DE3320133A1

DE3320133A1 - Treiberschaltung fuer einen kommutatorlosen gleichstrommotor

Info

Publication number: DE3320133A1
Application number: DE19833320133
Authority: DE
Inventors: Kinzo Yokohama Kanagawa Wada
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1982-06-04
Filing date: 1983-06-03
Publication date: 1983-12-08
Also published as: JPS58212392A; DE3320133C2; US4459520A; KR840005287A; KR870001558B1; GB2123227B; GB8315437D0; JPH0524759B2; GB2123227A

Description

VICTOR COMPANY QF JAPAN, LTD., Yokohama, Japan

Treiberschaltung für einen kommutatorlosen Gleichstrommotor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Treiberschaltung für einen kommutatorlosen Gleichstrommotor. Die Treiberschaltung ist nach der Erfindung derart konstruiert und ausgelegt, daß durch Leistungsschaltelemente ein Strom nicht unnötigerweise fließt, und zwar selbst dann, wenn die Amplitude eines Ausgangssignals einer Einrichtung,zum Erfassen der Rotorposition des Motors auf einen kleinen Wert eingestellt ist, um bezüglich der Statorwicklungen ein schnelles Schalten der Ströme zu vermeiden. Weiterhin sorgt die erfindungsgemäße Ausbildung der Treiberschaltung dafür, daß die Nutzungseffizienz der Statorwicklungen verbessert wird und die Anzahl der erforderlichen Leistungsschaltelemente vermindert wird.

Bei einer herkömmlichen Treiberschaltung für einen kommutatorlosen Gleichstrommotor fließen die Ströme in nur einer Richtung durch vier Statorwicklungen. Diese herkömmliche Treiberwicklung ist mit dem Nachteil verbunden, daß der durch sie angesteuerte Motor nur ein kleines Drehmoment entwickelt. Es gibt bereits eine weitere herkömmliche Treiberschaltung, bei der die Ströme sowohl in der Vorwärts- als auch Rückvrärtsrichtung durch die Statorwicklungen fließen. Diese herkömmliche Treiberschaltung, die noch an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert wird, hat bezüglich der Ausnutzung der Statorwicklungen im Vergleich zu der erstgenannten herkömmlichen Treiberschaltung eine bessere Effizienz. Darüber hinaus tritt der Vorteil auf, daß man bei Ansteuerung

J5'3 des kommutatorlos en Gleichstrommotors mit dieser Treiberschaltung ein höheres Drehmoment erzielen kann. Nachteilig ist allerdings, daß beispielsweise acht Leistungsträn-

sistoren benötigt werden, durch die hohe Ströme fließen. Die Herstellungskosten sind daher hoch. Unzulänglich ist auch, daß diese Treiberschaltung große Abmessungen den Motors bedingt, und bei der Fertigung des Motors sind zahlreiche Montagevorgänge auszuführen.

Zu beachten ist auch, daß bei hinreichend hohen Ausgangsspannungen der Hall-Elemente die durch die Statorwicklungen fließenden Ströme schnell geschaltet werden. Bei einem schnellen Schalten dieser Ströme wird jedoch der gleichförmige Lauf des Rotors gestört. Dies ist

insbesondere der Fall, wenn die Frequenz der Stromschaltvorgänge nahe bei der Resonanzstelle für die mechani- ' sehen Schwingungen im Rotorsystem (Rotorwelle, Magnete und dergleichen) liegt« Unter diesen Umständen macht sich der ungleichförmige Lauf des Rotors besonders be- j

merkbar. Die Ausgangsspannungen der Hall-Elemente können zwar auf niedrigere Spannungen eingestellt werden, jedoch treten dann unzulänglich ausgeführte Stromschaltvorgänge bezüglich der Statorwicklungen auf. Speziell bei einem kommutatorlosen Gleichstrommotor, für dessen Hall-Elemente Indiumantimonid (InSb) benutzt wird, haben die Hallelemente einen relativ hohen negativen Temperaturkoeffizienten in bezug auf ihre Ausgangsspannungen. Bei einem derartigen kommutatorlosen Gleichstrommotor mit Hall-Elementen, die Indiumantimonid gebrauchen, nehmen die Ausgangsspannungen der Hall-Elemente bei hohen Umgebungstemperaturen außerordentlich stark ab, so daß bezüglich der Statorwicklungen die Stromschaltvorgänge nachteilig beeinträchtigt werden. Es tritt dann eine Zeitspanne auf, in der die Kollektorströme von Schalttransistoren gleichzeitig fließen. Der Versorgungsquellenstrom wird dann, entsprechend hoch. In Extremfällen können sogar die Leistungstransistoren zerstört werden.

In jedem Falle ist aber die Versorgungsquelleneffizienz des Motors niedrig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, für einen kommutatorlosen Gleichstrommotor eine Treiberschaltung zu schaffen, bei der die oben beschriebenen Schwierigkeiten nicht mehr auftreten. Es sollen also die Anzahl der Leistungsschaltelemente vermindert und die Effizienz der Gesamtanordnung erhöht werden.

