DE3107641A1

DE3107641A1 - "verfahren und vorrichtung zum steuern eines digital gesteuerten buerstenlosen motors"

Info

Publication number: DE3107641A1
Application number: DE19813107641
Authority: DE
Inventors: Wataru Hamamatsu Shizuoka Oishi; Masanao Kosai Shizuoka Okuda
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 1980-02-29
Filing date: 1981-02-27
Publication date: 1982-01-28
Also published as: US4376262A; DE3107641C2; JPS56121398A

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines digital gesteuerten oder impulsgesteuerten bürstenlosen Motors mit konstanter Drehzahl, der über eine bestimmte Frequenz mit geringeren Drehzahlunregelmäßigkeiten oder Versetzungen betrieben wird, wobei dieser Motor insbesondere zum direkten Antrieb der Antriebswelle eines Magnetbandaufzeichnungsgerätes , für.Trommelantriebseinrichtungen für Faksimilegeräte und Plattendreheinrichtungen für Floppy-Bise-Antriebe verwandt wird. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum sofortigen und automatischen Beschleunigen der Drehung des Motors auf eine bestimmte Drehzahl, wenn der Motor in Drehung versetzt wird oder sonst, wenn der Motor aus irgendwelchen Gründen, abgebremst wird. Dabei ist unter einem digital gesteuerten bürstenlosen Motor ein Motor zu verstehen, der einen Aufbau hat, der ähnlich dem Aufbau eines sogenannten Schrittmotors ist und der sich fortlaufend mit kleinsten Drehzahlunregelmäßigkeiten synchron mit einem fortlaufend anliegenden Impulssignal dreht.

Ein digital gesteuerter bürstenloser Motor mit diesem Aufbau wird selbst dann nicht beginnen sich zu drehen, wenn er mit einer Impulskette mit einer bestimmten Arbeitsimpulsfrequenz versorgt wird, die über der maximalen Mitnahmeimpulsfrequenz liegt, die einer Last des Motors entspricht. Es ist versucht worden, Impulsketten am Anfang mit einer Impulsfrequenz anzulegen, die unter der maximalen Mitnahmeimpulsfrequenz liegt, und die Impulsfrequenz bis auf die gewünschte Endimpulsfrequenz fortschreitend zu erhöhen, wenn die Eingangsimpulsfrequenz, die einer Motordrehzahl entspricht, über der

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maximalen Mitnahmeimpulsfrequenz liegt. Die Eingabeimpulsfrequenz sollte daher in den Schnelldreh-Impulsfrequenzbereic] laufen, in dem ein Oszillator mit variabler Frequenz immer dann verwandt wird, wenn der Motor in Drehung versetzt wird, oder τψβηη der Motor aus irgendeinem Grunde überlastet ist.

Durch die Erfindung sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines digital gesteuerten bürstenlosen Motors geliefert werden, die es insbesondere erlauben, den Motor sofori und automatisch mit der vorbestimmten Impulsfrequenz mitzuziehen, die über der maximalen Mitnahmefrequenz liegt.

Durch die Erfindung sollen insbesondere ein Verfahren und ein* Vorrichtung zum Steuern eines digital gesteuerten bürstenlosen Motors geliefert werden, die es erlauben, den Motor sofori und automatisch wieder in Drehung zu versetzen oder auf eine bestimmte Drehzahl zu bringen, wenn der Motor durch eine Überlast oder aus einem ähnlichen Grunde abbremst oder anhält.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern eines digital gesteuerten bürstenlosen Motors soll den wirtschaftlichen Erfordernissen genügen können.

Dazu umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Drehkodierer, der einem Motor der beschriebenen Art zugeordnet ist, einen Detektor, an dem das Ausgangssignal des Drehkodierers liegt und der die Drehung des Motors wahrnimmt, einen Taktimpulsgenerator, einen Frequenzteiler, der die Frequenz eines Taktimpulses des Taktimpulsgenerators auf eine Mitnahmeimpulsfrequenz teilt, und eine Einrichtung, die das Ausgangssignal vom Drehkodierer, das Ausgangssignal vom Detektor und das Ausgangssignal vom Frequenzteiler kombiniert, um das kombinierte Signal mit dem Taktimpuls zu synchronisieren, wodurch eine Eingangsimpulskette gebildet wird. Die Impulskette liegt an einem Erregergenerator.

