DE3107621A1

DE3107621A1 - Treiberschaltung fuer einen buerstenlosen gleichstrommotor mit phasenwechsel

Info

Publication number: DE3107621A1
Application number: DE19813107621
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Urawa Saitama Uzuka
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1980-02-29
Filing date: 1981-02-27
Publication date: 1982-04-15
Also published as: IT8120016A0; JPS635999B2; US4412159A; FR2477336B1; CA1175477A; GB2071940B; GB2071940A; DE3107621C2; JPS56123790A; IT1138958B; ATA92381A; FR2477336A1; AT376530B

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Treiberschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit Phasenumkehr, wie im Oberbegriff von Patentanspruch 1 angegeben .

Einige herkömmliche Videobandgeräte, Kassettenrecorder o.dgl. enthalten zur Verbesserung der Gleichlaufeigenschaften usw. einen direkt mit einer Spulenaufηahme verbundenen und diese somit direkt antreibenden sehr langsamlaufenden bürstenlosen Motor. Dieser "Direktantrieb" bringt Vorteile bezüglich der Bedienbarkeit, Zuverlässigkeit und Reduzierung der Gesamtabmessungen. Für einen ungestörten Bandqleichlaufs müßte eigentlich ein äußerst hochwertiger Motortyp mit sehr geringer Drehmoment-Welligkeit eingebaut werden, der aber sehr kostenaufwendig ist und daher aus Preisgründen kaum in Frage kommt. Deshalb wurde bisher versucht, durch Maßnahmen beim Wickeln und Formen der Wicklungen und durch besondere Magnetisierungsmuster der Magnete die Drehmoment-Welligkeit möglichst klein zu halten - jedoch ohne ausreichenden Erfolg.

Nachstehend werden die bisher verwendeten herkömmlichen Motortypen einzeln mit ihren Nachteilen erläutert: A) Bei dem Motor mit Dreiphasen-Einwegerregung werden dreiphasige Wicklungen nacheinander mit in einer Richtung fließendem Strom erregt. Die Motorschaltung ist relativ einfach, aber die Drehmoment-Welligkeit ist ungünstig hoch.

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B) Bei dem Motor mit Dreiphasen-Doppelwegerregung werden jeweils zwei der Dreiphasenwicklungen selektiv nacheinander mit Strom versorgt, um die Erregung in zwei Richtungen durchzuführen. Bei diesem Motortyp ist die Drehmoment-Welligkeit geringer als bei dem unter A) beschriebenen Typ, der Schaltungsaufbau dafür umso komplizierter.

Da sich ferner bei den beiden unter A) und B) genannten Typen die Stromumkehr- und Polumkehr-Zeiten gegenseitig überlappen, haben sie den gemeinsamen Nachteil, daß das Drehmoment beim Stromwechsel zusammenbricht.

C) Dem Motor mit Sinuswellenspeisung wird ein sinusförmiger Erregerstrom zugeführt, dessen Sinusform den verketteten Magnetflüssen der aufeinanderfolgenden Wicklungen proportional ist, so daß die durch die Erregerströme und die verketteten Magnetflüsse erzeugten Drehmomente bei jedem Drehwinkel konstant sein können. Daher hat dieser Motortyp zwar eine sehr geringe Drehmoment-Welligkeit, benötigt aber eine sehr genaue Schaltungsabstimmung. Er kann ferner schlecht mit zwei Stromquellen vereinbart werden und ist nicht für den Einbau in kleine Geräte geeignet.

D) Bei dem Motor mit abwechselnder Phasenumkehr (Oberbegriff Patentanspruch 1) wird in jeder Phase der aufeinanderfolgenden ersten und zweiten STatorwicklungen ein Drehmoment mit einem elektrischen Phasenwinkel von mehr als 180° in einer Richtung erzeugt. Durch abwechselnde Schaltung und Stromversorgung der ersten und zweiten Statorwicklungen wird ein gleichförmiges Drehmoment erzeugt, jedoch mit Ausnahme eines Bereiches bei den Umschalt-Zeitpunkten der beiden Statorwicklungen.

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Da der unter D) erläuterte bürstenlose Motor im Stromumschaltbereich Drehmoment-Einbrüche hat (Fig.2A), leidet er unter Drehmoment-Schwankungen, die ihn zur Verwendung z.B. als Antriebswellenmotor in einem Videohandgerät kaum geeignet erscheinen lassen, weil diese Eigenschaft den Bandgleichlauf beeinträchtigt und die besonders hochfrequente Drehmoment-Welligkeit zu Bildverzerrungen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bürstenlosen Motor mit Phasenumkehr so zu verbessern, daß ein Drehmoment-Einbruch im Stromumschaltbereich weitgehend vermieden wird.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist kurzgefaßt im Patentanspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße Gleichstrommotor zeichnet sich dadurch aus, daß die Erregung seiner ersten bzw. zweiten Statorwicklungen jeweils immer kurz vor der Entregung der jeweils anderen Statorwicklungen erfolgt, so daß sich die Erregungsbzw. Stromleitungsperioden der Statorwicklungen im Kreuzungsbereich der Drehmomentkurven gegenseitig überlappen.

