DE4029409A1 - Verfahren und vorrichtung zur motoransteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Motoransteuerung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, sowie eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des ersten Sachanspruchs.

Es ist allgemein bekannt, daß mehrsträngige Elektromotoren optimal, d. h. verlustarm und störungsfrei, durch ein Ansteuer­ signal mit möglichst sinusförmigem Verlauf betrieben werden.

Aus der DE-OS 38 14 562 ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeu­ gung phasenverschobener, sinusförmiger Spannungen zur Ansteue­ rung von mehrsträngigen Elektromotoren bekannt.

Weiterhin wurde in der älteren Anmeldung P 40 26 987.5 ein Generator für amplitudengekoppelte Spannungen vorgestellt, der zur Ansteuerung eines mehrsträngigen Motors dienen kann. Das von dem Generator erzeugte Signal weist einen sinusförmigen Verlauf auf.

Durch die aus der DE-OS 36 30 312 bekannte Schaltungsanordnung zur elektronischen Kommutierung eines Gleichstrommotors ist außerdem bekannt, daß zur Kommutierung auf dem Umfang eines Rotors Marken angeordnet werden, die in Zusammenwirken mit einem Sensor die Kommutierungsimpulse zur Ansteuerung der Strän­ ge des Motors liefern. Dieses geschieht, indem vom Sensor gelie­ ferte Impulse einen Zähler weiterschalten, dessen Ausgänge Schalter ansteuern, welche die Stränge abwechselnd auf ein Betriebs- oder ein Bezugspotential schalten. Die am Umfang des Rotors angebrachten Marken können beispielsweise lichtdurchläs­ sige oder reflektierende Stellen sein, die mit einem lichtemp­ findlichen Sensor zusammenwirken oder es kann sich bei den Marken um Permanentmagnete handeln, die auf einen entsprechen­ den Sensor einwirken.

Als gut auswertbar haben sich optische Marken auf einem Rotor erwiesen, die ein digitales Signal liefern. Da der Wert des Stromes, der den einzelnen Strängen des Elektromotors zugeführt wird, von der Winkelposition eines Rotors des Elektromotors, im folgenden auch kurz Position p des Motors genannt, abhängig ist, die Genauigkeit der Position p jedoch wiederum durch die Anzahl der optischen Marken bestimmt wird, ist es wünschenswert möglichst viele Marken auf dem Rotor unterzubringen. Zum einen kann aus mechanischen Gründen jedoch diese Anzahl nicht belie­ big erhöht werden, und zum anderen ist bei einer hohen Anzahl mit einem Schlupf zu rechnen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine störungs­ freie und verlustarme Ansteuerung eines Elektromotors zu gewähr­ leisten ohne die Anzahl digitaler Marken, die die Position des Elektromotors angeben, zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß den Merkma­ len des Anspruchs 1 und durch die zur Durchführung des Verfah­ rens geeignete Vorrichtung nach den Merkmalen des ersten Vor­ richtungsanspruchs.

Erfindungsgemäß wird bei dem eingangs genannten Verfahren unter­ halb einer vorgegebenen Mindestdrehzahl nm ein anzusteuernder Motor mit einem Ansteuersignal gespeist, das eine erste Kurven­ form aufweist, und oberhalb der Mindestdrehzahl wird der Motor mit einem Ansteuersignal gespeist, das eine zweite Kurvenform aufweist.

Damit wird sowohl unterhalb der Mindestdrehzahl nm, was übli­ cherweise der Anlaufphase entspricht, als auch oberhalb der Mindestdrehzahl nm, was als Betriebsphase angesehen werden kann, gewährleistet, daß eine Ansteuerung erfolgt, deren Phase bezüglich der Position p des Motors optimal ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß in der Anlauf­ phase des Motors zunächst sichergestellt werden muß, daß der Motor in der gewünschten Drehrichtung anläuft. Dieses wird gewährleistet durch ein Ansteuersignal, das die erste Kurven­ form aufweist.

Diese ist üblicherweise dergestalt, daß jedem der Strängen in Abhängigkeit von der Position p des Motors zyklisch ein Strom eingeprägt wird, dessen absoluter Wert sich nach dem gewünsch­ ten Drehmoment richtet und ist deshalb im wesentlichen kon­ stant, dessen Richtung sich jedoch ändert. Zwischen den Zeiträu­ men, in denen ein entsprechender Strom eingeprägt wird, sind Zeiträume vorgesehen, in denen die einzelnen Stränge stromlos sind. Bezeichnet man den Zustand der ersten Stromrichtung mit "+1"und den der zweiten mit "-1", sowie den stromlosen Zustand mit "0", so ergeben sich für einen Motorstrang zyklisch die Zustände +1, 0, -1, 0, +1, usw.

