DE3109305C2

DE3109305C2 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung eines Elektromotors

Info

Publication number: DE3109305C2
Application number: DE3109305A
Authority: DE
Inventors: Kenji Hachioji Tokio/Tokyo Kimura
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1980-03-11
Filing date: 1981-03-11
Publication date: 1986-05-28
Also published as: DE3109305A1; US4376914A

Abstract

Motorsteuerung für einen Elektromotor mit einem ersten Zähler zum Zählen von Taktsignalen mit einer bestimmten Frequenz, mit einer Einrichtung zum Zurücksetzen des ersten Zählers durch ein Ausgangssignal, das der Rotationsfrequenz des Motors entspricht, und zum Speichern des gezählten Inhaltes des ersten Zählers unmittelbar vor dem Zurücksetzen mit einem zweiten Zähler für die Zählung von Taktimpulsen mit einer bestimmten Frequenz, die höher als die Frequenz des oben erwähnten Taktsignals ist, und mit einer Einrichtung für den Vergleich des Inhaltes des ersten Zählers mit dem des zweiten Zählers, zum Zurücksetzen des zweiten Zählers, wenn die beiden Inhalte übereinstimmen, zur Erzeugung von Ausgangssignalen vom Zurücksetzen des zweiten Zählers bis zum Zurücksetzen des ersten Zählers, und zur Steuerung der Rotationsfrequenz des Motors durch die Ausgangssignale.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der GB-PS 15 07 740 ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung eines Elektromotors bekannt. Diese Schaltungsanordnung hat einen ersten Zähler zum Zählen von Taktsignalen, die von einem Oszillator abgeleitet werden. Ferner hat die Schaltungsanordnung eine Einrichtung zum Rücksetzen des ersten Zählers durch ein Rücksetzsignal, das von einem Pulsverstärker erzeugt wird, der ein die Drehzahl des zu steu

ernden Motors anzeigendes Signal In ein Pulssignal

umwandelt. Die Schaltung weist einen zweiten Zahler auf, der ebenfalls Taktsignale zählt, die von dem gleichen Oszillator erzeugt werden wie diejenigen Taktsignale, die von dem ersten Zähler gezählt werden. Der erste Zähler Ist mit einer Decoder- und Halteschaltung verbunden.

Diese Decoder- und Halteschaltung überprüft, ob der Zählwert des ersten Zählers einem In der Decoderschal-

* tung voreingestellten, festen Wert entspricht. Die Deco-

jo deirschaltung In der Decoder- und Halteschaltung setzt dies Halteschaltung, wenn der Zählwert des ersten Zählers diesen voreingestellten Wert erreicht hat. Wenn nun der Zählwert des ersten Zählers diesen vorgegebenen Wert erreicht oder überschreitet, bevor ein Rücksetzsigna!, das zunächst dem ersten Zähler zugeführt worden Ist, eine Verzögerungsleitung verläßt, so wird eine Triggerschaltung gssetzt. Andsrenfalls wird die Triggerschaltung zurückgesetzt. Diese Unterscheidung gibt an, ob die Motordrehzahl unterhalb oder oberhalb Ihres Sollwertes Hegt. In Abhängigkeit vom Zustand der Triggerschaltung wird ein Aufwärts-Abwärts-Zähler In seinem Zählwert verändert. Das sich derart ergebende Ausgangssignal des Aufwärts-Abwärts-Zählers, dessen Zähl wert also In Abhängigkeit vom Zustand der Triggerschaltung aufwärts- und abwärtsgezählt wird und der die Rücksetzpulse, die an den beiden Zählern anliegen, zählt, wird in einer Vergleicherschaltung mit dem Zählwert des zweitem Zählers verglichen. Wenn der Zählwert In dem zweiten Zähler niedriger als der Zählwert In dem Aufwärts-Abwärts-Zähler ist, wird das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung abgesenkt, während es In dem anderen Fall erhöht wird. Ein erster Nachteil dieser bekannten Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung besteht darin, daß die Schaltungsanordnung lediglich zwei Zustände der Drehzahl erkennt, nämlich eine zu niedrige Drehzahl und eine zu hohe Drehzahl. Damit wird durch diese Schaltungsanordnung kein genaues Einstellen der Istdrehzahl auf die Solldrehzahl erreicht, sondern lediglich eine Istdrehzahl erzeugt, die in kleinen Schritten um die Solldrehzahl schwankt. Ein weiterer. In der Praxis noch schwerwiegenderer Nacntell dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß sie eine aufwendige Vergleicherschaltung, eine Reihe von Gatterschaltungen sowie drei Zähler benötigt, von denen einer sogar als Aufwärts-Abwärts-Zähler ausgeführt sein muß. Eine derart aufwendig? Schaltung führt zwangsweise zu hohen Kosten In der Herstellung der Schaltung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs so weiterzubilden, daß eine stabile Drehzahlsteuerung eines Elektromotors mit niedrigem Schaltungsaufwand erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht eine direkte Drehzahlsteuerung eines Elektromotors durch Variation der Dauer der Stromzuführung zum Elektromotor mit einer äußerst einfachen Schaltung, die sich im wesentlichen mit einem Impulsgenerator, zwei Zählern, einem Komparator und einem Flip-Flop begnügt. Die Schaltung nutzt die unterschiedlichen Zeltpunkte, zu denen die beiden Zähler einen bestimmten Zählwert erreichen, direkt dazu aus, eine Pulsweltenmodulation des Ausgangssignales zu erzeugen. Dieses pulsweltenmodulierte Ausgangssignal kann über eine Treiberstufe zum An- und Abschalten des dem Motor zugeführten Stromes verwendet werden.

