DE19756791A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Kommutierung eines mehrsträngigen elektrischen Motors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Schaltungsanordnung mit einem Controller zur Kommutierung eines mehrsträngigen elektrischen Motors.

Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist beispielsweise aus der EP 0 574 435 B1 bekannt. Hier wird ein dreisträngiger Motor von einem Pulsgenerator über Ausgangsverstärker angesteuert. Über einen Sensor, der die Umdrehungen des Motors detektiert, wird eine Regelung bewirkt. Der Pulsgenerator dieser Anordnung erzeugt Rechtecksignale, die zyklisch die Zustände +1, 0, -1, 0, +1 usw. durchlaufen. Da bei bestimmten Übergängen zwischen diesen Zuständen Störimpulse auftreten, müssen geeignete Mittel zur Entstörung vorgesehen werden.

Aus der EP 0 259 764 B1 ist eine weitere Schaltungsanordnung zur Kommutierung eines elektrischen Motors bekannt, die auf digitalen Schaltungen basiert. Hier werden Kommutierungsimpulse eines am Motor angeordneten Sensors in einem Zähler und einer zugeordneten Logikschaltung verwendet, um drei phasenverschobene Signalspannungen zur Ansteuerung der drei Wicklungsstränge zu erzeugen. In einem nachfolgenden Decoder werden hieraus sechs phasenverschobene Signalspannungen generiert, aus denen über Inverter, ODER-Schaltungen und sechs Schalter Ströme mit rechteckförmiger Amplitude erzeugt werden, die den Motor ansteuern. Der Schaltungsaufwand ist hier relativ hoch, insbesondere, da durch die sechs Schalter hohe Ströme geschaltet werden müssen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Kommutierung eines mehrsträngigen elektrischen Motors und ein diesbezügliches Verfahren anzugeben, das einen niedrigen Schaltungsaufwand aufweist bei guter Unterdrückung von Störimpulsen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Schaltungsanordnung zur Kommutierung der vorliegenden Erfindung enthält Schaltmittel, durch die, von einem Controler gesteuert, aus einer Versorgungsspannung oder einem entsprechenden Signal, einem Bezugspotential und einer dreieckförmigen Rampenspannung ein periodisches, trapezförmiges Steuersignal zur Ansteuerung eines jeweiligen Wicklungsstranges zusammengesetzt wird. Dieses Steuersignal enthält keine steilflankigen Schaltimpulse, so daß durch die Induktivitäten des Motors keine übermäßigen Störspannungen entstehen. Das Steuersignal wird insbesondere vor dem Endverstärker eines jeweiligen Wicklungsstranges zusammengesetzt, so daß keine hohen Ströme von den Schaltmitteln geschaltet werden. Zudem wird jeder Wicklungsstrang durch den Ausgangsverstärker jederzeit niederohmig betrieben, wodurch eine gute zusätzliche Dämpfung erreicht wird. Anstatt einer Versorgungsspannung kann auch ein aus der Versorgungsspannung abgeleitetes Signal oder ein sonstwie generiertes Signal verwendet werden.

Das periodische, trapezförmige Steuersignal wird durch zyklisches Umschalten aus den zwei Spannungen und dem Bezugspotential erzeugt, wobei der Umschaltzeitpunkt entweder von dem Controler vorgegeben oder aus Signalpulsen eines am Motor angeordneten Sensors S abgeleitet wird. Zur Erzeugung der Rampenspannung beispielsweise für einen Motor mit drei Wicklungssträngen werden z. B. 24 Zeitpunkte mit gleichem zeitlichen Abstand pro Motorumdrehung benötigt. Diese Zeitpunkte bestimmen die Zeitpunkte, aus denen die drei trapezförmigen Steuersignale zur Ansteuerung dieser Wicklungsstränge zusammengesetzt werden, wobei eine Rampenspannung für alle drei Wicklungsstränge genügt.

Die dreieckförmige Rampenspannung kann beispielsweise mittels zweier Strom- oder Spannungsquellen mit entgegengesetzter Polarität, zwischen denen periodisch umgeschaltet wird, und deren Ausgangsspannungen bzw. Ströme einen Kondensator periodisch laden und entladen, erzeugt werden. Es können aber auch andere Dreiecksgeneratoren verwendet werden, so kann beispielsweise die Rampenspannung von dem Controler digital durch Generierung einer Treppenspannung erzeugt werden. Da der Motor vorzugsweise durch eine vorgegebene Amplitude des Steuersignals und nicht durch Variation der Pulsbreite (PWM) gesteuert wird, muß gleichzeitig sichergestellt werden, daß die maximale Spannung der Rampenspannung mit dem Wert der Versorgungsspannung übereinstimmt.