Die anderen Stränge werden in Abhängigkeit von deren Anzahl um eine auf die Position p bezogene Phasendifferenz verschoben bestromt, und zwar üblicherweise ebenfalls gemäß +1, 0, -1, 0, usw..

Eine derartige Ansteuerung ist zwar geeignet für die Anlaufpha­ se, sie gewährleistet in der Betriebsphase jedoch keinen optima­ len Motorbetrieb.

Dieses wird erreicht durch ein Ansteuersignal, das die zweite Kurvenform aufweist. Diese verläuft bevorzugt bezüglich der ersten Kurvenform abgerundet. Das heißt, das zumindest einzelne der jeweiligen übergänge zwischen den Zuständen +1, 0, -1, 0, ... aufeinanderfolgende Stromwerte mit möglichst geringen Diffe­ renzen aufweisen.

Sowohl unterhalb als auch oberhalb der Mindestdrehzahl nm kann die Position p des Motors nur mit Hilfe von Signalen ermittelt werden, die ein Maß sind für die Position p und die Drehzahl n des Motors. Diese Signale dienen ebenfalls zur Kommutierung.

Oberhalb der Mindestdrehzahl nm dienen diese Signale als Syn­ chronisationspunkte. Bei einer konstanten Drehzahl n kann zwi­ schen ihrem Auftreten eine Bestimmung von Werten des Ansteuersi­ gnals mittels einer zeitlichen Größe erfolgen, die konstant sein kann. Damit ist für die Betriebsphase eine Motorpositions­ gerechte Ansteuerung des Motors mit einem Ansteuersignal mög­ lich, das die zweite Kurvenform aufweist.

Dadurch hat die Erfindung besonders den Vorteil, daß für viele Anwendungen lediglich eine einfache zeitliche Steuerung außer­ halb der Anlaufphase erforderlich ist.

Weiterhin hat die Erfindung den Vorteil, daß mit nur einer begrenzten Anzahl von digitalen Signalen, die die Position des Motors angeben, eine optimale Ansteuerung gewährleistet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

So erlaubt eine adaptive Bestimmung der Zeitkonstanten, daß auch bei ungleichen Drehzahlen die Ansteuerung des Motors opti­ mal ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 das Flußdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 Ausgangssignale eines Sensors zur Erfassung der Dreh­ zahl und/oder Position des Motors,

Fig. 4 ein Ansteuersignal mit einer ersten Kurvenform, Fig. 5 resultierende Spannungen bei einer Ansteuerung gemäß Fig. 4,

Fig. 6 ein Ansteuersignal mit einer bevorzugten zweiten Kurvenform.

Bevor auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels näher einge­ gangen wird, sei darauf hingewiesen, daß die in den Figuren einzeln dargestellten Blöcke lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung dienen. Üblicherweise sind einzelne oder mehrere­ dieser Blöcke zu Einheiten zusammengefaßt. Diese können in integrierter oder Hypridtechnik oder als programmgesteuerter Mikrorechner, bzw. als Teil eines zu seiner Steuerung geeigne­ ten Programmes realisiert sein.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß die in den einzelnen Stufen enthaltene Vorrichtungen Elemente auch getrennt ausge­ führt werden können.

In Fig. 1 ist ein dreisträngiger Motor 10 dargestellt, dessen Stränge an Ausgängen von Verstärkerstufen 11a, 11b bzw. 11c angeschlossen sind. Die Eingänge dieser Verstärkerstufen sind mit einem elektronischen Steuergerät 12 verbunden, das Ansteuer­ signale für den Motor 10 abgibt. Das elektronische Steuergerät 12 erhält außerdem Signale von einem Sensor 13, der die Dreh­ zahl n und/oder die Position p des Motors 10 erfaßt.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun mit Hilfe des Flußdiagrammes der Fig. 2 erläutert, in dem ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah­ rens dargestellt wird.

Nach dem Start in Schritt 100 erhält der Motor 10 durch das elektronische Steuergerät 12 Ansteuersignale einer ersten Kur­ venform, die von den Verstärkerstufen 11a, ..., c verstärkt werden. Auf den Verlauf dieser Kurvenform wird in der weiteren Beschreibung noch eingegangen werden.

In Schritt 102 wird das Signal des Sensors 13 dahingehend ausge­ wertet, daß die Position p des Motors 10 bestimmt wird. Dieses kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß bei Verwendung von optischen Marken und eines lichtempfindlichen Elementes eine spezielle optische Marke verwendet wird, um eine Grundstellung des Motors anzuzeigen. Von dieser Grundstellung ausgehend kann die Position p durch die zur Bestimmung der Drehzahl bestimmten Signale erfolgen.

In Schritt 103 wird das Ausgangssignal des Sensors 13 dahinge­ hend ausgewertet, daß die Drehzahl n gemessen wird. Das kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender optischer Marken ausgewertet wird.

