DE4190249C2

DE4190249C2 - Einrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors

Info

Publication number: DE4190249C2
Application number: DE4190249A
Authority: DE
Inventors: Shiro Maeda
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-02-14
Filing date: 1991-02-12
Publication date: 1994-05-26
Anticipated expiration: 2011-02-13
Also published as: KR920702069A; JPH03239187A; JP2738109B2; WO1991012653A1; DE4190249T; KR940009210B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors von der Art, bei der die relative Posi tion eines Magnetrotors und einer Ankerwicklung von einer in der Ankerwicklung induzierten Spannung erfaßt und der bürstenlose Motor auf der Grundlage des Positionserfas sungssignals betrieben wird.

Stand der Technik

Gewöhnlich benötigt ein bürstenloser Motor einen De tektor zum Erfassen der Position von magnetischen Polen ei nes Rotors des Motors. Jedoch, zum Beispiel, in dem Falle, wo es schwierig ist, den Polpositionsdetektor zu verwenden, wird ein Verfahren angewandt, bei dem der Polpositionsde tektor weggelassen und ein Kommutierungssignal für den Mo tor auf der Grundlage eines in der Ankerwicklung induzier ten Spannungssignals erzeugt wird. Dieses Verfahren soll nun erläutert werden.

Fig. 1 ist ein Diagramm, das den Aufbau einer her kömmlichen Einrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen Mo tors zeigt. Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Gleichstrom quelle und Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Gruppe von Halb leiterschaltelementen, die durch sechs Transistoren U bis Z und sechs mit den Transistoren invers parallel geschalteten Dioden gebildet ist. Bezugszeichen 3 bezeichnet einen bür stenlosen Motor, der durch eine dreiphasig geschaltete An kerwicklung 4 und einen Magnetrotor 5 gebildet ist. Bezugs zeichen 6 bezeichnet eine Filterschaltung zur Schwingungs formverarbeitung eines in der Ankerwicklung 4 induzierten Spannungssignals, Bezugszeichen 7 eine Vergleichsschaltung zum Vergleichen von Ausgangssignalen der Filterschaltung 6 und Bezugszeichen 8 eine Steuerschaltung zum Durchführen einer EIN/AUS-Steuerung der Halbleiterschaltelementgruppe 2 entsprechend einem Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 7. Als Filterschaltung 6 kann eine Schaltung vorgesehen sein, in der eine Integrationsschaltung hinter eine Diffe rentiationsschaltung geschaltet ist, wie in Fig. 4 (A) ge zeigt oder eine Schaltung, in der eine Differentiations schaltung hinter eine Integrationsschaltung geschaltet ist, wie in Fig. 4 (B) gezeigt.

Der Betrieb der oben beschriebenen Anordnung soll nun unter Verwendung der Fig. 2 und 3 beschrieben werden.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen einem in der An kerwicklung 4 induzierten Spannungssignal, einem Ausgangs signal der Filterschaltung 6 und einem Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 7 für eine Phase oder die U-Phase. In der Figur ist ein durch Schwingungsformverarbeitung einer induzierten Spannung V_u für die U-Phase mittels einer Fil terschaltung 6U erhaltenes Ausgangssignal durch 60U darge stellt. Auch werden induzierte Spannungen V_v und V_w für die Phasen V und w durch die Filterschaltungen 6V und 6w schwingungsformverarbeitet, so daß sie zu 60V und 60W wer den. Eine aus 60V und 60W zusammengesetzte Schwingungsform ist durch 71U dargestellt. Die Vergleichsschaltung 7 ver gleicht die Signale 60U und 71U, um ein Vergleichsschal tungsausgangssignal 70U zu erhalten. Dieses Ausgangssignal dient als Positionserfassungssignal, das für die Position des Magnetrotors 5 repräsentativ ist.

