-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen
kollektorlosen elektrischen Motor des Typs, der einen Rotor
besitzt, welcher solcherart magnetisiert ist, dass er mindestens
ein Paar magnetischer Pole aufweist, und einen Stator, der mit
einer zwei- oder mehrphasigen Wicklung versehen ist, welche
mehrere Teilspulen gleicher Impedanz umfasst, wobei diese
Steuerschaltung elektronische Schaltmittel aufweist, die dazu
ausgebildet sind, unter der Wirkung eines Schaltsteuerungssignals
die Teilspulen der verschiedenen Phasen wahlweise, entsprechend
einem Zyklus von aufeinanderfolgenden Speisungszuständen, mit
den Klemmen einer Stromquelle zu verbinden, Mittel zur Erfassung
der an den Klemmen von Teilspulen oder Teilspulengruppen
auftretenden Spannungen und Mittel zur Abgabe des genannten
Schaltsteuerungssignals aufgrund der genannten erfassten
Spannungen.
-
Eine Steuerschaltung dieses Typs wurde für einen Dreiphasen-
Motor, dessen Teilspulen in Sternschaltung angeordnet sind, in der
amerikanischen Patentschrift 4.743.815 beschrieben. Diese
Schaltung erfasst den Nulldurchgang der durch den Rotor in einer
nicht mit Strom gespeisten Teilspule induzierten
gegenelektromotorischen Kraft und benützt einen Mikroprozessor,
um aufgrund dieses Nulldurchgangs den gewünschten
Schaltzeitpunkt zu bestimmen. Eine solche Schaltung ist nur im
Falle eines Motors des beschriebenen Typs anwendbar und erfordert
relativ aufwendige Mittel, um ein geeignetes Schaltsignal zu
erzeugen.
-
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine für Zwei- oder
Mehrphasen-Motoren verwendbare Steuerschaltung bereitzustellen,
deren Teilspulen in Serie geschaltet sind und daher alle in jedem
Speisungszustand des Motors gespeist sind. Sie bezweckt
insbesondere, die Erfassung einer Rotorstellung zu ermöglichen, die
deutlich vor der durch die bekannte Schaltung erfassten Stellung
liegt, und die Erzeugung eines Schaltsignales durch besonders
einfache und wirtschaftliche Mittel zu ermöglichen. Ein anderes
Ziel der Erfindung ist es, ein solches Schaltsignal unabhängig von
der Form des Speisestroms des Motors zu erhalten.
-
Zu diesem Zweck weist die Schaltung gemäss der Erfindung die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erwähnten Merkmale
auf. Die Patentansprüche 2 bis 7 beschreiben besondere
Ausführungsformen der Schaltung gemäss der Erfindung.
-
Die Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen deutlicher aus
der nachfolgenden Beschreibung von verschiedenen
Ausführungsformen hervor, die als Beispiele angeführt und in der
beiliegenden Zeichnung veranschaulicht sind, in welcher:
-
die Fig. 1 ein Schema der Steuerschaltung gemäss der Erfindung im
Falle eines Zweiphasen-Motors ist,
-
die Fig. 2 eine graphische Darstellung der in der Schaltung der Fig.
1 auftretenden Drehmomente und Spannungen ist,
-
die Fig. 3 das Schema einer Steuerschaltung gemäss der Erfindung
für einen Dreiphasen-Motor ist,
-
die Fig. 4 ein Teilschema ist, das die Anwendung der Schaltung
gemäss der Erfindung auf einen Fünfphasen-Motor veranschaulicht,
und
-
die Figuren 5 und 6 graphische Darstellungen des Verlaufs der
Drehmomente und induzierten Spannungen im Falle der
Dreiphasen- bzw. Fünfphasen-Motoren sind.