In Schritt 104 wird der Wert der gemessenen Drehzahl n mit dem Wert einer Mindestdrehzahl nm verglichen. Ist die gemessene Drehzahl n kleiner als die Mindestdrehzahl nm, so führt das erfindungsgemäße Verfahren zurück zu Schritt 101. Ergibt sich im Schritt 104 jedoch, daß die gemessene Drehzahl n größer oder gleich der Mindestdrehzahl nm ist, so fährt das erfindungsgemä­ ße Verfahren fort mit Schritt 105, indem eine Ansteuerung des Motors mit einem Signal einer zweiten Kurvenform erfolgt.

Nach Schritt 105 führt das Verfahren zurück zu Schritt 104, in dem erneut die Drehzahl n mit der Mindestdrehzahl nm verglichen wird.

In Fig. 3 ist symbolisch das Ausgangssignal des Sensors 13 in Abhängigkeit von der Position p des Motors 10 dargestellt. Bei der Grundstellung des Motors 10, d. h. p = 0°, sei eine beson­ dere Marke angebracht, die zu einem von den anderen Ausgangsim­ pulsen abweichenden Signal führt. Weiterhin sind die Marken auf einem Rotor oder einer Rotorscheibe derart angebracht, daß sich alle 15° der Motorposition ein entsprechendes Ausgangssignal des Sensors 13 ergibt.

In Abhängigkeit von diesen Ausgangssignalen des Sensors 13 kann das elektronische Steuergerät 12 bei gemessenen Drehzahlen n Signale mit einer ersten Kurvenform gemäß der Fig. 4 an die einzelnen Verstärkerstufen 11 für die Stränge des Motors 10 abgeben.

Der steile Übergang zwischen Amplitudenwerten -1, 0 und +1 des Ansteuersignals gemäß Fig. 4 führt zu einem Spannungsverlauf gemäß Fig. 5. Man erkennt deutlich, daß verschiedene Störspit­ zen a, b, c, d auftreten. Während in diesem Beispiel die Stör­ spitzen c, d übersprechspitzen durch Ansteuersignale anderer Motorstränge sind, können die durch den betreffenden Strang verursachten Störspitzen a, b andere Signale einer Vorrichtung, beispielsweise eines Videorekorders, beeinflussen, in die der Motor 10 und die dargestellten Mittel zu seiner Ansteuerung angeordnet sind.

Ein Ansteuerungssignal mit einer bevorzugten zweiten Kurven­ form, wie sie in Schritt 105 verwendet werden kann, ist in Fig. 6 dargestellt.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Signal der Fig. 6 bezüglich der Position des Motors 10 in Phase mit dem Signal der Fig. 4. Das heißt, daß Extremwerte bzw. Nulldurchgänge zu einer gleichen Position p, d. h. Winkelstellung eines Rotors des Motors 10, erfolgen.

Eine derartige zweite Kurvenform, die gegenüber der ersten Kurvenform einen abgerundeten Verlauf aufweist, kann durch analoge Stufen mit geeigneten RC-Gliedern oder aber digital durch einen geeigneten Zähler, der eine Oszillatorfrequenz zählt, erfolgen, dessen Frequenz größer ist als die maximale Geschwindigkeit der Abtastimpulse, jedoch langsamer als die möglichen Störspitzen.

Dadurch können beispielsweise Ansteuerungsignale erzielt wer­ den, die einen nahezu sinusförmigen Verlauf aufweisen.

Weitere Ausführungsbeispiele können außerdem mindestens eine der folgenden Varianten aufweisen.

• - die zweite Kurvenform kann unabhängig von der ersten Kur­ venform gebildet werden,
• - sowohl unterhalb als auch oberhalb der Mindestdrehzahl nm kann zwischen den Signalen des Sensors 13 interpoliert werden, wodurch entsprechende Ansteuersignale mit der ersten bzw. zweiten Kurvenform gebildet werden können,
• - sowohl unterhalb als auch oberhalb der Mindestdrehzahl nm können Zeitkonstanten, die zu Bestimmung der ersten und/oder zweiten Kurvenform dienen, adaptiv bestimmt wer­ den. Unter adaptiver Bestimmung ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, daß Werte von Ansteuersignalen aufgrund der Drehzahl n, ihrer Änderung, der Änderung ihrer Änderung und/oder anderer Betriebsgrößen für Zeiträume bestimmt werden können, die nach einer vorgegebenen Positionsände­ rung für die Ansteuerung des Motors 10 optimal sind,
• - bei einer Ansteuerung eines mehrsträngigen Motors, bei der zu bestimmten Zeiten einzelne der Stränge nicht bestromt werden, d. h. den Zustand 0 aufweisen, kann der Sensor zur Bestimmung der Drehzahl n und/oder der Position p des Motors 10 durch einen jeweils nicht bestromten Strang und ein Mittel zur Umschaltung zwischen den Strängen ersetzt werden. Das entsprechende Signal wird dann aus den zur Verfügung stehenden Induktionsspannungen gebildet,
• - statt eines Elektromotors mit Sternkonfiguration, wie in der Zeichnung dargestellt, können auch andere mehrsträn­ gige Elektromotoren, bei denen beispielsweise die einzel­ nen Stränge in Reihe geschaltet sind, angesteuert werden.

