DE4407850C2 - Vorrichtung zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, enthaltend:

• - einen permanentmagnetischen Rotor,
• - einen Stator mit q-Statorwicklungen,
• - jeweils einen ersten und einen zweiten jeder der q-Statorwicklungen zugeordneten, direkt vom Magnetfeld des Rotors beaufschlagten magnetischen Lagesensor zur Ermittlung der Rotorposition, wobei der erste Lagesensor um einen ersten Winkel α in einer ersten Umfangsrichtung des Rotors und der zweite Lagesensor um einen zweiten Winkel β in der entgegengesetzten zweiten Umfangsrichtung des Rotors bezüglich einer Referenzposition versetzt angeordnet ist, daß ein in ihr angeordneter magnetischer Lagesensor von demselben Magnetfluß des Rotors durchflutet wird wie die Statorwicklung, der der Lagesensor zugeordnet ist,
• - eine Verstärkungseinrichtung, der die von jeweils dem ersten und dem zweiten Lagesensor abgegebenen Signale zugeführt werden und welche Ausgangssignale an die jeweilige Statorwicklung abgibt.

Eine solche Vorrichtung ist aus dem Artikel von Krauer, O.: "Position Control With a Synchronous Motor" in US-Z "Control Engineering", May 1970, Seiten 66 bis 71 bekannt. Dort ist in ein Dreiphasensynchronmotor beschrieben, bei dem jeder der drei Statorwicklungen jeweils zwei Hallsensoren zugeordnet sind, deren addierte Ausgangssignale einer Verstärkungseinrichtung der zugeordneten Statorwicklung zugeführt werden. Die zwei zugeordneten Hallsensoren sind in einem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet. Durch Modulation der Hallströme der Hallsensoren mit jeweils einem Sinus- und einem Cosinussignal wird es möglich gemacht, das addierte Ausgangssignal der Hallsensoren in der Phase zu verschieben.

Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise auch aus der DE-Zeitschrift ATM, April 1968, Seiten 79 bis 82, bekannt. Dabei wird mit Hallgeneratoren, die im Bereich des magnetischen Feldes des Rotors angeordnet sind, die Rotorposition abgefragt. Die Ausgangsspannung der Hallgeneratoren ist proportional der Feldintensität. Aus praktischen Gründen können jedoch die Hallgeneratoren nicht direkt in dem Arbeitsluftspalt angeordnet werden, wo der gleiche magnetische Fluß herrscht wie in den Statorwicklungen. Üblicherweise werden die Hallgeneratoren außerhalb des Arbeitsluftspaltes angeordnet, wo das magnetische Feld noch groß genug ist, um verstärkt zu werden. Werden Dauermagnetplatten im Rotor verwendet, entstehen an Kanten der Dauermagnetplatten erhöhte Flußdichten, die das Signal der Hallsensoren verzerren, so daß nicht mehr ein sinusförmiges, sondern näherungsweise ein rechteckförmiges Signal abgegeben wird. Messungen haben gezeigt, daß ein solches rechteckförmiges Signal einen erheblichen Anteil der dritten Harmonischen aufweist. Wird ein solches Signal zur Ansteuerung einer Statorwicklung verstärkt, so ergibt sich ein Strom von
I = k · C · Φ · (cos Ω - a · cos 3Ω), wobei a das Verhältnis der dritten zur ersten Harmonischen ist. Damit erhält man ein Drehmoment von

Das Drehmoment M ist also nicht mehr konstant, sondern mit dem Faktor moduliert. Ist beispielsweise das Verhältnis a = 0,1, so beträgt die Spitze-Spitze- Modulation

Aufgrund des Einflusses der dritten Harmonischen schwankt das Drehmoment des Motors erheblich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach der eingangs genannten Art anzugeben, die den Einfluß der dritten Harmonischen auf das Drehmoment mindert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der erste Winkel α = π/(6 · p) und der zweite Winkel β = π/(6 · p) beträgt, wobei p die Polpaarzahl des Gleichstrommotors ist, oder daß bei einer Aufteilung der Statorwicklungen um den Umfang des Rotors herum der erste Winkel α = π/(6 · p) und der zweite Winkel β = π-π/ (6 · p) beträgt und bei Gleichstrommotoren mit ungeradem p das Signal des zweiten Lagesensors umgepolt wird oder daß bei einer Aufteilung der einzelnen Statorwicklungen um den Umfang des Rotors herum der erste Winkel α = -π/(6 · p) und der zweite Winkel β = π + π/(6 · p) beträgt und bei Gleichstrommotoren mit ungeradem p das Signal des zweiten Lagesensors umgepolt wird.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß die störende dritte Harmonische vollständig kompensiert werden kann. Der Motor dreht ohne Drehmomentschwankungen.

