DE29500014U1 - Drehzahlregler für einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor - Google Patents
Drehzahlregler für einen bürstenlosen Gleichstrom-MotorInfo
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Description
I 203 PA Schönherr/Serwe
Bes ch re i bung
Anmelder: Industrial Technology Research Institute
195, Chung Hsing Rd., See. 4, Chutung, Hsinchu
Taiwan, R.O.C.
Bezeichnung: Drehzahlregler für einen bürstenlosen
Gleichstrom-Motor
Die Neuerung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor,
insbesondere einen Drehzahlregler für einen bürstenlosen
Gleichstrom-Motor zur Steuerung der Motordrehzahl.
Es ist bekannt, bei bürstenlosen Gleichstrom-Motoren einen
Tachometer oder einen Kodierer als Drehzahlgeber zu verwenden,
um eine Drehzahlsteuerung zu ermöglichen. Wird in Verbindung
mit einem analogen Treiber zum Antrieb des bürstenlosen Gleichstrom-Motors ein Gleichstrom-Tachometer als
Drehzahlgeber verwendet, so werden das Rückkopplungssignal
und das analoge Drehzah Isteuersigna I der Drehzahlsteuerung
ständig zugeführt. Wird ein Kodierer als Drehzahlgeber
benutzt, so ist das Einganssignal eine Serie von Pulsen,
die durch einen Frequenz-Spannungswandler in eine analoge
Spannung umgewandelt werden. Diese analoge Spannung wird dann zusammen mit dem analogen Drehzahlsteuersignal dem
Eingang der Drehzahlsteuerung zugeführt. Bei beiden oben
beschriebenen Methoden zur Steuerung der Drehzahl muß der
bürstenlose Gleichstrom-Motor mit einem Drehzahlgeber versehen werden.
I 203 PA Schönherr/Serwe :":*"*: &iacgr; * ** ·..·*·'
In manchen Anwendungen, wie z.B. bei Bohrmaschinen,
seLbsttätig geführten Fahrzeugen, bei denen die
DrehzahLsteuerung entweder über einen großen Bereich erfolgen
muß oder eine Lange Reaktionszeit möglich ist, sollte das
DrehzahlrückkoppLungssignal auf einfachere Weise erhalten werden.
Die Aufgabe der Neuerung besteht daher darin, eine DrehzahLsteuerung für einen bürstenlosen G Leichstrom-Motor
vorzuschlagen, bei dem das zur Drehzahlregelung notwendige
Drehzahlrückkopplungssignal von den Kommutatorsignalen eines
Magnet-PoL-Sensors des bürstenLosen Gleichstrom-Motors
erhalten wird, so daß zur Verringerung der Herstellungskosten
ein zusätzlicher Drehzahlgeber überflüssig ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Drehzahlregler für
einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor, der aus einem
Flankendetektor, der beim Erkennen einer steigenden oder
fallenden Flanke des Kommutatorsigna Is des Magnet-Pol-Sensors
des bürstenlosen Gleichstrom-Motors einen Puls erzeugt, einem
Frequenzvervielfacher zur Vervielfachung der Frequenz der
Pulskette des Flankendetektors, einem Frequenz-Spannungswand Ler zum Umwandeln der Ausgangs-PuLskette
des Frequenzvervielfachers in eine positive analoge Spannung,
wobei die Höhe der positiven analogen Spannung proportional
der Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrom-Motors ist, einer
Drehrichtungs-Erkennungsschaltung, die Ausgangssignale von
dem Magnet-Po l-Sensor erhält, um die Drehrichtung des
bürstenlosen Gleichstrom-Motors zu erkennen, einem analogen
Multiplexer für die RückkopplungssignaLe, der die positive
analoge Spannung vom Fequenz-SpannungswandLer bzw. die
I 203 PA Schönherr/Serwe
Drehrichtung von der Drehrichtungs-Erkennungscha Ltung zum
Erzeugen eines positiven oder negativen analogen SignaLes
als DrehzahLrückkoppLungssignaL erhält, und einer
Drehzahlsteuerung als Proportional-Verstärker, die ein
DrehzahLsteuersignal und das Drehzahlrückkopplungssignal
erhält, um die Höhe der Gleichstrom-Speisespannung des
bürstenlosen Gleichstrom-Motors zu regeLn, besteht.
Die Neuerung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargesteLLt.