Die oben beschriebene Schwingungsformverarbeitung wird auch für die Phasen V und W durchgeführt, wodurch Positi onserfassungssignale 70V bzw. 70W erhalten werden. Die Po sitionserfassungssignale 70V bzw. 70W. Die Positionserfas sungssignale 70U bis 70W sind Signale, die in ihrer Phase um 120° voneinander verschieden sind, wie in Fig. 3 ge zeigt. Diese Postionserfassungssignale werden in der Steu erschaltung 8 einer logischen Operation unterzogen, um Korn mutierungssignale 8U bis 8Z zu erzeugen. Die Transistoren in der Halbleiterschaltelementgruppe 2 werden durch diese Kommutierung geschaltet, wodurch sie bewirken, daß der bür stenlose Motor 3 kontinuierlich ein Drehmoment erzeugt. Der obige Betriebsmodus wird ein Positionserfassungsbetriebsmodus genannt. Andererseits wird während einer Zeit, wenn der bürstenlose Motor 3 angehalten ist, keine induzierte Span nung erzeugt. Nach dem Starten werden daher Kommutierungs signale 8U bis 8Z, wie in Fig. 3 gezeigt, extern mit einer niedrigen Frequenz angelegt, um den bürstenlosen Motor 3 mit einer niedrigen Drehzahl zwangsweise zu drehen. Auf grund dieser Drehung werden in der Ankerwicklung 4 indu zierte Spannungen erzeugt. Die induzierten Spannungen wer den durch die Filterschaltung 6 schwingungsformverarbeitet und dann in der Vergleichsschaltung 7 verglichen, um Posi tionserfassungssignale 70U bis 70W zu erhalten, wie in Fig. 3 gezeigt. Der obige Betriebsmodus wird synchroni sierter Betriebsmodus genannt. Zu dem Zeitpunkt, wenn sol che Positionserfassungssignale im synchronisierten Be triebsmodus sichergestellt sind, erfolgt ein Übergang in einen Positionserfassungsbetriebsmodus, in dem der bürsten lose Motor auf der Grundlage der Positionserfassungssignale betrieben wird.

Jedoch bringt die Konstruktion der in Fig. 4 gezeig ten Filterschaltung, die in Verbindung mit einem bürstenlosen Motor beispielsweise aus der JP-61-88785 bekannt ist, eine Zunahme an Größe und Kosten der Einrichtung mit sich, da für einen Kondensator 6c der Dif ferentiationsschaltung oder einen Kondensator 6e der Inte grationsschaltung eine hohe Spannungsfestigkeit in einer Höhe der Stromquellenspannung notwendig ist. Auch wird in vielen Fällen ein Elektrolytkondensator verwendet, weil er eine hohe Spannungsfestigkeit und eine angemessene elektro statische Kapazität besitzt und wegen der Verminderung der Größe. Weil jedoch ein Elektrolytkondensator schlechtere Hochfrequenzeigenschaften hat, wird die Stabilität eines Positionserfassungssignals für eine Änderung in der Last zerstört und daher ist der Motor anfällig gegen das Phäno men des aus dem Tritt geratens bei Änderungen der Last.

Weiterhin hat der Kondensator 6c in den beiden in den Fig. 4 (A) und 4 (B) gezeigten Schaltungskonstruktionen keinen Entladeweg. Daher hat der Kondensator eine Gleich stromkomponente, immer wenn der bürstenlose Motor angehal ten ist. Wenn der bürstenlose Motor in einem solchen Zu stand gestartet wird, hat das Ausgangssignal der Filter schaltung unmittelbar nach dem Start eines synchronisierten Betriebsmodus (zum Beispiel ein Ausgangssignal 60U für die U-Phase) auch eine Gleichstromkomponente, wie durch die ge strichelte Linie in Fig. 5 gezeigt. Daher besteht hier ein Problem dahingehend, daß wenn die Gleichstromkomponente beim Übergang in einen Positionserfassungsbetriebsmodus nicht gedämpft wird, die Gefahr des Auftretens eines Feh lers beim Übergang besteht.

