DE4215830A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Motorregelung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß dem 0berbegriff des ersten Sachanspruchs.

Es ist bekannt, mehrsträngige Motoren derart anzusteuern, daß jeder Strang in vorgegebenen Zeiträumen, die abhängig sind von der Position des Motors, angesteuert, beispielsweise bestromt wird. Eine Motor-Ansteuerstufe, die die Motor-Ansteu­ ersignale für den Motor erzeugt, wird von einer Regelstufe angesteuert, die von einem Sensor, der beispielsweise als optischer oder magnetischer Sensor ausgebildet ist, Signale erhält, die ein Maß sind für die Drehposition und/oder Drehge­ schwindigkeit des Motors.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Motoran­ steuerung und -regelung der genannten Art derart weiterzuent­ wickeln, daß die erzeugte Verlustleistung verringert wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß dem ersten Sachanspruch.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird das Signal eines Sensors, der die Dreh­ zahl eines Elektromotors erfaßt, von einer Regelstufe ausge­ wertet und aufgrund eines Vergleiches von Soll- und Istwer­ ten, entsprechend der Drehzahl, wird ein Ansteuersignal für eine Motor-Ansteuerstufe erzeugt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß einzelnen Stufen zur Motoransteuerung, wie beispielsweise der genannten Motor-Ansteuerstufe, eine Versor­ gungsspannung zugeführt wird, die im wesentlichen ungeregelt ist, das heißt sich innerhalb eines weiten Spannungsbereiches befinden kann.

Dadurch kann die Anzahl von Bauelementen reduziert werden und die Erzeugung von Verlustleistung wird reduziert.

Wird mehr als ein Motor angesteuert, so wird der Vorteil der verminderten Verlustleistung noch deutlicher.

Erfolgt die Ansteuerung der Motoren durch einen getakteten Betrieb, wie durch ein Puls-Weiten-Signal, ein Puls-Längen-Si­ gnal oder dergleichen, so kann die Verlustleistung, die in der Motor-Ansteuerstufe erzeugt wird, weiter verringert wer­ den. In diesem Fall ist es möglich, die Motor-Ansteuerstufen von mehreren Motoren in einem einzigen Gehäuse, beispielswei­ se als integrierte Schaltung, als Hybrid-Schaltung oder der­ gleichen, zu integrieren.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden in den folgenden Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung;

Fig. 2 Diagramme von Steuersignalen des Ausführungsbei­ spiels nach Fig. 1;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung;

Fig. 4 prinzipielle Spannungsversorgung nach dem Stand der Technik und gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.

Bevor auf die Beschreibung der Ausführungsbeispiele näher eingegangen 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 bzw. als programmge­ steuerter Mikrorechner oder als Teil seines eines zu seiner Steuerung geeigneten Programmes realisiert sein.

Die in den einzelnen Stufen enthaltenen Elemente können je­ doch auch getrennt ausgeführt werden.

Fig. 1 zeigt einen mehrsträngigen Motor 10 dessen Stränge, von einer Motor-Ansteuerstufe 11 durch Ansteuersignale A1, A2, A3 betromt werden. Die Drehposition p und die Drehzahl n des Motors 10 werden durch einen Sensor 12 erfaßt, und das Sensorsignal S an eine Regelstufe 13 weitergeleitet. Bei Ausgestaltungen ist auch die Verwendung mehrerer Sensoren denkbar. Der Sensor 12 kann als optischer, elektrischer, induktiver, kapazitiver, Wärme- und/oder magnetischer (magnet­ oresistiver/Hall) Sensor, beispielsweise als sogenannter MRH gestaltet sein. In diesem Ausführungsbeispiel wird von einem optischen Sensor ausgegangen, der in Abhängigkeit von der Position p des Motors 10 nach jeweils 15 Grad ein kurzes Signal abgibt, wie in Fig. 2a dargestellt. Sensoren mit einer anderen Winkel-Auflösung sind ebenfalls denkbar.

Die Motor-Ansteuerstufe 11 und die Regelstufe 13 werden durch eine Spannungsversorgungs-Stufe 14 jeweils mit einer Versor­ gungsspannung V1 bzw. V2 versorgt.

Die Regelstufe 13 erzeugt aufgrund des Sensorsignales S (sie­ he Fig. 2a) ein Drehzahlsignal, dessen Wert ein Maß ist für die Drehzahl des Motors 10 und vergleicht dieses Drehzahlsi­ gnal mit einem Sollwert. In Abhängigkeit von dem Soll/Ist-Ver­ gleich wird ein Regelsignal R an die Motor-Ansteuerstufe geleitet, die daraufhin die Amplitude der Ansteuersignale A bestimmt und den Motor 10 entsprechend bestromt. Das Regelsi­ gnal R kann in bekannter Weise ausgebildet sein, wie bei­ spielsweise als PWM-Signal, als Gleichspannungssignal oder dergleichen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Versorgungsspannung im wesentlichen ungeregelt, d. h. die Spannung kann im Belastungs­ fall um mehrere Volt schwanken.

