DE19745312A1 - Anteuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleich­ strommotor, wobei in Reihe mit jedem Wicklungsstrang des Motors ein elektronisches Schaltelement angeordnet ist und die Schaltelemente in Abhängigkeit von einem - insbesondere als digital schaltender Hall-IC ausgebildeten - Rotor-Dreh­ stellungssensor angesteuert werden, und wobei jeder Wick­ lungsstrang über jeweils eine Auskoppeldiode mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt verbunden ist.

Solche Ansteuerschaltungen sind seit langem bekannt; ledig­ lich beispielsweise sei auf das Fachbuch "Elektrische Kleinstmotoren und ihr Einsatz" von Helmut Moczala u. a., expert verlag/VDE-Verlag 1979, und darin vor allem Seiten 174 und 183, hingewiesen. Die Auskoppeldioden dienen dabei dazu, aus den jeweils stromlosen Wicklungssträngen die auf­ grund der Rotation induzierte Spannung abzuleiten, die als rein drehzahlabhängiges Steuersignal (Tachometerspannung) zur Drehzahlregelung einem Regler zugeführt werden kann (Drehzahl-Istwertsignal). Als Rotor-Drehstellungssensoren werden heute bevorzugt digital schaltende Hall-IC verwendet und nur noch seltener analoge Hall-Generatoren. Aufgrund des digitalen Schaltverhaltens werden jeweils im Abschalt­ moment in dem jeweiligen Wicklungsstrang auch durch Selbst­ induktion (Gegeninduktion) sehr hohe Spannungsspitzen U = - L (di/dt) erzeugt, die in mehrfacher Hinsicht nach­ teilig sind. Vor allem führen sie zu einer hohen Verlust­ leistung in den elektronischen Schaltelementen, so daß diese entsprechend größer bzw. leistungsstärker ausgelegt werden müssen, als es eigentlich für die jeweilige Motor­ leistung erforderlich wäre. Dies führt nachteiligerweise zu höheren Bauteilkosten.

Grundsätzlich wäre es möglich, einen größeren Glättungs­ kondensator für die Steuerspannung vorzusehen, wodurch aber die Regeldynamik verschlechtert werden würde. Ein ebenfalls bekannter Lösungsversuch, eine Bedämpfung der Schaltelemen­ te durch sogenannte Miller-Kondensatoren jeweils von Kol­ lektor nach Basis vorzusehen, führt zu einem verschlechter­ ten Wirkungsgrad, da die bewirkte Schaltverzögerung bei der Rotation des Motors zu Bremsströmen führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Lösung der geschilderten Probleme eine gattungsgemäße An­ steuerschaltung so zu verbessern, daß unter Verwendung von einfachen und preiswerten Bauteilen ein guter Wirkungsgrad und - falls eine Regelung vorgesehen ist - auch eine gute Regeldynamik gewährleistet sind.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß parallel zu den Wicklungssträngen und den zugehörigen Auskoppeldioden eine Schutztransistorbeschaltung angeordnet ist, die derart ausgelegt ist und über den gemeinsamen Schaltungspunkt der­ art angesteuert wird, daß induktionsbedingte Spannungs­ spitzen eliminiert (kurzgeschlossen) werden. Erfindungs­ gemäß wird somit bei Auftreten eines steilen Spannungsan­ stieges U = - L (di/dt) im über die Auskoppeldiode aus dem jeweiligen Wicklungsstrang abgeleiteten Signal über die Schutztransistorbeschaltung die Spannungsspitze kurzge­ schlossen bzw. auf den eigentlichen Wert der im jeweils stromlosen Wicklungsstrang induzierten EMK begrenzt. Kon­ kret wird dies bevorzugt dadurch erreicht, daß ein Schutz­ transistor mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke parallel zu den Wicklungssträngen und den zugehörigen Auskoppeldioden geschaltet ist, wobei seine Basis über einen Steuerkonden­ sator mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt verbunden ist. Der Steuerkondensator kann vorteilhafterweise eine geringe Kapazität besitzen, so daß es sich um ein preisgünstiges Bauteil handelt (insbesondere in Relation zu einem sonst eventuell erforderlichen, sehr viel größeren Glättungs­ kondensator). Aufgrund des Verstärkungsfaktors des Schutz­ transistors wirkt aber virtuell eine sehr viel größere, und zwar um den Verstärkungsfaktor größere Kapazität, dies je­ doch vorteilhafterweise auch ohne entsprechend viel Energie zu speichern. Dies wirkt sich sehr günstig für das dynami­ sche Verhalten aus. Wenn sich beispielsweise durch den Schutztransistor ein Verstärkungsfaktor von etwa 400 er­ gibt, wirkt virtuell eine Kapazität, die um den Faktor 400 größer als der Steuerkondensator ist.

