DE19812966A1 - Small brushless DC motor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung richtet sich auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor, insbe sondere Kleinmotor, mit einem Polradlagegeber zur Erkennung der Rotor position und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention is directed to a brushless DC motor, in particular special small motor, with a pole wheel position sensor to detect the rotor position and a process for its manufacture.
Derartige bürstenlose Gleichstrommotoren eignen sich im Vergleich zu herkömmlichen kollektorbehafteten Motoren beispielsweise hervorragend als Antrieb für Modelleisenbahnen, weil sie das Problem des Kollektorver schleißes und der damit einhergehenden Wartung vermeiden, ein hervorra gendes Anlaufverhalten und Verhalten bei niedriger Drehzahl bzw. Fahrge schwindigkeit aufweisen und vor allem im Vergleich zu kollektorbehafteten Motoren eine erheblich höhere elektromagnetische Verträglichkeit aufwei sen.Such brushless DC motors are suitable compared to conventional collector motors, for example, excellent as a drive for model railways because they solve the problem of the collector avoid wear and the associated maintenance, a prominent Start-up behavior and behavior at low speed or Fahrge have speed and especially in comparison to collectors Motors have a significantly higher electromagnetic compatibility sen.
Das Problem bei derartigen bürstenlosen Kleinst-Gleichstrommotoren be steht jedoch darin, daß deren Herstellungskosten extrem eng kalkuliert sind und deshalb bei einer Verbesserung der Eigenschaften solcher Motoren bzw. bei der Anpassung solcher Motoren für bestimmte Aufgaben, wie z. B. einen Modellbauantrieb, die technischen Möglichkeiten immer durch re striktive Kostenvorgaben eingeschränkt werden.The problem with such brushless miniature DC motors be is that their manufacturing costs are extremely tight and therefore with an improvement in the properties of such motors or when adapting such motors for certain tasks, such as. B. a model construction drive, the technical possibilities always by re strict cost targets can be restricted.
Um einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC, EC-Motor) betreiben zu können, ist es erforderlich, seine Rotorlage zu kennen oder mindestens zu wissen, wann der Rotor eine bzw. mehrere definierte Positionen durchläuft. To operate a brushless DC motor (BLDC, EC motor) , it is necessary to know its rotor position or at least to know when the rotor passes through one or more defined positions.
Die Erfassung der Rotorlage erfolgt mittels eines Polradlagegebers (PLG), welcher mit dem Motor meist eine Einheit bildet.The rotor position is recorded using a magnet wheel position sensor (PLG), which usually forms a unit with the engine.
Der PLG ist meist so ausgeführt, daß er als Ergebnis lediglich eine digitale Information liefert, welche aussagt, daß sich der Rotor innerhalb eines be stimmten Winkelbereichs befindet. Diese Information wird (entsprechend mit einer Regelung oder Steuerung verknüpft) dem Leistungsteil zugeführt (z. B. Pulswechselrichter) und die Motorphasen werden entweder positiv, negativ oder gar nicht bestromt.The PLG is usually designed so that it is only a digital result Provides information that says that the rotor is within a be agreed angular range. This information is (accordingly linked to a regulation or control) fed to the power section (e.g. pulse inverters) and the motor phases are either positive, energized negatively or not at all.
Als Sensorelemente im PLG werden meistens magnetisch sensitive Ele mente (z. B. Hallsensoren) in Verbindung mit dem Erregerfeld des Motors oder Lichtschranken in Verbindung mit einer entsprechend ausgeführten und mit der Motorwelle verbundenen Blende verwendet.Magnetic sensitive elements are mostly used as sensor elements in the PLG elements (e.g. Hall sensors) in connection with the field of excitation of the motor or light barriers in conjunction with a correspondingly designed one and used aperture connected to the motor shaft.
