DE4031398A1

DE4031398A1 - Verfahren und schaltung zur regelung der drehgeschwindigkeit eines gleichstrommotors

Info

Publication number: DE4031398A1
Application number: DE4031398A
Authority: DE
Inventors: Hans Grapenthin; Horst Haug
Original assignee: Digital Equipment International Ltd
Current assignee: Compaq Computer Holding Ltd
Priority date: 1990-10-04
Filing date: 1990-10-04
Publication date: 1992-04-09
Also published as: US5208518A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zur Regelung der Drehgeschwindigkeit eines Gleichstrommotors, insbesondere zur Verwendung als Antrieb von magnetischen oder optischen Datenträgern, wobei der Motor einen Rotor mit einer Vielzahl von Permanentmagnetpolen und einen Stator mit einer Vielzahl von Windungen aufweist, die zur Kommu tierung mittels einer Schalteinrichtung mit einem Motor strom beaufschlagt werden, wobei durch den Motorstrom ein das Drehmoment des Rotors verursachender Magnetfluß indu ziert wird.

Moderne Antriebe von magnetischen oder optischen Datenträ gern verwenden üblicherweise bürstenlose Gleichstrommotoren, um die den Datenträger tragende Spindel bzw. die Transport einrichtung für das Magnetband oder andere Datenträger anzu treiben.

Dabei verwenden die Plattenantriebe fliegende Schreib /Lese-Köpfe, die auf der Plattenoberfläche starten und landen. Dies bedeutet, daß die Köpfe und Platten bezüglich der Reibung kritische Phasen durchlaufen, in denen ein hohes Risiko bezüglich der Beschädigung oder Löschung der Datenträger oder gar Beschädigungen der Köpfe besteht. Es ist daher wünschenswert, daß die Start- und Landephasen möglichst kurz sein sollen. Dies bedingt jedoch wiederum ein hohes Startdrehmoment und eine gute Bremsfähigkeit des Antriebs.

Die Motorgröße und die Drehgeschwindigkeit können jedoch nicht beliebig erhöht werden. Für einen bürstenlosen Gleichstrommotor gilt allgemein

K_m = K_v²/R (1)

wobei K_m die durch Konstruktion, verfügbaren Motorraum und Magnetmaterial vorgegebene Motorkonstante, K_v die Gegen- EMK-Konstante (Gegenspannungskonstante) und R der ohmsche Motorwiderstand sind.

Das Ersatzschaltbild eines Motors besteht aus einem Wider stand, einer Induktivität und einem Generator, welcher in Abhängigkeit der Drehzahl die Gegenspannung erzeugt. Die Versorgungsspannung teilt sich wiederum auf in den Span nungsabfall an den Schalttransistoren, den Leitungen und am internen Motorwiderstand sowie auf die Gegenspannung. K_v ist gleichzeitig im metrischen System, unter Vernachlässigung der Lagerreibung, die Drehmomentenkonstante K_t, die angibt, wieviel Drehmoment der Motor pro Ampere abgibt. Die mögliche Gegenspannung dividiert durch die Drehzahl ist daher propor tional zum Drehmoment T.

T = K_v/ω (2)

oder

T = K_v · I_m (3)

mit I_m als Motorstrom.

Wird der ohmsche Widerstand R erhöht, also mehr Windungen auf den Stator gewickelt, so erhöht sich die induzierte Spannung und damit die Gegen-EMK-Konstante K_v. Die angelegte Motorspannung dividiert durch den Motorwiderstand ergibt den theoretisch maximal möglichen Anlaufstrom I_m.

Die Versorgungsspannung und die gewünschte Drehzahl ergeben den maximal möglichen Wert für das Drehmoment T und damit das maximal mögliche Motoranlaufdrehmoment T_s. Andererseits muß das Drehmoment T so gewählt werden, daß die Gegenspan nung bei Nenndrehzahl noch unter der Versorgungsspannung liegt. Damit ist aber auch der ohmsche Motorwiderstand festgelegt, so daß man bei der Motorauslegung einen Kompro miß zwischen hohem Motoranlaufdrehmoment T_s und Gegenspan nung machen muß.

