DE3107623A1

DE3107623A1 - Treiberschaltung fuer buerstenlose gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE3107623A1
Application number: DE19813107623
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: 1981-12-24
Also published as: IT8120017A0; JPS56123793A; FR2477337B1; DE3107623C2; US4385265A; JPS631039B2; AT376851B; GB2071939B; FR2477337A1; ATA90281A; CA1160279A; IT1138959B; GB2071939A

Description

TER MEER'· MÖLLER -'STEINMEISTER --^:-"- " *-~ " " ■" Sony S81P10

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für bürstenlose Gleichstrommotoren.

Die Statorwicklungen eines bürstenlosen Gleichstrommotors sind mit Transistoren verbunden, welche durch Rechteck-Treibersignale nacheinander umgeschaltet werden und die Wicklungen entsprechend mit Strom versorgen. Die Rechteck-Treibersignale enthalten hochfrequente Komponenten und verursachen hörbare Störgeräusche in den Wicklungen, die bei großer Motorbelastung und dementsprechend großem Wicklungsstromfluß unangenehme Lautstärkegrade erreichen können. Zur Reduzierung dieser elektromagnetisch verursachten Geräusche sind bisher zwei Maßnahmen angewandt worden: ein sinusförmiges Treibersignal oder die Glättung des rechteckigen Treibersignals durch ein RC-Glied (Widerstand + Kondensator) . Damit die Wicklung in den positiven und negativen Halbwellen des sinusförmigen Treibersignals Strom erhält, sind außer zwei Transistoren noch je eine positive und eine negative Stromquelle erforderlich. Das erfordert hohen Schaltungsaufwand, ergibt aber nur einen mäßigen Motorwirkungsgrad.

Bei Anwendung der bekannten RC-Glättung verformt bzw. glättet das RC-Glied die in Fig. 1A unterbrochen dargestellte Rechteckwelle zu einem durchgehend gezeichneten Treibersignal, dessen Schaltzeitpunkte auf der Anstiegsund Abfallflanke der Rechteckwelle jeweils um t. bzw. t₂ nacheilen. Dies reduziert den Motorwirkungsgrad, Bei hoher Motordrehzahl oder schmaler RechLockwelle

130 052/0661

TER MEER - MÜLLER · STEINMEISTER ^: "-.*.:.- 3ony-S8iP10

wird ferner das Verhältnis der Verzögerungszeiten t₁ und t_ zur Wellenbreite größer. Die Verzögerungszeiten können mit der Zeitkonstante von RC zwar verkleinert werden, aber damit nehmen die Wicklungsgeräusche wiederum zu, folglich darf die Zeitkonstante von RC einen gewissen höheren Wert nicht unterschreiten. ·„

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Schaffung einer verbesserten Treiberschaltung für bürstenlose Gleichstrommotoren einen Ausweg aus den zuvor erläuterten Problemen zu finden.

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

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen aufgeführt.

Erfindungsgemäß wird durch eine lastabhängige Regulierung der Anstiegs- und Abstiegszeitintervalle des durch die Motorwicklung fließenden Stroms ein weitgehend geräuschfreier Motorlauf erzielt.

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

Fig. 1A und 1B grafische Darstellungen mit

durch herkömmliche Methoden verformten Treibersignalen zur Reduzierung von Wicklungsgeräuschen bürstenloser Gleich

strommotoren,

130052/06^1

TER MEER · MÖLLER · STEINMEISTER - " *-"' Sony S81P1O

Fig. 2 Kennlinien zu einem bürstenlosen Gleichstrommotor,

Fig. 3 eine grafische Darstellung erfindungsgemäß erzeugter Treibersignale, und

Fig. 4 und 5 schematische Schaltbilder eines

ersten und zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung.

Gem. Fig. 2 nimmt mit steigender Belastung des Motors die Drehzahl N ab, während gleichzeitig der Strom I größer wird. Bei dem bürstenlosen Gleichstrommotor verhält sich der Strom I umgekehrt proportional zu einer Treiber- oder Schaltfrequenz £ bei konstanter Treiberspannung. Der in der Wicklung entstehende elektromagnetische Geräuschpegel verhält sich zu dem Strom I proportional und zu der Umschaltfrequenz des Stroms I umgekehrt proportional. Aufgrund dieser Erkenntnis wird erfindungsgemäß die Anstiegsflanke einer Rechteckwelle P₁ mit einer Zeitkonstante "C₁ , und deren Abstiegsflanke mit einer anderen Zeitkonstante f^ integriert, und das ergibt die Treibersignal-Wellenform

S₁ (Fig.3). Diese Flankenabschrägung einer ursprünglich rechteckigen Welle erfolgt erfindungsgemäß durch ein RC-Glied (Widerstand + Kondensator), wobei als Besonderheit die Anstiegszeit und die Abstiegszeit in Abhängigkeit von der Größe des die Motorwicklung durchfließenden Stroms gesteuert werden.