Es ze i gen:
Fig. 1 einen bürstenlosen G Leichstrom-Motor mit einer
Drehzahlsteuerung im Blockschaltbild,
Fig. 2 ein ausführlicheres Blockschaltbild der
Drehzahlsteuerung des bürstenLosen Gleichstrom-Motors,
Fig, 3 ein Signalbild der Wellenform des Kommutatorsignals
bei Drehung des Motors im Gegenuhrzeigersinn CCCW)
und im Uhrzeigersinn (CW),
Fig. 4a und 4b die DrehzahL steuerung des bürstenlosen
Gleichstrom-Motors einer bevorzugten
Ausführungsform im Schaltbild.
Nach dem Blockdiagramm der Fig. 1 besteht ein bürstenloser
Gleichstrom-Motor mit einer Drehzahlregelung aus drei Teilen: Einer Drehzahlsteuerung 1, einem Rückkopp lungssignaIgeber
und einem Kommutator-Signalgeber 3. Die ausführliche
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in dem Blockdiagramm der Fig. 2 dargesteLLt.
I 203 PA Schönherr/Serwe
Die üblichen Bestandteile der Drehzahlsteuerung eines
bürstenlosen Gleichstrom-Motors sind beschrieben in Fig.
1, in der die Bezugsziffer 4 einen PhasenspaIter, die
Bezugsziffer 5 einen Pu Lsbreitenmodulator (PWM), die
Bezugsziffer 6 eine TortreiberschaItung, die Bezugsziffer
eine Batterieeinheit als Gleichstrom-Quelle, die
Bezugsziffer 8 einen Strommesser, die Bezugsziffer 9 einen
Inverter, die Bezugsziffer 10 einen Strombegrenzer, die
Bezugsziffer 11 einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor, die
Bezugsziffer 12 einen Magnet-Pol-Sensor, die Bezugsziffer
einen Eingang für ein Drehzahlsteuersignal, die
Bezugsziffer 14 ein Kommutatorsignal des Magnet-Pol-Sensors und die Bezugsziffer 15 ein Drehzah I rückkopp lungssigna I
bezeichnet. Der Phasenspalter 4 wird benutzt, um zu bestimmen,
welcher Leistungstransistor im Inverter 9 in Abhängigkeit
vom Kommutator-Signal 14 des Magnet-Pol-Sensors 12 leitend
ist, so daß Strom von der Batterieeinheit 7 zu dem
bürstenlosen Gleichstrom-Motor 11 eingespeist werden kann.
Der Strombegrenzer 10 dient zur Begrenzung des Stromes durch
den bürstenlosen Gleichstrom-Motor 11. Wenn der Strom den
oberen Grenzwert erreicht, wird der Zyklus der Impulse vom Pulsbreitenmodulator 5 (PWM) begrenzt.
Der Magnet-Pol-Sensor 12 der Drehzahlsteuerung des
bürstenlosen Gleichstrom-Motors 11 der vorliegenden Neuerung
hat drei Funktionen:
1. Er liefert die Kommutatorsignale 14 zu dem Phasenspalter
um zu bestimmen, welcher Leistungstransistor im Inverter 9 leitend ist, damit Strom von der Batterieeinheit 7 zu dem
bürstenlosen Gleichstrom-Motor 11 gelangt.
&Pgr; 1
I 203 PA Schönherr/Serwe
2. Er Liefert die KommutatorsignaLe 14 zu dem Kommutatorsi
gnaLgeber 3, der die KommutatorsignaLe 14 durch einen
FLankendetektor 17 CFig. 2) , einen FrequenzvervieLfacher
und einen Frequenz-SpannungswandLer 19 führt, um eine positive
anaLoge Spannung proportionaL zu der DrehzahL des Motors zu erhaLten.
3. Er Liefert die KommutatorsignaLe 14 zu dem
RückkoppLungssignaLgeber 2, der eine
Drehrichtungs-ErkennungsschaLtung 20 zum Erkennen der
Drehrichtung des Motors (im Uhrzeigersinn oder im
Gegenuhrzeigersinn), einen Phaseninverter 21 und einen
anaLogen MuLtipLexer 22 zur Verarbeitung des positiven AnaLogsignaLs des KommutatorsignaLgebers 3 hat, um eine
positive oder negative anaLoge Spannung aLs
DrehzahLrückkoppLungssignaL zu erhaLten.
Wenn der bürstenLose G Leichstrom-Motor 11 im
Gegenuhrzeigersinn (CCW) oder im Uhrzeigersinn (CW) dreht, haben die KommutatorsignaLe unter schied Liehe We LLenformen,
wie dies in den Fig. 3a und 3b dargesteLLt ist. Die Fig.