Die DE-AS 21 3? 783 zeigt eine Schaltung zum Erzeugen eines Taktsignals, das die Läuferstellung eines Motors wiedergibt. Diese Schaltung dient nicht zur Drehzahlsteuerung von Elektromotoren.

Ein besonderer Vorteil der erflndungsgemüßen Schaltungsanordnung Hegt In der extrem stabilen Steuerung, die aufgrund des digitalen Servosystems der Schaltungsanordnung erreicht wird.

Nachfolgend werden bevorzugte Auslühnmgsbelsplele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die belllegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Flg. I ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erflndurgsgemäßen Motorsteuerung,

Flg. 2 ein Blockdiagramm einer Verzögerungsschaltung, die bei der Motorsteuerung nach Flg. 1 verwendet wird,

Flg. 3 bis 5 Wellenformen zur Erläuterung der Funktionswelse der verschiedenen Schaltungsanordnungen der Motorsteuerung nach Flg. 1,

Flg. 6 ein Blockdiagramm des Aufbaus einer weiteren Ausi'ührungsform einer Motorsteuerung nach der vorlie-" g'enden Erfindung,

**, Flg. 7 ein Diagramm des Aulbaus des Hall-Motors, tier bei der Motorsteuerung nach Flg. 6 verwendet wird,

FI g. 8 bis 13 Wellenformen zur Erläuterung der Funktionswelse der verschiedenen Schaltungsanordnungen der Motorsteuerung nach FI g. 6, und

Flg. 14 ein Diagramm zur Erläuteiung der Funktionsweise des Hall-Motors nach Flg. 7.

In den verschiedenen Zeichnungen sind jeweils die gleichen Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei zeigt Flg. I eine Ausführungsform einer Motorsteuerung nach der vorliegenden Erfindung.

Der In Fig. 1 dargestellte Motor 1, beispielsweise ein Gleichstrommotor, Ist mit einem Rotatlonsfühler 2 versehen. Der Rotationsfühler 2 stellt die Rotatlonsfrequenz des Motors 1 fest. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird als Rotationsfühler ein optischer Koppler (ein photoelektrischer Wandler) verwendet, der pro Drehung des Motors 1 38 Impulsförmige Ausgangssignale erzeugt.

Der Rotationsfühler 21st über einen Spannungsverstärker 3 mit einem Impulsgenerator 4 verbunden.

Der Impulsgenerator 4 weist eine Differenzierschaltung auf, die aus einem Kondensator und einem Widerstand besteht.

Der Impulsgenerator 4 ist mit einer Verzögerungsschaltung 5 verbunden. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist die Verzögerungsschaltung 5 zwei Stufen J*K Flip-Flops Si, S₁ auf, wobei ein Ausgangssignal Q des Flip-Flops 5₂ der letzten Stufe zu dem Eingang J*K des FHp-Flops 51 der ersten Stufe zurückgekoppelt wird, um als Rücksetz-Ausgangsslgnal ein verzögertes Ausgangssignal (siehe Flg. 3 a) für den Ausgang des Impulsgjnerators 4 zu erzeugen, wie In Fig. 3 c zu erkennen 1st. Die Vercögerungsschaltung 5 Ist mit einem Zähler 6 verbunden. Der Zähler 6 hat N Bits, d. h., er besteht aus /V Fllp-Flops ■61,62..-· 6«, wobei die Ausgangspegel jedes Fllp-Flops O₁, 6₂ .. 6„ durch das Rücksetzausgangsslgnal der Verzögerungsschaltung 5 auf »0« zurückgesetzt werden. Darüberhlnaus Ist der Zähler 6 auch über einen Frequenzteil 8 mit einem Taktsigna'gsnerator 7 verbunden. Der Frequenzteller 8 teilt die Frequenz der Taktsignale ungefähr auf die Hälfte. Der Taktsignalgenerator 7 erzeugt Taktsignale mit vorgegebener Frequenz.