In der JP-2-32790 A ist ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Motors beschrieben, bei dem auf die Verwen dung einer Filterschaltung zur Verarbeitung der induzierten Spannungen verzichtet wird. Die induzierten Spannungen werden bei diesem Verfahren in einer Nachweisschaltung digital abgetastet. Die an diese Nachweisschaltung angelegten induzierten Spannungen werden zuvor mit Hilfe eines Spannungsteiles abgesenkt.

In den in der JP-61-191290 A und der JP-1-209988 A beschriebenen Vorrichtungen zum Betreiben eines bürstenlosen Motors werden in den Ankerwicklungen des Motors induzierte Spannungssignale in Filterschaltungen verarbeitet, die zwei seriell direkt hinter den Ankerwicklungen angeschlossene und die Ankerwicklungen mit Erdpotential verbindende Widerstände sowie einen zwischen dem Verbindungspunkt dieser Widerstände und Erdpotential geschalteten Kondensator umfassen. Bei einem derartigen Aufbau liegt immer die gesamte zwischen dem Verbin dungspunkt und dem Erdpotential anliegende Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden des Kondensators an. Die Ver wendung einer derartigen Filterschaltung erfordert daher einen Kondensator mit einer hohen Spannungsfestigkeit.

Beschreibung der Erfindung

Demgegenüber wird mit der vorliegenden Erfindung geliefert eine Einrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors 3 mit einer mehrphasigen Ankerwicklung 4 mit jeweils einem Spannungsanschluß V_u, V_v, V_w und einem Magnetrotor 5, enthaltend eine Gleichstromquelle 1 mit einem mit Erdpotential verbundenen Pol, eine Gruppe von Halbleiterschaltelementen in Brückenschaltung 2 zum Durchlassen/Unterbrechen eines Stroms zu der Ankerwicklung 4, je eine Filterschaltung 6; 6U, 6V, 6W mit einer Integrationsschaltung zum Schwingungsformverarbeiten von in der Ankerwicklung 4 induzierten Spannungen, eine Vergleichsschaltung 7 zum Vergleichen von jeweils einem Aus gangssignal 60U, 60W, 60W einer Filterschaltung 6; 6U, 6V, 6W mit einer zusammengesetzten Schwingung aus den Ausgangssignalen 60U, 60W, 60W der jeweils anderen Filterschaltungen 6; 6U, 6V, 6W zur Erzeugung von Rotorpositionserfassungssignalen 70U, 70V, 70W und eine Steuerschaltung zum Ausführen einer Ein/Aus- Steuerung der Halbleiterschaltelemente entsprechend der Rotor positionserfassungssignale 70U, 70V, 70W, wobei jede Filter schaltung 6; 6U, 6V, 6W aufweist: eine Spannungsteilerschaltung aus zwei Widerständen 6a, 6b, die mit einem Anschluß an den Spannungsanschluß V_u, V_v, V_w und mit dem anderen Anschluß an Erdpotential ausgeschlossen ist und einen Kondensator 6c, der mit einem Anschluß mit dem Verbindungspunkt der zwei Wider stände 6a, 6b und mit dem anderen Anschluß mit dem Eingangsan schluß des Integrators 6d verbunden ist, wobei als Integrator 6d ein solcher ausgewählt ist, bei dem sein Eingangsanschluß eine ohmsche Verbindung zum Erdpotential aufweist.

Der Integrator kann dabei mit Hilfe eines Operationsverstärkers verwirklicht werden.

