CH666124A5

CH666124A5 - Signalgeber zur feststellung der winkellage eines ankers.

Info

Publication number: CH666124A5
Application number: CH6724/81A
Authority: CH
Inventors: Tsunehiro Maruo; Masaomi Inagaki
Original assignee: Sony Corp
Priority date: 1980-10-22
Filing date: 1981-10-21
Publication date: 1988-06-30
Also published as: GB2087565A; IT8124469A0; US4438398A; FR2492533A1; CA1173932A; ATA449481A; DE3141574A1; IT1139528B; FR2492533B1; JPH0136338B2; KR880001721B1; KR830008297A; GB2087565B; DE3141574C2; JPS5771017A; AT386085B

Description

BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft einen Signalgeber gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen Signalgeber, z.B. für die rotierende Trommel eines Videobandrecorders. Im allgemeinen werden für solche Signalgeber ein Frequenzgenerator zur Steuerung der Drehzahl und ein Impulsgenerator zur Detektion der

Winkellage des Magnetkopfs benötigt. Gemäss Fig. 1 besteht der Frequenzgenerator aus einem Detektorkopf 1 und mehreren Magnetstücken 3 auf der Trommel 2, die dem Detektorkopf 1 gegenüberliegen. Der Impulsgenerator besteht aus einem Detektorkopf 4 und einem einzelnen Magneten 5. Die Ausgangssignale aus den Detektorköpfen in Fig. 1 sind in Fig. 2 dargestellt. Fig. 2A zeigt das Ausgangssignal aus dem Detektorkopf 4 des Impulsgenerators und Fig. 2B zeigt das Ausgangssignal aus dem Detektorkopf 1 des Frequenzgenerators.

Somit müssen zwei Signalgeber für den Frequenzgenerator und den Impulsgenerator vorhanden sein. Dementsprechend ist die Anzahl Komponenten gross. Das Gerät wird teuer und es ist schwierig, dieses zu verkleinern. Zudem, wenn die Winkellage des rotierenden Körpers aus dem Signal gemäss Fig. 2A genau bestimmt werden soll, muss die Nulldurchgangsstelle Z gefunden werden, was zu einer aufwendigeren Schaltung führt.

Anstelle eines magnetischen Detektorkopfs im Signalgeber kann auch ein Lichtunterbrecher oder ein Lichtreflektor sowohl für den Frequenzgenerator als auch für den Impulsgenerator in einem Aufzeichnungs-ZWiedergabegerät mit einer Magnetscheibe verwendet werden. Das Gerät hat jedoch die oben genannten Nachteile.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Signalgeber zu schaffen, mit dem die Winkellage des Ankers eines Motors bei einfacher Ausbildung und mit hoher Genauigkeit detektiert werden kann.

Erfindungsgemäss wird dies durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Massnahmen erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematisierte perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Signalgebers für die rotierende Trommel eines Videobandrecorders ,

Fig. 2 die Ausgangssignale aus den Detektorköpfen in Fig.

1,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht des Drehsystems eines Aufzeichnungs-ZWiedergabegerätes mit einem Lichtdetektor als zweiten Detektor.

Fig. 4 einen Grundriss des Stators eines Motors gemäss Fig.

3,

Fig. 5 einen Grundriss des Rotors eines Motors gemäss Fig.

3,

Fig. 6 eine Ansicht eines Schnittes durch einen Motor gemäss Fig. 3,

Fig. 7 ein Schaltschema für eine Schaltungsanordnung zum Antrieb des Motors gemäss Fig. 3 und einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Lagesignals,

Fig. 8 Spannungsdiagramme zur Erläuterung der Betriebsweise der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 7,

Fig. 9 Spannungsdiagramme bei einem Motor mit 6 Magnetpolen und 5 Frequenzgeneratordetektionszähnen,

Fig. 10 und 11 je ein Schaltungsschema für Modifikationen des Frequenzgeneratorteils in Fig. 7,

Fig. 12 eine schematische perspektivische Ansicht eines Motors mit einem Magnetfühler als zweiten Detektor, und

Fig. 13 Spannungsdiagramme bei einem Motor gemäss Fig. 3 oder 12 mit 8 Magnetpolen und 5 Frequenzgeneratordetektorzähnen.