Bei den bekannten bürstenlosen Gleichstrommotoren wird eine feste Versorgungsspannung verwendet und der Motorstrom wird durch eine Geschwindigkeitsregelungsschleife entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen eingestellt.

Dabei wird die Stromregelung entweder durch Pulsbreitenmo dulation und/oder Längsregelung bewirkt. Bei der Pulsbrei tenmodulation wird die volle Versorgungsspannung nur teil weise, d. h. pulsweise auf den Motor geschaltet, und bei der Längsregelung wird die nicht benötigte Leistung durch den Spannungsabfall an einem Längswiderstand in Verlustwärme umgewandelt.

In der Anlaufphase des Motors ist noch keine Gegenspannung vorhanden, da die Drehzahl Null ist. Hierzu muß der Anlauf strom begrenzt werden, wodurch das Anlaufdrehmoment auf relativ niedrige Werte vermindert wird.

Die Motorspulen, üblicherweise 3 bis 6, sind üblicherweise fest mit der Stromregelungsschaltung verbunden und sind in Dreiecks- und/oder Sternform miteinander verbunden. Die Sternanordnung wird für unipolare Regelungen verwendet, bei der alle Ströme zu einer gemeinsamen Erde fließen, während die Dreiecksanordnung oder Sternanordnung mit je zwei Spulen in Reihe, für bipolare Regelungen verwendet wird, bei der der Strom in jeder Spule in beide Richtungen fließt.

Bei den bekannten Stromregelungschaltungen besteht eine Möglichkeit, ein höheres Anlaufdrehmoment bei vorgegebener Drehzahl und Versorgungspannung zu erhalten, darin, daß vom bipolaren auf unipolaren Betrieb umgeschaltet wird. Beim Anlaufen des Motors werden im bipolaren Betrieb z. B. zwei Spulen in Reihe geschaltet, um ein hohes Anlaufdrehmoment zu erzielen. Nach Erreichen einer bestimmten Geschwindigkeit wird dann auf unipolaren Betrieb umgeschaltet. Dies hat dann eine niedrigere Gegenspannung bei einer bestimmten Drehzahl zur Folge.

Zur Energieversorgung von Plattenantrieben dient üblicher weise eine feste, durch Industriestandards vorgegebene Versorgungsspannung von 12 V, durch die die an den Gleich strommotor abgebbare Leistung stark begrenzt wird. Wenn zum Beispiel der Motorwiderstand 1Ω ist und der Motorstrom maximal 4 A sein kann, so berechnet sich die maximal an den Motor abgebbare Leistung mit

P = U · I = I²/R = 16 Watt (4)

Zur Erreichung des maximal möglichen Anlaufdrehmoments müßte daher der Motorstrom erhöht werden, was zu einer Überdimen sionierung des Netzgeräts und der Schaltung führt und zusätz liche Kosten zur Folge hat.

Zur Kommutierung des Motors wird üblicherweise eine aus einer Reihe von Schaltern, vorzugsweise Brückentransisto ren, bestehende Motorbrücke verwendet, die passend zu den Kommutierungsphasen des Motors geschaltet wird. Wird die Induktivität der Spule des Stators mit Spannung pulsartig beaufschlagt, so entstehen Stromüberschwingungen beim Ein schalten sowie starke Überspannungsspitzen beim Abschalten. Dies wird bei herkömmlichen Schaltungen durch einen ver langsamten Spannungsanstieg bzw. -abfall, d. h. durch soge nanntes weiches Schalten minimiert. Der Nachteil des weichen Schaltens ist eine erhöhte Verlustleistung in den Brücken transistoren. Sollen die Transistoren hart geschaltet werden, so werden üblicherweise sogenannte Snubber-Netzwerke, vor zugsweise RC-Glieder verwendet, die die Spannungsspitzen in Verlustleistung umwandeln. Dieses Stromüberschwingen beim Einschalten einer Induktivität ist eine der Quellen für das Motorgeräusch.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, das Verfahren und die Schaltung zur Regelung der Drehgeschwin digkeit eines Gleichstrommotors so zu verbessern, daß die Regelung in einer bestimmten Betriebsphase optimiert wird.