Eine nach der Erfindung ausgebildete Treiberschaltung für einen kommutatorlosen Gleichstrommotor zeichnet sich dadurch aus, daß zwei Statorwicklungen jeweils mit ihrem einen Anschluß mit Masse verbunden sind und jeweils rn.it ihrem anderen Anschluß über ein Leistungsschaltelement mit einer positiven Versorgungsquelle sowie über ein weiteres Leistungsschaltelement mit einer negativen Versorgungsquelle verbunden sind, daß zwei Hall-Elemente mit jeweils zwei Ausgangsanschlussen mit einem Differenz- oder Differentialschaltkreis verbunden sind, der das Schalten mit einen Phasendifferenz von etwa W/2 rad gemäß den Ausgängen an den jeweils beiden Ausgangsanschlüssen der Hall-Elemente ausführt, daß Differenzsignal-Erzeugungsschaltungen, die gemäß den jeweiligen Differenzen zwischen jeweils zwei Ausgangssignalen der Differentialschaltkreise mit Phasendifferenzen von etwa Tf/2 rad Signale erzeugen, zwischen die Leistungsschaltelemente und die Differentialschaltkreise geschaltet sind und daß gemäß Signalen, die von den Differenzsignal-Erzeugungsschaltungen stammen, Ströme den jeweiligen Statorwicklungen zugeführt werden. Wenn bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung die Ausgangssignale der Hall-Elemente auf kleine Werte eingestellt sind, fließt in einem Zustand, bei dem das eine Hall-Element dem Nordpol oder Südpol des Rotors und das andere Hall-Element einem Zwischenabschnitt zwischen dem Nordpol und Südpol des Rotors gegenübersteht, ein Strom durch die eine Staüorwicklung, wohingegen die andere Statorwicklung stromlos ist. Dementsprechend v/erden die Winkel, die den Zeitnpannon entsprechen, während derer Ströme in Vorwärts-

und Rückwärtsrichtung durch die Statorwicklungen fließen, kleiner als irrad, und. zwar selbst für den Fall, daß die Winkel, die den Zeitspannen entsprechen, während derer Ströme durch die Kollektoren von jedem der Transistoren in den Differentialschaltkreisen fließen, größer als ff rad. sind. Folglich wird gegenüber einer herkömmlichen Motortreiberschaltung, die nicht mit den erfindungsgemäßen Schaltungsmaßnahmen ausgerüstet ist, die Nutzeffizienz der Statorwicklungen verbessert.

Weiterhin fließen, wenn die Ausgänge der Hall-Elemente auf kleine Werte eingestellt sind, keine unnötigen Ströme durch die. Leistungsschaltelemente, und es besteht . nicht die Gefahr, daß die Leistungsschaltelemente zerstört werden. Es wird auch die Erzeugung von Vibrationen und Geräuschen vermieden, da bezüglich der Statorwicklungen die Stromschaltvorgänge glatt ausgeführt v/erden. Ferner kann im Vergleich zum Motor einer herkömmlichen Treiberschaltung der Motor kleiner dimensioniert, werden, und die Herstellungskosten für den Motor sind entsprechend geringer. Dies ist auch darauf zurückzuführen, daß nur noch vier Leistungsschaltelemente erforderlich sind.

8-

Die Erfindung wird im folgenden beispielshalber an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

FIG . 1A und 1B eine Gesamtansicht eines allgemeinen kommutatorlosen Gleichstrommotors sowie eine Schemadarstellung zur Erläuterung der positionsmäßigen Beziehung zwischen Statorwicklungen und Hall-Elementen,

F I G . 2 ein Schaltbild zur Erläuterung eines Beispiels einer herkömmlichen Treiberschaltung für einen kommutatorlosen Gleichstrommotor,

FIG. 3(A) bis 3(C) grafische Darstellungen zum Aufzeigen der Verläufe von Signalen, die in der Schaltung nach FIG. 2 auftreten,

F I G . 4 eine grafische Darstellung zum Aufzeigen der Signalverläufe von Kollektorströmen zur Erläuterung der Arbeitsvreise der herkömmlichen Treiberschaltung sowie der erfindungsgemäßen Treiberschaltung,

F I G . 5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer nach der Erfindung ausgebildeten Treiberschaltung für einen kommutatorlosen Gleichstrommotor und

F I G . 6 eine grafische Darstellung zum Aufzeigen der Signalverlaufe von Statorwicklungsströmen zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Treiberschaltung.

