DE2006487A1

DE2006487A1 - Tachometrische Gegenkopplungsanordnung für einen Halleffekt-Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2006487A1
Application number: DE19702006487
Authority: DE
Inventors: M. Marc; Grancoin M. Bernard; Paris Bregeault
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1969-02-17
Filing date: 1970-02-13
Publication date: 1970-09-03
Also published as: DE2006487C3; GB1292719A; FR2034171B1; DE2006487B2; FR2034171A1; US3597643A

Description

Unser Zeichen: T 856

THOMSON-CSP

101 BA.Murat, Paris 16^e/Prankreich

Tachoraetrische GegenkopplungsanOrdnung für einen Halleffekt-Gleichstrommotor

Die Erfindung bezieht sich auf eine tachometrische Gegenkopplungsanordnung für einen Halleffekt-Gleichstrommotor, welche die Anwendung des Motors in Regel anordnungen erleichtert.

Bei den Stellungsregelsysteraen, die im allgemeinen eine tachometrische Gegenkopplung verwenden müssen, ist es erforderlich, in Verbindung mit Motoren üblicher Art einen Tachometergenerator zu verwenden, also eine zweite Maschine vergleichbarer Grosse, die mit der Motorwelle gekuppelt ist. Raumbedarf und Kosten des Systems werden dadurch also praktisch verdoppelt.

Die Erfindung bezieht sich auf Halleffekt-Motoren mit einem Halleffekt-Resolver, der Spannungen liefert, die sich in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors sinusförmig ändern, und das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung des zuvor angegebenen Nachteils durch die Schaffung von Mitteln, mit welchen die Tachometerspannungen im Resolver sei bat gebildet werden können.

Eine tachometrische Gegenkopplungmnordnung für einen Halleffekt-Gleichstromraotor mit einem Resolver,dessen Stator zwei im elektrischen Winkel ΤΓ/2 zueinander

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lei/3a

angeordnete Hall-Generatoren trägt, und dessen Rotor ρ Polpaare mit fester Magnetisierung hat, und mit einem Motorelement, dessen Stator zwei von den Hall-Generatoren gespeiste Wicklungen trägt und dessen Rotor gleichfalls ρ Polpaare mit fester Magnetisierung aufweist und mit dem Rotor des Re3olvers verbunden ist, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass zwei Spulen vorgesehen sind, die j3veils einen der beiden Hall-Generatoren zugeordnet und so angeordnet sind,das3 sie unter der Wirkung des vom Rotor des Resolvers erzeugten Magnetfelds stehen, dass die Spulen gegenüber den zugeordneten Hall-Generatoren Jeweils um Winkel versetzt sind, die , bis auf Vielfache von ff/p , einem vorbestimmten gemeinsamen Winkelabstand gleich sind, und dass jede Spule in Serie mit dem zugeordneten Hall-Generator geschaltet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

Fig.1 einen nach der Erfindung ausgeführten Halleffelet-Gleichstrommotor in Vorderansicht und in Schnittansicht,

Fig.2 eine andere Ausführungsfora des Motors von Fig.2,

Fig.3 das elektrische Schaltbild des nach der Erfindung ausgebildeten Halleffekt-Motors und

Fig.4 verschiedene Abänderungen der elektrischen Schaltung des Halleffekt-Gleichstrommotors nach der Erfindung.

Fig.1 zeigt bei (a) in Vorderansicht und bei (b) in einem Schnitt nach der Linie OX einen mehrpoligen Halleffekt-Motor der Art, wie er in der deutschen Patentanmeldung P 19 58 546.7 beschrieben ist, und der

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mit einer tachometrischen Gegenkopplungsanordnung nach der Erfindung ausgestattet ist.

Ein solcher Motor ist in der genannten Patentanmeldung in einzelnen beschrieben. Sr enthält einen Resolver und ein Motorelement, die aneinandergefügt sind. Der Resolver enthält einen St3torring 1 aus weichnagnetischem Material, der zwei Hall-Generatoren 3 und 4 trägt.

Die radiale Halbebene, die Teil einer Symmetrieebene für den Generator 3 bildet und die Zeichenebene von Pig.1

(3) in der Linie OX schneidet, dient als Sezugshalbebene.

Die Hall-Generatoren 3 und 4. liegen voneinander in einem Winkelabstand, der des elektrischen Winkel T/2 entspricht, d.h. in einea geometrischen Winkelabstand von ~/2p, wenn ρ die "^olpaarzahl des Rotors ist.

