DE19815964A1 - Elektromotor - Google Patents

Abstract

Der Elektromotor weist eine eisenlose Wicklung und eine integrierte elektronische Steuereinrichtung auf. Die für die Drehzahlregelung vorgesehene elektronische Steuereinrichtung ist vom Elektromotor getrennt, so daß der Einbau eines solchen Antriebs erheblichen Einbauraum benötigt. DOLLAR A Um den Elektromotor so auszubilden, daß er bei kleinen Abmessungen eine sehr genaue Drehzahlregelung ermöglicht, wird der Elektromotor mit sinusförmigen Strömen und Spannungen gespeist. Durch die Sinuskommutierung lassen sich Momentenschwankungen auf ein Minimum verringern, so daß eine sehr genaue Drehzahlregelung in einfacher Weise möglich ist. DOLLAR A Der Elektromotor eignet sich infolge seiner geringen baulichen Abmessungen vorteilhaft zur Verwendung in kleinen Bauräumen, wie sie bei Werkzeugmaschinen vorliegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind Elektromotoren bekannt, mit denen beispielsweise bei Werk­ zeugmaschinen Schlitten angetrieben werden, um sie beispielsweise im Eilgang an die Bearbeitungsstelle heranzufahren und dann auf Vorschubgeschwindigkeit umzuschalten, um eine Bearbeitung am Werkstück vorzunehmen. Die für die Drehzahlregelung vorgesehene elektronische Steuereinrichtung ist vom Elektromotor getrennt, so daß der Einbau eines solchen Antriebes erheblichen Einbauraum be­ nötigt, der häufig nicht zur Verfügung steht.

Es sind auch Elektromotoren bekannt, die kleine Abmessungen ha­ ben und in die eine elektronische Steuereinrichtung bereits integriert ist. Solche Motoren zeichnen sich durch erhebliche Momenten­ schwankungen aus, so daß eine exakte Drehzahlregelung nicht zu erreichen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Elektromotor so auszubilden, daß er bei kleinen Abmessungen eine sehr genaue Drehzahlregelung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Elektromotor erfindungs­ gemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 ge­ löst.

Der erfindungsgemäße Elektromotor wird mit sinusförmigen Strömen oder Spannungen gespeist. Durch die Sinuskommutierung lassen sich Momentenschwankungen auf ein Minimum verringern, so daß eine sehr genaue Drehzahlregelung in einfacher Weise möglich ist. Darüber hinaus zeichnet sich der erfindungsgemäße Elektromotor durch eine hohe Laufruhe und einen hervorragenden Gleichlauf bei kleinsten Drehzahlen aus.

Als Istwertgeber für die Kommutierung, die Drehzahl und auch für die Position der Motorwelle werden vorteilhaft lineare Hallsensoren ein­ gesetzt, die einfache und kostengünstige Bauteile sind.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren An­ sprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Elek­ tromotor,

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles III in Fig. 1,

Fig. 4 in einem Blockschaltbild einen Lagereglermodus des er­ findungsgemäßen Elektromotors,

Fig. 5 in einem Blockschaltbild einen Drehzahlreglermodus des erfindungsgemäßen Elektromotors.

Der Elektromotor ist ein bürstenloser Motor mit eisenloser Wicklung und integriertem Positions- und Drehzahlregler. Er zeichnet sich durch eine Sinuskommutierung aus, die Momentenschwankungen auf ein Minimum reduziert und eine hohe Laufruhe sicherstellt. Der Elek­ tromotor wird durch einen digitalen Vierquadrantenregler kontrolliert, was zu einem hochdynamischen Antrieb mit hervorragenden Eigen­ schaften führt. Ein programmierbarer Stromregler macht es möglich, eine zusätzliche Momentenbegrenzung zu realisieren. Der Elektro­ motor zeichnet sich durch sehr kompakte Abmessungen aus und kann überall dort eingesetzt werden, wo ein großer Drehzahlbereich oder ein guter Gleichlauf erforderlich ist. Ein Beispiel für einen sol­ chen Einsatzfall sind Werkzeugmaschinen, bei denen beispielsweise ein Schlitten zunächst im Eilgang mit hoher Geschwindigkeit zuge­ führt und anschließend mit langsamer Geschwindigkeit an seinen Be­ stimmungsort herangefahren werden muß.