Jeder Flip-Flop 6,, 6₂...6„ des Zählers 6 Ist mit Halteschaltunf.en 9|, 9₂... 9„ verbunden. Diese Halteschaltungen 9 , 9₂... 9„ sind an den Impulsgenerator 4 angeschlossen, um durch das Ausgangssignal des Impuls^ nerators 4 den Inhalt des Zählers 6 zu speichern.

Die Halteschaltungen 9,, 9_}... 9„ sind mit einem Salz s von Eingängen eines Komparators 10 verbunden. Der Komparator IO weist einen weiteren Satz von Eingängen auf, die an einem Zähler 11 angeschlossen sind. Der Komparator 10 vergleicht die Daten oder den Inhalt des Zählers 11 mit den Daten der Halteschaltungen 9i, 9i ■ ■ ■ 9_n und erzeugt ein Ausgangssignal »0«, wenn beide Daten gleich sind. In diesem Fall besteht der Zähler 11 aus N Fllp-Flops 11,, H₂... H_n, hat also den gleichen Aufbau wie der Zähler 6; der Zähler 11 zählt das Ausgangssignal des Taktsignalgenerators 7. Darüber hinaus Ist der Zähler 11 über ein ODER-Glied 12 an die Ausgänge der Verzögerungsschaltung 5 und des Komparators 10 angeschlossen, um die Ausgangspegel jedes Fllp-Flops Πι. 11₂...11„ durch das Rücksetz Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung 5 oder das Ausgangsslgnal »0« des Komparators 10 auf »0« zurückzusetzen.

Der Komparator 10 ist mit einem Setz-Anschluß eines R-S-Flip-Flops 13 verbunden; ein Ausgang des Flip-Flops 13 ist an die Basis eines Transistors 14 angeschlossen. Der Flip-Flop 13 weist einen Rücksetz-Anschluß auf, der mit dem Ausgan₆ der Verzögerungsschaltung 5 verbunden ist.

- Der Kollektor des Transistors 14 ist an eine elektrische Energiequelle + E und sein Emitter an den Motor 1 angeschlossen.

Die Motorsteuerung mit dem oben beschriebenen Autbau hat die folgende Funktionsweise:

Wenn Ausgangsimpulse entsprechend der Rotationsfrequenz des Motors 1 von dem Rotationsfühler 2 erzeugt werden, werden diese Ausgangsimpulse durch den Spannungsverstärker 3 verstärkt und dem Impulsgenerator 4 zugeführt. Das t- ^sgangssignal des Inipulsgenerators 4 wird auch über die Verzögerungsschaltung 5 an den Zähler 6 angelegt. In diesem Fall werden die Taktsignale des Taktsignalgenerators 7 dem Zähler 6 zugeführt, indem sie durch den Frequenzteiler 8 auf die Hälfte geteilt werden, so daß der Zähler 6 durch das Rücksetz-Ausgangsslgnal der Verzöge.rungsschaltung 5 einmal zurückgesetzt wird, das Ausgangssignal des Frequenzteilers 8 zählt, dann durch das Rücksetz-Ausgangsslgnal der Verzögerungsschaltu:ig 5 zurückgesetzt wird und anschließend diesen gesamten Ablauf wiederholt. Dieser Zustand ist in Fig.3 dargestellt. Dabei zeigt F i g. 3 a das Rücksetz-Ausgangssignal der VerzögerungsschaHung 5 und F i g. 3 b den gezählten Inhalt des Zählers 6 in analoger Form.

Der Zähler 6 wiederholt den Zählvorgang, wie er oben beschrieben wurde; in diesem Fall ändert sich jedoch der gezählte Inhalt unmittelbar vor dem Zurücksetzen, d. h., der in F1 g. 3 bei A angedeutete Zählpegel, um die Änderung der Rotaticnsfrequenz des Motors, d. h., die Perlode des Rücksetzimpulses, und zwar wegen der konstanten Ausgangsfrequenz des Frequenzteilers 8.

Der gezählte inhalt des Zählers 6 wird auf den Halteschaltungen 9,,9₂.. .9„ als Datcn-Eingangssignal zugeführt und in diesen Halteschaltungen 9,, 9₂, .. .9„ mit jedem Ausgangssignal des Impulsgenerators 4 gespeichert. In diesem Fall befindet sich das Ausgangssfgnal des Impulsgenerators 4 (siehe F i g. 3c) vor dem in Fig.3a gezeigten Rücksetz-Ausgangsslgnal, so daß der gezählte Inhalt unmittelbar vor dem Zurücksetzen des Zählers 6 In den Halteschaltungen 9,, 9₂ ... 9„ gespeichert wird.

