DE4227761A1

DE4227761A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Stromregelung bei Pulsbreiten-Motoransteuerung

Info

Publication number: DE4227761A1
Application number: DE4227761A
Authority: DE
Inventors: Guenter Gleim; Hermann Link
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1992-08-21
Filing date: 1992-08-21
Publication date: 1994-02-24

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des ersten Sachanspruchs.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Ansteuerung eines mehrsträngigen Motors mittels eines pulsbreiten-modulierten, auch pulsweiten-modulierten (PWM) genannt, Signals vorzuneh men. Verwiesen sei an dieser Stelle insbesondere auf die Anmeldungen P 42 15 812.5, P 42 15 827.3, P 42 15 830.3, P 42 19 775.9 derselben Anmelderin.

Eine PWM-Ansteuerung hat insbesondere den Vorteil, daß zur Ansteuerung nur Signale verarbeitet werden müssen, deren Spannungswerte logisch "0" (low) oder logisch "1" (high) betragen. Übliche PWM-Ansteuersysteme weisen jedoch einen Zweig zur Stromregelung bzw. Strombegrenzung auf, die analoge Signale mit unterschiedlichsten Spannungswerten verarbeiten. Diese Signale werden ermittelt beispielsweise durch den Span nungsabfall an sogenannten Shuntwiderständen, die zwischen Transistoren einer Endstufe und Masse angeordnet sind.

Dadurch wird jedoch ein Leistungsabfall verursacht, der neben einer verminderten Ansteuerleistung auch eine erhöhte Wärmeer zeugung bewirkt.

Weiterhin sind bei der bekannten Messung der Stromwerte ein Filter und zusätzliche Verstärker für das Stromsensor-Signal erforderlich.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Motoransteuerung mittels Pulsmodulation, wie Pulsweitenmodula tion, Pulslängenmodulation oder dergleichen, eine Stromrege lung zu ermöglichen, die mit digitalen Meßsignalen arbeitet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem Haupt anspruch und eine Vorrichtung gemäß dem ersten Sachanspruch.

Erfindungsgemäß werden Meßgrößen, wie die Betriebsspannung sowie die Umdrehungsgeschwindigkeit, die einer Steuerlogik für die Ansteuerung eines Motors sowieso schon bekannt sind, benutzt, um den Wert eines Stromes, der durch den Motor fließt, zu berechnen.

Konkreter ausgedrückt, wird der Wert Im des jeweiligen Stro mes, bzw. einer dazu proportionalen Größe, berechnet durch folgende Beziehung:

Im = (U/Rm) _* t/T. (1).

Dabei ist
U die am Motor anliegende Spannung, oder eine dazu propor tionale Größe, die sich zusammensetzt aus der zugeführ ten Spannung minus einer durch Induktion erzeugten Gegen spannung.
Rm der Innenwiderstand des Motors, oder eine dazu proportio nale Größe, und
t/T das Tastverhältnis eines dem Motor zugeführten getakte ten Ansteuersignals, oder eine dazu proportionale Größe.

Der auf diese Weise bestimmte Ist-Wert des Ansteuerstromes wird verglichen mit einem Soll-Wert, auf den geregelt wird.

Unter Regelung ist in diesem Zusammenhang sowohl die Einstel lung eines Ist-Wertes auf einen Sollwert, als auch die Begrenzung des Ist-Wertes auf einen maximalen Sollwert zu verstehen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß auf Stromsensor-Mittel, wie ein Shuntwiderstand, Filter- und Verstärkerstufen, und dergleichen, verzichtet werden kann.

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

Fig. 1 die Ansteuerung eines Kapstan-Antriebsmotors mit Strombegrenzung,

Fig. 2 die Ansteuerung eines Trommelmotors mit Strombegrenzung.

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 oder als programmge steuerter Mikrorechner, bzw. als Teil eines zu seiner Steue rung geeigneten Programmes realisiert sein.

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

Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß im folgenden die Ausführungsbeispiele nur insoweit beschrieben werden, wie es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Bezüglich der Einzelheiten der PWM-Ansteuerung sei auf die eingangs genannten Anmeldungen verwiesen. Die dort genannten Merkmale können mit den folgenden Ausführungsbeispielen kombiniert werden.

Fig. 1 zeigt einen Motor 10, der in diesem Ausführungsbei spiel ein Antriebs (Kapstan) Motor eines Videorekorders ist und von einer Endstufe 11 mittels des Ansteuersignales A angesteuert wird. Dieser wird das Signal von einem oder mehre ren Hallsensoren 12 zugeführt, die die Drehposition des Mo tors 10 messen. Die Endstufe 11 wird angesteuert mittels eines PWM-Signales PWM und eines Richtungssignales DIR von einer Steuerstufe 13. In Abhängigkeit von dem Richtungssignal Dir, das vorgegeben wird durch ein Signal Dirout, das einer Rich tungsstufe 9 zugeführt wird, schaltet die Endstufe 11 die Phase der Hallsensoren 12 um.