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Für das Verfahren zum Steuern des Motors ist der Kodierer einem Motor des beschriebenen Typs zugeordnet, um die Drehverhältnisse des Motors in ein elektrisches Signal zu verschlüsseln und das verschlüsselte elektrische Signal aufzunehmen. Ohne Ausgangssignal vom Kodierer wird das Signal mit der Mitnahmeimpulsfrequenz mit dem Taktimpuls synchronisiert, ■während dann, wenn ein Ausgangssignal vom Kodierer erhalten wird, das kodierte Signal mit dem Taktimpuls synchronisiert wird. Das synchronisierte Signal liegt an einem Erregergenerator. Wenn die Drehzahl des Motors nicht der Frequenz der Taktimpulse entspricht, wird eine Eingangsimpulskette gebildet, die dem Mitnahmeimpuls oder dem kodierten elektrischen Signal entspricht.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Beispiels

eines digital gesteuerten bürstenlosen Motors,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungs

beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das gleichzeitig ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren " zeigt,

Fig. 3 den speziellen Aufbau der elektrischen

Schaltung der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung, und

Fig. 4 das Zeitdiagramm der in Fig. 3 darge

stellten Schaltungsbauelemente.

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Anhand von Fig. 1 wird im folgenden ein Beispiel für den Aufbau eines digital gesteuerten bürstenlosen Motors beschrie ben. Der Motor 10 weist einen Statorteil 11 und einen Rotorteil "|5 auf. Der Statorteil 11 ist ähnlich wie der Stator bei einem bekannten Schrittmotor mit einem Permanentmagnetrotor aufgebaut und mit äußeren Jochen 12, inneren Jochen 13 und Wicklungen 14 versehen, die zwischen den äußeren und inneren Jochen liegen. Die äußeren Joche 12 weisen eine Vielzahl von Polzähnen auf, die vom Innenumfang der Joche in konstanten Abständen auf ihre Achsen zu verlaufen. In ähnlicher Weise sind die inneren Joche 13 mit einer Vielzahl von Polzähnen versehen. Die Wicklung 14 befindet sich zwischen dem äußeren Joch und dem inneren Joch. Das äußere Joch 12 und das innere Joch 13, zwischen denen die Wicklung 14 liegt, sind so miteinander verbunden, daß die Zähne des äußeren Joches 12 relativ zu den Zähnen des inneren Joches 13 versetzt sind. Die inneren Joche 13 liegen einander gegenüber, und die Zähne des einen inneren Joches sind um ein Viertel des Winkelbereiches .der Zähne des anderen inneren Joches versetzt oder schräggestellt. Die beiden Paare der in dieser Weise gebildeten Jochanordnungen sind an einem Flansch 16 angebracht, der in der Mitte ein Lager 17 aufweist.

Der Rotorteil 15 ist mit einem Schwungrad 18 in einem Stück ausgebildet. Das Schwungrad 18 weist eine Aussparung 19 im mittleren unteren Teil sowie eine zentrale Bohrung auf, die mit der Aussparung 19 in Verbindung steht. Eine Rotorwelle 21 ist in das Loch 20 des Schwungrades 18 preßgepaßt, wobei ein Ende der Rotorwelle 21 bis zu der horizontalen Ebene der Unterseite des Schwungrades verläuft. Am mittleren Teil des Schwungrades 18 ist ein Ringpermanentmagnet 22, beispielsweise ein Ferritmagnot, fest vorgesehen, der einen Außendurchmesser aufweist, der im v/esentlichen gleich dem Durchmesser dos mittleren Teiles ist. Der Ringpermanentmagnet 22 weist eine mehrpolige Magnetisierung in gleichen Abständen auf, wobei be-

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nachbarte Pole entgegengesetzt polarisiert sind, so daß die Anzahl der Pole des Rotors gleich der des Stators ist. Das Schwungrad 18 ist so ausgebildet, daß es einen maximalen Außendurchmesser hat, der im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des kombinierten Aufbaus der Joche 12 und 13 ist. Das äußere Ende des unteren Teils des Schwungrades 18 liegt nämlich im wesentlichen in einer Linie in vertikaler Richtung zur äußeren Umfangsflache des Statorteils 11.

Der Rotorteil 15 ist eng in den Statorteil 11 so eingepaßt, daß die Rotorwelle 21 drehbar im Lager 17 gehalten ist, woraufhin ein Gehäuse 23 am Flansch 16 befestigt ist. Die Rotorwelle 21 ist gleichfalls an ihrem Ende durch ein Lager 24 gelagert, das in der Mitte des Gehäuses 23 vorgesehen ist. Der Permanentmagnet 22 ist somit symmetrisch bezogen auf den Stator 11 oder bezogen auf eine Teilungsebene zwischen den beiden inneren Jochen 13 angeordnet.