-
Im Schaltschema der Fig. 1 wurde der Rotor 1 eines Zweiphasen-
Motors symbolisch dargestellt, wobei dieser Rotor solcherart
magnetisiert ist, dass er allgemein eine bestimmte Anzahl
magnetischer Polpaare n, s aufweist, die durch ein einziges Paar
von Polen 2 und 3 dargestellt sind. Der Stator des Motors gemäss
Fig. 1 enthält eine aus vier Teilspulen gebildete Wicklung, deren
Spulen A&sub1; und A&sub2; zu einer ersten Phase A gehören und deren Spulen
B&sub1; und B&sub2; zu der zweiten Phase B gehören, die in Bezug auf die
erste um 90º phasenverschoben ist. Diese Teilspulen sind in Serie
geschaltet und weisen die gemeinsamen Verbindungspunkte 41, 42,
43, 44 auf. Der Wicklungssinn dieser Spulen ist durch einen Punkt
angezeigt, und es ist zu bemerken, dass die Spulen, wie dargestellt,
aufeinanderfolgend in der gleichen Richtung liegen. Wie die Fig. 1
zeigt, befinden sich die Teilspulen einer selben Phase in
entgegengesetzten Zweigen der Schaltung 41, 42, 43, 44. Wenn
diese Spulen von einem konstanten Strom durchflossen werden,
erzeugen die Spulen der Phasen A und B Drehmomente Ma
beziehungsweise Mb, die sich mit der mechanischen Stellung α des
Rotors ändern und sich in der folgenden Form ausdrücken lassen:
-
Ma = K. sin Nα
-
Mb = K. cos Nα
-
wobei K eine von den Eigencharakteristiken des Magnetkreises und
der jeder Phase zugeordneten Spulen abhängige Konstante ist und N
die Anzahl Polpaare des Rotors ist. Der rein sinusförmige
Drehmomentverlauf ist hier nur als Beispiel und für den Bedarf der
vorliegenden Beschreibung gewählt, das Funktionsprinzip der
vorliegenden Steuerschaltung ist jedoch auch auf Motoren
anwendbar, die beliebige Gesetzmässigkeiten für das Drehmoment
aufweisen. Der Verlauf der Drehmomente Ma (Nα) und Mb (Nα) ist im
Diagramm der Fig. 2 durch die Kurven A und B für eine willkürliche
positive Richtung des Stromes, wie der der Ströme i&sub1; und i&sub2;
gemäss der Fig. 1, dargestellt. Für die entgegengesetzte
Stromrichtung sind die entsprechenden Drehmomente um 180º
phasenverschoben, wie mit den Kurven A und B gezeigt.
-
Im vorliegenden Motor mit Permanentmagnet-Rotor beinhaltet jede
Phase A und B eine durch Bewegung induzierte Spannung, die in der
Form
-
Uma = K&sub0;ωsin Nα bzw.
-
Umb = K&sub0;ωcos Nα
-
ausgedrückt werden kann, wobei ω die mechanische
Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, ausgedrückt in Radianten pro Sekunde,
darstellt. Diese induzierten Spannungen können somit als Funktion
der Zeit t durch dieselben Kurven A und B der Fig. 2 dargestellt
werden.
-
Wenn man annimmt, dass jede Teilspule eine Induktivität L und
einen Ohm'schen Widerstand R besitzt, dass die gegenseitige
lnduktivität der Teilspulen einer selben Phase L&sub1;&sub2; ist und dass der
Magnetkreis ein lineares Verhalten aufweist, lassen sich die
jeweils an den Klemmen der Spulen A&sub1;, B&sub1;, A&sub2;, B&sub2; auftretenden
Spannungen im Falle des Speisungszustandes AB, in welchem eine
Speisespannung + Ua1 zwischen den Klemmen 41 und 43 angelegt
wird, wie folgt ausdrücken:
-
Ua1 = Ri&sub1; + Ldi&sub1;/dt + L&sub1;&sub2;di&sub2;/dt + Uma
-
Ub1 = Ri&sub1; + Ldi&sub1;/dt + L&sub1;&sub2;di&sub2;/dt + Umb
-
Ua2 = Ri&sub1; + Ldi&sub2;/dt + L&sub1;&sub2;di&sub2;/dt + Uma
-
Ub2 = Ri&sub2; + Ldi&sub2;/dt + L&sub1;&sub2;di&sub2;/dt + Umb
-
wobei i&sub1; und i&sub2; die Ströme in den Zweigen 41, 42, 43, bzw. 41, 44,
43 der Fig. 1 sind. Aus der Tatsache, dass
-
U41,43 = Ua1 + Ub1 = Ua2 + Ub2
-
folgt, dass i21 = i&sub2; = i/2, wobei i den Gesamtstrom zwischen den
Klemmen 41 und 43 bezeichnet.
