NO792242L - Reguleringskretsloep for en elektrisk motor - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en reguleringskrets av den art

som angitt i krav l's innledning, hvor den elektriske motoren fortrinnsvis er en likestrømsmotor, men da motoren er forbundet til midtpunktet mellom de to komplementære utgangstransistorene, vil kretsen også kunne anvendes til en en-

eller fler-faset vekselsstrømsmotor. I det følgende vil oppfinnelsen kun bli forklart i forbindelse med en likestrøms-motor, idet virkemåten prinsipielt er ens, uansett om det anvendes likestrøm eller vekselstrøm.

Kjente kretser av den omtalte art, har hittil kun blitt anvendt til styring av motorer med relativ liten effekt<*>

på grunn av effekttap og fare for overstrøm gjennom transistorene. Ved kjente overstrømsbeskyttelser finnes minst en ekstra transistor til eleminering av overstrøm gjennom motoren samtidig med at det bevares en konstant, i tilfelle av overstrøm uhensiktsmessig drivstrøm gjennom kretsen. Den i det vesentlige konstante drivstrøm er også en ulempe under normal drift, nemlig i den tilstand, hvor drivtransistorens kollektor-strøm er størst, da dette gir anledning til tapseffekt i denne transistor, som derved oppvarmes og medfører en uønsket like-spenningsdrift i kretsløpet.

Formålet med oppfinnelsen er å frembringe en reguleringskrets av den ovenfornevnte art, som kan brukes til styring av større motorer, enn det hittil har kunnet oppnås,, uten at det avsettes nevneverdige tapseffekter i transistorene.

Denne hensikten oppnås ved at kretsen er utformet som angitt i krav 1<1>s karakteristiske del. Ved å styre den nevnte strømgenerator i avhengighet av den ønskede motorstrøm,.oppnås samtidig en komponentbesparende og meget effektiv overstrøms-beskyttelse uten store effekttap, og at det i hvilken som helst

reguleringstilstand kun trekkes den nødvendige og tilstrekkelige strøm gjennom drivtransistoren.

Kravet angir foretrukne enkeltheter ved strøm-generatoren ifølge krav 1, hvor komponentbesparelsene klart fremgår. Det sees at strømgeneratoren både er avhengig av strømmen gjennom den nevnte første motstand, og av styresignalet. Krav 3 omhandler en spesiell, foretrukken utførelsesform for frembringelse av strømgeneratorens uavhengighet av styresignalet, hvor den nevnte styretransistor kun opptar liten effekt.

Det vil kunne forstås at overstrømsbeskyttelsen er effektiv når motorstrømmen går gjennom den av de komplementære utgangstransistorene, som er forbundet til den nevnte første motstand, men ved benyttelse av eh dobbel, symmetrisk reguleringskrets oppnås ved de i krav k angitte foranstaltninger en overstrømsbeskyttelse, uansett hvilken vei strømmen går gjennom motoren.

Til drift av større motorer, kan det være nødvendig

å anvende en kaskade av f.eks. Darlington-koplede utgangs-transistorer, og ved de i krav 5 angitte foranstaltninger oppnås at motorstrømmen går gjennom den felles brøkdelen av den første motstand, og derved innvirker direkte på strømgeneratoren. Overstrømsbeskyttelsen begrenser således en overstrøm gjennom motoren ved å påvirke kretsen helt fremme ved strømgeneratoren, hvorved det unngås unødvendige effekttap gjennom kretsen.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart ved den følgende beskrivelse av en utførelsesform, hvor

figur 1 viser en prinsippskisse av de viktigste komponentene i en styrekrets, som har betydning for oppfinnelsen, méns

figur 2 viser en utførelsésform for kretsløpet i-følge oppfinnelsen, utført som en dobbel, symmetrisk styrekrets.

Figur 1 viser i prinsippet en kjent styrekrets for

en motor M, hvis ene klemme er forbundet med styrekretsen, og hvis andre klemme er forbundet med chassiset. Styrekrets-

løpet er av den art, som har symmetrisk spenningsforsyning,

slik at motoren kan styres i begge retningene, i avhengighet

av inngangsspenningen V\ .