Fig. 2b zeigt beispielhaft das Ansteuersignal A1 in Abhängig­ keit von der Position p des Motors 10.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich im wesentlichen von demjenigen der Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß mehrere Motoren unterschiedlicher Art, wie beispielsweise für einen Videorecorder, angesteuert werden.

Ein erster Motor 10.a, der beispielsweise für das Laden einer Kassette mit Datenband vorgesehen ist und im folgenden als Lademotor bezeichnet wird, wird in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Ladesensor 12.a überwacht. Ein Trommel- oder Drummotor 10.b, der einen Videokopf in Rotation verstzt, wird durch einen Trommelsensor 12.b und ein Antriebs- (Capstan-) Motor 10.c, der den Transport des Bandes der Kassette be­ wirkt, wird durch einen Antriebssensor 12.c überwacht.

Als zu ladende Kassetten können beispielsweise solche angese­ hen werden, auf denen Audio- und/oder Videoinformationen gespeichert sind oder gepeichert werden sollen.

Die Sensorsignale S.a, S.b, S.c werden hier durch die Motor- Ansteuerstufe 11′ aufbereitet, beispielsweise verstärkt, digitalisiert oder dergleichen, und als aufbereitetes Sensor­ signal S′ an die Regelstufe 13′ geleitet, die derart ausgebil­ det ist, daß sie mehrere Sensorsignale verarbeiten kann und daraufhin Regelsignale R für die Motoren 10.a, 10.b, 10.c erzeugen kann. Es ist auch denkbar, daß die Sensorsignale S direkt der Regelstufe 13′ zugeführt werden. Die Motoren 10 werden durch Ansteuersignale A.a, A.b, bzw. A.c angesteuert, die in Abhängigkeit von der Anzahl der Stränge der Motoren 10 mehrere Einzel-Ansteuersignale aufweisen.

Es kann die Verlustleistung und damit auch die Verlustwärme in der Motor-Ansteuerstufe 11′ vermindert werden, wenn die Ansteuersignale als Choppersignale, wie Pulsweiten- (PWM-) Signale, Pulslängensignale oder dergleichen ausgebildet sind.

Je nach Gestaltung von Endtransistoren der Stufe 11′ ist beispielsweise ein Durchgangswiderstand in der Größenordnung von 0,1 . . . 2 Ohm möglich.

Der Durchgangswiderstand wird gewählt in Abhängigkeit von dem Strom zum Betrieb des Motors und der maximal zulässigen Ver­ lustspannung bzw. Verlustleistung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform entstand eine Verlustspannung von ca. 0,5 Volt, so daß der Wert der Versorgungsspannung V1 nur um die­ sen Betrag oberhalb der Ansteuerspannung der Motoren 10 zu liegen braucht.

Für ein gleichmäßiges Drehmoment sind die Chopperfrequenzen derart zu wählen, daß die Induktivitäten der Motor-Spulen integrierend wirken. Zusätzlich sollte beachtet werden, daß die Chopperfrequenzen oberhalb des hörbaren Bereiches liegen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform für Videorekorder liegt diese Frequenz im Bereich von 20 kHz bis 30 kHz.

Die Choppersignale können dergestalt sein, daß das Ansteuersi­ gnal A, wie es in Fig. 2b angedeutet ist, in den entsprechen­ den Zeiträumen (t1, t2, t7, . . . ) nicht konstant auf "high"-level (in Fig. 2b als "+1" dargestellt) verläuft, sondern während dieser Zeiträume mit einer gewünschten Chop­ per-Frequenz hochohmig ("0") oder gegen Masse ("-1) geschal­ tet wird.

Fig. 4 dient zur Erläuterung der Vorteile der erfindungsgemä­ ßen Lösung. Fig. 4a zeigt schematisch die Spannungsversorgung beispielhaft in einem Videorekorder gemäß dem Stand der Tech­ nik.

Ein Schaltnetzteil 14a, das Teil der Spannungsversorgungsstu­ fe 14 ist, enthält einen Transformator 24 und eine erste Spannungsregelungsstufe 25 und erzeugt eine nahezu stabili­ sierte Spannung Va, die als Va1 einer zweiten Spannungsstabi­ lisierungs-Stufe 14b zugeführt wird und als Va2 zur Versor­ gung von Verbrauchern mit nahezu konstanter Last, wie der Regelstufe 13, einem Videoteil, dem Tuner und weiterer Stufen eines Viderekorders dient. Die von der Stufe 14b geregelte Spannung ist die Versorgungsspannung V1, die der Motoransteu­ erstufe 11 zugeführt wird.

