控制雙向直流電動機的電路布置的製作方法
2024-03-06 01:23:15 1
專利名稱：控制雙向直流電動機的電路布置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於控制雙向直流電動機的電路布置，這種電動機可以在兩個方向上被驅動，該布置包括一個具有一參考電位輸入端和一控制輸入端的控制裝置，通過它可以控制電動機的速度。
例如這種電路布置可以從盒式磁帶傳輸裝置Alpine型號GR-H中得知。
在這個已知的盒式走帶機構中，主導電動機在兩個轉動方向上運轉，其中一個轉動方向用作磁帶的帶傳送機構而另一個轉動方向用作伺服操作。例如控制裝置通過一個三點控制器實現，這種三點控制器可從Matushita以集成電路AN6605-N的形式得到。為了方向的雙向，例如應用了Expert-Verlag出版的作者為Hellmut Mugschalla「電氣小電動機」一書中圖8.15中所揭示的一種H電橋。在這種已公開的電橋電路中，在電動機和供給電壓間配置了一個電晶體，並且在電動機和在電動機的兩個轉動方向上的控制裝置的控制輸入端間配置了一個電晶體。這種方式的缺點有例如在雙極性電晶體的情況下，導通的電晶體的集電極-發射極電壓影響電動機的電壓並且因此影響速度，因為這些集電極-發射極電壓不能被控制裝置測量並被校正。這些集電極-發射極電壓既依賴於集電極電流又依賴於溫度。這個已公開的橋電路的另一缺點是處在電動機和控制裝置的控制輸入端間的電晶體的基極電流流進控制裝置的控制輸入端但不流過電動機。因此，在流過電動機的電流不改變的情況下，這個電晶體的基極電流的波動影響控制裝置。
本發明的任務是提供一種在開頭的段落中所定義類型的電路布置，通過這種布置可能實現更精確的速度控制。
根據本發明，實現此任務在於由於已經提供了切換裝置，通過這個裝置，對於電動機的第一轉動方向，用於電動機速度控制的控制裝置可以變成工作的；而對於電動機的第二轉動方向，控制裝置可以變成不工作的。
在第一轉動方向中，電動機處於控制裝置控制下而在另一轉動方向中這個控制裝置被中止，並且電動機運轉在非控制狀態或者另一控制狀態下。這使電路布置為了控制第一轉動方向而被優化，對第一轉動方向可能實現一個非常精確的速度控制。在第二轉動方向中，電動機運轉在一非控制狀態下或者應用可以有其他控制電路組成，特別是那些比用於第一轉動方向中速度控制的控制電路簡單的電路。
本發明的一個有益的實施例的特徵在於切換裝置包括第一個、第二個、第三個和第四個電晶體，在以第一方向運轉時，電動機的第一個接電端通過第一個電晶體耦合到供給電壓，並且通過第二個電晶體耦合到控制裝置的參考電位輸入端，電動機的第二個接電端耦合到控制裝置的一個控制輸入端；而當以第二方向運轉時，通過第三個電晶體第一個接電端耦合到另一個參考電位，通過第四個電晶體第二個接電端耦合到供給電壓。
當電動機在以第一方向運轉期間，供給電壓通過第一個電晶體應用到電動機的第一個接電端。同時，通過第二個電晶體，電動機的第一端耦合到控制裝置的參考電位輸入端。當在第一方向運轉期間，第一個和第二個電晶體導通而第三個和第四個電晶體截止，因此，電壓施加應用到控制裝置的參考電位輸入端和電動機的第一個接電端。單獨將導通的第二個電晶體配置在電動機的第一個接電端和控制裝置的參考電位輸入端之間，流過這個電晶體的電流不是電動機的電流而是比電動機電流小的一個電流。因此，當電動機以第一方向運轉時，跨第二個電晶體所產生的集電極-發射極電壓也相當低。
另一方面，當電動機以第一方向運轉時，電動機的第二個接電端耦合到控制裝置的控制輸入端。在控制裝置的控制輸入和電動機的第二個接電端間不需要電晶體，因此，同一電流流過電動機和控制裝置的控制輸入端。不存在流進控制裝置的控制輸入端而不流過電動機的電晶體基極電流。
