DE2304877A1

DE2304877A1 - Steuerschaltung fuer elektromotoren

Info

Publication number: DE2304877A1
Application number: DE2304877A
Authority: DE
Inventors: Kinzi Tanikoshi
Original assignee: Canon Inc; Canon Precision Inc
Current assignee: Canon Inc; Canon Precision Inc
Priority date: 1972-02-03
Filing date: 1973-02-01
Publication date: 1973-08-09
Also published as: US3900780A; GB1425225A; JPS5215762B2; JPS4881013A

Description

C anon,Kabushiki Kaisha

30-2, 3-chome, Shimomaruko

Ohta-ku, Tokio, Japan Canon Case

Steuerschaltung für Elektromotoren

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für bürstenlosen Gleichstrommotor, bei dem eine Mehrzahl von Dreibindenwicklungen in Abhängigkeit von Signalen einer Peststellungseinrichtung der Winkellage des Rotors nacheinander erregt werden, der eine Mehrzahl von Übertragern aufweist, und bei dem die Winkel, durch welche die Winkellage des Rotors festgestellt werden, einander laicht überlagert sind.

Bei den konventionellen Gleichstrommotoren werden metallische Kommutatoren und Bürsten zur Umkehr des antreibenden und durch die rotierenden Wicklungen schließenden Stromes benutzt. In Folge dessen sehen sich diese Motoren den Schwierigkeiten kurzer Wartungsabstände, Geräuschbildung und anderes gegenüber, die von den Bürsten ausgehen. Aus diesem Grunde sind bürstenlose Gleichstrommotoren entwickelt und benutzt worden.

Bei den meistbenutzten bürstenlosen Gleichstrommotoren besteht der Rotor im allgemeinen aus einem Permanentmagneten und die

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aufeinanderfolgenden Erregungen der treibenden Wicklungen werden in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors gesteuert. Ein bekannter bürstenloser Gleichstrommotor weist einen scheibenförmigen Magneten als Rotor auf, der in einem Paar von Lager drehbar gelagert ist, und koaxial zu dem Magneten ist eine Lichtabdeckscheibe angebracht, die zur Steuerung der aufeinanderfolgenden Erregungen der antreibenden Wicklungen dient. Die Lichtabdeckscheibe weist eine Aussparung auf, und zu beiden Seiten dieser Aussparungen sind Lichtquellen (Lampen oder elektroluminiszente Dioden) sowie fotoelektrische Wandler (Fotodioden) sich jeweils gegenüberstehend angeordnet. Wenn ein. dreiphasiger Antrieb bei einem solchen bürstenlosen Gleichstrommotor durchgeführt wird, ist der Winkel der Aussparung der Scheibe so gewählt, daß sie etwas größer als 120° ist, damit der drehbare Magnet aus einer beliebigen Winkellage aus starten kann. Deshalb wird die Summe der treibenden Ströme in den Wicklungen impulsförmig. Infolge dessen pulsiert auch das auf dem drehbaren Magneten ausgeübte Drehmoment. Diese Pulsation des Drehmomentes bringt schwierige Probleme bei Hochpräzisions-Gleichstrommotoren mit sich, die mit gleichförmiger Geschwindigkeit und gleichförmigem Drehmoment sich drehen sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung für bürstenlose Gleichstrommotoren zu schaffen, so daß diose

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mit gleichförmiger Geschwindigkeit und gleichförmigem Drehmoment antreibbar sind.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Schaltereinrichtungen, welche die Erregung der treibenden Wicklungen steuern, miteinander so verbunden sind, daß die Erregung der anderen treibenden Wicklungen hilfsweise gesteuert werden, während nur eine treibende Wicklung erregt ist.

