DE19815964B4

DE19815964B4 - Elektromotor

Info

Publication number: DE19815964B4
Application number: DE19815964A
Authority: DE
Inventors: Herbert Wallner
Original assignee: Dr Fritz Faulhaber GmbH and Co KG
Current assignee: Dr Fritz Faulhaber GmbH and Co KG
Priority date: 1998-04-09
Filing date: 1998-04-09
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2018-04-10
Also published as: DE19815964A1; GB2338126B; JP4295857B2; GB9908217D0; GB2338126A; JPH11318095A; US6184639B1; CH694568A5

Abstract

Bürstenloser Elektromotor mit eisenloser Wicklung und einer integrierten elektronischen Steuereinrichtung, der mit sinusförmigen Strömen betrieben wird, gekennzeichnet durch die Ausbildung als EC-Kleinstmotor, wobei als Drehstellungsgeber analoge Hallsensoren (15, 16, 17) vorhanden sind, die um 120° phasenverschoben zueinander angeordnet sind und unter Verwendung einer Rotorlagerecheneinheit (23) eine laufende Ermittlung der Maximal- und Minimalwerte der Hallsignale zur laufenden Kompensation von Amplitudenfehlern derselben durch laufende Kalibrierung der Hallsensoroffsetwerte und Amplitudennormierung erfolgt, sowie eine Berechnung des Drehwinkels über eine Arcus-Sinus-Tabelle, die aus zwei Hallsignalen, die zwischen 0 und 60° liegen, bestimmt wird und die Hallsignale mittels einer Gewichtsfunktion gemittelt werden, so dass absolute Positionswinkelinformationssignale erzeugt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenlosen Elektromotor mit eisenloser Wicklung und einer integrierten elektronischen Steuereinrichtung, der mit sinusförmigen Strömen betrieben wird.
Ein derartige gattungsgemäßen Motor ist aus der DE 4414527 C1 bekannt. Der darin beschriebene Motor soll insbesondere als Antriebsmotor für Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, eingesetzt werden. Die Pollageerfassung erfolgt bei diesem Motor mit einem Resolver. Derartige Resolver benötigen aber einen relativ großen Einbauraum.
Aus der DE 297 16 553 C1 ist ein Elektromotor bekannt, der mit sinusförmigen Strömen betrieben wird, wobei aber die Ansteuerung extern erfolgt und/oder sehr groß und teuer ist. Soweit in dieser Entgegenhaltung eine integrierte Steuerung vorhanden ist, ist weder ein hochauflösender Ist-Wert-Geber vorhanden, noch wird eine hochauflösende Positionsregelung ermöglicht.
Auch sind Elektromotoren bekannt, mit denen beispielsweise bei Werkzeugmaschinen 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 Antriebs erheblichen Einbauraum benötigt, der häufig nicht zur Verfügung steht. Es sind auch Elektromotoren bekannt, die kleine Abmessungen haben und in die eine elektronische Steuereinrichtung bereits integriert ist. Solche Motoren zeichnen sich durch erhebliche Momentenschwankungen aus, so dass eine exakte Drehzahlregelung nicht zu erreichen ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemäßen Elektromotor so auszubilden, dass er bei kleinen Abmessungen einen Positions- und Drehzahlregler integriert enthalten kann, der mit hoher Auflösung arbeitet.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass es sich um einen EC-Kleinstmotor handelt, wobei als Drehstellungsgeber analoge Hallsensoren vorhanden sind, die um 120° phasenverschoben zueinander angeordnet sind und unter Verwendung einer Rotorlagerecheneinheit eine laufende Ermittlung der Maximal- und Minimalwerte der Hallsignale zur laufenden Kompensation von Amplitudenfehlern derselben durch laufende Kalibrierung der Hallsensoroffsetwerte und Amplitudennormierung erfolgt sowie eine Berechnung des Drehwinkels über eine Arcus-Sinus-Tabelle, die aus zwei Hallsignalen, die zwischen 0° und 60° liegen, bestimmt wird und die Hallsignale mittels einer Gewichtsfunktion gemittelt werden, so dass absolute Positionswinkelinformationssignale erzeugt werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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 eingesetzt, die einfache und kostengünstige Bauteile sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
1 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor,
2 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles II in 1,
3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles III in 1,
4 in einem Blockschaltbild einen Lagereglermodus des erfindungsgemäßen Elektromotors,
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 Elektromotor wird durch einen digitalen Vierquadrantenregler kontrolliert, was zu einem hochdynamischen Antrieb mit hervorragenden Eigenschaften führt. Ein programmierbarer Stromregler macht es möglich, eine zusätzliche Momentenbegrenzung zu realisieren. Der Elektromotor 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 solchen Einsatzfall sind Werkzeugmaschinen, bei denen beispielsweise ein Schlitten zunächst im Eilgang mit hoher Geschwindigkeit zugeführt und anschließend mit langsamer Geschwindigkeit an seinen Bestimmungsort herangefahren werden muß.
Der Elektromotor hat ein vorzugsweise zylindrisches Gehäuse 1, auf dem unter Zwischenlage einer thermischen Isolierung 2, vorzugsweise 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 Netzanschlußleitung 8 geführt.