當電動機以第二方向運轉期間，通過第三個電晶體電動機的第一個接電端耦合到一個參考電位，並且電動機的第二個接電端通過第四個電晶體耦合到供給電位。在第二方向中，第三個和第四個電晶體導通而第一個和第二個電晶體截止。現在提供給電動機的電壓反向，因此，電動機以第二方向轉動。在電動機的第二方向中，控制裝置不工作，因此，在這個第二方向中，電動機運轉在非控制狀態。第二方向的電動機的速度可以通過第三個電晶體調節。因為在一個磁帶盒式儀器中，對於伺服操作不是必須要有一個高的恆定速度，所以為此目標可以使用一個非常簡單的電路。對於很多應用，只要在電動機的兩端有一個恆定的電壓就可以了。
在本發明另一有益的實施例中，第二個接電端連接到控制裝置的控制輸入端。
在本發明的有益的實施例中，已經提供了第五個電晶體，它一方面耦合到控制裝置的另一個參考電位輸入端和第二個電晶體，另一方面，它耦合到另一個參考電位。
在電動機的第二方向中，供給電壓施加到電動機的第二個接電端。因為電動機的第二個接電端耦合到控制裝置的控制輸入，所以控制裝置的控制輸入端在電動機的第二方向時也處於供給電位。為了保證用於電動機的第二方向的控制裝置的非常明確的關斷和預防在電動機的第二方向中控制裝置意外操作，因此，既需要將控制裝置的參考電位輸入也需要將控制裝置的另一個參考電位輸入切換到一「高阻」態。當控制裝置採用集成電路的形式時，對此特別需要。這通過第五個電晶體來實現。在電動機的第二方向中，第五個電晶體截止，因此控制裝置的另一個參考電位輸入切換到高阻態。在第二方向運轉期間，第三個和第四個電晶體是導通的。因此，電動機的第一個接電端的電位降低，導致耦合到電動機第一個接電端的第二個電晶體將被自動關斷。因此，在電動機的第二方向中，控制裝置的參考電位輸入也切換到高阻態並且控制裝置變成不工作。在電動機的第一方向中，第一個和第五個電晶體接通並且因此第二個電晶體也自動接通。在電動機的第一方向中，控制裝置的另一個參考電位輸入端位於另一個參考電位。
本發明另一有益的實施例的特徵在於控制裝置和第二個電晶體被集成在電動機的內部。
因為電動機內阻和磁通量隨溫度變化，所以將控制裝置也包括進電動機內部並且因此補償電動機溫度特性。如果將現在第二個電晶體也安排進電動機，那麼電動機只需要用於外部電壓供給和控制的三個觸點。第一個觸點用於電動機的第一個接電端，第二個觸點用於電動機的第二個接電端，和第三個觸點用於第五個電晶體。
在本發明的另一有益的實施例中，第一個、第二個、第三個和第四個電晶體被集成進一個集成電路。
根據本發明的電路布置特別適合於集成電路的結構，因為例如在雙極性電晶體的情況下，第一個、第二個、第三個和第四個電晶體的集電極-發射極電壓和基極電流對電動機的電壓無影響從而不會影響速度控制。在集成電路中，通常不可能在飽和區內操作電晶體並且因此集電極-發射極的電壓明顯高於在分立的電晶體的情況下的集電極-發射極電壓，基於這個事實，轉速不受影響。此外集成的電晶體基本上具有較低的增益因數，因此基極電流基本上變得較大，但在根據本發明的電路布置中，這對速度控制無任何影響。因為第二個電晶體作為分立電晶體被集成進電動機中，它可以工作在飽和區內並且這個電晶體的集電極-發射極電壓的波動對速度控制幾乎無任何影響。
根據本發明的電路布置優先應用在磁帶運轉機械裝置或盒式磁帶設備中。如果根據本發明的電路布置用作驅動在一個方向上用作磁帶傳輸而在其他方向上用作伺服操作的主導電動機，那麼是特別有益的。這樣的應用一般只需要用於磁帶傳送機構的一個十分精確的速度控制，而對於伺服操作，不是必須要有一個十分精確的速度控制。
現在參考附圖的
圖1和圖2，對本發明的一個實施例詳細說明圖1，控制雙向直流電動機的電路布置的結構圖，包括控制裝置和五個電晶體；圖2，在圖1中所示控制裝置的結構圖。