Die Erzeugung der Versorgungsspannung und der Rampenspannung und die Schaltmittel können vorteilhafterweise zusammen mit dem zur Ansteuerung und Regelung benötigten Controller in eine integrierte Schaltung kombiniert werden, die nur noch wenige externe Bauteile benötigt. Anwendungen der Erfindung ergeben sich insbesondere für Synchronmotoren der Unterhaltungselektronik, beispielsweise wie sie in Videorecordern Verwendung finden, oder für Geräte der Computertechnik.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a einen Motor mit drei Wicklungssträngen und eine Schaltungsanordnung zur Kommutierung;

Fig. 1b den Motor und die Schaltungsanordnung der Fig. 1a mit einem Sensor zur Regelung und

Fig. 2 Sensorsignale eines am Motor angeordneten Sensors und hieraus abgeleitete Signale.

Der Motor 10 der Fig. 1a enthält drei Wicklungsstränge 1, 2, 3, die von Endverstärkern 11, 12, 13 angesteuert werden. Zur Ansteuerung dieser Wicklungsstränge 1, 2, 3 werden periodische, trapezförmige Steuersignale c, d, e, wie in der Fig. 2 dargestellt, verwendet. Diese werden aus einer Versorgungsspannung U0 (Fig. 1a), einem Bezugspotential, in diesem Ausführungsbeispiel Masse, und einer dreieckförmigen Rampenspannung Ur zusammengesetzt. Als Bezugspotential kann aber auch eine beliebige, von Null verschiedene Spannung verwendet werden, z. B. -Ur. Ein Controler P steuert die Erzeugung dieser Steuersignale c, d, e, in dem Schalter 4, 5, 6, an denen obige Spannungen U0 und Ur und Masse jeweils anliegen, periodisch weitergeschaltet werden. Das trapezförmige Steuersignal wird hierbei zeitlich aufeinanderfolgend aus einer positiven Rampe, der positiven Betriebsspannung Ur, einer negativen Rampe und Masse zusammengesetzt. Die dreieckförmige Rampenspannung Ur hat hierbei an den Umschaltzeitpunkten in Bezug auf die Betriebsspannung U0 und Masse entsprechend gleiche Spannungswerte, so daß keine Unstetigkeitsstellen auftreten.

Das Anlaufen des Motors 10 wird bewirkt, indem der Controler P eine niedrige Umdrehungsfrequenz durch die Schalter 4, 5, 6 vorgibt und diese bis zum Erreichen des Normalbetriebs auf einen bestimmten Sollwert erhöht. Die Frequenz der Rampenspannung kann hierbei an die niedrige Anlauffrequenz angepaßt werden während des Hochlaufs, um abrupte Spannungsübergänge beim Umschalten zu vermeiden. - Die Schaltungsanordnung zur Kommutierung nach der Fig. 1a kann aber auch mit einem am Motor angeordneten Sensor ausgestattet sein, der Kommutierungszeitpunkte vorgibt, die dann sowohl im Normalbetrieb als auch zum Anlaufen des Motors genutzt werden können.

Die dreieckförmige Rampenspannung Ur wird in diesem Ausführungsbeispiel unter Verwendung zweier Stromquellen 8, 9 mit unterschiedlicher Polarität und einem Schalter 7 erzeugt. Der Schalter 7 zwischen den Ausgängen der Stromquellen 8, 9 wird periodisch durch den Controler P umgeschaltet, so daß unter Verwendung eines Kondensators C1, der entsprechend aufgeladen und entladen wird, eine dreieckförmige Rampenspannung Ur entsteht. Alternativ können anstatt der Stromquellen 8, 9 auch zwei Spannungsquellen mit einem Widerstand in Reihe zur Aufladung des Kondensators C1 verwendet werden oder ein sonstiger Dreiecksgenerator zur Erzeugung der Rampenspannung Ur. Die Rampenspannung Ur kann insbesondere auch digital durch den Controler P erzeugt werden, indem z. B. Treppenspannungen mit Hilfe eines Digital-Analog-Converters (DAC) generiert werden.

