannung der Maschine über die Maschinenkonstante C: zusammen gemäß
ug = Cpn.
[0013] Die Drehzahl no im stationären Zustand der idealen Maschine ergibt sich somit zu
1 d,+d,-1 CE 1-d,
No = U+.
[0014] Fig. 2 stellt den Verlauf des Spannungsübersetzungsverhältnisses M in Abhängigkeit des Tastverhältnisses des ersten Schalters S1 als unabhängige Variable und dem Tastverhältnis des zweiten Schalters S2 als Parameter dar. Es ergibt sich ein linearer Zusammenhang. Man beachte, dass die Kurven nur für positive Werte von M gültig sind. Die gekrümmte Linie stellt das Spannungsübersetzungsverhältnis dar, wenn von S4 nur die Diode verwendet wird. S3 entfernt wird und S2 durch einen Kurzschluss ersetzt wird. Man sieht aber auch, dass, wenn S4 und S3 primär angesteuert werden, die Ausgangsspannung die Richtung ändert, also die Drehrichtung der Maschine umgedreht werden kann. Für diese Drehrichtung arbeitet der Treiber jedoch nur als Tiefsetzsteller, d.h. die Spannung an der Maschine kann im Mittel nur kleiner sein als die Betriebsspannung U1.
[0015] Um die Durchlassverluste zu reduzieren wird man die antiparallelen aktiven Schalter zur UÜberbrückung einschalten. Die aktiven Schalter S3 und S4 sind erst im Bremsbetrieb notwendig. Im Treibbetrieb sind als aktive Schalter nur S1 und S2 notwendig.
[0016] Im Bremsbetrieb ist die Maschineninduktivität der Zwischenspeicher der Energie. Schaltet man S3 ein, so liegt an der Maschineninduktivität wie auch im Zustand M3 des Treibbetriebs die negative Summe von Eingangsspannung und Quellspannung der Maschine, der Maschinenstrom sinkt. Auch an der Spule des Konverters L1 liegt die negative Spannung des Kondensators C1, der sich stationär ebenfalls aus der Summe von Eingangsspannung und Quellspannung bildet. Der Wert von L1 ist sicher kleiner als der Wert der Maschineninduktivität LM, daher wird dieser Strom rascher umdrehen. Wenn der Maschinenstrom die Richtung ändert, beginnt der eigentliche Bremsbetrieb. Schaltet man S4 aus, so schalten die Dioden von S1 und S2 ein. An der Maschineninduktivität liegt nun die negative Quellspannung und die positive Spannung an C1. Es liegt nun ein Wert der der positiven Eingangsspannung entspricht, an der Maschineninduktivität, und
der Strom steigt wieder an. Der Strom durch L1 fließt nun zurück zur Quelle U1 und steigt wieder an. Schaltet man nun S4 wieder ein, so sinkt wieder der Strom in den Spulen. Wenn der Strom durch L1 wieder einen vorgegebenen negativen Wert erreicht, wird S4 wieder abgeschaltet und die beiden Dioden von S1 und S2 schalten wieder ein. Aus diesen Überlegungen erkennt man, dass der Strom in L1 überwacht werden sollte in dem man einen unterlagerten Zweipunktregler für den Strom vorsieht. Man kann auch beim Rückspeisebetrieb den Schalter S3 einschalten und so eine Phase mit Spannung null an der Spule L1 erzwingen. Es treten dann die folgenden Schaltzustände beim Rückspeisen auf: Schaltzustand M1R S4 leitet, wird S4 ausgeschaltet, so schalten beide Dioden von S1 und S2 ein (M2R), schaltet man nun S3 ebenfalls ein, so kann der Strom durch L1 über S3 und die Diode D2 fließen und bleibt, da nun keine Spannung an der Spule L1 anliegt, konstant. Der Maschinenstrom kann durch die Dioden von S1 und S?2 freilaufen.
[0017] Zur Reduktion der Durchlassverluste können, wenn die zugehörigen Dioden leiten, auch die aktiven Schalter eingeschaltet werden.
