DE4219775A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Motorsteuerung durch Pulsmodulation - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff 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 Ansteuerstufe, die die Motor-Ansteuersi­ gnale für den Motor erzeugt, wird von einer Regelstufe ange­ steuert, die von einem Sensor, der beispielsweise als opti­ scher oder magnetischer Sensor ausgebildet ist, Signale er­ hält, die ein Maß sind für die Dreh-position und/oder Drehge­ schwindigkeit des Motors.

Es ist außerdem bekannt, Elektromotoren mittels pulsmodulier­ ter Verfahren, wie beispielseise durch Pulsweitenmodulation (PWM), anzusteuern. Die entsprechenden Chopper-Frequenzen werden dabei üblicherweise derart gewählt, daß sie außerhalb des hörbaren Bereiches liegen. Weiterhin ist zu beachten, daß das pulsmodulierte Signal durch die Kapazität der Motorsträn­ ge integriert wird. Üblicherweise werden aufgrund der genann­ ten Kriterien Chopper-Frequenzen im Bereich von 20 . . . 40 kHz gewählt.

Derartige Chopper-Frequenzwerte können durch Software-Verfah­ ren von heutigen Mikroprozessoren nicht realisiert werden. Das trifft insbesondere dann zu, wenn für eine Massenferti­ gung der Preis des Mikroprozessors vorgegebene Grenzen nicht überschreiten darf. Deshalb werden üblicherweise die digitalen Signale eines Mikroprozessors mittels eines Digi­ tal/Analog (D/A)-Wandlers zunächst in eine Gleichspannung umgesetzt. Aufgrund des Wertes dieser Gleichspannung wird in einer nachgeschalteten Stufe das Tastverhältnis eines PWM- Signales bestimmt.

Diese Art der Erzeugung eines Ansteuersignales für einen Elektromotor ist jedoch recht träge.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Motor-An­ steuerung der genannten Art derart weiterzuentwickeln, so daß die Ansteuerung eines Motors eine geringere Trägheit aufweist als bekannte Systeme. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und durch eine Vorrichtung gemäß dem ersten Sachanspruch.

Erfindungsgemäß wird ein Mikroprozessor zur Aufbereitung von Ansteuersignalen für einen Elektromotor verwendet, der in der Lage ist, ein pulsmoduliertes, beispielsweise PWM, Signal zu erzeugen und dieses Signal direkt dem Motor bzw. ihm vorge­ schalteten Verstärkermitteln zuzuführen. Die Erzeugung der pulsmodulierten Dignale kann dabei durch eine Stufe erfolgen, die mit dem Mikroprozessor integriert ist.

Die Erfindung hat zum einen den Vorteil, daß die Anzahl der Bauelemente verringert wird. Weiterhin kann die Erzeugung einer Referenzspannung entfallen, die einem D/A-Wandler und einer nachgeschalteten Analog/PWM-Stufe zugeführt werden müßte. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß durch Vermeidung von Gleichspannungen, wie der vom D/A- Wandler erzeugten Spannung und der Referenzspannung, die Empfindlichkeit des Systems bezüglich Störimpulsen verringert wird.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Umschaltvorrichtung vorzusehen, durch die das Steuersi­ gnal des Mikroprozessors, oder einer den Mikroprozessor ent­ haltenen Steuerstufe, wahlweise entweder durch eine Pulsmodu­ lationsstufe aufbereitet wird, oder direkt zu der Motor-An­ steuerstufe gelangt. Die Umschaltvorrichtung kann dabei ge­ steuert werden entweder durch das Steuersignal der Steuerstu­ fe selbst oder aber durch eine äußere Beschaltung beispiels­ weise im Rahmen eines Fertigungsprozesses.

Diese Weiterbildung hat den Vorteil, daß sowohl mit relativ langsamen Mikroprozessoren als auch mit schnellen Mikroprozes­ soren, d. h. solchen, die bereits ein pulsmoduliertes Signal zur Verfügung stellen können, eine pulsmodulierte Motor-An­ steuerung realisiert werden kann. Das heißt, es können ver­ schiedene Arten von Mikroprozessoren gewählt werden, bei­ spielsweise im Rahmen eines Fertigungsprozesses oder bei einem Reparaturfall, ohne die weiteren Stufen auszutauschen.