Dies wird dadurch gelöst, daß zur Regelung der Drehge schwindigkeit des Motors die am Motor anliegende Motor spannung in einer bestimmten Betriebsphase des Motors ange hoben oder abgesenkt wird.

Vorzugsweise soll die Anlauf- und Abbremsphase optimiert werden, was dadurch geschieht, daß die Motorspannung in dieser Phase auf einen Wert über den der Versorgungsspan nung erhöht wird. Dadurch kann der Motorwiderstand, bei spielsweise durch Aufbringung weiterer Windungen erhöht werden, so daß auch das Anlaufdrehmoment erhöht wird.

Außerdem soll die Kommutierungsphase optimiert werden, was dadurch bewirkt wird, daß die Motorspannung im Bereich der Kommutierungsphase abgesenkt wird.

Damit ist es möglich, die Motorbrücke im stromlosen Zustand zu schalten, was die Verwendung billiger Motorbrücken er möglicht.

Weitere vorteilhafte Merkmale des erfindungsgemäßen Verfah rens bzw. der erfindungsgemäßen Schaltung sind in den wei teren Unteransprüchen und insbesondere in den Ansprüchen 9 bis 17 dargestellt.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ein hohes Anlauf- bzw. Startdrehmoment erreicht werden kann. Damit können die Schreib-/Leseköpfe schneller abheben. Die Gefahr für Beschädigungen, Abnutzung, Teilchenbildung und Löschung wird vermindert und die Lebenszeit der Bauteile um ein Mehrfaches erhöht.

Insgesamt kann mit der Erfindung der Wirkungsgrad der Ge schwindigkeitsregelung erhöht werden. Es sind keine zu sätzlichen Schaltelemente wie beim Stand der Technik er forderlich. Es treten keine Leistungsverluste wie bei der Längsregelung auf. Es ist möglich, die Geschwindigkeits regelung bei einem Motor mit und ohne Sensoren durchzu führen, und die Bauteile der erfindungsgemäßen Schaltung sind so beschaffen, daß sie alle auf einem einzigen Chip mit hohem Integrationsgrad untergebracht werden können.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeich nungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Regelung der Geschwindigkeit eines Gleichstrommotors;

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung der Schaltung des Boost-Converters;

Fig. 3a ein Kurvenschaubild zur Erläuterung des Verlaufs der Motorspannung und des Motorstroms bei der erfindungsgemäßen Schaltung;

Fig. 3b ein Kurvenschaubild zur Erläuterung des Verlaufs des Motorstroms beim Stand der Technik und

Fig. 4 ein Kurvenschaubild zur Erläuterung des Motor hochlaufs des Anmeldungsgegenstandes im Vergleich zum Stand der Technik.

Wie aus dem Blockschaltbild in Fig. 1 zu ersehen ist, liegt am Eingang eines Boost-Converters, DC Boosters oder Hoch setzstellers 1, der einen Gleichspannungswandler darstellt, eine Versorgungsspannung U_in an, die einen Eingangsstrom I_in liefert. Am Ausgang des Boost-Converters 1 wird ein Aus gangsstrom I_out abgegeben, und es liegt eine Ausgangsspan nung U_out an, die einer Motorbrücke 2 zugeführt wird. Die Motorbrücke 2 dient, wie noch näher ausgeführt wird, der Kommutierung des einem Motor 3 zugeführten Motorstroms.

Der Motor kann als Antrieb für die Spindel eines optischen oder magnetischen Datenträgers, insbesondere einer Fest platte dienen, aber auch als Antrieb für den Spiegel eines Laserdruckers, für ein Magnetband oder dergleichen.

Am Motor 3 werden in üblicher Weise Positionssignale abge nommen, die einer Kommutierungslogik 4 und einer adaptiven Motorspannungsgenerierung 5 zugeführt werden.

Mit der Kommutierungslogik 4 wird in bekannter Weise die Motorbrücke entsprechend den der Kommutierungslogik 4 vom Motor 3 zugeführten Positionssignalen gesteuert. Außerdem gibt die Kommutierungslogik 4 an eine Geschwindigkeitsrege lung 6 ein getaktetes Signal ab, das von der Motorgeschwin digkeit abhängig ist.