Es sei angenommen, daß der mit dem Signal A angesteuerte Motor 10, dessen Last nicht konstant ist, sondern beispiels­ weise abhängt davon, ob Anlaufphase oder Normalbetrieb vor­ liegt, eine Spannung von 12 Volt benötigt und daß an jeder der Stufen 25, 14b, 11 beispielsweise 2 Volt abfallen. Dann muß

A = 12 Volt, V1 = 14 Volt, Va = 16 Volt und Vo = 18 Volt

betragen. Somit beträgt die Spannungsdifferenz zwischen der Transformatorspannung Vo und dem Ansteuersignal A 6 Volt. Soll ein Motor angesteuert werden, der einen Strom I von 1 Ampere benötigt, so fallen insgesamt an Halbleiterbauelemen­ ten 6 Watt Verlustleistung ab. Diese führt nicht nur zu einer übermäßigen Erwärmung, sondern auch zu einer verkürzten Le­ bensdauer der Regelstufen 25, 14b und 11.

Demgegenüber zeigt Fig. 4b schematisch die Spannungsversor­ gung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Transformatorspan­ nung Vo wird direkt als Versorgungsspannung V1 der Motor-An­ steuerstufe 11 zugeführt. Lediglich die Spannung Va2 zur Versorgung der Verbraucher mit konstanter Last wird im Schalt­ netzteil 14a durch die Stufe 25 stabilisiert.

Wenn der Motor 10 wie bei dem oben genannten Beispiel 12 Volt benötigt und an der Stufe 11 eine Spannung von 2 Volt ab­ fällt, so sind

A = 12 Volt und V1 = 14 Volt.

Es fallen insgesamt nur 2 Volt bzw. 2 Watt (I = 1 Ampere) an Halbleiterstufen ab. Damit wird die Verlustwärme reduziert und die Lebensdauer der Bauelemente verlängert.

Als zusätzlicher Vorteil tritt noch auf, daß bei einer gerin­ geren Transformatorspannung Vo

• - der benötigte Transformator bei gleicher Trafowickel-Grö­ ße einen geringeren Ausgangswiderstand aufweist, wodurch der an dem Trafo abfallende Leistungsabfall reduziert werden kann, und/oder daß
• - der Trafo in seiner Größe reduziert werden kann.

Ist die Stufe derart ausgelegt, daß sie Chopper-Ansteuersigna­ le an den Motor 10 abgibt, so kann die Verlustleistung an der Stufe 11 weiter reduziert werden. Wie bereits oben erwähnt, können die Endstufen derart gestaltet werden, daß der Wert des Durchgangswiderstands im Bereich von unter 1 Ohm liegt. Damit liegt auch die abfallende Spannung (I = 1 Ampere) unter 1 Volt und die Verlustleistung unter 1 Watt.

Bei der Ansteuerung mehrerer Motoren ist der Strom I höher und die Differenz bei der Verlustleistung ist höher zwischen Chopper-Ansteuerung und amplitudengeregelter Ansteuerung.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Trommelsensor 12.b als optischer oder magnetischer Sensor und der Antriebs­ sensor als magnetischer Sensor, beispielsweise als Hallsensor oder MRH, ausgebildet.

Verwiesen sei noch auf eine Anmeldung derselben Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen ("Zeichen des Anmelders") D92/094, die heute auch beim Deutschen Patentamt eingereicht wird. Die dort genannten Merkmale können auch mit der vorlie­ genden Erfindung kombiniert werden.

Weitere Versionen der genannten Ausführungsbeispiele können zumindest einzelne der folgenden Variationen aufweisen:

• - Die Motor-Ansteuerstufe 11′ zur Ansteuerung mehrerer Motoren kann durch eine geregelte oder ungeregelte Ver­ sorgungsspannung versorgt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Regelung der Drehzahl und/oder Position von einem oder mehreren Elektromotoren, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Ansteuersignale (A), mit denen der Motor angesteuert wird, bestimmt werden durch Ansteuermittel, die mit einer im wesentlichen ungeregelten Spannung (V1) versorgt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor durch Signale angesteuert wird, die als getaktete Signale ausgebildet sind, wie beispielsweise pulsweitenmodulierte oder pulslängenmodulierte Signale.

3. Vorrichtung zur Regelung der Drehzahl und/oder Position von einem oder mehreren Elektromotoren (10), dadurch gekennzeichnet, daß eine Versorgungsspannung (V1) zur Versorgung der Vorrichtung im wesentlichen ungeregelt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Motoren (10) angesteuert werden, von denen

• - ein erster Motor (10.a) zum Laden einer Kassette mit Datenband,
• - ein zweiter Motor (10.b) zur Rotation eines Auf­ zeichnungs- und /oder Wiedergabekopfes und
• - ein dritter Motor (10.c) zum Transport des Datenban­ des der Kassette dienen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuersignale (A) der Motoren als getaktete Signale ausgebildet sind, wie beispielswei­ se pulsweitenmodulierte oder pulslängenmodulierte Signa­ le.

6. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5 in einem Videorekorder.