Wie es aus FIG. 1A hervorgeht, enthält ein allgemeiner kommutatorloser Gleichstrommotor einen Rotor 11 einschließlich eines Dauermagneten mit acht Polen, eine am Rotor 11 befestigte Drehwelle 12, die von einem Lager axial gehaltert ist, und. Statorwicklungen L1 bis IA, die an einer Grundplatte 14 angebracht sind. Die Statorwicklungen L1 bis LA sind der magnetisierten Oberfläche des

Rotors 11 gegenüberliegend vorgesehen. Die Wicklungen L1 und L2 sowie die Wicklungen L3 und LA sind jeweils um einen elektrischen Winkel von 7Γ/2 χ (2Ν + 1) rad voneinander beabstandet, wobei N=O, 1, 2, ..., so daß der elektrische Winkelabstand beispielsweise rad oder einer elektrischen Phasendifferenz von

270° entspricht, wie es in FIG. 1B gezeigt ist. Andererseits sind die Wicklungen L2 und L3 sowie die Wicklungen L4 und L1 jeweils um einen elektrischen Winkel von fj/2 x (2N +1) rad voneinander beabstandet, d.h. beispielsweise um einen elektrischen Winkelabstand von 57Γ/2 rad oder eine elektrische Phasendifferenz von 450°. Hall-Elemente 15 und 16 sind auf der Grundplatte 14 mit einem elektrischen Winkelabstand von fr/2 rad angeordnet, d.h. mit einer elektrischen Phasendifferenz von 90°«, Das Hall-Element 15 und die Wicklung L4 sowie das Hall-Element 16 und die Wicklung L1 haben jeweils einen elektrischen Winkelabstand von 7Γ rad zueinander, d.h., eine elektrische Phasendifferenz von 180°. In FIG. 1B sind die elektrischen Winkel in runden Klammern angegeben, wohingegen die entsprechenden mechanischen Winkel nicht mit Klammern umgeben sind.

In FIG. 2 ist ein Beispiel einer herkömmlichen Treifoerschaltung für den oben beschriebenen, allgemeinen kommutatorlosen Gleichstrommotor dargestellt. Wenn die Stromanschlüsse der Hall-Elemente 15 und 16 mit einem Strom beaufschlagt sind, erhält man.an Spannungsanschlüssen 15a, 15b, 16a und 16b der Hall-Elemente 15 und 16 Spannungen e,,, e,, e₂ und e^, die in FIG. 3(A) dargestellt sind«, Diese Hall-Ausgangsspannungen werden den Basen von Transistoren Q1, Q2, 0.3 und QA zugeführt. Die Transistoren Q1 bis QA bilden einen Differenzoder Differentialschaltkreis, und diese Transistoren Q1 bis Q4 werden im leitenden oder eingeschalteten Zustand während einer Teilperiode gehalten, die etwa T/2. einer negativen Spannungsperiode der betreffenden Hall-

Ausgangsspannungen e. bis e^ entspricht, d.h. xrährend einer Periode, bei der die Spannungen e^ bis e^ jeweils am niedrigsten sind.

Die Wicklungen L1 und L3 sind in FIG. 2 in Form einer Wicklung L1O dargestellt, was deswegen möglich ist, weil die Wicklungen L1 und L3 in Reihe miteinander verbunden sind. Gleichermaßen sind die Wicklungen L2 und LA in FIG. 2 in Form einer Wicklung L20 dargestellt, da auch die Wicklungen L2 und IA miteinander in Reihe geschaltet sind. Während.einer Zeitspanne, bei der beispielsweise ,der Drehwinkel! (elektrischer Winkel) 0 des Rotors 11 einen Winkel zwischen7]/4 und 31(74 annimmt, hat von den Spannungen e bis e^ die Spannung e, ihren niedrigsten Wert. Während dieser Zeitspanne sind die Transistoren Q3, Q7 und Q13 im leitenden Zustand oder eingeschaltet, und durch die Wicklung L10 fließt in Rückwärtsrichtung (eine Richtung, die der durch den eingezeichneten Pfeil angezeigten Richtung entgegengesetzt ist) ein Strom I^, der in FIG. 3(B) dargestellt ist. In entsprechender Weise fließt während einer Zeitspanne, bei der der Drehwinkel O des Rotors 11 einen Winkel zwischen 37I/4 und 51^4 annimmt, ein Strom Io, der in FIG. 3(C) dargestellt ist, durch die Spule L20, und zwar ebenfalls in Rückwärtsrichtung (eine Richtung, die der durch den eingezeichneten Pfeil angegebenen Richtung entgegengesetzt ist), weil während dieser Zeitspanne die Transistoren 0.4, Q8 und Q14 leitend oder eingeschaltet sind. Während einer Zeitspanne, bei der der Drehwinkel 0 des Rotors 11 einen Winkel zwischen 5^/4 und 7#y4 annimmt, sind die Transistoren Q1, 05 und Q11 leitend oder eingeschaltet, so daß ein Strom I^ durch die Spule L10 in Vorwärtsrichtung fließt. Ferner sind während einer Zeitspanne, bei der der Drehwinkel θ des Rotors 11 einen Winkel zwischen 7ff?4 und 9*ff/4 annimmt, die Transistoren 02, Q6 und Q12 leitend oder eingeschaltet, wobei dann der Strom I₉ durch die Spule L20 in

Vorwärtsrichtung fIi eßt.