Wenn der Motor zum Antrieb eines Magnetbandaufzeichnungsgerätes verwandt wird, bei dem ein Streufluß vom Motor abgeschirmt werden muß, um den Magnetkopf nicht zu beeinflußen, ist es wünschenswert, daß der Flansch 16 sowie das Gehäuse aus magnetischen Materialien bestehen.

Der Aufbau eines digital gesteuerten bürstenlosen Motors ist im einzelnen injler US-Patentanmeldung 198 235 und der DE-Patentanmeldung P 30 39 255.3 beschrieben. Ein in dieser Weise aufgebauter Motor liefert eine gleichmäßige Drehung des Rotors mit konstanter Drehzahl entsprechend der Impulskette bestimmter Frequenz.

Fig. 2 zeigt schematisch eine elektrische Schaltung zum Betreiben des oben beschriebenen Motors, wobei die Antricbcschaltungen des Motors 10 ähnlich den Schaltungen eines bekannten Schrittmotors sind. Ein Srregergenerator 32 besteht

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nämlich aus einer elektrischen Schaltung, die Eingangsimpulsketten auf jede Phase des Motors entsprechend der Anzahl der Phasen und der Art der Erregung verteilt,und eine Antriebsschal^ung 33 empfängt die verteilten Signale und liefert den Wicklungen 14 des Motors elektrische Stromimpulse, die zum Er regen des Motors 10 notwendig sind.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Motors weist einen Drehkodierer 34, der so ausgebildet und angeordnet ist, daß er mit dem Motor 10 verbunden ist, einen Detektor 35, an dem das Ausgangssignal vom Drehkodierer 34 liegt, um festzustellen, ob der Motor arbeitet oder nicht, einen Taktimpulsgenerator 36 und einen Frequenzteiler 37 auf, der den Taktimpuls au: die Mitnahmeimpulsfrequenz teilt.

Der Drehkodierer 34 arbeitet so, daß er die Information über die Rotorstellung und die Drehzahl in ein elektrisches Signal umwandeln kann, und kann einen herkömmlichen Aufbau haben, beispielsweise ein optischer Kodierer, bei dem ein oder mehrere lichtaussendende Elemente und Photosensoren an den gegenüberliegenden Seiten einer Drehkodierscheibe angeordnet sind, die an der Ausgangswelle des Motors angebracht ist, oder ein magnetischer Kodierer sein, der eine magnetisierte Drehscheibe oder eine Drehscheibe, an der ein Magnet angebracht ist, die an der Ausgangswelle angebracht ist, und einen magnetischen Sensor, beispielsweise ein Hall-Element, aufweist. Die einfachste Form des Drehkodierers besteht in einem Hall-Element, das in der Nähe des Rotors des Motors angeordnet ist, der so ausgebildet ist, daß er in gleichmäßigen Abständen eine mehrpolige Magnetisierung aufweist.

Das Ausgangssignal des Drehkodierers 34 liegt am Detektor 35» um festzustellen, ob sich der Motor dreht (Signal Y) oder stillsteht (Signal N). Das Ausgangssignal des Detektors 35,

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das Ausgangssignal des Kodierers 35 und ein Signal fj_, das dadurch erhalten wird, daß der Taktimpuls vom Oszillator 36 durch den Teiler 37 geteilt wird, werden kombiniert und anschließend mit dem Taktimpuls synchronisiert, um eine Eingangsimpulskette T zu bilden. Die erhaltene «Eingangsimpulskette liegt am Erregergenerator 32. Der Teiler 37 kann durch einen Oszillator ersetzt werden, der das Signal f_L erzeugen kann.

In einer Impulskettenformerschaltung 38 wird das logische Produkt des Ausgangssignals des Kodierers und des oben genannten Signals Y über ein erste UND-Glied 41 erhalten, während das logische Produkt des Signals N und des geteilten Signals über ein zweites UND-Glied 42 erhalten wird und die Ausgangssignale dieser logischen Produkte an einem ODER-Glied 43 liegen. Das Ausgangssignal vom ODER-Glied 4 liegt an einer Klemme D einer D-Flip-Flop-Schaltung 44, während der Taktimpuls vom Generator 36 an der Taktsteuerklemme CJ liegt,um ein Aus gangs signal Q ai erzeugen, das die Eingangsimpulskette T darstellt. Das heißt mit anderen Worten, daß dann, \venn sich der Motor 10 nicht dreht, das Signal N auf einen hohen Pegel kommt, und daß ein geteiltes Signal mit der Mitnahmeimpulsfrequenz über das UND-Glied 42 und das ODER-Glied 43 an der D-Flip-Flop-Schaltung 44 liegt und mit dem Taktimpuls CLK"f synchronisiert wird, um das Ausgangssignal Q zu erzeugen. Wenn der Rotor sich zu drehen beginnt, kommt das Signal Y auf einen hohen Pegel und liegt das Ausgangssignal des Kodierers über das UND-Glied 41 und das ODER-Glied 43 an der D-Flip-Flop-Schaltung 44, wobei dieses Ausgangssignal mit dem Taktimpuls synchronisiert wird, um die oben beschriebene Eingangsimpulskette T zu bilden.

