DE4029409C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Motoransteuerung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur MotoransteuerungInfo
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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.
Aus Lehmann: "Technik bürstenloser Servoantrieb" in:
Elektronik, 1989 H. 21, Seite 96-101, ist ein Verfahren
zur Ansteuerung eines Elektromotors nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 5 bekannt. Aus der GB 13 33 626 ist ein
Synchronmotor mit einem Lagegeber und mit einem
elektronischen Steuergerät bekannt, das pulsbreitenvariierte
Rechtecksignale erzeugt, wobei die pulsbreitenmodulierten
Signale bei niedrigen Drehzahlen effektiv eine Sinusform
ergeben und bei hohen Drehzahlen einer Reckeckform
entsprechen.
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 im wesentlichen eine
Rechteckform aufweist, und oberhalb der Mindestdrehzahl wird der Motor
mit einem Ansteuersignal gespeist, das im wesentlichen eine Sinusform
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 Hybridtechnik 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.
Claims (10)
1. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors, dem in
Abhängigkeit von Signalen, die ein Maß für die Position
(p) des Motors sind, Ansteuersignale zugeführt werden,
die einen vorgegebenen Verlauf aufweisen, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ansteuersignale unterhalb einer
vorbestimmten Mindestdrehzahl (nm) im wesentlichen eine
Rechteckform und oberhalb oder bei der Mindestdrehzahl
(nm) im wesentlichen eine Sinusform aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Sinusform bezüglich der Position (p) des Motors bei Ansteuerung mit
der Rechteckform eine vorgegebene Phasendifferenz
aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Phasendifferenz Null ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Werte der Ansteuersignale mit
Sinusform für Zeiträume zwischen dem Auftreten der
Signale, die ein Maß für die Position (p) des Motors
sind, interpoliert werden.
5. Vorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors (10),
mit einem Sensor (13), dessen Ausgangssignale ein Maß
sind für die Position (p) des Elektromotors (10), und
einem elektronischem Steuergerät (12), das aufgrund des
Ausgangssignales des Sensors (13) Ansteuersignale mit
einem vorgegebenen Verlauf bestimmt und abgibt, dadurch
gekennzeichnet, daß
- 1. das elektronische Steuergerät (12) Vergleichsmittel enthält, die die Drehzahl (n) des Elektromotors (10) mit einer Mindestdrehzahl (nm) vergleichen,
- 2. das elektronische Steuergerät bei einer Drehzahl (n), deren Wert unterhalb dem der Mindestdrehzahl (nm) liegt, ein Ansteuersignal mit im wesentlichen einer Rechteckform abgibt und
- 3. das elektronische Steuergerät bei einer Drehzahl (n), deren Wert oberhalb dem der Mindestdrehzahl (nm) liegt oder diesem entspricht, ein Ansteuersignal mit im wesentlichen einer Sinusform abgibt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das elektronische Steuergerät (12) Ansteuersignale mit
der Sinusform abgibt, die bezüglich der Position (p) des
Elektromotors (10) bei Ansteuerung mit der Rechteckform eine vorgegebene
Phasendifferenz aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das elektronische Steuergerät(12)
zweite Mittel enthält, die Ansteuersignale mit der
Sinusform aus Ansteuersignalen mit der Rechteckform
durch Abrundung erzeugen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch
gekennzeichnet, daß das elektronische Steuergerät zur
Bildung der Sinusform analoge Stufen mit geeigneten
Kondensatoren und Widerständen und/oder digitale Stufen
mit einem Oszillator und einem Zähler enthält.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensor (13) für die
Positionssignale die Induktionsspannungen in den
unbestromten Motorwicklungen auswertet.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Sensors (13)
phasengleich sind mit den Ansteuersignalen.
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