DE69133373T2

DE69133373T2 - Regler für bürstenlosen Gleichstrommotor ohne Positionsgeber

Info

Publication number: DE69133373T2
Application number: DE69133373T
Authority: DE
Inventors: Takashi Suwa-shi Nagate; Akihito Suwa-shi Uetake; Yoshikazu Suwa-shi KOIKE; Kunio Suwa-shi TABATA
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-10-19
Filing date: 1991-10-18
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2011-10-19
Also published as: EP0553354A4; EP0881761B1; EP0881761A1; EP0553354B1; DE69131913D1; EP0671811B1; CA2093906A1; DE69124702T2; DE69124702D1; DE69133373D1; EP0553354A1; KR100227599B1; KR930701855A; DE69131913T2; SG79989A1; WO1992007412A1; EP0671811A1

Description

Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen bürstenlosen DC Motor ohne einen Positionssensor, der eine elektromotorische Gegenkraft verwendet, die in Spulen erzeugt wird, die auf einen Stator gewickelt sind, wenn ein Rotor gedreht wird, um eine Positionserfassung von Magnetpolen des Rotors auszuführen, und insbesondere einen bürstenlosen DC Motor ohne Positionssensor, wobei der Rotor so konfiguriert ist, daß jeweilige sich drehende Magnetpoloberflächen des Rotors zu inneren Endoberflächen der jeweiligen Magnetpole des Stators an vorgegebenen Umfangspunkten auf den jeweiligen sich drehenden Magnetpoloberflächen und dadurch Positionen der jeweiligen Pole des Rotors am nächsten kommen. Die Steuereinrichtung dient für eine Ansteuerung eines derartigen bürstenlosen DC Motors ohne Positionssensor.
Stand der Technik:
Seit kurzem ist der bürstenlosen DC Motor in verschiedenen Vorrichtungen und Geräten hinsichtlich seines hohen Wirkungsgrads und seiner Steuerungsfähigkeit verwendet worden. Der bürstenlose DC Motor weist im wesentlichen den gleichen Aufbau wie der synchrone Motor auf, so daß der Positionsdetektor wie das Hall-Element notwendig gewesen ist, um eine Position des Rotors beim Ansteuern zu erfassen. Jedoch bereitet der Platz, der von einem derartigen Positionsdetektor belegt wird, ein ernsthaftes Problem mit der fortschreitenden Miniaturisierung und hat sich als ein wichtiger Faktor herausgestellt, der eine gewünschte Miniaturisierung des Motors behindert. Um ein derartiges Problem zu lösen, ist kürzlich ein sogenannter Positionssensor-loser bürstenloser DC Motor entwickelt worden und bereits in der Praxis umgesetzt worden.
26 ist eine Teilquerschnittsansicht, die einen herkömmlichen bürstenlosen DC Motor ohne Positionssensor in einem vergrößertem Maßstab zeigt. Ein derartiger Positionssensor-loser bürstenloser DC Motor 81 des Standes der Technik umfaßt einen Stator 82 und einen Rotor 83. Der Stator 82 umgibt den Rotor 83, der von einer drehbaren Welle 86 drehbar gelagert wird, und umfaßt eine Vielzahl von stationären Magnetpolen 84, die nach innen gerichtet sind. Die jeweiligen stationären Magnetpole 84 tragen Spulen U, V, W (nicht gezeigt), die darauf gewickelt sind. Die stationären Magnetpole 84 werden in einer vorgegebenen Polarität magnetisiert, wenn Strom durch die Spulen U, V, W fließt. Stationäre Magnetpoloberflächen 85, die von der inneren Endoberfläche der jeweiligen stationären Magnetpole 84 definiert werden, liegen in gleichen Abständen von der Mitte der drehbaren Welle 86 entlang einer zylindrischen Oberfläche.
Der Rotor 83 umfaßt andererseits ein Joch 87, das aus einer Vielzahl von Siliziumstahlschichten gebildet ist, die integral auf laminiert sind, und ein Paar Feldpermanentmagnete 88. Das Joch 87 ist entlang seines äußeren Umfangs mit vier sich drehenden Magnetpolen 89 versehen, die nach außen gerichtet sind, und diese sich drehenden Magnetpole 89 sind alternierend in ihren Basisteilen mit den darin eingefügten Feldpermanentmagneten 88 versehen, wobei die N-Pole dieser Magnete 88 aufeinander zu gerichtet angeordnet sind. Jeweilige sich drehende Magnetpoloberflächen 90, die von den äußeren Endoberflächen der jeweiligen sich drehenden Magnetpole 89 definiert werden, liegen in gleichen Abständen von der Mitte der drehbaren Welle 86, um so jeweils gekrümmte Oberflächen zu bilden, so daß jede sich drehende Magnetpoloberfläche 90 in gleichförmiger weise von der gegenüberliegenden stationären Magnetpoloberfläche 85 an jedem Punkt der auf der sich drehenden Magnetpoloberfläche 90 beabstandet ist.
Unter der Wirkung einer gegenseitigen Abstoßung, die zwischen den N-Polen der zwei Permanentmagnete 88 auftritt, tritt der magnetische Fluß, der von dem Rotor 83 erzeugt wird, von dem Joch 87 über die sich drehenden Magnetpole, die darin keinen Feldpermanentmagneten enthalten, aus und über die sich drehenden Magnetpole, die darin die jeweiligen Feldpermanentmagneten enthalten, wieder in das Joch 87 ein, wie dargestellt. Demzufolge werden die sich drehenden Magnetpole, die darin die jeweiligen Permanentmagneten enthalten, in einer S-Polarität magnetisiert und die sich drehenden Magnetpole, die darin keine Permanentmagneten enthalten, werden in der N-Polarität magnetisiert.
Kürzlich ist ein Ansteuerverfahren für den Positions-sensor-losen bürstenlosen DC Motor vorgeschlagen worden, bei dem die in den Statorspulen erzeugte elektromotorische Gegenkraft, wenn sich der Rotor dreht, verwendet wird, anstelle daß man sich auf den Positionsdetektor verläßt (Suzuki, Ogasawara, Akagi, Naniwae, Nagatake, Okuyama: °Construction of positionsensorless, brushless DC motor", was in dem 34. nationalen Treffen von JEC, Industrial Application Group, 1988, berichtet wurde). Mit einem derartigen Ansteuerverfahren, wie in 27 gezeigt, wird für die Hauptschaltung ein Umrichter 91 des 120° Spannungszuführungs-Typs verwendet und eine UPM Steuerung wird durch eine Zerhackersteuerung bewirkt. Unter Bezugnahme auf 27 bezeichnet ein Bezugszeichen 81 einen Motor, ein Bezugszeichen 82 be zeichnet einen Stator, ein Bezugszeichen 83 bezeichnet einen Rotor, Symbole U, V, W bezeichnen Statorspulen von jeweiligen Phasen, Symbole Ta⁺, Tb⁺, Tc⁺, Ta^–, Tb^–, Tc^– bezeichnen Transistoren und Symbole Da⁺, Db⁺, Dc⁺, Da^–, Db^–, Dc^– bezeichnen Rückkopplungsdioden. Gemäß diesem Vorschlag werden die elektromotorischen Gegenkräfte e_a, e_b, e_c, die in den jeweiligen Phasen erzeugt werden, und das Ansteuersignal, das an ein Paar von Transistoren angelegt wird, dreifach in der gegenseitigen Beziehung erhalten, wie in 28 gezeigt. Die jeweiligen Phasen U, V, W weisen ihre Offen-Perioden (d.h. eine Periode, für die die Transistoren frei von der Anlegung des Ansteuersignals sind) zweimal für jeweils 60° während einer Periode, die einem elektrischen Winkel von 360° entspricht, auf. Es sei hierbei darauf hingewiesen, daß die Phase in dem Offen-Zustand nachstehend als Offen-Phase bezeichnet wird.