Die gespeicherten Daten der Halteschaltungen 9i, 9₂ ... 9„ werden einem Satz von Eingängen des !Comparators 10 zugeführt. Der andere Satz von Eingängen des !Comparators 10 empfängt die Ausgangsdaten des Zählers 11. Der Zähler 11 wird gleichzeitig mit dem Zähler 6 durch das Rücksetz-Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung 5 zurückgesetzt und zählt direkt das Ausgangssignal des Taktimpulsgenerators 7, so daß der Komparator 10 das Ausgangssignal »0« erzeugt, wenn der gezählte Inhalt des Zählers 11 mit dem der Halteschaltungen 9_r, % ... 9„ zusammenfällt. Der Zähler 11 wird jedoch durch das Ausgangssignal des !Comparators JlO über das ODER-Glied 12 sofort zurückgesetzt, so daß ,das Ausgangssignal des !Comparators 10 »1« wird. Dann wird der Flip-Flop 13 gesetzt und anschließend durch das Rücksetz-Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung 5 zurückgesetzt. Dieser Zustand ist In Fig. 4 dargestellt. Fig. 4a zeigt dabei das Rücksetz-Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung 5. Fig.4b den gezählten Inhalt des Zählers 6 in analoger Form, F i g. 4c den gezählten Inhalt des Zählers 11 in analoger Form, Fig. 4d das Ausgangssignal des Kornparators 10 und Fig. 4e das Ausgangssignal des FIlp-FIops 13. In diesem Fall ist der Zählpegef des oben beschriebenen Zählers 6 bei A angedeutet. Dieser Zählpegel A ändert sich entsprechend der Rotationsfrequenz des Motors 1. Bei einer niedrigen Frequenz wird der Zählpegel α zu A', während er bei hohen Frequenzen zu A" wird. Wenn also die Rotationsfrequenz des Motors 1 gering ist und der gezählte Inhalt des Zählers Il den Pegel A' annimmt, wird von dem Komparator 10 das in Fig. 4d' gezeigte Ausgangssignal erzeugt; wenn die Rotationsfrequenz jedoch hoch ist und der gezählte In.nalt des Zählers H den Pegel A" einnimmt, wird von dem Komparator 10 das in Fig. 4d" gezeigte Ausgangssignal erzeugt. Das heißt also, daß sich die Phasen des Ausgangssignals des Komparators 10 mit einer Änderung der Rotationsfrequenz des Motors 1 ändert, wie in den Fig. 4d, 4d' und 4d^f/ angedeutet ist, um die Vorderflanke des Ausgangssignals des Flip-Flops !J entsprechend der Rotationsfrequenz des Motors 1 zu modulieren, wie in Fig. 4e zu erkennen ist. so daß die Symmetrie der Ausgangsimpuise des Flip-Flops 13 moduliert wird. Das Ausgangssignal des Flip-Flops 13 wird durch den Transistor 14 stromverstärkt und als Treibersignal dem Motor 1 zugeführt. Wie man in den Fig. 5a. 5b und 5c erkennen kann, wird bei einer Änderung der Symmetrie des Treibersignals der Mittelwert des in dem Motcr 1 fließenden Stroms und damit die Rotationsfrequenz des Motors 1 geändert. Dadurch wird also die Roiationsfrequenz des Motors 1 gesteuert; das oben beschriebene Steuersyftem bildet jedoch eine Schleife mit negativer Rückkopplung bzw. Gegenkopplung, so daß die Rotationsfrequenz des Motors 1 automatisch In die Nähe des in Fig. 4 gezeigten Pegels A gezogen wird.

Darüber hinaus ist e'ne Feinjustierung der Rotationsfrequenz des Motors 1 durch Änderung der Taktfrequenz des Taktsignalgenerators 7 möglich. Und schließlich kann durch geeignete Auswahl der Bitzahl (der Stufenzahl) des Zählers 6 und der Bitzahl (Stufenzahl) des Zählers 11 eine Verstärkungs-Einstellung des Schleifensystems erreicht werden.

Eine weitere Ausführungsform der Motorsteuerung nach der vorliegenden Erfindung soll im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben werden. Bei dieser Ausführungsform ist der Motor ein bürstenloser Motor.

in Fig. 6 bezeichnet daß Bezugszeichen 101 einen bürstenlosen Motor, beispielsweise einen Hallmotor. Der Hallmotor 101 weist einen Rotor 102, der durch einen Magneten gebildet wird, wie man In FIg, 7 erkennen kann, sowie einen entsprechenden Stator 103 auf. Der Stator 103 Ist mit Phasen 104, 105, 106 und 107 von vier Polen versehen; diese Phasen sind jeweils mit einer Windung 108,109,11.0 und 111 gewickelt. Die Phasen, die einer Phase von 90° rund um die Rotationsachse des Rotors 102 entsprechen, wie beispielsweise die Phasen 104 und 107 bei der dargestellten Ausfuhrungsform, sind mit elektromagnetischen Wandlerelementen versehen, wie beispielsweise Hallelemente 112 und 113.

