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Stellgeräte für elektrische Antriebe

 

Pulssteller für Drehstrommotoren (inkl. bürstenlose Gleichstrommotoren)

Der Steuersatz

Die Ermittlung der Schaltzustände, die der Pulssteller zur Nachbildung der Sollspannung einnehmen muss, erfolgt in den meisten Stellgeräten in einer separaten Funktionseinheit, die als Steuersatz bezeichnet wird.
Der Steuersatz ist zwischen der Regelung und dem Pulssteller angeordnet. Seine Eingangsgröße bildet die Sollspannung, die z. B. von der vorgelagerten Stromregelung berechnet wurde. Die Sollspannung wird an den Steuersatz in einem festen Zyklus übergeben. Die Übergabe erfolgt entweder als Raumzeiger durch Vorgabe von Betrag und Winkel oder durch Einzelsollwerte für jede der 3 Phasen.
Aus der Sollspannung berechnet der Steuersatz eine Schaltfolge für die einzelnen Brückenzweige und gibt die Ansteuersignale in der entsprechenden Reihenfolge an den Pulssteller aus.
Steuersätze werden von den Herstellern sehr unterschiedlich realisiert. Sie können sowohl in Software als auch Hardware (ASIC) oder gemischt ausgeführt sein. Zwei bei Servoantrieben verbreitete Steuerverfahren sind

• die Raumzeigermodulation und
• das Unterschwingungsverfahren.

 

Die Raumzeigermodulation

Die Raumzeigermodulation beruht auf der mathematischen Zerlegung der Sollspannung in einzelne Raumzeiger und lässt sich damit sehr gut durch Software in einem Mikroprozessor realisieren.

Der Spannungssollwert wird dem Steuersatz zyklisch in Form eines Sollraumzeigers übergeben. Der Sollraumzeiger ist durch seine Lage und seinen Betrag definiert. Der Steuersatz versucht nun, diesen Raumzeiger als Mittelwert über einen Zyklus nachzubilden. Dazu schaltet er in einer bestimmten Reihenfolge beide Nullzeiger sowie die beiden aktiven Zeiger, die sich rechts und links vom Sollzeiger befinden, für eine definierten Teil des Zyklus ein. Damit entstehen innerhalb der Zykluszeit mehrere aufeinander folgende kurze Raumzeiger. Die Länge dieser Raumzeiger hängt von ihrer Einschaltdauer ab. Bildet man den Mittelwert über diese Raumzeiger innerhalb eines Zyklus, so entsteht der von der Signalelektronik vorgegebene Sollraumzeiger.

Der Verlauf der Ausgangsspannung ist nachfolgend für einen Zyklus beispielhaft dargestellt. Auffallend ist die Symmetrie des Zyklus. Mit dieser Schaltreihenfolge wird erreicht, dass zu jedem Schaltzeitpunkt jeweils nur eine Transistorbrücke umgeschaltet wird.

 

Das Unterschwingungsverfahren

Das Unterschwingungsverfahren beruht auf dem Vergleich von analogen Signalen. Es lässt sich damit sehr gut durch zugeschnittene ASICS in Hardware realisieren. Diese Art des Steuersatzes wird deshalb besonders bei analogen Stellgeräten bevorzugt.

Die Regelung übergibt die Sollspannung in Form von 3 einzelnen Phasenspannungen an den Steuersatz. Der Steuersatz vergleicht kontinuierlich die Sollspannungen mit einer dreiecksförmigen Hilfsspannung. Diese Hilfsspannung hat eine definierte Frequenz und eine definierte Amplitude. Die Frequenz der Hilfsspannung bestimmt die Zykluszeit und damit auch die Pulsfrequenz des Pulsstellers.
Aus dem Vergleich der Sollspannung und der Hilfsspannung leitet der Steuersatz über einen Komparator unmittelbar den Schaltzustand des jeweiligen Brückenzweiges ab. Ist die Sollspannung größer als die Hilfsspannung, wird der obere Transistor eingeschaltet. Ist sie niedriger, wird der untere Transistor eingeschaltet. Nebenstehendes Bild verdeutlicht die Zusammenhänge. Wie zu erkennen ist, verlängert oder verkürzt sich die Einschaltdauer eines Transistors in Abhängigkeit vom Betrag und Vorzeichen der jeweiligen Sollspannung.

Im untersten Diagramm ist neben der Sollspannung (Leiter-Leiter-Spannung zwischen den Phasen a und b) auch die resultierende Istspannung dargestellt. Es ist sehr schön zu erkennen, wie der Pulssteller die kontinuierliche Sollspannung als eine Folge von Spannungsimpulsen mit unterschiedlicher Breite nachbildet.

 

Der Ausgangsstrom

Die Ausgangsströme des Pulsstellers fließt durch die Wicklungen des angeschlossenen Motors. Sie sind innerhalb eines Schaltzustandes der Transistoren näherungsweise linear, steigen oder fallen jedoch in Abhängigkeit davon, ob an den entsprechenden Motorklemmen im Augenblick die positive oder negative Zwischenkreisspannung wirksam ist. Die Stromverläufe sind nicht "glatt" sondern weisen einen "gezackten" Verlauf und damit Oberschwingungen auf. Die Stromspitzen und damit die Oberschwingungen sind um so kleiner, je größer die Pulsfrequenz bzw. je kürzer die Zykluszeit des Pulsstellers ist. Es besteht deshalb das Bestreben, Pulssteller mit einer möglichst hohen Pulsfrequenz zu betreiben. In Servoanwendungen sind Pulsfrequenzen größer als 2 kHz üblich.
An den Umschaltzeitpunkten treten in den Stromverläufen aufgrund der vorhandenen Motorinduktivität keine Sprünge auf. Das heißt, obwohl sich die Polarität der Klemmenspannungen umkehrt, ändern die Motorströme ihre Polarität nicht sondern fließen in ihren bisherigen Richtungen weiter. Die treibenden Spannungen entstehen durch Selbstinduktion in den Wicklungsinduktivitäten. Sie erzwingen, dass die Ströme ihre bisherigen Richtungen beibehalten.
Als Pfade stehen den Motorströmen in diesem Fall nur die Freilaufdioden zur Verfügung, da die bis dahin stromführenden Transistoren jetzt gesperrt sind und die neu eingeschalteten Transistoren die Ströme in ihren aktuellen Fließrichtungen nicht führen können. Freilaufdioden sind damit für die Funktion des Pulsstellers unbedingt erforderlich. Ohne Freilaufdioden würde die in den Wicklungsinduktivitäten induzierten Spannungen extrem stark ansteigen und zur Zerstörung der Transistoren führen.

Beispiel:

• Die Transistoren T1, T4 und T6 sind durchgesteuert. In der Wicklung a fließt ein positiver Motorstrom, in den Wicklungen b und c fließen negative Motorströme, die gleich groß sind.
• Die Transistoren T1, T4 und T6 werden gesperrt und T2, T3 und T5 werden durchgesteuert. Der Motorstrom fließt jetzt durch die Freilaufdioden D2, D3 und D5, da die Transistoren T2, T3 und T5 die Motorströme in der aktuellen Fließrichtung nicht führen können.