DE4002996C2 - Schaltungsanordnung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines einen Rotor und eine Anzahl von Treiberspulen aufweisenden bürstenlosen Motors, mit einer Bezugsphasenerfassungseinrichtung, durch die die bei der Drehung des Rotors in den Treiberspulen jeweils induzierten Spannungen erfaßt und darauf ansprechend eine der Anzahl der Treiberspulen entsprechende Anzahl von Bezugsphasenimpulssignalen erzeugt werden, einer Energiezuführungsschaltimpulserzeugungseinrichtung, durch die für jede Treiberspule jeweils bei Ablauf einer Verzögerungszeit seit der Erzeugung des betreffenden Bezugsphasenimpulssignals ein Energiezuführungsschaltimpulssignal erzeugt wird, einer Energiezuführungschaltanordnung, durch die ansprechend auf die Energiezuführungsschaltimpulssignale die Energiezufuhr für die jeweiligen Treiberspulen nacheinander umgeschaltet wird, und einer Verzögerungszeiteinstelleinrichtung, durch die die Verzögerungszeit auf einem, einem vorbestimmten elektrischen Winkel zwischen dem betreffenden Bezugsphasenimpulssignal und Energiezuführungsschaltimpulssignal entsprechenden Wert gehalten wird.

Bürstenlose Motore zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Nutzlebensdauer aus. Sie werden daher anstelle üblicher Gleichstrommotore mit Bürsten und Kommutator insbesondere in Audio- oder Videowiedergabegeräten oder dergleichen verwendet.

Bei einer älteren, im Prioritätsintervall veröffentlichten Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art (EP 03 16 077 A1) besteht die Verzögerungszeiteinstelleinrichtung aus einer von einem Mikroprozessor gesteuerten Anordnung, die einen Verzögerungszähler und eine Halteschaltung aufweist. In den Verzögerungszähler wird jeweils synchron mit den Bezugsphasenimpulssignalen das in der Halteschaltung vorhandene Datenwort als vorgegebener Zählwert geladen. Ausgehend von diesem vorgegebenen Zählwert wird der Verzögerungszähler sodann durch ein Taktsignal hochgezählt, bis durch die Setzung des höchststelligen Bits des Verzögerungszählers der Zählvorgang beendet wird. Die zwischen dem Laden des Verzögerungszählers 26 mit dem vorgegebenen Zählwert und der Setzung seines höchststelligen Bits erforderliche Zeitspanne bestimmt sodann die Verzögerungszeit T. Dieser Aufbau setzt voraus, daß der Mikroprozessor die Drehgeschwindigkeit des Motors überwacht und den Wert des Datenwortes in der Halteschaltung geeignet steuert, um die der gewünschten Konstanthaltung des elektrischen Winkels entsprechende Verzögerungszeit zu erhalten. Die Schaltungsanordnung erweist sich somit durch das Erfordernis eines Mikrocomputers, dessen Überwachung der Drehgeschwindigkeit und dessen Zusammenwirken mit der Halteschaltung und dem Verzögerungszähler als aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die einen einfachen Aufbau aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Verzögerungszeiteinstelleinrichtung durch eine auf ein dem Verhältnis zwischen dem vorbestimmten elektrischen Winkel und dem elektrischen Winkelintervall zwischen den Bezugsphasenimpulsen entsprechendes Ladungs-Entladungszeitverhältnis eingestellte Lade-Entladeschaltung gebildet ist, deren Lade- Entladezyklus mit den Bezugsphasenimpulsen synchronisiert ist.

Bei der Erfindung wird also die gewünschte Einstellung der Verzögerungszeit auf sehr einfache Weise durch die Lade- Entladeschaltung erreicht, deren Lade-Entladezyklus zu den Bezugsphasenimpulsen synchron verläuft und in der das Ladungs- Entladungszeitverhältnis gerade derart eingestellt ist, daß der vorbestimmte elektrische Winkel unabhängig von der Frequenz der Bezugsphasenimpulssignale, also der Drehgeschwindigkeit des Motors, eingehalten wird.

In der folgenden Beschreibung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors, und

Fig. 2 in der Schaltungsanordnung von Fig. 1 auftretende Signalschwingungsformen.

