DE2639055A1

DE2639055A1 - Treiberschaltung fuer die statorwicklungen eines gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2639055A1
Application number: DE19762639055
Authority: DE
Inventors: Motomu Murata
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1975-09-04
Filing date: 1976-08-30
Publication date: 1977-03-17
Also published as: JPS588239B2; JPS5231315A; DE2639055B2; GB1563015A; US4092572A

Description

Treiberschaltung für die Statorwicklungen eines Gleichstrommotors

Die Erfindung bezieht sich auf eine Treiberschaltung für die Statorwicklungen eines bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem magneto-elektrische Umformerelemente, ein Additionsnetzwerk und eine Schalterschaltung anstelle der herkömmlichen Bürsten und des Kommutators verwendet werden, wo bei aufeinanderfolgende Ströme mit vorbestimmten, sich nicht überlappenden Stromflußwinkeln in Abhängigkeit von der Erfassung der Drehstellung des Rotors an die Statorwicklungen gegeben werden.

Sei einem direkten Antriebssystem für den Plattenteller eines Plattenspielers, bei dem der Antriebsmotor notwendigerweise mit sehr niedrigen Drehzahlen, d.h. mit 33 oder 45 U/min sich dreht, sind außergewöhnlich glatte und flache Geschwindigkeitsund Drehmomentkurven erforderlich. Bürstenlose Gleichstrommotoren mit Permanentmagnet-Rotoren sind zu diesem Zweck gut geeignet, wobei typischerweise die Anzahlen der Pole von Stator und Rotor ungleich sind, um glattere Gesehwindigkeitsund Drehmomentkurven zu erreichen. Dieses

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ORIGINAL INSPECTED

bedingt jedoch Probleme bei der Auslegung der Treiberschaltung für die Statorwicklungen, um diesen "glatten baw. gleichmäßigen Betrieb zu erreichen.

Wenn nach dem Halleffekt arbeitende Einrichtungen als Erfassungselemente für die Drehstellung des Rotors benutzt werden, so werden diese mit vorbestimmten Abständen um den Umfang des Stators herum angeordnet. Diese Halleffekt-Elemente sind jedoch, oft in ihrer Ansprechempfindlichkeit nicht gleich und erzeugen daher nich.t abgeglichene Spannungen und nicht analoge Ausgangssignale. Um gleichmäßige und ausgeglichene Ströme zu erzeugen, die vorbestimmte Phasenunterschiede zu den Statorwicklungen haben, werden die Ausgangssignale der Halleffekt-Elemente in typischer Weise .in rechteckige Signalformen mit Hilfe von Differenzverstärkern umgeformt. Die Ausgangssignale der Differenzverstärker haben Stromflußwinkel von elektrischen 180 in Bezug auf den Rotor, wobei jedoch Stromflußwinkel mit einer kürzeren Zeitdauer benötigt werden, um die Statorwicklungen entsprechend der ungleichen Anzahl von Polen von Eotor und Stator zu speisen. Werden die Statorwicklungen mit Stromflußwinkeln von 180° in Bezug auf den Rotor gespeist, so überlappen sich die in den Statorwicklungen fließenden Treiberströme. Dieses vermindert den Wirkungsgrad des Motors und vergrößert die DrehmomentSchwankungen im Gegensatz zu einem gleichmäßigeren Betrieb, der sich ergibt, wenn die Statorwicklungen mit sich nicht überlappenden Strömen und kürzeren Stromflußwinkeln von 120 oder 60° gespeist werden.