圖1顯示了控制可以在雙向上驅動的直流電動機6的電路布置。這個直流電動機6有一個由第一個供給電壓端6a構成的第一個接電端和由第二個供給電壓端6b構成的第二個接電端。第一個供給電壓端6a耦合到第一電晶體1的集電極，電晶體1的集電極耦合到一個正的供給電壓+U0。電晶體1的集電極和電晶體1的發射極通過一個飛輪(freewheel)二極體7耦合。電動機6的第一個供給電壓端6a耦合到第二個電晶體2的發射極，電晶體2的集電極耦合到控制裝置8的一個參考電位輸入端8a。通過電阻9電晶體2的基極耦合到第5個電晶體的集電極，電晶體5的發射極連接到控制裝置8另一個參考電位輸入8c。電動機6的第二個供給電壓6b耦合到控制裝置8的控制輸入8b並且通過飛輪二極體10耦合到另一個參考電位。另外，電動機6的第二供給電壓6b耦合到第四個電晶體4的集電極，電晶體4的發射極耦合到正的供給電壓+U0。電晶體4的集電極和發射極通過飛輪二極體11耦合，電動機6的第一個供給電壓端6a耦合到第三個電晶體3的集電極，電晶體3的發射極耦合到另一個參考電位。第三個電晶體3的集電極通過飛輪二極體12耦合到另一個參考電位。第一個電晶體1、第三個電晶體3、第四個電晶體4和第五個電晶體5的基極可通過沒有畫出的驅動裝置驅動。
電動機6可以在第一方向時在一個受控狀態下被驅動，而在第二方向時在非受控狀態下被驅動。根據本發明的的電路布置，對於第一個受控方向，第一電晶體1和第五個電晶體5被沒有畫出的控制裝置接通。因此第二個電晶體2也被自動接通，而且通過導通的第二電晶體2，參考電位輸入端8a耦合到供給電壓+U0。第三個電晶體3和第四個電晶體4被沒有畫出的控制裝置關斷，這個控制裝置驅動用於電動機第一轉動方向的電晶體3、4的基極，在電動機第一方向時，電動機6的第一個供給電壓端6a通過導通的第一個電晶體1收到供給電壓+U。在電動機以第一方向運轉期間，第一個電晶體1和第五個電晶體5對速度的影響為零。對速度控制有影響的唯一的電晶體只有第二個電晶體2。然而，因為一個非常小的集電極電流I1流過第二個電晶體2，這個電流明顯小於流過電動機的電動機電流IM，所以，第二個電晶體2的集電極一發射極電壓非常小。這樣，如果忽略了非常小的第二個電晶體2的集電極一發射極電壓，那麼，隨後第一個供給電壓端6a和控制裝置8的參考電位輸入端8a位於同一電位。
另外，在電動機6以第一方向運轉期間，不存在著流進控制裝置8的控制輸入端8b而不流經電動機6的基極電流。事實上，在電動機的第一方向時，正是同一個電流流過電動機6和控制裝置8的控制輸入8b。
在第二轉動方向中，電動機運轉在非受控狀態下，即控制裝置8被中止。第二轉動方向優先用於盒式走帶機構的伺服操作這期間，第三個電晶體3和第四個電晶體4接通而第一個電晶體1和第五個電晶體5關斷。由於第三個電晶體3關斷，電動機6的第一個供給電壓端6a的電位下降並因此電晶體2發射極的電位下降，因此，第二個電晶體關斷並且控制裝置的參考電位輸入8a被切換到高阻態。電動機6現在被以相反的方向給予電壓，即第二個供給電壓端6b通過導通的第四個電晶體4接收供給電壓+U0，第一個供給電壓端6a通過導通的電晶體3耦合到另一個參考電位。這樣，在電動機6以第二方向運轉期間，控制裝置8的第二個控制輸入端8b也通過導通的第四個電晶體連接到另一參考電位U0。為保證控制裝置8十分明確的被關斷和預防控制裝置8的意外動作，第五個電晶體關斷，因此控制裝置8的另一個參考電位輸入8c切換到高阻態。因此控制裝置8被中止，並且避免了施加到控制裝置8的控制輸入端8b的供給電壓U0被連接到同另一參考電位耦合的另一參考電位輸入端8c。這預防了意外操作。
