DE68909232T2

DE68909232T2 - Starten eines bürstenlosen gleichstrommotors.

Info

Publication number: DE68909232T2
Application number: DE89904174T
Authority: DE
Inventors: Laurence Wright
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1989-03-15
Filing date: 1989-03-15
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2009-03-16
Also published as: EP0414703B1; EP0414703A1; DE68909232D1; JPH03504435A; WO1990010973A1; JPH0732634B2; US5198733A

Description

Anwendungsbereich der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Starten eines Gleichstrommotors sowie auf eine Antriebsvorrichtung mit einem solchen Motor.

Hintergrund der Erfindung

In der Vergangenheit haben die meisten bürstenlosen Gleichstrommotoren dedizierte Sensoren verwendet, beispielsweise Halleffekt-Einrichtungen oder optische Sensoren, uin die Winkelposition des Rotors im Hinblick auf den Stator festzustellen. Die Information wurde dann benutzt, um den Motor umzuschalten. In neueren Entwicklungen wurden die Gegen-EMK-Signale der Statorwicklung des Motors verwendet, um die Winkelposition des Rotors auf zunehmen, wobei diese Vorrichtung den Vorteil hat, daß Fehler und Kosten bei der Kommutation verringert werden. Wenn es sich jedoch um einen Standmotor handelt, ist keine elektromotorische Gegenkraft von den Statorwicklungen vorhanden, so daß ein besonderes Startsystem erforderlich ist. Dieses System wird auch bei niedrigen Geschwindigkeiten benötigt, da der Treiberstrom Spannungen erzeugt, die bedeutend größer als die Gegen-EMK-Signale sein können, wodurch ihre Erfassung zum Problem wird.
In der Zeitschrift Design Engineering vom Oktober 1984, Seite 37 wird eine System zum Abtasten der Gegen-EMK-Position für bürstenlose Gleichstrommotoren beschrieben. In diesem Artikel werden keine genauen Angaben zu dem verwendeten Startsystem gemacht. Es wird lediglich das Verfahren vorgestellt, mit dem die Motorwicklung während bestimmter Zeitintervalle erregt wird, wobei diese Methode bei zahlreichen Anwendungen nicht durchführbar ist.
In der Patentschrift EP-A-251785 wird ein Verfahren zum Erzeugen von Feedback-Daten in bezug auf die Umdrehungsposition des Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors beschrieben, ohne daß dabei Abtasteinrichtungen in der Motorstruktur verwenden werden, wenn der Motor stillsteht oder sich nur langsam dreht. Die Phasen des Motors werden unter der Steuerung eines Mikroprozessors erregt, wobei der Strom in den Phasen ebenfalls vom Mikroprozessor überwacht wird. Ausgehend vom Stillstand bis zur ersten Umdrehungsgeschwindigkeit wird periodisch jede Reihe von Motorphasen für einen Augenblick in Folge erregt, wobei die Amplitude des kurzen Stromimpulses, der in jeder Phase vorhanden ist, überwacht wird. Die Phase mit dem höchsten Stromimpuls gibt die Position des Rotors an. Die kurzfristige Erregung der Phasen reicht zur Erzeugung einer entsprechenden Drehkraft nicht aus, um damit den Rotor zu drehen: jeder kurzfristige Erregung der Phasen folgt eine drehkrafterzeugende Dauererregung der Phase, die der Rotorposition entspricht, die von den überwachten Stromimpulsen angezeigt wurde, wobei diese Impulse aufgrund der kurzfristigen Erregung vorhanden sind. Zur Überwachung der Amplituden der kurzen Stromimpulse ist ein Analog-Digital-Wandler erforderlich. Das in EP-A-251785 beschriebene Verfahren hat daher den Nachteil, daß entweder ein Mikroprozessor mit integriertem Analog-Digital-Wandler oder ein separater Analog-Digital-Wandler benötigt wird. Das hat natürlich zusätzliche Kosten, einen erhöhten Stromverbrauch und eine niedrigere Systemzuverlässigkeit zur Folge.