Somit fließen in der herkömmlichen Treiberschaltung nach FIG. 2 die Ströme durch die Spulen L1O und L2O abwechselnd in der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, und zwar für jeweilsft/2 rad. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Treiberschaltung einer Art, bei der vier Statorwicklungen, die in der Phase umH/2 rad versetzt sind, parallel zwischen die Spannungsquellenanschlüsse geschaltet sind und bei der die Ströme während einer Zeitspanne, die einem Winkel von etwa 1T^//2 rad entspricht, nur in einer Richtung fließen, ist die Gebrauchseffizienz der Wicklungen hochj, und man kann mit der herkömmliehen Treiberschaltung nach FIG. 2 ein hohes Drehmoment erhalten»' Allerdings bedingt die herkömmliche Treiberschaltung nach FIG. 2 die Verwendung von Leistungstransistoren für die Transistoren Q5 bis Q8 und Q11 bis Q.14, durch die hohe Ströme fließen. Insgesamt werden somit acht Leistungstransistoren benötigt. Die Notwendigkeit derart vieler Leistungstransistoren führt jedoch zu einer aufwendigen sperrigen Schaltung mit entsprechend hohen Herstellungskosten.

Als nächstes sollen die Schaltvorgänge der Wicklungsströme in Abhängigkeit von den Ausgangsspannungen der Hall-Elemente 15 und 16 betrachtet werden. In einem Fall, bei dem der Spitze-Spitze-Wert der Ausgangsspannung des in FIG. 3(A) dargestellten Hall-Elements relativ groß ist und im Bereich von 400 mV liegt, erfolgt eine schnelle Ausführung der Schaltvorgänge der Transistoren Q1 bis q4, die den Differentialschaltkreis bilden. Die Wicklungsströme I_{1 und Ig scha}i_ten daher schnell um, wie es in FIGc 3(B) und 3(C) gezeigt ist. Wenn aber die Schaltvorgänge in dieser schnellen Weise vorgenommen werden, vibrieren die Spulen und der Rotor, und es werden Geräusche erzeugt. Da sich weiterhin der Rotor nicht

mehr gleichförmig dreht, treten beispielsweise bei Anwendung dieses kommutatorlosen Gleichstrommotors als Antriebsmotor für die umlaufende Kopftrommel in einem Videosignal-Aufzeichnungs- und -Wiedergabegerät beachtliche Zitterkoraponenten in dem Wiedergabesignal auf, das von den auf der umlaufenden Kopftrommel angeordneten Videoköpfen abgetastet und wiedergegeben wird. Haben die Ausgangsspannungen der Hall-Elemente hohe Amplituden, kommt es in den geschalteten Wicklungsströmen zu großen Veränderungen, und die Gleichförmigkeit und Gleichmäßigkeit der Rotordrehung wird noch stärker beeinträchtigt.

Zur Erhöhung und Verbesserung des Grades der Gleichförmigkeit der Rotordrehbewegung ist es erforderlich, die AusgangsSpannungsamplituden der Hall-Elemente so einzustellen, daß diese Amplituden nicht übermäßig hoch sind. Verwendet man für die Hall-Elemente 15 und 16 Hall-Elemente aus Indiumantimonid (InSb) und v/erden diese Hallelemente mit konstanten Strömen angesteuert, zeigen diese Hall-Elemente eine Temperaturkennlinie, nach der pro 1° Temperaturanstieg der Ausgang um 2,5^ " abnimmt. Ist die Einstellung so vorgenommen, daß die AusgangsSpannungsamplituden dieser Hall-Elemente nicht übermäßig groß sind, nehmen die Spitze-Spitze-Werte der AusgangsSpannungen der Hall-Elemente einen weitgehend kleinen Wert in einem Bereich von beispielsweise 120 mV an, wenn der Motor bei hohen Umgebungstemperaturen benutzt wird. In einem solchen Fall, bei dem der Motor unter hohen Umgebungstemperaturen benutzt wird, erfolgen die Schaltvorgänge des von den Transistoren Q1 bis Q4 gebildeten Differentialschaltkreises in einer nicht abrupten oder schnellen Weise.

■ Von den Strömen i ^ bis i_cA» die durch die Transistoren Q1 bis Q4 fließen, sind drei dieser Ströme bei bestimmten Drehwinkeln des Rotors gleichzeitig vorhan-

den, und zwar in sich überlappenden Stromflußabschnitten, die man FIG. 4 entnehmen kann. Beträgt der Drehwinkel O des Rotors beispielsweise gleich Tf/2 rad, ist der Transistor Q3 eingeschaltet, und es fließt der Kollektorstrom i -,. Unter der Annahme, daß e^ (oder e^) - e-2 = 60 mV und e„ = e^, gilt die folgende Gleichung (1):

¹C₂ = V = W¹⁰' ⁽¹⁾

Somit fließen die Kollektorströme i ρ ^un(i i-_cL·* im Bereich von 1/10 des Kollektorstroms i_Q^ des Transistors Q3 liegen, durch die Transistoren Q2 bzw. 0.4. In diesem Zustand ist die gegenelektromotorische Kraft; in der Wicklung L20 gleich Null, und aus diesem Grunde fließen etwa gleiche Ströme durch die Transistoren Q6, Q8, Q12 und Q'I4, d.h., es fließt ein Emitterstrom ±_E durch die Transistoren Q6, 0.8, Q12 und Q14.