Dadurch wird ein sehr gleichmäßiger Drehmomentverlauf erreicht, mit dem ein ausgezeichneter Bandgleichlauf bei Videobandgeräten, Kassettenrecordern o.dgl. erzielbar ist.

Nachstehend werden einige die Merkmale der Erfindung aufweisende Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 und 2A, 2B einen Querschnitt durch einen bürstenlosen Vier-Pol-Gleichstrommotor mit Phasenumkehr, auf den die Erfindung anwendbar ist, und Diagramme zu dem Drehmomenfc-V erlauf

des Motors in Fig. 1,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild einer ein

erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung bildenden Motortreiberschaltung,

Fig. 4A bis 4F und 5A bis 5C Signal- und Strom

kurven zu der Treiberschaltung in Fig. 3,

Fig. 6A und 6B ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Motortreiberschaltung für einen Wickelmotor eines Videobandgerätes,

Fig. 7A bis 7E Kurvendarstellungen zur Arbeitsweise der Motortreiberschaltung von Fig. 6,

Fig. 8 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung, und

Fig. 9A bis 9E Signaldiagramme zu der Treiberschaltung von Fig. 8.

Auf dem inneren Umfang eines Rotorjochs 1 des in Fig. 1 geschnitten dargestellten, mit Phasenumkehr arbeitenden bürstenlosen Gleichstrommotor sind vier Dauermagnete 2a, 2b, 3a und 3b befestigt, und auf der Umfangsoberflache eines darin angeordneten Stntorkerns 4 sitzen Statorwick-

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lungen 5A, 5B, 5Λ¹, 5B¹, von denen jeweils die Wicklungen 5A, 5A¹ sowie 5B, 5B¹ die gleiche elektrische Phase führen und miteinander in Serie geschaltet sind. Die als N- und S-Polmagnete ausgebildeten Magnete 2a ... 3b erstrecken sich jeweils über einen elektrischen Phasenwinkel von 140°, und auf zwei gegenüberliegenden Seiten sind jeweils zwei Dauermagnete durch jeweils einen von 140° bis 220° reichenden Luftspalt 6a bzw. 6b getrennt. Die vorderen und hinteren Strompfadabschnitte der Statorwicklungen 5 ... sind jeweils um einen elektrischen Phasenwinkel von 100° getrennt.

Fig. 2A zeigt das von den Wicklungen 5A und 5A' der Phase A erzeugte Drehmoment, Der die Wicklungen durchsetzende Magnetfluß führt im Bereich der Luftspalte 6a und 6b beim elektrischen Winkel von 180° zu einem Versatz. Bei gleichmäßig durch die Wicklungen 5A und 5A¹ der Phase A fließendem Strom erzeugt der vordere Strompfadabschnitt V ein durch die Linie A¹ gekennzeichnetes Drehmoment. Der Stromfluß durch den hinteren Strompfadabschnitt U der Wicklungen 5A, 5A' ist dem Stromfluß durch den Abschnitt V entgegengesetzt und um einen elektrischen Phasenwinkel von 100° verschoben, wie aus der unterbrochenen Drehmomentkurve B¹ für den Strompfadabschnitt U ersichtlich ist. Daraus ergibt sich für die Statorwicklungen 5A und 5A' ein zusammengesetztes Drehmoment A in einer Richtung mit einem elektrischen Phasenwinkel von mehr als 180°. Wenn somit die Statorwicklungen 5A, 5A¹ und 5B, 5B¹ für die Phasen A und B fortlaufend und mit einer Winkelverschiebung von 180° von Strom durchflossen werden, entsteht der in Fig. 2B dargestellte Drehmomentverlauf. Danach sinkt das Drehmoment jeweils im Stromumschaltbereich ab, der zugehörige bürstenlose Motor hat folglich eine nachteilige Drehmoment-Welligkeit, die

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besonders in einen höheren Frequenzbereich fällt und bei Verwendung des Motors als Antriebswellenmotor z.B. in einem Videobandrecorder zu Bildverzerrungen führen muß.

Die nachstehend in Verbindung mit den Fig. 3 bis 9 beschriebene Erfindung ist ein wirksames Mittel zur Vermeidung dieses Nachteils bei einem mit Phasenumkehr arbeitenden bürstenlosen Motors. Erfindungsgemäß wird ein Absinken des Drehmoments im Stromumschaltbereich mit Erfolg durch gegenseitige Überlappung der Erregerperioden der Statorwicklungen für die erste und zweite Wechselphase verhindert.