In DE-C2-32 09 394 wird ein System zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors beschrieben, das die schnellstmögliche Umdrehung des Motors in die gewünschte Richtung erreicht. Wenn der Motor im Stillstand ist, wird ein Stromimpuls zu einer der Wicklungen geführt. Daraufhin werden die elektromotorischen Gegenkräfte in den Wicklungen geprüft, um festzustellen, ob der Motor mit der Umdrehung in der gewünschten Richtung begonnen hat. Wenn dies der Fall ist, sorgt das System für den Selbstumschaltbetrieb des Motors. Wenn sich der Motor in der falschen Richtung dreht, veranlaßt das System die Erregung der Wicklungen, so daß der Motor die Umdrehungsrichtung ändert. Das im oben genannten Dokument beschriebene System ist dann geeignet, wenn keine Belastung zugeführt wird, bis der Motor die Betriebsgeschwindigkeit erreicht hat. Das System ist jedoch für Vorrichtung ungeeignet, bei denen der Motor eine hohe Anlaufbelastung hat, wie beispielsweise bei einem Plattenlaufwerk.
Die Erfindung will ein Verfahren zum Starten eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorstellen, das sich besonders für einen Motor mit hoher Anlaufbelastung eignet, z.B. ein Motor, der ein Plattenlaufwerk antreibt.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Starten eines bürstenlosen Gleichstrommotors vor, einschließlich folgender Schritte: (a) der Erregung der Motorwicklungen, um den Rotor auf eine festgelegte Position zu bringen; (b) das Zuführen eines Treiberstromimpulses zur entsprechenden Wicklungsphase, um die Umdrehung des Rotors von der festgelegten Position aus in gewünschter Richtung zu erreichen; (c) die Abtastung der in den Wicklungsphasen erzeugten elektromotorische Gegenkräfte, wenn der Stromimpuls unter einen Wert gefallen ist, bei dem die I x R Spannungabfälle in den Wicklungen wesentlich unter den elektromotorischen Gegenkräften liegen, um damit anzuzeigen, ob eine Kommutationsänderung erforderlich ist, damit der Rotor sich weiterhin in der festgelegten Richtung dreht; und (d) das Zuführen eines Treiberstromimpulses zur entsprechenden Wicklungsphase als Antwort auf die Anzeige von Schritt (c), damit der Rotor sich in der festgelegten Richtung dreht.
Die Erfindung beschreibt darüber hinaus eine Antriebsvorrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor; ein Mittel zum Erregen der Motorwicklungen, um den Rotor zu einer festgelegten Position zu bringen; ein Mittel zum Zuführen eines Treiberstromimpulses zur entsprechenden Wicklungsphase, damit sich der Rotor von der festgelegten Position in festgelegter Richtung dreht; Abtastmittel um die in den Wicklungsphasen erregten elektromotorischen Gegenkräfte abzutasten, wenn der Stromimpuls auf einen Wert abgefallen ist, bei dem die I x R Spannungsabfälle in den Wicklungen wesentlich niedriger als die elektromotorischen Gegenkräfte sind, um anzuzeigen, ob eine Kommutationsänderung erforderlich ist, damit sich der Rotor in der festgelegten Richtung dreht; sowie ein Mittel zum Zuführen eines Treiberstromimpulses zur entsprechenden Wicklungsphase als Antwort auf die vom Abtastmittel kommende Anzeige, damit sich der Rotor weiterhin in der festgelegten Richtung dreht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im folgenden wird anhand von Beispielen beschrieben, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. Dabei wird Bezug auf die Begleitzeichnung genommen, die ein Diagramm eines bürstenlosen Gleichstrommotors und einer Vorrichtung zum Steuern der Startphase und des Betriebs darstellt.