Um den Motor gemäß diesem Ansteuerverfahren anzusteuern, wird eine Startsequenz verfolgt, wie in 29 gezeigt. Zu Anfang wird der Motor für eine vorgegebene Zeit mit dem Ausgangssignal eines optionalen Erregungsmusters erregt (Schritt T31) und dadurch wird der Rotor an eine Position verschoben, die diesem Erregungsmuster entspricht (Schritt T32). Dann wird das Erregungsmuster auf das Erregungsmuster umgeschaltet, das um 120° vorgerückt ist (Schritt T33) und dadurch wird der Motor gedreht (Schritt T34). Die elektromotorische Gegenkraft wird in den Statorspulen erzeugt, wenn der Motor gedreht wird. Die Position der sich drehenden Magnetpole wird indirekt durch Erfassen des eingeschalteten Zustands der Rückkopplungsdioden im Zusammenhang mit den Offen-Phasen erfaßt und somit wird das Kommunikationssignal erzeugt (Schritt T35). Insbesondere veranlaßt die Drehung des Rotors die Statorspulen die elektromotorische Gegenkraft zu erzeugen, die wiederum bewirkt, daß die Anschlußspannung jeder Offen-Phase verändert wird. Demzufolge steigt ein Anodenpotential der P-seitigen Rückkopplungsdioden auf einen höheren Pegel als Ed+ oder ein Kathodenpotential der N-seitigen Rückkopplungsdioden fällt auf einen Pegel ab, der niedriger als ED- ist, und somit werden die Rückkopplungsdioden eingeschaltet. Demzufolge kann der eingeschaltete Zustand der Dioden im Zusammenhang mit den Offen-Phasen erfaßt werden, um das gegenwärtige Erregungsmuster zu erfassen und infolgedessen werden die Positionen der sich drehenden Magnetpole erfaßt. In der Praxis erfaßt der Modusdetektor 92, der in 27 gezeigt ist, den eingeschalteten Zustand der jeweiligen Dioden durch Vergleichen der Referenzspannung Ed mit der Anschlußspannung jeder Diode.
Die eingeschalteten Zustände der Dioden im Zusammenhang mit den Offen-Phasen werden während der Offen-Periode von 60° in der Nähe von 30° erfaßt. Das heißt, der eingeschaltete Zustand wird an einer führenden Phase von ungefähr 30° erfaßt. Demzufolge erzeugt die Steuerschaltung 93 das Ansteuersignal mit einer Verzögerung sämtlicher Phasen um ungefähr jeweils 30° (eine derartige Phasenverzögerung wird als Phasenverschiebung bezeichnet), um die nächste Kommunikation zu bewirken, und verwendet dieses Ansteuersignal, um die Zerhackersteuerung auszuführen.
Bei diesem Positionssensor-losen bürstenlosen DC Motor des Standes der Technik besteht jedoch eine Tendenz dahingehend, daß der magnetische Fluß, der von dem Feldpermanentmagneten erzeugt wird, an Punkten auf den jeweiligen sich drehenden Magnetpoloberflächen konzentriert wird, die von den umfangsmäßig angeordneten Mittelpunkten darauf in der Drehungsrichtung verschoben sind, da die jeweiligen sich drehenden Magnetpoloberflächen gleichmäßig von den jeweiligen stationären Magnetpoloberflächen an jedem Punkt auf den jeweiligen sich drehenden Magnetpoloberflächen beabstandet sind. Infolgedessen wird die von dem magnetischen Fluß erzeugte elektromotorische Gegenkraft in Bezug auf die tatsächlichen Positionen der jeweiligen sich drehenden Magnetpole frühzeitig erfaßt und die stationären Magnetpole werden früher als zu einem vorgegebenen Zeitpunkt erregt, wodurch verhindert wird, daß der Motor sanft gedreht wird.
In dem herkömmlichen Positionssensor-losen bürstenlosen DC Motor mit dem Joch, das die darin eingefügten Permanentmagneten enthält, weisen die Feldpermanentmagneten gewöhnlicherweise jeweils im wesentlichen rechteckförmige Querschnitte auf und die äußere Magnetpoloberfläche des Feldpermanentmagneten definiert eine relativ große Oberfläche. Eine derartige Konfiguration hat ebenfalls zu der voranstehend erwähnten Abweichung des magnetischen Flusses beigetragen.
Der herkömmliche Rotor, der das Joch und die Feldpermanentmagneten umfaßt, wies jedoch ein anderes Problem hinsichtlich einer Festigkeit des Jochs auf. Insbesondere sind die Feldpermanentmagneten, die jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, der geringfügig schmaler als der zugehörige sich drehende Magnetpol ist, in die Basis dieses sich drehenden Magnetpols eingefügt und deshalb weisen Brücken des Jochs, die das äußere Ende mit der Basis jedes sich drehenden Magnetpols verbinden, der darin den Feldpermanentmagneten enthält, notwendigerweise eine schlanke Konfiguration auf .
Wenn mit dem Ansteuerverfahren des Standes der Technik die elektromotorische Gegenkraft bei einer ersten Kommunikation auf Grundlage der Startsequenz erfaßt werden kann, wird bestimmt, daß ein normaler Startvorgang erzielt worden ist und eine Umschaltung wird von der offenen Schleife auf den sensorlosen Lauf auftreten. Deshalb wird der Rotor unangemessen in der Position gehalten und vibriert zum Beispiel, wenn eine Last eine Drehmomentfluktuation beinhaltet. Wenn ferner die nächste Kommunikation bei einem Drehmoment ausgeführt wird, das gerade in der umgekehrten Richtung erzeugt wird, wird der Rotor von einer anderen Position als der gewünschten Position gedreht, so daß die elektromotorische Gegenkraft bezüglich der tatsächlichen Position des Rotors um einen elektrischen Winkel von 60° oder 120° frühzeitig erfaßt wird und eine Umschaltung auf den sensorlosen Lauf auftritt, woraufhin ein vorgegebenes Erregungsmuster ausgegeben wird. Jedoch kann der Motor nicht normal gestartet werden und vibriert oft, da dieses Erregungsmuster von dem eigentümlichen Erregungsmuster in Abhängigkeit von der tatsächlichen Position des Rotors abweicht. Selbst wenn der Motor gerade vibriert, wird ein Signal, das die elektromotorische Gegenkraft darstellt, erfaßt, und wenn dieses Signal höher als ein Pegel ist, der für den sensorlosen Lauf benötigt wird, wird das vorgegebene Erregungsmuster weiter ausgegeben. Demzufolge wird sowohl das normale Starten als auch das erneute Starten unmöglich.