Die Erregung der einen treibenden Wicklung wird demnach in Abhängigkeit davon gesteuert, ob andere treibende Wicklungen erregt sind oder nicht, so daß die Pulsation des Drehmomentes, die darauf zurückgeht, daß die Erregungen der antreibenden Wicklungen geschaltet werden, fast vollständig eliminiert werden kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden in der nun folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1A und 1B eine Vorderansicht und eine Seitenansicht

eines bekannten bürstenlosen Gleichstrommotors,

Fig. 2 . eine bekannte Steuerschaltung für den in

Fig. 1 gezeigten Motor, Stand der Technik,

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Fig. 3 Impulsdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Motors nach Fig. 1 und 2,

Fig. 4 A eine erste Ausführungsform einer elektronischen Steuerschaltung für bürstenlose Gleichstrommotoren gemäß Erfindung,

Fig. 4 B ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 4 A,

Fig. 5 eine praktische Ausführungsform der elektronischen Steuerschaltung nach Fig. 4A_f

Fig. 6 eine abgeänderte Ausführungsform der Steuerschaltung nach Fig. 4A,

Fig. 7 eine zweite abgeänderte Ausführungsform, Fig. 8 eine dritte abgeänderte Ausführungsform,

Fig. 9A und 9B eine Einrichtung zur Feststellung der Winkellage des Rotors, wobei Magnetdioden anstelle von Fotodioden benutzt werden,

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform der Einrichtung zur Winkelfeststellung,

Fig. 11 eine weitere Variation der Steuerschaltung nach Fig. 4 A und

Fig. 12 eine Variation der Steuerschaltung nach Fig. 8.

Ähnliche Bauteile sind in sämtlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

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Bei den meisten bürstenlosen Gleichstrommotoren besteht der Rotor aus einem Permanentmagneten und die aufeinanderfolgenden Erregungen der Wicklungen werden in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors gesteuert. Bei dem bekannten bürstenlosen Gleichstrommotor nach Fig. 1A und 1B wird ein scheibenförmiger drehbarer Magnet 1 von einer Welle 2 gehalten, welche wiederum von einem Paar von Lagern B₁ und B₂ gestütz ist. Eine Lichtabdeckscheibe P ist koaxial zum drehbaren Magnet 1 auf der Welle befestigt, um die aufeinanderfolgenden Erregungen der Wicklungen zu steuern. Entlang beider Seiten des Weges von Aussparungen P₁ in der Lichtabdeckscheibe P sind Lichtquellen LE₁, LEp und LE,, z.B. Lampen oder elektrolumniniszente Dioden, und fotoelektrische Elemente PT«., PTp und PT^, z.B. Fotodioden, jeweils gegenüberliegend angeordnet. Die treibenden Wicklungen W₁, W₂ und W-* mit den Klemmen T_c1 und T^₁, T_q2 und T^₂ sowie T_c, und T^, sind auf dem drehbaren Magneten 1 montiert und elektrisch mit den Kollektorkreisen von Transistoren T^₁, Tra₂ und Tra, in der elektrischen Schaltung nach Fig. 2 verwunden. Der Leitzustand der Transistoren Tra,,, Tra₂ und Tra^ wird mittels Transistoren Trb>j, Trb₂ und Trb-, über Signale von den fotoelektrischen Elementen PT₁, PT₂ und PT, gesteuert. In der Winkellage des drehbaren Magneten 1 nach F^g. 1A wird das von der Lichtquelle LE₁ ausgehende Licht von dem fotoelektrischen Element PT₁ aufgefangen, so daß die Transistoren Tr^ und