[0018] Wenn bei der Inbetriebsetzung der Einschaltstromstoß zu vermeiden ist, kann man den Konverter noch durch eine Vorstufe erweitern. Dies ist Fig. 3 dargestellt. Zwischen der Eingangsspannung U1 und den Anschlüssen des Konverters (1,2) werden ein weiterer strombidirektionaler Schalter S5 und eine Diode D6 geschaltet. Der Schalter S5 dient zum langsamen Aufladen von C1, das Tastverhältnis für den Schalter S5 wird dabei langsam von null auf eins erhöht und bleibt anschließend auf Dauer eingeschaltet. Die Eingangsspannung liegt nun an den Anschlüssen A und B. Um den Einfluss der Zuleitungsinduktivität (Uberspannungen) beim Ausschalten von S5 zu vermeiden, ist der Kondensator CIN zwischen den Anschlüssen A und B vorgesehen. Ohne die Vorstufe ist ein solcher Kondensator zwischen den Anschlüssen 1 und 2 sinnvoll. Diode D6 greift nur beim Hochfahrvorgang ein und beim Ausschalten des Schalters S5 im Fehlerfall. Es ist daher nicht sinnvoll, D6 durch einen strombidirektionalen Schalter zu ersetzen.
[0019] Ein interessanter Aspekt des Treibers ist auch, dass, wenn man ihn mit konstantem Tastverhältnis für S2 ansteuert und die Steuerung des Konverters über das Tastverhältnis von S1 durchführt, der Treiber sich als ein Phasenminimumsystem verhält.
[0020] Verwendet man zur Basisansteuerung die strombidirektionalen Schalter S3 und S4 und schaltet die anderen nur dann ein, wenn die parallel liegende Diode leitet, so dreht sich die Spannung am Ausgang um und damit auch die Drehrichtung. Die Spannung des Eingangs kann damit aber nur tiefgesetzt werden.
[0021] Es soll auch festgestellt werden, dass bei einer negativen Betriebsspannung die Funktion die gleiche bleibt, wenn man die strombidirektionalen Schalter anders polt. Die Schaltung ist in Fig. 5 dargestellt.
[0022] Die Funktion des Einschaltstromstoß-Begrenzers ist in Fig. 4 dargestellt. Die Signale werden von oben nach unten besprochen. Das Tastverhältnis für den fünften strombidirektionalen Schalter wird, von 0 beginnend, linear erhöht. Im nächsten Signal verlauf sieht man das Ausgangssignal des Pulsweitenmodulators für das Ansteuersignal von S5. Die beiden folgenden Signale stellen die Ströme in der Maschine und in der Konverterspule L1 dar. Das letzte Signal zeigt das Ansteigen der Spannung am Kondensator C1 auf die Eingangsspannung. Man sieht, es passiert kein Überschießen der Spannung oder der Ströme.
[0023] Die Aufgabe eine Treiberstufe für eine Gleichstrommaschine zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an den positiven Eingangsanschluss (1) der positive Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S4), der erste Anschluss der Spule (L1) und der positive Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S3) geschaltet sind, an den negativen Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S4) der negative Anschluss des Kondensators (C1) und der negative Ausgangsanschluss (4) geschaltet sind, an den zweiten Anschluss der Spule (L1) der positive Anschluss des Kondensators (C1) und der positive Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S2) geschaltet sind, an den negativen Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S2) der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S1) und der negative Anschluss des dritten strombidirektionalen
Schalters (S3) geschaltet sind und der negative Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S1) mit dem negativen Eingangsanschluss (2) und mit dem positiven Ausgangsanschluss (3) verschaltet ist.
[0024] Um den Einschaltstromstoß zu vermeiden kann die Schaltung so erweitert werden, dass an den positiven Eingangsanschluss (1) die Kathode einer sechsten Diode (D6) und der negative Anschluss des fünften strombidirektionalen Schalters (S5) geschaltet sind, an den positiven Anschluss des fünften strombidirektionalen Schalters (S5) die positive Klemme (A) und der positive Anschluss des Eingangskondensators (CIN) geschaltet sind und an den negativen Eingangsanschluss (2) die Anode der sechsten Diode (D6), der negative Anschluss des Eingangskondensator (CIN) und die negative Klemme (B) geschaltet sind und die Eingangsspannung (U1) zwischen der positiven Klemme (A) und der negativen Klemme (B) geschaltet ist.
[0025] Es ist auch möglich einen Treiber mit gleicher Funktion für eine negative Eingangsspannung (U1) zu erhalten, wenn alle Halbleiterbauelemente umgepolt sind und falls gepolte Kondensatoren (C1, CIN) verwendet werden, auch diese umgepolt sind.