In Fig. 1, diie ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors zeigt, sind Treiberspulen 2a, 2b und 2c des bür­ stenlosen Motors an einem Ende gemeinsam an einen Stromver­ sorgungsanschluß 3 angeschlossen, dem eine Versorgungsspan­ nung Vcc zugeführt wird. Diese Treiberspulen 2a, 2b und 2c sind an den anderen Enden jeweils mit den Kollektoren von Treibertransistoren 1a, 1b bzw. 1c verbunden und auch mit je­ weiligen Eingangsanschlüssen einer Bezugsphasenerfassungs­ einrichtung 6, die Vergleicher 11a, 11b, 11c und zugeordnete Differentiatoren 12a, 12b, 12c enthält. Die Treibertransi­ storen 1a, 1b und 1c sind mit ihren Emittern auf Masse ge­ schaltet. Die Bezugsphasenerfassungseinrichtung 6 ist an ihren Ausgangsanschlüssen jeweils mit entsprechenden Eingangsan­ schlüssen einer Energiezuführungsschaltimpulserzeugungseinrichtung 7 verbunden und jeweils auch mit entsprechenden Ein­ gangsanschlüssen einer Verzögerungszeiteinstelleinrichtung 5. Diese Verzögerungszeiteinstelleinrichtung 5 enthält Vergleicher 20, 21, ODER-Glieder 22, 23, ein RS-Flip-Flop 24, einen Kon­ densator 25 und Transistoren 30 bis 38 und ist an ihrem Ausgangsanschluß mit einem weiteren Eingangsanschluß der Energiezuführungsschaltimpulserzeugungseinrichtung 7 verbunden. Diese Energiezuführungsschaltimpulserzeugungseinrichtung 7 ist an ihren Ausgangsanschlüssen jeweils mit entsprechenden Ein­ gangsanschlüssen einer Energiezuführungsschaltanordnung 8 verbunden, die Flip-Flops 15a, 15b und 15c enthält. Diese Energiezuführungsschaltanordnung 8 ist jeweils an ihren Aus­ gangsanschlüssen mit entsprechenden Eingangsanschlüssen eines Energiezuführungsschaltsignalverstärkers 4 verbunden. Dieser Energiezuführungsschaltsignalverstärker 4 ist an seinen Aus­ gangsanschlüssen jeweils mit den Basisanschlüssen der Trei­ bertransistoren 1a, 1b bzw. 1c verbunden.

In Fig. 1 werden Spannungen E_U, E_V und E_W in den Trei­ berspulen 2a, 2b bzw. 2c induziert, wenn sich der bürstenlose Motor dreht.

Die Betriebsweise dieser Schaltungsanordnung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors soll nun unter Bezugnahme auf die Fig. 2 beschrieben werden, welche in der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung auftretende Signalschwingungen zeigt.

