DE19500900A1 - Motorantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Motorantrieb mit einer an die Wickelstränge eines Motors angeschlossenen elektronischen Kommu­ tierungsschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Motorantrieb wird für kollektorlose Motoren ver­ wendet, um die Wickelstränge des Motors entsprechend der Stel­ lung des Rotors zu bestromen. Solche Motoren werden beispiels­ weise in Band- und Plattenlaufwerken elektronischer Geräte ver­ wendet.

Üblich sind dreiphasige Motoren, bei denen die Wickelstränge im Stern oder im Dreieck geschaltet sind und derartig umgeschaltet werden, daß jeweils zwei Wickelstränge mit einer Spannungsquelle verbunden sind, während der dritte Wickelstrang abgeschaltet ist. Durch die Verschaltung der Wickelstränge ergeben sich un­ terschiedliche Strom- Zeit-Funktionen der Ströme in den Wickel­ strängen. Der im abgeschalteten Wickelstrang noch aufgrund der gespeicherten Energie fließende Strom klingt schneller ab als sich der in den angeschalteten Wickelsträngen fließende Strom auf einen stationären Wert aufbaut. In Folge dessen tritt nach dem Kommutierungszeitpunkt fuhr eine Übergangszeit ein Absinken der Gesamtstromstärke ein, was zu einem Drehmomenteinbruch führt. Die Auswirkungen eines solchen Drehmomenteinbruchs könn­ ten zwar durch eine größere Schwungmasse oder eine Erhöhung der Phasenzahl des Motors verringert werden, eine Erhöhung der Schwungmasse verschlechtert aber die Schnelligkeit, mit der ein solcher Motor beschleunigen oder verzögern kann und ein Motor mit mehr als drei Phasen führt sowohl zu einer Vergrößerung und Verteuerung des Herstellungsaufwandes als auch zu einer Erweite­ rung des Aufwandes für eine Kommutierungsschaltung.

Um den Drehmomenteinbruch auszugleichen, wurde bereits vorge­ schlagen, die in Kommutierungsrichtung nachfolgenden Wickel­ stränge anfangs mit einer höheren Spannung zu beaufschlagen, die entweder als Spannungspuls oder als analoger Spannungswert Zuge­ führt wird, um so den Stromanstieg im neu eingeschalteten Wickelstrang zu erhöhen und den stationären Wert früher zu er­ reichen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß trotz dieser Maßnahme ein unmit­ telbar nach dem Kornmutierungszeitpunkt eintretender Stromein­ bruch des Gesamtstromes und somit des Drehmoment es verbleibt und nicht ausgeglichen werden kann.

Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß auch bei einer Konstanthal­ tung des Gesamtstromes in den Wickelsträngen im Kommutierungs­ zeitpunkt ein Drehmomenteinbruch stattfindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motorantrieb der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sowohl ein Einbruch des Gesamtstromes der Wickelstränge als auch ein Dreh­ momenteinbruch im Kommutierungszeitpunkt vermieden wird und dadurch über den Gesamtumlauf des Rotors ein konstantes Drehmo­ ment erzielt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Motorantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Erfindung wird der in Kommutierungsrichtung vorangehende Wickelstrang nicht im Kommutierungszeitpunkt abgeschaltet sondern weiter bestromt, wenn auch mit absinkender Stromstärke. Dadurch läßt sich nicht nur ein sonst auftretender Einbruch des Gesamtstromes im Kommutierungszeitpunkt vermeiden, sondern vielmehr eine steuerbare Anhebung der Gesamtstromstärke in den Wickelsträngen erreichen.

Die Kommutierungsschaltung kann den Strom des in Kommutierungs­ richtung vorangehenden Wickelstranges gemäß einer Strom-Zeit-Funktion absenken, die eine geringere Flankensteilheit besitzt, als eine Strom-Zeit-Funktion, die einem bloßen Abschalten der an dem vorangegangen Wickelstrang anliegenden Spannung entspricht. Durch Addition der Ströme in den einzelnen Wickelsträngen ergibt sich so ein vom Kommutierungszeitpunkt zunächst anschwellender und nach Erreichen eines Maximums abschwellender Gesamtstrom, der invers zu einem bei konstanter Bestromung eintretenden Drehmomentabfall bemessen werden kann und dadurch zu einem kon­ stanten Drehmomentverlauf führt. Vorzugsweise setzt die Kommu­ tierungsschaltung die Bestromung des in Kommutierungsrichtung vorangehenden Wickelstranges solange fort, bis der Strom in den nachfolgenden Wickelsträngen etwa einen stationären Wert er­ reicht hat.