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leitend sind. Infolge dessen fließt ein antreibender Strom gemäß Zeile 1 in Fig. AB durch die Wicklung W^, so daß die Drehung des Magneten 1 gestartet wird. Wenn die Lichtabdeckscheibe P den von der Lichtquelle LE,. ausgehenden Lichtstrahl zu dem fotoelektrischen Element P^ unterbricht, da die Aussparung P₁ rotiert, wird die Zuführung des Stromes zu der Wicklung W^ unterbrochen, wie sich aus der Flanke f^ in Zeile 1 der Fig. 3 ergibt. Der Antriebsstrom fließt je.-doch·durch die Wicklung Wp, wie sich aus der Stelle r₂ in Zeile 2 der Fig. 3 ergibt, weil die Aussparung P> der Scheibe P sich zwischen der Lichtquelle LEp und dem fotoelektrisch^!' Element PT₂ bewegt, so daß die Transitoren Tra₂ und Trb₂ leitend werden. Deshalb wird der drehbare Magnet 1 kontinuierlich angetrieben* lsi Falle dreipliasiger Antriebswicklingen gesäö Fig, 1A wird der Winkel der Aussparung P^ der Scheibe P so -gewählt» daß er leicht den Wert von 120° übersenreitet» damit der drehbare Magnet 1 aus Jeder Winkellage aus gestartet werden kann. Deshalb wird die Summe der antreibenden Ströme in den Wicklungen .W. und Wp impulsf örmigj wie sich aus Zeile 4 der Fig. 3 ergibt» Wenn demnach die Antriebsströiae durcii die Wicklungen fließen, werden demnach die impulsförmigen Ströme aufeinanderfolgend an diese angelegt« Das Ergebnis ist eine Pulsation des auf den drehbaren Magneten 1 ausgeübten Drehmomentes. Diese Pulsation des Drehmomentes bringt schwierige Probleme für Hochpräzisions-Gleichstrommotoren mit sich» für die eine gleichförmige Gesehwinigteelt und ein

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gleichförmiges Drehmoment verlangt werden. Der bekannte bürstenlose Gleichstrommotor kann diesen Erfordernissen nicht genügen.

Es wird nunmehr auf Fig. 4A Bezug genommen. Fotodioden 4, 5 und 6 entsprechen den fotoelektrischen Elementen PT^, PTp und PT, nach Fig. 1A und fangen das von Lichtquellen ausgehende Licht auf, soweit dieses durch die Aussparung Py. der Lichtabdeckscheibe hindurch gelangt, die sich zusammen mit den drehbaren Magneten drehen. In den Kollektorkreisen von n-p-n Transistoren 8, 9 und 10 sind Wicklungen 11, 12 und 13 angeordnet, welche den Wicklungen W^, Wp und W-, nach Fig. 1A entsprechen. Torschaltungen 17, 18. und 19 sind mit den Fotodioden 4, 5 und 6 und den Basen und/oder Kollektoren der Transistoren 8, 9 und 10 verbunden. Widerstände 20, 21 und 22 sind in bekannter Weise mit den Basen der Transistoren 8, 9 und 10 sowie über einen EIN-AUS-Schalter 15 mit einer Betriebsspannungsquelle 16 verbunden.

Die Eingangsklemmen der Torschaltungen 17, 18 und 19 sind mit den Kollektoren der Transistoren 8, 9 und 10 so verbunden, daß, wenn die Transistoren 8, 9 und 10 leitend sind, ihre Kollektorspannungen fallen und die Torschaltungen ausgeschaltet werden.

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Nunmehr wird die Wirkungsweise der Schaltung beschrieben. Es sei angenommen, daß die Lichtabdeckscheibe den von der Lichtquelle zur Fotodiode 5 ausgehenden Lichtstrahl unterbricht, jedoch dem zur Fotodiode 6 gerichteten Lichtstrahl durch einen Schlitz passieren läßt und f eirer dem Licht ermöglicht, durch einen Schlitz auf die Fotodiode zu fallen. In Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Fotodiode 6 fließt der Strom in die Basis des Transistors 8, so daß dieser leitend wird. Infolge dessen fließt ein Strom durch die Wicklung 11, so daß der Rotor weiter beschleunigt wird und der Schlitz der Lichtabdeckscheibe es den tächtstrahlen ermöglicht, von den Lichtquellen auf beide Fotodioden 6 und 4 gleichzeitig zu fallen. Die Fotodiode 4 gibt zwar ein Ausgangssignal ab, die Torschaltung 17 ist aber geschlossen, weil der Transistor 8 leitet, so daß das Ausgangssignal nicht an die Basis des Transitors 9 gelegt wird. Wenn sich der Rotor weiter dreht, so daß die Lichtabdeckscheibe den auf die Fotodiode 6 fallenden Lichtstrahl unterbricht, aber es dem Lichtstrahl ermöglicht, auf die Fotodiode 4 zutreffen, wird der Transistor 8 ausgeschaltet, so daß die Torschaltung 17 geöffnet wird. Es wird deshalb das Ausgangssignal der Fotodiode 4 an die Basis des Transistors 9 gelegt, so daß dieser leitend wird. Der treibende Strom fließt durch die Wicklung 12, so daß der Rotor kontinuierlich angetrieben wird. Nunmehr fällt der Lichtstrahl auf die Fotodiode 5. Da der