Wenn bei der herkömmlichen Treiberschaltung nach FIG. 2 die Ausgangsspannungsamplituden der Hall-Elemente klein sind, fließen, wie oben beschrieben, die Kollektorströme der Transistoren gleichzeitig, und der Strom ig fließt bei einem Drehwinkel 0 des Rotors im Bereich von VN/2, wobei N = 1, 2, ... .,Wenn der Strom ig groß ist, tritt ein hoher Versorgungsquellenstrom auf, und die Effizienz der Versorgungsquelle des Motors ist entsprechend gering. In Extremfällen ist der Nachteil aufgetreten, daß die Leistungstransistoren Q5 bis Q8 und Q11 bis Q14 zerstört wurden.

Nach der Erfindung sollen diese Unzulänglichkeiten überwunden werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand von FIG. 5 erläutert«, 35

In FIG. 5 sind diejenigen Teile, die Teilen nach FIG. 2 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen ver-

sehen. Die Anordnungspositionen der Hall-Elemente 15 und 16 sowie der Statorwicklungen L1O (L1, L3) und L20 (L2, L4) sind die gleichen wie bei FIG. 1A und 1B. Die Phasenbeziehungen zwischen den Ausgangsspannungen e^ bis e^ der Hall-Elemente 15 und 16, die an den Spannungsanschlussen 15a, 15b, 16a und 16b auftreten, sind die gleichen wie bei dem herkömmlichen Beispiel nach FIG. 3(A). Bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung für einen kommutatorlosen Gleichstrommotor v/erden die Statorwicklungen von zwei Versorgungsquellen betrieben, d.h. von einer positiven Versorgungsquelle und einer negativen Versorgungsquelle. Ein Anschluß T1 ist mit der positiven Seite der positiven Versorgungsquelle verbunden. Ein Anschluß T3 ist mit der negativen Seite der negativen Versorgungsquelle verbunden. Ein Anschluß T2 ist an die negative Seite der positiven Versorgungsquelle und an die positive Seite der negativen Versorgungsquelle angeschlossen und mit Masse verbunden.

Die Emitter der Transistoren Q1, Q2, Q3 und 0.4 sind gemeinsam miteinander verbunden und an eine Konstantstromquelle 20 angeschlossen, die zwischen den Anschluß T1 und den gemeinsamen Verbindungspunkt der Emitter geschaltet ist. Die Konstantstromquelle 20 liefert einen Strom I_ß. Die Amplitude des Stroms Ig wird durch ein Geschwindigkeitssteuersignal gesteuert, das die Drehgeschwindigkeit des Rotors 11 steuert. Die Transistoren Q1 bis 04 bilden einen Differenz- oder Differentialschaltkreis 21. Die vier Ausgangsspannungen der Hall-Elemente 15 und 16 werden den jeweiligen Basen der Transistoren Q1 bis Q4 zugeführt. Wenn diese vier Ausgangsspannungen hinreichend hohe Amplituden haben, wird von den Transistoren 01 bis 04 nur derjenige Transistor in den leitenden Zustand gebracht oder eingeschaltet, dem die niedrigste Spannung zugeführt wird. Die übrigen drei Transistoren bleiben gesperrt oder aus-

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geschaltet.

Die Kollektoren der Transistoren 01 und Q3 sind jeweils mit einer Stromspiegelschaltung 22 verbunden? die Transistoren QI5 und Q17 sowie Widerstände R15 und R17 enthält. Der nicht invertierende Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 23 ist mit den Kollektoren der Widerstände Q1 und Q15 sowie mit einem Widerstand RIO verbunden. Der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 23 ist an die Statorw.icklung L10 und einen Widerstand R11 angeschlossen. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 23 ist mit einer Phasenkompensationsschaltung 24 verbunden, die Widerstände R21 und R22 sowie einen Kondensator C10 enthält.

Die Phasenkompensationsschaltung 24 ist mit.der Basis eines Transistors Q23 über einen Transistor Q21 sowie 'mit der Basis eines Transistors Q24 über einen Transistor Q22 verbunden.

Die Kollektoren der Transistoren Q2 und Q4 sind an eine Stromspiegelschaltung 25 angeschlossen, die Transistoren Q16 und Q17 sowie Widerstände R16 und R18 enthält. Die Widerstandswerte der Widerstände R15 bis R18 sind etwa die gleichen. Der nicht invertierende Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 26 ist mit den Kollektoren der Transistoren 0.2 und Q16 sowie mit einem Widerstand R20 verbunden. Der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 26 ist an die Statorwicklung L20 und einen Widerstand R21 angeschlossen. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 26 ist mit einer Phasenkompensationsschaltung 27 verbunden, die Widerstände R23 und R24 sowie einen Kondensator C20 enthält. Der Widerstandswert des Widerstands R20 ist derselbe wie derjenige Des Widerstands R10. Die Phasenkompensationsschaltung 27 ist mit der Basis eines Transistors Q27 über einen Transistor Q25 und mit der Basis eines Transistors Q28 .