Der Rotor 2 enthält al30 ρ Polpaare 21 ( in vorliegenden Fall ρ = 3), die durch weicasa^netische Blechpakete gebildet sind, in welche Permanentmagnete 20 eingespannt sind, die senkrecht zn den ihre Symmetrieebener: bildenden Radialebenen des Rotors abwechselnd im einen und im anderen Sinn magnetisiert sir.ä. Der so gebildete Rotor ist den Resolver und dea Kotorelement gemeinsam. Seine Winkelstellung ist durch die Lr.ge der Sycmetriehalbebene eines beliebigen Besugspols engegeben, wobei die Schnittlinie dieser Halbebene nrit der Sichenebene durch CY dargestellt ist. Der Statorteil des Motorelements enthält ein weichcagnetisches Blechpaket 5, in dessen lauten zwei mehrpolige Wicklungen mit ρ Polpaaren eingelegt sind, die gegeneinander um den elektrischen Winkel T/2 versetzt sind, und von denen ein Teil 51 dargestellt ist.

Tie tachometrische Gegenkopplungsanordnung enthält ZViQi gleiche Wicklungen 5 und 6 mit η Windungen, die

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um den Statorring 1 in einem Winkelabstand von 2 '"Γ/3 bzw. von T"/6+ ~~/Ί> von der B_ezugshalbebene OX und damit vom Hall-Generator 3 angeordnet sind.

Diese Anordnung arbeitet in folgender Weise: Die Hall-Generatoren 3 und 4 liefern Spannungen, die dem durch sie hindurchgehenden Steuerstrom I sowie cos 3 θ bzw. sin 3 θ proportional sind, wobei θ die augenblickliche Winkelstellung des Rotors 2 (Winkel zwischen OX und OY) darstellt. Ganz allgemein lassen sich für einen Rotor mit ρ Polpaaren die von den Hall-Generatoren 3 und 4 gelieferten Spannungen folgendermassen schreiben:

V₅ = K I_g B₀ cos ρ θ
V₄ = - K I_g B₀ sin ρθ

Darin ist K der Hall-Koeffizient der als gleich angenommeneα Hallgeneratoren und B ι
Induktion im Luftspalt.

Hallgeneratoren und B der maximale Wert der magnetischen

Pur eine den Ring 1 umgebende Spule mit η Windungen, die in eine^ V.'inkelabstand v^ von der Bezugshalbebene OX entfernt ist, beträgt die Induktion im Luftspalt in Jedem Zeitpunkt :

B = 2_o cos ρ ( ^- θ ) (1)

und der effektiv durch die Spule hindurchgehende Magnetfluss ist gegeben durch :

0 = 0_O sin ρ ( f - Θ)

Venn sich der Rotor mit der Winkelgeschwindigkeit \lf dreht, gilt θ = '-*-t, wenn zur Vereinfachung angenommen •.vird, dass θ = 0 zum Zeitpunkt t = O, und die in einer solchen Spule induzierte Spannung ist daher :

V = η V_Q ρ ^: cos ρ ( ^ - ^t) = η V ρ to cos ρ ( V -θ ) 009836/U18

Eine solche Spannung hat eine Amplitude , die der Winkelgeschwindigkeit CJ proportional ist, und sie kann daher eine Tachoraeter-Wechselspannung bilden. Pur eine Spule, die in der Winkelstellung γ= k₁ jr/p liegt, worin k., eine ganze Zahl ist, ist die induzierte Spannung also:

Υ. = + η V ρ oj cos ρ Θ,

wobei das Vorzeichen davon abhängt, ob k.. gerade oder ungerade ist.

Dies ist der Fall für die Spule 5, die um den Winkel 2^*"/3 von der Achse OX entfernt ist (k. geradzahlig), und in der die folgende Spannung induziert wird:

Vc = η V₀ ρ cd cos ρ θ Für eine Spule, die in einer Winkelstellung

angeordnet ist, worin kp eine ganze Zahl ist (oder, was auf dasselbe hinauskommt, die im Winkelabstand (kp + 1) ^Vp vom Generator 4 liegt), ist die induzierte Spannung :

^V2 ⁼ i ⁿ ^o ^{p iv sin} P ⁹'

wobei das Vorzeichen davon abhängt, ob kp gerade oder ungerade ist.

Dies ist der Fall für die Spule 6, die im Abstand yT/6 + von der Achse OX liegt (kp ungerade), und in der die folgende Spannung induziert wird:

V₆ = - η V₀ ρ co sin ρ Ο.