Der Ausgang der Geschwindigkeitsregelung 6 ist mit dem Pluseingang einer Subtraktionsschaltung 7 und der Ausgang der adaptiven Motorspannungsgenerierung 5 mit dem Minusein gang der Subtraktionsschaltung 7 verbunden, so daß das Aus gangssignal der adaptiven Motorspannungsgenerierung 5 vom Ausgangssignal der Geschwindigkeitsregelung 6 abgezogen wird. Das Ergebnis der Subtraktionsschaltung 7 wird einem Pulsbreitenmodulator 8 zugeführt, der den Boost-Converter 1 steuert.

Dem Pulsbreitenmodulator 8 wird zur Überspannungsbegrenzung auch die Ausgangsspannung U_out des Boost-Converters 1 zuge führt.

Der Boost-Converter 1 wird nun anhand von Fig. 2 näher be schrieben. Die feste Versorgungsspannung U_in, die zum Bei spiel nach Industriestandards gleich 12 V ist, liegt an den Eingängen des Boost-Converters 1 an.

Der Boost-Converter 1 weist insbesondere eine Drosselspule 11, eine Diode 12, ein Schaltelement 13, das in der darge stellten Ausführungsform als Transistor realisiert ist, sowie parallel zum Schaltelement 13 einen Kondensator 14 auf. Drosselspule 11 und Diode 12 sind in Reihe geschaltet und das Schaltelement 13 ist zwischen dem Verbindungspunkt von Drosselspule 11 und Diode 12 einerseits und Erde ande rerseits geschaltet.

Der Eingang des Schaltelements 13 wird vom Ausgangssignal des Pulsbreitenmodulators 8 beaufschlagt. Dem Pulsbreiten modulator 9 wird außerdem - zur Messung des durch einen Meßwiderstand R_M fließenden Stroms I_in - der Spannungsab fall am Meßwiderstand R_M zugeführt.

Der Boost-Converter 1 arbeitet wie folgt. Solange das Schaltelement 13 offen ist, wird die Eingangsspannung U_in an den Ausgang übertragen. Wenn das Schaltelement 13 schließt, lädt sich die Drosselspule 11 auf. Wenn nun das Schaltelement 13 wieder geöffnet wird bzw. der Transistor sperrt, wird die Drosselenergie an den Kondensator 14 ab gegeben, so daß die vom Kondensator 14 abgenommene Aus gangsspannung U_out erhöht wird.

Das Verhältnis U_out/U_in hängt vom Taktverhältnis des Schalt elements, d. h. dem Verhältnis zwischen Einschalt- und Ge samtzeit (Einschalt- plus Ausschaltzeit) ab.

Mit dem Boost-Converter 1 kann damit eine Eingangsspannung U_in von zum Beispiel 12 V auf eine Ausgangsspannung U_out von zum Beispiel 12 bis 30 V transferiert bzw. angehoben werden. Vorzugsweise wird die Ausgangsspannung U_out auf 24 V begrenzt, was einem Taktverhältnis der Einschalt- zur Gesamtzeit von 1/2 entspricht. Dabei wird die Ausgangsspan nung U_out dem Pulsbreitenmodulator 8 zugeführt, der wiederum das Schaltelement 13 steuert.

Der Boost-Converter 1 arbeitet mit einer Taktfrequenz von zum Beispiel 100 kHz und liefert an seinen Ausgang Gleich spannungsimpulse, deren Breite durch den Pulsbreitenmodula tor 8 geregelt wird.

Anstelle eines Boost-Converters kann auch ein getaktetes Netzteil verwendet werden. In diesem Fall verändert ein im getakteten Netzteil befindlicher Schaltregler die Puls breite der Spannung.

Der Boost-Converter ersetzt die herkömmliche Stromrege lungsschaltung und dient als Treiber in einer Regel schleife. Der Boost-Converter ist so angelegt, daß er die Ausgangsspannung von zum Beispiel 12 V auf 30 V, vorzugs weise 24 V erhöhen kann, so daß übliche, bis 24 V ausgeleg te Elektrolytkondensatoren verwendet werden können.