über einen Widerstand Q26 verbunden.

Die Emitter der Leistungstransistoren Q23 und Q27 sind jeweils an den positiven Anschluß T1 der positiver > Versorgungsquelle angeschlossen. Die Widerstände R1O, R11, R20 und R21 und die Phasenkompensationsschaltung 24 sind jeweils mit dem Masseanschluß T2 verbunden. Die Emitter der Leistungstransistoren Q24 und Q28 und die Stromspiegelschaltungen 22 und 25 sind jeweils mit dem negativen Anschluß T3 der negativen Versorgungsquelle verbunden. Ein veränderbarer Widerstand R30 ist an einen Stromanschluß der Hall-Elements 16 angeschlossen, um die Gleichspannungspegel bei den Spannungsanschlüssen der Hall-Elemente 15 und"16 einstellen zu können.

Wenn den Stromanschlüssen der Hall-Elemente 15 und 16 Ströme zugeführt werden und sich der Rotor 11 dreht, treten die Hallausgangsspannungen e^ bis e,, die in FIG. 3(A) gezeigt sind, an den Spannungsanschlussen 15a bis 16b auf. Sind.die Spitze-Spitze-Werte dieser Hall-Ausgangs spannungen hinreichend hoch, beispielsweise im Bereich von 400 mV, arbeiten die Transistoren Q1 bis q4, die den Differentialschaltkreis 21 bilden, in einer solchen Weise, daß ein Strom während einer Zeitspanne fließt, die einem Winkel von T/2 rad entspricht, und einer der Transistoren wird in Aufeinanderfolge eingeschaltet.

Während einer Zeitspanne, bei der sich beispielsweise der Drehwinkel des Rotors 11 im Bereich von 5^/4 bis iKjk befindet, hat die Spannung e^ ihren niedrigsten Wert, und folglich ist der Transistor Q1 eingeschaltet. Eine Spannung R10«I_s fällt somit an den Anschlüssen des

Widerstands R10 ab. In diesem Zustand tritt eine positive Spannung am Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 23 auf, und als Ergebnis v/erden die Transistoren Q21

·· " ·* O O Z U I J J

und Q23 eingeschaltet. Da andererseits das Potential am invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 23 gleich dem Potential am nicht invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 23 ist, v/ird die Spannung zwischen den Anschlüssen des Widerstands R11 gleich RIO-Ig. Durch die Wicklung L10 fließt daher der Strom I., der surch die folgende Gleichung beschrieben werden kann:

I₁ ~ R1O'I_S/R11.

Während' einer Zeitspanne, in der der Drehwinkel des Rotors 11 im Bereich von If/h bis 31fA rad ist, hat die Spannung e^ ihren niedrigsten Wert, und folglich 1st der Transistor 0.3 eingeschaltet. Der Strom I_Q fließt daher durch den Transistor Q3. Die Stromspiegelschaltung 22 arbeitet, und es fließen im wesentlichen die gleichen Ströme, d.h. der Strom Ig, durch die Kollektoren der Transistoren Q15 und Q17. Die Spannung zwischen den Anschlüssen des Widerstands RTO beträgt daher -RIO-Ig. In diesem Zustand liefert der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 23 eine negative Spannung, und die Transistoren Q22 und Q24 werden folglich eingeschaltet. Andererseits ist die Spannung zwisehen den Anschlüssen des Widerstands R11 gleich -R10»Ig. Der durch die Wicklung LIO fließende Strom L·, kann daher durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

I₁ ^ -RIO-Ig/RH.

Während einer Zeitspanne, in der der Drehwinkel des Rotors 11 in einem Bereich von (27T - TA) bis

+ ^/if/k)rad ist, sind die Transistoren Q2, Q25 und Q27 eingeschaltet. Die Spannung zwischen den Anschlüssen des Widerstands R20 und die Spannung zwischen den Anschlüssen des Widerstands R21 wird jeweils gleich R20»Ig. Folglich kann der Strom I₂, der durch die Wicklung L₂Q fließt, durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

I₂^ R20*I_s/R2.
10

Während einer Zeitspanne, in der sich der Drehwinkel des Rotors 11 im Bereich von (1^-11^4) bis (tf+if/k) rad befindet, sind die Transistoren Q4, Q26 und Q28 eingeschaltet. Die Spannung zwischen den Anschlüssen des Widerstands R20 und die Spannung zwischen den Anschlüssen des Widerstands R21 wird jeweils gleich -R20'Ig. Im Ergebnis kann daher der Strom I₂, der durch die Wicklung L20 fließt, durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
20

I₂ * -R20-Ig/21.

Weil die Widerstandswerte der Widerstände R11 und R21 auf den gleichen Wert eingestellt sind, sind die Ströme I^ und I₂ gleich den Strömen nach FIG. 3(B) und 3(C), wobei die Amplituden dieser Ströme I^ und gleich sind.