Die Hallelemente 112 und 113 werden zur Erzeugung eines Signals für die Feststellung der Rotationslage des Rotors 102 verwendet und werden durch einen Gleichstrom vorgespannt, um eine Glelchstrom-Ausgangsspannung 0 V, v/enn sie sich in einer Zwlschenpoilage des Rotors 102, d. h. in einer Zwischenlage zwischen einem Nordpol N und einem Südpol S befinden, und ein Signal mit sinuswellenförmiger Amplitude In positiver und negativer Richtung um den Wert 0 V zu erzeugen, wenn sich der Rotor 102 dreht.

Ein Ausgangssignal des Hallelementes 112 wird einem Eingang von Spannungskomparatoren 23 und 25 zugeführt, während ein Ausgangssignal des Hallelementes 113 an einen Eingang von Spannungskomparatoren 24 bzw. 26 angelegt wird. Die Spannungskomparatoren 23 und 24 weisen einen weiteren Eingang auf, der eine von Widerständen 27 und 28 geteilte Spannung empfängt; die Spannungskomparatoren 25 und 26 enthalten einen weiteren Eingang, der eine von Widerständen 29 und 30 geteilte Spannung empfängt.

Diese Spannungskomparatoren 23, 24, 25 und 26 bilden einsn sogenannten »Doppelbegrenzer«, wobei die Spannungskomparatoren 23 und 24 einem Begrenzungspegel auf der positiven Seite, der durch Teilen der Span- nungen +E und -E mittels der Widerstände 27 und 28 gebildet wird, und die Spannungskomparatoren 24 und 25 einen Begrenzungspegel auf der negativen Seite einstellen, der durch Teilen der Spannungen +E und -E mittels der Widerstände 29 und 30 gebildet wird.

Diese Bedingung soll unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutert werden. Fig. 8a zeigt die Ausgangsspannung des Hallelementes 112 und Fig. 8b die Ausgangsspannung des Hallelementes 113. Darüber hinaus zeigt A, den Üegrenzungspegei auf der positiven Seite, der in dem Spannungskomparator 23 eingestellt wird, A₂ den Begrenzungspegel auf der positiven Seite, der in dem Spannungskomparator 24 eingestellt wird, B\ den Begrenzungspegel auf der negativen Seite, der In dem Spannungskomparator 25 eingestellt wird, und B₁ den

so Begrenzungspegel auf der negativen Seite, der in dem Spannungskomparator 26 eingestellt wird.

Wenn die jeweiligen Ausgangsspannungen der Hallelemente 112 und 113 die Begrenzungspegel/Ji, ß,, und/I₂. B₂ übersteigen, werden positive Impulse mit vier Phasen erzeugt, deren Phasen nacheinander verzögert sind, wie man in den FI g. 8c bis 8f erkennen kann.

Die impulsförmlgen Ausgangssignale, die von den Spannungsgeneratoren 23, 24, 25 und 26 erzeugt werden, werden jeweils Impulsgeneratoren 31, 32, 33 und 34 zugeführt, um diese Impulsgeneratoren 31, 32, 33 und 34 zu triggern bzw. auszulösen.

Der Triggerpunkl Ist in diesem Falle der vordere Punkt des in FIg. 3c bis 3f gezeigten Ausgangsimpulses. Die Impulsgeneratoren 31, 32, 33 und 34 weisen einen Differential- bzw. Differenzverstärker mit jeweils Widerständen, Kondensatoren und Transistoren auf. Die Impulsgeneratoren 31, 32, 33 und 34 erzeugen ein fmpulsförmlges Ausgangsslgnal mit ausreichend kleiner

Impulsbreite (beispielsweise ca. 1 μββΙΟ; dieses Aus-' gangssignal wird einem NOR-Glied 35 zugeführt.

Dieser Zustand Ist in Flg.9 dargestellt. Dabei zeigen die Flg. 9a bis 9d die Ausgangsimpulse der Spannungskomparatoren 23, 24, 25, 26, die Fig.9e bis 9h die ^usgangsimpulse der impulsgeneratoren 31,32,33, und 34 und Fig. 91 den Ausgangsimpuls des NOR-Gliedes 3,5. In diesem Fall ist der Auspngslmpuls des NOR-Gliedes 35 mit dem vorderen und hinteren Punkt bzw. der entsprechenden Flanke jeder Phase synchronisiert.