3a zeigt die WeLLenform beim Drehen des Motors im
Gegenuhrzeigersinn (CCW) und die Fig. 3b zeigt die WeLLenform
beim Drehen des Motors im Uhrzeigersinn (CW). BeispieLsweise
sind bei einem bürstenLosen 4-PoL-GLeichstrom-Motor die
KommutatorsignaLe durch eine DifferenziaLschaLtung bearbeitet,
um die steigenden und faLLenden FLanken zu erhaLten. Für jede Umdrehung des Motors werden zwöLf PuLse erhaLten. Werden
diese zwöLf PuLse ohne Benutzung eines FrequenzvervieLfachers
an den Frequenz-Spannungs-Wand Ler 19 unmitteLbar gegeben,
I 203 PA Schönherr/Serwe j ;· ; ; 5 · ·,,;··*.
so wird ein anaLoges Rückkopp lungssignaI mit hoher Welligkeit
erhalten, das zu großen Schwankungen der Drehzahl des Motors
bei geringer Geschwindigkeit führt.
Zur Lösung dieses Problems werden, wie dies in Fig. 2
dargestellt ist, die Kommutatorsignale 14 des Magnet-Pol-Sensors
12 einem Flankendetektor 17 mit einer Differenzialschaltung zugeführt, die Pulse erzeugt, wenn
steigende und fallende Flanken des KommutatorsignaIs
auftreten. Die so erzeugten Pulse werden dem Frequenzvervielfacher 18 in Phasensperrschleife (PLL) und
dem Frequenz-Spannungs-Wandler 19 zugeführt, um eine positive
analoge Spannung in Abhängigkeit der Motordrehzahl zu
erhalten. Die Ausgangspulskette des Flankendetektors 17 wird
in der Frequenz in der Phasen-Sperrschleife durch Einsatz
eines Frequenzteilers in die Rückkopplungsschleife zwischen
dem Ausgang eines spannungskontrollierten Oszillators (VCO)
und dem Eingang eines Phasenvergleichers vervielfacht. Hat
die Pulskette am Eingang des Frequenzvervie If achers 18 eine
Frequenz von f. dann ist
N &khgr; 6 &khgr; &Rgr;
f = (Hz)
f = (Hz)
120
wobei N die Motordrehzahl in Umdrehungen pro Minute (RPM)
und P die Anzahl der Pole des Motors ist.
\ &igr; &Iacgr;
I 203 PA Schönherr/Serwe
Ist der MuLtiplikationsfaktor des Frequenzvervielfachers
gleich M, dann ergibt sich am Ausgang eine Frequenz von
f = M &khgr; f .
&ogr; &igr;
In der vorliegenden Neuerung wird die Phasen-Sperrschleife
zur Vervielfachung der Frequenz der Eingangspulse benutzt.
Im Vergleich zu bürstenlosen Gleichstrom-Motoren, bei denen
die Phasen-Sperrschleife nicht zur Vervielfachung der
Eingangpulse benutzt wird, hat die vorgeschlagene Lösung
den Vorteil, daß der bürstenlose Gleichstrom-Motor geringe
Drehzahlschwangungen bei kleiner Drehzahl hat.
Im Blockdiagramm 2 bezeichnet die Bezugsziffer 23 einen
Puffer. In manchen Anwendungen dreht sich der bürstenlose
Gleichstrom-Motor sowohl im Gegenuhrzeigersinn (CCW) als
auch im Uhrzeigersinn (CW). Damit ergibt sich, daß das
Drehzahlrückkopplungs-Signal positiv oder negativ sei kann.
Wenn der bürstenlose 3-Phasen-GLeichstrom-Motor sich im
Gegenuhrzeigersinn (CCW) oder im Uhrzeigersinn (CW) dreht,
so können die Kommutatorsignale 14 des Magnet-Pol-Sensors 12,
die von der Phase der Kommutatorsignale abhängen, ein Steuersignal erzeugen, das wegen der positiven
analogen Spannung des Kommutatorsignalgebers 3 durch den
Phaseninverter 21 und den analogen Multiplexer 22 eine
positive oder negative analoge Spannung als Drehzah I rückkopp lungssignaI ist. Das
Drehzah I rückkopp lungssigna I wird dann dem Eingang der
Drehzahlsteuerung 1 zugeführt, die ein Proportionalverstärker
oder ein Proportional-IntegraIverstärker sein kann.