Aus der JP Kokai 1-194885 (A) ist zwar bereits bekannt, bei einem bürstenlosen Motor jeweils zwei Lagesensoren winkelversetzt am Umfang eines Rotors anzuordnen. Diese Anordnung dient jedoch nur zum Erkennen der Drehrichtung des Motors.

Darüber hinaus können nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weitere Fehler kompensiert werden, deren Ursache darin begründet ist, daß ungleiche Feldstärken der einzelnen Magnetpole des Rotors auf die Hallgeneratoren einwirken. Unter der Voraussetzung, daß die einzelnen Statorwicklungen am Umfang aufgeteilt sind, können derartige Fehler ausgemittelt werden, wenn jeweils der zweite Hallgenerator eines Paares im Winkel α = π verschoben, d. h. gegenüberliegend angeordnet wird. Ist die Anzahl der q Statorwicklungen ungeradzahlig, so ist das Signal des um den Winkel π verschobenen Hallgenerators umzupolen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen zu entnehmen. Von den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Steuerung eines Gleichstrommotors nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Anordnung von jeweils zwei Hallgeneratoren pro Statorwicklung gemäß der Erfindung und

Fig. 3 eine Prinzipschaltung der Rotorkommutierung gemäß der Erfindung.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 zeigt eine bekannte Vorrichtung zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors 1. Der Gleichstrommotor 1 besteht im wesentlichen aus einem permanentmagnetischen Rotor 2 und zwei um 90° zueinander versetzt angeordnete Statorwicklungen 3 und 4. Weiterhin weist der Gleichstrommotor 1 zwei Hallgeneratoren 5 und 6 auf, die ebenfalls um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Diese beiden Hallgeneratoren 5 und 6 detektieren die jeweilige Position des Rotors 2 anhand des von dem Rotor 2 ausgehenden magnetischen Feldes. Dabei ist der Hallgenerator 5 der Statorwicklung 3 und der Hallgenerator 6 der Statorwicklung 4 zugeordnet. Der von dem Rotor 2 ausgehende Magnetfluß Φ durchflutet sowohl die Statorwicklung 3 als auch den Hallgenerator 5; entsprechendes gilt auch für die Statorwicklung 4 und den Hallgenerator 6. Mit den Hallgeneratoren 5 und 6 wird das magnetische Feld in den Statorwicklungen 3 und 4 gemessen. Durch Drehung des Rotors 2 entsteht ein Wechselfeld, so daß an der Statorwicklung 3 und damit auch an den Hallgenerator 5 das Feld Φa = Φ · cosΩ liegt und an der Statorwicklung 4 und dem Hallgenerator 6 das Feld Φb = Φ·sinΩ. Mit Ω ist der Drehwinkel des Rotors 2 bezeichnet, der mit seinen magnetischen Polen Nord (N) und Süd (S) in Richtung eines Pfeiles 22 rotiert. Die Hallgeneratoren 5 und 6 werden von einer an einer Klemme 21 liegenden Steuerspannung C gegen ein Massepotential gespeist.

Das von dem Hallgenerator 5 abgegebene Signal wird den Eingängen eines Operationsverstärkers 7 zugeleitet und von dem Operationsverstärker 7 verstärkt. Das an einem Ausgang A des Operationsverstärkers 7 abnehmbare Signal wird nachfolgend in einem Leistungsverstärker 9 in einen entsprechenden Strom I_a umgesetzt und über eine Klemme 23 der Statorwicklung 3 zugeführt. In entsprechender Weise wird das von dem Hallgenerator 6 abgegebene Signal in dem Operationsverstärker 8 verstärkt und das an dem Ausgang B abnehmbare Signal in dem Leistungsverstärker 10 in einen Strom Ib umgesetzt und über eine Klemme 24 der Statorwicklung 4 zugeführt.

Das an dem Ausgang A des Operationsverstärkers 7 abnehmbare Signal ist proportional der Steuerspannung C an Klemme 21 und dem magnetischen Fluß Φa. Weiterhin ist der in der Statorwicklung 3 fließende Strom Ia proportional dem Signal am Ausgang A des Operationsverstärkers 7. Gleiches gilt auch in bezug auf den Strom Ib, der in der Statorwicklung 4 fließt. In den Statorwicklungen 3 und 4 fließt somit ein Strom

Ia = k · C · Φ · cos Ω bzw. Ib = k · C · Φ · sin Ω.