Mit dem voranstehend erwähnten Ansteuerverfahren mußte ferner die Zerhackerfrequenz für einen relativ breiten Drehfrequenzbereich des Motors eingestellt werden, so daß der Zeitpunkt einer Kommunikation frei von irgendeiner Beeinflussung von der Erfassungszeitverzögerung bei der maximalen Drehfrequenz ist. Zum Beispiel entspricht ein elektrischer Winkel von 60° 0,5 m/Sek. und deshalb wird die Zerhackerfrequenz auf einen Pegel so hoch wie in der Größenordnung von 10 kHz eingestellt. Jedoch führt eine derartig hohe Zerhackerfrequenz in nachteiliger weise zu einem erhöhten Schaltverlust des Umrichters und einer wesentlichen Wärmeerzeugung von den Umrichterelementen.
Zusätzlich wies das voranstehend erwähnte Ansteuerverfahren ferner ein anderes Problem dahingehend auf, daß die elektrische Energie, die sich in den Statorspulen ansammelt, unmittelbar nach dem Übergang von dem erregten Zustand zu dem aberregten Zustand ausgesendet wird und demzufolge eine Spannung in der Offen-Phase auftritt. Die Zeitperiode, für die die elektrische Energie ausgesendet wird, hängt von dem Wert des Stroms ab, der durch die Statorspulen fließt, und der Last, die auf den Motor ausgeübt wird, ab.
Der Motor wird während einer Aussendung einer derartigen elektrischen Energie nicht gedreht, weil keine genaue Positionsinformation des Permanentmagnetrotors erhalten werden kann, außer wenn die Erfassung der elektromotorischen Gegenkraft unterbunden wird. EP-A-316 077 legt eine Schaltung zum Maskieren dieser Periode offen.
Schließlich wird das voranstehend erwähnte Ansteuerverfahren ein weiteres zusätzliches Problem bezüglich der Erfassung der relativen Position der Statorspulen und des Permanentmagnetrotors auf. Insbesondere wird die elektromotorische Gegenkraft, die in den Statorspulen auftritt, die nicht versorgt werden (nachstehend als Offen-Phasen bezeichnet) erfaßt und dadurch wird die relative Position der Statorspulen und der Permanentmagneten in Abhängigkeit von dem Ansteuerverfahren erfaßt. Wenn jedoch die elektromotorische Gegenkraft, die in den Offen-Phasen auftritt, sich nicht-linear verändert, wird keine genaue Erfassung der relativen Position erreicht werden.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Steuereinrichtung vorzusehen, die angepasst ist, die elektromotorische Gegenkraft erfassen zu können, selbst wenn die Drehfrequenz und/oder Last des Motors schwanken.
Offenbarung der Erfindung:
Dieses Ziel der Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
1 ist ein Schaltbild, das Schaltungskomponenten eines bürstenlosen DC Motors ohne Positionssensor, wie etwa einen Umrichter, in der ersten Ausführungsform zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht des bürstenlosen DC Motors ohne Positionssensor transversal entlang einer Achse davon;
3 ist ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung in der zweiten Ausführungsform;
4 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel eines Musterübereinstimmungsdetektors zeigt;
5 ist ein Zeitdiagramm, das die gegenseitige Beziehung von verschiedenen Signalen darstellt, die in der Steuerschaltung auftreten;
6 ist ein Diagramm, das eine gegenseitige Beziehung der Ausgangsmustermodus-, Erregungsmodus- und Kommutationszeiterfassungs-Phase veranschaulicht;
7 ist ein Flußdiagramm einer Startsequenz;
8 ist ein Blockdiagramm der Steuerschaltung in der dritten Ausführungsform;
9 ist ein Blockdiagramm der Steuerschaltung in der vierten Ausführungsform;
10 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Verbindung von einem F/V-Konverter zu einem Oszillator zeigt;
11 ist ein Wellenformdiagramm, das vorherrschende Wellenformen veranschaulicht, die in dem F/V-Konverter bzw. dem Oszillator erscheinen;
12 ist ein Blockdiagramm der Steuerschaltung in der ersten Ausführungsform der Erfindung;
13 ist ein Schaltungsdiagramm eines Detektors einer elektromotorischen Gegenkraft;
14 ist ein Signalwellenformdiagramm für den Detektor einer elektromotorischen Gegenkraft;
15 ist ein Grafikdiagramm, das eine Beziehung zwischen einem Stromwert und einer Emissionszeitperiode elektrischer Energie veranschaulicht;
16 ist ein Schaltungsdiagramm eines Erfassungsverhinderers;
17 ist ein Signalwellenformdiagramm für den Erfassungsverhinderer;
18 ist ein Blockdiagramm der Steuerschaltung in der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
19 ist ein Grafikdiagramm, das eine Beziehung zwischen einer Drehfrequenz und einer Emissionszeitperiode elektrischer Energie veranschaulicht;
20 ist ein Blockdiagramm der Steuerschaltung in der siebten Ausführungsform;
21 ist ein Blockdiagramm eines Rotorpositionsdetektors;
22 ist ein Flussdiagramm einer Rotorpositionserfassung;
23, 24 und 25 sind Wellenformdiagramme, die Stromwellenformen jeweils als eine Funktion einer Einspeisungszeiteinstellung veranschaulichen;
26 ist eine Querschnittsansicht, die einen bürstenlosen DC Motor ohne Positionssensor des Standes der Technik als halbiert zeigt;
27 ist ein Schaltbild eines Umrichters, der in einem Motor des Standes der Technik verwendet wird;
28 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer elektromotorischen Gegenkraft und einem Ansteuersignal in einem Motor des Standes der Technik veranschaulicht; und
29 ist ein Flußdiagramm, das eine Startsequenz für einen Motor des Standes der Technik veranschaulicht.
Ausführungsformen:
Zunächst wird die erste Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 1 ist eine allgemeine Anordnung eines Ansteuersystems für den bürstenlosen DC Motor ohne Positionssensor gezeigt.
Das Ansteuersystem für den bürstenlosen DC Motor ohne Positionssensor umfaßt zusätzlich zu dem bürstenlosen DC Motor ohne Positionssensor 1 selbst eine Stromversorgung 21, einen Umrichter 22, der eine Zerhackersteuerung übernimmt, einen Modusdetektor 23, der eine elektromotorische Gegenkraft verwendet, um die Position eines Rotors 3 zu erfassen, und eine Steuerschaltung 24, die zum Steuern des Umrichters 22 dient. Der bürstenlose DC Motor ohne Positionssensor 1 umfaßt einen Stator 2 und den Rotor 3. Bei dem bürstenlosen DC Motor ohne Positionssensor 1 in dieser Ausführungsform handelt es sich um einen dreiphasigen Umrichter-betriebenen Typ und die Bezugszeichen U, V, W bezeichnen jeweilige Spulen, die auf den Stator 2 gewickelt sind. Ein Bezugszeichen Vn bezeichnet eine Spannung über U, V, W und diese Spannung wird selektiv über zwei von diesen drei Spulen U, V, W beim Umschalten des Umrichters 22 erzeugt.