Gegenüber der herkömmlichen Stromregelungsschaltung hat die Verwendung des Boost-Converters den Vorteil, daß die Lei stungsverluste geringer sind. Ebenso werden die Bauteilko sten und der Platzbedarf wesentlich verringert gegenüber der Bipolar-Unipolar-Spulenumschaltung, da diese einen zu sätzlichen Schalter erforderlich macht.

Die Ausgangsspannung U_out des Boost-Converters 1 wird auf die Motorbrücke 2 gegeben, die in bekannter Weise aus Bipolar- oder FET-Transistoren besteht und die Windungen des Stators ansteuert, so daß die Kommutierung des Rotor stroms elektrisch vorgenommen wird.

Als Motoren kommen Motoren mit und ohne Bürsten und vorzugs weise bürstenlose Motoren in Betracht. Die Gleichstrommotoren können vorzugsweise vier oder acht Magnetpole aufweisen. Der Motor wird in bekannter Weise über drei Spulenanschlüsse angesteuert, wobei die Spulen im Dreieck oder Stern geschal tet sein können. Die Abnahme der Positionssignale vom Motor kann in bekannter Weise durch Hall-Sensoren oder andere Sen soren erfolgen, die abhängig vom Magnetfeld im Motor 3 die Positionssignale abgeben. Die Positionssignale können auch sensorlos, d. h. ohne Sensoren, beispielsweise dadurch be stimmt werden, daß die Gegen-EMK gemessen wird.

Die vom Motor 3 abgenommenen Positionssignale werden in bekannter Weise auf die Kommutierungslogik 4 gegeben, die die Positionssignale des Motors durch logische Verknüpfung verarbeitet und der Motorbrücke 2 so zuführt, daß die elektronische Kommutierung durch die Motorbrücke 2 posi tionsabhängig richtig erfolgt.

Die Kommutierungslogik 4 gibt in bekannter Weise ein getak tetes Signal an die Geschwindigkeitsregelung 6 ab, das abhängig von der Motorgeschwindigkeit ist. Die Geschwindig keitsregelung 6 vergleicht den eingegebenen Wert mit einem Sollwert und gibt ein die Differenz kennzeichnendes Analog signal an den Pulsbreitenmodulator 8 ab, durch das die Pulsbreite geregelt wird.

Im folgenden wird anhand von Fig. 3 die adaptive Motorspan nungsgenerierung 5 näher beschrieben. In diesem Funktions block wird abhängig von der Motorposition der Geschwindig keitsregelung 6 ein Signal überlagert. Die adaptive Motor spannungsgenerierung 5 erhält z. B. über Hall-Sensoren oder auch über die Kommutierungslogik 4 die Positionssignale und errechnet daraus, wann die nächste Kommutierung stattfin det. Dies kann zum Beispiel durch einen Zähler oder ein Schieberegister realisiert werden, in dem die laufenden Werte gespeichert werden. Wenn ein vorbestimmter Wert er reicht ist, der angibt, daß gleich die Kommutierung statt findet, gibt die adaptive Motorspannungsgenerierung 5 ein Ausgangssignal an die Subtraktionsschaltung 7 ab, das zur Folge hat, daß die an der Motorbrücke 2 anliegende Aus gangsspannung U_out des Boost-Converters 1, d. h. die in Fig. 3a oben dargestellte Motorspannung U_m im Bereich der Kommutierungsphase, vorzugsweise kurz vor, während und kurz nach der Kommutierungsphase bis auf den Pegel, vorzugsweise unter den Pegel der Gegen-EMK des Motors abgesenkt wird, so daß der ebenfalls in Fig. 3a dargestellte Motorstrom I_m gleich Null wird. Dies hat den Vorteil, daß die Motorbrücke stromlos schaltet und damit billigere Motorbrücken verwendet werden können.

Während der Kommutierungsphase wird das Steuersignal der Geschwindigkeitsregelung 6, das die Pulsbreite des Boost- Converters 1 einstellt, durch das Ausgangssignal der adap tiven Motorspannungsgenerierung 5 entsprechend reduziert. Dies hat jedoch sehr wenig Einfluß auf die Geschwindig keitsregelung, da das Motorträgheitsmoment sehr hoch ist.