Mit abnehmender Belastung und damit steigender Drehzahl N oder f verringert sich der Pegel der Rechteckwelle P₁ auf P₂* P3 ...» und durch Integrieren der Anstiegs- und Abstiegsflanke dieser Rechteckwellen P₁, P₂, P^. ... mit den Zeitkonstanten f ₁ bzw.t~₂ entstehend gem. Fig. 3 verformte Treibersignalwellen S-, S„, S₃ ...» deren Abstiegszeiten

13Q052/06S1

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER - - - "-·" Sony S81P1O

31Q7623

mit abnehmender Breite der Rechteckwellen P ... ebenfalls in folgender Weise kürzer werden: t.... ■>■ t.~ "> t₁, ^> ... und t₂₁ > t₂₂ > t_₃JS ... . Wenn beim Motoranlauf oder großer Belastung die Drehzahl N klein und der Strom I groß ist, besteht Anlaß zu starker Wicklungsgeräuschbildung, die erfindungsgemäß aber durch relativ lange Anstiegs- und Abstiegszeiten t.. und t₂₁ des Stroms I weitgehend verhindert wird. Dabei wird der Schaltzeitpunkt gegenüber der Rechteckwelle verzögert, aber das Verhältnis der Verzögerungszeit zur Rechteckwellenbreite ist nicht sehr groß, folglich leidet auch der Motorwirkungsgrad nicht sehr unter der Verzögerungszeit. Wenn bei geringer Motorbelastung oder hoher Drehzahl N der Strom I und auch der Wxcklungsgeräuschpegel klein ist, wird mit verkürzten Anstiegs- und Abstiegszeiten t.^ ^ur*d t_?3 gearbeitet, und der Motorwirkungsgrad steigt entsprechend an. Durch gezielte Bemessung der Zeitkonstanten "Ϊ" -· und If- ₂ kann der Motor stets mit geringem elektromagnetischem Wicklungsgeräusch und nur wenig vermindertem Wirkungsgrad gefahren werden, ohne Rücksicht auf eine jeweilige Belastung.

Wenn bei dem in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Transistor Q. durch ein über einen Eingang 1 bezogenes Rechtecksignal P abwechselnd ein- und abgeschaltet wird, erzeugt ein nachgeschalteter Transistor Q- an seinem Kollektor ein entsprechendes Rechtecksignal, dessen Anstiegsflanke durch ein aus Widerstand R₁ und Kondensator C₁ gebildetes RC-Glied mit einer Zeitkonstante f.. und dessen Abstiegsflanke durch ein aus Widerstand R₂ und Kondensator C₁ bestehendes RC-Glied mit einer anderen Zeitkonstante Ir ₂ integriert wird. Das integrierte Treibersignal S geht über einen Transistor Q₃ und wird zur Ansteuerung oines Transistors Q. benutzt, um den

130052/0661

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTEiR -■- - \.'-'. Sony S81P10

Treiberstrom I durch eine Wicklung 2 zu schicken. Ein Basisstrom I„ von Q. wird immer so gesteuert, daß seine Kollektor/Emitterspannung V_,_ immer annähernd gleich seiner Basis/Emitterspannung V_ßE ist und dieser Transistor Q. in Sättigung arbeitet. Zu Regelzwecken geht die Spannung V_c„ an die Basis eines Transistors Q₅. Mit steigerfdem Strom I steigen V„_ und der Basisstrom von Q₅ an, so daß die Kollektorspannung von Q₅ fällt und die Kollektorspannung V von Transistor Q₂ steigt und damit den Signalpegel des Treibersignals S und folglich den Basisstrom I„ von Q₄ anhebt. Durch Verlängerung der Anstiegs- und Abstiegszeiten des Treibersignals S wird das elektromagnetische Wicklungsgeräusch in der Wicklung 2 unterdrückt. Mit fallendem Strom I läuft der umgekehrte Regelvorgang ab, durch Pegelabsenkung des Treibersignals S werden die Anstiegs- und Abstiegszeiten verkürzt und der Motorwirkungsgrad damit verbessert. Folglich steigt und fällt die Kollektorspannung V des Transistors Q₂ proportional zu dem Strom I, es wird der gleiche Effekt wie in Fig. 3 erzielt. Eine Diode D- beschneidet den Entladestrom des Kondensators C₁, zu dem der Widerstand R₂ parallel geschaltet sein kann.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind mit Fig. 4 übereinstimmende Einzelheiten mit gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 5 sind Dioden D₂, D₃, D., D₅ so ausgelegt, daß die Spannungen zwischen ihrer Anode und Kathode annähernd gleich der Basis/Emitterspannung V _ eines Transistors Q₆ ist und dadurch die Basis dieses Transistors über D₂, D-,