Die Stromversorgung 21 befindet sich in einem Zustand, der zum Zuführen eines gleichgerichteten Stroms bereit ist. Das Bezugszeichen Ed (und Ed+, Ed-) bezeichnet eine elektromotorische Kraft. Der Umrichter 22 umfaßt Rückkopplungsdioden Da⁺, Db⁺, Dc⁺, Da^–, Db^–, Dc^– und Transistoren Ta⁺, Tb⁺, Tc⁺, Ta^–, Tb^–, Tc^–.
Die jeweiligen Systemkomponenten arbeiten, wie nachstehend beschrieben wird, zum drehungsmäßigen Ansteuern des bürstenlosen DC Motors ohne Positionssensor.
Der Umrichter 22 umfaßt P-seitige Transistoren Ta⁺, Tb⁺, Tc⁺, mit denen die Rückkopplungsdioden Da⁺, Db⁺, Dc⁺ jeweils verbunden sind, und N-seitige Transistoren Ta^–, Tb^–, Tc^–, mit denen die Rückkopplungsdioden Da^–, Db^–, Dc^– jeweils verbunden sind. Unter einer Zerhackersteuerung durch einen Satz eines P-seitigen Transistors und eines N-seitigen Transistors werden zwei der dreiphasigen Spulen selektiv nacheinander mit einem dreiphasigen Gleichstrom versorgt, um eine Magnetfeld zu erzeugen, mit dem der Rotor für die Drehung angesteuert wird. Insbesondere werden Ausgabemodusmuster des Ansteuersignals auf 5 bis 0 in Abhängigkeit von Erregungsmustern voreingestellt, die zum Aufrechterhalten einer normalen Drehung des Motors benötigt werden, wie nachstehend noch unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wird, und der Motor 1 wird unter der Wirkung einer Kommutation angesteuert, die von einem Zusammenhang zwischen den jeweiligen Erregungsmustern einerseits und Kommutationszeiterfassungsphasen und eingeschalteten Dioden andererseits bewirkt wird. Der Modusdetektor 23 ist mit dem Umrichter 22 verbunden und erfaßt die eingeschalteten Zustände der jeweiligen Rückkopplungsdioden, die in dem Umrichter 22 enthalten sind, auf Grundlage der elektromotorischen Gegenkraft, die in den jeweiligen Spulen des Motors 1 erzeugt wird. Die Steuerschaltung 24 erfaßt die Kommutationszeit der jeweiligen Spulen U, V, W auf Grundlage des Erfassungssignals von dem Modusdetektor 23 und gibt das Ansteuersignal an jeden Transistor des Umrichters 22 aus, so daß eine zeitlich gut abgestimmte Kommutation an den jeweiligen Spulen U, V, W auftreten kann. Die Zerhackersteuerung wird in dem Umrichter 22 bewirkt. Auf Grundlage des Ansteuersignals wiederholt der Umrichter 22 den Betrieb wie voranstehend erwähnt. Ein derartiger wiederholter Betrieb bewirkt, daß der Rotor 3 kontinuierlich angetrieben wird.
Der Stator 2 und der Rotor 3 des bürstenlosen DC Motors ohne Positionssensor, die einen wichtigen Teil dieser Ausführungsform bilden, werden nachstehend mit näheren Einzelheiten beschrieben. 2 zeigt den bürstenlosen DC Motor ohne Positionssensor dieser Ausführungsform in einer vergrößerten Querschnittsansicht entlang seiner Drehachse transversal.
Der Stator 2 umgibt den Rotor 3 und weist 24 stationäre Magnetpole 5 auf, die nach innen gerichtet sind. Obwohl nicht gezeigt, tragen diese stationären Magnetpole 5 Spulen, die darauf gewickelt sind. Stationäre Magnetpoloberflächen 6, die von den inneren Endoberflächen der jeweiligen stationären Magnetpole 5 definiert werden, liegen in gleichen Abständen von der Mitte einer drehbaren Welle 4 in Anpassung an eine imaginäre zylindrische Oberfläche.
Der Rotor 3 wird von der drehbaren Welle 4 drehbar gelagert und inkludiert ein Joch 7, das eine Vielzahl von integral laminierten Siliziumstahlschichten umfaßt. Das Joch 7 weist entlang seines äußeren Umfangs vier sich drehende Magnetpole 8, 9, 10, 11 auf, die radial nach außen gerichtet sind. Ein Paar von Feldpermanentmagneten 12, 13 sind in Basisteile der sich drehenden Magnetpole 8, 10 jeweils parallel zu der drehbaren Welle 4 eingefügt, wobei N-Pole von diesen Feldpermanentmagneten 12, 13 aufeinander zu gerichtet positioniert sind. Demzufolge stoßen sich die N-Pole der Feldpermanentmagneten 12, 13 ab und ein magnetischer Fluß, der daraus erzeugt wird, definiert einen magnetischen Pfad, wie mit 2 dargestellt. Insbesondere geht der magnetische Fluß von dem Joch 7, nachdem er durch die sich drehenden Magnetpole 9, 10 gegangen ist, wieder in das Joch über die sich drehenden Magnetpole 8, 10 hinein. Somit werden die sich drehenden Magnetpole 8, 10 als S-Pole magnetisiert, während die sich drehenden Magnetpole 9, 10 als N-Pole magnetisiert werden.
Die sich drehenden Magnetpoloberflächen 14, 15, 16, 17 auf den äußeren Enden der jeweiligen sich drehenden Magnetpole 8, 9, 10, 11 definieren gekrümmte Oberflächen, die jeweils nach außen radial auslaufen. In dem vorliegenden Fall weisen kreisförmig gekrümmte Oberflächen, die von den jeweiligen sich drehenden Magnetpoloberflächen 14, 15, 16, 17 definiert werden, eine Krümmung auf, die größer als diejenige der imaginären zylindrischen Oberfläche ist, auf der die stationären Magnetpoloberflächen 6 liegen. Mit anderen Worten, die sich drehenden Magnetpoloberflächen 14, 15, 16, 17 liegen zu den stationären Magnetpoloberflächen 6 an Umfangsmittelpunkten der jeweiligen sich drehenden Magnetpoloberflächen am nächsten.
Der magnetische Fluß, der von den Feldpermanentmagneten 12, 13 erzeugt wird, ist auf die Umfangsmittelpunkte, an denen die sich drehenden Magnetpoloberflächen zu den stationären Magnetpoloberflächen am nächsten sind, konzentriert. Ein derartiges Phänomen wird mit näheren Einzelheiten im Zusammenhang mit der sich drehenden Magnetpoloberfläche 14 erläutert.
Ein Abstand von dem Umfangsmittelpunkt der sich drehenden Magnetpoloberfläche 14 zu dem entsprechenden stationären Magnetpol P2 wird hier mit do bezeichnet und Abstände von den stationären Magnetpolen P1, P3 neben dem stationären Magnetpol P2 zu der sich drehenden Magnetpoloberfläche 14 sind jeweils mit d1 und d2 bezeichnet. Der Abstand do ist kleiner sowohl als der Abstand d1 als auch der Abstand d2 und demzufolge erreicht der magnetische Fluß, der von dem Feldpermanentmagneten 12 erzeugt wird, die sich drehende Magnetpoloberfläche 14 größtenteils über den stationären Magnetpol P2 und dadurch wird eine elektromotorische Gegenkraft, die durch die sich drehende Magnetpoloberfläche 14 erzeugt wird, auf den stationären Magnetpol P2 konzentriert. Dies trifft auch für die anderen sich drehenden Magnetpoloberflächen 15, 16, 17 zu.