Die Betriebsspannung U0 ist eine konstante Spannung und wird in diesem Ausführungsbeispiel noch durch einen Kondensator C2 geglättet. Da die Schalter 4, 5, 6 vor den Ausgangsverstärkern 11, 12, 13 angeordnet sind, schalten sie nur geringe Leistungen, so daß als Schaltelemente insbesondere Transistoren für geringe Leistungen verwendbar sind. Hierdurch können die drei Schalter 4, 5, 6 vorteilhafterweise auch zusammen mit dem Rampengenerator 7, 8, 9 und dem Controler P in einen IC integriert werden. Als Endverstärker 11, 12, 13 können separate Leistungstransistoren verwendet werden. Da die Wicklungsstränge 1, 2, 3 direkt durch die Endverstärker 11, 12, 13 mit niedriger Impedanz angesteuert werden, werden im Motor 10 entstehende Störspannungen wirksam unterdrückt.

In der Fig. 1b ist eine Kommutierungsschaltung dargestellt, die über einen Sensor S eine Regelung der Motorgeschwindigkeit des Motors 10 bewirkt. Die Kommutierungsschaltung ist analog zu der der Fig. 1a aufgebaut, und gleiche Symbole besitzen die selben Bezugszeichen. Hier werden ebenfalls periodische, trapezförmige Steuersignale c, d, e zur Ansteuerung eines jeweiligen Wicklungsstranges 1, 2, 3 aus einer Versorgungsspannung U0, einer dreieckförmigen Rampenspannung Ur und einem Bezugspotential, in diesem Ausführungsbeispiel Masse, zusammengesetzt. Der Sensor S liefert in dieser beispielhaften Ausführung pro Motorumdrehung eine bestimmte Anzahl von Impulsen a, die gleiche zeitliche Abstände aufweisen, wie in der Fig. 2 dargestellt. Diese sind ein Maß für Position und Geschwindigkeit der Motorumdrehung und werden durch den Controler P zur Konstanthaltung der Motorgeschwindigkeit oder zum Beschleunigen bzw. Abbremsen genutzt. Die Steuerung des Motors geschieht in diesem Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise durch Steuerung der Amplitude, d. h. durch Variation der Versorgungsspannung U0. Diese wird durch den Controler P über ein Interface I, das z. B. einen Digital-Analog-Converter (DAC) enthält, generiert. Die Rampenspannung Ur wird ebenfalls digital erzeugt und kann von dem Controler P über das Interface I in seiner Frequenz und Amplitude der Versorgungsspannung U0 angepaßt werden, so daß durch die Schalter 4, 5, 6 jeweils möglichst ideale trapezförmige Steuersignale c, d, e zusammengesetzt werden.

Anhand der Fig. 2 wird die Erzeugung der periodischen, trapezförmigen Steuersignale c, d, e der Anordnung der Fig. 1b näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel liefert der Sensor S 24 impulsförmige Sensorsignale a pro Motorumdrehung entsprechend 360 Grad. Mit Hilfe dieser Impulse wird, wie vorangehend beschrieben, die dreieckförmige Rampenspannung Ur erzeugt, die eine Periode von 2 Sensorimpulsen aufweist. Über die Schalter 4, 5, 6 der Fig. 1b werden aus der Betriebsspannung U0, dem Bezugspotential Masse und der Rampenspannung Ur trapezförmige Steuersignale c, d, e mit einer Periode von z. B. 6 Sensorimpulsen erzeugt, die jeweils eine Phasenverschiebung von 2 Sensorsignalen untereinander aufweisen. Die zu den Sensorsignalen 1, 2, 3, 4, 5, gehörigen Umschaltzeitpunkte t1, t2, t3, t4, t5, . . . sind in der Fig. 2 unten gezeichnet. Anstatt dieser Versorgungsspannung U0 kann auch ein aus dieser Versorgungsspannung abgeleitetes Signal oder ein sonstwie generiertes Signal verwendet werden, um die trapezförmigen Steuersignale c, d, e zu erzeugen.

In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Länge der maximalen und der minimalen Amplitude jedes trapezförmigen Steuersignals c, d, e jeweils dem zeitlichen Abstand von zwei Markierungsimpulsen (t2 bis t4 bzw. t5 bis t7 bei Spannung c). Die Motorregelung kann über Amplitudenvariation bewirkt werden, wie anhand der Fig. 1b erläutert. Es ist aber auch möglich, die Breite der Maxima zu variieren, so daß ein pulsbreitenmoduliertes Steuersignal entsteht. In diesem Fall kann die Betriebsspannung U0 und die maximale Amplitude der Rampenspannung Ur konstant gehalten werden, so daß die Steuerung des Motors 10 allein über Pulsbreitenmodulation (PWM) erfolgt. Da die Zeitpunkte für die ansteigenden Flanken nicht verändert werden, wird hierdurch die Frequenz nicht verändert, sondern nur die Pulsbreite.