D. sowie zwei A'quivalenzwiderstände R₃ eine Bezugsspannung V₇. = 2,5 ν_οτ, erhält, die sich auch so ausdrücken läßt: ^vn = ^vnr. ⁺ 11R/ι ⁺ V_nr, + V„„. Darin entspricht I₁ dem durch

Ά JoJfci I *J ti ti Lb I

Q_c fließenden Strom, V„„ der bereits erwähnten Basis/

O Ulli

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER - --- · · Sony £31P10

Emitterspannung von Q, und außerdem dem Spannungsabfall an der Diode D₅₁ und V der Kollektor/Emitterspannung von Transistor Q₄. Da der Widerstandswert von R. klein ist, kann I₁R₄ in der Gleichung vernachlässigt werden, und dann ist V₇.^ 2V_nc, + V„_. Der

Wert V-- von Q. wird auf annähernd 0,5 V^,„ gehalten, Ch 4 oh

folglich arbeitet der Transistor Q₄ fast in der Sättigung, bei der dar Strom I. mit steigendem Strom I fällt und den Wert des Basisstroms I_ß für Q. hebt. Die Anstiegs- und Abstiegszeiten des Treibersignals S werden dadurch verlängert und Wicklungsgeräusche der Wicklung 2 unterdrückt. Wenn dagegen bei kleiner Belastung der Strom I kleiner wird, findet der umgekehrte Vorgang statt und der Basisstrom I„ wird reduziert. Folglich werden die Anstiegs- und Abstiegszeiten des Treibersignals S kleiner und der Motorwirkungsgrad angehoben.

Die in Fig. 4 und 5 dargestellte Treiberschaltungen gelten jeweils für eine Wicklung 2 eines bürstenlosen Gleichstrommotors, für mehrere Wicklungen eines solchen Motors müssen entsprechend viele Treiberschaltungen gem. Fig. 4 oder 5 vorhanden sein. Ferner gibt ein nicht dargestellter Positionsdetektor ein der Winkelposition eines Rotors entsprechendes Positionssignal ab, auf dessen Grundlage Rechtecksignale P mit unterschiedlicher Phase erzeugt und zur sequentiellen Erregung der Wicklungen in die Eingänge der einzelnen Treiberschaltungen eingespeist werden.

Erfindungsgemäß werden in Abhängigkeit von dem durch die Wicklung fließenden Strom die Anstiegs- und Abstiegszeiten des Stroms so beeinflußt, daß bei großen Stromwerten wie beim Start oder bei hoher Belastung die Anstiegs- und Ab-

130052/0661

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER -'■·■ Γ \- Scny_:S8iP10

Stiegszeiten verlängert und dadurch Wicklungsgeräusche unterdrückt werden. Da der Motor bei großer Stromaufnähme langsam läuft, wird sein Wirkungsgrad durch die verlängerten An- und Abstiegszeiten kaum beeinträchtigt, Bei geringein Last- und Stromwerten ist die Wicklungsgeräuschbildüng ohnehin gering, die An- und Abstiegszeiten werden verkürzt und dadurch der Motorwirkungsgrad angehoben»

1300 52/0661

Claims

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Pntonl Office Mandatolrea agrees pres !'Office europeon de* brevets

Dipl.-Chem. Dr, N. ter Meer Dipl -Ing. H. Steinmeister ~. E. Müller

D-8000 MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

Case: S81P10 27. Februar 1981

Mü/Gdt/Tß

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

Treiberschaltung für bürstenlose Gleichstrommotoren

Priorität: 29. Februar 1980, Japan, No. 25804/1980

PATENTANSPRÜCHE

/ 1.!Treiberschaltung für bürstenlose Gleichstrommotoren, ^-^ gekennzeichnet durch eine die Anstiegs- und Abfall-Zeitintervalle CT. ;T"_) dos durch eine Motorwicklung (2) fließenden Stroms in Abhängigkeit von einer Belastung des Motors überwachende Schaltung (Fig.4;Fig.5).
2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstrom eines die Wicklung (2) erregenden Transistors (Q.) über eine aus einem Kondensator und einem Widerstand (C.., R..) bestehende

13005 2/0661

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER :.. I "..' ' Sony S81P10

integrierende Schaltung in Abhängigkeit von dem durch die Wicklung fließenden Strom gesteuert wird.
3. Treiberschaltung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator zum Integrieren der Anstiegsflanke und der Widerstand zum Integrieren der Abstiegsflanke einer Rechteckwelle (P...) herangezogen werden.
4. Treiberschaltung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (2) an den Kollektor des Transistors (Q₄) angeschlossen ist, der durch die Wicklung fließende Strom (I) nach der Kollektor/Emitterspannung (V_CE) des Transistors ermittelt und der dem Kondensator der integrierenden Schaltung zugeführte Strom auf der Grundlage der Kollektor/Emitterspannung des Transistors bestimmt sind.

130052/0661