Gemäß der Erfindung werden die tatsächlichen und reziproken oder invertierten Ausgangssignale des Differenzverstärkers, die in Abhängigkeit von den Erfassungssignalen für die Drehstellung des Rotors erhalten werden, an ein Additions-Wider-Standsnetzwerk gegeben. Die Ausgangssignale des Netzwerks

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sind Treppenstufensignale, deren obere Teile aufeinanderfolgende FhasenbeZiehungen und sich nicht überlappende Impulsbreiten haben, die für die Treibersignale der Statorwicklungen gewünscht werden. Um wirksam nur die oberen Signalteile herauszuziehen, werden die Ausgangssignale des Netzwerks an eine Schwellwertschal ter-Schaltung gegeben,, deren Schwellwertpegel gerade unterhalb von dem Amplitudenpegel der oberen Signalteile eingestellt wird. Die Ausgangssignale der Schwellwertschalter-Schaltung speisen die Statorwicklungen. Als Folge davon ergibt sich, daß die sich überlappenden Erfassungssignale für die Drehstellung des Rotors, die unerwünscht lange Impulsbreiten haben. in aufeinanderfolgende, sich nicht überlappende Treibersignale für die Statorwicklungen umgeformt werden, die kürzere Impulsbreiten haben, um damit den Motorwirkungsgrad zu verbessern und Drehmomentschwankungen zu vermindern.

Ein bevorzugter Gedanke liegt darin, daß bei der Treiberschaltung für die Statorwicklungen eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit einem Permanentmagnet-Rotor und einer Vielzahl von Polen des Stators, die ungleich der Anzahl der Pole des Rotors sind, Halleffekt-Elemente die Drehstellung des Motors erfassen, jedoch infolge der ungleichen Anzahl von Rotor- und Statorpolen einige Treibersignale für die Statorwicklungen sich überlappen, wodurch sich Drehmomentschwankungen ergeben, wenn die verstärkten Ausgangssignale der Halleffekt-Elemente zum unmittelbaren Speisen der Statorwicklungen benutzt werden. Daher werden die tatsächlichen und die reziproken Ausgangssignale der Halleffekt-Elemente an ein Additions-Widerstandsnetzwerk gegeben, um Treppenstufensignale zu erzeugen, Teile von denen die gewünschte aufeinanderfolgende Zeitfolge und sich nicht überlappende elektrische Impulsbreiten haben. Diese Signale werden an eine Schwellwertschalter-Schaltung gegeben, die von solchen gewünschten Teilen angesteuert werden, wobei die Aus gangssdgiale der Schwellwertschalter-Schaltung die Statorwicklungen speisen.

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Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im „einzelnen zeigen:

Fig. 1 A bis IC Signaldiagramme einiger der bei der Erfindung benutzten Eingangs- und Ausgangssignale,

Fig. 2 A und 2B schematisch Schaltungen, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung für die Statorwicklungen eines bürstenlosen G-leichstrommotors zeigen,

I"ig. 3 A und 3B schematische Schaltungen, die ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung zeigen,

Fig. 4 die allgemeine Anordnung der Rotor- und Statorpole und von Halleffekt-Elementen als Fühler für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der die in Fig. 2 gezeigte Schaltung benutzt und

Fig. 5 eine schematische Schaltung der Halleffekt-Elemente und der ihnen zugeordneten Differenzverstärker.

Die allgemeinen Prinzipien einer Treiberschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach Maßgabe der Erfindung werden in Verbindung mit denen in Fig. 1A bis 1C gezeigten Signalformen beschrieben.

Fig. 1A zeigt drei gleich phasenverschobene, rechteckige Signalformen a, b und c, die aus den AusgangsSignalen von mit Abstand angeordneten Detektoren für die Drehstellung des Rotors gewonnen werden und drei entgegengesetzte Phasen aufweisende oder reziproke rechteckige Signalformen ä, b* und c. Die letzteren können mit Hilfe von Differenzverstärkern, Invertern od.dgl. gleich-

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zeitig mit der Erzeugung der Signalformen a, b und c erzeugt werden.