Die Kommutierungsschaltung kann eine zusätzliche Steuerschaltung umfassen, welche den in Kommutierungsrichtung vorangehenden Wickelstrang ab dem Kommutierungszeitpunkt mit einer pulsweiten­ modulierten Spannung beaufschlagt, deren Pulsweite in Abhängig­ keit einer Steuerfunktion verringerbar ist.

Durch diese Maßnahme wird ein Anstieg der Verlustleistung in den Ausgangsstufen der Kommutierungsschaltung bei der gesteuerten Absenkung der Stromstärke vermieden. Durch die Induktivität des Wickelstranges wird hierbei die pulsierende Spannungsbeaufschla­ gung des Wickelstranges integriert und geglättet.

Die Steuerschaltung kann mit einem Tachogenerator verbunden sein, so daß die Steuerfunktion in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl des Motors und/oder des Motorstromes veränderbar ist. Da die für ein konstantes Drehmoment erforderliche Gesamtstromstärke von der Winkelstellung des Motors abhängig ist, kann so der Strom-Zeitverlauf der Drehgeschwindigkeit und/oder dem Motorstrom angepaßt werden, also die Steilheit des Stromabfalls im in Kommutierungsrichtung vorangehenden Wickel­ strang bei kleiner Drehzahl und/oder kleinem Motorstrom verringert und bei großer Drehzahl und/oder großem Motorstrom gesteigert werden.

Bei einer Kommutierungsschaltung, welche die Wickelstränge auch im Normalbetrieb mit einer pulsweitenmodulierten Spannung beauf­ schlagt, kann der von einer Drehzahlregelschaltung im Kommutie­ rungszeitpunkt gelieferte Pulsweitenwert als Anfangsgröße für die Beaufschlagung des vorangehenden Wickelstranges mit der pulsweitenmodulierten Spannung ausgewertet werden. Die Steuer­ schaltung kann somit einfach ausgelegt werden, denn sie muß le­ diglich den von der Drehzahlregelschaltung vorgegebenen Pulswei­ tenwert weiter reduzieren.

Die Steuerschaltung kann bei einer Kommutierungsschaltung, wel­ che die Wickelstränge mit einer analogen Spannung beaufschlagt, den von einer Drehzahlregelschaltung im Kommutierungszeitpunkt gelieferten Regelspannungswert in einen Pulsweitenwert konver­ tieren, der als Anfangsgröße für die Beaufschlagung des vorange­ henden Wickelstranges mit der pulsweitenmodulierten Spannung dient.

Diese Maßnahme ermöglicht es, auch bei analogen Konzepten die Steuerschaltung so auszubilden, daß bei der gesteuerten Absen­ kung des Stromes im vorangehenden Wickelstrang keine Erhöhung der Verlustleistung in den Ausgangsstufen der Steuerschaltung eintritt.

Alternativ kann die Steuerschaltung bei einer Kommutierungs­ schaltung, welche die Wickelstränge mit einer analogen Spannung beaufschlagt, auf den von einer Drehzahlregelschaltung im Kommu­ tierungszeitpunkt gelieferten Regelspannungswert als Anfangs­ größe eines analogen Steuersignals auswerten, das in Abhängig­ keit einer Steuerfunktion verringert wird und dieses analoge Steuersignal in Pulsweitenwerte für die Beaufschlagung des vor­ angehenden Wickelstranges mit der pulsweitenmodulierten Spannung konvertieren. Bei dieser Lösung erfolgt eine ständige Konvertie­ rung einer analogen Spannung in einem Pulsweitenwert, wobei zur Absenkung der Bestromung des vorangehenden Wickelstranges eine analoge Spannung entsprechend der Steuerfunktion verändert wird.

Die Kommutierungsschaltung weist wenigstens einen Sensor zur jeweiligen Kommutierungszeitpunktermittlung auf, der vorzugsweise im Magnetfeld des Motorrotors angeordnete Hallelemente und eine mit den Hallelementausgängen verbundene Koinzidenzschaltung umfaßt zur einer ans ich bekannten Bestimmung eines gemeinsamen Spannungsnulldurchganges zweier, zueinander gegenphasiger Hallsignale als Schaltkriterium.