Die Konstante k ist die sogenannte Proportionalitätskonstante über die Signalstrecke.

Mit den Strömen Ia und Ib wird ein Drehmoment

M = n · Ia · Φ · cos Ω + n · Ib · Φ · sin Ω

erzeugt, wobei n die Windungszahl der Statorwicklungen 3 bzw. der Statorwicklung 4 ist. Über alles erhält man ein Drehmoment, das der folgenden Gleichung genügt:

M = n · k · C · Φ · cos Ω · Φ · cos Ω + n · k · C · Φ · sin Ω · Φ · sin Ω.

Durch Vereinfachen erhält man die Drehmomentgleichung

M = n · k · C · Φ² · (cos² Ω + sin² Ω);

bei nachfolgender Substition durch den Ausdruck cos² Ω + sin² Ω = 1 gelangt man letztendlich zu dem Drehmoment

M = n · k · C · Φ².

Das Drehmoment M ist also proportional der Steuerspannung C, d. h. konstant über eine Motorumdrehung.

Wie eingangs dargelegt, können aus praktischen Gründen die Hallgeneratoren nicht im Arbeitsluftspalt angeordnet werden, so daß aufgrund der erhöhten Flußdichten an den Plattenkanten der Dauermagnetplatten des Rotors nicht mehr sinusförmige, sondern angenähert rechteckförmige Signale von den Hallgeneratoren 5 und 6 abgegeben werden. Der in der Statorwicklung 3 fließende Strom genügt der Gleichung

Ia = k · C · Φ · (cos Ω - a · cos 3Ω)

und der Strom in der Statorwicklung 4 der Gleichung

Ib = k · C · Φ · (sin Ω + a · sin 3Ω).

In den Gleichungen ist mit a das Verhältnis der dritten zur ersten Harmonischen bezeichnet. Mit diesen Gleichungen wird das Drehmoment

M = n · k · C · Φ · (cos Ω - a · cos 3Ω) · Φ · cos Ω + n · k · C · Φ · (sin Ω + a · sin 3Ω) Φ · sin Ω.

Nach einer ersten Vereinfachung wird das Drehmoment

M = n · k · C · Φ² · [cos² Ω + sin² Ω + a · (sin 3Ω - cos 3Ω)].

Durch weiteres Vereinfachen wird das Drehmoment

Das Drehmoment ist nicht mehr konstant, sondern mit dem Faktor moduliert. Der Vorteil einer sinusförmigen Ansteuerung ist nicht mehr gegeben.

Zur Lösung dieses Problems wird gemäß der Fig. 2 jedem Hallgenerator ein weiterer Hallgenerator zugeordnet. An die Stelle des einzelnen Hallgenerators 5 tritt ein um einen Winkel +α verschobener erster Hallgenerator 11 und ein um einen Winkel -α verschobener zweiter Hallgenerator 12. In entsprechender Weise tritt anstelle des Hallgenerators 6 die Hallgeneratoren 13 und 14.

Gemäß der Fig. 3 werden die Signale der Hallgeneratoren 11 und 12 durch Parallelschalten addiert und damit gemeinsam den Eingängen des Operationsverstärkers 7 zugeleitet, von dem Operationsverstärker 7 verstärkt und in dem Leistungsverstärker 9 in einen proportionalen Strom Ia umgesetzt, so daß der in der Statorwicklung 3 fließende Strom

Ia = k · C · Φ · [cos (Ω + α) - a · cos 3(Ω + α) + cos (Ω - α) - a · cos 3(Ω - α)]

wird. Werden die Signale der Hallgeneratoren 13 und 14 parallel dem Operationsverstärker 8 zugeführt, so ergibt sich in der Statorwicklung 4 ein Strom

Ib = k · C · Φ · (sin (Ω + α) - a · sin 3(Ω + α) + sin (Ω - α) - a · sin 3(Ω - α)].

Nach einer Umformung dieser Gleichungen wird der Strom

Ia = k · C · Φ · (2 · cos Ω cos α - 2a · cos 3Ω · cos 3α)

und der Strom

Ib = k · C · Φ · (2 · sin Ω cos α - 2a · sin3 Ω cos 3α).