Die Eingangsimpulskette T liegt am Erregergenerator 32,um die Antriebsschaltung 33 zu betreiben. V/enn die Drehzahl des Rotors 15 nicht der Frequenz des Taktimpulses entspricht, wird der Motor 10 entweder über das geteilte Signal oder ein Signal

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betrieben, das eine Frequenz aufweist, die dem Ausgangssignal des Kodierers entspricht. Der Rotor kann dementsprechend zu drehen beginnen, und es kann eine vorbestimmte konstante Dreh zahl selbst dann erhalten werden, wenn der Rotor bei einer aus irgendwelchen Gründen entstandenen Überlast verlangsamt oder abgebremst wurde.

Wie es in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, von denen erstere den Aufbau der Schaltung mehr im einzelnen zeigt, ist der Detektor 35 für das Ausgangssignal des Kodierers mit einem rück triggerbaren monostabilen Multivibrator versehen, wobei der Detektor 35 als Signal Y und Signal N das Ausgangssignal Q und das invertierte Ausgangssignal Q des Ausgangssignals Q jeweils verwendet und das Ausgangssignal Q einen hohen Pegel für ein bestimmtes Zeitintervall nach dem Triggern des Multivibrators hat. Der Taktimpulsgenerator 36 ist mit einer einfachen Schaltung mit einer bekannten integrierten Zeitgeberschal tung"555"ausgebildet, deren Schwingungsfrequenz auf die notwendige Motorantriebsfrequenz durch die Wahl der Werte C und R eingestellt werden kann. Wenn eine hohe Frequenzstabil: tat erforderlich ist, kann ein Signal mit der gewünschten Frequenz dadurch erhalten werden, daß ein Quarzkristallschwij ger und eine Frequenzteilerschaltung verwandt werden. Der Fr* quenzteiler 37 ist von einem monostabilen Multivibrator und einem Teil der D-Flip-Flop-Schaltung 44 gebildet. Die monost bilen Multivibratoren des Detektors 35 und des Frequenzteile: 37 können aus einer einzigen integrierten Schaltung in Dualin-line-Form gebildet sein, während die Flip-Flop-Schaltunge der Impulskettenformerschaltung 38 und des Frequenzteilers 37 durch eine andere integrierte Schaltung in Dual-in-line-F gebildet sein können, um die Anzahl der integrierten Schaltu gen so klein wie möglich zu halten. Der Erregergenerator 32 besteht aus zwei J-K-Flip-Flop-Schaltungen.

Im folgenden wird die Arbeitsweise anhand der Fig. 3 und 4 t

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schrieben. Wenn der Motor zum ersten Mal in Betrieb gesetzt wird, wird er über das geteilte Signal f-r betrieben, das in der V/eise f_L *·> ti ""* t3 "^T (Eingangsimpulskette) zugeführt wird,·da das kodierte Signal nicht vorhanden ist. Wenn sich der Rotor in der Anfangsphase seiner Drehung befindet, wird das geteilte Signal f_L gesperrt und betreibt das Ausgangssignal des Kodierers ENCODER I den Motor, wobei das Ausgangssignal des Kodierers in der Weise ENTCODERt--? t2 -r? t3 —>T zugeführt wird, bis ein Taktimpuls CLK^ in seiner Frequenz mit dem Ausgangssignal des Kodierers ENCODER 4 übereinstimmt.

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Claims

Dr. F. Zumstein sen. -"Dr. EVAssrnafYn -"Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.

PATENTANWÄLTE

ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE

3/Li

Ref:286(E37)

FUJI ELECTROCHEMICAL CO.,LTD.,Tokyo/Japan

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines digital gesteuerten bürstenlosen Motors

Patentansprüche

Verfahren zum Steuern eines digital gesteuerten bürsteniosen Motors, der eine periphere Schaltung zum Erregen des Motors aufweist und mit einer konstanten Drehzahl im Bereich hoher Impulsfreauenzen betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a. die Drehverhältnisse des Rotors des Motors in ein elektrisches Signal verschlüsselt werden,

b. das verschlüsselte elektrische Signal aufgenommen wird, um festzustellen, ob sich der Rotor dreht oder nicht,

c. ein Signal mit einer Mitnahmeimpulsfrequenz mit einem Taktimpuls synchronisiert wird, wenn der Roxor sich