Weiterhin wird vorgeschlagen, eine Pulsmodulationstufe, im folgenden auch PWM-Stufe genannt, mittels eines Komparators zu realisieren, wobei an einen ersten Eingang des Komparators das Steuersignal der Steuerstufe anliegt un an einem zweiten Eingang das Signal eines Sägezahngenerators.

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

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit direkter oder indirekter An­ steuerung;

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführung einer PWM-Stufe.

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 symbolisch das Blockschaltbild eines ersten Aus­ führungsbeispiels mit einem Motor 10, der einen oder mehrere Stränge aufweisen kann. Die Position und/oder Drehzahl des Motors 10 wird von einem oder mehreren Sensoren 11 erfaßt, von denen nur einer dargestellt ist, und die beispielsweise als optische, elektrische, induktive, magnetoresistive, Hall- Sensoren oder dergleichen ausgebildet sein können. Das Signal des Sensors 11 wird einer Steuerstufe 12 zugeführt, die übli­ cherweise durch einen Mikroprozessor betrieben wird. Dieser ist in der Lage, pulsmodulierte Signale, wie pulsweitenmodu­ lierte (PWM), pulslängenmodulierte (PLM) Signale oder derglei­ chen, zu erzeugen.

Die Steuersignale S der Steuerstufe 12 werden dem Eingang einer Motor-Ansteuerstufe 13 zugeführt, die durch ihre Aus­ gangssignale den Motor bestromt.

Die Steuerstufe 12 gibt in diesem Ausführungsbeispiel ein PWM-Signal ab, das von der Motor-Ansteuerstufe 13 verstärkt wird. Dadurch kann der Motor 10 betrieben werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Steuerstufe 12 neben dem Mikroprozessor eine PWM-Stufe vorgesehen, die durch ein digitales Datenwort angesteuert werden kann und daraufhin ein entsprechendes PWM-Signal abgibt. Denkbar ist auch, daß der Mikroprozessor derart arbeitet, daß er aufgrund seiner Programmierung ein PWM-Signal abgibt entsprechend dem Wert des Signales des Sensors 11.

Eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Mittel mit gleichen Funktionen sind wie in Fig. 1 bezeichnet und auf sie soll nur insoweit eingegangen werden, wie es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist.

Der wesentliche Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 besteht darin, daß in Fig. 2 das Signal der Steuerstufe 12 wahlweise direkt, oder über zusätzliche Stufen zur PWM-Si­ gnal Erzeugung, der Motor-Ansteuerstufe 13 zugeführt wird.

Die Steuerstufe 12 gibt ihre Steuersignale S an einen D/A-Wand­ ler 14, einen ersten Schalteingang eines Umschalters 15 und an eine Schalter-Steuerstufe 16, aufgrund deren Ausgangssi­ gnal der Schalter 15 von einem ersten Schaltzustand in einen zweiten umschaltet.

Der D/A-Wandler 14 gibt sein Gleichspannungs-Ausgangssignal an eine Pulsmodulationsstufe 11, die dieses Signal durch Pulsmodulations-Verfahren, wie Pulsweitenmodulation (PWM), Pulslängenmodulation (PLM) oder dergleichen, in ein gechop­ ptes Signal umwandelt mit einer Chopper-Frequenz, deren Wert zum einen oberhalb des hörbaren Bereiches liegt und die zum anderen von den Wicklungen des Motors 10 integriert wird, um einen gleichmäßigen Lauf zu gewährleisten. Bei bevorzugten Ausführungen wurden Chopper-Frequenzen im Bereich von 20 . . . 40 kHz gewählt. Im folgenden wird die Stufe 17 auch als PWM-Stu­ fe bezeichnet.

Das Ausgangssignal der PWM-Stufe 17 wird einem zweiten Schalt­ eingang des Umschalters 15 zugeführt, dessen Ausgang zu dem Eingang der Motor-Ansteuerstufe 13 führt.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel funktioniert in der Weise, daß wenn eine Steuerstufe 12 verwendet wird, die ein pulsmoduliertes Signal abgibt, dieses von der Stufe 16 erkannt wird. Die Stufe 16 schaltet daraufhin den Schalter 15 derart an, daß der Ausgang der Steuerstufe 12 mit dem Eingang der Motor-Ansteuerstufe 13 verbunden ist.