Wenn man die von den Spulen 5 und 6 gelieferten Spannungen jeweils einer der von den Hallelektroden 30, 31 des Generators 3 bzw. von den Hallelektroden 40, 41 des Generators 4 gelieferten Spannungen entgegenschaltet (Fig.3),

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haben die von den Motorwicklungen 12 und 13 über die Verstärker 10 bzw. 11 gelieferten Spannungen den folgenden

^V12 = V₃ - V₅ = cos ρ 9 ( K I_g B₀ - η V₀ ρ ^)

^Y13 = ^V4 - ⁷S = - ^sin P ^{Ö (K 1}S ^Bo - ^{n V}o ^p ^J)

Man legt also an die um den dektrischen Winkel "V 2 gegeneinander versetzten Motorwicklungen zwei Spannungen gleicher Amplitude, die aber um 90° phasenverschoben sind, und die den Hall-Spannungen V, und \\ proportional sind, wodurch zwar das Auftreten eines konstanten Drehmoments bestimmt wird, dessen .'aplitude jedoch um einen der Winkelgeschwindigkeit ■-<- des Motors proportionalen Wert verringert ist. Man hat also eine Gegenkopplung tachometrischer Art ohne Verwendung einer zusätzlichen Maschine einfach dadurch erzielt, dass Spannungen verwendet werden, die in Spulen indiziert werden, die auf dem Resolver selbst angeordnet sind. Da es sich hierbei aber um V/echselspannungen handelt, unterscheidet sich ihre Anwendung von derjenigen einer tachometrischen Spannung in den üblichen Regelanordnungen, bei denen die Spannung von der den Motor steuernden Fehlerspannung abgezogen wird. Im vorliegenden Fall werden nämlich die erhaltenen Spannurgen nicht von dem Steuersignal I des Motors abgezogen, sondern direkt von den Hall-Spannungen selbst.

Dies gilt unabhängig von der Drehrichtung de3 Motors. Wenn san nämlich beispielsweise den Drehsinn dadurch umkehrt, dass die Richtung des von der Quelle 9 (Fig.3) gelieferten Steuerstroms I der Hall-Generatoren umgekehrt

wird, ändern sowohl I nls auch '^ das Vorzeichen, so

g
dass stets eine richtige Gegenkopplung erhalten wird.

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Bei des zuvotfbeschriebencn Beispiel werden Spulen 5 und 6 verwendet, die unc den gleichen Winkel 2Vc TT/p die Hall-Generatoren 3 bzw. 4 versetzt sind.

Ks int ,iedoch offensichtlich, iss die Spulen auch in einem Winkel (2k + 1) '"⁷T /p in Bezug auf die Hall-Generatoren angeordnet sein könnten. In dieses Pail wären die in den faulen 5 und 6 induzierten Spannungen nicht near gegensinnig su den Hall-Spannungen, sondern sie wurden zu diesen add^:ert werden.

2s ist für den Fachmann offensichtlich,dass daraus auch kombinierte Lösungen für die Anordnung der Spulen abgeleitet werden können, ohne dass sich an dem beschriebenen Prinzip etwas ändert. Dieses Prinzip eignet sich offensichtlich auch für den Fall des zweipoligen Halleffekt-Motors, der in der französischen Patentschrift 1 ?S8 84.8 beschrieben ist.

Fig.2 zeigt eine andere Anordnung der Gegenkopplungsspulen . Die Spulen 7 und 8 sit η Windungen sind ia Luftspalt selbst angeordnet, wobei die Windungsebene senkrecht sir magnetischen Induktion ia Luftspalt liegt, und sie befinden sich in eines V."infcelabstand von "~/6 *3 ·νΥ3 bzw. 3 ~"/3 von der Bezugshalbebene OX , also von Hall-Generator 3.

Da die Induktion ita Luftspalt an einem Punkt mit dem Winkelabstand V stets durch die Gleichung (1) gegeben ist, ist in diesen Fall der Magnetfluss, der durch die an diesem Punkt angebrachte Spule geht, gegeben durch:

0» = 0^ cos ρ ( ^Y - Θ)

009836/U18 _BAt)

und die bei einer Winkelgeschwindigkeit ο des Rotors induzierte Spannung ist gegeben durch:

V = - η VJ ρ cJsin ρ (ψ- θ )

Für eine Spule, die in der Winkelstellung

ΐ " 2p ⁺ ρ

angeordnet ist, wobei kl eine ganze Zahl ist, ist die induzierte Spannung gegeben durch:

^Y\ ~ ± ^{n v} ₀ P ¹^ ^cos P ^θ» wobei das Vorzeichen davon abhängt, ob ki gerade oder ungerade

Dies ist der Tall für die Spule 7, die im Winkelabstand Tr/S + 35 7Γ/J (k!j ungerade) angeordnet ist, und in der die folgende Spannung induziert wird:

V- = η Vl ρ U/ cos ρ θ

7ür eine Spule, die in einer Winkelstellung Y = k£ ST /p (oder, was auf das gleiche hinauskommt, im Abstand ^"/2p -»- 'el £~/p vom Hall-Generator 4) angeordnet ist, eilt:

wobei das Vorzeichen dsron abhängt, ob k£ gerade oder ungerade

Lies ist der Fall der Spule 8, die im Winkel 3^/3 (ki ungerade) angeordnet ist, und in der die folgende Spannung induziert wird:

Vg = - η VJ ρ uJ sin ρ Ο

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_ 9 —

AiTch. hier verfügt nan wieder über Spannungen V~ und Yg, deren Amplitude der Winkelgeschwindigkeit Uj proportional ist. und die man den Hall-Spannungen V, bzw. V, entgegenschalten kann, daait eine tachometrische Gegenkopplung erzielt wird. Dies gilt allgemeiner für Luft spa lt.. spulen, die im Winkelabstand f'/2p + (2k¹+ 1) " /p von den Hall-Generatoren 3 bzw. 4 angeordnet sind.

Wie suvor könnte man auch zwei Spulen im Winkelabstand T/2p + 2k¹ '~ /p von den Hall-Generatoren anordnen oder eine kombinierte Lösung anwenden.

Die tachometrischen Gegenkopplungsspannungen, die in der in Pig.3 angegebenen Weise verwendet werden, können jedoch nicht eingestellt werden. Bei der Anordnung von Pig.3 sind die Schaltungsteile 10 und 11 Verstärker, welche die Motorwicklungen 12 bzw. 13 speisen.

In Fig.4 sind drei Schaltungsbeispiele dargestellt, bei denen die tachoraetrische Gegenkopplung einstellbar ist. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist jeweils nur ein Kanal dargestellt. In Fig.4a ist die Spule 5 parallel zu einem einstellbaren Widerstand 18 geschaltet (die gleiche Schaltung wird bei der Spule 6 angewendet).

In Fig.4b ist eine aus dem Widerstand 15 und dem einstellbaren Widerstand 14 bestehende Potentiometeranordnung parallel zu der Spule 5 geschaltet. Schliesslich ist in Fig.4c eine aus dem Widerstand 16 und dem einstellbaren Widerstand 17 bestehende Potentioneteranordnung parallel zu dem Hall-Generator geschaltet.

Patentansprüche

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Claims

Pstentansnrüche

Tachometrische Gegenkopplungsanordnung für einen HaIleffekt-Gleichstrommotor ait einen Resolver , dessen Stator zwei in elektrischen Winkel T-''/2 zueinander angeordnete Hall-Generatoren trägt und dessen Rotor ρ Polpaars ait fester Magnetisierung hat, und mit einem Motorelenent, dessen Stator zwei von den Hall-Generatoren gespeiste Wicklungen trägt und dessen Rotor gleichfalls ρ Polpaare πit fester Magnetisierung aufweist und mit dem Rotor des Resolvers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Spulen vorgesehen sind, die jeweils einen der beiden Hall-Generatoren zugeordnet und so angeordnet sind, dass sie unter der Wirkung des von P.otcr des Resolvers erzeugten Magnetfelds stehen, dass die Spulen gegenüber den zugeordneten Hall-Generatoren jeweils un Winkel versetzt sind, die, bis auf Vielfache von TT/p, eir.on vorbestimmten gemeinsamen Winke labstand gleich sind, und dass jede Spule in Serie mit dem zugeordneten Hall-Generator geschaltet is

t.

, Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen im Luftspalt des Resolvers angeordnet sind, und das3 der vorbestinnte gemeinsame Winkelabstand im wesentlichen gleich ^/2ρ ist.

_# Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator des Resolvers einen den Magnetfluss sammelnden Ring 2U3 weichmagnetischem Material aufweist, dass die Spulen um diesen Ring gewickelt sind, und dass der vorbestitnmte geraeinsace V/inkelabstand im wesentlichen den Wert ITuIl hat und die zwischen Spulen und Hall-Generatoren von Hull verschiedene Vielfache von '■> /p sind.

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Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Spule ein einstellbarer Widerstand parallelgeschaltet ist.

Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, das3 Jeder Spule eine Serienschaltung aus einem Widerstand vlvA einen einstellbaren Widerstand parallelgeschaltet ist, und dass der zugeordnete Hall-Generator zwischen einer Klenge der Spule und dem Verbindungspunkt der Widerstände ingeschlossen ist.

Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeden Hall-Generator eine Serienschaltung aus einen Widerstand und einem einstellbaren Widerstand parallelgeschaltet ist, und dass die Spule an den Verbindungspunkt der "niderstände angeschlossen ist.

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