Bei 24 Sensorimpulsen pro Motorumdrehung ist die Periode der trapezförmigen Steuersignale c, d, e jeweils 6 Impulse und die jeweilige Phasenverschiebung 2 Impulse. Die Schalter 4, 5, 6 werden abwechselnd mit einer Periode von einem bzw. zwei Sensorimpulsen weitergeschaltet, der Schalter 7 mit jedem Sensorimpuls. Es können aber auch beispielsweise 12 Sensorimpulse pro Motorumdrehung für die Kommutierung verwendet werden, wobei hier die Schaltsignale für den Schalter 7 in dem Controller P erzeugt werden.

Die Schaltungsanordnungen der Fig. 1a und 1b geben jeweils eine Schaltungsanordnung für einen Motor mit drei Wicklungssträngen an, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellen. Andere Ausgestaltungen der Erfindung können ebenso für einen zweisträngigen Motor oder für Motoren mit mehr als drei Wicklungssträngen ausgeführt werden. Die in den Fig. 1a und 1b als Blöcke dargestellten Schaltungen dienen lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung. Diese können auch auf andere Weise zusammengefaßt und dargestellt werden bzw. auf verschiedene Arten integriert werden. Die in den Blöcken enthaltenen Elemente können auch getrennt ausgeführt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Kommutierung eines mehrsträngigen elektrischen Motors, dadurch gekennzeichnet, daß eine Versorgungsspannung oder ein entsprechendes Signal (U0), ein Bezugspotential und eine dreieckförmige Rampenspannung (Ur) bereitgestellt werden, aus denen unter Verwendung von Schaltmitteln (4, 5, 6) ein periodisches, trapezförmiges Steuersignal (c, d, e) durch einen Controler (P) zur Ansteuerung eines jeweiligen Wicklungsstranges (1, 2, 3) zusammengesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (4, 5, 6) vor einem Endverstärker (11, 12, 13) des jeweiligen Wicklungsstranges (1, 2, 3) angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dreieckförmige Rampenspannung (Ur) aus den Ausgangsströmen bzw. Spannungen zweier Strom- oder Spannungsquellen (8, 9) mit unterschiedlicher Polarität erzeugt wird, wobei die Amplitude der Rampenspannung (Ur) dem Betrag der Versorgungsspannung bzw. dem entsprechenden Signal (U0) entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dreieckförmige Rampenspannung (Ur) von dem Controler (P) digital durch Generierung einer Treppenspannung erzeugt wird.

5. Schaltungsanordnung zur Kommutierung eines mehrsträngigen elektrischen Motors (10) mit einem Controller (P), dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung Schaltmittel (4, 5, 6) enthält, durch die ein periodisches, trapezförmiges Steuersignal (c, d, e) aus einer Versorgungsspannung oder einem entsprechenden Signal (U0), einem Bezugspotential und einer dreieckförmigen Rampenspannung (Ur) zum Betreiben eines jeweiligen Wicklungsstranges (1, 2, 3) erzeugt wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (4, 5, 6) vor einem Endverstärker (11, 12, 13) des jeweiligen Wicklungsstranges (1, 2, 3) angeordnet sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zwei Strom- oder Spannungsquellen (8, 9) mit unterschiedlicher Polarität enthält, aus deren Ausgangsströmen oder Spannungen über einen Schalter (7) durch periodisches Umschalten die dreieckförmige Rampenspannung (Ur) erzeugt wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das trapezförmige Steuersignal (c, d, e) für einen jeweiligen Wicklungsstrang (1, 2, 3) durch zyklisches Umschalten aus der Versorgungsspannung bzw. dem entsprechenden Signal (U0), dem Bezugspotential und der Rampenspannung (Ur) erzeugt wird.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Sensor (S) enthält, der am Motor (10) angeordnet ist, zur Regelung der Motorgeschwindigkeit und/oder der Kommutierung.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) drei Wicklungsstränge (1, 2, 3) aufweist, daß der Sensor (S) eine durch 6 teilbare Zahl m an impulsförmigen Signalen pro Umdrehung des Motors erzeugt, daß die Periode der die Wicklungsstränge (1, 2, 3) ansteuernden Steuersignale (c, d, e) m/4 beträgt, daß die Periode des dreieckförmigen Rampensignals (Ur) m/12 beträgt, und daß die Schalter (4, 5, 6) abwechselnd mit einer Periode m/12 und m/24 weitergeschaltet werden.