Transistoren 1 er anordnet til å spenningsforsterke inngangssignalet til styring av utgangstransistoren, henholds vis 2 og 3, hvis kollektor er forbundet med henholdsvis en

.positiv og en negativ spenningsforsyningsklemme. Utgangstran-sistorenes emittere er begge forbundet med motoren M via en strømbegrensningskrets h, som skal beskytte utgangstransistorene

mot overbelastning. Ved de kjente kretser har kretsen 4 en tilbakekoplingsvei til utgangstransistorene for å nedsette strømmen gjennom disse, mens det ikke foretas strømbegrensning lenger fremme i kretsen, d.v.s. i retning mot inngangssignalet. Bortsett fra det helt enkle tilfellet, hvor det finnes en motstand mellom transistoren l<*>s sin kollektor og den negative

spenningsforsyningsklemmen, vil det normalt væae anbragt en strømgenerator, som på figur 1, er betegnet med S, som er innrettet til å trekke en konstant strøm. Strømgeneratoren skal kunne føre basisstrømmen for transistoren 3»når inngangsspenningen er høyest, og når inngangsspenningen er lavest, skal drivtransistoren 1 både føre frem til transistoren 2's basis og til strømgeneratoren S, som i dette tilfellet gir anledning til uønsket effekttap og varmeavgive1se i drivtransistoren. Drivtransistorens likestrømsparametre påvirkes av det vekslende temperaturnivået, slik at det oppstår uønsket likespennings-drift i styrekretsen. De nevnte ulemper ved den på figur 1 viste krets unngås ifølge oppfinnelsen ved at strømgeneratoren S er styrt av den ønskede inotorstrøm, slik at det under alle forhold kun trekkes den nødvendige og tilstrekkelige strøm gjennom strømgeneratoren S. Med alle forhold menes både den vanlige reguleringstilstand og tilstand, hvor motoren f.eks. pa grunn av reversering vil trekke en for kraftig strøm.

Figur 2 viser en utførelsesform for styrekretsen ifølge oppfinnelsen, hvor kretsen er oppbygget som en symmetrisk reguleringskrets med to utganger I og II, som er forbundet til hver sin motorklemme. Ved hjelp av inngangssignaler I og II kan motoren styres slik at den står stille når inn-gangssignal ene er liké, og går i den ene eller den andre retningen med en kl emmespenning som er avhengig av forskjellen regnet med fortegn mellom inngangssignalene. En slik reguleringskrets er f.eks. anvendbar til å styre servomotoren i en rormaskin, hvor det ene inngangssignalet frembringes som et styresignal fra broen, mens det andre inngangssignalet er et referensesignal, som angir rorets øyeblikkelige stilling.

Kretsens innbyrdes symmetriske halvdeler er i det vesentlige like, hvor kun den ene halvdelen vil bli nærmere beskrevet, idet den andre halvdel, hvor komponentbetingel sene er forsynt med et merke, virker på samme måte som den førstnevnte halvdel.

Inngangssignalene I og II føres til inngangen til en differensialforsterker Df. Differensialforsterkeren er oppbygget på kjent måte med en strømgenerator Tr2 i den felles emitterledningen, og med belastningsmotstand i kollektorled-ningene, hvor forsterkerens utgangssignaler fremkommer. Ut-gangssignalene tjener som styresignaler for den øvrige kretsen, hvor virkemåten vil bli forklart i forbindelse med den venstre halvdelen av kretsløpet på figur 2.

For å lette forklaringen av kretsens virkemåte, kan kretsen til sammenligning med den på figur 1 viste krets med fordel betraktes slik, at transistorene Tl, T2 tilsvarer transistorene henholdsvis 2 og 3 på figur 1, mens en transistor T3 tjener som drivtransistor på samme måte som transistoren 1 på figur 1. Strømgeneratoren S på figur 1 er på figur 2 til-veiebragt ved hjelp av transistorene T5, T6 og motstandene R2 og R5. En transistor Tk og to motstander R3, R4 utgjør en ytterligere styrekrets., som vil bli nærmere omtalt i det følgende.