[0026] Zur Verringerung der parasitären Induktivitäten ist es sinnvoll, dass die strombidirektionalen Schalter gemeinsam in einem Modul verschaltet sind.
[0027] Besonders für kleine Antriebe in großer Stückzahl ist es sinnvoll, dass die strombidirektionalen Schalter und die zugehörigen Treiberstufen in einem integrierten Schaltkreis verschaltet sind, oder dass die strombidirektionalen Schalter, die zugehörigen Treiberstufen und weitere Steuerelektronik in einem integrierten Schaltkreis verschaltet sind.
[0028] Als besondere Anwendung des Motortreibers gilt, dass zwischen der positiven (3) und der negativen Ausgangsklemme (4) eine Gleichstrommaschine oder ein ohmsch-induktiver Aktuator geschaltet ist.
[0029] Ist nur ein Einquadrantenbetrieb nötig, so kann man die Schaltung so vereinfachen, dass vom dritten (S$S3) und vierten strombidirektionalen Schalter (S4) nur die Diode verwendet wird.

Claims (8)

Patentansprüche
1. Motortreiber bestehend aus einem ersten Anschlusspaar (1,2), bestehend aus einem positiven (1) und einem negativen Eingangsanschluss (2), einem zweiten Anschlusspaar (3, 4), bestehend aus einem positiven (3) und einem negativen Ausgangsanschluss (4), einem ersten (S1), einem zweiten (S2), einem dritten (S3) und einem vierten strombidirektionalen Schalter (S4) mit zugehörigen Ansteuerschaltungen, einer Spule (L1) und einem Kondensator (C1), dadurch gekennzeichnet, dass an den positiven Eingangsanschluss (1) der positive Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S4), der erste Anschluss der Spule (L1) und der positive Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S3) geschaltet sind, an den negativen Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S4) der negative Anschluss des Kondensators (C1) und der negative Ausgangsanschluss (4) geschaltet sind, an den zweiten Anschluss der Spule (L1) der positive Anschluss des Kondensators (C1) und der positive Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S2) geschaltet sind, an den negativen Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S2) der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S1) und der negative Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S3) geschaltet sind und der negative Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S1) mit dem negativen Eingangsanschluss (2) und mit dem positiven Ausgangsanschluss (3) verschaltet ist.
2. Motortreiber gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den positiven Eingangsanschluss (1) die Kathode einer sechsten Diode (D6) und der negative Anschluss des fünften strombidirektionalen Schalters (S5) geschaltet sind, an den positiven Anschluss des fünften strombidirektionalen Schalters (S5) die positive Klemme (A) und der positive Anschluss des Eingangskondensators (CIN) geschaltet sind und an den negativen Eingangsanschluss (2) die Anode der sechsten Diode (D6), der negative Anschluss des Eingangskondensators (CIN) und die negative Klemme (B) geschaltet sind und die Eingangsspannung (U1) zwischen der positiven Klemme (A) und der negativen Klemme (B) geschaltet ist.
3. Motortreiber gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Halbleiter umgepolt sind, falls gepolte Kondensatoren (C1, CIN) verwendet werden auch diese umgepolt sind und die Eingangsspannung (U1) ebenfalls umgepolt angelegt ist.
4. Motortreiber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die strombidirektionalen Schalter gemeinsam in einem Modul verschaltet sind.
5. Motortreiber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die strombidirektionalen Schalter und die zugehörigen Treiberstufen in einem integrierten Schaltkreis verschaltet sind.
6. Motortreiber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die strombidirektionalen Schalter, die zugehörigen Treiberstufen und weitere Steuerelektronik in einem integrierten Schaltkreis verschaltet sind.
7. Motortreiber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der positiven (3) und der negativen Ausgangsklemme (4) eine Gleichstrommaschine oder ein ohmsch-induktiver Aktuator geschaltet ist.
8. Motortreiber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vom dritten (S3) und vierten strombidirektionalen Schalter (S4) nur die Diode verwendet wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
ATA115/2023A 2023-10-06 2023-10-06 Treiberstufe zum Antrieb von Gleichstrommaschinen AT527291B1 (de)

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AT507203B1 (de) * 2008-10-30 2010-03-15 Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss Ein- und zweiquadrantenstellglieder

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