Der Steuerstufe 13 wird das Signal eines sogenannten MRH-Sen sors 14 zugeführt, der die Drehgeschwindigkeit des Motors 10 erfaßt. Das Signal des Sensors 14 wird durch einen Verstärker 15 verstärkt und digitalisiert und dieses derart aufbereitete Signal n wird sowohl einer Geschwindigkeits-Regelschaltung 16 als auch einer Strom-Regelschaltung 17 zugeführt. Die Ge schwindigkeits-Regelschaltung 16 regelt die Drehgeschwindig keit des Motors 10 in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus, wie Wiedergabe, Aufnahme, Standby, Suchen, usw.

Das Ausgangssignal R des Reglers 16, dessen Wert ein Maß ist für das Tastverhältnis t/T des getakteten Motor-Ansteuersi gnals A, wird dem Regler 17 zugeführt, der weiterhin über einen Analog/Digital-(A/D-)Wandler ein Signal Ud erhält, dessen Wert ein Maß ist für eine positive Versorgungsspannung U+, mit der der Motor 10 über die Endstufe 11 angesteuert wird. Der Strom-Regler 17 bestimmt aufgrund der ihm zugeführ ten Signale n, R, Ud den Wert Im des Stromes, bzw. eine dazu proportionale Größe, mit dem der Motor 10 angesteuert wird gemäß folgender Formel:

Im = ((U+ - (Un _* n)) _* t/T)/Rm. (2).

Dabei bedeutet
Un : den von der Art des Motors 10 abhängigen, konstan ten Wert, oder eine dazu proportionale Größe, einer durch Induktion pro Umdrehung erzeugten Gegenspan nung des Motors,
t/T: das Tastverhältnis des getakteten Motor-Ansteuersi gnales A, oder eine dazu proportionalen Größe, und
Rm: den Innenwiderstand des Motors 10, oder eine dazu proportionale Größe.

Der Regler 17 vergleicht den Strom-Istwert Im mit einem Strom-Grenzwert L, der über einen weiteren Eingang mittels eines entsprechenden Signales zugeführt wird.

Der Regler 17 gibt sein Ausgangssignal an eine Kompensations stufe 19, die die ihr zugeführten Steuersignale in Abhängig keit von dem Wert der Spannung U+ korrigiert und ihre Aus gangssignale an eine PWM-Stufe 19a abgibt. Diese erzeugt ein PWM-Ansteuersignal, mit dem die Endstufe 11 angesteuert wird.

Solange Im kleiner ist als L, wird der Wert des Ausgangssi gnals des Reglers 17 erhöht, wenn eine entsprechende Ansteue rung durch das Signal R des Drehzahlreglers 16 vorliegt, und das Tastverhältnis des Motor-Ansteuersignales A zu höheren Strömen hin verändert. Sobald der Strom-Istwert Im den Grenz wert L erreicht, wird der Ansteuerstrom begrenzt, d. h. das Tastverhältnis t/T wird nicht weiter erhöht.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Stufen mit der gleichen Funktion wie in Fig. 1 sind wie dort bezeichnet und auf sie soll nur insoweit eingegangen werden, wie es für das Verständnis erforderlich ist.

Der wesentliche Unterschied zu dem vorigen Ausführungsbei spiel ist, daß in Fig. 2 ein Trommel (Drum) Motor 10′ eines Videorekorders angesteuert wird. Das Signal n, dessen Wert ein Maß für die Drehzahl des Motors 10′ darstellt, wird gewon nen durch einen Phototransistor 20, der optische Marken auf einer mit dem Motor 10′ verbundenen Rotorscheibe detektiert. Dessen Ausgangssignal wird aufgeteilt durch einen Separator 21 in ein Drehzahlsignal FG und in ein Signal PU, das ein Maß ist für Referenzpositionen des Motors 10′ bzw. von einer mit ihm verbundenen und hier nicht dargestellten Kopftrommel.

Das Signal FG wird in an sich bekannter Weise durch eine Kompensationsstufe 21 derart korrigiert, daß Toleranzen bei den optischen Marken, die der Phototransistor 20 erfaßt, kompensiert werden. Dadurch entsteht das Signal n, welches von dem Regler 17 ausgewertet wird.

Das Signal Pu wird weiteren und an sich bekannten Stufen eines Videorekorders zugeführt, die hier symbolisch durch einen Block 23 angedeutet sind.

Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird aufgrund der Werte der Spannung U+, der Konstante Un, der Drehzahl n, des Tast verhältnisses t/T und des Widerstandes Rm ein Signal be stimmt, deren Wert ein Maß ist für den Ist-Stromwert Im. Dieses Signal wird verglichen mit dem Wert des Signales L.

