DE3300990C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Drehzahldetektiereinrichtung zur Bildung der Istdrehzahl eines drehzahlgeregelten Hall-Motors mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um die Drehung eines Motors zu regeln, ist es notwendig, die Drehzahl des Motors zu erfassen und aus dem ermittelten Ergebnis einen Drehregelstrom oder eine Regelspannung zu gewinnen. Es ist bekannt, einen Frequenzgenerator mit einer gedruckten Schaltung, die mit einem mehrpoligen Magneten ausgebildet ist, der auf einem Rotor montiert ist, und mit einer Wicklung, die an einer diesem mehrpoligen Magneten gegenüberliegenden Stelle angeordnet ist, als Drehzahldetektiereinrichtung für Hall-Motoren zu verwenden. Eine Detektiereinrichtung, die sich dieses Frequenzgenerators bedient, erfaßt die Frequenz eines Wechselspannungsverlaufs, der in der Wicklung durch synchrone Drehung des Magneten mit dem Rotor erzeugt wird, und gewinnt aus dieser erfaßten Frequenz das Ergebnis für die Drehzahlerfassung.

In der obigen herkömmlichen Drehzahldetektiereinrichtung ist es notwendig, den Frequenzgenerator neben dem Haupt-Hall-Motorkörper auszubilden. Folglich ergeben sich Nachteile dadurch, daß zusätzlicher Raum für die Detektierwicklung und den Magneten erforderlich ist, wodurch es unmöglich ist, den ganzen Hall-Motor zu verkleinern, und infolgedessen erhöhen sich die Herstellungskosten. Wenn zusätzlich die Magnetisierung des Magneten des Frequenzgenerators ungleichmäßig ist, d. h. wenn Schwankungen, deren Größe und der Magnetkraftintensität und anderer Größen des Nordpolteils und des Südpolteils des Magneten auftreten, oder wenn die Flächen des Magneten und der gedruckten Wicklung nicht parallel ausgerichtet sind und ein dazwischenliegender Spalt variiert, oder wenn die Achse des Magneten von der Achse einer Drehwelle des Rotors abweicht, besteht ein Nachteil darin, daß die Drehzahl des Motors nicht genau erfaßt werden kann.

Eine Beeinträchtigung der Drehzahlerfassungsgenauigkeit durch Ungleichmäßigkeiten in der Größe der Pole der Rotormagneten oder durch Schwankungen der Magnetfeldstärke ist auch in der Drehzahldetektiereinrichtung nicht auszuschließen, die die DE-AS 23 40 984 beschreibt. Diese verwendet zur Drehzahlerfassung die Ausgangssignale der beiden dort im Motor vorhandenen Hall-Elemente. Ein hierbei gewonnenes drehzahlproportionales Signal wird in ein Gleichspannungssignal umgesetzt und mit einem Gleichspannungsbezugssignal verglichen. Herstellungsbedingte und temperaturbedingte Schwankungen der Hall-Elemente spielen hierbei keine Rolle mehr.

Ferner ist aus der DE-OS 27 25 502 eine Einrichtung zur Gewinnung einer drehzahlproportionalen Spannung angegeben, die von der augenblicklichen Drehzahl eines viersträngigen Gleichstrommotors, d. h. von der Größe der in den Strängen induzierten drehzahlproportionalen Spannungen unabhängig ist. Hierzu werden die Strangenden über Halbleiterschalter mit einer Spannungsquelle verbunden, welche von Hall-Generatoren gesteuert werden, um so den Strom in den versetzten Strängen des Gleichstrommotors zu steuern. Die Schalter sind an zwei Sammelleitungen geführt, deren Signale quadriert und zur Erzeugung der drehzahlabhängigen Gleichspannung summiert werden.

Weiterhin ist es bereits aus einer Anordnung zur Erzeugung des Taktes für die Aufzeichnung digitaler Information (DE-AS 21 32 783) bekannt, die Ausgangsspannungen zweier als Läuferstellungsgeber eines kollektorlosen Gleichstrommotors verwendeter Hall-Elemente jeweils zwei Komparatoren zuzuführen, die diese Ausgangsspannungen in Rechteckspannungen umformen. Aus diesen wird eine weitere Rechteckspannung, die als das Taktsignal dient, erzeugt.