Fig. 3 zeigt die schematische perspektivische Ansicht eines Motors mit einer Magnetscheibe für ein Aufzeichnungs-ZWiedergabegerät. In diesem Motor wird ein Lagesignal für die Magnetscheibe aus einem Frequenzgeneratorsignal eines Drehzahl-detektionssystems erhalten und ein Lagesignal für einen Rotor eines bürstenlosen Motors zum Antrieb des Drehsystems. Fig. 4 zeigt einen Grundriss des Stators des Motors, Fig. 5 einen Grundriss des Rotors und Fig. 6 einen Querschnitt durch dengesamten Motor.

In Fig. 3 ist eine Magnetscheibe 8 auf dem Rotorjoch 10

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eines Motors 9 befestigt. Ein Feldmagnet 11 ist an der untern Seite des Rotorjochs 10 befestigt. Mehrere Spulen 12 befinden sich auf einer Statorbasisplatte 15, wie Fig. 4 zeigt, die gegen den Feldmagneten 11 gerichtet sind. Die Spulen 12 werden abwechselnd erregt, um das Rotorjoch 10 anzutreiben. Das Rotorjoch 10 ist mit einer Chromschicht überzogen. Wie Fig. 5 zeigt, sind Ausschnitte 13 in gleichmässigen Abständen auf der Aus-senwand des Rotorjochs 10 angeordnet.

Ein Lichtdetektor 14 befindet sich auf der Statorbasisplatte 15 nahe bei der Aussenwand des Rotorjochs 10 und besteht aus einem lichtemittierenden Element und einem lichtempfindlichen Element. Das lichtempfindliche Element empfängt das Licht, das von den Zahnpartien 17 reflektiert wird, nicht aber von den Ausschnitten 13 in der Aussenwand des Rotorjochs 10 und gibt ein Signal von vorbestimmter Frequenz ab, das ein Mass für die Drehzahl ist.

Ein Hall-Element 16 befindet sich auf der Statorbasisplatte 15 zur Detektion der Drehlage des Rotors. Eine Feldumkehr des Feldmagneten 11 wird durch das Hall-Element 16 festgestellt, um ein sogenanntes «Rotorlagefeststellsignal» zu bilden, das als Ein-Aus-Umschaltsignal zum Umschalten der Erregung der Spulen 12 benützt wird.

Der Motor gemäss Fig. 3 ist ein bürstenloser Motordes Zweiphasenschalttyps, bei dem ein Detektor für die Rotorlage benützt wird. Um den sogenannten Drehtotpunkt zu vermeiden, bei dem ein Antriebsdrehmoment Null wird, sind die Winkelabstände der N-Pole und S-Pole des Feldmagneten 11 asymmetrisch zueinander angeordnet. Dementsprechend sind N- und S-Pole in regelmässigen Abständen auf dem Umfang des Feldmagneten 11 (Wirkungsgrad 50%) nur für die Lagedetektion angeordnet.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel für eine Antriebsschaltungsanordnung für den Motor wie auch für den Signalgeber für einen Motor gemäss Fig. 3 bis 6.

Fig. 8 zeigt die Spannungsverläufe zur Erläuterung des Betriebs der Anordnung gemäss Fig. 7. Die Polzahl des Feldmagneten in diesem Motor beträgt 4 und die Anzahl der Zähne 17 für den Frequenzgenerator beträgt 5.

In Fig. 7 wird das Ausgangssignal des Hall-Elementes 16 einem Operationsverstärker 20 zugeführt, der daraus ein Rotor-lagedetektionssignal PS mit zwei Perioden pro Umdrehung gemäss Fig. 8A erzeugt. Das Signal PS wird einem Transistor Ti zugeführt. Eine A-Phasenspule 12a wird beim tiefen Pegel des Signals PS erregt. Ein Umkehrsignal PS am Kollektor des Transistors Ti wird einem Transistor T2 zugeführt. Eine B-Pha-senspule 12b wird beim tiefen Pegel des Signals PS erregt.

Anderseits wird Licht aus einer lichtemittierenden Diode 21 im Lichtdetektor 14 durch die Zähne 17 des Rotors 10 reflektiert und durch einen Phototransistor 22 empfangen. Ein Frequenzdetektorsignal FG mit 5 Perioden pro Umdrehung gemäss Fig. 8C kann am Emitter des Phototransistors 22 abgenommen werden. Dieses wird einem Operationsverstärker 23 zugeführt, wo es geformt wird. Das Ausgangssignal aus dem Operationsverstärker 23 wird einem Frequenz-Spannungsumwandler 24 zugeführt, wo eine Spannung Vf erzeugt wird, die Proportional zur Drehzahl des Motors ist. Die Spannung Vf wird mit der Ausgangsspannung Vr einer Referenzspannungsquelle 26 in einem Komparator 25 verglichen. Ein Fehlerausgangssignal aus dem Komparator 25 wird als Null-Servospannung einem Steuertransistor T3 zugeführt, um die Ströme durch die Spulen 12a und 12b zu steuern und die Drehzahl des Rotors konstant zu halten.