Wenn sich der Motor dreht, werden die dreiphasigen Spannungen E_U, E_V und E_W mit den in Fig. 2 gezeigten Schwin­ gungsformen in den Treiberspulen 2a, 2b bzw. 2c des Motors indu­ ziert. In der Bezugsphasenerfassungseinrichtung 6 werden diese induzierten Spannungen E_U, E_V und E_W durch die Vergleicher 11a, 11b bzw. 11c mit der Versorgungsspannung Vcc verglichen und durch die jeweiligen Vergleicher 11a, 11b und 11c Aus­ gangssignale C_U, C_V und C_W mit einer rechteckigen Schwin­ gungsform, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, erzeugt. Die Differentiatoren 12a, 12b und 12c differenzieren die hinteren Flanken der rechteckigen Ausgangssignale C_U, C_V und C_W und erzeugen jeweils als Ausgangssignale Bezugsphasenimpulssignale P_UO, P_VO und P_WO. Diese Bezugsphasenimpulssignale P_UO P_VO und P_WO kennzeichnen den Zeitpunkt der Überkreuzung der fallenden in­ duzierten Spannungen E_U, E_V und E_W mit dem Wert der Versor­ gungsspannung Vcc und repräsentieren somit die Bezugsphase der Drehung des Rotors für den bürstenlosen Motor. Diese Bezugsphasenimpulssignale P_UO, P_VO und P_WO werden der Ener­ giezuführungsschaltimpulserzeugungseinrichtung 7 zugeführt und in jeweilige Energiezuführungsschaltimpulssignale P_U, P_V und P_W umgewandelt, die um eine durch ein Ausgangssignal V_D der Verzögerungszeiteinstelleinrichtung 5 bestimmte Verzögerungs­ zeit T verzögert werden. Die Energiezuführungsschaltimpuls­ signale P_U, P_V und P_W werden der Energiezuführungsschalt­ anordnung 8 zugeführt. In Ansprache auf die Zuführung des Energiezuführungsschaltimpulssignals P_U wird das Flip-Flop 15a der Energiezuführungsschaltanordnung 8 gesetzt. Dann, wenn das Energiezuführungsschaltimpulssignal P_V zugeführt wird, wird das Flip-Flop 15b gesetzt, wogegen das Flip-Flop 15a zurückgesetzt wird. Dann, wenn das Energiezuführungs­ schaltimpulssignal P_W zugeführt wird, wird das Flip-Flop 15c gesetzt, wogegen das Flip-Flop 15b zurückgesetzt wird. Danach werden die Flip-Flops 15a, 15b und 15c wiederholt in der oben beschriebenen Reihenfolge gesetzt und zurückgesetzt und drei­ phasige Energiezuführungsschaltsignale OUTU, OUTV und OUTW von der Energiezuführungsschaltanordnung 8 erzeugt.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Energiezuführungs­ schaltsignale OUTU, OUTV und OUTW für eine optimale zeitliche Lage der Energiezuführung bezüglich der induzierten Spannun­ gen E_U, E_V bzw. E_W sorgen. Diese dreiphasigen Energiezufüh­ rungsschaltsignale OUTU, OUTV und OUTW werden, nachdem sie durch den Energiezuführungsschaltsignalverstärker 4 lei­ stungsverstärkt worden sind, den Basisanschlüssen der Trei­ bertransistoren 1a, 1b bzw. 1c zugeführt, um dadurch aufein­ anderfolgend die Treiberspulen 2a, 2b und 2c des Motors mit Energie zu versorgen. Dadurch wird bewirkt, daß der bürstenlose Motor sich fortlaufend dreht.

Nun soll die Betriebsweise der Verzögerungszeitein­ stelleinrichtung 5 beschrieben werden. Die Verzögerungszeitein­ stelleinrichtung 5 enthält eine Lade-Entla­ de-Schaltung für den durch das Bezugszeichen 25 in Fig. 1 bezeichneten Kondensator, der einen Kapazitätswert C hat. Wenn der Motor sich in einem stehenden Zustand befindet und nicht dreht, werden die Bezugsphasensignale P_UO, P_VO und P_WO nicht erzeugt. Das bedeutet, daß keine Signale P_UO, P_VO und P_WO an die Verzögerungszeiteinstelleinrichtung 5 angelegt wer­ den. Der Kondensator 25 mit dem Kapazitätswert C wird über die durch die Transistoren 30 bis 38 gebildete Lade-Ent­ lade-Schaltung geladen und entladen. Zunächst wird der Kondensator 25 mit einem Ausgangsstrom Io des Transistors 33 geladen, wodurch die Anschlußspannung Vco des Kondensators 25 ansteigt. Der Vergleicher 20 vergleicht diese Anschlußspan­ nung Vco des Kondensators 25 mit einer Bezugsspannung V_H, wogegen der Vergleicher 21 die Anschlußspannung Vco des Kon­ densators mit einer weiteren Bezugsspannung V_L vergleicht. Wenn die Spannungen Vco und V_H die Beziehung Vco ≧ V_H haben, erzeugt der Vergleicher 20 ein Ausgangssignal mit hohem Wert. Da die Bezugsphasenimpulssignale P_UO, P_VO und P_WO zu dieser Zeit noch nicht erzeugt werden, erzeugt das ODER-Glied 22 ein Ausgangssignal Po mit niedrigem Wert. Daher erzeugt das ODER-Glied 23 ein Ausgangssignal mit hohem Wert zum Setzen des Flip-Flop 24, und das Flip-Flop 24 erzeugt ein Aus­ gangssignal V_D. Zu dieser Zeit erscheint von dem Flip-Flop 24 ein invertiertes Ausgangssignal mit niedrigem Wert, um den Transistor 30 auszuschalten. Wenn der Transistor 30 ausge­ schaltet ist, liefert die durch die Transistoren 31 und 32 gebildete Stromspiegelschaltung einen Ausgangsstrom 4Io, so daß der Kondensator 25 mit dem Strom 3Io = 4Io-Io entladen wird.

