DE19933156A1 - Steuerschaltung für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, insbesondere für einen permanentmagnetisch erregten Luftspulenmotor. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß aus der induzierten Motorspannung ein Stellsignal abgeleitet wird, mittels dessen die Zwischenkreisspannung derart gestellt wird, daß der sich ergebende Zwischenkreisstrom ein im wesentlichen konstantes Drehmoment bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft Treiberschaltungen für elektronisch kommutierte, permanent­ magnetisch erregte Gleichstromkleinmotoren mit geringer Induktivität, wie das bei Luftspulenmotoren der Fall ist, mit besonderen Anforderungen an die Laufruhe.

Diese Eigenschaft wird zunehmend wichtig für Spindelantriebe in Laufwerken, da die er­ zielbaren Speicherdichten zunehmen. Luftspulenmotoren eignen sich hier besonders, da sie keine störenden Klebemomente und Radialkräfte erzeugen.

Für bekannte Spindelantriebe werden ausschließlich genutete Eisenankermotoren einge­ setzt. Es gibt Vorschläge für Festplattenantriebe mit Luftspulenmotoren (Folienmotoren) mit innenliegendem Rotor (US 5714 828). Die neueste Entwicklung auf dem Gebiet der elektronischen Kommutierung von Motoren für Festplattenantriebe ist das "phase current shaping". Hier wird der Phasenstrom in den drei einzelnen Phasen moduliert, mit dem Zweck, einen bestimmten - beispielsweise etwa sinusförmigen - Verlauf der Phasenströme zu erzielen. In der Regel wird hierbei die Motorspannung pulsweiten-moduliert (PWM), da sonst die Schalterverluste sehr hoch wären. Der PWM Tastgrad dient als Stellgröße. Dieses Verfahren erfordert wegen der erschwerten Nulldurchgangserkennung der indu­ zierten Spannung i. d. R. eine PLL-unterstützte Kommutierungssteuerung. Ferner ist ein solches phase current shaping nicht ohne weiteres auf Luftspulenmotoren (z. B. mit Folien­ wicklung) übertragbar. Diese weisen im Vergleich zu den Eisenankertypen erheblich klei­ nere elektrische Zeitkonstanten auf (etwa ein Zehntel) und erfordern eine entsprechend höhere Taktfrequenz der PWM, was wiederum nur mit erhöhtem Aufwand zu realisieren wäre.

Ein anderes Verfahren zur Verringerung der Drehmomentenwelligkeit allein durch Modi­ fikation des Stroms im Zwischenkreis und unter Beibehaltung der konventionellen 120°- Block-Kommutierung wird in der EP 0773624 angegeben. Hier wird nach jedem Kom­ mutierungszeitpunkt die Motorspannung erhöht, um so einen etwas gleichmäßigeren Zwischenkreisstrom zu erzielen, und darüber betriebs- und induktivitätsbedingte "Dreh­ momenteneinbrüche" nach dem Umschalten zu vermeiden. Das Signal hierzu wird aus dem Entladevorgang eines RC-Glieds gewonnen. Tatsächlich läßt sich die Drehmomen­ tenwelligkeit auf diese Weise nur zu einem gewissen Grad reduzieren, da es ja gilt, das Produkt von Strom und Flußverkettungsänderung zu jeder Zeit konstant zu halten.

Hierfür ist aber eine ständige Anpassung des Stroms notwendig. Für Motoren mit sehr kleiner Zeitkonstante eignet sich dieses Verfahren wenig.

Es ist Aufgabe der Erfindung, kommutierungsbedingte Drehmomentenschwankungen von permanentmagnetisch erregten Motoren mit Lufrspulenwicklung zu verringern. Hierzu wird die 120° Block-Kommutierung mit Nulldurchgangserkennung beibehalten und allein der Zwischenkreisstrom wird moduliert. Das hierfür notwendige Signal wird dabei auf einfache Weise aus der induzierten Spannung gewonnen.