Fig. 3 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Treiberschaltung für einen vierpoligen bürstenlosen Gleichstrommotor mit Phasenumkehr. Der dafür vorgesehene bürstenlose Motor gem. Fig. 1 trägt Magnete an seinem Rotor und an dem Stator diesen Magneten gegenüberliegend angeordnete Hall-Generatoren 10, deren Ausgänge A und B abwechselnd die in Fig. 4A dargestellten Ausgangssignale A₁ und B₁ an einen Differenzverstärker 11 abgeben, dessen Ausgang Q ein jeweils nach 180° Phasenwinkel zwischen hoch und niedrig wechselndes Stromumschaltsignal a abgibt, s. Fig. 4B. Von einem anderen Ausgang Q des Differenzverstärkers 11 wird ein gegenüber Signal a invertiertes Signal b bezogen, und diese Ausgangssignale a und b werden jeweils der Basis eines Transistors Tr₁ bzw. Tr- zugeführt, um diese im Takt der Signale a und b abwechselnd ein- und auszuschalten. Darüber werden die A-Phasenwicklungen 5A, 5A' und B-Phasenwicklungen 5B, 5B¹ abwechselnd für jeweils eine durch den elektrischen Phasenwinkel von 180° definierte Periode aktiviert, und der Motor läuft in der entsprechenden Drehrichtung.

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Die wechselnden Ausgangssignale A₁ und B₁ des Hall-Generators 10 gehen ferner jeweils in einen Differenzverstärker 13 bzw. 14, denen ein in Fig. 4A strichpunktiert angedeuteter Schwellwert zugeordnet ist. Solange die Ausgangsspannung A.. größer als B. ist und diese Differenz einen bestimmten Mindestwert hat, gibt der Differenzverstärker 13 ein in Fig. 4B dargestelltes Ausgangssignal c, und der andere Differenzverstärker 14 ein Ausgangssignal d (Fig. 4E) ab. Ein mit diesen Ausgangssignalen c und d angesteuertes UND-Glied 15 erzeugt in der Umgebung, also vor und nach dem Abfall bzw. Anstieg der Stroraumschaltsignale a und b ein hochliegendes Pulssignal e und schaltet damit über deren Basen Transistoren Tr₃ und Tr. durch.

Auf diese Weise werden die A-Phasenwicklungen 5A und 5A¹ zunächst solange mit Strom versorgt wie der Transistor Tr₁ durch das Umschaltsignal a des Differenzverstärkers 11 durchgeschaltet ist, s. Fig. 5A. Kurz bevor dieser Transistor Tr₁ durch sein Umschaltsignal a gesperrt wird, öffnet der Transistor Tr₄ unter dem Einfluß des Pulssignals e, so daß die B-Phasenwicklungen 5B und 5B¹ unmittelbar vor der Stromumschaltung für eine gegebene Periode t aktiviert werden. Wird andererseits der Transistor Tr. gesperrt und Transistor Tr« durchgeschaltet, erhalten die B-Phasenwicklungen 5D, 5D¹ Strom über das Umschaltsignal b. Da bei dieser Stromumkehrphase der Transistor Tr₃ durch das Pulssignal e durchgeschaltet wird, erhalten die A-Phasenwicklungen 5A, 5A¹ in der Periode t zum Stromumkehrzeitpunkt Strom, s. Fig. 5B.

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Auf diese Weise werden die A-Phasenwicklungan und die B~Phasenwicklungen unter gegenseitiger Überlappung von vor bis nach dem Phasenwechsel von A nach B oder von B nach A so erregt, daß ein Drehmoment-Einbruch des Motors im Stromumkehrbereich mit Erfolg kompensiert wird, wie dies durch den in Fig. 5C unterbrochen dargestellten Kennlinienverlauf angegeben ist. Diese Kompensation des Drehmoment-Einbruchs kann durch Veränderung der Werte der Kollektorwiderstände R_g und Rg der Transistoren Tr₃ Tr. nach Wunsch eingestellt werden. Wenn z.B. bei der Erregung der Wicklungen 5A und 5A¹ der Transistor Tr. durchgeschaltet ist, leitet auch Transistor Tr₃, aber es fließt kein Strom durch ihn, weil der Transistor Tr₁ leitet. Ähnliches gilt für den Durchschaltzustand von Transistor Tr.^wenn Tr- leitet) für die Wicklungen 5B, 5B¹.

Das in Fig. 6 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Treiberschaltung für einen Magnetband-Aufwickelmotor. Hierin werden die Ausgangssignale A₁ und B^ von Fig. 4A des Hall-Generators 10 jeweils an die Basis von Transistoren Tr₅ und Tr_ß gelegt, so daß sie abwechselnd verstärken. Am Kollektor des Transistors Tr₆ entsteht dadurch ein pulsierendes Stromumschaltsignal f (Fig.7B), mit dem Transistoren Tr₇ und Tr„ abwechselnd und um 180° phasenverschoben ein- und ausgeschaltet werden.