Der Elektromotor hat ein vorzugsweise zylindrisches Gehäuse 1, auf dem unter Zwischenlage einer thermischen Isolierung 2, vorzugswei­ se einer Klebehülse, ein Flansch 3 befestigt ist. Auf ihm ist mit Schrauben 4 ein Kühlkörper 5 mit Kühlrippen 6 unter Zwischenlage einer Wärmeleitfolie 7 befestigt. In den Flansch 3 ist eine Netzan­ schlußleitung 8 geführt.

Der Flansch 3 nimmt eine elektronische Schalteinrichtung 9 mit we­ nigstens einer Platine 10 auf, auf der MOSFETs 11 vorgesehen sind. Aus dem Gehäuse 1 ragt auf der dem Flansch 3 gegenüberliegenden Seite eine Motorwelle 12, die einen Rotor 13 trägt. Der Rotor 13 ist von einem Stator 14 umgeben. Um absolute Rotorwinkelinformatio­ nen zu erhalten, sind drei um 120° phasenverschobene analoge Hall­ sensoren 15 bis 17 (Fig. 4 und 5) vorgesehen. Sie arbeiten mit einer hohen Auflösung. Durch einen geeigneten Algorithmus, der Maxima und Minima der Hallsignale ermittelt, ist eine laufende Kalibrierung der Hallsensoroffsetwerte und eine Amplitudennormierung, d. h. eine Kompensation der Amplitudenfehler, möglich. Die analogen Hallsen­ soren 15 bis 17 dienen als Istwertgeber für die Kommutierung, die Drehzahl und die Position.

Der Elektromotor ist ein EC-Kleinstmotor, der vorzugsweise mit einer Glockenankerwicklung versehen ist. In den Elektromotor ist der digi­ tale Positions- und Drehzahlregler mit Sinuskommutierung integriert. Mit dem Positionsregler können auch Dreieck- und Trapezbewegun­ gen erzeugt werden.

Die Positionsregelung wird anhand von Fig. 4 näher erläutert. Das zur Durchführung des Lagereglermodus des Elektromotors vorgese­ hene Programm ist in einem Mikrocontroller 18 abgelegt, der Teil der elektronischen Schalteinrichtung 9 im Flansch 3 ist. Über eine Schnittstelle 19, vorzugsweise eine RS 232-Schnittstelle, wird die Soll-Lage des mit dem Motor anzutreibenden Gerätes, wie der Schlitten einer Werkzeugmaschine, vorgegeben. Über die Schnitt­ stelle 19 ist es möglich, den Antrieb für die unterschiedlichsten An­ wendungen zu konfigurieren. Die Einstellungen werden vorteilhaft in einem EEPROM abgelegt, das Werte auch nach dem Abschalten 'der Versorgungsspannung gespeichert hält. Auch die gesamte Bedienung der Einheit kann über diese Schnittstelle 19 vorgenommen werden. Es ist möglich, entsprechende Befehle über ein einfaches ASCII- Terminal-Programm vorzugeben. So können beispielsweise die Pa­ rametrisierung und Modeeinstellungen der Einheit von einem PC aus durchgeführt werden. Auch ist es möglich, im praktischen Einsatz die Kommunikation von einer zentralen Steuerung aus herzustellen.