Ist die Information, welche der PLG liefert, aus irgendeinem Grund nicht korrekt, so werden die einzelnen Motorphasen zu früh oder zu spät be stromt. Dies führt dazu, daß sich der Wirkungsgrad verringert, die Drehmomentwelligkeit sowie die Blindstromaufnahme erhöhen, mech. Re sonanzen angeregt werden usw. Der PLG hat somit einen sehr großen Ein fluß auf das Gesaintverhalten eines derartigen Antriebs. Insbesondere kann sich eine unterschiedliche Leerlaufdrehzahl links-rechts ergeben.For some reason, the information that the PLG provides is not correct, the individual motor phases are loaded too early or too late flows. This causes the efficiency to decrease, which Increase torque ripple and reactive current consumption, mech. Right sonanzen are stimulated, etc. The PLG thus has a very large one flow on the overall behavior of such a drive. In particular, can there is a different idling speed left-right.
Die Hauptursache eines Fehlers eines PLG liegt meist darin, daß die ent sprechenden Sensorelemente (z. B. Hallsensoren, Lichtschranken) nicht ex akt plaziert sind. Bei gleicher Montagetoleranz wirkt sich dieser Fehler um so größer aus, je kleiner der Motor bzw. der PLG ist. The main cause of a PLG error is usually that the ent speaking sensor elements (e.g. Hall sensors, light barriers) not ex are placed. This error takes effect with the same assembly tolerance the smaller the motor or the PLG is.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen bür stenlosen Gleichstrommotor so auszugestalten, daß er herstellungs- und montagebedingte Toleranzen bei der Positionierung des PLG ausgleicht und verbesserte Laufeigenschaften bei kostengünstiger Herstellbarkeit auf weist.Proceeding from this, the invention has for its object a bur to design a seamless DC motor so that it can be manufactured and compensates for assembly-related tolerances when positioning the PLG and improved running properties with inexpensive manufacturability points.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ansteuer elektronik mit den mechanischen Motorkomponenten unmittelbar gekoppelt ist und einen Speicher zum Abspeichern der individuellen Eigenschaften des PLG des jeweiligen Motors aufweist, sowie eine Korrektureinrichtung zur Korrektur des von dem PLG abgegebenen Positionssignals in Abhän gigkeit von den Eigenschaften des PLG.This object is achieved in that the control electronics directly coupled with the mechanical engine components and a memory for storing the individual properties of the PLG of the respective motor, and a correction device for correcting the position signal emitted by the PLG in dependency the properties of the PLG.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient auch ein Verfahren zur Herstellung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, wobei den mechanischen Motorkompo nenten eine Ansteuerelektronik zugeordnet wird, in einem Probelauf oder dergleichen die individuellen Eigenschaften des jeweiligen PLG erfaßt und abgespeichert werden und die im Betrieb dann vom PLG abgegebenen Po sitionssignale in Abhängigkeit von den abgespeicherten Eigenschaften kor rigiert und diese korrigierten Signale über die Steuerung bzw. Regelung als Ansteuersignale umgesetzt werden.A method for producing a brushless DC motor, the mechanical motor compo Control electronics is assigned in a test run or the like recorded the individual properties of the respective PLG and are saved and the Po then released during operation by the PLG sition signals depending on the stored properties cor rigged and these corrected signals via the control or regulation as Control signals are implemented.
Beinhaltet der Gesamtantrieb einen PLG, welcher auf Grund von z. B. zu großer Plazierungsfehler der Sensorelemente einen zu großen und somit nichtakzeptablen Fehler aufweist, so kann dieser Fehler durch die erfin dungsgemäße Zusatzelektronik kompensiert werden. Does the overall drive include a PLG, which due to z. B. too large placement error of the sensor elements a too large and thus has unacceptable errors, this error can be invented additional electronics according to the invention can be compensated.