-
Unter diesen Bedingungen ist die Spannung zwischen den Klemmen
42 und 44
-
U42,44 = Ub1 Ua2 = Ri/2 + Ldi/2dt + L&sub1;&sub2;di/2dt + Umb --
-
- Ri/2 - Ldi/2dt - L&sub1;&sub2;di/2dt - Uma
-
wonach
-
U42,44 = Umb - Uma,
-
während
-
U41,43 = + Ua1.
-
Da der Motor die Speisungszustände AB, B, , A durchläuft,
findet man auf ähnliche Weise im Speisungszustand AB, in welchem
die Speisespannung + Ua1 zwischen den Klemmen 42 und 44
angelegt ist, d.h. dass
-
U42,44 = + Ua1,
-
dass
-
U41,43 = - Uma + Umb.
-
Desgleichen ist im folgenden Zustand
-
U41,43 = - Ua1
-
und
-
U42,44 = Umb - Uma
-
und im Zustand A
-
U42,44 = - Ua1
-
und
-
U41,43 = Uma + Umb.
-
Es ist zu bemerken, dass die Spannungen U41,43 und U42,44
Nulldurchgänge aufweisen, die direkt mit sehr genauen mechanischen
Stellungen des Rotors zusammenhängen. Tatsächlich ist
-
U41,43 = Uma + Umb = K&sub0;ω(sin Nα + cos Nα) = 0
-
für Nα = - π/4∓n π
-
und
-
U42,44 = Umb - Uma = K&sub0;ω(cos Nα - sin Nα) = 0
-
für Nα = + π/4±n π
-
In der Fig. 2 sind die zeitlichen Änderungen der Spannungen U41,43
und U42,44 dargestellt, und die vier besonderen Rotorstellungen pro
Speisungszyklus, die den Nulldurchgangszeiten t&sub1;, t&sub2;, t&sub3;, t&sub4; dieser
Spannungen entsprechen, sind mit Nα&sub1;, Nα&sub2;, Nα&sub3;, Nα&sub4; bezeichnet.
-
Gemäss dem Schaltschema der Fig. 1 sind die vier Klemmen 41, 42,
43, 44 der Wicklung 4 mit einer Speiseschaltung 5 von bekanntem
Aufbau verbunden, die durch eine äussere Spannungsquelle Ua1
gespeist wird und durch logische Signale gesteuert wird, die ihr
durch Leitungen 6 und 7 zugeführt werden, derart, dass sie die vier
oben genannten Speisungszustände AB, B, , A definieren. Diese
logischen Signale werden durch einen Ringzähler 8 erzeugt, der
jeweils den Übergang von einem Zustand zu einem anderen in einer
definierten Reihenfolge auslöst, wenn er an einem Eingang, der
durch eine Leitung 9 mit einer monostabilen Schaltung 16
verbunden ist, einen Schaltsteuerungsimpuls empfängt.
-
Die Klemmen 41 und 43 sind ausserdem mit den Eingängen eines
ersten Komparators 10, und die Klemmen 42 und 44 mit den
Eingängen eines zweiten Komparators 11 verbunden. Die Ausgänge
dieser Komparatoren sind mit den entsprechenden Eingängen eines
ersten logischen Exklusiv-ODER-Gatters 13 verbunden.
-
Die in den Leitungen 6, 7 auftretenden logischen Signale werden
den Eingängen eines zweiten logischen Exklusiv-ODER-Gatters 12
zugeführt, und die Ausgänge der Gatter 12 und 13 sind mit den
Eingängen eines dritten logischen Exklusiv-ODER-Gatters 14
verbunden. Der Ausgang dieses Gatters 14 ist durch eine Leitung 15
mit der monostabilen Schaltung 16 verbunden.