Als nächstes soll ein Fall beschrieben werden, bei dem die Spitze-Spitze-Werte der Hall-Ausgangsspannungen klein sind und beispielsweise im Bereich von 120 mV liegen. In diesem Fall sind die Kollektorströme i \ bis ir der Transistoren Q1 bis Q4 gleich den Strömen nach FIG. 4.
35

Wenn der Drehwinkel 0 des Rotors 11 beispielsweise gleich T/2 rad ist, fließt der Kollektorstrom i , (mit

einem Maximumwert von i ) durch den Transistor Q3, und zwar entsprechend der obigen Gleichung (1), und darüber hinaus fließen die Ströme i ₂ und i , mit Amplituden, die i_C3/10 (ip/10), entsprechen jeweils durch die Transistoren Q2 und Q4. In diesem Zustand kann der Strom Ig durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

In diesem Zustand fließt derselbe Strom i ^, der durch den Transistor Q17 fließt, durch den Transistor Q15 in der Stromspiegelschaltung 22. Polglich fließt durch den Widerstand RIO ein Strom Ir₁₀, der durch die folgende Gleichung beschrieben werden kann:

¹RIO ^{= x}c1 " -¹Cd'

Daher kann eine Spannung V₁₀ zwischen den Anschlüssen des Widerstands R10 durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

V₁₀ = R10 (I₁ - I₃)

Ist andererseits der Drehwinkel θ des Rotors 11 gleich rf/Z rad, sind die Ströme i _o und i », die durch die Transistoren Q16 und Q18 in der Stromspiegelschaltung 25 fließen, einander gleich. Somit kann ein Strom I_r2q, der durch den Widerstand R20 fließt, durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

^20 ^{= i}c2 " ⁱc4*

Eine Spannung V₂₀ zwischen den Anschlüssen des Widerstands R20 kann daher durch die folgende Gleichung angegeben werden:

= R20 (i

Da aber in diesem Fall i_c2 = ±_c^, wird die Spannung V₂₀ gleich Null. Die Ausgangsspannung des Operations-Verstärkers 2β wird daher ebenfalls gleich Null, und die Spannung zwischen den Anschlüssen des Widerstands R21 wird auch Null. Die Transistoren Q25 bis Q28 sind daher abgeschaltet, und der Strom I₂, der durch die Wicklung L20 fließt, wird gleich Null, wie es in FIG. 6 gezeigt ist.

Die weitere Analyse kann in ähnlicher Weise vorgenommen werden. Ist der Drehwinkel 0 gleich Ύ rad, wird die Spannung V^₀ gleich Null, und der Strom I₁, der durch die Wicklung 1/10 fließt wird gleich Null. Wenn der Drehwinkel θ gleich 3 7Γ/2 rad ist, wird die Spannung V₂₀ gleich Null, und der Strom I₂, der durch die Wicklung L20 fließt, wird gleich Null. Wenn folglich der Drehwinkel θ gleich 1ΓΝ/2 rad ist, wobei N eine ganze Zahl ist, fließt ein maximaler Strom durch die Wicklung L10 (oder die Wicklung L20), wohingegen kein Strom durch die Wicklung L20 (oder die Wicklung L10) fließt. Der Winkel, der der Zeitspanne entspricht, in der ein Strom durch einen der Transistoren Q23, Q24, Q27 und Q28 fließt, wird nicht größer als 'Trad.

Durch geeignete Auswahl der in FIG. 4 und 6 gezeigten Stromverläufe und der Gestalt oder Fcrm des magnetisierten Rotormagneten, ist es möglich, im Drehmoment die Unregelmäßigkeiten zu vermindern, die mit der Periode der Stromumschaltung eingeführt werden.

Für die erfindungsgemäße Treiberschaltung benötigt man lediglich vier Leistungstransistoren Q23» Q24, Q27 und Q28, so daß die Anzahl der erforderlichen Leistungstransistoren gegenüber der herkömmlichen Treiberschaltung um die Hälfte niedriger ist. Die Schaltung ist

daher in ihrer Gesamtheit kleiner dimensioniert, und die Kosten der Schaltung sind dementsprechend geringer. Darüber hinaus treten bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung nicht die Unzulänglichkeiten auf, die bei der herkömmlichen Treiberschaltung vorhanden sind. Dies gilt auch dann, wenn die Ausgänge der Hall-Elemente klein sind. Die Steuerströme zum Steuern der Hall-Elemente können daher klein sein. Weiterhin ist es möglich, Hall-Elemente zu verwenden, die von Galliumarsenid (Ga As) Gebrauch machen. Galliumarsenid zeigt eine hinreichend gute Temperaturkennlinie, kann jedoch lediglich Ausgangsspannungen in einem Bereich von einem Drittel desjenigen Bereiches erzeugen, den man mit Hall-Elementen erhält, die von Indiumantimonid (InSb) Gebrauch machen. Zusätzlich ist die Erzeugung von Geräuschen und Vibrationen bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung außerordentlich geringer, da die Stromumschaltung bezüglich der Statorwicklungen glatt oder sprungfrei vorgenommen wird.

Die Erfindung ist auf die erläuterten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt. Unter die erfindungsgemäße Lehre fallen zahlreiche verschiedenartige Abwandlungen und Modifikationen.