Die relative Lage der Pole des Feldmagneten 11 bezüglich der Zähne 17 des Rotors 10 in Fig. 5 und des Hall-Elementes 16 zur Detektion der Rotorlage bezüglich des Lichtdetektors für den Frequenzgenerator sind derart festgelegt, dass eine Vorderflanke eines Signals PS pro Umlauf der Partie des Signals FG bei tiefem Pegel entspricht wie in Fig. 8A und 8C gezeigt ist.

Das Ausgangssignal aus dem Operationsverstärker 20 wird einer Differenzierschaltung mit einem Kondensator 27 und einem Widerstand 28-zugeführt und gemäss Fig. 8B differenziert. Dadurch wird die Lage der Vorderflanke des Signals PS detektiert. Die negativen Impulse des differenzierten Signals PS können nicht durch ein UND-Tor 29 geleitet werden, das der Differenzierschaltung nachgeschaltet ist. Dementsprechend wird dieser Impuls in Fig. 8B nicht gezeigt. Andererseits wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 23 über einen Inverter 30 dem UND-Tor 29 zugeführt. Es wird ein Drehwinkelsi-gnal PG pro Umdrehung aus dem UND-Tor 29 erhalten, wie Fig. 8D zeigt.

Ein differenzierter Impuls PS' 1 des Signals PS wird beim Drehwinkel von 180° erzeugt. Wie jedoch aus Fig. 8C ersichtlich ist, ist der Pegel des Signals FG zu diesem Zeitpunkt hoch. Dementsprechend wird die Vorderflanke des Signals PS beim Drehwinkel 180° nicht als das Signal PG aus dem UND-Tor 29 erhalten.

Das Ausgangssignal aus dem UND-Tor 29 wird als Signal PG zu einer Steuerschaltung geführt, zur Steuerung der Aufnahme-/Wiedergabe mit der Magnetscheibe 8. Das Signal FG gemäss Fig. 8 kann beim Drehwinkel 0° hoch sein. In diesem Fall wird der Inverter 30 gemäss Fig. 7 nicht benötigt. Anstelle des Lichtdetektors 14 in Fig. 7 kann ein magnetischer Fühler verwendet werden. Die Anzahl der Zähne 17 für das Signal FG muss ganzzahlig und grösser als 3 jedoch nicht, durch zwei teilbar sein.

Fig. 9 zeigt Spannungsdiagramme im Fall, dass die Anzahl der Pole des Feldmagneten 11 und die Anzahl der Zähne 17 für die Drahzahldetektion 6 bzw. 5 im Motor sind. Auch in diesem Fall ist ein differenziertes Signal PS' 0 zur Darstellung der Vorderflanke des Signals PS für die Rotorlage und den Drehwinkel von 0° derart eingestellt, dass dieses dem tiefen Pegel des Signals FG entspricht. Ein Drehwinkelsignal PG pro Umdrehung kann gemäss Fig. 9D erhalten werden. Differenzierte Signale PS' 1 und PS' 2 bei den Drehwinkeln von 120° und 240° fallen in die Partien mit hohem Pegel des Signals FG. Dementsprechend werden sie durch das UND-Tor 29 ausgeschieden. Ein Winkel zwischen den differenzierten Signalen PS' 1 oder PS' 2 und den vorderen oder hinteren Flanken des Signals FG beträgt nur etwa 12°. Somit besteht nur ein geringes Spiel zur Auslassung der differenzierten Signale PS' 1 und PS' 2. Für genügendes Spiel kann die Breite der Zähne vergrössert werden, nämlich zwischen dem Winkel 36° (das im Verhältnis zum Ausschnitt 13 gleich 1:1) bis zum Winkel 48° (Verhältnis zum Ausschnitt 13 gleich 2:1) wie durch strichlierte Linien in Fig. 9C gezeigt ist.