In dieser Weise erzeugt der Rotor 3, der die voranstehend erwähnten kreisförmig gekrümmten sich drehenden Magnetpoloberflächen aufweist, normalerweise die elektromotorische Gegenkraft größtenteils von den Umfangsmit telpunkten der jeweiligen sich drehenden Magnetpoloberfläche, so daß eine fehlerhafte Positionserfassung der sich drehenden Magnetpole zuverlässig verhindert werden kann.
Wie dargestellt, werden die Feldpermanentmagneten 12, 13 in dem vorliegenden Fall so konfiguriert, daß ihre gegenüberliegenden lateralen Seiten abgeschrägt sind, so daß dessen S-Pol-Seite eine kleinere Oberfläche als diejenige seiner N-Pol-Seite aufweisen kann. Somit wird der magnetische Fluß, der von dem Permanentmagneten erzeugt wird, an Umfangsmittelpunkten ihrer S-Pol-Oberflächen und demzufolge an Umfangsmittelpunkten der sich drehenden Magnetpoloberflächen 14, 16 konzentriert. Brücken 18, die an den gegenüberliegenden lateralen Seiten der jeweiligen Feldpermanentmagnete 12, 13 definiert sind, weisen eine relative große Breite über den größten Teil ihrer Erstreckungen auf, da die gegenüberliegenden lateralen Seiten abgeschrägt sind. Die Folge davon ist, daß das Joch 7 eine relativ hohe Festigkeit aufweist, so daß das Joch 7 sogar dann nicht leicht deformiert wird, wenn eine unerwartete externe Kraft auf die sich drehenden Magnetpoloberflächen 14, 16 ausgeübt wird.
Während die Schaltung auf der Grundlage der spezifischen Ausführungsform beschrieben worden ist, die die kreisförmig gekrümmten sich drehenden Magnetpoloberflächen aufweist, die jeweils durch einen Krümmungsradius definiert sind, der kleiner als derjenige ist, der die stationären Magnetpoloberflächen definiert, ist die Krümmung jeder sich drehenden Magnetpoloberfläche nicht auf den kreisförmigen Bogen und irgendwelche anderen Krümmungen beschränkt. Zum Beispiel kann eine parabolische Krümmung, gesehen transversal von der sich drehbaren Welle, verwendet werden, insoweit jede sich drehende Magnetpoloberfläche so konfiguriert ist, daß sie von der stationären Magnetpoloberfläche an den umfangsmäßig gegenüberliegenden Enden am weitesten beabstandet ist und an dem Umfangsmittelpunkt der sich drehenden Magnetpoloberfläche am nächsten angeordnet ist. Der ähnliche Effekt wird auch erhalten, wenn jede sich drehende Magnetpoloberfläche so konfiguriert ist, daß sie von der stationären Magnetpoloberfläche nur an einem Ende in der Drehrichtung beabstandet ist und dazu an dem Umfangsmittelpunkt am nächsten liegt.
Während die Schaltung bis hierhin auf Grundlage der spezifischen Ausführungsform beschrieben worden ist, die auf dem äußeren Umfang des Jochs vier sich drehende Magnetpole aufweist, die wiederum alternierend mit den darin eingefügten Feldpermanentmagneten versehen sind, ist der Rotor nicht auf eine derartige Konstruktion beschränkt, sondern kann irgendeine gerade Anzahl von sich drehenden Magnetpolen aufweisen und ein Feldpermanentmagnet kann in jedem von diesen eingefügt werden. Anstelle einer Einfügung der Feldpermanentmagneten in das Joch ist es auch möglich, Feldpermanentmagnete zu bilden, die jeweils die sich drehende Magnetpoloberfläche der voranstehend erwähnten Konfiguration aufweisen, und dann diese auf den äußeren Umfang der drehbaren Welle zu bonden.
Wie sich aus der voranstehenden Beschreibung entnehmen läßt, weisen gemäß der ersten Ausführungsform die sich drehenden Magnetpoloberflächen des Rotors die Krümmung auf, die nach außen radial anschwillt, so daß jede sich drehende Magnetpoloberfläche nahe zu der stationären Magnetpoloberfläche an einem gegebenen Punkt auf der sich drehenden Magnetpoloberfläche ist und demzufolge ist die elektromotorische Gegenkraft an dem Punkt konzentriert. In dieser Weise stellt diese Ausführungsform einen bürstenlosen DC Motor ohne Positionssensor bereit, gekennzeichnet dadurch, dass die Position jedes sich drehenden Magnetpols genau erfaßt werden kann. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Joch entlang seines äußeren Umfangs mit einer geraden Anzahl der nach außen radial vorstehenden, sich drehenden Magnetpolen versehen, wobei diese sich drehenden Magnetpole in ihren Basisteilen mit den Feldpermanentmagneten versehen sind, die darin parallel zu der drehbaren Welle eingefügt sind, und die gegenüberliegenden lateralen Seiten jedes Feldpermanentmagneten sind abgeschrägt, so daß die äußere Magnetpoloberfläche des Magneten kleiner als seine innere Magnetpoloberfläche ist. Demzufolge ist der magnetische Fluß, der von den Feldpermanentmagneten erzeugt wird, an dem Umfangsmittelpunkt jedes sich drehenden Magnetpols einerseits konzentriert und es ist möglich, das Joch mit den angemessenen breiten Brücken zu versehen und das Joch zu erhalten, das eine Festigkeit aufweist, die hoch genug ist, um die unerwartete externe Kraft, die darauf einwirkt, auszuhalten.
Nun wird die zweite Ausführungsform unter Bezugnahme auf 3 bis 7 beschrieben.
3 ist ein Blockschaltbild eines Steuersystems, welches gemäß der Ausführungsform konstruiert ist. Ein Modusdetektor 23 vergleicht eine Referenzspannung Ed (und Ed⁺, Ed^–) für den Vorwärtsspannungsabfall von Rückkopplungsdioden, die in einem Umrichter 22 enthalten sind, mit einer Anschlußspannung der jeweiligen Dioden, um die eingeschalteten Zustände der jeweiligen Rückkopplungsdioden zu erfassen und dadurch die Erregungsmustermoden zu erfassen. In dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem Umrichter 22 um den dreiphasigen Bipolar-Typ und, wie in 6 gezeigt, er faßt der Umrichter 22 die eingeschalteten Zustände von sechs Phasen U+, U-, V+, V-, W+, W- entsprechend zu den jeweiligen Erregungsmustern und und legt die entsprechenden Erfassungssignale an eine Steuerschaltung 24 an, die wiederum einen Kommunikationszeitsignaldetektor 25, einen Ausgabemustermodusgenerator 26, einen Ansteuersignalgenerator 27, einen Musterübereinstimmungsdetektor 28, eine Startsteuereinrichtung 29, einen Zerhackerwähler 30 und einen Zerhackersignalgenerator 31 umfaßt. Der Kommutationzeitsignaldetektor 25 ist dafür ausgelegt, das Kommutationzeitsignal auf Grundlage des Ausgangs von dem Modusdetektor 23 zu erfassen und einen Taktimpuls zu erzeugen. Der Ausgabemustermodusgenerator 26 ist dafür ausgelegt, um auf Grundlage des von dem Kommutationzeitsignaldetektor 25 angelegten Taktimpulses Signale zu erzeugen, die die sechs Modi darstellen, wie in 6 angedeutet, und auf Grundlage von jedem dieser Signale erzeugt der Ansteuersignalgenerator 27 ein Motoransteuersignal. Der Musterübereinstimmungsdetektor 28 vergleicht ein Signal h1, eines der sechs Kommutationzeitsignale mit einer Wellenform h3-2 des Ausgabemustermodus 2 während einer Periode, für die der Ausgabemustermodusgenerator 26 ein Signal ho an die Startsteuereinrichtung ausgibt, um ein erneutes Starten anzufordern. Auf Grundlage eines Signals h3 von dem Ausgabemustermodusgenerator 26 und einem Signal von der Startsteuereinrichtung 29 erzeugt der Ansteuersignalgenerator 27 ein Motoransteuersignal, während der Zerhackerwähler 30 bestimmt, ob der Zerhacker positiv oder negativ ist, und gibt ein entsprechendes Signal an den Ansteuersignalgenerator 27 aus. Das von dem Zerhackersignalgenerator 31 kommende Signal wird in dem Ansteuersignalgenerator 27 überlagert und steuert dadurch die jeweiligen Transistoren des Umrichters 22 an.
