DE10157900A1 - Geberlose Kommutierung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kommutierungsschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor; DOLLAR A - mit einem zum Motor analogen, aus Widerständen gebildeten virtuellen Stern; DOLLAR A - mit einer Einrichtung zum fortlaufenden Vergleichen der Spannungen der beiden Sternmittelpunkte des Motorsterns und des virtuellen Sterns bei allen Phasen; DOLLAR A - mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Signals aus den gewonnenen Vergleichswerten zwecks Steuerung der Kommutierung.

Description

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor, insbesondere eine Kommutierungsschaltung für einen solchen Motor. Es handelt sich dabei geht es um Motoren mit einem permanent magnetischen Rotor beliebiger Polpaarzahl und einem Stator mit wenigstens zwei Wicklungen, die ein Mehrphasen-System bilden. Jede Phase ist dabei in Abhängigkeit von Spannungen, die das permanent magnetische Feld des Rotors in die Wicklungen induziert, mittels elektronischer Schaltelemente schaltbar. Dies erfolgt je nach Kommutierungszustand zur Durchführung von Kommutierungsschritten an den Minus- und/oder Plus-Pol einer Gleichstromquelle.

Werden Gleichstrommotoren elektronisch kommutiert, so muß jeweils die momentane Rotorposition ermittelt werden. Hierzu verwendet man üblicherweise Sensoren wie beispielsweise Hall-Generatoren oder Photodioden.

Auch ist es bekannt, die in die Ankerwicklungen induzierten Spannungen in den jeweils stromlosen Augenblicken zu messen, somit die Rotorposition zu erfassen, und hieraus entsprechende Signale zur Fortschaltung der Kommutierung zu gewinnen.

Aus der DE-AS 26 04 638 ist eine Steuerschaltung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor bekannt, bei der das Vorzeichenbild der in die drei Phasen induzierten Spannungen in Relation zu einer Bezugsspannung zur Kommutierung herangezogen wird. Dafür muß jedoch zu jedem beliebigen Zeitpunkt wenigstens eine der Phasen stromlos sein. Dies bedeutet, daß der Strom für eine gewisse Zeitspanne, zum Beispiel für eine komplette Halbwelle, abgeschaltet sein muß, damit auf die induzierte Spannung mit der notwendigen Sicherheit geschlossen werden kann. Wegen des für die Pegelmessung erforderlichen gemeinsamen Bezugspotentials ist diese Steuerschaltung nur für Motoren in Sternschaltung mit herausgeführtem Sternmittelpunkt anwendbar. Darüber hinaus benötigt auch diese Schaltung eine spezielle Startlogik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kommutierungsschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor anzugeben, die einfach im Aufbau und kostengünstig in der Herstellung ist, die keine in die Maschine eingebaute oder an diese angebaute Winkelerfassungseinrichtung erforderlich macht, und die das Stator-Drehfeld zuverlässig von der Winkelposition des Rotors in jedem Drehzahlbereich fortschaltet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Demgemäß wird analog zum Motorstern aus Widerständen ein weiterer, virtueller Stern gebildet. Die an den Sternmittelpunkten der beiden Sterne vorliegenden Spannungen werden miteinander verglichen und ausgewertet. Die Null-Durchgänge werden für die winkelrichtige Kommutierung der einzelnen Phasen ausgewertet.

Zum Anfahren dient ein Hochlaufgeber, beispielsweise in Gestalt eines Impulsgenerators. Bei Erreichen eines bestimmten Drehmomentes wird dieser Hochlaufgeber nicht mehr benötigt.

Die aus dem Spannungsvergleich gewonnenen Signale werden der Zähler- und Decodierschaltung eingespeist, und von dort aus an die Transistoren weitergeleitet.

Es kann auch vernachlässigt werden, daß zwischen den Strömen und Spannungen der realen Maschine einerseits und der virtuellen, aus Widerständen gebildeten Sternschaltung keine lineare Beziehung besteht, da eine Kompensation zwischen jeweils zwei der drei Größen X, Y und Z stattfindet.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe derart, dass durch Auswerten der Vergleichsmessung zwischen dem Motorsternmittelpunkt und dem virtuellen Sternmittelpunkt wird laufend die EMK des Motors erfaßt, und damit werden die Werte aller drei Phasen fortlaufend gemessen.

Der Aufwand zum Auswerten der EMK ist relativ gering. Der Zeitpunkt der Kommutierung wird sehr genau bestimmt, jedenfalls genauer als bei einem mechanischen Lagegeber. Die Schaltung ist kostengünstig und gegen Störungen nicht anfällig.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 veranschaulicht in einem Blockschaltbild den Aufbau einer erfindungsgemäßen Kommutierungsschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor.