Dann, wenn die Beziehung V_CO ≦ V_L erfüllt wird, erzeugt der Vergleicher 21 sein Ausgangssignal mit hohem Wert, um das Flip-Flop 24 zurückzusetzen, und der Transistor 30 wird durch das von dem Flip-Flop 24 erscheinende invertierte Ausgangs­ signal mit hohem Wert eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird der Strom 4Io nicht zugeführt, und der Kondensator 25 wird durch den Strom Io wieder geladen.

Danach wiederholt sich der oben beschriebene Lade- Entlade-Zyklus, so daß der Kondensator 25 wiederholt mit dem Ladungs-Entladungs-Zeitverhältnis von 3 : 1 geladen und entla­ den wird. Wenn der Motor sich zu drehen beginnt, werden die Bezugsphasenimpulssignale P_UO, P_VO und P_WO erzeugt, und das Ausgangssignal P_O des ODER-Gliedes 22 hat eine Impulsschwin­ gungsform wie in Fig. 2 gezeigt. Der den Lade-Entlade- Zyklus wiederholende Kondensator 25 wird entladen, wenn die Beziehung V_CO ≧ V_H erreicht wird, um das Flip-Flop 24 durch das ODER-Glied 23 zu setzen, welchem das Impulssignal P_O zugeführt wird. Somit ändert sich, wie in Fig. 2 gezeigt, die Anschlußspannung V_CO des Kondensators 25 in einer mit einer logischen Summe P_O des Bezugsphasenimpulssignals P_UO, P_VO und P_WO synchronen Beziehung.