Claims

Folenlcmwälle

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Parksiraße 13

Paksrae 13 „ , \ ::..■ 6000Frankfurt a.M.J"-,' ·..·'..* /..·".-' 3320133

VICTOR COMPANY OF JAPAN, LTD., Yokohama, Japan

Patentansprüche

Treiberschaltung für einen kommutatorlos en Gleichstrommotor, enthaltend einen Rotor mit einem Dauermagneten, erste und.zweite Hall-Elemente, die im elektrischen Winkelmaß um etwa ^/2 χ (2N + 1) rad voneinander getrennt sind, wobei N eine ganze Zahl ist, und die zum Erfassen des Drehwinkels des Rotors gemäß dem vom Dauermagneten des Rotors erzeugten Magnetfeld dienen, zwei Statorwicklungen, . die im elektrischen Winkelmaß um etwa 7Γ/2 χ (2N +1) rad voneinander getrennt sind und die gemäß vier Ausgangssignalen, welche eine Phasendifferenz von etwa Tf/2 rad haben und von den ersten und zweiten Hall-Elementen stammen, aufeinanderfolgend geschaltet und mit Strömen versorgt werden, eine Versorgungsquelleneinrichtung mit einer positiven Versorgungsquelle und einer negativen Versorgungsquelle und einen Differentialschaltkreis, der mit Hilfe eines von ihm stammenden Ausgangssignals jeden der Ausgangsanschlüsse der ersten und zweiten Hall-Elemente mit einer Phasendifferenz von etwa *7Γ/2 rad schaltet,
dadurch gekennzeichnet, daß Leistungsschaltelemente (Q23, Q24, Q27, Q28) vorgesehen sind und jede der Statorwicklungen mit ihrem einen Anschluß an Masse angeschlossen ist und mit ihrem anderen Anschluß über eines der Leistungsschaltelemente mit der positiven Versorgungsquelle der Versorgungsquelleneinrichtung und über ein anderes der Leistungsschaltelemente mit der negativen Versorgungsquelle der Versorgungsquelleneinrichtung verbunden ist und daß eine Differenzsignal-Erzeugungsschaltung (23, 26) vorgesehen ist, die zwischen den Leistungsschaltelementen und dem Differentialschaltkreis liegt, und gemäß der Differenz z^vischen zwei Ausgangssignalen, die eine Phasendifferenz von etwaT'rad haben und von dem Differentialschaltkreis stammen, ein Signal erzeugt, gemäß dem den betreffenden Statorwicklungen ein Strom zugeführt wird.
2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen aus einer ersten und zweiten Statorwicklung (L1O, L20) bestehen, daß die Leistungsschaltelemente einen ersten und einen zweiten Leistungstransistor (Q23, Q24) aufweisen, die zwischen die erste Statorwicklung (L1O) und die positive bzw. negative Versorgungsquelle geschaltet sind, und einen dritten und vierten Leistungstransistor (Q27, Q28) aufweisen, die zwischen die zweite Statorwicklung (L20) und die positive bzw. negative Versorgungsquelle geschaltet sind, und daß die Differenzsignal-Erzeugungsschaltung einen ersten Operationsverstärker (23) aufweist, dessen invertierender Eingangsanschluß mit einem Anschluß der ersten Statorwicklung verbunden ist, dessen nicht invertierender Eingangsanschluß mit dem Differentialschaltkreis verbunden ist und dessen Ausgangsanschluß mit den Basen des ersten und zweiten Leistungstransistors verbunden ist, und einen zweiten Operationsverstärker (26) aufweist, dessen invertierender Eingangsanschluß mit einem Anschluß der zweiten Statorwicklung verbunden ist, dessen nicht invertierender Eingangsanschluß mit dem Differentialschaltkreis verbunden ist und dessen Ausgangsanschluß mit den Basen des dritten und vierten Leistungstransistors verbunden ist.
3. Treiberschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein z\tfeiter Widerstand (R10. R20) vorgesehen sind, die mit ihrem einen Anschluß mit dem Differentialschaltkreis und mit ihrem anderen Anschluß mit Masse verbunden sind, und daß eine erste und eine zweite Stromspiegelschaltung (22, 25) vorgesehen sind, die zwischen den Differentialschaltkreis und die negative Versorgungsquelle geschaltet sind.

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4. Treibersvhaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet-, daß eine erste Phasenkompensationsschaltung (24) vorhanden ist, die zwischen den Ausgangsanschluö des ersten 5 Operationsverstärkers und den ersten und zweiten Leistungstransistor geschaltet ist, und daß eine zweite Phasenkompensationsschaltung (27) vorhanden ist, die zwischen den Ausgangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers und den dritten und vierten Leistungstransistor geschaltet ist.
5. Treiberschaltung nach Anspruch 1_? dadurch gekennzeichnet,

daß eine Konstantstromschaltung (20) vorgesehen ist_y die zwischen den Differentialschaltkreis und die posi-. tive Versorgungsquelle geschaltet ist.