Im nachfolgenden wird nun der Einschaltvorgang des Motors nach der Kommutierungsphase beschrieben. Da die Motorspan nung U_m während der Kommutierungsphase unter den Pegel der Gegen-EMK gesenkt wurde, erfolgt die Einschaltung im strom losen Zustand. Nach der Kommutierung wird die Motorspannung U_m langsam erhöht und der Motorstrom I_m steigt ebenfalls an, wie es aus Fig. 3a zu ersehen ist.

Da der Spannungsanstieg verlustlos eingestellt werden kann, wird durch starkes Abflachen des Anstieges vor dem Span nungsmaximum ein Überschwingen des Motorstroms I_m verhin dert. Dadurch können die Motorgeräusche um ca. 10% gegen über dem Stand der Technik reduziert werden.

In entsprechender Weise wird beim Ausschaltvorgang vor der nächsten Kommutierungsphase die Motorspannung wieder unter den Pegel der Gegen-EMK gesenkt, bevor die Motorbrücke die jeweilige Spule spannungslos schaltet. Dadurch wird eine Spannungserhöhung vermieden, welche durch das Schalten der Induktivitäten der Spule hervorgerufen wird.

Zum besseren Vergleich ist in Fig. 3b ein Kurvenschaubild zur Erläuterung des Verlaufs des Motorstroms beim Stand der Technik dargestellt. Wie bereits oben ausgeführt wurde, treten bei den bekannten Schaltungen beim Einschalten Strom überschwingungen (z. B. bei A des in Fig. 3b dargestellten Verlaufs des Motorstroms I_m) auf. Beim Abschalten versucht die Motorinduktivität den Stromfluß beizubehalten (vgl. bei B in Fig. 3b). Durch das schnelle Abschalten der Motorinduk tivität entsteht eine hohe Überspannungsspitze, die in Fig. 3b bei C dargestellt ist. Ein Teil der Überspannungsspitze wird z. B. durch RC-Glieder in Verlustwärme umgewandelt, wo bei die verbleibende Spannungsspitze die Motorbrücke bean sprucht und eine der Ursachen für das Motorgeräusch ist. Dabei wird die Motorspannung U_m bei der Kommutierung von der einen zur anderen Spule umgeschaltet.

Im folgenden wird nun anhand von Fig. 4 der Motorhochlauf, d. h. die Anlaufphase näher beschrieben. Wie bereits ein gangs ausgeführt wurde, kann mit der erfindungsgemäßen Schaltung die Motorspannung auf ein Mehrfaches der Versor gungsspannung angehoben werden. Damit kann aber auch die Drehmomentenkonstante K_t erhöht werden, die - unter Ver nachlässigung der Lagerreibung - gleich der Gegen-EMK- Konstanten K_v ist, da die Versorgungsspannung keine Begren zung der Gegen-EMK mehr darstellt, wie es beim Stand der Technik der Fall ist.

Wird nun der Motorwiderstand, für den die Gleichung

R_m = V_DC/I_max (5)

gilt, wenn die volle Netzgeräteleistung beim Motorhochlauf am Motor anliegen soll, so ergibt sich der Motorwiderstand R_m bei V_DC gleich 12 V und I_max = 4 A zu R_m = 3 Ohm. Der Motor kann daher mit einer höheren Anzahl von Windungen versehen werden.

Aus Gleichung (1) und (2) ergibt sich damit, daß das Anlaufdrehmoment √ ≈ 1,7mal höher als beim Stand der Technik, bei dem der Motorwiderstand 1 Ohm ist, da die Motor konstante K_m gleich ist.

In Fig. 4 ist auf der Ordinate die Motorenergie in Watt und auf der Abszisse die Zeit aufgetragen. Dabei ist der Verlauf der Motorenergie beim Anmeldungsgegenstand mit P_m und beim Stand der Technik mit P′_m gekennzeichnet. Beim Anmeldungs gegenstand ist beim Motorhochlauf keine Strombegrenzung nötig, da beim Einschalten der Motorwiderstand den Motorstrom begrenzt. Zu diesem Zeitpunkt taktet der Boost-Converter oder Hochsetzsteller nicht. Der Strom ist geringfügig über der Eingriffsgrenze des Pulsbreitenmodulators, so daß die Strom begrenzung die Ausgangspulse zum Boost-Converter sperrt. Der Motor beginnt zu drehen, und es entsteht eine Gegenspannung.