Die Schnittstelle 19 führt die Sollwerte 20 für die Sollage einem Ver­ gleicher 21 zu. Er erhält die Istsignale 22 von einer Rotorlage- Recheneinheit 23. Unterscheiden sich die Sollwerte 20 von den Ist­ werten 22, liefert der Vergleicher 21 ein entsprechendes Signal an einen Lageregler 24. Er erzeugt eine Solldrehzahl n_soll, die einem Vergleicher 25 zugeführt wird. Er erhält auch die Istdrehzahl n_ist von einer Drehzahlberechnungs-Einheit 26, die der Rotorlageberech­ nungseinheit 23 nachgeschaltet ist. Aus dem Soll-Ist-Vergleich er­ zeugt der Vergleicher 25 ein Regelsignal, das einem Drehzahlregler 27 zugeführt wird. Mit ihm wird ein 3-Phasen-Sinus-Kommutator 28 geregelt, dessen drei Phasen A bis C über eine Leistungsendstufe 29 mit den MOSFETs 11 dem Motor zugeführt werden.

Die Hallsensoren 15 bis 17 erfassen den Drehwinkel des Rotors 13 und liefern entsprechende Signale an die Rotorlageberechnungsein­ heit 23. Der berechnete Rotorwinkel wird sowohl dem 3-Phasen- Sinus-Kommutator 28 als auch der Drehzahlberechnungseinheit 26 zugeführt. Auf diese Weise wird mit hoher Auflösung und damit mit hoher Genauigkeit der Drehwinkel des Rotors 13 erfaßt und gegebe­ nenfalls nachgeregelt. Die drei Hallsensoren 15 bis 17 sind in sechs Phasen pro Umdrehung eingeteilt. Die Berechnung des Rotorwinkels ϕ erfolgt über eine Arcus-Sinus-Tabelle aus zwei Hallsignalen, die zwischen 0° und 60° liegen. Über Gewichtsfunktionen, die aus den Hallsignalen abgeleitet werden, erfolgt eine Mittelung, so daß ein glatter Übergang von der einen zur nächsten Phase erreicht wird. Die Arcus-Sinus-Tabelle wird durch eine Aufzeichnung der Hallsignale über einen hochgenauen Referenzimpulsgeber und eine mathemati­ sche Generierung bestimmt. Auf diese Weise gelingt es, systemati­ sche Nichtsinusförmigkeit in den Hallsignalen zu kompensieren.

Dem 3-Phasen-Sinus-Kommutator 28 ist eine Schutzeinrichtung 30 zugeordnet, die ihn beispielsweise vor Spannungsspitzen und der­ gleichen schützt. Ein Überspannungsregler 31 sorgt dafür, eine Spannungsüberhöhung, die zu einer Zerstörung der elektronischen Bauteile führen würde, zu verhindern. Im Generatorbetrieb des Mo­ tors würde es im Gleichspannungszweig des Reglers zu einer Über­ spannung kommen, wenn das speisende Netzgerät keine Energie zu­ rückspeisen kann, was der Normalfall ist. Der Überspannungsregler 31 verhindert eine solche Spannungsüberhöhung, indem bei Errei­ chen einer vorgegebenen Spannungsschwelle der Winkel ϕ zwischen dem Rotor 13 und dem Drehfeld ungünstiger eingestellt wird. Da­ durch wird die überschüssige Energie beim Generatorbetrieb im Mo­ tor als thermische Energie verbraucht. Der Überspannungsregler 31 regelt dabei auf eine bestimmte Sollspannung, die vorgegeben wer­ den kann.

Die elektronische Schalteinrichtung 9 wird im Beispielsfall mit einer Gleichspannung von 24 V betrieben.