Unter Bezugnahme auf 4 ist die Anordnung des Musterübereinstimmungsgenerators 28 veranschaulicht. Der Ausgabemustermodusgenerator 26 arbeitet als ein Abwärtszähler, der dafür ausgelegt ist, um das ODER Signal h2 der sechs Kommutationzeitsignale in der Form eines Taktimpulses sukzessive auf sechs Ausgangsanschlüssen 5 bis 0 zu erzeugen. Beim Starten und beim erneuten Starten wird der Modus 5 als ein Anfangsmodus ausgegeben, dann werden die Modi 3, 2, 1, 0 und 5 in dieser Reihenfolge ausgegeben (bezüglich einer derartigen Sequenz werden Einzelheiten nachstehend beschrieben). Der Ausgang h3-2 des Ausgabemustermodusgenerators 26 und das Kommutationzeitsignal h1 werden an ein exklusiv ODER-Gatter 32 angelegt, von dem der Ausgang h4 wiederum zusammen mit dem ODER-Signal h2 der sechs Kommutationzeitsignale an ein NAND Gatter 33 angelegt wird. Insbesondere wird der Ausgang h3-2 des Ausgabemustermodusgenerators 26 mit dem Kommutationzeit signal h1 während einer Periode verglichen, für die das ODER-Signal h2 der sechs Kommutationzeitsignale ausgegeben wird, und wenn keine Übereinstimmung erfaßt wird, wird der Ausgang ho des NAND Gatters 33 hoch. Dieser Ausgang wird an die Start-Steuereinrichtung 29 angelegt. Eine Korrelation der jeweiligen Signale wird durch ein Zeitdiagramm der 5 veranschaulicht.
Der Ansteuersignalgenerator 27 erzeugt sukzessive die Ansteuersignale der Ausgabemuster 5 bis 0 entsprechend der Erregungsmuster, wie in 6 angedeutet. Insbesondere stehen die Ausgabemustermodi, die Erregungsmuster und die Kommutationzeitsignal-Erfassungsphasen zueinander in Beziehung, wie in 5 gezeigt. Wenn zum Beispiel das Kommutationzeitsignal von U- der Offen-Phase U bei dem Ausgabemustermodus 3 erfaßt wurde, dann kann das Erregungsmuster von demjenigen entsprechend dem Modus 3 auf demjenigen entsprechend dem Modus 2 bei dem nächsten Ausgabemustermodus 2, d.h. dem Erregungsmodus "von V⁺ nach U^–" umgeschaltet werden, um die normale Drehung fortzusetzen.
7 ist ein Flußdiagramm, das eine Startsequenz in dieser Ausführungsform veranschaulicht. Eine Erregung mit einem gegebenen Muster tritt im Schritt T1 auf. In diesem Fall wird der Modus 5 als das gegebene Muster gewählt, d.h. das Erregungsmuster "einer U+ Phase zu einer V- Phase" und 10 bis 15A werden mit einem derartigen Ausgabemuster versorgt. Ein derartiger Zustand wird für 0,8 Sek. im Schritt T2 aufrechterhalten. Demzufolge wird der Rotor in eine Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung um einen elektrischen Winkel von max. 180° gedreht und so angehalten, daß eine Position des Rotors fixiert sein kann. Nun wird der Ausgabemustermodus um zwei vorgerückt und der Modus 3 wird ausgegeben. Das heißt, eine Zuführung tritt mit dem Erregungsmuster "von der V+ Phase zu der W- Phase" auf. Infolgedessen wird der Rotor in der Vorwärtsrichtung gemäß dem Erregungsmuster, das um einen elektrischen Winkel von 120° in der Vorwärtsrichtung vorgerückt ist, gestartet und beschleunigt. Der Grad der Beschleunigung hängt von dem zugeführten Stromwert sowie von der Lastbedingung ab und in dieser Ausführungsform kann eine Umdrehungsgeschwindigkeit, die zum Erzeugen der elektromotorischen Gegenkraft ausreichend ist, die für einen sensorlosen Lauf benötigt wird, in einem Moment beim Starten mit einer Stromzuführung in der Größenordnung von 5A erreicht werden. Somit wird im Schritt T4 das Kommutationzeitsignal erzeugt. Soweit es die normale Drehung betrifft, wird das Kommutationzeitsignal von den Rückkopplungsdioden der U- Phase erfaßt, die während dieser Periode offen ist. Dann bestimmt ein Schritt T5, ob ein Ausga bemustermodus mit der Kommutationzeitsignal-Erzeugungsphase übereinstimmt oder nicht. Insbesondere bestimmt der Schritt T5, ob das Signal des Modus 2 mit dem Kommutationzeitsignal von der U- Phase übereinstimmt oder nicht, da der Ausgabemustermodus um 1 zu dem Modus 2 vorgerückt wird, wenn das Kommutationzeitsignal erzeugt wird. Wenn eine Übereinstimmung erfaßt wird, dann geht die Routine zu einem Schritt Schritt T6 weiter, um den sensorlosen Lauf fortzusetzen, und wenn sie nicht erfaßt wird, dann verzweigt sich die Routine zu einem Schritt T7, um das Ausgabemuster zu stoppen. Nachdem zwei Sekunden in einem Schritt T8 abgelaufen sind, kehrt die Routine zum Schritt 1, dem Startpunkt der offenen Schleife, zurück, um die Startsequenz zu wiederholen. Die abgelaufene Zeit im Schritt T8 wird vorzugsweise auf eine Zeitperiode eingestellt, an deren Ende der Motor anhält und in dieser Ausführungsform ist die Zeit in der Größenordnung von 2 SekEs auf hingewiesen, daß der Stromwert, die ablaufende Zeit und das Ausgabemuster für diese Ausführungsform spezifisch sind und, daß es offensichtlich möglich ist, die anderen Werte und Muster in den anderen Ausführungsformen anzuwenden.