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Ein elektronisch umgeschalteter Gleichstrommotor M hat einen achtpoligen Dauermagnetrotor, der aus einem seltenen Erdmagnetmaterial wie beispielsweise Neodym/Eisen/Bor besteht. Die Statorwicklungen 11, 12 und 13 des Motors M sind in Deltaschaltung angeschlossen, um die drei Phasen X, Y und Z zu erzeugen, die von einer Spannungsquelle +V durch den elektronischen Schaltkreis 14 erregt werden. Ein Controller 15 steuert die Kommutation und die Geschwindigkeit des Motors M, indem er Signale auf sechs Ausgangsleitungen 01 bis 06 zum Schaltkreis 14 führt. Die Umdrehung des Rotors R von Motor M induziert elektromotorische Gegenkräfte in den Wicklungen 11, 12 und 13 und damit in den Phasen X, Y und Z. Die Phasen X, Y und Z werden mit dem Tiefpaßfilterkreis 16 verbunden, um die elektromotorischen Gegenkräfte auszusondern. Die Zeitkonstante der Tiefpaßfilter im Schaltkreis 16 sollte groß genug sein, um das Schaltgeräusch von den Motorantriebskreisen auszufiltern. Darüber hinaus sollte die Zeitkonstante so gewählt sein, daß die Phase von A, B und C im Hinblick auf die Rotorposition mit der erforderlichen Betriebsgeschwindigkeit des Motors übereinstimmt. Die drei Komparatoren 17, 18 und 19 vergleichen entsprechende Paare der ausgesonderten elektromotorischen Gegenkräfte, um die Ausgänge A, B und C zu erzeugen, die zusammen die Position des Rotors R anzeigen, wenn die elektromotorischen Gegenkräfte größer als die I x R Spannungsabfälle in den Wicklungen sind. Die Komparatoren 17, 18 und 19 sollten so angelegt sein, daß sie mit Eingaben bis zu Null Volt arbeiten können, wobei sie in einem standardmäßigen Vierer-Komparatorpaket, beispielsweise dem LM 339-Paket von National Semiconductor Corporation, integriert sein können. Wenn der Motor mit einer Geschwindigkeit läuft, die über der festgelegten Mindestgeschwindigkeit liegt, wird das Schaltmittel 20 entsprechend den Angaben in der Zeichnung eingestellt, und die Ausgänge A, B und C gehen zu den Eingängen N1, N2 und N3 des Controllers 15. In diesem Fall erzeugt der Controller 15 Signale auf den Ausgangsleitungen 01 bis 06 entsprechend der von den Ausgängen A, B und C angezeigten Rotorposition, wobei diese Signale analog sind, verglichen mit den Kommutationssignalen, die von der herkömmlich in Motoren mit drei Halleffekt-Sensoren verwendeten Kommutationslogik erzeugt werden, um die Winkelposition des Rotors festzustellen.
Die Ausgänge A, B und C werden ebenfalls als Eingaben zu einem 3-Bit-Register 21 geführt, das diese nach Empfang eines Ladeimpulses LP abtastet und die Ausgänge A1, B1 und C1 erzeugt, die zusammen die Position des Rotors im vom Ladeimpuls festgelegten Augenblick der Abtastung ergeben. Die Ausgänge A1, B1 und C1 werden zu einem digitalen Signalprozessor (DSP) 22 geführt, der daraufhin die Ausgangssignale A2, B2 und C2 erzeugt, die den Antrieb des Motors in der erforderlichen Richtung von der abgetastetem Rotorposition aus steuern. Die Ausgangssignale A2, B2 und C2 werden zu den Eingängen N1, N2 und N3 des Controllers 15 geführt, wenn sich das Schaltmittel 20 in entgegengesetzter Position zu den Angaben in der Zeichnung befindet. Die Position des Schaltmittels 20 wird von einem Signal S festgelegt, das von dem DSP 22 erzeugt wird. Der zum Register 21 geführte Ladeimpuls LP kann entweder vom DSP 22 oder von einem Impulszug mit einer festgelegten Periode erzeugt werden. Der DSP 22 erzeugt darüber hinaus ein Deaktivierungssignal D, das nach der Zuführung zum Controller 15 den Schaltkreis 14 daran hindert, die Wicklungen X, Y und Z mit Strom zu versorgen. Der Schaltkreis 14 umfaßt drei FETs 23, 24 und 25 des Typs P sowie drei FETs 26, 27 und 28 des Typs N. Die FETs 23 und 26 sind