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Transistor 9 leitet, ist die Torschaltung 18 abgeschaltet oder geschlossen. Deshalb kann das Ausgangssignal der Fotodiode 5 nicht an die Basis des Transistors 10 gelegt werden, so daß dieser abgeschaltet bleibt. Wenn der Rotor sich weiter dreht, so daß der auf die Fotodiode 4 auftreffende Lichtstrahl unterbrochen wird, wird die Torschaltung 18 geöffnet, und das Ausgangssigm1 der Fotodiode 5 wird an die Basis des Transistors 10 gelegt. Dieser wird leitend gesteuert, so daß der treibende Strom nunmehr durch die Wicklung 13 fließt.

Deshalb werden die aufeinanderfolgenden treibenden Ströme in den Wicklungen 11, 12 und 13 in ihrer Übereinanderlagerung kein impulsförmiges Muster ergeben, wie sich auch aus Fig. 4B ergibt. Mit anderen Worten, der· treibende Strom wird zu einer bestimmten Zeit nur an eine einzige treibende Wicklung angelegt, so daß der Rotor sich mit einem gleichförmigen Drehmoment dreht ₅ wie aus Zeile 4 in Fig. 4BHervorgeht.

Praktische Ansführungsformen der Torschaltungen 17, 18 und sind in den Fig. 5 υ.ηά 6 dargestellt. Die Torschaltungen 17, 18 und 19 umfassen Dioden 23, 24 und 25 und Schalttransistoren Zo₉ 27 und 28 (Fig. 5)". Die Funktbn der Torschaltung en entspricht im wesentlichen der mit Bezug auf Fig. 4A beschriebenen Funktion.

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In der Schaltung nach Fig. 6 umfasst Jede der Torschaltungen zwei Transitoren 33 und 34 bzw. 29 und 30 bzw. 31 und 32. Wenn der treibende Strom durch die vorhergehende Wicklung führt, beispielsweise durch die Wicklung 11, so daß der Transistor 8 angeschaltet ist, wird der Transistor 29 der Torschaltung wegen der "Verbindung zu dem Transistor_r8 angeschaltet, während der Transistor 30 abgeschaltet ist. Selbst wenn der Lichtstrahl von der Fotodiode 4 der nächsten Stufe eingefangen wird, bleibt der Transistor 9 abgeschaltet, so daß kein treibender Strom durch die Wicklung 12 fließt. Wenn jedoch der auf die Fotodiode 6 fallende Lichtstrahl unterbrochen wird, weil sich die Lichtabdeckscheibe dreht, wird ·. der Transistor 8 abgeschaltet und die Torschaltung geöffnet. Nun wird das Ausgangssignal der Fotodiode 4 an die Basis des Transistors 9 gelegt, so daß dieser eingeschaltet wird. Infolge dessen fließt der treibende Strom durch die Wicklung