Der Flansch 3 nimmt eine elektronische Schalteinrichtung 9 mit wenigstens 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 Rotorwinkelinformationen zu erhalten, sind drei um 120° phasenverschobene analoge Hallsensoren 15 bis 17 (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 Hallsensoren 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 digitale Positions- und Drehzahlregler mit Sinuskommutierung integriert. Mit dem Positionsregler können auch Dreieck- und Trapezbewegungen erzeugt werden.
Die Positionsregelung wird anhand von 4 näher erläutert. Das zur Durchführung des Lagereglermodus des Elektromotors vorgesehene 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 Schnittstelle 19 ist es möglich, den Antrieb für die unterschiedlichsten Anwendungen 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 Parametrisierung 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 Vergleicher 21 zu. Er erhält die Istsignale 22 von einer Rotorlage-Recheneinheit 23. Unterscheiden sich die Sollwerte 20 von den Istwerten 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 Rotorlageberechnungseinheit 23 nachgeschaltet ist. Aus dem Soll-Ist-Vergleich erzeugt 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 Rotorlageberechnungseinheit 23. Der berechnete Rotorwinkel φ 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 gegebenenfalls nachgeregelt. Die drei Hallsensoren 15 bis 17 sind in sechs Phasen pro Umdrehung eingeteilt. Die Berechnung des Rotorwinkels 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 mathematische Generierung bestimmt. Auf diese Weise gelingt es, systematische Nichtsinusförmigkeit in den Hallsignalen zu kompensieren.
Dem 3-Phasen-Sinus-Kommutator 28 ist eine Schutzeinrichtung 30 zugeordnet, die ihn beispielsweise vor Spannungsspitzen und dergleichen schützt. Ein Überspannungsregler 31 sorgt dafür, eine Spannungsüberhöhung, die zu einer Zerstörung der elektronischen Bauteile führen würde, zu verhindern. Im Generatorbetrieb des Motors würde es im Gleichspannungszweig des Reglers zu einer Überspannung kommen, wenn das speisende Netzgerät keine Energie zurückspeisen kann, was der Normalfall ist. Der Überspannungsregler 31 verhindert eine solche Spannungsüberhöhung, indem bei Erreichen einer vorgegebenen Spannungsschwelle der Winkel φ zwischen dem Rotor 13 und dem Drehfeld ungünstiger eingestellt wird. Dadurch wird die überschüssige Energie beim Generatorbetrieb im Motor als thermische Energie verbraucht. Der Überspannungsregler 31 regelt dabei auf eine bestimmte Sollspannung, die vorgegeben werden kann.
Die elektronische Schalteinrichtung 9 wird im Beispielsfall mit einer Gleichspannung von 24 V betrieben.
Mit der elektronischen Schalteinrichtung 9 wird nicht nur eine Lageregelung, sondern auch eine Drehzahlregelung vorgenommen. Auch das zur Drehzahlregelung vorgesehene Programm ist im Microcontroller 9 abgelegt. Für die Drehzahlvorgabe ist die elektronische Schalteinrichtung 9 mit einem Analogeingang 32 versehen (5). Die für die Drehzahlvorgabe angelegte analoge Spannung, die beispielsweise im Bereich ± 10 Volt liegt, wird über eine analoge Rechenschaltung, vorzugsweise Operationssummierverstärker 33, auf einen Spannungsbereich von 0 bis 5 Volt umgerechnet. Diese Spannung wird mit einem nachfolgenden Verstärker 34 im Ausführungsbeispiel verzehnfacht. Die Signale der beiden Verstärker 33, 34 werden einem AD-Wandler 35 zugeführt, der vorzugsweise mit 10 bit arbeitet. 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 anzusehen, während ein großer Drehzahlbereich des Motors bis zu etwa 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 Drehzahlen ein AD-Wandler mit relativ geringer Auflösung (10 bit) ausreicht.
Die digital gewandelten Signale werden einer Solldrehzahlberechnungseinheit 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 zugeführt. Das digitalisierte Signal wird anschließend über einen Entlogarithmier-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 zugeführt, die der Rotorlage-Recheneinheit 23 nachgeschaltet ist. Aufgrund des Soll-Ist-Vergleiches liefert der Vergleicher 25 ein entsprechendes Regelsignal dem PI-Drehzahlregler 27, der ein entsprechendes 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 Berechnungseinheit 36 über geeignete Algorithmen zur Solldrehzahl n_soll zusammengefügt. 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 Übergang ist wegen der Gewichtsfunktion auch dann glatt, wenn die Bauelemente, wie Operationsverstärker, Widerstände und dergleichen, Fehler aufweisen. Solche Fehler würden auch zu einem Drehzahloffsetfehler führen. Dies wird jedoch durch eine einmalige Kalibrierung im Mikrocontroller 9 und durch Abspeicherung im EEPROM eliminiert. 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 Standardeinstellungen 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 EEPROM abgelegt werden. Auch die gesamte Bedienung des Elektromotors kann über die Schnittstelle 19 vorgenommen werden.
Der beschriebene Elektromotor zeichnet sich durch eine sehr kompakte und insbesondere einfache Ausbildung aus. Die Drehzahl- und Lageregelung ist in den bürstenlosen Motor integriert. Über die Regelung der Drehzahl der Motorwelle 12 und deren Lage in der beschriebenen 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 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 Bereich des Kühlkörpers 5 liegt zwischen etwa 4 und 5 cm, während das Motorgehäuse nur einen Durchmesser von etwa 3 bis 4 cm hat.