Der Ausgangsimpuls des NOR-Gliedes 35 wird durch eine Verzögeruhgssctialtung 36 verzögert und einem Zähler 37 als Rücksetz-Ausgangssignal zugeführt. Die Verzögerungsschaltung 36 verwendet eine Verzögerungsleitung »mit konzentrierter Konstanten«; die Verzögerungszelt überlappt sich nicht mit dem Ausgangsimpuls des NOR-Gliedes 35. Der Zähler 37 weist /V-BIt, d. h.. N Stufen von FIIp-FIops 37i, 37₂ ... 37„ auf, und wird durch das Rücksetzausgangsslgnal der oben erwähnten Verzögerungsschaltung 36 zurückgesetzt; der Zähler 37 zählt die Taktsignale eines Taktsignalgenerators 38 herunter, die durch einen Frequenzteller 39 zugeführt werden. In diesem Fall v/eist der Taktsignalgenerator 38 einen Kristalloszillator auf, um Taktsignale von ungefähr 2 MHz zu erzeugen; der Frequenzteiler 39 teilt die Frequenz dieses Taktsignals auf ungefähr Vz, also die Hälfte (dieser Frequenzteiler 39 muß nicht unbedingt verwendet werden).

Dieser Zustand ist in Fig. 10 dargestellt. Dabei zeigt Flg. 10a den Ausgangsimpuls des NOR-Gliedes 35 und FIg. 10b das verzögerte Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung 36 und FIg. 10c den gezählten Inhalt des Zählers 37 in analoger Form.

Der Zähler 37 wiederholt also seine Zählung; in diesem Fall ändert sich der gezählte Inhalt unmittelbar vor dem Zurücksetzen, d. h., der in Fig. 10 bei A angedeutete Zählpegel, durch die Änderung der Periode des Rücksetzimpulses, d. h., der Rotationsfrequenz des Motors 101, da die Ausgangsfrequenz des Frequenzteilers 39 konstant ist.

Das Ausgangssignal des Zählers 37 wird einem Eingang von Halteschaltungen 40i, 4O₂, ... 4Ö„ zugeführt und durch die Zelttaktung der Ausgangsimpulse des NOR-Gliedes 35 dort eingeschrieben. In diesem Fall wird das Aüsgangssigfiäi des NOR-Gliedes 35 (siehe FIg. 10a) zu dem Rücksetzausgangssignal welterentwlkkelt, wie In Fig. 10b dargestellt ist, so daß der gezählte Inhalt unmittelbar vor dem Zurücksetzen des Zählers 37 in die Halteschaltungen 40,, 4O₂ ... 4O_n eingeschrieben wird. Dieser Zustand 1st In Fig. 1Od dargestellt. Dabei zeigt Fig. 1Od den gespeicherten Inhalt der Halteschaltung 4Oi, 4O₂, ... 40„ in analoger Form; wenn sich die Rotationsfrequenz des Motors 101 jedoch rasch ändert, also starken Fluktuationen unterworfen 1st, ändern sich die gespeicherten Daten ebenfalls, wie in Fig. 10c zu erkennen ist. Selbstverständlich werden die bis zu diesem Zeitpunkt aufgelaufenen Daten gleichzeitig mit dem Einschreiben der neuen Daten gelöscht. In Fig. 10 zeigt der Pegel B den Sättigungspunkt der Zählung des Zählers 37. Wenn die Perlode des Rücksetzimpulses verlängert Ist, erreicht er den Pegel B; als Betriebspegel wird üblicherweise ein Bereich in der Nähe der Hälfte des Pegels B verwendet.

Der gespeicherte Inhalt der Halteschaltungen 40,, 4O₂ ... 40„ wird einem Satz von Eingängen eines Komparalors 41 zugeführt. Dieser Komparator 41 weist noch einen weiteren Satz von Eingängen auf, an die Ausgangsdafen eines Zählers 42 angelegt werden. Der Zähler 42

weist N Bit, d, h. N Stufen von Flip-Flops 42,, 42₂ ... 42„ auf und zählt direkt die Taktsignale des Taktsignalgenerators 38, wie sie durch das Ausgangssignal eines Inverters 44 zurückgesetzt werden, wie noch erläutert werden soll.

Der Komparator 41 sizeugt ein Ausgangssignal, wenn der gehaltene Inhalt der Halteschaltungen 4O|, 4O₂ ... 4Q_n mit dem gezählten inhalt des Zählers 40 zusammenfällt bzw. übereinstimmt, und ändert beispielsweise den Ausgangspegei von »j« auf »0«. Das Ausgangssignal dieses !Comparators 41 setzt einen RIS-Fllp-Flop 43 zurück. Der Flip-Flop 43 empfängt das Ausgangssignal des NOR-Gliedes 35 über einen Inverter 45 als vorher eingestelltes Eingangssignal.