Da die Ausgangsspannungen von Hallelementen großen Toleranzen unterliegen und in Verbindung mit Motorrotoren die Ausgangsspannungen zudem von der magnetischen Feldstärke der Rotormagnete und deren Abstand von den Hallelementen beeinflußt werden, würde eine Steuerung durch Schwellwerte der Hallelementausgangsspannungen oder auch eine analoge Ansteuerung in Abhängigkeit dieser Hallelementausgangsspannungen zu Ungenauigkeiten führen.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist unabhängig von diesen Einflußgrößen und ermöglicht so eine exakte Kommutierung bei der Bestromung der Wickelstränge mit großer Wiederholgenauigkeit und damit eine optimale Ausnutzung der vorgenannten Maßnahmen zur Erzielung eines konstanten Drehmomentverlaufs des Motors.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Motorantriebs,

Fig. 2 ein Strom-Zeitdiagramm der Ströme in den Wickelsträngen

Fig. 3 ein Pulsdiagramm zur Ansteuerung des vorange­ henden Wickelstranges.

Fig. 1 zeigt anhand eines Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Motorantrieb. Eine als ganzes mit 1 bezeichnete Kommutierungsschaltung ist mit Wickelsträngen X_n, Y_n+1 und Z_n+2 verbunden. Die Indexzahlen bezeichnen dabei die Ordnungszahlen, nach denen die Wickelstränge bei Kommutierung bestromt werden. Die Kommutierungsschaltung 1 umfaßt eine Hauptsteuerschaltung 10, die einerseits die an die Wickelstränge X_n, Y_n+1 Z_n+2 anzulegenden Steuersignale zur Bestromung dieser bei der üblichen Kommutierung liefert und zum anderen über Steuerleitungen 70 und Oder-Schaltungen 71 End- bzw. Ausgangsstufen 60 umschaltet, die die Ausgangsspannungen in der jeweiligen Kommutierungsphase an die zu bestromenden Wickelstränge X_n, Y_n+1 und Z_n+2 schalten. In der Praxis sind die Ausgangsstufen 60 mit Halbleiterschaltern ausgebildet. Die Kommutierungszeitpunkte werden durch Kommutierungszeitgeber 30 ermittelt, die bei vorgegebenen Winkelstellungen des Rotors 50 Umschaltsignale erzeugen und an die Hauptsteuerschaltung 10 liefern.

Die Kommutierungszeitgeber 30 umfassen vorzugsweise Hallsignale abgebende, zum Motorrotor stationär angeordnete Bauelemente und mit diesen verbundene, die Hallsignale auswertende Koinzidenzschaltungen, wobei jedem Wicklungsstrang X_n, Y_n+1, Z_n+2 je ein, jeweils zwei gegenphasige Hallsignale abgebendes Element und eine Koinzidenzschaltung zugeordnet sind. Die von jedem Kommutierungszeitgeber 30 abgegebenen Hallsignale sind im wesentlichen gleichförmige Wechselspannungen, die bekannterweise durch die Änderung und Umpolung des durch die Rotormagnete ausgelösten Magnetfeldes erzeugt werden.

Die Koinzidenzschaltungen ermitteln jeweils durch Spannungsvergleich von zwei zusammengehörigen, gegenphasigen Hallsignalen deren gemeinsame Spannungsnulldurchgänge, womit ein von Toleranzen der Hallelementeausgangsspannungen unabhängiges Schaltkriterium gewonnen wird, das das Umschalten der Kommutierungsschaltung 1 exakt zu wiederkehrenden Drehwinkelstellungen des Rotors 50 ermöglicht.

Die Kommutierungsschaltung 1 umfaßt außer der Hauptsteuerschal­ tung 10 erfindungsgemäß eine zusätzliche Steuerschaltung 20.

Bei der jeweiligen Umschaltung der Ausgangsstufen 60 auf den jeweiligen, in Kommutierungsrichtung nachfolgenden Wickelstrang, hier Y_n+1, steuert die zusätzliche Steuerschaltung 20 über Steuerleitungen 80 und die Oder-Schaltungen 71 die Energiezufuhr des jeweiligen in Kommutierungsrichtung vorangehenden Wickelstrangs, hier X_n, derart, daß nach dem jeweiligen Kommutierungszeitpunkt der Strom im jeweils vorangehenden Wickelstrang nicht nur langsamer sinkt als es bei direkter Abschaltung der Fall wäre sondern zugleich auch dessen Verlauf. Es handelt sich dabei also nicht nur um eine bloße nachträgliche Energiezufuhr für den jeweiligen, kommutierungsbedingt um- bzw. abzuschaltenden Wickelstrang.