Ein Schalter in Form eines Transistors Tr_g wird für den Vorwärtslauf des Aufwickelspulenmotors (=Bandrücklauf) durch Anlegen einer hohen Spannung aus einem Stroraversorgungsanschluß 20 an seiner Basis durchgeschaltet, und für einen Rückwärtslauf dieses Motors (=schneller Bandrücklauf) wird der Transistor Tr„ durch eine niedrige Spannung von Anschluß 20 gesperrt. Bei Betrieb der Treiberschaltung von Fig. 6 für Vorwärtslauf des Motors liegt ein Schalter SW

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an einem Kontakt Vs und liefert eine nachher beschriebene Drehzahlsteuerspannung. Die Kollektoren der Transistoren Tr.. und Tr₀ liefern das impulsförmige Stromumschaltsignal f an eine aus Transistoren Tr₁₀ bis Tr₁₅, Widerständen R1 bis R4 und Kondensatoren C1 bis C3 bestehende Stromwechselschaltung. Das erwähnte Signal gelangt an die Basen der Transistoren Tr₁₁ und

schaltet bei niedrigem Pegel den Transistor Tr₁₁ durch, so daß ein Strom I durch den Widerstand R2 und die Transistoren Tr₁₀ und Tr₁₁ fließt. Dadurch wird Tr₁^ durchgeschaltet. Wenn dagegen ein niedriges Impulssignal vom Kollektor von Tr_Q zur Basis von Tr₁₉ fließt, wird dieser Transistor gemeinsam mit Tr₁₄ durchgeschaltet. Auf diese Weise werden die A-Phasenwicklungen 5A, 5A¹ und die B-Phasenwicklungen 5B, 5B¹ abwechselnd erregt. Die Kondensatoren C2, C3 unterdrücken Störerscheinungen.

Dioden D1 bis D3 ermitteln die Kollektorspannungen an den jeweils durchgeschalteten Transistoren Tr₁₄ und Tr₁^ und liefern die ermittelten Spannungen an eine aus Transistoren ^Tri3' ^Trin ^sow;i-^e Widerständen R1 und R2 bestehende Basisstromsteuerschaltung, welche die Basisströme I₀ der Transistoren Tr₁₄ und Tr₁₅ so steuert, daß diese Transistoren weitgehend im Sättigungspunkt arbeiten. Somit entspricht die Spannung am Punkt G (Fig.6B) der Summe der Kollektorspannungen von Tr₁₄ und Tr₁₅ im Durchschaltzustand und der Durchlaßspannung der Diode D1 oder D3. Dadurch entspricht die Kathodenspannung am Punkt H der Diode D2 der Kollektorspannung der Transistoren Tr₁₄ und Tr₁₅. Mit dieser Kollektorspannung an der Basis von Tr₁^ wird dessen Kollektorstrom bestimmt, welcher durch den Widerstand R1 fließt und dabei über die Basisspannung von Transistor Tr₁Q dessen Kollektorstrom bestimmt, welcher wiederum als Basis-

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strom der Schalttransistoren Tr₁₄ und Tr₁- und Tr₁₂ durchgeschaltet sind.

dient, wenn

Wenn z.B. die Basisströme von Tr₁₄ und Tr ₅ den Strom übersteigen, wo diese bei den Transistoren richtig gesättigt sind (=Kollektorstrom minus Gleichstromverstärkungsfaktor), dann wird die Meßspannung am Punkt H so klein, daß der Kollektorstrom von Transistor Tr₁^ kleiner wird und damit auch der Kollektorstrom von Tr_1n. Als Ergebnis verringern sich die Basisströme der Schalttransistoren Tr₁₄ und Tr₁₅, die durch entsprechende Gegensteuerungsmaßnahmen jedoch wieder angehoben werden bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt, wo die Kollektorspannungen von Tr₁₄ und Tr₁₅ am Punkt H = der Basis/Emitterspannung von etwa 0,7V des Transistors Tr₁₃ werden. In diesem speziellen Zustand entspricht die Kollektor/Emitterspannung der Schalttransistoren Tr₁₄ und Tr₁₅ von etwa 0,7 V etwa der Spannung, wo sie weitgehend gesättigt sind. Selbst wenn in Abhängigkeit von der Größe der den Wicklungen 5A, 5A", 5B, 5B' zugeführten Versorgungsspannung Vs sich die Amplitude des durch die Wicklungen fließenden Stroms ändert, genügt ein minimaler Basis-Durchflußstrom für die Sättigung der Transistoren Tr₁₄ und Tr₁₅. Dadurch ist der für den Anlauf des Motors notwendige Basisstrom immer vorhanden, und die Motorsteuerung wird auch nach Erreichen der Nenndrehzahl erfolgreich mit niedrigem Basisstrom durchgeführt, und dadurch wird der Gesamtstromverbrauch des Motors niedrig gehalten.

Damit sich auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Erregerperioden der A- und B-Phasenwicklungen 5... wie bei den» zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel von kurz vor bis nach dem Stromumkehrpunkt gegenseitig überlappen, gehen die Wechselstrom-Ausqangssignale A₁ und B₁ von den Ausgängen

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A und B des Hall-Generators 10 (Fig.4A) an die Basisanschlüsse der den Differenzverstärker bildenden Transistoren Tr₁₆ und Tr₁₇, welche verstärkte Ausgangsspannungen g und h (Fig.7A) von ihren Kollektoren abgeben, welche jeweils an die Basis eines Transistors Tr₄₀ bzw.