Angenommen, der PLG weist einen Fehler auf, derart daß er bereits eine bestimmte Lageinformation des Läufers ausgibt, noch bevor der Läufer die se Position erreicht hat, so muß man, um den Fehler des PLG zu kompen sieren, lediglich sein Ausgangssignal um eine bestimmte Zeit verzögern. Weist der PLG einen Fehler in umgekehrter Richtung auf, d. h. sein Aus gangssignal erscheint zu spät, so ändert sich prinzipiell nichts. In diesem Fall kann man entweder das Ausgangssignal um nahezu eine Periodendauer verzögern, oder man vertauscht die Zuordnung der einzelnen Sensorele mente untereinander und erhält somit eine entsprechend niedrigere Verzö gerungszeit.Assume that the PLG has an error such that it already has a outputs certain position information of the runner even before the runner position has to be reached in order to compensate for the error of the PLG sieren, only delay its output signal by a certain time. If the PLG has a fault in the opposite direction, i. H. his out signal appears too late, so nothing changes in principle. In this You can either drop the output signal by almost a period delay, or one reverses the assignment of the individual sensor elements elements with each other and thus receives a correspondingly lower delay preparation time.
Es ist jedoch zu beachten, daß die Verzögerungszeit in der Regel nicht kon stant ist. Die Verzögerungszeit hängt einerseits von der Motordrehzahl und andererseits von der Rotorlage bzw. in entsprechender Weise umgerechnet vom Ausgangssignal des PLG ab. Eine konstante Verzögerungszeit würde man nur bei einer konstanten Drehzahl erhalten und unter der Vorausset zung, daß alle Sensorelemente um den gleichen Winkelversatz positioniert worden wären und weiterhin das Erregerfeld bzgl. seiner Symmetrie ein ideales Verhalten aufweisen würde.However, it should be noted that the delay time is usually not con is constant. The delay time depends on the one hand on the engine speed and on the other hand converted from the rotor position or in a corresponding manner from the output signal of the PLG. A constant delay time would you only get at a constant speed and under the prerequisite tion that all sensor elements are positioned by the same angular offset would have been and still the field of excitation with regard to its symmetry would have ideal behavior.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungs beispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is described below on the basis of a preferred embodiment example explained in connection with the drawing. Show:
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 1 is a block diagram illustrating the method according to the invention and
Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schal tungsanordnung. Fig. 2 is a simplified block diagram of a circuit arrangement according to the invention.
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Anordnung, mit wel chem es möglich ist, den Fehler eines PLG zu kompensieren. Fig. 1 shows a simplified block diagram of an arrangement with which it is possible to compensate for the error of a PLG.
Hierbei wird mit x(t) das Ausgangssignal des PLG bezeichnet. Es kann sich hierbei sowohl um ein analoges wie auch um ein digitales Signal handeln. Dieses Signal wird um die Zeit tVERZ verzögert, wobei die Verzögerungszeit tVERZ wiederum vom Ausgangssignal x(t) des PLG abhängt wie auch von der Motordrehzahl n.The output signal of the PLG is referred to as x (t). This can be an analog as well as a digital signal. This signal is delayed by the time t VERZ , the delay time t VERZ in turn being dependent on the output signal x (t) of the PLG and on the engine speed n.
Strenggenommen hängt die Verzögerungszeit tVERZ auch noch von der Pol paarzahl Zp des Motors ab. Vereinfachend wurde dieser Parameter in Fig. 1 jedoch nicht mit berücksichtigt.Strictly speaking, the delay time t VERZ also depends on the number of pole pairs Z p of the motor. To simplify matters, however, this parameter was not taken into account in FIG. 1.
Fig. 2 zeigt ein entsprechendes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausfüh rungsform. Die zusätzliche Elektronik besteht im Wesentlichen nur aus einem Microcontroller (MC) und einem nichtflüchtigen Speicher, bei spielsweise EEPROM. In vielen Fällen ist bereits ein MC vorhanden, wel cher dann noch diese zusätzlichen Aufgaben erledigen kann; so daß nahezu kein Mehraufwand erforderlich ist. Fig. 2 shows a corresponding block diagram of a preferred embodiment. The additional electronics essentially consist only of a microcontroller (MC) and a non-volatile memory, for example EEPROM. In many cases an MC is already available, which can then do these additional tasks; so that almost no additional effort is required.