Nun beginnt der Boost-Converter zu arbeiten und erhöht die Motorspannung so, daß die maximal zur Verfügung stehende Leistung P_max - im oben genannten Beispiel beträgt sie bei 12 V Versorgungsspannung und 4 A maximalem Strom 48 Watt - des Netzgerätes nicht überschritten wird. Damit steht in der Hochlaufphase, d. h. in dem mit A gekennzeichneten Teil der Kurve P_m, die Netzgeräteleistung minus der Verlustlei stung von Boost-Converter und Motorbrücke zur Beschleuni gung zur Verfügung, so daß der Hochlauf in etwa einem Drit tel der Zeit erfolgt im Vergleich zur bekannten Schaltung.

In dieser Phase wird die Strombegrenzung der Pulsbreiten steuerung aktiv, die dadurch erfolgt, daß der durch den Meßwiderstand R_M fließende Strom vom Pulsbreitenmodulator 8 gemessen und der Pulsbreitenmodulator 8 bei Überschreiten eines vorbestimmten Wertes, z. B. 4 A, ein entsprechendes Signal an das Schaltelement 13 abgibt.

Erreicht die Motorspannung einen Wert von 30 V, vorzugs weise 24 V, so wird die Überspannungsbegrenzung aktiv und begrenzt die Motorspannung. Dazu wird die Ausgangsspannung U_out des Boost-Converters dem Pulsbreitenmodulator 8 zuge führt, der bei Überschreiten eines bestimmten Wertes, z. B. 30 V bzw. 24 V, ein entsprechendes Signal an das Schaltele ment 13 abgibt. Diese Spannungbegrenzung ist zum Schutz der Bauelemente erforderlich. So können bei 24 V Spannungsbe grenzung beispielsweise einfache Elektrolytkondensatoren ver wendet werden. Der durch die Spannungsbegrenzung bestimmte Verlauf der Kurve P_m ist mit B gekennzeichnet.

Wird die Sollgeschwindigkeit des Motors erreicht, so fällt die Motorenergie im Teil C der Kurve P_m ab, und es beginnt in bekannter Weise die Geschwindigkeitsregelung (vgl. Teil D der Kurve P_m ), wobei die Ausgangsspannung U_out leicht über der Gegen-EMK variiert, um Reibungsverluste zu kompensieren und die Geschwindigkeit zu stabilisieren.

Beim Stand der Technik hat der Hochlauf der Motorenergie den in Fig. 4 mit P′_m bezeichneten Kurvenverlauf. Der Eingangs strom wird hierbei auf 4 A begrenzt, und die Gegenspannung steigt linear an, so daß die Motorenergie im Teil A′ linear ansteigt. Bei Erreichen der Sollgeschwindigkeit des Motors fällt die Motorenergie im Teil C′ der Kurve P′_m ab, und es beginnt in bekannter Weise die Geschwindigkeitsregelung (vgl. Teil D′ der Kurve P′_m).

Änderungen der beschriebenen Ausführungsform sind für den Fachmann ohne weiteres möglich und fallen in den Rahmen der Erfindung.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Drehgeschwindigkeit eines Gleichstrommotors, insbesondere zur Verwendung als Antrieb von magnetischen oder optischen Datenträgern, wobei der Motor einen Rotor mit einer Vielzahl von Permanentmagnet polen und einen Stator mit einer Vielzahl von Windungen aufweist, die zur Kommutierung mittels einer Schalteinrich tung mit einem Motorstrom beaufschlagt werden, wobei durch den Motorstrom ein das Drehmoment des Rotors verursachender Magnetfluß induziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Drehgeschwindigkeit des Motors die am Motor anliegende Motorspannung in einer bestimmten Be triebsphase des Motors angehoben oder abgesenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Motorspannung in der Anlauf- oder Abbremsphase auf einen Wert über den der Versorgungsspannung erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Motorspannung in der Anlauf- oder Abbremsphase auf einen Wert erhöht wird, der zwei- bis dreimal so hoch ist wie der der Versorgungs spannung.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem vorzugsweise die Versorgungsspannung 12 V ist und die Motor spannung in der Anlauf- oder Abbremsphase auf 24 V erhöht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Motorspannung im Bereich der Kommutierungsphase abgesenkt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4, bei dem die Motorspannung kurz vor der Kommutierungsphase abgesenkt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem die Motorspannung so abgesenkt wird, daß der Motorstrom annähernd Null wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die Motorspannung so abgesenkt wird, daß der Motorstrom gleich Null ist.