Diese Wirkung soll im folgenden im Detail unter Bezugnahme auf Fig. 11 erläutert werden. Fig. lic zeigt den gezählten Inhalt des Zählers 42 in analoger Form. In 'diesem Fall ist die Frequenz der zu zählenden Taktsignale das Doppelte der Ausgangsfrequenz des Frequenztellers 39, die von dem Zähler 37 gezählt wird, so daß die Zählneigung im Vergleich mit dem in Fig. 10c dargestellten Pfeil den doppelten Wert erreicht. Wenn der gezählte Inhalt des Zählers 37 gleich den Ausgangsdaten der Halteschaltungen 4O|, 4O₂, ... 40„ am Punkt A in Fig. lib wird, wird von dem Komparator 41 das in Fig. lld gezeigte Ausgangssignal erzeugt; durch dieses Ausgangssignal wird der Λ/5-Fllp-Flop 43 zurückgesetzt. Das Ausgangssignal dieses Flip-Flops 43 wird durch den Inverter 44 umgekehrt, um dadurch den Zähler 37 zurückzusetzen. Darüber hinaus wird der Flip-Flop 43 durch das Ausgangssignal des Inverters 45 voreingestellt, wie in Fig. lla zu erkennen ist.

Durch den oben beschriebenen Funktionsablauf wird die Vorderflanke des Ausgangsimpulses des RIS-FHp-Flops 43 durch die Fluktuation der Rotationsfrequenz des Motors 101 phasenmoduliert, und die Impulsbreite B ändert sich, wie man in Flg. He erkennen kann.

Das Ausgangssignal des Ä/S-Flip-Flops 43 wird als NAND-Eingangssignal NAND-Gliedern 46, 47, 48 und 49 zugeführt. Der andere Eingang der NAND-Glieder 46, 47, 48, 49 empfängt einen 4-Phasenlmpuls, der durch die Spannungskomparatoren 23, 24, 25 und 26 gebildet wird, so daß das Ausgangssignal der NAND-Glieder 46, 47, 48 und 49 das Ausgangssignal des RIS-Flip-Flops 43 jeweils entsprechend dem zeitlicher! Ablauf jeder Phase erzeugt. Dieser Zustand ist in FI g. 12 dargestellt. Dabei zeigt Fig. 12a den Ausgangsimpuls des Λ/5-FlIp-Flops 43, Fig. 12b bis 12e die Ausgangsimpulse der Spannungskomparatoren 23, 24, 25 und 26 und Fig. 12f bis 121 die Ausgangsimpulse der NAND-Glieder 46, 47, 48 und 49.

Jeder Ausgangsimpuls der NAND-Glieder 46, 47, 48 und 49 wird den Basen von Transistoren 54, 55, 56 und 57 über Widerstände 50, 51, 52, 53 zugeführt.

Dadurch wird also der Sperr- bzw. Grenzzustand jedes Transistors 44, 45, 46 und 47 gesteuert, ein Strom jeder Wicklung 108,109,110 und 111 des Motors 101 zugeführt und die Rotationsfrequenz des Motors 101 entsprechend eingestellt.

Der Beginn des Zeltraumes ob des Stroms, der jeder Wicklung 108, 109, 110, 111 des Motors 101 zugeführt wird, kann geändert werden, um die Rotationsfrequenz des Motors 101 zu variieren, wie unter Bezugnahme auf Flg. 14 erläutert wird. Bei einem frühen Beginn wird In der In FIg. 14a dargestellten Lage des Rotors 102 der Strom der Wicklung 108 auf der Seite des Stators 103 zugeführt, um eine Rotationskraft zu erhalten; wenn jedoch der Beginn verzögert Ist, wird der Strom nicht

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10

zugeführt, falls sich der Rotor 102 nicht nahe bei der ,Wicklung 108 befindet, wie in Fig. 14b dargestellt ist. Dies bedeutet folgendes: Das Rotations- oder Antriebsdrehmoment wird bei einer bestimmten Last klein, so daß sich die Rotationsfrequenz ebenfalls verringert.

Zusätzlich werden die Betriebswellenformen jedes Teils aufgrund der Änderung der Rotationsfrequenz des "Motors 101 unter Bezugnahme auf Flg. 13 erläutert. Bei einer niedrigen Drehzahl des Motors 101 fällt der in pig. 13a gezeigte gezählte Inhalt des Zählers 42 mit dem gehaltenen Ausgangssignal A' am Punkt B' zusammen, wenn das gehaltene Ausgangssignal der Halteschaltungen 40,, 4O₂,... 40„ gleich A' Ist, so daß der Komparator „41 das in Fig. 13b gezeigte Ausgangssignal erzeugt. %enn sich der Motor 101 bei einer hohen Drehzahl befindet, wird das gehaltene Ausgangssignal gleich A", so daß der gezählte Inhalt des Zählers 42 mit dem gehaltenen Ausgangssignal Al am Punkt B" zusammenfällt; dadurch wird das In Flg. 13b' gezeigte Ausgangssignal von dem Komparator 41 erzeugt. Auf diese Welse wird das Ausgangssignal des Λ/S-Fllp-Flops 43, dem das ,Ausgangssignal des Komparators 41 zugeführt wird, durch die Fluktuation der Rotationsfrequenz des Motors 101 an der Vorderflanke eines Impulses phasenmoduliert, wie In Fig. 13c zu erkennen Ist. Wenn also die Rotationsfrequenz des Motors gering Ist, wird sie erhöht, während sie verringert wird, wenn die Rotationsfrequenz des Motors hoch Ist, so daß der gezählte Inhalt schließlich In Übereinstimmung mit dem Pegel A zu dem Arbeltspunkt Bgezogen wird, wie In Fig. 13 zu erkennen Ist.