Wird ein Winkel α = π/6 gewählt, nimmt der Ausdruck cosα den Wert 0,866 und der Ausdruck cos3α den Wert Null an, so daß in den vorstehenden Gleichungen das Glied mit der dritten Harmonischen wegfällt. Damit ergeben sich in den Statorwicklungen 3 und 4 folgende Ströme:

Ia = 1,732 · k · C · Φ · cosΩ,
Ib = 1,732 · k · C · Φ · sinΩ,

so daß sich ein Drehmoment

M = 1,732 · n · k · C · Φ²

einstellt. Der Gleichstrommotor 2 dreht also nunmehr ohne Drehmomentschwankungen.

Weist der Gleichstrommotor 1 mehr als ein Magnetpolpaar mit der Polpaarzahl p auf, ist der Winkel α entsprechend zu korrigieren, da das Signal der Hallgeneratoren p mal pro Umdrehung des Rotors vorliegt. In diesem Fall ist der Winkel α = π/(6 · p) zu wählen.

Enthält der Rotor des Gleichstrommotors 1 mehrere Magnetpole, deren Feldstärke nicht gleich ist, so hat dies auf die Statorwicklungen keine Auswirkungen, wenn pro Phase 2 · p Wicklungen am Umfang des Rotors verteilt werden. Die ungleichen Feldstärken der Magnetpole werden in den Wicklungen ausgemittelt. Dies trifft jedoch nicht für die Hallgeneratoren zu, die nur an einer Stelle und nicht wie die Statorwicklungen diametral angeordnet sind. Fehler durch ungleiche Feldstärken der einzelnen Magnetpole des Rotors lassen sich jedoch ausmitteln, wenn jeweils der zweite Hallgenerator einer Phase um den Winkel π verschoben, d. h. auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors, angeordnet wird. Dabei ist es erforderlich, daß das Signal des um den Winkel π verschobenen Hallgenerators bei einer ungeraden Anzahl der Statorwicklungen umgepolt wird.

Bei einem Rotor, bei welchem die Anzahl der Magnetpolpaare p < 1 ist, werden nicht alle Pole bei der Mittelung erfaßt. Dies läßt sich dadurch vermeiden, daß die Anordnung der zwei Hallgeneratoren pro Phase in einem Winkelabstand von π/p wiederholt wird. Auch in diesem Fall sind die von den Hallgeneratoren abgegebenen Signale abwechselnd umzupolen.

In der in der Fig. 3 angegebenen Schaltung sind die Signale eines Hallgeneratorpaares parallelgeschaltet, um eine Addition der von den Hallgeneratoren abgegebenen Signale herbeizuführen. Selbstverständlich können für eine Signaladdition die Hallgeneratoren auch in Reihe geschaltet werden. Die Parallelschaltung hat jedoch gegenüber der Reihenschaltung der Hallgeneratoren den Vorteil, daß der Gesamtinnenwiderstand verringert wird und damit auch das Störverhalten gegenüber Einstreuungen verringert wird.

Anstelle der erwähnten Hallgeneratoren können auch andere Magnetfeldsensoren eingesetzt werden. Auch ändert sich an dem Prinzip der Kompensation nichts, wenn anstelle von zweiphasigen Statorwicklungen drei- oder mehrphasige Statorwicklungen treten.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1), enthaltend:

• - einen permanentmagnetischen Rotor (2),
• - einen Stator mit q-Statorwicklungen (3, 4),
• - jeweils einen ersten (11; 13) und einen zweiten (12; 14) jeder der q-Statorwicklungen (3, 4) zugeordneten, direkt vom Magnetfeld des Rotors (2) beaufschlagten magnetischen Lagesensors zur Ermittlung der Rotorposition, wobei der erste Lagesensor (11; 13) um einen ersten Winkel α in einer ersten Umfangsrichtung des Rotors (2) und der zweite Lagesensor (12; 14) um einen zweiten Winkel β in der entgegengesetzten zweiten Umfangsrichtung des Rotors (2) bezüglich einer Referenzposition versetzt angeordnet ist und wobei die Referenzposition dadurch definiert ist, daß ein in ihr angeordneter magnetischer Lagesensor (11, 12, 13, 14) von demselben Magnetfluß des Rotors (2) durchflutet wird wie die Statorwicklung (3, 4) der der Lagesensor (11, 12, 13, 14) zugeordnet ist,
• - eine Verstärkungseinrichtung (7 bis 10), der die von jeweils dem ersten (11; 13) und dem zweiten (12; 14) Lagesensor abgegebenen Signale zugeführt werden und welche Ausgangssignale (Ia, Ib) an die jeweilige Statorwicklung (3, 4) abgibt,
  dadurch gekennzeichnet,
  daß der erste Winkel α = π/(6 · p) und der zweite Winkel β = π/(6 · p) beträgt, wobei p die Polpaarzahl des Gleichstrommotors (1) ist.