Ferner ist eine Drehzahldetektiereinrichtung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aus der DE-OS 25 34 745 bekannt. Diese Einrichtung bildet einen Drehzahl-Istwert, mit dem eine genaue Drehzahlregelung auch bei einem großen Stellbereich der Drehzahl möglich ist. Dies wird erreicht, indem neben den Ausgangssignalen von zwei Hall-Elementen die in den Statorwicklungen induzierten Spannungen verarbeitet werden, wobei so für die Bildung des Drehzahl-Istwertes die doppelte Anzahl von Impulsen zur Verfügung steht. Durch die Umwandlung in digitale Impulse wird ferner die Beeinflussung des Drehzahl-Istwertes durch Amplitudenschwankungen der Hall-Element-Ausgangssignale ausgeschaltet. Zur Drehzahl- Istwertbildung werden ferner aus den Ausgangssignalen der Hall-Elemente zwei Rechteckschwingungsfolgen gebildet, die beide differenziert werden. Mit dieser Einrichtung kann zwar auch die Regeldynamik verbessert werden, da pro Umdrehung des Rotormagneten mehr Impulse zur Verfügung stehen, jedoch können nach wie vor Ungleichmäßigkeiten in der Größe der Magnetpole und beispielsweise der magnetischen Feldstärke und Magnetisierung nach wie vor die genaue Erfassung des drehzahlproportionalen Istwertes beeinträchtigen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drehzahldetektiereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die stets eine genaue Erfassung der Drehzahl garantiert, und zwar insbesondere auch bei Schwankungen der Magnetisierung, der magnetischen Feldstärke und Ungleichmäßigkeiten in der Größe der Pole des Rotormagneten.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße die Istdrehzahl bildende Digital-Analog-Wandler enthält hierzu eine Auflade- und Entladeschaltung, die das Aufladen nach dem Entladen durch die erste differenzierte Schwingungsfolge der aus den Hall-Elementsignalen gewonnenen Schwingungsfolgen einleitet, und eine Schaltungseinrichtung zum Abtasten und Halten einer in der Auflade- und Entladeschaltung gespeicherten Spannung durch die zweite differenzierte Schwingungsfolge.

Durch diese Schaltungsanordnung wird das Istdrehzahlsignal durch ein Zeitintervall zwischen den Pulsen der ersten und zweiten differenzierten Schwingungsfolgen bestimmt. Das heißt, die Rotationsgeschwindigkeit des Motors wird aus dem Zeitintervall ermittelt, das für einen spezifischen und bestimmten Punkt des Rotormagneten (einen Punkt, an dem beispielsweise in der Polanordnung ein Übergang vom Nordpol zum Südpol vorliegt) erforderlich ist, um aus der dem einen Hall-Element gegenüberliegende Lage zu drehen. Folglich wird die Erfassungsgenauigkeit auch bei Unregelmäßigkeiten in der Größe der Pole der Magneten, in der magnetischen Feldstärke und in anderen Größen sowie bei Unwuchten und Störungen in dem Rotormagneten nicht beeinträchtigt. Daher ist stets die genaue Erfassung der Drehzahl möglich, wobei der schaltungstechnische Aufwand für die beschriebene Signalverarbeitung gering ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die obige Übergangsstelle vom Nord- zum Südpol als der bestimmte Punkt verwendet wird und die erste und zweite Rechteckschwingungsfolge in den Nulldurchgängen der Hall-Elementausgangssignale abfallen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Aufbau, der einen allgemeinen Hall- Motor im Prinzip darstellt;

Fig. 2 ein Diagramm, das die Magnetfeldstärke zwischen einem Rotor und einem Joch des in Fig. 1 gezeigten Hall-Motors darstellt;

Fig. 3(A) bzw. 3(B) Diagramme, die die Kurvenverläufe der Ausgangsspannungen der jeweiligen Hall- Elemente darstellen;

Fig. 4 ein systematisches Schaltungsdiagramm, das ein Steuer- oder Regelsystem für die Drehbewegung nach einem Ausführungsbeispiel einer Drehzahldetektiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und

Fig. 5(A) bis 5(F) Diagramme, die je Signalkurvenverläufe an jedem Teil des in Fig. 4 gezeigten Schaltungssystems darstellen.