因為，電動機的內阻和磁通量隨溫度變化，控制裝置8被優先安排進電動機6的外殼中，因而，電動機特性得到溫度補償。第二個電晶體2也被優先安排進電動機6的外殼內。這在圖1中是用虛線表示的部分。這種方法的優點是電動機只需要三個接電端15、16、17用於外部連線，這在產品工程的外觀上是十分受歡迎的，因為這些接電端中的每一個均需要一個或者甚至兩個手工焊縫。其它的電路元件，即第一個電晶體1、第三個電晶體3、第四個電晶體4和第五個電晶體5以及附屬的飛輪二極體10、11和12，可以便利的集成進一個集成電路。
第一個電晶體1、第三個電晶體3、第四個電晶體4、第五個電晶體5的集電極-發射極之間的電壓波動對電動機電壓沒有影響，因而不影響速度控制。因此，儘管在集成電路中，一般電晶體不可能在飽和區內工作，並且因此集電極-發射極電壓明顯高於分立電晶體的情況，所以上述的集成不改變根據發明的電路布置的控制特性。
因為電晶體1到5的基極電流對控制過程無影響，所以在根據本發明的電路布置中，被集成的電晶體具有明顯較低的增益參數，致使它們的基極電流變得基本上較大的這一事實，在本發明的電路布置中沒有任何負面影響。作為分立的電晶體被集成進電動機內部的第二個電晶體2可以在飽和區內工作，因此，這個第二個電晶體2的集電極一發射極電壓對速度控制幾乎沒有任何影響。
圖1所示電路布置的另外有利的特性來自這一事實，即飛輪二極體10也自動保護控制裝置8，並因此對於控制裝置8的保護不再需要另外的飛輪二極體。
此外，當供給電壓+U0被關閉時，用於控制裝置8的供給電壓被自動切斷。
圖2是圖1中所示控制裝置8的基本結構圖，類似圖1中同樣的方式，控制裝置8具有一參考電位輸入端8a、一個控制輸入端8b和另一個參考電位輸入端8c。在參考電位輸入端8a和控制輸入端8b之間，為清楚起見，只顯示了圖1中具有電晶體2和電動機6的電路而沒有顯示圖1中所示的其他元件。控制裝置8包括一個包含一恆定電流源21的集成電路20，它由電位U1供電。一般的，電位U1等於圖1中的電位U0，但這不是嚴格必須的。恆定電流源21的一個端子通過電阻22耦合到另一參考電位並且它的另一個端子通過並聯安排的電阻23和電阻24耦合到參考電位輸入端8a。一個運算放大器25將它的反向輸入耦合到電流源21和電阻23並將它的同向輸入耦合到控制輸入端8b。此外，電流鏡向電路26耦合到控制輸入端8b、運算放大器25的輸出和另一參考電位輸入端8c。電流鏡向電路26也耦合到電阻24和電阻23。
作為電流傳感器，電流鏡向電路26包括並聯安排的若干個沒有畫出電晶體。電流鏡向電路26的各個電晶體的電流非常精確的對應。這樣，鏡向電路的電晶體28用作電流傳感器或鏡向，並且流過電晶體28的鏡向電流Is代表電動機電流IM的一個十分精確的部分，它恆等於通過控制輸入端8b流進集成電路20的電流。如果電動機6由於一個較高負載應傳遞一個高的轉矩，那麼電動機電流IM增加，結果鏡向電流Is增加，這將導致電阻24兩端的電壓降增加和運算放大器的反向輸入端的電位下降。因此，運算放大器驅動電流鏡向電路26的電晶體進一步導通，以致於控制輸入端8b上的電位下降，電動機兩端的電動機電壓UM因此提高，與速度成比例的感應電動機電壓保持恆定。這樣，如果在負載變化的情況下，轉速也維持恆定。如果參考電位輸入端8a上的電壓變化，那麼這對電動機速度沒有任何影響，因為參考電位輸入端8a上的電壓變化通過運算放大器反饋到控制輸入端8b，因此參考電位輸入端8a和控制輸入端8b間的電壓差不會被參考電位輸入端8a上的電壓波動影響。