Im Ausführungsbeispiel werden die Wickelstränge X_n, Y_n+1, Z_n+2 mit einer pulsweitenmodulierten Signal beaufschlagt. Bei dieser Ansteuerart müssen die Ausgangsstufen 60 lediglich eine Spannung, die z. B. eine Betriebsspannung +U sein kann, ein- und ausschalten, so daß keine Verluste durch analoge Spannungsänderungen auftreten können. Durch die Induktivitäten der Wickelstränge X_n, Y_n+1, Z_n+2 werden die Pulse der beaufschlagenden Spannung integriert. Der Motor kann durch Variation der Pulsweite beschleunigt oder verzögert werden. Eine nicht dargestellte Regelschaltung erzeugt Pulsweitenwerte PWM, die der Hauptsteuerschaltung 10 und der zusätzlichen Steuerschaltung 20 zur Erzeugung der jeweiligen pulsweitenmodulierten Signale dienen, mit denen die Wickelstränge X_n, Y_n+1, Z_n+2 beaufschlagt werden. Bei der zusätzlichen Steuerschaltung 20 werden die Pulsweitenwerte PWM der Regelschaltung als Ausgangsgröße für die Ansteuerung des jeweiligen, einer Kommutierung vorangehenden Wickelstranges verwendet, wobei die Pulsweite der Ausgangsgröße dann in Abhängigkeit einer Funktion geändert wird. Diese Funktion wird durch die Drehzahl des Rotors 50 und/oder durch den Motorstrom bestimmt, indem die zusätzliche Steuerschaltung 20 einen von einem Sensor 40 ermittelten Drehzahlwert und/oder Motorstromwert auswertet.

Fig. 2 veranschaulicht die Wirkungsweise der Kommutierungsschal­ tung. In diesem Schaubild ist der Stromverlauf in den Wickel­ strängen X_n, Y_n+1, Z_n+2 über der Zeit t aufgetragen. Der Strom in einem Kommutierungszeitpunkt t₀ in einem vorangehenden Wickelstrang ist mit I_n bezeichnet, der Strom in einem nachfolgenden Wickelstrang mit I_n+1. Der Gesamtstrom als die Summe der Ströme I_n und I_n+1 in den beiden Wickelsträngen ist mit I_ges bezeichnet.

Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Erfindung ist der Strom.

In und der Gesamtstrom I_ges, der sich bei ausschließlicher Umschaltung von einem vorangehenden zu einem nachfolgenden Wickelstrang ergeben würde, also bei einer Kommutierungsschaltung ohne die zusätzliche Steuerschaltung 20 , gestrichelt dargestellt. Im Kommutierungszeitpunkt t₀, wenn die Versorgungsspannung vom in Kommutierungsrichtung vorangehenden Wickelstrang n schlagartig abgeschaltet wird, sinkt der durch den Abbau der im Wickelstrang gespeicherten magnetischen Energie noch weiter fließende Strom schnell ab und erreicht den Wert Null bereits zu einem Zeitpunkt t₁. In diesem Zeitpunkt hat aber der Strom im nachfolgenden Wickelstrang n+1 noch nicht seinen stationären Wert erreicht. Dies ist erst im Zeitpunkt t₂ der Fall. Dadurch ergibt sich im gesamten Bereich zwischen dem Kom­ mutierungszeitpunkt t₀ und dem Zeitpunkt t₂₁ in dem der in Kom­ mutierungsrichtung nachfolgende Wickelstrang erst seinen statio­ nären Stromwert erreicht hat, ein Einbruch des Gesamtstromes I_ges.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird der in Kommutierungs­ richtung vorangehende Wickelstrang auch nach dem Kommutierungs­ zeitpunkt noch weiter bestromt, wobei jedoch die Stromstärke ge­ steuert abgesenkt wird. Dies ist durch die ausgezogene Linie für den Strom I_n dargestellt. Die durch die Steuerschaltung 20 steuerbare Steilheit des Stromverlaufs ist hier deutlich geringer als bei der gestrichelt gezeichneten Kurve. Im vorliegenden Fall ist die Funktion, nach der sich die Stromstärke im vorangehenden Wickelstrang vermindert so bemessen, daß die Stromstärke erst dann den Wert Null erreicht, wenn die Stromstärke im nachfolgenden Wickelstrang ihren stationären Wert erreicht hat. Der sich aus dieser Maßnahme ergebende Gesamtstrom weist zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₂ nun keinen Einbruch mehr auf, sondern eine Erhöhung, die zweckmäßig so bemessen wird, daß dieser erhöhte Strom zu einem Ausgleich des sich auch bei konstanter Bestromung im Kommutierungszeitpunkt einstellenden Drehmomenteinbruchs führt.