zwischen der Spannungsquelle +V und der Masse in Reihe geschaltet, während der Übergang zwischen den FETs 23 und 26 mit dem X-Phaseneingang des Motors M verbunden ist. Die Ausgangsleitung 01 des Controllers 15 ist mit dem Gate von FET 23 verbunden, während die Ausgangsleitung 04 mit dem Gate von FET 26 verbunden ist. Auf ähnliche Art und Weise sind die FETs 24 und 27 zwischen der Spannungsquelle +V und der Masse in Reihe geschaltet sowie mit dem Y-Phaseneingang des Motors und den Ausgangsleitungen 02 bis 05 des Controllers 15 verbunden. Die FETs 25 und 28 sind mit dem Z-Phaseneingang des Motors und den Ausgängen 03 und 06 des Controllers 15 verbunden.
Um den Motor M zu starten, führt der DSP 22 dem Schaltmittel 20 ständig ein Signal S zu, um die im Schaltmittel integrierten Schalter auf die entgegengesetzte Position der in den Zeichnungen dargestellten Position einzustellen. Darüber hinaus werden die Ausgänge A2, B2 und C2 mit Signalen versorgt, auf die der Controller 15 antwortet, um die Erregung des Motors in einer festgelegten Folge zu veranlassen, so daß der Rotor von seiner Ruhestellung zu einer beliebig festgelegten Position geht. Der zu den Motorphasen geführte Strom wird während dieser Anfangsperiode der Erregung ständig erhöht, um ein Überschwingen zu vermeiden. Wenn der Rotor die festgelegte Position eingenommen hat, veranlaßt der DSP 22 den Controller 15 dazu, einen ausreichend langen Stromimpuls zu den Motorphasen zu führen, so daß sich der Rotor in der festgelegten Richtung von der festgelegten Position aus dreht. Nachdem sich der Rotor aufgrund der Erregung der Motorphasen lang genug bewegt hat, führt der DSP 22 das Deaktivierungssignal D zum Controller 15, so daß der Strom in den Motorwicklungen abfällt. Nachdem der Strom in den Motorwicklungen bis auf Null gefallen ist, wird der Ladeimpuls LP zum 3- Bit-Register 21 geführt, das die Ausgänge A, B und C der Komparatoren 17, 18 und 19 abtastet. Die abgetasteten Ausgänge A1, B1 und C1 gehen zum DSP 22, der daraufhin die Position des Rotors festlegt und die Ausgangssignale A2, B2 und C2 erzeugt, die für die Drehung des Rotors in der gewünschten Richtung sorgen. Gleichzeitig schaltet der DSP 22 das Deaktivierungssignal D ab, wodurch der Controller 15 auf die Signale A2, B2 und C2 antworten und Signale zu den Ausgängen 01 bis 06 führen kann, um die entsprechende Motorphase zu erregen, so daß sich der Rotor in der gewünschten Richtung dreht. Nach einem Zeitintervall führt der DSP 22 dem Controller 15 erneut das Deaktivierungssignal zu, so daß der Strom in den Motorwicklungen abfällt. Wenn der Strom unter einen Pegel gefallen ist, bei dem die elektromotorischen Gegenkräfte größer als die I x R Verluste sind, wird der Ladeimpuls LP erneut zum 3-Bit-Register 21 geführt, um die Ausgänge A, B und C der Komparatoren abzutasten. Die abgetasteten Ausgänge gehen zum DSP 22, der erneut das Deaktivierungssignal D ausschaltet, so daß der Controller 15 die entsprechende Motorphase erregen kann. Das Verfahren wird mit einer Rate wiederholt, die direkt proportional zur Geschwindigkeit des Rotors steht, bis die elektromotorischen Gegenkräfte erheblich größer als die I x R Verluste in den Wicklungen sind (ohne daß die Erregung deaktiviert wird). Während dieser Zeit werden die elektromotorischen Gegenkräfte mit einer Rate abgetastet, die größer als die Kommutationsrate ist, wobei die Kommutationsrate vom DSP 22 überwacht wird.