Mit der elektronischen Schalteinrichtung 9 wird nicht nur eine Lage­ regelung, sondern auch eine Drehzahlregelung vorgenommen. Auch das zur Drehzahlregelung vorgesehene Programm ist im Microcon­ troller 9 abgelegt. Für die Drehzahlvorgabe ist die elektronische Schalteinrichtung 9 mit einem Analogeingang 32 versehen (Fig. 5). Die für die Drehzahlvorgabe angelegte analoge Spannung, die bei­ spielsweise im Bereich ± 10 Volt liegt, wird über eine analoge Re­ chenschaltung, vorzugsweise Operationssummierverstärker 33, auf einen Spannungsbereich von 0 bis 5 Volt umgerechnet. Diese Span­ nung wird mit einem nachfolgenden Verstärker 34 im Ausführungs­ beispiel verzehnfacht. Die Signale der beiden Verstärker 33, 34 wer­ den einem AD-Wandler 35 zugeführt, der vorzugsweise mit 10 bit ar­ beitet. Durch Einsatz der beiden Verstärker 33, 34 wird ein großer Drehzahlbereich mit einer hohen Auflösung abgedeckt. Als kleiner Drehzahlbereich für den Rotor ist ein Bereich bis etwa 100 U/min an­ zusehen, während ein großer Drehzahlbereich des Motors bis zu et­ wa 10.000 U/min reicht. Bei kleinen Drehzahlen ist, um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, eine hohe Auflösung notwendig. Vorteil dieser Methode ist, daß für eine hohe Auflösung bei kleinen Dreh­ zahlen ein AD-Wandler mit relativ geringer Auflösung (10 bit) aus­ reicht.

Die digital gewandelten Signale werden einer Solldrehzahlberech­ nungseinheit 36 zugeführt, die die beiden Digitalwerte zu einem Drehzahlwert n_soll zusammenfügt. Anstelle der beiden Verstärker 33, 34 ist es möglich, einen logarithmischen Verstärker zu verwenden, der bei kleinen Drehzahlen des Elektromotors die Auflösung erhöht. In diesem Fall wird das logarithmierte Signal einem AD-Wandler zu­ geführt. Das digitalisierte Signal wird anschließend über einen Ent­ logarithmier-Algorithmus (Exponentialfunktion) zum Drehzahlsollwert n_soll gewandelt. Der Sollwert n_soll wird dem Vergleicher 25 zugeführt, der ihn mit dem Drehzahlistwert n_ist vergleicht. Dieser Istwert wird dem Vergleicher 25 von der Drehzahlberechnungseinheit 26 zuge­ führt, die der Rotorlage-Recheneinheit 23 nachgeschaltet ist. Auf­ grund des Soll-Ist-Vergleiches liefert der Vergleicher 25 ein entspre­ chendes Regelsignal dem PI-Drehzahlregler 27, der ein entspre­ chendes Signal dem 3-Phasen-Sinus-Kommutator 28 zuführt. Über die Leistungsendstufe 29 werden die vom Kommutator 28 gelieferten Phasensignale erzeugt. Die Hallsensoren 15 bis 17 erzeugen für die Phasen A bis C des Elektromotors entsprechende Hallsignale, die der Rotorlage-Recheneinheit 23 als Istsignale zugeführt werden.

Die vom AD-Wandler 35 gelieferten Signale werden in der Berech­ nungseinheit 36 über geeignete Algorithmen zur Solldrehzahl n_soll zu­ sammengefügt. Über entsprechende Gewichtsfunktionen gelingt es, bei kleinen Drehzahlen eine, Auflösung von 2 U/min und bei hohen Drehzahlen eine Auflösung von 20 U/min zu realisieren. Der Über­ gang ist wegen der Gewichtsfunktion auch dann glatt, wenn die Bau­ elemente, wie Operationsverstärker, Widerstände und dergleichen, Fehler aufweisen. Solche Fehler würden auch zu einem Drehzahl­ offsetfehler führen. Dies wird jedoch durch eine einmalige Kalibrie­ rung im Mikrocontroller 9 und durch Abspeicherung im EEPROM eli­ miniert. In gleicher Weise wird auch der Skalierungsfaktor kalibriert.

Bei der Auslieferung ist der Elektromotor mit der integrierten Lage- und Drehzahlregelung mit einer Standardeinstellung versehen. So ist der Analogeingang 32 für die Drehzahlregelung so eingestellt, ,daß durch eine analoge Spannung zwischen -10 Volt und +10 Volt eine Sollwertvorgabe der Drehzahl möglich ist. Diese Standardeinstellun­ gen können jederzeit über die Schnittstelle 19 entweder vom Kunden oder ab Werk entsprechend den Wünschen geändert werden. Der Elektromotor kann darum für die unterschiedlichsten Anwendungen sehr einfach konfiguriert werden. Diese Einstellungen können im EE- PROM abgelegt werden. Auch die gesamte Bedienung des Elektro­ motors kann über die Schnittstelle 19 vorgenommen werden.