In Fig. 2 wird davon ausgegangen, daß der PLG an seinem Ausgang ein digitales 3 bit Wort zur Verfügung stellt, wie es meist der Fall ist. Des wei teren wird davon ausgegangen, daß der Antrieb einen Tachogenerator auf weist, welcher das Drehzahlsignal n zur Verfügung stellt. Sollte dies nicht der Fall sein so kann auf das Drehzahlsignal auch verzichtet werden. In diesem Fall kann sich der MC das Drehzahlsignal auch aus dem Ausgangs signal des PLG bilden.In Fig. 2 it is assumed that the PLG provides a digital 3-bit word at its output, as is usually the case. Furthermore, it is assumed that the drive has a tachometer generator which provides the speed signal n. If this is not the case, the speed signal can also be dispensed with. In this case, the MC can also form the speed signal from the output signal of the PLG.
Weiterhin wird angenommen, daß das EEPROM Werte beinhaltet, welche ein Maß dafür darstellen, um welchen Fehlerwinkel die einzelnen Senso relemente von der idealen Position abweichen. Ausgehend von der Motor drehzahl n, dem momentan anliegenden Digitalwert des PLG und den ge speicherten Werten im EEPROM berechnet der MC eine Verzögerungszeit, um welche er das Ausgangssignal des PLG verzögert an seinem Ausgang abgibt.Furthermore, it is assumed that the EEPROM contains values which represent a measure of the error angle by which the individual Senso deviate from the ideal position. Starting from the engine speed n, the currently applied digital value of the PLG and the ge values stored in the EEPROM, the MC calculates a delay time, by which it delays the output signal of the PLG at its output delivers.
Die entsprechenden Werte im EEPROM hängen prinzipiell nur vom PLG ab und brauchen in einem Initialisierungslauf nur einmal ermittelt zu wer den.The corresponding values in the EEPROM basically only depend on the PLG and only need to be determined once in an initialization run the.
Um die Werte im EEPROM zu initialisieren gibt es prinzipiell die zwei
nachfolgend aufgeführte Möglichkeiten:
Der Motor wird von einem zweiten Motor angetrieben und somit als Gene
rator betrieben. Die induzierten Spannungen (EMK) werden dem MC zuge
führt. Der MC berechnet aus dem Verlauf der induzierten Spannungen bei
verschiedenen Drehzahlen und dem Ausgangssignal des PLG die entspre
chenden Zeitdifferenzen, welche mit Hilfe des Drehzahlsignals in entspre
chende Winkelabweichungen umgerechnet und abgespeichert werden.There are basically two options for initializing the values in the EEPROM:
The engine is driven by a second engine and thus operated as a generator. The induced voltages (EMF) are fed to the MC. The MC calculates the corresponding time differences from the curve of the induced voltages at different speeds and the output signal of the PLG, which are converted and saved with the aid of the speed signal into corresponding angular deviations.
Bei einer zweiten Möglichkeit wird der Motor nicht von einem zweiten Motor angetrieben. Er wird vielmehr selbst im quasi Schrittmotorbetrieb auf unterschiedliche Drehzahlen gebracht. Der MC überwacht die indu zierte Spannung in der jeweils nichtbestromten Phase und berechnet sich mit dem Ausgangssignal des PLG die entsprechenden Zeitdifferenzen, wel che mit Hilfe des Drehzahlsignals in entsprechende Winkelabweichungen umgerechnet und abgespeichert werden.In a second option, the engine is not replaced by a second one Motor driven. Rather, it becomes quasi stepper motor operation brought to different speeds. The MC monitors the indu decorated voltage in the non-energized phase and is calculated with the output signal of the PLG the corresponding time differences, wel che with the aid of the speed signal into corresponding angular deviations can be converted and saved.