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nicht dreht, und das verschlüsselte elektrische Signal mit dem Taktimpuls synchronisiert wird, wenn sich der Rotor dreht, um dadurch eine Eingangsimpulskette zu bilden, und

d. die Eingangsimpulskette der peripheren Schaltung zugeführt wird, so daß dann, wenn die Drehzahl des Rotors nicht der Frequenz der Taktimpulse entspricht, die Eingangsimpulskette entsprechend dem Mitnahmeimpuls oder entsprechend dem verschlüsselten elektrischen Signal gebildet wird.
2. Vorrichtung zum Steuern eines digital gesteuerten bürstenlosen Motors mit einem Rotor, gekennzeichnet durch

a. einen Drehkodierer, der dem Motor zugeordnet ist,

b. eine Detektoreinrichtung, an der das Ausgangssignal des Drehkodierers liegt und der die Drehung des Rotors wahrnimmt,

c. einen Taktimpulsgenerator, der einen Taktimpuls erzeugt,

d. einen frequenzteiler zum Teilen des Taktimpulses auf die Mitnahmeimpulsfrequenz,

e. eine Impulskettenformereinrichtung, die das Ausgangssignal des Drehkodierers, das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung und das Ausgangssignal des Frequenzteilers kombiniert, um das kombinierte Signal mit dem Taktimpuls zu synchronisieren und dadurch eine Eingangsimpulskette zu bilden, und

f. eine periphere Schaltungseinrichtung, an der die Eingangsimpulskette liegt und die den Motor erregt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung aus einem ersten monostabilen Multivibrator besteht, der durch das Ausgangssignal des Drehkodierers getriggert wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die

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Impulskettenformereinrichtung ein erstes UND-Glied, ein zweites UND-Glied, ein ODER-Glied, das mit seinen Eingangsklemmen am ersten und am zweiten UND-Glied liegt, und eine erste D-Flip-Flop-Schaltung aufweist, die an ihrer D-Klemme mit der Ausgangsklemme des ODER-Gliedes verbunden ist und . durch den Taktimpuls getaktet wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzteiler einen zweiten monostabilen Multivibrator und eine zweite D-Flip-Flop-Schaltung aufweist, wobei die zweite D-Flip-Flop-Schaltung mit ihrer D-Klemme an ihrer invertierten Q-Klemme liegt , um dadurch einen Kippvorgang durchzuführen, und die Ausgangsklemme des zweiten monostabilen Multivibrators mit der Klemme CK der zweiten D-Flip-Flop-Schaltung verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregergenerator eine erste J-K-Flip-Flop-Schaltung und eine zweite J-K-Flip-Flop-Schaltung aufweist, wobei die Eingangsklemmen CK der ersten und der zweiten Flip-Flop-Schaltung mit der Impulskettenformereinrichtung verbunden sind, so daß die Eingangsimpulskette an den Eingangsklemmen CK liegt, die Eingangsklemme J und die Eingangsklemme K der ersten Flip-Flop-Schaltung mit der invertierten Ausgangsklemme Q und der Ausgangsklemme Q Jeweils der zweiten Flip-Flop-Schaltung verbunden sind, und die Eingangsklemme J und die Eingangsklemme K der zweiten Flip-Flop-Schaltung mit der Ausgangsklemme Q und der invertierten Ausgangsklemme Q jeweils der ersten Flip-Flop-Schaltung verbunden sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzteiler ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz kleiner als die maximale Mitnahmefrequenz des Motors ist.

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8. Vorrichtung zum Steuern eines digital gesteuerten bürstenlosen Motors mit einem Rotor, gekennzeichnet durch

a. einen Drehkodier er ,der dem Motor zugeordnet ist,

b. eine Detektoreinrichtung, an der das Ausgangssignal des Drehkodierers liegt und die die Drehverhältnisse des Rotors wahrnimmt,

c. einen ersten Impulsgenerator, der einen Taktimpuls erzeugt,

d. einen zweiten Impulsgenerator, der ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz kleiner als die maximale Mitnahmeimpulsfrequenz des Motors ist,

e. eine Impulskettenformereinrichtun.g,die das Aus gangs signal des Drehkodierers, das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung und das Ausgangssignal des zweiten Impulsgenerators kombiniert, um das kombinierte Signal mit dem Taktimpuls des ersten Taktimpulsgenerators zu synchronisieren und dadurch eine Eingangsimpulskette zu bilden, und

f. eine periphere Schaltungseinrichtung, an der die Eingangsimpulskette liegt und die den Motor erregt.

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