Claims

Bürstenloser Elektromotor mit eisenloser Wicklung und einer integrierten elektronischen Steuereinrichtung, der mit sinusförmigen Strömen betrieben wird, gekennzeichnet durch die Ausbildung als EC-Kleinstmotor, wobei als Drehstellungsgeber analoge Hallsensoren (15, 16, 17) vorhanden sind, die um 120° phasenverschoben zueinander angeordnet sind und unter Verwendung einer Rotorlagerecheneinheit (23) eine laufende Ermittlung der Maximal- und Minimalwerte der Hallsignale zur laufenden Kompensation von Amplitudenfehlern derselben durch laufende Kalibrierung der Hallsensoroffsetwerte und Amplitudennormierung erfolgt, sowie eine Berechnung des Drehwinkels über eine Arcus-Sinus-Tabelle, die aus zwei Hallsignalen, die zwischen 0 und 60° liegen, bestimmt wird und die Hallsignale mittels einer Gewichtsfunktion gemittelt werden, so dass absolute Positionswinkelinformationssignale erzeugt werden.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung einen digitalen Positionsregler, einen Drehzahlregler und eine Sinuskommutierung umfasst, wobei die Positionswinkelinformationssignale zur Sinuskommutierung mittels eines 3-Phasen-Sinus-Kommutators (28) zur Drehzahlberechnung und für die Positionsregelung verwendet werden.
Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speicherung der Maximalwerte und Minimalwerte der Hallsignale in einem EEPROM vorhanden ist, so dass auch nach Abschalten einer Versorgungsspannung diese Werte gespeichert bleiben.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung als Glockenankerwicklung ausgebildet ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (9) einen Analogeingang (32) zur Sollwertvorgabe der Drehzahl aufweist.
Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Analogeingang (32) ein Verstärker (33) nachgeschaltet ist, der das analoge Sollwertsignal, vorzugsweise eine Spannung, auf einen kleineren Wert herabsetzt.
Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verstärker (33) ein weiterer Verstärker (34) nachgeschaltet ist, der die herabgesetzten Sollwertsignale hochsetzt, beispielsweise verzehnfacht.
Elektromotor nach Anspruch 7, 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.
Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass den AD-Wandlern (35) eine Sollwertberechnungseinheit (36) nachgeschaltet ist, die die beiden Signale der AD-Wandler (35) zu einem Soll-Drehzahlwert (n_soll) zusammenführt.
Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert einem logarithmischen Verstärker zugeführt, in einem nachgeschalteten AD-Wandler digitalisiert und mittels eines Rechenalgorithmus entlogarithmiert wird.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinus-Kommutator (28) ein 3-Phasen-Sinus-Kommutator ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (9) eine Lageregelung (21, 24, 25) für eine Motorwelle (12) aufweist.
Elektromotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Solllage über eine Schnittstelle (19), vorzugsweise eine RS 232-Schnittstelle, vorgebbar ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinus-Kommutator (28) über eine Leistungsstufe (29), vorzugsweise eine MOSFET-Leistungsstufe, drei Phasensignale (A bis C) liefert.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an den Sinus-Kommutator (28) ein Überspannungsregler (31) angeschlossen ist, der im Generatorbetrieb des Elektromotors den Winkel (φ) zwischen dem Rotor (13) und dem Drehfeld verändert.