Dadurch wird die kommutierungsbedingte Drehmomentenwelligkeit induktivitätsarmer Gleichstromkleinmotoren verringert.

Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild den gesamten Antrieb bestehend aus dem Inverter 1, Motor 2, EMF-Kommutator 3 mit 120° Blockbetrieb und Nulldurchgangserkennung, sowie einem Block 4 zur Gewinnung des Referenzsignals (flux-monitoring & reference current evaluation) und einem Block 5, der diesen Referenzwert für den Zwischenkreisstrom mit Hilfe eines Stelleingriffs umsetzt.

Fig. 2 zeigt den Aufbau des Blocks 4 zur Referenzwertbildung im Einzelnen. Seine Eingangsgrößen sind das Kommutierungssignal V_FG, abgebildet in Fig. 4b, die gemessene induzierte Spannung E_sample, Fig. 4a, und ein Stellsignal V_i_av.

Die beiden Signale V_FG und E_sample stehen ohnehin im EMF-Kommutator 3 zur Ver­ fügung. Das Signal V_i_av ist der - in einer übergeordneten Geschwindigkeitsregelung erzeugte - Referenzwert für den zeitlichen Mittelwert des Motorstroms.

Der Referenzwert für den momentanen Motorstrom wird nun - wie in Fig. 2 dargestellt - gewonnen, indem zunächst in jeder zweiten Kommutierungsperiode E_sample invertiert wird, und das so erzeugte Signal E_sample2 integriert wird, was das Signal dFlux ergibt; siehe Fig. 4d. Dieses Signal dFlux wird an Block G weitergeleitet. Die Funktionsweise von Block G (reference current evaluation) wird nachfolgend erläutert.

Aus dem Signal dFlux läßt sich auf die in Fig. 3 angegebene Weise der Referenzwert für den Motorstrom gewinnen, der ein konstantes Motordrehmoment bewirkt. Fig. 3a gibt die hierfür notwendige Beziehung an. Diese Beziehung kann nach Fig. 3b näherungsweise sehr einfach ausgewertet werden, indem das Signal dFlux nach einer Verstärkung um einen einzustellenden konstanten Faktor c2 von dem - hier als konstant zu betrachtenden - Refe­ renzsignal V_i_av subtrahiert wird. Das so entstehende Signal V_i_ref ist in Fig. 4f abgebildet.

Der in Fig. 2 und Fig. 3 beschriebene Algorithmus kann, wie dort angedeutet, entweder mit Hilfe analoger oder auch digitaler Signalverarbeitung realisiert werden.

Das Signal V_i_ref ist nun die Führungsgröße für den Zwischenkreisstrom, welcher etwa mit Hilfe eines Soll-Ist-Wert Vergleichs mit anschließendem Stelleingriff eingestellt werden kann.

Dies kann etwa durch einen Längsregler im Zwischenkreis erfolgen, oder auch durch einen gemeinsamen Stelleingriff V_gate_man_com an den Invertertransistoren 1.

Die Erfindung hat die folgenden Vorteile:
Das dargestellte Verfahren erlaubt eine Verringerung der kommutierungsbedingten Dreh­ momentenwelligkeit von Luftspulenmotoren.

Es kommt ohne eine Modulation der einzelnen Phasenströme aus und kann daher mit dem herkömmlichen EMF-Kommutierungsverfahren kombiniert werden.

Das Referenzsignal kann auf vergleichsweise einfache Weise aus der induzierten Spannung gewonnen werden.

Claims (1)

1. Steuerschaltung für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, insbesondere für einen permanentmagnetisch erregten Luftspulenmotor, dadurch gekennzeichnet, daß aus der induzierten Motorspannung ein Stellsignal abgeleitet wird, mittels dessen die Zwischenkreisspannung derart gestellt wird, daß der sich ergebende Zwischenkreisstrom ein im wesentlichen konstantes Drehmoment bewirkt.