Die Erfindung eignet sich vor allem für eine Ansteuerschal­ tung mit Regler, wobei das über die Auskoppeldioden gewon­ nene Signal (EMK) als drehzahlabhängige Tachometerspannung einem Regler zugeführt wird. Die Erfindung ist jedoch auch ohne Regler sehr vorteilhaft, weil durch die Eliminierung der schädlichen Spannungsspitzen als Kommutierungs-Schalt­ elemente vergleichsweise einfache und preiswerte Transisto­ ren mit geringer Leistung verwendet werden können. Denn die erfindungsgemäße Schutztransistorbeschaltung begrenzt die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE der Kommutierungstransistoren optimal auf U_B und U_E = U_CE. Miller Kondensatoren oder der­ gleichen zum Verlangsamen der Schaltflanken sind vorteil­ hafterweise nicht erforderlich, so daß auch die Verlustlei­ stung der Kommutierungstransistoren reduziert und der Motorwirkungsgrad verbessert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschrei­ bung enthalten.

Anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispielen soll im folgenden die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung mit Regler und

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung ohne Regler.

Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen bürsten­ losen Gleichstrommotor mit zwei Wicklungssträngen L₁ und L₂. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen zweisträngigen Motor beschränkt. In Reihe mit jedem Wicklungsstrang L₁, L₂ ist ein elektronisches Schaltelement T₁, T₂ angeordnet. Zur Kommutierung der Wicklungsstränge werden sie Schaltelemente T₁, T₂ in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen eines Rotor- Drehstellungssensors 2 angesteuert. Dieser Drehstellungs­ sensor 2 ist bevorzugt als digital schaltender Hall-IC aus­ gebildet. Der Drehstellungssensor 2 steuert die Schaltele­ mente T₁, T₂ direkt bzw. über einen Inverter 4 (Transistor plus Widerstand) an. Hierdurch können die Wicklungsstränge L₁ oder L₂ zur Kommutierung alternativ eingeschaltet werden, wodurch dann aufgrund der Betriebsspannung U_B ein Motorstrom fließt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist ein (Drehzahl-) Regler vorgesehen, dem als drehzahlabhängiges Signal E die in dem jeweils stromlosen Wicklungsstrang induzierte Gegen- EMK zugeführt wird. Dieses Signal wird aus den Wicklungs­ strängen L₁ bzw. L₂ über Auskoppeldioden D₁, D₂ abgeleitet und über einen gemeinsamen Schaltungspunkt 8 dem Regler 6 zugeführt. Der Regler 6 ist mit einem Regeltransistor T_R verbunden, der im dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bevorzugt als Längsregler mit seiner Kollektor- Emitter-Strecke in Reihe zu den Schaltelementen T₁, T₂ angeordnet ist.

Erfindungsgemäß ist nun eine Schutztransistorbeschaltung 10 vorgesehen, die parallel zu den Wicklungssträngen L₁, L₂ und den zugehörigen Auskoppeldionen D₁, D₂ geschaltet ist. Die Schutztransistorbeschaltung 10 weist einen Schutztransistor T_S auf, der mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke C-E paral­ lel zu den Wicklungssträngen und den zugehörigen Auskoppel­ dioden geschaltet ist. Die Basis B des Schutztransistors T_S ist über einen Steuerkondensator C_S mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt 8 zwischen den Auskoppeldioden verbunden. Zudem liegt parallel zur Basis-Emitter-Strecke B-E des Schutztransistors T_S ein Widerstand R. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß der Steuerkondensator C_S und/oder der Schutztransistor T_S derart ausgelegt sind/ist, daß induk­ tionsbedingte, d. h. jeweils im Moment des Abschaltens des jeweiligen Wicklungsstranges durch Gegen-Induktion auf­ tretende Spannungsspitzen U = - L (di/dt) über den Schutz­ transistor T_S eliminiert, d. h. kurzgeschlossen werden. Hierdurch wird die verbleibende Spannung auf die jeweils induzierte EMK begrenzt.