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Tr₁₉ gehen. Entsprechend dem Einschalt-Schwellwert (s.Fig. 7A) überlappen sich die von den Kollektoren dieser Transistoren ausgehenden Pulssignale i und j, s. Fig. 7C und 7D. Wenn die Signale h und g ihren Schwellwert unterschreiten, nehmen die Pulssignale i und j einen hohen Pegelwert an. Wenn beide Pulssignale i und j hochliegen, werden die Dioden D5 und D4 gesperrt, und es fließt kein Strom durch einen aus Widerstand R5, Diode D5, Widerstände R6, R5, Diode D4 und Widerstand R7 gebildeten Strompfad.

Da in dem Stromumkehrbereich ferner die Basisspannung eines Transistors Tr₂₀ steigt (s.Fig.7E), wird dieser Transistor gesperrt und schaltet dadurch einen anderen Transistor Tr.-·] durch, dessen Kollektorspannung dabei soweit ansteigt, daß Transistoren Tr₃~ und Tr_?., für einen Überlappungs-Erregerbetrieb durchgeschaltet werden. Wenn dann z.B. die A-Phasenwicklungen 5A und 5A¹ durch das Stromumschaltsignal f (Fig.7B) erregt werden, fließt zum Stromumkehrzeitpunkt ein Drehmoment-Unterbrechungen kompensierender Strom durch die B-Phasenwicklungen 5B und 5B¹ und umgekehrt. Dadurch bekommt der Motor eine ausgeglichene Drehmoment-Charakteristik, Die Kompensation der Drehmoment-Einbrüche läßt sich außerdem durch Justieren der Kollektorwiderstände R8 und R9 für die Transistoren Tr₂₂ und Tr₂₃ nach Wunsch einstellen.

Die vorstehende Beschreibung der Treiberschaltung in Fig. 6A und B bezieht sich auf die Vorwärtslaufriehtung des Motors, wo der Spulenmotor ein der Magnetbandlaufrichtung entgegen-

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gesetztes Drehmoment erzeugt und dabei das Magnetband mit einer bemerkenswert gleichmäßigen Gegenspannung beaufschlagt.

Für einen Rückwärtslauf des Motors wird zunächst der Schalter SW auf den Rückwärtsspannungsanschluß V_n (Fig.6B) umgeschaltet, um damit jeweils einen Anschluß jeder Statorwicklung 5A, 5A¹ und 5B, 5B¹ an eine niedrige Spannung wie Massepegel zu legen. Bei Rückwärtslauf rotiert der Spulenmotor in der Magnetbandlaufrichtung, um die Band-0 belastung bei schnellem Vorlauf zu reduzieren.

Die von dem Anschluß 20 kommende Spannung sperrt den Transistor Tr_g und schaltet damit den Transistor Tr₇ (oder Tr„) durch, so daß dessen Kollektorspannung das Potential an dem Punkt I (oder J) in Fig. 6A so ansteigen läßt, daß dadurch in Abhängigkeit von dem zuvor erläuterten Stromumschaltsignal f Transistoren Tr₃₄ und Tr₃₅ in gleichen Intervallen abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Jeweils im Einschaltzustand des einen oder anderen Transistors Tr-Jf ^Tr25 schalten die A-Phasenwicklungen SA, 5a¹ bzw. die B-Phasenwicklungen 5B, 5B' über den betreffenden Transistor und eine Diode D6 oder D7 eine Versorgungsspannung Vcc, die den Motor rückwärts laufen läßt. In diesem Fall sind die Transistoren Tr₉ sowie Tr_13# Tr₁₀, Tr₁₁ und Tr₁₂ gesperrt, so daß die Transistoren Tr₁₄ und Tr₁₅ keinen Basisstrom I- (wie für den zuvor beschriebenen Vorwärtslauf) erhalten und folglich auch die A- und B-Phasenwicklungen nicht speisen können. Dagegen bleibt in der Vorwärts-Laufrichtung das zuvor erläuterte Transistorpaar Tr₃₄ und Tr₃₅ gesperrt, weil es nur für Rückwärtslauf benötigt wird.

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Wenn der Vorratsspulenmotor auf Rückspulbetrieb (oder der Aufwickelspulenmotor auf schnellen Vorlauf) geschaltet wird, dann wird ein Transistor Tr₀,- durchgehe

schaltet, um durch Anlegen einer höheren Spannung an den Anschluß 20 die überlappend erregenden Transistoren Tr₂2 und Tr₂, zu sperren und vor überhitzung zu schützen. Wenn der Motor aber bei Aufzeichnung oder Wiedergabe als Vorwärtsspulenmotor die Bandspannung erzeugt,bleibt Tr_?ß gesperrt, aber die Transistoren T*"₂₂ ^{und Tr}23 ^wer^^{en wie} zuvor beschrieben abwechselnd ein- und ausgeschaltet.