Wie beschrieben, kann das Tastverhältnis des Signals FG durch die Breite der Zähne verändert werden. Zudem kann es in der Weise verändert werden, dass eine verschobene Spannung des Operationsverstärkers 23, dem das Ausgangssignal aus dem Lichtdetektor 14 zugeführt wird, durch einen veränderbaren Widerstand 31 geändert wird, wie Fig. 10 zeigt. Wenn das Signal FG durch einen magnetischen Fühler detektiert wird, kann die Breite der magnetischen Pole als das zu detektierende Objekt verändert werden, um das Tastverhältnis des Signals FG zu erhalten oder eine verschobene Spannung aus dem Operationsverstärker 23, dem ein Signal aus dem magnetischen Fühler 32 zugeführt wird, kann durch einen veränderbaren Widerstand 31 verändert werden, wie Fig. 11 zeigt.

Fig. 12 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Motors, bei dem das Signal FG durch einen Magnetfühler detektiert wird. Ein Magnetring 33 ist am äussern Umfang des Rotorjochs 10 befestigt. Der Magnetfühler 32 ist am Stator befestigt und ist gegenüber dem Magnetring 33 angeordnet.

Im Beispiel gemäss Fig. 9 ist die Anzahl der Zähne grösser als 3 und nicht durch 3 (4, 5, 7, 8 und 10 —) teilbar. Das Tast-

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Verhältnis der Partien mit hohem Pegel zu denen mit tiefem Pegel des Signals FG ist anders als 2:1.

Im Beispiel von Fig. 13 beträgt die Anzahl der Magnetpole 118 und die Anzahl der Zähne 17 ist 5. Wie Fig. 13D zeigt, wird das Signal PG für den Drehwinkel beim Drehwinkel 0° erzeugt, bei dem die Vorderflanke des Lagesignals PS dem niederen Pegel des Signals FG entspricht. Die Abstände zwischen den differenzierten Signalen PS' i (beim Drehwinkel 90°), PS' 3 (beim Drehwinkel von 270°) und dem Lagesignal PS und den Flanken des Signals FG sind nahezu 0. Es kann bei der Zusammenstellung des Motors vorkommen, dass mehr als zwei Signale PG pro Umdrehung erzeugt werden. Um dies zu verhindern, wird das Tastverhältnis des Signals FG gemäss den strichlierten Linien in Fig. 13C über das Verhältnis 1:1 vergrössert (36°), nämlich auf etwa 5:1 (60°). Somit kann sicher nur ein Signal PG pro Umdrehung erhalten werden. Beim Tastverhältnis 5:1 ist der Winkelabstand zur Ausscheidung des differenzierten Signals PS'o gleich dem Winkelabstand zur Auslassung der differenzierten Signale PS' 1, PS'3. Das TastVerhältnis kann auch anders als 5:1 sein.

Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Signal PG auf der Basis einer Differentiation des Signals PS detektiert. Dementsprechend ist es im Gegensatz zu den herkömmlichen Lagesignaldetektoren nicht notwendig, den Nulldurchgang des Detektorsignals zu bestimmen. Die Detektion ist sehr genau und die Schaltungsanordnung ist sehr einfach. In der obigen Ausführungsform wurden bürstenlose Motoren mit zweiphasi-ger Umschaltung beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Motoren beschränkt, sondern anstelle der bürstenlosen Motoren mit Zweiphasen-Umschaltung können bürstenlose Motoren mit Dreiphasen-Umschaltung oder bürstenlose Motoren mit einer Dreiphasen-Anschaltung oder bürstenlose Motoren mit zweiphasiger Sinusspannung-Ansteuerung verwendet werden.

Ebenso könnte diese Erfindung bei einem Gleichstrombürstenmotor benützt werden. Bei einem solchen Motor wird die zeitliche Umschaltung der Spulenerregung festgestellt und ein

Signal PG wird aus der Kombination der festgestellten Zeit und einem Signal FG erzeugt.

Gemäss den beschriebenen Ausführungsformen sind die Anzahl der Feldmagnetpole 4, 6 und 8. Selbstverständlich können 5 auch Motoren mit mehr als 8 Feldmagnetpolen verwendet werden.

Ferner ist diese Erfindung nicht auf einen rotierenden Körper als Detektionsobjekt eines Signals PG beschränkt aber es kann auch auf einen Motor mit einem schwingenden Körper 10 oder einem linear verschobenen Körper, wie beispielsweise ewi-nen Linearmotor, angewendet werden.