-
Die Funktionsweise dieser Steuerschaltung erklärt sich durch die
Betrachtung des Verlaufs der Spannungen U41,43 und U42,44 gemäss
Fig. 2. Im Speisungszustand AB nimmt der Komparator 10 eine
positive Differenzspannung zwischen seinen Eingängen wahr und
liefert folglich an seinem Ausgang ein einem logischen Zustand 1
entsprechendes Signal. Der Komparator 11 empfängt die Spannung
U42,44, die zu einem Zeitpunkt to gemäss der Fig. 2 negativ ist, so
dass dieser Komparator ein logisches Signal 0 abgibt. Der Ausgang
des Exklusiv-ODER-Gatters 13 befindet sich daher im Zustand 1.
-
Die durch die Schaltung 8 in diesem Speisungszustand abgegebenen
Signale erzeugen Zustände 1,1 an den entsprechenden Eingängen des
Exklusiv-ODER-Gatters 12, so dass der Ausgang dieses Gatters im
Zustand 0 und der Ausgang des Gatters 14 folglich im Zustand 1 ist.
-
Zum Zeitpunkt t&sub1;, zu dem der Rotor die Stellung Nα&sub1; durchläuft, ist
Uma (t&sub1;) = Umb (t&sub1;) und die Spannung U42,44 am Eingang des Gatters
11 ändert ihr Vorzeichen. Dies bewirkt eine Zustandsänderung am
Ausgang dieses Gatters, die ihrerseits eine Zustandsänderung am
Ausgang des Gatters 14 hervorruft. Diese Zustandsänderung auf der
Leitung 15 erzeugt mittels der Schaltung 16 einen
Schaltsteuerungsimpuls, der den Ringzähler 8 betätigt und die
Umschaltung des Speisungszustands von AB zu B veranlasst. Dies
bewirkt den Übergang des Gatters 12 vom Ausgangszustand 0 zum
Zustand 1, was die Änderung von 0 zu 1 des Ausgangszustands des
Gatters 14 zur Folge hat, wobei die Signale der Komparatoren 10
und 11 von der Speisungszustandsänderung nicht betroffen sind.
-
Da der Zähler 8 so ausgebildet sein kann, dass er auf die hintere
Flanke des durch die monostabile Schaltung 16 abgegebenen
Impulses reagiert, erlaubt die Wahl der Dauer dieses Impulses, den
genauen Schaltzeitpunkt entsprechend dem besonderen
Anwendungsfall zu bestimmen. Eine andere Lösung zur Optimierung
des Schaltzeitpunktes besteht darin, einen Verzögerungskreis an
den Eingängen der Komparatoren vorzusehen, wie z.B. einen RC-
Kreis, der durch die Widerstände r und die Kondensatoren C, wie sie
die Fig. 1 zeigt, gebildet wird. In diesem Zusammenhang ist es
wichtig zu bemerken, dass die Nulldurchgänge der Spannungen
U41,43 und U42,44 im Vergleich mit dem entsprechenden
Nulldurchgang der induzierten Spannung Uma, zum Beispiel, deutlich
früher auftreten.
-
Sobald die oben erwähnte Umschaltung vom Zustand AB zum
Zustand B erfolgt ist, ist es der Komparator 10, an welchem die
Spannung U41,43 angelegt ist, der die nächste besondere Stellung
des Rotors Nα&sub2; zum Zeitpunkt t&sub2; erfasst. Da der Ausgang von 10
seinen Zustand ändert, erfolgt ein neuer Übergang des Signals am
Ausgang von 14 vom logischen Zustand 1 zum logischen Zustand 0.
Die Erfassung der weiteren Stellungen Nα&sub3; und Nα&sub4; erfolgt in
analoger Weise.