Damit wird insgesamt ein System vorgestellt, einschließlich eines Verfahrens und eines zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung, das eine störungs- und verlustarme Ansteuerung eines mehrsträngigen Gleichstrommotors erlaubt.

Das wird dadurch erreicht, daß unterhalb einer vorgegebenen Mindestdrehzahl zunächst eine Ansteuerung zugelassen wird, die einer ersten Kurvenform entspricht und daß oberhalb dieser Mindestdrehzahl auf ein Ansteuersignal einer zweiten Kurvenform umgeschaltet wird. Dabei ist die zweite Kurvenform gegenüber der ersten Kurvenform abgerundet, wodurch Störungen vermieden werden können und eine verlustleistungsarme Ansteuerung vor­ liegt.

Claims (12)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors, dem in Abhängigkeit von Signalen, die ein Maß für die Position (p) und/oder Drehzahl (n) des Motors sind, Ansteuersignale zugeführt werden, die einen vorgegebenen Verlauf aufwei­ sen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuersignale unterhalb einer vorbestimmten Mindestdreh­ zahl (nm) im wesentlichen eine erste Kurvenform und ober­ halb oder bei der Mindestdrehzahl (nm) im wesentlichen eine zweite Kurvenform aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Kurvenform bezüglich der Position (p) des Motors mit der ersten Kurvenform eine vorgegebene Phasendifferenz aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Phasendifferenz Null ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Kurvenform einen abgerundeten Verlauf aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Ansteuersi­ gnale mit der ersten Kurvenform und/oder die Werte der Ansteuersignale mit der zweiten Kurvenform für Zeiträume zwischen dem Auftreten der Signale, die ein Maß für die Position (p) und/oder Drehzahl (n) des Motors sind, inter­ poliert und/oder adaptiert werden.

6. Vorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors (10), mit einem Sensor (13), dessen Ausgangssignale ein Maß sind für die Position (p) und die Drehzahl (n) des Elektromotors (10), und ersten Mitteln (12), die aufgrund des Ausgangssi­ gnales des Sensors (13) Ansteuersignale mit einem vorgege­ benen Verlauf bestimmen und abgeben, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten Mittel (12)

• - Vergleichsmittel enthalten, die die Drehzahl (n) des Elektromotors (10) mit einer Mindestdrehzahl (nm) ver­ gleichen,
• - bei einer Drehzahl (n), deren Wert unterhalb dem der Mindestdrehzahl (nm) liegt, ein Ansteuersignal im we­ sentlichen einer ersten Kurvenform abgeben und
• - bei einer Drehzahl (n), deren Wert oberhalb dem der Min­ destdrehzahl (nm) liegt oder diesem entspricht, ein Ansteuersignal im wesentlichen einer zweiten Kurvenform abgeben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ersten Mittel (12) Ansteuersigna­ le mit der zweiten Kurvenform abgeben, die bezüglich der Position (p) des Elektromotors (10) mit der ersten Kurven­ form eine vorgebene Phasendifferenz aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel (12) zweite Mittel enthalten, die Ansteuersignale mit der zweiten Kurvenform aus Ansteuersignalen mit der ersten Kurvenform durch Abrundung erzeugen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel analoge Stufen mit geeigneten Kondensatoren und Widerständen und/oder digitale Stufen mit einem Oszillator und einem Zähler enthalten.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel (12) dritte Mittel enthalten, die die zweite Kurven­ form aus der ersten Kurvenform dadurch bilden, daß wenig­ stens ein Übergang von einem ersten von vorgegebenen Ampli­ tudenwerten (-1, 0, +1) zu einem zweiten der vorgegeben Amplitudenwerte (-1, 0, +1) durch Zwischenwerte interpo­ liert wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sensor (13), dessen Ausgangssignale ein Maß sind für die Position (p) und die Drehzahl (n), gebildet wird aus den Strängen des Elektromotors (10) und einer geeigneten Umschaltvor­ richtung, so daß Induktionsspannungen unbestromter Stränge ein Maß für die Drehzahl (n) und die Position (p) darstel­ len.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ausgangs­ signale des Sensors (13) phasengleich sind mit den Ansteu­ ersignalen.