Fig. 1 zeigt im Prinzip einen weitverbreiteten sechspoligen 2-Phasen-Hall-Motor, in dem die Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl nach der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden kann. Statorwicklungen 13 a bis 13 d und Hall-Elemente 14 bzw. 15, die getrennt voneinander mit einem Winkel von 90° wechselseitig angeordnet werden, werden zwischen einem Statorjoch 12 und einem Rotormagnet 11 des sechspoligen Magneten ausgebildet, der abwechselnd mit dem N-Pol und dem S-Pol magnetisiert ist. In Fig. 1 kennzeichnet ein Symbol "×" innerhalb eines Kreises einen in die Zeichenebene gerichteten Stromfluß und ein kreisförmiges schwarzes Punktsymbol innerhalb eines Kreises einen aus der Zeichenebene heraus gerichteten Stromfluß. Wenn Spannungen von einer in Fig. 4 gezeigten Wicklungsansteuerschaltung 33 zwischen die Anschlüsse 16 a und 16 b und die Anschlüsse 16 c und 16 d angelegt werden, damit Ströme durch die Wicklungen 13 a bis 13 d in den durch die Symbole angezeigten Richtungen fließen, dreht der Rotormagnet 11 in Richtung eines Pfeiles A. Anschließend werden die Richtungen der Stromflüsse, die durch die Wicklungen 13 a und 13 b bzw. die Wicklungen 13 c und 13 d fließen, umgeschaltet, damit sich der Rotormagnet 11 gleichmäßig in einer einheitlichen Richtung bewegt. Die Konstruktion und der Betrieb des oben beschriebenen Motors entspricht dem eines herkömmlichen Hall-Motors.

Die magnetische Feldstärke zwischen dem Rotormagneten 11 und dem Joch 12 wird in Fig. 2 gezeigt. In Fig. 2 kennzeichnet die vertikale Achse die magnetische Feldstärke, und die horizontale Achse kennzeichnet den Weg entlang der Längsrichtung an dem Beispiel des Rotormagneten 11 und des Joches 12.

Eine in Fig. 3(A) gezeigte Ausgangsspannung V 1 wird zwischen den Ausgangselektrodenanschlüssen 17 a und 17 b des Hall-Elementes 14 abgegriffen, und eine in Fig. 3(B) gezeigte Ausgangsspannung V 2 wird zwischen den Ausgangsanschlüssen 18 a und 18 b des Hall-Elements 15 mit einer Phasenverschiebung von 90° (elektrischer Winkel) abgegriffen. Eine in Fig. 4 gezeigte Eingangsspannung von einer Eingangsspannung zuführenden Schaltung 30 wird zu Eingangselektrodenanschlüssen 19 a und 19 b der Hall-Elemente 14 und 15 geführt. Die Zeitspanne t zwischen einem Nulldurchgang des Spannungsverlaufs der Ausgangsspannung V 1 des Hall-Elementes 14 während eines Anstiegs von einem negativen Scheitelwert zu einem positiven Scheitelwert und einem Nulldurchgang des Spannungsverlaufs der Ausgangsspannung V 2 des Hall-Elements 15 während eines Anstieges von einem negativen Scheitelwert zu einem positiven Scheitelwert, ist gleich einer Zeit, die für einen bestimmten Grenzpunkt 20 zwischen einem bestimmten N-Pol und S-Pol des Rotormagneten erforderlich ist, um eine Lage gegenüberliegend dem Hall-Element 15 durch die Drehung des Rotormagneten 11 aus einer Lage gegenüberliegend dem Hall- Element 14 zu erreichen.