Die Addition der Signalformen a und c ergibt eine in Jig.1B gezeigte Signalform ac/ deren Amplitudenpegel 1/2 im Bereich. von O bis 60°, 1 im Bereich, von 60 bis 180°, 1/2 im Bereich. von 180 bis 240° und 0 im Bereich, von 240 bis 360° ist. Wird daher die Signalform ac an den Eingang einer Schalterschaltung gegeben, deren Durchlaß- oder Schwellwertpegel zwischen 1/2 und 1 eingestellt wird, so wird das Ausgangssignal der Schalterschaltung angehoben oder hat einen Stromflußwinlcel von 120°. In gleicher Weise können phasenverschobene Ausgangssignale, die einen gleichen Stromflußwinkel von 120 haben, aus den Signalformen bä und c5 erhalten werden«

Wird die Signalform a zu der Signalform b addiert, so ergibt sich, die in Eig.10 gezeigte Signalform ab. Wird diese Signalform ab an eine Schwellwertschalter-Schaltung gegeben, die der zuvor beschriebenen gleich ist, so kann daraus ein Ausgangssignal erhalten werden, das einen Stromflußwinkel cd er eine Impulsdauer von 60° hat. In gleicher Weise können Ausgangssignale erhalten werden, die gegeneinander phasenverschoben sind, jedoch, gleiche Stromflußwinkel von 60° haben, wenn die Signalformen b und c, a und c, ä und c, i und B, sowie c und 5 addiert und an die Schwellwertschalter-Schaltung gegeben werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich., daß, wenn die sechs Ausgangssignale der Detektoren für die Drehstellung des Rotors (die drei sich in ihrer Phasenlage überlappenden Signalformen a, b und c in Fig. 1A und deren reziproke Signale ä, b und c) in verschiedenen Kombinationen addiert und dann an eine -geeignete Schaltersehaltung mit einem geeigneten Schwellwert pegel gegeben werden, Ströme für die Statorwicklungen mit den

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gewünsciiten Stromflußwinkeln oder Impulsdauern und einer eine geeignete zeitliche Folge aufweisenden, sich, nicht überlappenden Phasenlage erzeugt werden können. Als Folge davon kann der Kotorwirkungsgrad verbessert und die Drehmomentschwankungen stark vermindert werden.

Obwohl sich die vorstehende Beschreibung auf die Erzeugung von 3-Phasen-Signalen mit aufeinanderfolgenden Stromflußwinkeln von 60° bezieht, können 6-Phasen-Signale mit Stromflußwinkeln von 120° ebenfalls mit Hilfe eines Verfahrens gewonnen werden, das dem zuvor beschriebenen gleicht. Außerdem können 12-Phasen-Signale mit Stromflußwinkeln von 30° erhalten werden, wenn zusätzliche Detektoren für die Drehstellung des Rotors benutzt werden, oder deren gegenseitige Abstände geändert werden. Das heißt, Ausgangssignale mit Stromflußwinkeln, die mit der Phasendifferenz der Ausgangssignale der Detektoren für die Drehstellung des Rotors zusammenfallen, können immer mit Hilfe einer geeigneten Signalverarbeitung erhalten werden.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung für die Statorwicklungen eines bürstenlosen Gleichstrommotors, die das zuvor entwickelte Konzept der Signalverarbeitung benutzt. Eine Additionsschaltung oder ein Summierer zum Erzeugen der 6-Phasen-Ausgangssignale mit Stromflußwinkeln von 120° ist in Fig. 2A gezeigt. Bei diesem Summierer werden Signale, die die Drehstellungserfassungs-Signalformen in der in Fig. 1A gezeigten Weise haben jeweils an Anschlüsse A, B, C, X, B" und Ό" gegeben. Paare von gleiche Werte aufweisenden Widerständen R1, R1; R2,^:R2; RJ,R3; R^,R^; R5,R5 und R6,R6 sind in Reihe zwischen Anschlüssen A und Ü, TT und B, B und X, X" und C, C und B~ sowie B~ und A geschaltet. Ausgangsanschlüsse X, "£, Y, Y, Z und T werden von den Verbindungspunkten oder Mittenpunkten dieser Widerstandspaare jeweils herausgeführt. Bei dieser

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Anordnung erscheinen die in 5¹Ig. 1B gezeigten Signalforinen an den Ausgangsanschlüssen X, Y und .-Ζ, während Signalformen entgegengesetzter Phasenlage an den Ausgangsanschlüssen X", T und "% erscheinen. Bei Treiberschaltungen, bei denen nur Signalformen X, Y und Z benötigt werden, können die Widerstandspaare R2, E.4 und R6 fortgelassen x-zerden.