Nun soll die zeitliche Lage der Energiezuführung zu den Treiberspulen 2a, 2b und 2c unter den oben genannten Bedingungen beschrieben werden. Jedes der eine logische Summe der Signale P_UO, P_VO und P_WO repräsentierenden Impulssignale P_O wird jedesmal erzeugt, wenn die Schwingung jeder der fallenden induzierten Spannungen E_O, E_V und E_W den Wert der Versorgungsspannung Vcc überkreuzt. Das bedeutet, daß die Impulssignale P_O mit einem elektrisch wirksamen Winkelintervall von 120° erzeugt werden. Der Kondensator 25 wiederholt seinen Lade-Entlade- Zyklus synchron mit dem Impulssignal P_O, und ein Zyklus ent­ spricht dem elektrischen Winkel von 120°. Wenn das Ladungs- Entladungs-Zeitverhältnis des Kondensators 25 auf 3 : 1 eingestellt ist, entspricht somit die durch die Verzögerungszeiteinstell­ einrichtung 5 eingestellte Verzögerungszeit T einem elektri­ schen Winkel von 30°. Daher erfolgt die Energiezuführung der Treiberspulen 2a, 2b und 2c in der Weise, daß nach dem Ablauf der dem elek­ trischen Winkel von 30° entsprechenden Zeitspanne T, nachdem die Schwingungsform der in der Treiberspule der ersten Phase induzierten Spannung den Wert der Versorgungsspannung Vcc überkreuzt hat, die Energiezuführung zu der Treiberspule der zweiten Phase begonnen wird, und nachdem weiter die dem elek­ trischen Winkel von 120° entsprechende Zeitspanne abläuft, die Energiezuführung für die Treiberspule der dritten Phase begonnen wird. Somit werden auf Grundlage der Energiezufüh­ rungszeitspanne einer Treiberspule der derzeit vorliegenden Energiezuführungsphase die zeitliche Lage der Energiezufüh­ rung und die Zeitspanne der Energiezuführung einer Treiber­ spule einer nächsten Energiezuführungsphase bestimmt. Daher kann sehr genau einer beliebigen Veränderung der Drehzahl des bürstenlosen Motors nachgefolgt werden, so daß hinsichtlich der zeitlichen Lage und der Zeitspanne eine optimale Energie­ zuführung für die Treiberspulen der einzelnen Phasen auf­ rechterhalten werden kann. Weiterhin hat die Schaltungsanordnung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors unter dem Kostengesichts­ punkt den zusätzlichen Vorteil, daß ihr Aufbau einfach ist und sie eine sehr geringe Anzahl von externen Zusatzteilen benötigt. Da die zeitliche Lage und die Dauer der Energie­ zuführung für die Treiberspulen der einzelnen Phasen nur von dem derzeit vorliegenden Ladungs-Entladungs-Zeitverhältnis und nicht von dem Kapazitätswert des Kondensators 25 und den Werten der Bezugsspannung V_H und V_L abhängen, kann die Anordnung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors nach der vorliegenden Erfindung auch einfach aufgebaut werden und ar­ beitet mit großer Zuverlässigkeit.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines einen Rotor und eine Anzahl von Treiberspulen (2a, 2b, 2c) aufweisenden bürstenlosen Motors, mit einer Bezugsphasenerfassungseinrichtung (6), durch die die bei der Drehung des Rotors in den Treiberspulen (2a, 2b, 2c) jeweils induzierten Spannungen (E_U, E_V, E_W) erfaßt und darauf ansprechend eine der Anzahl der Treiberspulen (2a, 2b, 2c) entsprechende Anzahl von Bezugsphasenimpulssignalen (P_U0, P_V0, P_W0) erzeugt werden, einer Energiezuführungsschaltimpulserzeugungseinrichtung (7), durch die für jede Treiberspule (2a, 2b, 2c) jeweils bei Ablauf einer Verzögerungszeit seit der Erzeugung des betreffenden Bezugsphasenimpulssignals (P_U0, P_V0, P_W0) ein Energiezuführungsschaltimpulssignal (P_U, P_V, P_W) erzeugt wird, einer Energiezuführungsschaltanordnung (4, 8), durch die ansprechend auf die Energiezuführungsschaltimpulssignale (P_U, P_V, P_W) die Energiezufuhr für die jeweiligen Treiberspulen (2a, 2b, 2c) nacheinander umgeschaltet wird, und einer Verzögerungszeiteinstelleinrichtung (5), durch die die Verzögerungszeit auf einem einem vorbestimmten elektrischen Winkel zwischen dem betreffenden Bezugsphasenimpulssignal (P_U0, P_V0, P_W0) und Energie­ zuführungsschaltimpulssignal (P_U, P_V, P_W) entsprechenden Wert gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeiteinstelleinrichtung (5) durch eine auf ein dem Verhältnis zwischen dem vorbestimmten elektrischen Winkel und dem elektrischen Winkelintervall zwischen den Bezugsphasenimpulsen (P_U0, P_V0, P_W0) entsprechendes Ladungs-Entladungszeitverhältnis eingestellte Lade-Entladeschaltung (20 bis 38) gebildet ist, deren Lade-Entladezyklus mit den Bezugsphasenimpulsen (P_U0, P_V0, P_W0) synchronisiert ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lade-Entladeschaltung (20 bis 38) einen ersten Vergleicher (20) zum Vergleichen der Anschlußspannung (V_C0) eines Kondensators (25) mit einer ersten Bezugsspannung (V_H) und einen zweiten Vergleicher (21) zum Vergleichen der Anschlußspannung (V_C0) mit einer zweiten Bezugsspannung (V_L) aufweist, wobei der Entladezyklus ansprechend auf ein den Anstieg der Anschlußspannung (V_C0) auf die erste Bezugsspannung (V_H) anzeigendes Ausgangssignal des ersten Vergleichers (20) und der Ladezyklus ansprechend auf ein den Abfall der Anschlußspannung (V_C0) auf die zweite Bezugsspannung (V_L) anzeigendes Ausgangssignal des zweiten Vergleichers (21) eingeleitet wird und daß die Lade-Entladeschaltung ein an seinem Setzeingang (S) über ein ODER-Glied (23) mit der logischen Summe der Bezugsphasensignale (P_U0, P_V0, P_W0) und dem Ausgangssignal des ersten Vergleichers (20) und an seinem Rücksetzeingang (R) mit dem Ausgangssignal des zweiten Vergleichers (21) beaufschlagtes Flip-Flop (24) aufweist, dessen Ausgangssignal (V_D) durch seine Impulsdauer (T) die Verzögerungszeit bestimmt und dessen invertiertes Ausgangssignal zur Umschaltung zwischen dem Lade- und Entladezyklus dient.