9. Schaltung zur Regelung der Drehgeschwindigkeit eines Gleichstrommotors (3), insbesondere zur Verwendung als Antrieb von magnetischen oder optischen Datenträgern, wobei der Motor (3) einen Rotor mit einer Vielzahl von Perma nentmagnetpolen und einen Stator mit einer Vielzahl von Windungen aufweist, die zur Kommutierung mittels einer Motorbrücke (2) mit einem Motorstrom beaufschlagbar sind, wobei durch den Motorstrom ein das Drehmoment des Rotors verursachender Magnetfluß induzierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine Einrichtung (1) zur Steuerung der am Motor anliegenden Motorspannung aufweist, durch die die Motorspannung in einer bestimmten Betriebsphase des Motors anhebbar oder absenkbar ist.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuerung der Motorspannung eine getaktete Spannungswandlereinrichtung (1) ist.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Regelschaltung aufweist:

- eine Einrichtung zur Erzeugung von Signalen, die die jeweilige Position des Motors (3) angeben;
- eine Einrichtung (4) zur logischen Verknüpfung der Posi tionssignale, die das Verknüpfungsergebnis so an die Motorbrücke (2) abgeben kann, daß die Kommutierung posi tionsabhängig richtig erfolgt;
- eine Geschwindigkeitsregelung (6), die in Abhängigkeit der Motorgeschwindigkeit ein Signal abgibt und
- einen Schaltregler (8), dem das Signal von der Geschwin digkeitsregelung (6) zugeführt und der das der Motor brücke (2) zugeführte Signal entsprechend verändert,

dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge der getakteten Spannungswandlereinrichtung (1) mit der Versorgungsspannung (U_in) und ihre Ausgänge mit der Motorbrücke (2) verbunden sind und die getaktete Spannungswandlereinrichtung (1) vom Ausgangssignal des Schaltreglers (8) so steuerbar ist, daß die an ihrem Ausgang anliegende Motorspannung gegenüber der am Eingang anliegenden Versorgungsspannung in einer bestimm ten Betriebsphase des Motors anhebbar oder absenkbar ist.

12. Schaltung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungswandlereinrichtung von einem Boost-Converter oder Hochsetzsteller (1) gebildet wird, und der Schaltregler ein Pulsbreitenmodulator (8) ist.

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der die Motorspannung in der Anlauf- oder Abbremsphase auf einen Wert über den der Versorgungsspannung anhebbar ist.

14. Schaltung nach Anspruch 13, bei der die Motorspan nung in der Anlauf- oder Abbremsphase auf einen Wert anheb bar ist, der zwei- bis dreimal so hoch ist wie der der Versorgungsspannung.

15. Schaltung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei der vorzugsweise die Versorgungsspannung 12 V ist und die Motorspannung in der Anlauf- oder Abbremsphase auf 24 V anhebbar ist.

16. Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung aufweist:
eine adaptive Motorspannungsgenerierung (5) und
eine Differenzschaltung (7), die zwischen Geschwindigkeits regelung (6) und Pulsbreitenmodulator (8) angeordnet ist,
wobei die vom Motor (3) abgenommenen Positionssignale der adaptiven Motorspannungsgenerierung (5) zuführbar sind, die am Beginn des Bereichs der Kommutierungsphase an die Diffe renzschaltung (7) ein Signal abgeben kann, durch die das Ausgangssignal und damit die Motorspannung so absenkbar ist, daß der Motorstrom während der Kommutierungsphase Null ist.

17. Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bauteile der Schaltung auf einem einzigen Chip anordenbar sind.

18. Verwendung der Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 17 zur Regelung der Drehgeschwindigkeit eines Gleich strommotors nach einem der Ansprüche 1 bis 8.