. 2B zeigt eine Schwellwertschalter-Schaltung, an die die an den Anschlüssen X, Y und Z der Fig. 2A erscheinenden Ausgangssignale als Eingangssignale gegeben werden, um dadurch sich nicht überlappende Ströme für die Statorwicklungen, eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit Stromflußwinkeln von 120° zu erzeugen. In dieser Schaltung wirken Transistoren Q1, Q2 und Q3 als Schwellwertschalter und die an den Anschlüssen X, Y und Z in Fig. 2A abgenommenen Signale werden an die Basen dieser Transistoren gegeben. Während der Zeitintervalle, während der die Transistoren Q1, Q2 und Q3 leitend sind, werden aufeinanderfolgende Ströme mit Stromflußwinkeln oder Impulsbreiten von 120° an die Statorwicklungen W1, W2 und WJ des Motors über Treibertransistoren Q5 und Q6 jeweils gegeben. Eine Steuerspannung CV wird an den gemeinsamen Anschluß der Wicklungen WI, W2 und W3 gegeben, um die Geschwindigkeit des Motors zu regeln.

Mit den Summier- und Schalter-Schaltungen in der in Fig. 2 gezeigten Anordnung werden die Transistoren in ihren leitenden Zustand nur während den Zeitintervallen geschaltet, während denen ihre Eingangssignale Amplitudenpegel haben, die größer als 1/2 sind, obwohl die an die Transistoren QI, Q2 und Q3 gegebenen Spannungen drei Pegel von 1, 1/2 und 0 haben, wie dieses in Fig. 1B gezeigt ist, so daß dadurch die_; .in den Statorwicklungen W1, W2 und W3 fließenden Ströme sich nicht überlappende Stromflußwinkel von 120° haben.

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Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind sechs aufeinanderfolgende, sich nicht überlappende Ausgangssignale mit Stromflußwinkeln von 60° vorgesehen. Fig. 3A zeigt ein Paar von Dreiecks-Additionsschaltungen, die ähnlich wie in Fig. 2A so ausgelegt sind, daß beim Zuführen von Signalen mit den in Fig. 1A gezeigten Signalformen an Eingangsanschlüsse A, B, C, X, H, ü Schaltsignale mit aufeinanderfolgenden, sich nicht überlappenden 60°- Signalformen, wie sie in Fig. 1C gezeigt sind, an Ausgangsanschlüssen X, Ϊ, Z, T, T, Y erhalten werden. Eine Schwellwertschalter-Schaltung für diese Ausführungsform ist in Fig. 3B gezeigt, die ähnlich wie die Schalter-Schaltung der Fig. 2B Ströme für die Statorwicklungen W1 bis ¥6 zuführt, die Stromflußwinkel von 60° und keine Phasenüberlappung ze igen, m·

Fig. 4- zeigt die allgemeine Anordnung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der mit der in Fig. 2 gezeigten Schaltung gespeist werden kann . Wie zu erkennen ist, hat der Stator diese? Ausführungsform neun Pole, wobei jede der Wicklungen V/1 bis W3 in Fig. 2B tatsächlich drei getrennte Wicklungen haben, die in Reihe geschaltet sind. Der Permanentmagnet-Rotor hat sechs Pole, umgibt den Stator und hat die Form eines Hohlzylinders. Die drei Halleffekt-Elemente H^, Hg und Hq als Fühler sind mit Abstand zueinander um den Umfang des Stators herum in unmittelbarer Nachbarschaft des Rotors angeordnet um damit ihre Ausgangssignale so groß wie möglich zu machen. Die Gleichmäßigkeit des Betriebs des Motors kann leicht aus Fig. 4- erkannt werden, wo zu erkennen ist, daß gleichartige Statorpole, die die gleichen Wicklungen haben und damit zur gleichen Zeit erregt werden, etwas unterschiedliche Positionen in Bezug auf die benachbarten Rotorpole einnehmen. Fig.4 zeigt dabei lediglich eine beispielsweise Ausführungsform um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, so daß viele

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andere Rotor- und Stator-Konstruktionen möglich sind, ohne daß das Konzept der Erfindung dadurch verlassen wird.