控制裝置8的控制精度受兩個因素支配(1)流過電動機的電動機電流IM應完全等於流進控制輸入端8b的電流。這由根據本發明的電路布置保證，(2)電動機6的第一個供給電壓端6b上的電位應儘可能地等於控制裝置8的參考電位輸入8a上的電位。在根據本發明的電路布置中，在電動機的第一個供給電壓端6a和參考電位輸入端8a間只配置了電晶體2。然而，具有兩個轉動方向的電動機以第一方向運轉期間，這個電晶體2的集電極-發射極電壓UCE2十分低，這有兩方面的原因一方面，流進電晶體2和流進參考電位輸入端8a的集電極電流I1同電動機電流IM相比十分小，此外它要比電動機電流IM更恆定。因此，由集電極I1產生的電晶體2的電壓UCE2十分小並且十分恆定。此外，根據本發明的的電路布置的電晶體2，優先由分立電晶體構成，因此可以在飽和區內操作電晶體2並且也保證了較小的電壓降UCE2。
根據本發明的電路布置提供了在兩個方向上以適當方式驅動一個雙向直流電動機的可能性，在一個方向上通過控制裝置控制電動機而在另一個方向上這個控制裝置被中止而電動機不受控或者以另一種方式被控制。這樣，當處於第一種受控的方向時，根據本發明的電路布置的電晶體的集電極-發射極電壓或漏極-源極電壓的波動和基極或柵極電流的波動對第一種受控方向的速度控制沒有影響，並且控制的精度同常規的H-橋的情況下相比有相當的提高。這可以特別優先用於控制磁帶盒式設備的主導電動機，因為在許多應用中，在一個方向上它用作磁帶的帶驅動而在另一個方向上用作伺服操作。對於帶驅動需要十分高的速度控制，其中對於伺服操作不需要高度精確而只需要一個十分簡單的控制。
權利要求
1.用於控制可以在兩個方向上驅動的雙向直流電動機的一種電路布置，該布置包括具有一參考電位輸入端(8a)和一控制輸入端(8b)的控制裝置，通過它可以對電動機(6)的速度進行控制，其特徵在於，提供了切換裝置(1、2、3、4)，在電動機(6)的第一轉動方向時，通過該裝置，用於控制電動機(6)速度控制的控制裝置(8)可以變為工作的，而在電動機的第二轉動方向時，通過該裝置，控制裝置(8)可以變為不工作的。
2.根據權利要求1的一種電路布置，其特徵在於，該切換裝置包括第一個(1)、第二個(2)、第三個(3)和第四個(4)電晶體，在以第一方向運轉期間，電動機的第一個接電端(6a)通過第一個電晶體(1)耦合到一個供給電壓上並且通過第二個電晶體(2)耦合到控制裝置(8)的參考電位輸入端(8a)上，電動機的第二個接電端耦合到控制裝置(8)的控制輸入端(8b)；在以第二方向運轉期間，第一個接電端(6a)通過第三個電晶體(3)耦合到另一個參考電位，第二個接電端(6b)通過第四個電晶體(4)耦合到供給電壓。
3.根據權利要求1或2的一種電路布置，其特徵在於，第二個接電端連接到控制裝置(8)的控制輸入端(8b)。
4.根據權利要求1至3之一的一種電路布置，其特徵在於，提供了第五個電晶體(5)，它一方面耦合到控制裝置的另一參考電位輸入端(8c)和第二個電晶體(2)，另一方面，耦合到另一參考電位。
5.根據權利要求1至4之一的一種電路布置，其特徵在於，控制裝置(8)和第二個電晶體(2)被集成進電動機(6)的外殼內。
6.根據權利要求1至5之一的一種電路布置，其特徵在於，第一個(1)、第二個(2)、第三個(3)、第四個(4)和第五個(5)電晶體被集成進一個集成電路(20)。
7.一包括權利要求1至6之一的電路布置的磁帶運轉傳輸裝置。
8.一包括權利要求1至6之一的電路布置的盒式磁帶設備。
全文摘要
用於控制可以在兩個方向上驅動的雙向直流電動機(6)的電路布置,包括具有一參考電位輸入端(8a)和一控制輸入端(8b)的控制裝置(8),來對電動機的速度進行控制。為實現此類型電路布置更精確的速度控制,該布置包括切換裝置(1、2、3、4),在電動機的第一轉動方向時,通過該裝置用於控制電動機速度控制的控制裝置可以變為工作的,而在電動機的第二轉動方向時,通過該裝置,控制裝置可以變為不工作的。
文檔編號H02P7/28GK1175120SQ9711548
公開日1998年3月4日 申請日期1997年7月29日 優先權日1996年8月1日
發明者U·凱撤 申請人:菲利浦電子有限公司