I 203 PA Schönherr/Serwe ·.·.!.. *..' .&idigr;
Auf Grund des DrehzahLrückkoppLungssignaLes und des
DrehzahLsteuereinganges erzeugt die Drehzahlsteuerung 1 ein
Steuersignal zur Steuerung der Speisespannung des bürstenlosen
Gleichstrom-Motors 11.
Fig. 4a und 4b zeigen das Schaltungsbild einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Schaltung
werden die Kommutat orsigna le HA, HB und HC des
Magnet-Pol-Sensors 12 des bürstenlosen Gleichstrom-Motors
mit den phasenintervertierten Signalen HA/, HB/ und HC/ in
dem Flankendetektor 17 verarbeitet. Diese Signale werden in Diferenzscha I tungen mit Kondensator-Widerstandschaltung
CRC), (R1, C1) bis (R6, C6) verarbeitet, um eine Pulskette
zu erhalten, wobei jeder Puls zur Zeit der Endeckung einer steigenden oder fallenden Flanke erzeugt ist. Diese Pulskette
wird anschließend durch Dioden D1 bis D6 geführt, so daß an einem Widerstand R17 das zusammengesetzte Signal anliegt.
In der Schaltung sind die Einheiten U4A und U4B als Wellenformer benutzt.
In dem Block des Frequenzvervielfachers 18 ist nach Fig. 4a
eine CMOS-Phasen-SperrschaItung, wie z.B. CD4046, eingesetzt,
bei der der Phasen-Vergleicher II als Phasenvergleieher
benutzt ist. Seine übertragungsfunktion hat eine derartige
Charakteristik, daß er ohne Frequenzversatz arbeitet. Der
Widerstand R7 und der Kondensator C1 bestimmen den Ausgangsfrequenzbereich des Oszillators (VCO). Die Einheit
U2 ist ein durch 10-Tei lerzäh Ie r, so daß U2 und 1)3 einen
Zehnfach-Frequenzvervielfacher darstellen.
I 203 PA Schönherr/Serwe
In dem BLock des Frequenz-SpannungswandLers 19 kann die
Schaltungseinheit U9 ein Frequenz-Spannungswandler, wie
z.B. LM331 sein, der eine positive anaLoge Spannung V.
proportional, der verzehnfachten Frequenz f. der
EingangspuLskette Liefert. Mit Bezug auf das Datenbuch der
Lineare Nationale Halbleiter ist die Ausgangsspannung V. der Schaltung L M 3 31 entsprechend der folgenden Gleichung
R15
R11
R11
VLp = f. &khgr; 2.09 &khgr; &khgr; R14 &khgr; C10
Die Spannung V.p ist proportional der Motordrehzahl.
Um die Motordrehzahl zu steuern, ist eine negative
Rückkopplung notwendig. Mit anderen Worten, wenn der Motor
sich im Gegenuhrzeigersinn CCCW) dreht, ist das
Drehzahlrückkopplungssignal VCD eine positive analoge
&Ggr; D
Spannung; dreht sich der Motor im Uhrzeigersinn (CW), dann
ist das Drehzah I rückkopp lungssignaI Vro eine negative anaLoge
&Ggr; D
Spannung. Dagegen ist das Drehzahlrückkopplungs-Signal V
des Kommutator-Signalgebers 3 eine positive analoge Spannung
proportional zu der Motordrehzahl. Daher ist eine Drehrichtungs-Erkennungsschaltung 20 vorgesehen, die aus
den Schalteinheiten UoA, U6B und U7A (Fig. 4b) besteht. Unter
dieser Voraussetzung ist VR , ein HIGH-Signal, wenn der Motor
sich im Gegenuhrzeigersinn (CCW) dreht, da der analoge
Schalter U8A in dem analogen Multiplexer 22 kurzgeschlossen
ist, so daß VC[,= V1 _ ist. Dreht sich jedoch der Motor im
&Ggr; D Lr
Uhrzeigersinn (CW), dann ist das Ausgangsignal von U6A, U6B
und U7A ein LOW-Signa I, da V gleichfalls LOW-Signal hat.
I 203 PA Schönherr/Serwe
12
Damit wird die Schaltung U8B kurzgeschlossen, so daß
VFB = -VLp ist.
Diese Beziehung ist im folgenden dargestellt
| "VLP | VRD | = HIGH | |
| VFB = - | |||
| —&ngr; | VRD | = LOW |
Die Schaltungseinheit U5B in der Drehzahlsteuerung 1 ist
ein Proportiona l-Verstärker, dessen Ausgangsspannung sich
nach folgender Gleichung ergibt:
V0P = - ( — * VVC
R27 R27
— x vvc + — :
R22 R25
Diese Ausgangsspannung wird benutzt, um die Speisespannung
des bürstenlosen Gleichstrom-Motors 11 zu steuern.