Fig. 3 zeigt schließlich noch ein Spannungs-Zeitdiagramm, das die Wirkung der Steuerschaltung 20 veranschaulicht. Im Kommutie­ rungszeitpunkt t₀ wird zunächst der von der Regelschaltung ge­ lieferte Pulsweitenwert als Ausgangsgröße übernommen. Ausgehend von diesem Wert wird die Pulsweite der Spannung, mit der der in Kommutierungsrichtung vorangehende Wickelstrang beaufschlagt wird, nach und nach verringert. Die Darstellung zeigt die durch die Steuerschaltung 20 veränderten Spannungspulse ausgezogen ge­ zeichnet und die im Kommutierungszeitpunkt als Ausgangsgröße vorgegebenen Spannungspulse gestrichelt gezeichnet.

Die in Fig. 1, in Block 1 dargestellten Elemente 10, 20, 60, 70, 71 und 80 können zu einem integrierten Schaltkreis integriert werden.

Die Erfindung ist auf elektronisch kommutierte und durch analoge oder digitale Signale angesteuerte Motoren mit beliebiger Anzahl n-eckiger oder sternförmig verschachtelter Motorstränge anwendbar.

Claims (9)

1. Motorantrieb mit einer an die Wickelstränge eines Motors angeschlossen elektronischen Kommutierungsschaltung, welche den Wickelsträngen zyklisch einen Strom zuführt, indem der Strom im Kommutierungszeitpunkt von einem in Kommutierungsrichtung voran­ gehenden zum nachfolgenden Wickelstrang umgesteuert wird, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kommutierungsschaltung im Kommu­ tierungszeitpunkt zusätzlich zur Bestromung der in Kommutie­ rungsrichtung nachfolgenden Wickelstränge die Bestromung des in Kommutierungsrichtung vorangehenden Wickelstranges unter gesteu­ erter Absenkung der Stromstärke fortsetzt.

2. Motorantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungsschaltung den Strom des in Kommutierungsrich­ tung vorangehenden Wickelstranges gemäß einer Strom-Zeit-Funkti­ on absenkt, die eine geringere Flankensteilheit besitzt, als ei­ ne Strom-Zeit-Funktion, die einem Abschalten der an dem vorange­ henden Wickelstrang anliegenden Spannung entspricht.

3. Motorantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungsschaltung die Bestromung des in Kommutie­ rungsrichtung vorangehenden Wickelstrang solange fortsetzt, bis der Strom des nachfolgenden Wickelstranges etwa einen stationä­ ren Wert erreicht hat.

4. Motorantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kommutierungsschaltung eine zusätzliche Steuerschaltung umfaßt, welche den in Kommutierungsrichtung vor­ angehenden Wickelstrang ab dem Kommutierungszeitpunkt mit einer pulsweitenmodulierten Spannung beaufschlagt, deren Pulsweite in Abhängigkeit einer Steuerfunktion verringerbar ist.

5. Motorantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Steuerschaltung mit einem Tachogenerator verbun­ den ist und die Steuerfunktion in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl des Motors veränderbar ist.

6. Motorantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Steuerschaltung bei einer Kommutierungs­ schaltung, welche die Wickelstränge mit einer pulsweitenmodul­ ierten Spannung beaufschlagt, den von einer Drehzahlregelschal­ tung im Kommutierungszeitpunkt gelieferten Pulsweitenwert als Anfangsgröße für die Beaufschlagung des vorangehenden Wickel­ stranges mit der pulsweitenmodulierten Spannung auswertet.

7. Motorantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Steuerschaltung bei einer Kommutierungs­ schaltung, welche die Wickelstränge mit einer analogen Spannung beaufschlagt, den von einer Drehzahlregelschaltung im Kommutie­ rungszeitpunkt gelieferten Regelspannungswert in einen Pulswei­ tenwert konvertiert, der als Anfangsgröße für die Beaufschlagung des vorangehenden Wickelstranges mit der pulsweitenmodulierten Spannung dient.

8. Motorantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Steuerschaltung bei einer Kommutierungs­ schaltung, welche die Wickelstränge mit einer analogen Spannung beaufschlagt, den von einer Drehzahlregelschaltung im Kommutie­ rungszeitpunkt gelieferten Regelspannungswert als Anfangsgröße eines analogen Steuersignals auswertet, das in Abhängigkeit ei­ ner Steuerfunktion verringert wird und dieses analoge Steuersi­ gnal in Pulsweitenwerte für die Beaufschlagung des vorangehenden Wickelstranges mit der pulsweitenmodulierten Spannung konver­ tiert.

9. Motorantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kommutierungsschaltung einen Sensor zur Ermittlung des Kommutierungszeitpunktes umfaßt, der zwei im Ma­ gnetfeld des Motorrotors angeordnete Hallelemente und eine mit den Hallelementen verbundene Koinzidenzschaltung zur Bestimmung eines gemeinsamen Spannungsnulldurchganges der Hallelemente als Schaltkriterium umfaßt.