Bei schnellem Vorlauf des Vorratsspulenmotors steigt dagegen durch eine höhere Motorspannung das Potential an Punkten K und L in Fig. 6B an, was ebenso für den Betrieb des Vorwärtsspulenmotor beim schnellen Vorlauf gilt. Die an den Punkten K und L herrschende Spannung wird durch Dioden D8 und D9 erfaßt und zum Einschalten von Tr_oc benutzt. Dadurch wird Transistor Tr₂₀ durchgeschaltet und Tr₂₁ gesperrt. Durch Sperrung der Transistoren Tr₂- und Tr₂, werden sie vor überhitzung geschützt, und dabei findet keine überlappende Erregung statt. Bei schnellem Bandvorlauf oder Bandrücklauf sind evtl. auftretende Drehmoment-Schwankungen ohne Bedeutung.

Das in Fig. 8 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Motortreiberschaltung enthält teilweise die gleichen Bauelemente wie die bereits in Verbindung mit Fig. 3 beschriebene Ausführung, deren Beschreibung sich folglich hier erübrigt. In Fig. 8 gehen die wechselnden Ausgangssignale von den Ausgängen A und B des Hall-Generators "10 in die Eingänge eines Differenzverstärker-Paares und 14, über dessen Ausgänge Transistoren Tr₀₇ und Tr,_R abwechselnd über einen elektrischen Phasenwinkel von 180° ein-

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\nd ausgeschaltet werd :n, um darüber die A- und B-Phasenwicklungen 5A, 5A' und 5B, 5B¹ abwechselnd und sich überlappend zu erregen. Gem. Fig. 9A findet etwa in halber Spitzenhöhe eine Überschneidung der Drehmomentkurven der A- und B-Phase statt, so daß sich eine Beziehung oL st β ergibt, die entweder durch entsprechende Gestaltung des Magnetisierungsmusters der Magnete 2a, 2b, 3a, 3b in Fig.1 oder durch eine Änderung des Teilungswinkels (oder des Winkelabstands zwischen dem Vorwärtsabschnitt V und dem Rückwärtsabschnitt ü) der Statorwicklungen 5A, 5A¹, 5Β, 5b¹ erreicht wird. Durch die Ausgangssignale c und d (Fig.9C, 9D) der Differenzverstärker 13 und 14 werden die Transistoren Tr₃₇ und Tr₃₈ während einer Periode t¹ (Fig.9E) gleichzeitig durchgeschaltet und liefern damit Strom über einen Winkel von 180° + d j ( «>θ) . Folglich wird hier durch überlappende Erregung in der Periode t' ein Drehmoment-Einbruch im Stromumkehrbereich erfolgreich verhindert und ideal auf gleicher Ebene überbrückt, wie dies durch die obere strichpunktierte Verbindungslinie in Fig.9A angedeutet ist. Dadurch werden die A- und B-Phasenwicklungen äußerst gleichförmig erregt.

Wenn bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen auf eine Justierung der Drehmoment-Kompensation verzichtet wird, dann ist auch kein Justierwiderstand erforderlich, und die Treiberschaltung kann folglich mangels Verlustwärmequelle integriert aufgebaut werden.

Claims

PAT E N TA N WA LTE

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Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — ProfeMlonal Representatives before the European Patent Office Mandataire» agrees pre· I'Ofllce european de· brevets

DipL-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl -Ing. H. Steinmeister

Dipl.-ing. F. E. Müller Siekerwall 7

Triftstrasse A₁ öiekerwall 7.

D-800O MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD

Gase: S81P9 27. Februar 1981

Mü/Gdt/Tß

SONY CORPORATION 7-35, Kitashinagawa 6-chome, Shinagawa-ku TOKYO, JAPAN

Treiberschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit Phasenwechsel

Priorität: 29. Februar 1980, Japan, No. 25798/1980

PATENTANSPRÜCHE

[ 1.!Treiberschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrom- ^—^^ motor mit Phasenumkehr, bei dem sich im abfallenden Flankenbereich die Drehmomentkurve jeder Phase über mehr als 180° erstreckt und die Flanken der Drehmomentkurven aufeinanderfolgender Phasen sich gegenseitig überschneiden; mit einer Schaltung zur Erregung mind. eines Paares von ersten und zweiten Statorwicklungen des Motors und einem die Drehwinkelposition des Motor-Rotors abtastenden Fühlelement, dadurch gekennzeichnet, daß