Der Kondensator in der Filterschaltung kann durch einen gebildet sein, der eine niedrige Spannungsfestigkeit aufweist, wodurch eine Verminderung der Größe und Kosten der Einrichtung möglich ist. Weiterhin erleichtert die Ver wendbarkeit einer niedrigen Spannungsfestigkeit die Verwen dung eines kleindimensionierten Kondensators mit besseren Hochfrequenzeigenschaften, wodurch die Stabilisierung eines Positionserfassungssignals für eine Änderung in der Last etc. und die Verlängerung der Lebensdauer der Schaltung realisiert wird. Auch ermöglicht das Vorsehen eines Entla deweges für den Kondensator einen glatten Übergang von ei nem synchronisierten Betriebsmodus in einen Positionserfas sungsbetriebsmodus, ohne daß nach dem Starten des bürsten losen Motors eine Gleichspannungskomponente in dem Konden sator erhalten bleibt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Diagramm, das den Aufbau einer her kömmlichen Einrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen Mo tors zeigt, Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Schwingungs formen jeweiliger Teile in einer Filterschaltung und einer Vergleichsschaltung der herkömmlichen Einrichtung zeigt, Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm der Positionserfassungssignale und Kommutierungssignale in der herkömmlichen Einrichtung, Fig. 4 sind Diagramme, die den Aufbau der Filterschaltung in der herkömmlichen Einrichtung zeigen, Fig. 5 ist ein Diagramm, das eine Ausgangsschwingungsform der Filterschal tung in der herkömmlichen Einrichtung zeigt, und Fig. 6 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Hauptteils einer Einrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Nun soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugsnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden.

Da der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen Ein richtung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors ähnlich dem bei der in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Einrichtung ist, soll auf dessen Erläuterung verzichtet werden.

Fig. 6 ist ein Diagramm, das den Aufbau einer Filter schaltung 6, einer Vergleichsschaltung 7 und einer Steuer schaltung 8 bei dem Ausführungsbeispiel zeigt. Die Filter schaltung 6 ist aus Filterschaltungen 6U, 6V und 6W zum Schwingungsformverarbeiten induzierter Spannungen für die Phasen U, V und W gebildet. Die Filterschaltung 6U ist aus Widerständen 6a und 6b, einem Kondensator 6c und einer In tegrationsschaltung 6d gebildet. Der Kondensator 6c ist hinter und in Serie mit einer Spannungsteilerschaltung ge schaltet, die aus den Widerständen 6a und 6b gebildet ist, und die Integrationsschaltung 6d ist hinter den Kondensator 6c geschaltet. Die Vergleichsschaltung 7 vergleicht jedes einzelne der Filterschaltungsausgangssignale 60U bis 60W für die drei Phasen mit einer zusammengesetzten Schwingung der beiden anderen Ausgangssignale, um Positionserfassungs signale 70U bis 70W zu erzeugen. Auf der Grundlage der Po sitionserfassungssignale 70U bis 70W erzeugt die Steuer schaltung 8 Kommutierungssignale 8U bis 8Z, wie in Fig. 4 gezeigt.

Mit dem obigen Aufbau wird, zum Beispiel, im Falle der U-Phase die induzierte Spannung V_u der Ankerwicklung durch die Widerstände 6a und 6b geteilt und eine Spannung über dem Widerstand 6b ist 6b/(6a+6b) × V_u. Durch geeignete Wahl dieses Teilerverhältnisses ist es möglich, die Spannung über dem Widerstand 6b auf einen niedrigen Wert zu drücken. Daher ist es möglich für die dem Widerstand 6b folgenden Schaltungen Niederspannungsschaltungen zu verwenden, und daher wird es möglich, Kondensatoren mit niedrigerer Span nungsfestigkeit als die in der Differentiationsschaltung und der Integrationschaltung verwendeten Kondensatoren 6c und 6e zu benutzen.

Weil auch eine in dem Kondensator 6c der Differentia tionsschaltung gespeicherte Gleichspannungskomponente über den Widerstand 6b entladen wird, ist nicht zu befürchten, daß eine Gleichspannungskomponente in dem Kondensator 6c verbleibt, wenn der bürstenlose Motor angehalten wird. Da her ist ein glatter Übergang von einem synchronisierten Be triebsmodus in einen Positionserfassungsbetriebsmodus nach dem nächsten Starten möglich.

Obwohl die obige Erläuterung für die U-Phase vorgenom men wurde, gilt das Gleiche für die Phasen V und W. Auch kann, obwohl bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Schaltung unter Verwendung eines Operationsverstärkers für die Integrationsschaltung benutzt wird, eine Schaltung mit einer Verzögerung erster Ordnung, die Widerstände und Kon densatoren enthält, verwendet werden.