Wie sich aus der vorangehenden Beschreibung ergibt, ist die zweite Ausführungsform so angeordnet, daß der Zustand, in dem sich der Motor dreht, selbst unter einer Last erfaßt werden kann, die möglicherweise eine Fluktuation des Zustands während des Startvorgangs verursacht, und ein erneuter Startvorgang kann durch Wiederholen der Startsequenz versucht werden, selbst wenn der Motor gerade vibriert. In dieser Weise kann ein weiterer zuverlässiger Startvorgang mit einer relativ einfachen Schaltungsanordnung erzielt werden.
Die dritte Ausführungsform wird mit Bezug auf 8 beschrieben.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine Anordnung einer Steuereinrichtung zeigt. Wie zuvor erwähnt wurde, erfasst ein Modusdetektor 23 den eingeschalteten Zustand von jeweiligen Rückkopplungsdioden. Eine Steuerschaltung 24 in dieser Ausführungsform umfasst prinzipiell einen Kommutationszeiteinstellungssignaldetektor 25, einen Phasenverschieber 35, einen sechsstufigen Wellenformgenerator 36, einen Ansteuersignalgenerator 27, einen Dreieckwellenkomparator 37, einen F/V-Konverter 38, einen Komparator 39 und erste und zweite Oszillatoren 40, 41.
Der Kommutationszeiteinstellungssignaldetektor 25 erfasst die Kommutationszeiteinstellung, die von einer abgeschnittenen Periode erhalten wird, basierend auf der Ausgabe von dem Modusdetektor 23 und generiert einen Taktimpuls. Der Phasenverschieber 35 ist eine Verzögerungsschaltung, die einen Zähler vergleicht, angepasst, eine normale Kommutationszeiteinstellung zu erhalten, basierend auf dem Ausgangssignal des Kommutationszeiteinstellungssignaldetektors 25, und verschiebt (d.h. verzögert) die Phase allgemein innerhalb eines elektrischen Winkels von 15° bis 30°. Der sechsstufige Wellenformgenerator 36 generiert Wellenformen von sechs Modi basierend auf den Taktimpulsen, die von dem Phasenverschieber 35 angelegt werden, sodass der Ansteuersignaldetektor 27 darauf das Motoransteuersignal generieren und dieses auf das Zerhackersignal, das von dem Dreieckwellenkomparator 37 angelegt wird, vor einer Anwendung auf den Umrichter 22 überlagern kann. Der F/V-Konverter 38 dient dazu, die Taktimpulse zu F/V-konvertieren, die der Drehfrequenz des Motors 1 proportional sind, die von dem Kommutationszeitsignaldetektor 25 ausgegeben wird, und eine Gleichspannung, die dadurch erhalten wird, wird durch den Komparator 39 mit der Referenzspannung abhängig von der Drehfrequenz des Motors 1 verglichen. Abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs tritt ein Umschalten mittels eines Schalters 42 zwischen dem ersten Oszillator 40 und dem zweiten Oszillator 41 auf. Ausgaben dieser Oszillatoren 40, 41 werden abwechselnd in der Form von Referenzdreieckwellen zu dem Dreieckwellenkomparator 37 angelegt, und die Referenzdreieckwelle, die von dem zweiten Oszillator 41 generiert wird, stellt eine Oszillationsfrequenz dar, die sich von der der Referenzdreieckwelle unterscheidet, die von dem ersten Oszillator 40 generiert wird. Vorzugsweise hat der erste Oszillator 40 einerseits eine Oszillationsfrequenz von 15 kHz, und der F/V-Konverter 38 und der Komparator 39 sind angeordnet, sodass der Schalter 42 mit dem ersten Oszillator 40 für die Drehfrequenz kleiner als 5000 verbunden ist, und mit dem zweiten Oszillator für die Drehfrequenz von 5000 oder höher verbunden ist.
Es ist auch möglich, einen Signaloszillator vorzusehen, und eine Oszillationsfrequenz selbst basierend auf der Ausgabe des Komparators umzuschalten.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung verstanden wird, minimiert die dritte Ausführungsform vorteilhafter Weise einen Umschaltverlust des Umrichters und unterdrückt effektiv eine Wärmeerzeugung von den Umrichterelementen.
Die vierte Ausführungsform wird mit Bezug auf 9 bis 11 beschrieben.
Wie in 9 gesehen wird, umfasst eine Steuerschaltung 24 in dieser Ausführungsform prinzipiell einen Kommutationszeiteinstellungssignaldetektor 25, einen Phasenverschieber 35, einen sechsstufigen Wellenformgenerator 36, einen Ansteuersignalgenerator 27, einen Dreieckwellenkomparator 37, einen F/V-Konverter 38 und einen Oszillator 43.
Der Kommutationszeiteinstellungssignaldetektor 25 erfasst die Kommutationszeiteinstellung, erhalten von einer abgeschnittenen Periode basierend auf der Ausgabe des Modusdetektors 23, und generiert einen Taktimpuls. Der Phasenverschieber 35 ist eine Verzögerungsschaltung, die einen Zähler umfasst, der angepasst ist, eine normale Kommutationszeiteinstellung zu erhalten, basierend auf dem Ausgabesignal des Kommutationszeiteinstellungssignaldetektors 25, und verschiebt (d.h. verzögert) die Phase allgemein mit einem elektrischen Winkel von 15° bis 30°. Der sechsstufige Wellenformgenerator 36 generiert Wellenformen von sechs Modi basierend auf den Taktimpulsen, die von dem Phasenverschieber 35 angelegt werden, sodass der Ansteuersignalgenerator 27 darauf das Motoransteuersignal generieren und dieses auf das Zerhackersignal, das von dem Dreieckwellenkomparator 37 angelegt wird, vor einer Anwendung auf den Umrichter 22 überlagern kann. Der F/V-Konverter 38 dient dazu, die Taktimpulse zu F/V-konvertieren, die proportional zu der Drehfrequenz des Motors 1 sind, ausgegeben von dem Kommutationszeiteinstellungssignaldetektor 25, und eine Gleichspannung, die dadurch erhalten wird, wird zu dem Oszillator 43 angelegt, der dann eine Referenzdreieckwelle einer Periode generiert, die der Gleichspannung proportional ist. Die Dreieckwelle mit einer Drehfrequenzbefehlsspannung und eine Ausgabe eines vorbestimmten Zerhackersignals zu dem Ansteuersignalgenerator 27.
10 veranschaulicht beispielhaft eine Verbindung, die sich von dem F/V-Konverter 38 zu dem Oszillator 43 erstreckt, gezeigt in 9, und 11 veranschaulicht Wellenformen, die von wichtigen Komponenten der Verbindung generiert werden. Der F/V-Konverter 38 umfasst prinzipiell einen Operationsverstärker 44, eine Diode, einen Widerstand und einen Kondensator. Der Kommutationszeiteinstellungssignaldetektor 25 generiert sechs Impulse pro einer Umdrehung des Motors 1. Wenn ein Signal k1 von dem Kommutationszeiteinstellungssignaldetektor 25 zu dem F/V-Konverter 38 angelegt wird, wird eine Gleichspannung k2 erhalten, die der Drehfrequenz proportional ist. Die Gleichspannung k2 steuert ein Gate von FET 46 an und veranlasst einen ON-Widerstand von FET 46, auf eine lineare Weise zu variieren. Der Dreieckwellengenerator 37 umfasst Operationsverstärker 45, 47, Oszillationsfrequenzregelwiderstände, einen Kondensator und eine Zener-Diode. Ein FET ist zwischen den Widerständen verbunden, sodass ein Ausgangssignal k3 von dem Operationsverstärker 47 eine Referenzdreieckwelle einer Frequenz darstellt, die der Frequenz des Signals k1 proportional ist, das von dem Kommutationszeiteinstellungssignaldetektor 25 ausgegeben wird. Es sollte verstanden werden, dass die Zeitachse, die in 11 angegeben ist, für die jeweiligen Wellenformen k1, k2 und k3 zur Vereinfachung einer Darstellung bezüglich der Wellenform k3 tatsächlich ausgedehnt ist.