Der Verstärkungsfaktor einer Schleife mit negativer Rückkopplung bzw. Gegenkopplung ist umgekehrt proportional zu der Bitzahl des Zählers 37; je größer der Wert der Bitzahl N Ist, um so besser wird auch die Auflösung; je kleiner der Wert Ist, um so geringer wird die Auflösung, das Kompensationsvermögen eines geringen Flackerns bzw geringer Schwankungen sinkt. Dies gilt auch für die Taktfrequenz. Damit der gezählte Inhalt des Zählers 42 wie bei der obigen Austührungsform aul dem Arbeltspunkt B nach Flg. 13 gehalten wird, muß darüber hinaus der Frequenzteller 39 vorgesehen werden, damit die von dem Zähler 37 gezählte Taktfrequenz bei der Hallte oder in der Nahe der Haine des wertes für die Taktfrequenz liegt, die von dem Zähler 44 gezählt wird.

Dementsprechend kann also durch die Motorsteuerung nach der vorliegenden Erfindung die Rotationsfrequenz des Motors durch digitale Signalverarbeitung gesteuert werden, wodurch die Stromverluste in den Stromkreis und die Wärmeerzeugung aufgrund dieser Stromverluste irr. Vergleich mit einem herkömmlichen analogen System ausreichend gering werden; dadurch ergibt sich wiederum eine extrem stabile Steuerung ohne jede Tfimperaturdrlft des Arbeltspunktes, wie sie bei einem analogen System nicht zu vermeiden ist; und schließlich läßt sich eine solche Motorsteuerung auch noch als hoch Integrierte Schaltung (LSI-Schaltung) aulbauen.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1 Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung eines Elektromotors mit einem ersten Zähler zum Zahlen von ersten Taktslgrialen mit einer bestimmten Frequenz, mit einer Einrichtung zum Rücksetzen des ersten Zahlers durch ein Signal, das einer Rotationsfrequenz des Elektromotors entspricht, und mit einem zweien Zähler zum Zählen von zweiten Taktsignalen einer anderen Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (9) zum Speichern des Zählwertes des ersten Zählers (6) unmittelbar vor dem Rücksetzen desselben (6) vorgesehen Ist, daß die Frequenz der zweiten Taktsignale höher als die Frequenz der ersten Taktslgne'.e Ist, und daß eine Einrichtung (10,12,13) vorgesehen Ist, die den Zählwert des ersten Zählers (6) mit dem des zweiten .^Zählers vergleicht, bei Übereinstimmung der Zähl- % werte den zweiten Zähler (11) rücksetzt und '-Ausgangssignale während der jeweiligen Zeltintervalle zwischen dem Rücksetzen des zweiten Zählers und dem Rücksetzen des ersten Zählers erzeugt, mit denen die Drehzahl des Motors (1) gesteuert wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ' gekennzeichnet, daß die Frequenz der Taktsignale des /zweiten Zählers (11) variabel Ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (1) ein Gleichstrommotor 1st.
4. Schaltungsanordnung für einen bürstenlosen Motor nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (112,113,23-26, 31-35) zum Erzeugen von Rotationssignalen, die der Polzahl des Motors (101) entsprechen und die als Rücksetzslgnal für den ersten Zähler (6,37) dienen, und durch eine Einrichtung «1-57) zur Modulation des Zuführungszeitpunktes eines jeder Polwicklung des Motors (101) zugeführten Stroms durch das bei Übereinstimmung der Zähl werte erzeugte Ausgangssignal.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (112, 113, 23-26,31-35) zum Erzeugen von den der Polzahl des Motors (101) entsprechenden Rotationssignalen eine Sinus-Welle, die durch einen an dem Motor (101) vorgesehenen, magnetoelektronischen Wandler (112, 113) festgestellt wird, über einen vorgegebenen Begrenzungspegel in ein Rotationssignal umwandelt, das der Polzahl des Motors (101) entspricht.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der ersten Taktsignale derart festgelegt wird, daß sie näherungsweise der Hälfte der Frequenz der zweiten Taktsignale gleicht.