Fig. 2 zeigt die Spannungen der drei Phasen sowie die daraus gewonnenen Signale einer klassischen Kommutierungsschaltung sowie einer erfindungsgemäßen Schaltung.

In dem in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbild erkennt man einen Motorstern 1 mit den Induktivitäten X, Y, Z sowie einen virtuellen Stern 2 mit Widerständen R₁, R₂, R₃.

Die genannten Sternschaltungen sind an eine klassische Endstufe 3 angeschlossen, mit den Einzel-Endstufen 3.1, 3.2, 3.3. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Mosfet- Schaltung oder um eine EGBC-Schaltung handeln.

Den beiden Sternmittelpunkten von Motorstern 1 und virtuellem Stern 2 ist eine Auswerteschaltung 4 nachgeschaltet. Diese weist zwei antiparallel geschaltete Optokoppler auf. Die Ausgangstransistoren dieser Optokoppler - hier nicht besonders dargestellt - sind parallel geschaltet und haben einen gemeinsamen Pull-up-Widerstand.

Liegt keine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Sternmittelpunkten des Motorsterns 1 und des virtuellen Sterns 2 vor, so fließt auch kein Strom über die Optokoppler. In diesem Falle liegt der Pegel "high" vor.

Herrscht eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Sternmittelpunkten, so fließt ein Strom. Hierbei schaltet ein Optokoppler. Hierbei liegt ein Ausgangspegel "low" vor.

Das von der Auswerteschaltung 4 erzeugte Signal wird einem Zähler und Decoder 5 eingespeist. Dieser Zähler und Decoder erzeugt aus den eingespeisten Signalen die Impulse für die Transistoren der Endstufe - siehe Transistoransteuerung 6.

Da im Stillstand noch keine Spannung an Motorstern 1 und virtuellem Stern 2 anliegt, werden zunächst auch keine Impulse erzeugt. Deshalb ist ein Hochlaufgeber 7 vorgesehen. Dieser erzeugt ähnliche Impulse, wie sie die Auswerteschaltung 4 beim regulären Betrieb liefert.

Der Hochlaufgeber 7 dient zum Hochfahren des Motors auf Synchrondrehzahl. Ist diese erreicht, wird der Hochlaufgeber abgeschaltet. Die Auswerteschaltung 4 liefert inzwischen Signale. Diese werden zugeschaltet. Dies geschieht mittels einer Weiche 8. Die Weiche 8 wird ihrerseits bei Erreichen der Synchrondrehzahl durch eine Synchronisiereinrichtung 9 vom Hochlaufgeber 7 auf die Auswerteschaltung 4 umgeschaltet.

Im oberen Teil von Fig. 2 ist die an den Sternmittelpunkten herrschende Spannung für die drei Phasen X. Y, Z dargestellt. Der Verlauf der Spannung über der Zeit ist trapezförmig. Er ist zwischen den einzelnen Phasen jeweils um 120 verschoben.

Der mittlere Teil von Fig. 2 veranschaulicht die Signale von Lagegebern bei einem konventionellen Motor, der die erfindungsgemäßen Merkmale nicht aufweist. Siehe Lg 1, Lg 2, Lg 3.

Die Signale dieser Lagegeber werden von im Motor eingebauten Hall-Sensoren erzeugt. Sie dienen zum Kommutieren des Motors.

Bei der Erfindung sind derartige Lagegeber nicht notwendig. Sie lassen sich somit einsparen.

Der untere Teil von Fig. 2 veranschaulicht wiederum den Verlauf der Spannung U** über der Zeit t. Man erkennt eine Sinuslinie, die die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Sternmittelpunkten darstellt. Man erkennt ferner darunter die von der Auswerteschaltung 4 erzeugte Signalspannung, die in Rechteckform vorliegt und die dem Zähler-Decoder 5 eingespeist wird.

Bezugszeichenliste

1

Motorstern

2

virtueller Stern

3

Endstufe

4

Auswerteschaltung

5

Zähler und Decoder

6

Transistoransteuerung

7

Hochlaufgeber

8

Weiche

9

Snychronisiereinrichtung

Claims (1)

1. Kommutierungsschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, mit einem zum Motor analogen, aus Widerständen gebildeten virtuellen Stern, mit einer Einrichtung zum fortlaufenden Vergleichen der Spannungen der beiden Sternmittelpunkte des Motorsterns und des virtuellen Sterns bei allen Phasen und mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Signales aus den gewonnenen Vergleichswerten zwecks Steuerns der Kommutierung.