Der DSP 22 legt periodisch, beispielsweise nach jeder sechsten Abtastung der elektromotorischen Gegenkräfte, die aktuelle Position des Rotors aufgrund der abgetasteten elektromotorischen Gegenkräfte fest. Nach Empfang der anderen Abtastungen der elektromotorischen Gegenkräfte legt der DSP 22 einfach fest, ob eine Änderung der Rotorposition aufgetreten ist, wodurch eine Änderung der Kommutation erforderlich ist. Wenn sich die Rotorposition geändert hat, sorgt der DSP 22 für die Anwendung der nächsten Kommutationsphase, die für die Drehkrafterzeugung in der gewünschten Umdrehungsrichtung verantwortlich ist. Dadurch wird sichergestellt, daß sich der Motor nur in der gewünschten Richtung dreht.
Wenn sich der Rotor bei einer Geschwindigkeit dreht, bei der die elektromotorischen Gegenkräfte erheblich größer als die IR- Verluste in den Wicklungen sind, schaltet der DSP 22 das Signal S ab, wodurch die Schalter in dem Schaltkreis 20 auf die in der Zeichnung gezeigten Position eingestellt werden. Danach gehen die Ausgänge A, B und C der Komparatoren 17, 18 und 19 zu den Eingängen N1, N2 und N3 des Controllers 15, und das Deaktivierungssignal D bleibt ausgeschaltet, während der Motor weiterläuft. Unter der Kontrolle des Controllers 15 erreicht der Motor die gewünschte Geschwindigkeit, die im folgenden beibehalten wird.
Obgleich sich die Erfindung auf einen Motor mit Wicklungen in Deltaschaltung bezieht, kann auch ein Motor mit Sternwicklungen verwendet werden.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß ein Verfahren zum Starten eines bürstenlosen Gleichstrommotors beschrieben wurde, das folgende grundlegende Schritte umfaßt:
1. Die Festlegung einer beliebigen Rotorposition sowie das Zuführen eines Treiberstroms zu den drei Motorphaseneingängen, so daß der Rotor zu der beliebig festgelegten Rotorposition geht.
2. Das Zuführen eines Stromimpulses zur entsprechenden Wicklungen, so daß sich der Rotor in der gewünschten Umdrehungsrichtung bewegt.
3. Das Unterbrechen der Stromzufuhr zu den Motorphaseneingängen, nachdem der Motor mit der Umdrehung begonnen hat.
4. Das Abfallen des Stroms im Motor auf einen Pegel, bei dem die I x R Spannungsabfälle in den Wicklungen erheblich niedriger als die elektromotorischen Gegenkräfte für die Motorgeschwindigkeit sind.
5. Das Abtasten der (sehr geringen) elektromotorischen Gegenkräfte, die in den Wicklungen erzeugt werden.
6. Das Überwachen der abgetasteten elektromotorischen Gegenkräfte, um festzustellen, ob der Rotor sich in einer Position befindet, die eine Kommutationsänderung erfordert.
7. Das Zuführen eines Treiberstroms zu den drei Motorphaseneingängen, je nachdem, ob eine Kommutationsänderung nach Ausführen von Schritt 5 nötig ist oder nicht, so daß sich der Rotor weiterhin in der gewünschten Richtung dreht.
8. Das festgelegte mehrmalige Wiederholen der Schritte 4 bis 7 bei einer Rate, die größer als die Kommutationsrate ist (z.B. öfter als die Erhöhung der Motorgeschwindigkeit), sowie bei einer Rate, die direkt proportional zur Motorgeschwindigkeit ist.
9. Das Wiederholen der Schritte 4 und 5.
10. Das Festlegen der aktuellen Rotorposition aufgrund der abgetasteten elektromotorischen Gegenkräfte.
11. Das Zuführen des Stroms zu den drei Motorphaseneingängen, die dafür sorgen, daß sich der Motor in der gewünschten Richtung von der aktuellen Position aus bewegt.
12. Das Wiederholen der Schritte 4 bis 11, bis die Spannungen der elektromotorischen Gegenkräfte erheblich höher als die IR- Verluste in den Wicklungen sind.
13. Wenn die elektromotorischen Gegenkräfte erheblich größer als die IR-Verluste in den Wicklungen sind, ist den Motorphaseneingängen Strom zuzuführen (z.B. umschalten) und zwar in Abhängigkeit von der aktuellen Position des Rotors, die durch den ständigen Vergleich der elektromotorischen Gegenkräfte festgelegt wurde.