Den nevnte strømgenerator på figur 2 adskiller seg fra den kjente teknikk ved at den er avhengig dels av motor-strømmen gjennom transistoren T2 og dels av styrespenningen på transistoren T3's basis. Den sistnevnte avhengighet skyldes nettopp den ytterligere styrekretsen, idet styresignalet over-føres til transistoren Tk's basis, og gir anledning til et spenningsfall over motstanden R3, hvorved strømgeneratoren kan styres. Hvis det antas at inngangsspenningen II vokser til en større positiv spenning, vil styrespenningen på basis av transistorene T3 og Tk likeledes stige (inngangsspenningen I antas å være lavere enn inngangsspenningen II). Når styrespenningen på transistoren T3's basis stiger, vil transistoren

Tl bli sperret, mens transistoren T2 vil føre motorstrømmen, hvis retning er fra utgangsklemmen II, gjennom motoren til utgangsklemmen I, og hvis styrke er avhengig av spenningen på transistor T2's basis. Den nevnte ytterligere styrekrets er beregnet således i forhold til strømgeneratorens komponenter, at strømgeneratoren nettopp trekker den nødvendige strøm fra transistoren T2's basis. Denne driftstilstand svarer til den ene av de i forbindelse med figur 1 beskrevne to driftstilstander. Den andre av de nevnte driftstilstander kan finnes

i høyre halvdel på den på figur 2 viste krets under forutsetning av de samme inngangssignaler som ovenfor. Styrespenningen til transistoren T • 3' s basis vil falle, slik at transistoren T * 3 1 s kollektorspenning stiger og forårsaker at transistoren T,'1 blir ledende og fører strøm fra den positive:forsyningsklemme til motoren via utgangen II, slik at motorstrømmen går i den allerede antatte retning. Som beskrevet i forbindelse med figur 1 skulle det gjennom transistoren T3 videre gå strøm til strømgeneratoren, hvilket kun gir anledning til et større strømforbruk og kraftigere oppvarming av transistoren TJ. Dette unngås ved kretsen ifølge oppfinnelsen, idet en lavere spenning på transistoren T'4's basis medfører spenningsstigning på transistoren T'6's basis, hvilket medfører spenningsfall på transistoren T'5's basis, hvorved strømgeneratorens strøm reduseres eller eventuelt helt avbrytes.

Idet det foreløpig sees bort fra motstanden RI, virker motstanden R2 som en strømbegrensning, idet en større strøm gjennom disse motstander virker som motkopling for den respektive strømgenerator. Denne strømbegrensningen er effektiv når motorens faktiske retning svarer til den ønskede retning, men ved reversering av motoren vil det oppstå pro-blemer som lar seg lett løse ved kretsen ifølge oppfinnelsen. For å forklare dette nærmere antas det at motoren har gått

med en retning som går inn ved utgangsklemmen 2 og går ut ved utgangsklemmen 1. Hvis det nå er ønskelig å reversere motoren, skal kretsen altså innstilles til de ovenfor beskrevne til-stander, d.v.s. spenningen på utgangsklemmen 1 ønskes mindre og tilsvarende ønskes spenningen på utgangsklemmen 2 større, hvilkei igjen vil si at det er ønskelig med en tilstand hvor transistorene T2 og T'l fører mo tars trømmen. Dette lar seg i-midlertid ikke gjøres momentant, idet motoren først skal bremses og under oppbremsingen vil gi anledning til en polaritet på utgangsklemmene, som er motsatt den ønskede polaritet.. Dette betyr at motoren vil tvinge.-strøm gjennom transi storen T' 2 i en tilstand hvor kretsen faktisk er innstilt til at det skal

værestrømgeneratoren til venstre på figur 2 som kontrollerer strømmen og er følsom overfor overstrøm, som faktisk ikke går gjennom motstanden R2, men istedet gjennom motstanden R'2. Dette problemet løses ved kretsen ifølge oppfinnelsen meget enkelt ved at en brøkdel av motstandene R2 er felles for de to halvdelene på den på figur 2 viste symmetriske krets. Den nettopp nevnte situasjonen vil da medføre at den magnetiserings-strøm, som motoren skal av med under oppbremsningen går gjennom den felles motstanden RI og dermed begrenser den venstre strøm-generators virkning, så meget, at transistorene, især T2, ikke ødelegges ved oppbremsningen. Ved hjelp av i og for seg kjente beskyttelsesdioder over utgangstransistorene unngås at utgangstransistorene forspennes motsatt lederetningen, og videre begrenser den maksimale spenningen over en utgangstransistor

til ikke å være større enn spenningsforskjellen mellom pluss- og minus-klemmen.