-
Die Anordnung der logischen Gatter gemäss dem Schema der Fig. 2
erlaubt auf eine besonders einfache Art, jedem Übergang vom
Zustand 1 zum Zustand 0 des Ausgangssignals des Gatters 14 die
Erfassung einer der oben genannten besonderen Stellungen des
Rotors zuzuordnen.
-
Es ist zu bemerken, dass das Funktionieren der vorliegenden
Steuerschaltung nicht von der Form des in der Wicklung fliessenden
Stromes abhängt und dass der Motor z.B. von einer Zerhacker-
Stromquelle gespeist werden kann.
-
Die Fig. 3 ist ein Schema einer ähnlichen Steuerschaltung, die im
Falle eines Dreiphasen-Motors mit drei zwischen den Klemmen 31,
32, 33 im Dreieck geschalteten Teilspulen A&sub1;, B&sub1;, C&sub1; verwendet
wird.
-
Das Drehmoment M (Nα), das jeder Phase A, B und C entspricht, ist
in der Fig. 5 je nach der Stromrichtung in den betroffenen Spulen
durch mit A oder , B oder , C oder bezeichnete Kurven
dargestellt. Der Wicklungssinn dieser Spulen wurde in Fig. 3 wie
zuvor durch einen Punkt markiert.
-
Im Speisungszustand A, , zum Beispiel wird zwischen den
Klemmen 31 und 33 eine Speisespannung +Ua1 angelegt, so dass die
Spule A&sub1; von einem positiven Strom und die Spulen B&sub1; und C&sub1; von
einem negativen Strom durchflossen werden. Wenn man sich auf den
Zeitpunkt to gemäss der Fig. 5 bezieht, erzeugen alle diese drei
Ströme in der Stellung Nαo des Rotors positive Drehmomente. Zum
in der Fig. 5 angezeigten Zeitpunkt t&sub1; sind die in den Spulen B&sub1; und
C&sub1; induzierten und durch die Kurven und dargestellten
Spannungen Um gleich gross, was erlaubt, die entsprechende
Stellung Nai des Rotors zu erfassen. Auf ähnliche Weise kann man
die besonderen Stellungen Nα&sub2;, Nα&sub3;, Nα&sub4; etc., die jeweils um 60º
versetzt sind, erfassen, so dass sechs besondere Stellungen pro
vollständigem Zyklus erfasst werden.
-
Die Schaltung der Fig. 3 erlaubt, diese Erfassung und die Steuerung
der Umschaltung auf eine besonders einfache und wirtschaftliche
Weise auszuführen.
-
Diese Schaltung enthält drei Komparatoren 21, 22, 23, von denen
jeweils ein erster Eingang mit den entsprechenden Klemmen 31,
32, 33 der Wicklung A&sub1;, B&sub1;, C&sub1; verbunden ist und deren zweite
Eingänge gemeinsam mit dem Mittelpunkt eines Spannungsteilers
verbunden sind, der durch zwei zwischen den Klemmen + und - der
Speisestromquelle in Serie geschaltete Widerstände 24, 25
dargestellt ist. Die Ausgänge der Komparatoren 22 und 23 sind mit
entsprechenden Eingängen eines ersten logischen Exklusiv-ODER-
Gatters 26 verbunden, dessen Ausgang seinerseits mit dem Eingang
eines zweiten logischen Exklusiv-ODER-Gatters 27 verbunden ist.
Der zweite Eingang dieses zweiten Gatters ist mit dem Ausgang
des Komparators 21 verbunden. Der Ausgang des Gafters 27 steuert
eine monostabile Schaltung 28, dessen Ausgangssignal einem
Ringzähler 29 zugeführt wird. Dieser letztere gibt Schaltsignale an
eine Leistungsschaltung 30, wie z.B. eine Transistorenbrücke ab,
die die Speisespannung, gemäss den aufeinanderfolgenden
Spannungszuständen, an zwei der Klemmen 31, 32, 33 der Wicklung
gemäss einer gut bekannten Technik anlegt.