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die ersten und zweiten Statorwicklungen (5A, 5A¹; 5B, 5B¹) in Abhängigkeit von dem Ausgang des Fühlelements (10) so durch die Schaltung (11,13,14,15,Tr₁ ...Tr₄) erregbar sind, daß die Erregerperiode für eine Phase sich mit der Erregerperiode einer anderen Phase im Kreuzungsbereich der Drehmomentkurven überlappt.
2. Treiberschaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung ein erstes Schalterelementpaar (Tr^Tr₃) für die abwechselnde Erregung der ersten und zweiten Statorwicklung über einen elektrischen Phasenwinkel von 180°, und ein zweites Schalterelementpaar (Tr₃₁Tr₄) für die Erregung der ersten und zweiten Statorwicklungen im Verlauf von sich überlappenden Erregerperioden in dem Kreuzungsbereich umfaßt.
3. Treiberschaltung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Schalterelementpaar (Tr₁...Tr₄) durch Schaltsignale gesteuert werden, die ihnen von zu der Schaltung gehörenden ersten und zweiten Signalformerschaltungen (11;13,14,15) zugeführt werden.
4. Treiberschaltung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlelement ein Hall-Generator (10) und die erste Signalformerschaltung durch einen Differenzverstärker (11) gebildet ist; und daß der Differenzverstärker (11) an das erste Schalterelementpaar (Tr₁,Tr₂) ein über jeweils einen elektrischen Phasenwinkel von 180° abwechselnd einen hohen und einen niedrigen Pegel führendes Schaltsignal und ein demgegenüber invertiertes Signal liefert.

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5. Treiberschaltung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Signalformerschaltung aus zwei eingangsseitig mit zwei gegenphasigen Ausgangssignalen des Hall-Generators (10) versorgten Differenzverstärkern (13,14) mit einem vorgegebenen Schwellwert, die an die beiden Eingänge eines UND-Gliedes (15) je ein sich über einen elektrischen Phasenwinkel von mehr als 180° erstreckendes Ausgangssignal abgeben, und aus dem UND-Glied (15), welches ein einem Uberlappungsabschnitt der beiden Differenzverstärker-Ausgangssignale entsprechendes Überlappungs-Erregersignal abgibt, um durch gleichzeitige Durchschaltung des zweiten Schalterelementpaares einen Uberlappungs-Erregerstrom durch das Statorwicklungspaar (5A,5A',5B,5B') fließen zu lassen, besteht.
6. Treiberschaltung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Schalterelementpaar (Tr₃, Tr.) über Widerstände (R_g,Rg) mit dem Statorwicklungspaar (5A,5A¹,5B,5B')_; durch das ein Uberlappungs-Erregerstrom zum Kompensieren einer absteigenden Flanke im Kreuzungsbereich der Drehmomentkurve fließt, verbunden ist.
7. Treiberschaltung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schalterelementpaar aus zwei in Reihe mit jeder der Statorwicklungen (5A,5a*,5B,5B¹) geschalteten Transistoren (Tr₁,Tr«) und das zweite Schalterelementpaar aus zwei Transistoren Tr^,Tr.), von denen je einer parallel zu einem der anderen beiden Transistoren (Tr₁₁-Tr₂) geschaltet ist, bestehen.

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8. Treiberschaltung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Hall-Generator (10) einem mit dem Rotor verbundenen Magnet gegenüber an dem Stator des Motors befestigt ist.
9. Treiberschaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß mind, ein Magnetfeldpolpaar (2a,2b,3a,3b) und eine die Stärke des die Wicklungen im Flußrichtungs-Wechselbereich der ersten und zweiten Statorwicklungen (5...) überbrückenden Magnetflusses vermindernde ünterdrückungseinrichtung (6a,6b) vorhanden sind; und daß durch erste Strompfadabschnitte (U) und durch zweite Strompfadabschnitte (V) der ersten und zweiten Statorwicklungen entgegengesetzte sowie um einen elektrischen Phasenwinkel von weniger als 180° voneinander getrennte Ströme fließen, so daß eine in jeder Phase erzeugte Drehmomentkurve sich über einen Bereich erstreckt, der größer als 180° ist.
10. Treiberschaltung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Kollektorspannungsprüf einrichtung an die Verbindungsstelle zwischen jeder Statorwicklung und jedem Transistor (Tr₁₄,Tr₁₅) des ersten Schalterelementpaares angeschlossen ist, und daß der Basisschaltstrom jedes dieser Transistoren durch eine Steuereinrichtung (Tr₁₃JTr^Tr₁₁ /T^₁₂) auf einen für die Transistor-Durchschaltung erforderlichen Mindestwert einreguliert wird.
11. Treiberschaltung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorspannungsprüfeinrichtung aus einem ersten Diodenpaar (D₁,D₃), deren Kathoden mit je einem Verbindungspunkt (K bzw. L) zwischen je einer Statorwicklung und dem zugehörigen Schalttran-