2. Vorrichtung zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1), enthaltend,

• - einen permanentmagnetischen Rotor (2),
• - einen Stator mit q-Statorwicklungen (3, 4),
• - jeweils einen ersten (11; 13) und einen zweiten (12; 14) jeder der q-Statorwicklungen (3, 4) zugeordneten, direkt vom Magnetfeld des Rotors (2) beaufschlagten magnetischen Lagesensor zur Ermittlung der Rotorposition, wobei der erste Lagesensor (11; 13) um einen ersten Winkel α in einer ersten Umfangsrichtung des Rotors (2) und der zweite Lagesensor (12; 14) um einen zweiten Winkel β in der entgegengesetzten zweiten Umfangsrichtung des Rotors (2) bezüglich einer Referenzposition versetzt angeordnet ist und wobei die Referenzposition dadurch definiert ist, daß ein in ihr angeordneter magnetischer Lagesensor (11, 12, 13, 14) von demselben Magnetfluß des Rotors (2) durchflutet wird wie die Statorwicklung (3, 4), der der Lagesensor (11, 12, 13, 14) zugeordnet ist,
• - eine Verstärkungseinrichtung (7 bis 10), der die von jeweils dem ersten (11; 13) und dem zweiten (12; 14) Lagesensor abgegebenen Signale zugeführt werden und welche Ausgangssignale (Ia, Ib) an die jeweilige Statorwicklung (3, 4) abgibt, dadurch gekennzeichnet,
  daß bei einer Aufteilung der Statorwicklungen (3, 4) um den Umfang des Rotors (2) herum der erste Winkel α = π/(6 · p) und der zweite Winkel β = π - π/(6 · p) beträgt, wobei p die Polpaarzahl des Gleichstrommotors (1) ist und bei Gleichstrommotoren (1) mit ungeradem p das Signal des zweiten Lagesensors (12; 14) umgepolt wird.

3. Vorrichtung zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1), enthaltend,

• - einen permanentmagnetischen Rotor (2),
• - einen Stator mit q-Statorwicklungen (3, 4),
• - jeweils einen ersten (11; 13) und einen zweiten (12; 14) jeder der q-Statorwicklungen (3, 4) zugeordneten, direkt vom Magnetfeld des Rotors (2) beaufschlagten magnetischen Lagesensor zur Ermittlung der Rotorposition, wobei der erste Lagesensor (11; 13) um einen ersten Winkel α in einer ersten Umfangsrichtung des Rotors (2) und der zweite Lagesensor (12; 14) um einen zweiten Winkel β in der entgegengesetzten zweiten Umfangsrichtung des Rotors (2) bezüglich einer Referenzposition versetzt angeordnet ist und wobei die Referenzposition dadurch definiert ist, daß ein in ihr angeordneter magnetischer Lagesensor (11, 12, 13, 14 von demselben Magnetfluß des Rotors (2) durchflutet wird wie die Statorwicklung (3, 4), der der Lagesensor (11, 12, 13, 14) zugeordnet ist,
• - eine Verstärkungseinrichtung (7 bis 10), der die von jeweils dem ersten (11; 13) und dem zweiten (12; 14) Lagesensor abgegebenen Signale zugeführt werden und welche Ausgangssignale (Ia, Ib) an die jeweilige Statorwicklung (3, 4) abgibt, dadurch gekennzeichnet,
  daß bei einer Aufteilung der einzelnen Statorwicklungen (3, 4) um den Umfang des Rotors (2) herum der erste Winkel α = -π/(6 · p) und der zweite Winkel β = π + π/(6 · p) beträgt, wobei p die Polpaarzahl des Gleichstrommotors (1) ist und bei Gleichstrommotoren (1) mit ungeradem p das Signal des zweiten Lagesensors (12; 14) umgepolt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Aufteilung der Statorwicklungen (3, 4) um den Umfang des Rotors (2) herum jedes Paar der Lagesensoren (11, 12; 13, 14) von einem benachbarten Paar der Lagesensoren (11, 12; 13, 14) in einem Winkelabstand von π/p beabstandet angeordnet ist und daß Ausgangssignale eines jeden Lagesensorpaares (11, 12; 13, 14) abwechselnd umgepolt und dann addiert werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Lagesensoren (11 bis 14) Hallelemente sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Statorwicklung (3; 4) zugeordneten Hallelemente parallelgeschaltet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Statorwicklung (3; 4) zugeordneten Hallelemente in Reihe geschaltet sind.