Versionen der genannten Ausführungsbeispiele können zumindest eine der folgenden Variationen aufweisen:

- anstelle einer Begrenzung des Ist-Stromes auf einen Grenzwert kann auch eine Regelung des Stromes erfolgen;
- wenn eine Drehzahlregelung nicht erforderlich ist, kann auf die entsprechenden Stufen verzichtet werden. Ein Signal für das Tastverhältnis wird dann von der PWM-Stu fe geliefert;
- wenn eine konstante Spannung U+ verwendet wird, kann auf die entsprechenden Zuleitungen, einschließlich des A/D- Wandlers 18 verzichtet werden. Statt dessen ist ein ent sprechender konstanter Wert im Regler 17 gespeichert.

Somit wird eine Erfindung vorgestellt, die die Regelung und/oder Begrenzung eines Stromes mit dem ein Motor durch ein getaktetes Signal angesteuert wird, ermöglicht, ohne daß analoge Größen verarbeitet werden müssen. Der Istwert eines Ansteuerstroms wird erfindungsgemäß nicht gemessen, sondern aufgrund von Betriebsgrößen berechnet.

Bei der Ermittlung eines Ist-Stromwertes, bzw. einer dazu proportionalen Größe (Im) wird folgende Beziehung ausgenutzt:

Im = (U/Rm) _* t/T. (1).

Bei bevorzugten Ausführungsformen wird folgende Beziehung als Spezialfall zu obiger Gleichung benutzt:

Im = ((U+ - (Un _* n)) _* t/T)/Rm. (2).

Es versteht sich, daß zur Bestimmung des Wertes Im dieser explizit ausgerechnet werden kann gemäß der Gleichungen (1) bzw. (2). Es können auch Signale, die den in den Gleichungen (1), (2) genannten Betriebsgrößen entsprechen, das heißt, deren Werte Maße sind für die Werte der Betriebsgrößen, in entsprechenden Gleichungen verwertet werden. Denkbar ist beispielsweise, daß konstante Größen zusammengefaßt werden.

Claims

1. Verfahren zur Regelung und/oder Begrenzung eines Ansteu erstromes für einen Elektromotor, der durch pulsmodulier te Signale angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal, dessen Wert Im ein Maß ist für einen Ist- Wert mit dem der Motor bestromt wird, bestimmt wird auf grund folgender Beziehung: Im = (U/Rm) _* t/T,mit
U: entsprechend dem Wert der am Motor anliegenden Spannung, die sich zusammensetzt aus einer zugeführ ten Versorgungsspannung vermindert um eine durch Induktion erzeugte Gegenspannung;
Rm: entsprechend dem Wert des Innenwiderstandes des Motors;
t/T: entsprechend dem Wert des Tastverhältnisses des dem Motor zugeführten getakteten Ansteuersignals.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert U entsprechend der am Motor anliegenden Span nung bestimmt wird gemäß: U = U+ - (Un _* n),mit
U+: entsprechend dem Wert der zugeführten Versor gungsspannung,
Un: entsprechend dem Wert der induzierten Gegen spannung pro Umdrehung,
n: entsprechend der Anzahl der Motorumdrehungen pro Zeit.

3. Vorrichtung zur Regelung und/oder Begrenzung eines An steuerstromes für einen Elektromotor (10), der durch pulsmodulierte Signale (A) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß Regelmittel (17) vorgesehen sind, denen Signale (Ud, n, R) zugeführt werden, die ein Maß sind für Betriebsgrößen des Betriebes des Motors (10), und daß die Regelmittel (17) mittels der zugeführten Signale und/oder abgespeicherter Signale gemäß folgender Beziehung ein Signal erzeugen, dessen Wert Im ein Maß ist für einen Ist-Wert mit dem der Motor (10) bestromt wird: Im = (U/Rm) _* t/T,mit
U: entsprechend dem Wert der am Motor anliegenden Spannung, die sich zusammensetzt aus einer zugeführ ten Versorgungsspannung vermindert um eine durch Induktion erzeugte Gegenspannung;
Rm: entsprechend dem Wert des Innenwiderstandes des Motors;
t/T: entsprechend dem Wert des Tastverhältnisses des dem Motor zugeführten getakteten Ansteuersignals.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelmittel (17) ein Signal entsprechend dem Wert U der am Motor anliegenden Spannung bestimmen gemäß: U = U+ - (Un _* n),mit
U+: entsprechend dem Wert der zugeführten Versor gungsspannung,
Un: entsprechend dem Wert der induzierten Gegen spannung pro Umdrehung,
n: entsprechend der Anzahl der Motorumdrehungen pro Zeit.