-
Aus der oben gegebenen Beschreibung ist leicht ersichtlich, dass in
jedem Speisungszustand zwei der Komparatoren 21, 22, 23 einen
Ausgangszustand 0 aufweisen, da zwei der drei Klemmen 31, 32, 33
ein durch die Speisespannungsquelle bestimmtes Potential haben.
Die dritte Klemme, deren Potential nicht durch die
Speisespannungsquelle bestimmt ist, erlaubt den Zeitpunkt zu
erfassen, in dem die in den vorübergehend zwischen den Klemmen
der Speisespannungsquelle in Serie geschalteten Spulen induzierten
Spannungen gleich sind. So haben im Speisungszustand A die
Komparatoren 21 und 23 die Ausgangszustände 1 bzw. 0, während
der Komparator 22 zum Zeitpunkt, da der Rotor die Stellung Nal
durchläuft, vom Ausgangszustand 1 zum Ausgangszustand 0
übergehen wird. Dieser Übergang wird einen Übergang des
Ausgangszustands des Gatters 26 von 1 zu 0 und folglich einen
Übergang des Ausgangszustands des Gatters 27 von 0 zu 1
veranlassen. Auf eine ähnliche Weise wie im zuvor beschriebenen
Fall wird die monostabile Schaltung durch diesen letzten Übergang
betätigt werden und den Zähler 29 steuern, um eine Änderung des
Speisungszustands zu erzeugen.
-
Die Fig. 4 zeigt schematisch den Fall eines Fünfphasen-Motors mit
fünf Teilspulen A&sub1; bis E&sub1;. Im dargestellten Speisungszustand sind
die Spulen A&sub1;, B&sub1;, C&sub1; zwischen mit Klemmen +,- einer Speisequelle
verbundenen Klemmen 51 und 52 in Serie geschaltet, und parallel
dazu sind die Spulen E&sub1; und D&sub1; an dieselben Klemmen 51 und 52
angeschlossen. Gemäss den üblichen Konventionen schreibt sich
dieser Zustand ABC Der gemeinsame Verbindungspunkt 53 der
Spulen E&sub1; und D&sub1; ist mit einem ersten Eingang eines Komparators
54 verbunden, während dessen zweiter Eingang mit dem Mittelpunkt
eines Spannungsteilers verbunden ist, der durch die zwischen den
Klemmen der Speisespannungsquelle in Serie geschalteten
Widerstände 55 und 56 gebildet wird. Der Komparator 54 erlaubt,
wie in den vorherigen Fällen, den Zeitpunkt zu erfassen, zu dem die
Spannung der Klemme 53 gleich der durch den Spannungsteiler 55,
56 definierten Referenzspannung ist. In der Fig. 6, die eine der
Fig. 5 ähnliche Darstellung ist, ist dieser Zeitpunkt mit t&sub1;
bezeichnet, entsprechend einer zu erfassenden Stellung Nα&sub1; des
Rotors.
-
Die dem Falle des Fünfphasen-Motors entsprechende komplette
Schaltung enthält selbstverständlich fünf verschiedene
Komparatoren, die durch einen ihrer Eingänge mit den
verschiedenen gemeinsamen Verbindungspunkten der Teilspulen und
durch ihre anderen Eingänge mit dem Mittelpunkt des
Spannungsteilers verbunden sind. Die am Ausgang dieser
Komparatoren auftretende Zustandsänderung wird in logischen
Schaltungen verwendet, die den zuvor beschriebenen ähnlich sind.
-
Diese Steuerschaltung erlaubt so, pro vollständigem Speisezyklus
des Motors zehn besondere, elektrisch um 36º versetzte Stellungen
des Rotors zu erfassen, von denen sechs, Nα&sub1; bis Nα&sub6;, in der Fig. 6
gezeigt sind.
-
Zum Falle von Vierphasen-Motoren, wie zu dem der Zweiphasen-
Motoren gemäss der Fig. 1, ist zu bemerken, dass das
Referenzpotential vorzugsweise durch die Wicklung selbst
geliefert wird, was zu einer zusätzlichen Vereinfachung führt, die
durch den im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebenen Fall
veranschaulicht ist.