Fig. 5 zeigt eine schematische Schaltung der Halleffekt-Elemente H^, Hg und Eq und ihrer zugeordneten Differenzverstärker. Die Ausgangssignale a,ä,b,b,c,c werden an die entsprechend bezeichneten Anschlüsse in den Additions-Widerstandsnetzwerken der iig. 2A oder JA gegeben» Die Emitteranschlüsse sind über Konstantspannungselemente geerdet, wie z.B. über Zenerdioden.

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Claims

Patentansprüche

1. !Treiberschaltung für die Statorwicklungen eines bürsten-SLersen Gleichstrommotors mit einem eine Vielzahl von Polen aufweisenden Permanentmagnet-Eotor, einem Elektromagnet-Stator mit einer Vielzahl von Polen, die nicht gleich der der Pole des Eotors ist, einer Vielzahl von die Drehstellung des Eotors erfassenden Einrichtungen, die um den Umfang des Stators herum angeordnet sind und sich überlappende, phasenverschobene rechteckige Signale und zu diesen reziproke Signale erzeugen, wobei jedes Signal eine Impulsdauer oder einen elektrischen Stromflußwinkel von 180° in Bezug auf den Eotor hat, gekennzeichnet durch ein ■Additions-Widerstandsnetzwerk 0?ig. 2A, 3A), das auf die Signale der Einrichtungen (H^, Hg, Hq) anspricht, um eine "Vielzahl von Treppenstufensignalen zu erzeugen, deren obere Teile aufeinanderfolgende, sich nicht überlappende Stromflußwinkel haben, durch eine Vielzahl von Statorwicklungen (W1 bis W6) und durch eine Schwellwertschalter-Schaltung CFig. 2B,3B), die auf die Treppenstufensignale anspricht und nur während deren oberen Teilen leitend ist, um den Statorwicklungen(W/i bis W6) aufeinanderfolgende, sich nicht überlappende Treiberströme zuzuführen, wodurch der Motorwirkungsgrad verbessert und Drehmomentschwankungen vermindert werden.

2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Additions-Widerstandsnetzwerk (Pig. 2A, JA) eine Vielzahl von in Eeihe geschalteten, gleiche Werte aufweisenden Widerstandspaaren(E1 bis E6) aufweist, wobei zwei Signale' der Einrichtungen (H^ ,Hd₁Hq) an die Endanschlüsse eines jeden Paars gegeben und ein Treppenstufensignal an dem Verbindungspunkt eines jeden Paars abgenommen wird. .

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3· Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schwellwertschalter-Schaltung (Fig. 2B,3B) eine Vielzahl von Transistorpaaren (Q1,Q4; Q2,Q5; Q3,Q6) aufweist, wobei jedes Paar einen ersten Schwellwertschalter-Transistor (Q1 bis Q3) aufweist, dessen Basis ein Treppenstufensignal zugeführt ist und dessen Kollektor mit der Basis eines zweiten Treibertransistors (Q4· bis Q6) verbunden ist, dessen Kollektor mit einer Statorwicklung (W1 bis V6) verbunden ist.

4-. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3i dadurch gekennze ichne t , daß jede Einrichtung (H^, Hg, Hq) ein Halleffekt-Element aufweist, das zwei AusgangsanSchlüsse hat, die jeweils mit den Eingangsanschlüssen eines Differenzverstärkers (I¹Ig. 5) verbunden sind.

5. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor sechs Pole und der Stator neun Pole hat, daß jede Statorwicklung (W1 bis ¥3) drei in Reihe geschaltete, individuelle Wicklungen hat, daß drei Einrichtungen (H^, Bg, "Hq") vorgesehen sind und daß der obere Teil eines jeden Treppenstufensignals einen Stromflußwinkel von 120 elektrischen Grad in Bezug auf den Rotor hat.

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