Bei der Überwachung der induzierten Motorspannungen genügt es voll ständig, wenn man sich darauf beschränkt lediglich die Nulldurchgänge zu detektieren.It is sufficient to monitor the induced motor voltages constantly if you limit yourself to just the zero crossings too detect.
Der Initialisierungslauf sollte für mehrere Drehzahlen durchgeführt werden. Auf diese Weise ist es weiterhin möglich, zusätzlich noch die Totzeit der Sensorelemente zu kompensieren.The initialization run should be carried out for several speeds. In this way it is still possible to add the dead time of the Compensate sensor elements.
Werden die Werte im EEPROM nach der ersten Möglichkeit ermittelt, so hat man zusätzlich noch den Vorteil, daß sich auch eine Asymmetrie des Erregerfeldes mitkompensieren läßt.If the values in the EEPROM are determined according to the first possibility, then one has the additional advantage that there is also an asymmetry of the Can also compensate for the excitation field.
Ohne weiteren Hardwareaufwand läßt sich auch noch die Totzeit des Lei stungsteils inklusive Ansteuerung kompensieren, falls diese bekannt ist und dem MC zugeführt wird.Lei dead time can also be achieved without any additional hardware Compensate the control unit including control if this is known and is fed to the MC.
Zusammenfassend läßt sich also feststellen:
Wie beschrieben lassen sich die Hauptfehler eines PLG kompensieren. Zu
sätzlich können auch noch die Totzeiten des Leistungsteils sowie die der im
PLG eingesetzten Sensorelemente kompensiert werden. Darüber hinaus ist
es auch möglich, eine Asymmetrie des Erregerfeldes zu kompensieren.
In vielen Fällen, in welchen bereits ein MC zur Ansteuerung des Lei
stungsteils oder zur Regelung eingesetzt wird, ist es möglich, die oben auf
geführten Fehler zu kompensieren ohne einen zusätzlichen bzw. mit einem
minimalen Mehraufwand an Hardware.In summary it can be said:
The main errors of a PLG can be compensated as described. In addition, the dead times of the power section and the sensor elements used in the PLG can also be compensated. In addition, it is also possible to compensate for an asymmetry of the excitation field. In many cases, in which an MC is already used to control the power part or to regulate, it is possible to compensate for the errors listed above without additional or with minimal additional hardware expenditure.
Es ergeben sich die Vorteile, daß der Gesaintantrieb einen höheren Wir kungsgrad und eine geringere Drehmomentwertigkeit aufweist. Des weite ren werden weniger mech. Schwingungen angeregt und Fertigungsstreuun gen betreffend den Motor und den PLG werden verringert. Die Leerlauf drehzahl links-rechts ist gleich.There are the advantages that the overall drive a higher we degree of efficiency and a lower torque value. The far less are mech. Vibrations stimulated and production spread conditions regarding the engine and the PLG are reduced. The idle speed left-right is the same.
Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht darin, die Lage der Sensorele mente des PLG überhaupt nicht oder nur grob zu positionieren, und alle hieraus resultierenden Fehler entsprechend zu kompensieren. Diese Mög lichkeit ist vor allem bei kleinen und preiswerten Motoren interessant, da sich eine bestimmte Positionsungenauigkeit der Sensorelemente bei kleinen Motoren bzw. PLG besonders stark auswirkt und die Kosten eines relativ genauen PLG zu den relativ niedrigen Motorkosten im keinem Vergleich stehen.Another possible application is the location of the sensor elements elements of the PLG not at all or only roughly, and all to compensate for errors resulting from this. This poss is particularly interesting for small and inexpensive engines, because a certain position inaccuracy of the sensor elements in small Motors or PLG has a particularly strong impact and the costs of a relative exact PLG to the relatively low engine costs in no comparison stand.
Claims (5)
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|---|---|---|---|
| DE19812966A DE19812966A1 (en) | 1998-03-24 | 1998-03-24 | Small brushless DC motor |
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