Der beschriebene Elektromotor zeichnet sich durch eine sehr kom­ pakte und insbesondere einfache Ausbildung aus. Die Drehzahl- und Lageregelung ist in den bürstenlosen Motor integriert. Über die Re­ gelung der Drehzahl der Motorwelle 12 und deren Lage in der be­ schriebenen Weise wird über einen sehr großen Drehzahlbereich mit einer hohen Auflösung gearbeitet, insbesondere auch bei kleinen Drehzahlen. Aufgrund seiner geringen baulichen Abmessungen kann der Motor vorteilhaft in kleinen Bauräumen untergebracht werden. Die Fig. 1 bis 3 zeigen den Motor im Maßstab 2 : 1. Die axiale Länge des Motors einschließlich des Kühlkörpers 5 mit den Kühlrippen 6 beträgt nur etwa 8 bis 10 cm. Der Durchmesser des Motors im Be­ reich des Kühlkörpers 5 liegt zwischen etwa 4 und 5 cm, während das Motorgehäuse nur einen Durchmesser von etwa 3 bis 4 cm hat.

Claims (16)

1. Elektromotor mit eisenloser Wicklung und mit einer integrierten elektronischen Steuereinrichtung,, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor mit sinusförmi­ gen Strömen oder Spannungen gespeist wird (Sinus-Kommu­ tator 28).

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der sinusförmigen Ströme oder Spannungen von einer Drehzahlregelung (25, 27) vorgegeben wird.

3. Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelung (25, 27) in den Elektromotor integriert ist.

4. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (9) einen Analogeingang (32) zur Sollwertvorgabe der Drehzahl aufweist.

5. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Analogeingang (32) ein Ver­ stärker (33) nachgeschaltet ist, der das analoge Sollwertsignal, vorzugsweise eine Spannung, auf einen kleineren Wert herab­ setzt.

6. Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (33) ein weiterer Verstärker (34) nachgeschaltet ist, der die herabgesetzten Soll­ wertsignale hochsetzt, beispielsweise verzehnfacht.

7. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der hochgesetzte Sollwert des weiteren Verstärkers (34) und der herabgesetzte Sollwert des anderen Verstärkers (33) je einem AD-Wandler (35) zugeführt werden.

8. Elektromotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß den AD-Wandlern (35) eine Soll­ wertberechnungseinheit (36) nachgeschaltet ist, die die beiden Signale der AD-Wandler (35) zu einem Soll-Drehzahlwert (n_soll) zusammenführt.

9. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert einem logarithmi­ schen Verstärker zugeführt, in einem nachgeschalteten AD-Wandler digitalisiert und mittels eines Rechenalgorithmus ent­ logarithmiert wird.

10. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinus-Kommutator (28) ein 3-Phasen-Sinus-Kommutator ist.

11. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrich­ tung (9) eine Lageregelung (21, 24, 25) für eine Motorwelle (12) aufweist.

12. Elektromotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollage über eine Schnittstelle (19), vorzugsweise eine RS 232-Schnittstelle, vorgebbar ist.

13. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinus-Kommutator (28) über eine Leistungsstufe (29), vorzugsweise eine MOSFET- Leistungsstufe, drei Phasensignale (A bis C) liefert.

14. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Drehzahl und/oder der Lage der Motorwelle (9) drei analoge Hallsensoren (15 bis 17) vorgesehen sind, die den drei Phasen (A bis C) zu­ geordnet sind.

15. Elektromotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (15 bis 17) Si­ gnale an eine Rotorlage-Rechnereinheit (23) liefern.

16. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß an den Sinus-Kommutator (28) ein Überspannungsregler (31) angeschlossen ist, der im Generator­ betrieb des Elektromotors den Winkel (ϕ) zwischen dem Rotor (13) und dem Drehfeld verändert.