Wird jedoch eine Steuerstufe 12 eingesetzt, die kein pulsmodu­ liertes Signal abgibt, sondern beispielsweise ein binäres Signal, so wird der Schalter 15 derart angesteuert, daß er die in Fig. 1 dargestellte Position einnimmt und den Ausgang der PWM-Stufe 17 mit dem Eingang der Stufe 13 verbindet.

Die Schalter-Ansteuerstufe kann bei Variationen dieses Ausfüh­ rungsbeispiels auch so ausgebildet sein, daß die Steuerung durch ein von außen zugeführtes Signal erfolgt, das beispiels­ weise elektrischer, magnetischer und/oder optischer Natur sein kann.

Fig. 3 zeigt eine besondere Ausführungsform der PWM-Stufe 17.

Die PWM-Stufe 17 weist einen Komparator 18 auf, an dessen positiven (nicht-invertierenden) Eingang das Ausgangssignal des D/A-Wandlers 14 anliegt, und an dessen invertierenden Eingang ein Sägezahngenerator 19 angeschlossen ist.

Werden die Werte der an den Eingängen des Komparators 18 anliegenden Signale derart aufeinander abgestimmt, daß die Amplitude eines Gleichspannungssignals von dem Wandler 14 innerhalb des Amplitudenbereichs des Sägezahnsignales liegt, so wird durch den Wert des Gleichspannungssignals an dem Ausgang des Komparators ein PWM-Signal erzeugt, dessen Takt­ verhältnis von dem Wert der Gleichspannung abhängt.

Verwiesen sei noch auf Anmeldungen derselben Anmelderin mit den internen Aktenzeichen ("Zeichen des Anmelders") D92/092, D92/094 und D92/107, die am 15. Mai 1992 beim Deutschen Pa­ tentamt eingereicht wurden. Die dort genannten Merkmale kön­ nen auch mit der vorliegenden Erfindung kombiniert werden.

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

• - bei Verwendung eines Hall-Sensors kann ein einziger Sensor verwendet werden, wenn dessen Ausgangssignale in geeigneter Weise zueinander potential und/oder phasenver­ schoben werden und durch Komparatoren aufbereitet werden;
• - die Chopper-Frequenz kann synchronisiert sein durch eine Motortaktfrequenz und beide Frequenzen können sogar in derselben Größenordnung liegen;
• - die Versorgungsspannung der Motor-Ansteuerstufe kann stabilisiert oder unstabilisiert sein;
• - die Erfindung kann für die Ansteuerung von einem oder mehreren Motoren, beispielsweise eines Viderekorders, dienen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Motorsteuerung oder -regelung mittels Pulsmodulation, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersi­ gnal (S) einer Steuerstufe direkt zu Motor-Ansteuermit­ teln geführt wird, die dieses Signal (S) im wesentlichen nur verstärken und durch das verstärkte Signal einen Motor bestromen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal (S) in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Steuerstufe direkt einer Motor-Ansteuerstufe zugeführt wird oder aber durch eine Pulsmodulationsstufe zunächst aufbereitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Pulsmodulation verwendete Chopperfrequenz synchronisiert ist durch eine Motortaktfrequenz und daß die Werte der beiden Frequenzen in derselben Größenord­ nung liegen.

4. Vorrichtung zur Motorsteuerung oder -regelung mittels Pulsmodulation, dadurch gekennzeichnet, daß eine direkte Verbindung besteht zwischen einer Steuerstufe (12), die aufgrund eines Steuersignales oder eines Sensorsignales ein Steuersignal (S) erzeugt, und Motor-Ansteuermitteln (13), die dieses Signal (S) im wesentlichen nur verstär­ ken und durch das verstärkte Signal einen Motor (10) bestromen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel (15) vorgesehen sind, die durch eine Schal­ ter-Ansteuerstufe (16) derart angesteuert werden, daß, falls das Steuersignal (S) als pulsmoduliertes Signal ausgebildet ist, dieses direkt der Motor-Ansteuerstufe (13) zugeführt wird, und in anderen Fällen das Ansteuer­ signal (S) durch eine Pulsmodulationsstufe (17) zunächst aufbereitet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die zur Pulsmodulation geeigneten Mittel (12 bzw. 17) ein Signal mit einer Chopperfrequenz erzeugen, die synchronisiert ist durch eine Motortaktfrequenz und deren Frequenzwert in derselben Größenordnung liegt, wie der Frequenzwert der Motortaktfrequenz.