Wie sich ferner aus Fig. 1 ergibt, kann parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke C-E des Schutztransistors T_S ein Glättungskondensator C_G angeordnet sein. Aufgrund der er­ findungsgemäßen Schutztransistorbeschaltung 10 kann dieser Glättungskondensator C_G eine vergleichsweise geringe Kapa­ zität aufweisen oder sogar gänzlich entbehrlich sein.

In Fig. 2 ist die Ansteuerschaltung ohne Regler darge­ stellt. Das über den gemeinsamen Schaltungspunkt 8 abge­ griffene Signal wird hierbei folglich nicht als Tachometer­ spannung benötigt, sondern es dient ausschließlich im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schutztransistor­ beschaltung 10 dazu, die schädlichen Spannungsspitzen zu eliminieren. Die Schutztransistorbeschaltung 10 entspricht hierbei der Ausführung nach Fig. 1.

Im folgenden sei beispielhaft ein konkreter Anwendungsfall erläutert. Bei einem z. B. für ein Handrührgerät vorgesehe­ nen Motor mit 24 V Betriebsspannung U_B und ca. 150 mA Strom­ aufnahme hat der Steuerkondensator C_S bevorzugt eine Kapazi­ tät von etwa 100 nF, und der Widerstand R beträgt etwa 12 kΩ. Als Schutztransistor T_S kann ein sehr preiswerter Klein­ signaltransistor verwendet werden, beispielsweise BC 847. Dieser Transistor wird thermisch kaum belastet, weil er die meiste Zeit gesperrt ist und nur für die kurze Zeit der Wicklungsstrang-Abschaltspitze leitend wird.

Falls gemäß Fig. 1 auch ein Glättungskondensator C_G vorge­ sehen ist, so hat dieser bevorzugt ebenfalls eine Kapazität von etwa 100 nF. Hierzu sei bemerkt, daß ohne die erfin­ dungsgemäße Maßnahme an dieser Stelle ein Glättungskonden­ sator mit einer sehr viel höheren, im µF-Bereich liegenden Kapazität (beispielsweise 2,2 µF) erforderlich wäre.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschrie­ benen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, son­ dern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzel­ merkmalen definiert sein. Dies bedeutet, daß grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern ist der Anspruch 1 lediglich als ein erster Formulierungs­ versuch für eine Erfindung zu verstehen.

Claims (6)

1. Ansteuerschaltung für einen bürstenlosen, elektro­ nisch-kommutierten Gleichstrommotor, wobei in Reihe mit jedem Wicklungsstrang (L₁, L₂) des Motors ein elek­ tronisches Schaltelement (T₁, T₂) angeordnet ist und die Schaltelemente (T₁, T₂) in Abhängigkeit von einem - insbesondere als digitaler Hall-IC ausgebildeten - Rotor-Drehstellungssensor (2) angesteuert werden, und wobei jeder Wicklungsstrang (L₁, L₂) über jeweils eine Auskoppeldiode (D₁, D₂) mit einem gemeinsamen Schal­ tungspunkt (8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß pa­ rallel zu den Wicklungssträngen (L₁, L₂) und den zuge­ hörigen Auskoppeldioden (D₁, D₂) eine Schutztransistor­ beschaltung (10) angeordnet ist, die derart angesteu­ ert wird, daß induktionsbedingte Spannungsspitzen eli­ miniert werden.

2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutztransistorbeschaltung (10) einen Schutztransi­ stor (T₂) aufweist, der mit seiner Kollektor-Emitter- Strecke (C-E) parallel zu den Wicklungssträngen (L₁, L₂) und den zugehörigen Auskoppeldioden (D₁, D₂) ge­ schaltet ist, und dessen Basis (B) über einen Steuer­ kondensator (C_S) mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt (8) verbunden ist.

3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zur Basis-Emitter-Strecke (B-E) des Schutztransistors (T₂) parallelen Widerstand (R).

4. Ansteuerschaltung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Schaltungspunkt (8) mit einem Steuerspan­ nungseingang (+E) eines Reglers (6) verbunden ist.

5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (6) einen Regel-Endstufentransistor (T_R) auf­ weist, der insbesondere als Längsregler in Reihe mit den Schaltelementen (T₁, T₂) geschaltet ist.

6. Ansteuerschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke (C-E) des Schutztransistors (T₂) ein Glättungskondensator (C_G) angeordnet ist.