Ausgangsanschlüsse 17 a und 17 b des Hall-Elements 14 werden je an einen nicht invertierenden Eingangsanschluß und einen invertierenden Eingangsanschluß eines Komparators 31 angeschlossen, in dem die Ausgangsspannung V 1 einem Spannungsvergleich unterworfen wird. Damit wird eine in Fig. 5(A) gezeigte Rechteckspannung a von dem Komparator 31 erhalten, die in den Nulldurchgängen während des Anstiegs vom negativen Scheitelwert zum positiven Scheitelwert und während des Abfalls vom positiven Scheitelwert zum negativen Scheitelwert der Ausgangsspannung V 1 ansteigt und abfällt. In der gleichen Weise werden die Ausgangsanschlüsse 18 a und 18 b des Hall-Elements 15 an einen nicht invertierenden Eingangsanschluß und einen invertierenden Eingangsanschluß eines Komparators 32 angeschlossen. So wird eine in Fig. 5(B) gezeigte Rechteckspannung b von dem Komparator 32 erhalten, die eine Phasenverschiebung von 90° im elektrischen Winkel zu der Rechteckspannung a aufweist. Die Rechteckausgangsspannungen a bzw. b werden zu der Wicklungsansteuerschaltung 33 geführt und in eine Wicklungsansteuerspannung wie in einem herkömmlichen System umgeformt. Die Ausgangsantriebsspannung der Wicklungsansteuerschaltung 33 wird zu den Anschlüssen 16 a bis 16 d geführt.

Zu der gleichen Zeit wird die Ausgangsspannung a des Komparators 31 zu einer Differenzierschaltung 34 geführt, die einen Kondensator C 1, eine Diode D 1 und einen Widerstand R 1 enthält, in der die Spannung differenziert wird und in einen wie in Fig. 5(C) gezeigten differenzierten Impuls c umgeformt wird. Die Ausgangsspannung b des Komparators 32 wird zu einer Differenzierschaltung 35 geführt, die aus einem Kondensator C 2, einer Diode D 2 und einem Widerstand R 2 besteht, in der die Spannung differenziert wird und in einen wie in Fig. 5(D) gezeigten differenzierten Impuls umgeformt wird. Der Impuls c wird zu dem Basisanschluß eines Transistors Q 1 über den Widerstand R 2 und der Impuls d wird zu dem Basisanschluß eines Transistors Q 2 über einen Widerstand R 4 zugeführt.

Der Transistor Q 1 geht in den EIN-Zustand, wenn ihm der Impuls c zugeführt wird, und unmittelbar darauf wird ein Kondesator C 3 vollständig mit einem Strom von einer stabilisierten Stromquelle 36 geladen, und eine Kollektorspannung e des Transistors Q 1 wird wie in Fig. 5(E) gezeigt zu den Zeitpunkten t 1, t 3, t 5, . . . Null. Anschließend geht der Transistor in den AUS-Zustand, und die Ladung im Kondensator C 3 wird über einen Widerstand R 5 entladen. Die Kollektorspannung e des Transistors Q 1 steigt so zwischen den Zeitpunkten t 1 und t 3, t 3 und t 5, . . . mit einer Zeitkonstanten R 5 C 3 wie in Fig. 5(E) gezeigt an, wobei der Widerstand R 5 und der Kondensator C 3 die Zeitkonstante bestimmen.

Während des Anstiegs der Spannung e wird der Impuls d der Basis des Transistors Q 2 zu den Zeitpunkten t 2, t 4, t 6, . . . zugeführt, und der Transistor Q 2 geht unmittelbar in den EIN-Zustand, wenn der Impuls d zugeführt wird. Wenn der Transistor Q 2 in den EIN-Zustand geht, lädt sich ein Kondensator C 4 auf, und eine Kollektorspannung f des Transistors Q 2 wird während des EIN-Zustandes des Transistors Q 2 im wesentlichen gleich der Kollektorspannung e des Transistors Q 1. Die Kollektorspannung f wird zu einem Pufferverstärker 37 geführt. Weil die Eingangsimpedanz des Pufferverstärkers 37 hoch ist, wird die Kollektorspannung f des Transistors Q 2 zu den Zeitpunkten t 2, t 4, . . . während der AUS-Periode des Transistors Q 2 aufrechterhalten, und eine in Fig. 5(F) gezeigte Haltespannung f ist am Pufferverstärker 37 abgreifbar. Die Spannung f kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden, worin E der Spannung der Stromquelle 36 entspricht.