Ved den ovenforstående beskrivelse av den på figur 2 viste krets, har det ikke vært en prinsipiell forutsetning at transistorene Tl, T2 finnes, idet kretsen virker på samme måte som ovenfor beskrevet, hvis sistnevnte transistor utelates og motorens klemmer istedet er forbundet med kollektorene på transistorene T3 og T5. En slik modifikasjon vil dog kun være aktuell ved drift av små motorer, og for å oppnå en tilstrekkelig strøm til større motorer, er det nødvendig med en ytterligere strømforsterkning, som tilveiebringes ved hjelp av transistorene Tl, T2. Til meget kraftige strømmer kan det i stedet for transistorene Tl, T2 eventuelt anvendes transistorapparater som inneholder flere, f.eks. Darlington-koplede transistorer.

I tilfellet av flere strømforsterkende transistorer i utgangen vil strømbegrensningsvirkningen i kretsen bli ytterligere for-bedret ved at den siste utgangstransistoren (T2), som gjennom-gås av motorstrømmen, har sin kollektor forbundet til den negative forsyningsklemmen via den felles motstanden RI, slik som det er vist på figur 2.

Det skal bemerkes at oppfinnelsen ikke er begrenset til den på figur 2 viste krets, som f.eks. kunne komplementeres ved å ombytte PNP- og NPN- transistorer innbyrdes. Det vil videre kunne forstås at kretsen normalt vil inneholde ikke viste motkoplingsanordninger til stabilisering av forsterkningen. Anordningen ifølge oppfinnelsen angående strømgeneratoren nød-vendiggjør videre ikke en dobbel, symmetrisk krets som den på figur 2 viste. Den symmetriske kretsen er valgt som foretrukket

utførelsesform for å'tydeliggjøre ytterligere hensiktsme3sige

trekk ved strømgeneratoren, som på enkel måte medfører en effektiv strømbegrensning uten nevneverdige effekttap i kretsens transistorer.

Claims (3)

1. Reguleringskrets for strømmen gjennom én elektrisk motor, hvor i det minste motorens ene klemmespenning er styrt av spenningen på innbyrdes forbundne, ensartede første elektroder på to innbyrdes komplementære utgangstransistorapparater, hvis andre ensartede elektroder står i forbindelse med respektive klemmer på en spenningsforsyning, og hvor reguleringskretsen inneholder en til spenningsforsterkning innrettet drivtransistor for utgangstransistorapparatene, hvilken drivtransistor er avhengig av et styresignal, karakterisert ved at transistorens kollektor er forbundet med en strømgenerator, som er innrettet til å trekke en strøm, som er avhengig av strømmen gjennom motoren.
2. 2. Krets ifølge krav 1, og hvor strømgeneratoren omfatter to transistorer, karakterisert ved at en transistor (T5) i det éne utgangstransistorapparatet utgjør den ene av de to nevnte transistorer, og er forbundet med sin første elektrode til en av spenningsforsyningsklemmene via en første motstand (R2) og til basiselektroden på den andre (T6) av de nevnte to transistorer, hvor den andre transistors (t6) første elektrode er forbundet til den nevnte spenningsforsyningsklemme, mens den andre elektrode er forbundet til basiselektroden på den ene transistor (T5), og er forbundet til den andre spenningsforsyningsklemmen via en motstand (R5), hos hvilken det finnes organer til modifisering av den andre transistors (T6) basis-spenning i avhengighet av det nevnte styresignal.
3. 3. Krets ifølge krav 2, karakterisert véd at de nevnte organer omfatter en motstand (R3)> som innskutt i forbindelsen mellom den første transistorens (T5) første elektrode og den andre transistors (T6) basiselektrode, som videre

   er forbundet til en styretransistor (t4), hvis basiselektrode er forbundet til mottagelsen av styresignalet. h. Krets ifølge krav 3, og hvor begge motorens klemmer er forbundet til hver sin reguleringskrets ifølge krav 1,

   karakterisert ved at en brøkdel

   av de respektive første motstander (R2) er felles for begge regu-ler ing skr et sene . 5- Krets ifølge krav k, og hvor hvert utgangstrahsistor-apparat består av flere kaskadekoplede transistorer, karakterisert ved at en utgangstransistor (T2) for hver reguleringskrets er forbundet til den ene spenningsforsyningsklemmen via den felles motstanden (Ri).