Gemäss der Erfindung sind erste und zweite Signalerzeuger zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten Signals, wie die Zähne 17 und der Ankerlagebestimmungsmagnet auf einem ro-i5 tierenden Anker, wie ein Rotor eines Motors, oder einem sich bewegenden Anker angeordnet, und die ersten und zweiten Signaldetektoren, wie der Lichtdetektor 14 und das Hall-Element 16, sind entsprechend dem ersten und zweiten Signalerzeuger angeordnet. Das erste und das zweite Signal sind bezüglich der 20 Periodendauer voneinander verschieden. Dasjenige der Signale aus dem ersten und zweiten Detektor, wie das Signal PS zur Detektion der Rotorlage, das eine längere Periodendauer hat als das andere der beiden Ausgänge, wird differenziert. Das boolesche Produkt von differenziertem Signal und dem zweiten 25 Drehzahlsignal dient zur Erzeugung des Lagesignals (Drehpha-senlagesignal PG). Somit werden gemäss der oben beschriebe- ' nen Ausführungsform weder ein spezielles Medium zur Detektion einer bestimmten Lage noch ein spezieller Signaldetektor auf dem rotieirenden Körper benötigt. Das bestehende Signal-30 detektionssystem kann benützt werden, um das Lagesignal gemäss der Erfindung zu erzeugen. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Systemen ist es nicht nötig, den Nulldurchgang des Detektionssignals zu bestimmen. Dementsprechend kann das Lagedetektionssignal durch eine einfach ausgebaute Schaltungs-35 anordnung mit hoher Genauigkeit erhalten werden. Die Anzahl Komponenten kann verringert werden, und das Gerät kann bei geringem Preis stark verkleinert werden.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Signalgeber zur Feststellung der Winkellage des ankers eines Motors, mit einem ersten Winkellagesignalgeber mit einem ersten Detektor (16) auf dem Stator (15), der mit den Magnetpolen (17) des Ankers (10) zusammenwirkend ein zyklisches erstes Winkellagesignal (PS) erzeugt, einem zweiten Winkellagesignalgeber mit einem zweiten Detektor (14, 32) auf dem Stator (15) der mit Partien des Ankers (10) zusammenwirkend ein zyklisches zweites Winkellagesignal (FG) erzeugt, wobei das erstegenannte Winkellagesignal (PS) eine grössere Periodendauer hat als das zweite Winkellagesignal (FG) und mit Mitteln (27, 28) zur Erzeugung eines weiteren Signals aus dem genannten ersten Winkellagesignal (PS) für eine Antriebsschaltungsanordnung für den Motor, gekennzeichnet durch einen Impulsflankendetektor (27, 28) zur Differentiation des ersten Winkellagesignals (PS) zwecks Erzeugung eines Impulses bei Vorder- oder Hinderflanke dieses ersten Winkellagesignal (PS), ein UND-Tor (29) zur Bildung eines einzigen Impulses pro Ankerperiode aus dem genannten zweiten Winkellagesignal (FG) und den durch den Impulsflankendetektor (27, 28) erzeugten Impulsen, um damit eine Winkellage des Ankers (10) festzulegen.

2. Signalgeber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (16) ein Hall-Generator ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Signalgeber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Flanken-Impuls pro Ankerperiode aus dem Impulsflankendetektor (27, 28) innerhalb einer Periode fällt, in welcher ein unipolarer Impulszug aus dem zweiten Detektor (14, 32) entweder auf hohem oder auf niedrigem Pegel ist, und alle übrigen Flankenimpulse in eine Periode fallen in der der unipolare Impulszug auf dem jeweils anderen Pegel ist.

4. Signalgeber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem rotierenden Motor (9) mit vier Magnetpolen das zweite Winkellagesignal ein Drehzahlsignal (FG) ist, das eine ungerade Anzahl Impulse pro Umdrehung des Rotors (10) aufweist, die grösser ist als drei.

5. Signalgeber nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Drehzahlsignal (FG) fünf Impulse pro Umdrehung aufweist.

6. Signalgeber nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem rotierenden Motor (9) mit sechs Magnetpolen das zweite Winkellagesignal ein Drehzahlsignal (FG) ist, das mehr als drei Impulse aber kein Vielfaches von drei Impulsen pro Umdrehung aufweist.

7. Signalgeber nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Drehzahlsignal (FG) fünf Impulse pro Umdrehung aufweist.

8. Signalgeber nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Periodenlänge der genannten Pegel des unipolaren Impulszuges im Bereich von 1:1 bis 1:2 liegt.

9. Signalgeber nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem rotierenden Motor (9) mit acht Magnetpolen das zweite Winkellagesignal ein Drehzahldetektor (FG) ist, das fünf Impulse pro Umdrehung aufweist.

10. Signalgeber nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Periodenlänge der genannten Pegel des unipolaren Impulszuges im Bereich 1:1 bis 1:5 liegt.