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sistor und deren Anoden miteinander verbunden sind, und aus einer anodenseitig mit den Anoden der anderen beiden Dioden verbundenen zweiten Diode (D₂) besteht, von der an der Kathode der zweiten Diode eine der Schalttransistor-Kollektorspannung im wesentlichen gleichgroße Spannung entnehmbar ist.
12. Treiberschaltung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstrom für die Schalttransistoren (Tr₁.,Tr₁₅) in Abhängigkeit von dem Ausgang der Prüfeinrichtung (D....DJ von einer Basisstromschaltung (Tr₁^Tr..,) erzeugt wird und in Abhängigkeit von den wechselnden Schaltsignalen der Signalformerschaltung (Tr₅...Tr„) an die Basisanschlüsse der Schalttransistoren geliefert wird.
13. Treiberschaltung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die Basisstrom-Steuereinrichtung (Tr₁SiTr₁₀...Tr₁₂) und das Schalttransistorpaar (Tr₁4,Tr₁₅) einen Regelkreis bilden, über den die Kollektorspannung jedes der beiden Transistoren (Tr₁₄, Tr₁₅) durch Anhebung oder Absenkung des Basisstroms bei Unterschreitung bzw. Überschreitung eines konstanten Wertes der Kollektorspannung auf einem vorgegebenen konstanten Sollwert gehalten wird.
14. Treiberschaltung nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß an die Verbindungspunkte (K,L) ferner eine die Versorgungsspannung der Statorwicklungen (5...) überwachende Schaltung angeschlossen ist, und daß eine Schwellwertschaltung (Tr.g...Tr₁ g/D«» D₅) die zweite Signalformerschaltung in Abhängigkeit von dem Ausgang der überwachungsschaltung so abschaltet, daß

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die Überlappungs-Erregung des zweiten Schalterelementpaares (Tr₂₂,Tr«,)gesperrt wird, wenn das Ausgangssignal der überwachungsschaltung nach Erregung der Statorwicklungen mit hoher Spannung für schnellen Vor- oder Rücklauf des Motors über einem vorgegebenen Schwellwert liegt, um eine Überhitzung des zweiten Schalterelementpaares bei hoher Motordrehzahl zu verhindern.
15. Treiberschaltung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsüberwachungsschaltung aus zwei kathodenseitig verbundenen, anodenseitig mit je einem der Verbindungspunkte (K,L) verbundenen und an ihren Kathoden einen Ausgang in bezug auf die Versorgungsspannung abgebenden Dioden (Dg,D_g) besteht.
16. Treiberschaltung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalttransistor (Tr-g) zwischen dem Ausgang der Schwellwertschaltung (Tr..g...) und einer Masseleitung liegt, an dessen Basis das Ausgangssignal der überwachungsschaltung geht.
17. Treiberschaltung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung ferner ein drittes Schalterelementpaar (Tr₂^₁Tr₃₅) für Motor-Rückwärtslauf umfaßt, über das abwechselnd die beiden Statorwicklungen (5...) in Rückwärtsrichtung relativ zu der Erregung des ersten Schalterelementpaares erregt werden.

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18. Treiberschaltung nach Anspruch 17,

dadurch gekennzeichnet, daß dieses dritte Paar aus zwei über ein Diodenpaar (Dg,D_) mit den Verbindungspunkten (K,L) verbundenen Transistoren (Tr₂₄₁Tr₂-) besteht, deren Basen durch die Ausgänge der ersten Signalformerschaltung (Tr_c...Tr_o) so angesteuert werden, daß sie abwechselnd durch- und abgeschaltet werden und an einen gemeinsamen Anschluß der Statorwicklungen (5...) eine Rückwärtserregerspannung liefern.
19. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Rückwärtserregerspannung durch einen Steuerschalter (Tr₉) die Basisstromschaltung (Tr₁^Tr_{1 Q}, R₁ ,R₂) des ersten Schalterelementpaares (Tr₁₄,Tr₁₅) abgeschaltet wird, um dieses Schalterelementpaar bei rückwärtslaufendem Motor zu sperren.
20. Treiberschaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß durch zwei Schalterelemente (Tr₃₇,Tr-») abwechselnd die beiden Statorwicklungen (5...) erregt werden, und daß eine Schaltersignalformerschaltung zwei gegenphasige Schaltsignale abgibt, die sich über einen mehr als 180° betragenden elektrischen Phasenwinkel erstrecken und sich im Kreuzungsbereich der Drehmomentkurven bei Phasenwechsel gegenseitig überlappen.
21. Treiberschaltung nach Anspruch 20„

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltersignalforraerschaltung aus einem Paar Differenzverstärkern (13,14) besteht, die einen vorgegebenen Schwellwertpegel haben

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und jeweils an ihren zwei Eingängen zwei gegenphasige Ausgangssignale empfangen, um an ihren Ausgängen in der Phase wechselnde und sich gegenseitig überlappende Schaltsignale abzugeben.
22. Treiberschaltung nach Anspruch 20,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterelemente mit dem Statorwicklungspaar (5A,5A',5B,5B') in Serie geschaltete Transistoren (Tr~₇,Tr₂₈) sind.

23, Treiberschaltung nach Anspruch 9 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß einem der vorhandenen Magnetfeldpole (2..,,3...) eine Magnetfluß-Unterdrückungseinrichtung (6a,6b) zugeordnet ist; oder daß min. ein Statorwicklungspaar (5...) so geformt ist_t daß sich die Drehmomentkurven verschiedener Phasen in den absteigenden Flankenabschnitten bei dem Drehmoment-Mittelwert schneiden.