In der zweiten und dritten Ausführungsform nach Fig. 7 und sind die Schaltungen vereinfacht. In Fig. 7 sind Dioden 36 und 37 zur Kopplung des Ausgangsanschlusses der Steuerschaltung mit dem Eingangsanschluss in Form eines Verbindunga™ gliedes benutzt. Eine Diode 38 dient zur Zufthnmg einer ge meinsamen Emitterspannung. Wenn die Lichtstrahlen von den Fotodioden 4 und 5 aufgenommen werden, wird der Transistor 9 eingeschaltet, so daß der treibende Strom durch die Wicklung

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12 fließt. Das Ausgangssignal der Fotodiode 5 wird über die in Vorwärtsrichtung geschaltete Diode 36 und den Transistor 9 an die gemeinsame Emitterschaltung angelegt, aber das Basispotential des Transistors 10 bleibt unverändert, so daß dieser Transistor 10 abgeschaltet bleibt. Wenn jedoch der auf die Fotodiode auftreffende Lichtstrahl unterbrochen wird, wird der Transistor 9 abgeschaltet, so daß nunmehr das Ausgangssignal der Fotodiode 5 an die Basis des Transistors 10 angelegt wird, so daß dieser leitend gesteuert wird. Deshalb fließt der treibende Strom nunmehr durch die Wicklung 13. Da die Diode 36 mit Bezug auf den Ausgang der vorhergehenden Stufe in Sperrichtung geschaltet ist, wird das Ausgangssignal nicht an die Basis des Transistors 10 angelegt. Die beschriebenen Operationen wiederholen sich fortlaufend, so daß der Motor kontinuierlich angetrieben wird.

In der dritten Ausführungsform nach Fig. 8 sind die Fotodioden 4, 5 und 6 zur Verbindung der Stufen verwendet. Wenn die Lichtstrahlen von den Fotodioden 4 und 5 eingefangen werden, wird der Transistor 8 abgeschaltet, während das Ausgangssignal der Fotodiode 4 dem Transistor 9 zugeführt wird, so daß dieser eingeschaltet wird. Als Ergebnis fließt der treibende Strom durch die Wicklung 12. Wenn der Transistor

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9 angeschaltet ist, wird das Ausgangssignal der Fotodiode 5 über den Transistor 9 zur gemeinsamen Emitterschaltung gewissermaßen geerdet, so daß der Transistor 10 abgeschaltet bleibt. Wenn der auf die Fotodiode 4 auftreffende Lichtstrahl unterbrochen wird, wird der Transistor 9 abgeschaltet, während der Transistor 10 in der nächsten Stufe in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Fotodiode 5 eingeschaltet wird. Deshalb fließt der treibende Strom durch die Wicklung 13. Die Operationen laufen zyklisch ab, so daß der Motor wie zuvor beschrieben kontinuierlich angetrieben wird. Es ist auch ersichtlich, daß jede zwischen den Stufen angeordnete Fotodiode das Ausgangssignal der vorhergehenden Stufe mit Bezug auf die nächste Stufe sperrt* und'zwar wegen der Wirkung der Diode, wenn kein Lichtstrahl auf diese fällt.

Bislang ist die Erfindung is Hinblick darauf beschrieben worden, daß in Abhängigkeit von der Erregung der einen treibenden Wicklung die Zufuhr des treibenden Stromes zu der zuvor erregten ¥icklung unterbrochen wird, aber es versteht sich« daß die Anordnung auch so getroffen werden kann, da8 in Abhängigkeit von der Unterbrechung des treibenden Stromes zu einer der treibenden Wicklungen alt der Zufuhr des treibenden Stromes zu cfer nächsten Wicklung begonnen werden kann.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind die Licht-

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quellen und die fotoelektrischen Wandler auf beiden Seiten der Lichtabdeckscheibe entsprechend Fig. 1 angeordnet, aber es versteht sich, daß nur eine einzige Lichtquelle für eine Mehrzahl von fotoelektrischen Wandlern benutzt werden kann, die um diese herum angeordnet sind, während eine Lichtabdeckscheibe oder dergleichen einen Schlitz über etwa 120 aufweist und mit dem Rotor gekoppelt ist und von diesem angetrieben wird. Anstelle von Fotodioden können auch Fototransistoren verwendet werden, wie es Fig. 2 zeigt.