Industrielle Anwendbarkeit

Wie oben beschriebene hat die Filterschaltung einen Aufbau, bei dem ein Kondensator hinter und in Serie mit einer aus einer Anzahl von Widerständen gebildeten Spann ungsteilerschaltung geschaltet ist und eine Integrations schaltung hinter den Kondensator geschaltet ist, wodurch der Kondensator in der Filterschaltung durch einen gebildet sein kann, der eine niedrige Spannungsfestigkeit aufweist, so daß eine Verminderung der Größe und Kosten der Ein richtung möglich ist.

Weiterhin erleichtert die Verwendbarkeit einer niedri gen Spannungsfestigkeit die Verwendung eines kleindimensio nierten Kondensators mit besseren Hochfrequenzeigenschaf ten, wodurch eine Stabilisierung eines Positionserfassungs signals für eine Änderung in der Last etc. und eine Verlän gerung der Lebensdauer der Schaltung realisiert wird.

Auch ermöglicht das Vorsehen eines Entladeweges für den Kondensator einen glatten Übergang von einem synchroni sierten Betriebsmodus in einen Positionserfassungsbetriebs modus, ohne daß nach der Inbetriebnahme des bürstenlosen Motors eine Gleichspannungskomponente in dem Kondensator erhalten bleibt.

Liste der Bezugszeichen in den Figuren

1 Gleichstromquelle
2 Gruppe von Halbleiterschaltelementen
3 bürstenloser Motor
4 Ankerwicklung
5 Magnetrotor
6 Filterschaltung
6a, 6b Widerstand
6c, 6e Kondensator
6d Integrationsschaltung
7 Vergleichsschaltung
8 Steuerschaltung.

Claims

1. Einrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors (3) mit einer mehrphasigen Ankerwicklung (4) mit jeweils einem Spannungsanschluß (V_u, V_v, V_w) und einem Magnetrotor (5), ent haltend eine Gleichstromquelle (1) mit einem mit Erdpotential verbundenen Pol, eine Gruppe von Halbleiterschaltelementen in Brückenschaltung (2) zum Durchlassen/Unterbrechen eines Stroms zu der Ankerwicklung (4), je eine Filterschaltung (6; 6U, 6V, 6W) mit einer Integrationsschaltung zum Schwingungsformverarbeiten von in der Ankerwicklung (4) induzierten Spannungen, eine Vergleichsschaltung (7) zum Vergleichen von jeweils einem Aus gangssignal (60U, 60W, 60W) einer Filterschaltung (6; 6U, 6V, 6W) mit einer zusammengesetzten Schwingung aus den Ausgangssigna len (60U, 60W, 60W) der jeweils anderen Filterschaltungen (6; 6U, 6V, 6W) zur Erzeugung von Rotorpositions-Erfassungssigna len (70U, 70V, 70W) und eine Steuerschaltung zum Ausführen einer Ein/Aus-Steuerung der Halbleiterschaltelemente entsprechend der Rotorpositionserfassungssignale (70U, 70V, 70W), wobei jede Filterschaltung (6; 6U, 6V, 6W) aufweist: eine Spannungs teilerschaltung aus zwei Widerständen (6a, 6b), die mit einem Anschluß an den Spannungsanschluß (V_u, V_v, V_w) und mit dem anderen Anschluß an Erdpotential ausgeschlossen ist und einen Kondensator (6c), der mit einem Anschluß mit dem Verbin dungspunkt der zwei Widerstände (6a, 6b) und mit dem anderen Anschluß mit dem Eingangsanschluß des Integrators (6d) verbun den ist, wobei als Integrator (6d) ein solcher ausgewählt ist, bei dem sein Eingangsanschluß eine ohmsche Verbindung zum Erdpotential aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, daß der Integrator (6d) ein Operationsverstärker ist.