f = E - E exp(-t/C 3 R 5)

In der obigen Gleichung sind E, C 3 bzw. R 5 Konstanten, womit die Zeit t bestimmt ist. Die Drehzahl, welche proportional zu dem Reziproken der Zeit t ist, wird erfaßt, wenn der Proportionalitätsfaktor durch die Anzahl der Pole des Rotormagneten 11 bestimmt ist.

Wie zuvor beschrieben, stimmt das Zeitintervall t zwischen den Zeitpunkten t 1 und t 2, t 3 und t 4, t 5 und t 6, . . . mit der Zeit überein, die der bestimmte Punkt 20 des Rotormagneten 11 benötigt, um die Hall-Elemente 14 und 15 zu passieren. Dieses Zeitintervall t ist umgekehrt proportional zur Drehzahl des Rotormagneten 11. Andererseits ist die zuvor beschriebene abgetastete und gehaltene Spannung f proportional zum Zeitintervall t. Deshalb ist die Spannung f umgekehrt proportional zur Drehzahl des Rotormagneten 11.

Die Ausgangsspannung f des Pufferverstärkers 37 ist über einen Ausgangsanschluß 38 als ein Nachweissignal für die Drehbewegung abgreifbar und wird zu einem nicht invertierenden Eingangsanschluß eines Vergleichsverstärkers 39 geführt. Eine Referenzspannung von einem Anschluß 40 wird zu einem invertierenden Eingangsanschluß des Vergleichsverstärkers 39 geführt. Die Spannung f wird so mit der Referenzspannung verglichen, in dem Vergleichsverstärker 39 verstärkt und als ein Drehzahlsteuersignal zu der Wicklungsansteuerschaltung 33 geführt.

In Fig. 5(A) bis 5(D) ist in einem Zwischenbereich über der Zeitbasis, in dem die Intervalle der Kurvenverläufe verkürzt sind, d. h., wo die Zeit t kurz ist, die Drehzahl des Motors hoch, und die Ausgangsspannung f fällt ab. Die Drehzahlregelung wird gemäß des Ausgangssteuersignals des Vergleichsverstärkers 39 durchgeführt, um die Drehzahl des Motors so zu regeln, daß sich die Nachweisausgangsspannung f der obigen Referenzspannung annähert, d. h., daß die Zeitintervalle t konstant werden.

Beispiele für die Konstanten der Schaltungselemente in der nach Fig. 4 gezeigten Schaltung werden nachfolgend gegeben.

Die Spannung E der Stromquelle 36 beträgt 5 V, und die Referenzspannung, die dem Anschluß 40 zugeführt wird, weist einen Wert von 2,5 V auf. Wenn die Drehzahl des Motors 25 U/s beträgt, wird das Zeitintervall t ungefähr gleich 10 ms.

Gemäß dem zuvor beschriebenen System der vorliegenden Erfindung werden die Ausgangssignale der Hall- Elemente, die ursprünglich in dem Hall-Motor als Detektierelemente zum Schalten der zu den Motorwicklungen geführten Ströme ausgebildet sind, dazu verwendet, die Drehzahl des Motors zu ermitteln, und die ursprünglich ausgebildeten Hall-Elemente werden gleichfalls als Elemente für die Drehzahlerfassung eingesetzt. Der ursprünglich in dem Hall-Motor als ein Magnet für die Erzeugung des Magnetfeldes ausgebildete Rotormagnet wird gleichfalls als ein Magnet für die Drehzahlerfassung verwendet. Folglich besteht kein Bedarf eine unabhängige Detektierwicklung, einen Magneten und andere Teile wie in dem herkömmlichen Frequenzgenerator zusätzlich auszubilden. Damit kann die Konstruktion des Systems vereinfacht werden, und die Fertigkosten werden reduziert. Weiter ist es nicht notwendig, zusätzlichen Raum zum Unterbringen von speziellen zusätzlichen Einrichtungen auszubilden, und die Größe des Systems kann herabgesetzt werden.