In der Einrichtung zur Feststellung der Winkellage des Rotors nach Fig. 9 besteht eine drehbare Scheibe RP aus einem Segment von 240° - d° aus einem nicht magnetischen Material und einem Segment von 120° + #°, die von der Welle des Motors getragen werden. Magnete nu, nip und m, und das Magnetfeld abtastende Elemente, z.B* Reed-Schalter, Magnet-Dioden oder Magnetfeld-abtastende Widerstände MS^, MSp und MS^ sind diesen gegenüberliegend anstelle der Lichtquellen und der fotoelektrischen Wandler nach Fig. 1 angeordnet. Die Elemente MS^, MS₂ und MS, sind mit den zuvor beschriebenen Steuerschaltungen anstelle der Fotodioden verbunden.

In der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 10 erstrecken sich die Magnete m^, m₂ und m, über 120° + cl°, so daß die Schaltoperationen der Magnetfluß-abtastenden E^emte MS^,

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und MS, mit höherer Genauigkeit gesteuert werden können. In den zuvor beschriebenen Ausfiihrungsformen sind drei treibende Wicklungen verwendet worden, aber wenn mehr als drei treibende Wicklungen Verwendung finden, müssen die Magnete m und die Magnetfluß-abtastende Elemente MS natürlich im entsprechenden, kleiner als 120° bestehendem Winkelabstand gleichmäßig angeordnet werden.

Eine Steuerschaltung unter Verwendung von Magnetfluß-abtastenden Elementen, z.B. Magnetdioden D^, Dp und D, sowie D¹¹^₁, D"₂ und D"₅ sind in Fig. 10 und 11 gezeigt, welche Steuerschaltung im wesentlichen der nach Fig. 4A und 8 entspricht, außer daß Magnetdioden anstelle von Fotodioden verwendet werden. Auch die Betriebsweise ist^ ähnlich, so daß man sich eine nähere Beschreibung ersparen kann. Auch die Fig. 12 ist aus sich heraus verständlich.

Bei der Erfindung wird die Erregung der treibenden Wicklungen (die das drehende magnetische Feld erzeugen) in Abhängigkeit davon gesteuert, ob die anderen treibenden Wicklungen erregt sind oder nicht, so daß allen treibenden Wicklungen ein in der Summe gleichförmiger Strom zugeführt wird. Lediglich durch Hinzufügung einiger Schaltungskomponenten an einen bekannten bürstenlosen Gleichstrommotor wird gemäß Erfindung die Verbesserung der gleichförmigen Geschwindigkeit, des gleichförmigen Drehmomentes und der verbesserten Starteigenschaften erzielt.

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Claims

- 15 Patentansprüche

Steuerschaltung für bürstenlosen Gleichstrommotor, bei dem eine Mehrzahl von treibenden Wicklungen in Abhängigkeit von Signalen einer Feststellungseinrichtung der Winkellage des Rotors nacheinander erregt werden, der eine Mehrzahl von Wandlern aufweist, und bei dem die Winkel, durch welche die Winkellage des Rotors festgestellt werden, einander leicht überlagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltereinrichtungen (8, 9, 10), welche die Erregung der treibenden Wicklungen (11, 12, 13) steuern, miteinander so verbunden sind, (17, 18, 19, 35, 36, 37) daß die Erregung der anderen treibenden Wicklungen derart hilfsweise gesteuert werden, daß nur eine treibende Wicklung zu einer bestimmten Zeit erregt ist.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß Torschaltungen (17, 18, 19) in die Verbindungsschaltung (17, 18, 19, 35, 36, 37) so eingefügt sind, daß sie in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Schaltereinrichtungen (8, 9, 10) gesteuert werden.

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3. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gleichrichterelemente in die Verbindungsschaltung (17, 18, 19, 35, 36, 37) eingefügt sind.

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