Claims

1. Ein Verfahren zum Starten eines bürstenlosen Gleichstrommotors (M), wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

(a) das Erregen der Motorwicklungen (X, Y, Z), um den Rotor in eine festgelegte Position zu bringen;

(b) das Zuführen eines Treiberstromimpulses zur entsprechenden Wicklungsphase, so daß sich der Rotor von der festgelegten Position aus in einer festgelegten Umdrehungsrichtung dreht;

(c) das Abtasten der in den Wicklungsphasen erzeugten elektromotorischen Gegenkräfte, wenn der Stromimpuls auf einen Pegel gefallen ist, bei dem die I x R Spannungsabfälle in den Wicklungen erheblich niedriger als die elektromotorischen Gegenkräfte sind, um anzuzeigen, ob eine Kommutationsänderung erforderlich ist, damit sich der Rotor weiterhin in der festgelegten Richtung dreht; und

(d) das Zuführen eines Treiberstromimpulses zur entsprechenden Wicklungsphase als Antwort auf die von Schritt (c) gelieferte Anzeige, damit sich der Rotor weiterhin in der festgelegten Richtung dreht.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, einschließlich

(e) der mehrmaligen Wiederholung der Schritte (c) und (d);

(f) der Wiederholung des Schritts (c);

(g) der Festlegung der Rotorposition aufgrund der abgetasteten elektromotorischen Gegenkräfte; und

(h) dem Zuführen eines Treiberstromimpulses zu der entsprechenden Wicklungsphase, damit sich der Rotor in der festgelegten Richtung ausgehend von der in Schritt (g) festlegten Position dreht.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 2, das die Wiederholung der Schritte (e) bis (h) umfaßt, bis der Motor eine Geschwindigkeit erreicht hat, bei der die elektromotorischen Gegenkräfte erheblich größer als die IR-Verluste in den Wicklungen sind, wobei daraufhin eine Umschaltung des Motors ausgehend von der aktuellen Position des Rotors erfolgt, die aufgrund des ständigen Vergleichs der in den Wicklungen erzeugten elektromotorischen Gegenkräfte angezeigt wird.

4. Eine Antriebsvorrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor (M);

ein Mittel zum Erregen der Motorwicklungen (X, Y, Z), um den Rotor zu der festgelegten Position zu bringen;

ein Mittel zum Zuführen eines Treiberstromimpulses zu der entsprechenden Wicklungsphase, so daß sich der Rotor von der festgelegten Position aus in der festgelegten Umdrehungsrichtung dreht;

ein Abtastmittel, um die in den Wicklungsphasen erzeugten elektromotorischen Gegenkräfte abzutasten, wenn der Stromimpuls auf einen Pegel gefallen ist, bei dem die I x R Spannungsabfälle in den Wicklungen erheblich niedriger als die elektromotorischen Gegenkräfte sind, um so anzuzeigen, ob eine Kommutationsänderung erforderlich ist, damit der Rotor sich weiterhin in der festgelegten Richtung dreht; und

ein Mittel zum Zuführen eines Treiberstromimpulses zu der entsprechenden Wicklungsphase als Antwort auf die von den Abtastmitteln kommende Anzeige, damit sich der Rotor weiterhin in der festgelegten Richtung dreht.