Da in der Drehzahlsteuerung des bürstenlosen Gleichstrom-Motors
nach der folgenden Erfindung kein Gleichstrom-Tachometer oder Dekodierer notwendig sind, dennoch
aber eine Drehzahlrückkopplungssteuerung erzielt werden kann,
sind die Kosten der Herstellung der bürstenlosen Gleichstrom-Motors deutlich reduziert.
I 203 PA Schönherr/Serwe ·,.·.:.. *..' ·&iacgr;· ··*···*
Die vorLiegende Neuerung ist ausführlich oben an einem
AusführungsbeispieL erläutert. Es wird darauf hingewiesen,
daß der Bereich der Neuerung nicht durch das offenbarte bevorzugte Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Im Gegenteil
sind mehrere Änderungen und ähnliche Anordnungen gemäß den
Schutzansprüchen möglich.
Claims (4)
1. Drehzahlregler für einen bürstenlosen G Leichstrom-Motor,
bestehend aus
a) einem Flankendetektor (17), der beim Erkennen einer
steigenden oder einer fallenden Flanke des Kommutatorsignals (14) des Magnet-Pol-Sensors (12) des
bürstenlosen Gleichstrom-Motors (11) einen Puls erzeugt,
b) einem Frequenzvervielfacher (18) zur Vervielfachung der
Frequenz der Pulskette des Flankendetektors,
c) einem Frequenz-Spannungswandler (19) zum Umwandeln der
Ausgangs-PuIskette des Frequenzvervie Ifachers (18) in eine
positive analoge Spannung, wobei die Höhe der positiven analogen Spannung proportional der Drehzahl des bürstenlosen
Gleichstrom-Motors (11) ist,
d) einer Drehrichtung-Erkennungsschaltung (20), die
Ausgangssignale von dem Magnet-Pol-Sensor (12) erhält, um die Drehrichtung des bürstenlosen Gleichstrom-Motors (11)
zu erkennen,
e) einem analogen Multiplexer (22) für die
Rückkopplungssignale, der die positive analoge Spannung vom
Frequenz-Spannungswandler (19) bzw. die Drehrichtung von
der Drehrichtungs-Erkennungsscha I tung (20) zum Erzeugen eines
positiven oder negativen analogen Signales als DrehzahIrückkopp lungssignaL erhält und
I 203 PA Schönherr/ Serwe . · * . &idigr; &iacgr;
f) einer Drehzahlsteuerung (1) als Proportionalverstärker,
die ein DrehzahLsteuersignaL und das Drehzahl-Rückkopplungssignal erhält, um die Höhe der
Gleichstrom-Speisespannung des bürstenlosen
Gleichstrom-Motors (11) zu regeln.
2. Drehzahlsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Frequenzvervielfacher (18) in Phasen-Sperrschleifenschaltung (PLL) durch Einfügen eines
Frequenzteilers in die RückkoppLungsschLeife zwischen dem
Ausgang eines spannungskontrollierten Oszillators und dem
Eingang eines Phasenvergleichers gebildet ist.
3. Drehzahlsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Drehstahlsteuerung (1) ein
Proportional-Integralverstärker ist.
4. Drehzahlsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der analoge Multiplexer (22) für die Polarität des Rückkopplungssignales einen Phaseninverter (21) und einen
analogen Multiplexer hat.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29500014U DE29500014U1 (de) | 1995-01-02 | 1995-01-02 | Drehzahlregler für einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29500014U DE29500014U1 (de) | 1995-01-02 | 1995-01-02 | Drehzahlregler für einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE29500014U1 true DE29500014U1 (de) | 1995-03-02 |
Family
ID=8002115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE29500014U Expired - Lifetime DE29500014U1 (de) | 1995-01-02 | 1995-01-02 | Drehzahlregler für einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE29500014U1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5933573A (en) * | 1995-04-22 | 1999-08-03 | Papst-Motoren Gmbh & Co. Kg | Method of controlling an electric motor and apparatus for carrying out the method |
-
1995
- 1995-01-02 DE DE29500014U patent/DE29500014U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5933573A (en) * | 1995-04-22 | 1999-08-03 | Papst-Motoren Gmbh & Co. Kg | Method of controlling an electric motor and apparatus for carrying out the method |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 19950413 |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 19971204 |
|
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20010131 |
|
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20030224 |
|
| R071 | Expiry of right |