Ferner wird die Drehzahl des Motors des Zeitintervalls ermittelt, das für den bestimmten Punkt (im Ausführungsbeispiel ein Punkt am Übergang zwischen Nord- und Südpol) des Rotormagneten erforderlich ist, um in die Lage gegenüberliegend dem Hall-Element 15 aus der Lage gegenüberliegend dem Hall-Element 14 zu drehen. Sogar wenn Ungleichmäßigkeiten in der Größe der Pole des Magneten, in der magnetischen Feldstärke und in anderen Größen vorkommen, oder wenn Unwuchten und andere Störungen in dem Rotormagneten auftreten, wird die Abfragegenauigkeit der Drehzahl nicht beeinflußt, und die Erfassung der Drehzahl kann genau durchgeführt werden. Der bestimmte Punkt des Rotormagneten kann irgendeine Lage aufweisen, solange diese nur stets dieselbe ist. Wenn der bestimmte Punkt des Rotormagneten an der Übergangsstelle zwischen Nord- und Südpol, wie im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, liegt, können die in Fig. 5(A) bis 5(D) gezeigten Signale einfach durch Ermitteln der Nulldurchgänge der in Fig. 3(A) und 3(B) gezeigten Spannungsverläufe gewonnen werden. Deshalb ist es vorteilhaft, den Punkt an dieser Übergangsstelle als den bestimmten Punkt des Rotormagneten zu verwenden.

Claims (2)

1. Drehzahldetektiereinrichtung zur Bildung der Istdrehzahl eines drehzahlgeregelten Hall-Motors mit Statorwicklungen (13 a, 13 b, 13 c, 13 d), einem Rotormagneten mit mehreren Polen, von denen Nord- und Südpole alternierend angeordnet sind, ein Paar von Hall-Elementen (14, 15), die von einer Eingangsspannungs-Zuführungsschaltung (30) parallel erregt werden, und mit einer von dem Paar von Hall-Elementen (14, 15) abhängigen Statorwicklungsansteuerschaltung (33) zum drehzahlabhängigen Ansteuern der Statorwicklungen (13 a, 13 b, 13 c, 13 d), wobei die Drehzahldetektiereinrichtung eine Schaltung (31, 32) zum Bilden einer ersten (a) und zweiten (b) Rechteckschwingungsfolge aus den Ausgangssignalen von jedem der Hallelemente, eine weitere Schaltung (34, 35) zum Differenzieren jeder Rechteckschwingung der ersten (a) und zweiten (b) so erhaltenen Rechteckschwingungsfolgen zur Bildung einer ersten (c) und zweiten (d) differenzierten Schwingungsfolge und einen die Istdrehzahl bildenden Digital- Analog-Wandler (Q 1, C 3, R 5, Q 2, C 4, 37) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Digital-Analog-Wandler (Q 1, C 3, R 5, Q 2, C 4, 37) eine Auflade- und Entladeschaltung (Q 1, C 3, R 5) zum Einleiten des Aufladens, nachdem durch die erste differenzierte Schwingungsfolge (c) das Entladen ausgeführt worden ist, und eine Schaltungseinrichtung (Q 2, C 4, 37) zum Abtasten und Halten einer in der Auflade- und Entladeschaltung (Q 1, C 3, R 5) gespeicherten Spannung (e, f) durch die zweite differenzierte Schwingungsfolge (d) aufweist.

2. Drehzahldetektiereinrichtung zur Bildung der Istdrehzahl eines drehzahlgeregelten Hall-Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Rechteckschwingungsfolge in den Nulldurchgängen der Ausgangssignale ansteigen und abfallen.