In dieser Ausführungsform ist die Drehfrequenz von 2 kHz bis 15 kHz für die Drehfrequenz von 0 bis 10.000 pro Minute kontinuierlich variabel. Wie aus der vorangehenden Beschreibung erkannt wird, minimiert die vierte Ausführungsform vorteilhafter Weise einen Umschaltverlust des Umrichters und unterdrückt eine Wärmegenerierung von den Umrichterelementen, da die Zerhackerfrequenz in Übereinstimmung mit der Drehfrequenz des Motors 1 kontinuierlich variiert werden kann.
Die fünfte Ausführungsform und die erste Ausführungsform der Erfindung werden mit Bezug auf 12 bis 17 beschrieben. Bezugnehmend auf 12 bezeichnet Bezugszeichen 22 einen Umrichter und Bezugszeichen 23 bezeichnet einen Detektor einer elektromotorischen Gegenkraft (mit einer Funktion, die der des Modusdetektors in den vorherigen ersten bis vierten Ausführungsformen ähnlich ist). Der Umrichter 22 dient als eine Ansteuerschaltung für den bürstenlosen DC Motor 1. Der bürstenlose DC Motor 1 inkludiert Statorspulen U, V, W und einen Permanentmagnetrotor 3, sodass der Permanentmagnetrotor 3 unter der Wirkung des magnetischen Feldes gedreht wird, das durch einen Strom generiert wird, der durch die Statorspulen fließt.
Eine Steuerschaltung 24 gemäß dieser Ausführungsform umfasst einen Stromdetektor 50, einen Strompegeldetektor 51, einen Erfassungsverhinderer 52, einen Phasenverschieber 53 und einen Einspeisesignalgenerator 54. Eine Anschlussspannung des bürstenlosen DC Motors 1 wird an den Detektor einer elektromotorischen Gegenkraft 23 angelegt, und die elektromotorische Gegenkraft der offenen Phasen wird basierend auf der Anschlussspannung erfasst. Der Stromdetektor 50 und der Strompegeldetektor 51 bilden gemeinsam ein Mittel, um eine Größe des Stroms zu erfassen, der durch den Motor 1 fließt. Der Stromdetektor 50 setzt Komponenten ein, wie etwa einen Nebenschlusswiderstand und einen Stromtransformator, um die gewünschte Erfassung zu erreichen. Der Strompegeldetektor 51 wird leicht durch Verwenden einer Spitzenhalteschaltung angeordnet. Der Erfassungsverhinderer 52 ist eine Schaltung, um eine weitere Erfassung der elektromotorischen Gegenkraft zu verhindern, unmittelbar nachdem Kommutation aufgetreten ist. Der Phasenverschieber 53 verzögert die Phase eines Ausgangssignals von dem Erfassungsverhinderer 52 um einen elektrischen Winkel von 30°. Der Einspeisesignalge nerator 54 ist eine Schaltung, um ein Signal zu generieren, mit dem der Umrichter 22 angesteuert wird.
Bezugnehmend auf 13 verwendet der Detektor einer elektromotorischen Gegenkraft 23 eine Vielzahl von Komparatoren 55, um einen Mittelpunkt mit einer Anschlussspannung des Motors 1 zu vergleichen, sodass die Anschlussspannung m1 des bürstenlosen DC Motors 1 und die Ausgabe m2 des Detektors einer elektromotorischen Gegenkraft 23 Wellenformen darstellen, wie jeweils in 14 veranschaulicht. Bezugnehmend auf 14 hängt eine Zeitperiode t, für die eine elektrische Energie emittiert wird, von der Last und der Drehfrequenz ab. Ein Stromwert I und die Emissionszeitperiode elektrischer Energie t werden grafisch in 15 basierend auf den Daten, die experimentell erhalten werden, unter Verwendung der Drehfrequenz als ein Parameter gezeigt. Wie aus 15 offensichtlich sein wird, wird die Emissionszeitperiode elektrischer Energie t verlängert, wenn die Drehfrequenz reduziert wird. Entsprechend sollte die Steuereinrichtung die Erfassung einer elektromotorischen Gegenkraft für eine Zeitperiode verhindern, die länger als die Zeitperiode entsprechend der erwarteten minimalen Drehfrequenz ist. Diese Verhinderungszeitperiode, die einen elektrischen Winkel von 30° überschreitet, würde jedoch zu einer Verhinderung der Erfassung einer elektromotorischen Gegenkraft führen, die erfasst werden muss.
16 zeigt beispielhaft den Erfassungsverhinderer 52. Ein Einspeisungsabschlusssignal für einen unteren Anker wird an einen Eingangsanschluss 57 eines monostabilen Multivibrators 56 (hierin nachstehend einfach als Monomulti bezeichnet) angelegt, während ein Einspeisungsabschlusssignal für einen oberen Anker an einen Eingangsanschluss 59 eines Monomulti 58 angelegt wird. Das Ausgangssignal des Strompegeldetektors 51 wird an Anschlüsse 61, 62, 63 der jeweiligen Monomultis 56, 58 angelegt, und dadurch wird eine Periode der Ausgangsimpulse variiert. In diesem speziellen Beispiel wird die Periode der Ausgangsimpulse durch EIN/AUS von Zeiteinstellungskondensatoren variiert. Die Signale, die in der Schaltung von 16 erscheinen, stellen jeweilige Wellenformen dar, wie in 17 veranschaulicht wird. Bezugnehmend auf 17 ist, falls m4 auf einem hohen Pegel ist, m2 geerdet und deshalb wird kein Signal übertragen. Falls m5 auf einem hohen Pegel ist, ist ein Ausgang von einem OR-Gate 64 auch auf einem hohen Pegel. Somit können m4 und m5 angeordnet sein, wie in 17 veranschaulicht wird, um die Erfassung solange zu verhindern, wie die elektrische Energie emittiert wird. m3 ist eine Ausgangswellenform des Erfassungsverhinderers 52. Es sollte verstanden werden, dass die Schaltung von 16 bis zu der Zahl entsprechend der Zahl von Phasen eines Motors vorgesehen werden muss. Das Signal, das die Wellenform m3 darstellt, eilt der normalen Einspeisungszeiteinstellung um einen elektrischen Winkel von 30° voraus, und deshalb muss der Phasenverschieber 53 eine Verzögerung entsprechend diesem elektrischen Winkel von 30° vorsehen. Der Phasenverschieber 53 wird einfach unter Verwendung eines Zählers implementiert. Basierend auf einem Ausgangssignal des Phasenverschiebers 53 generiert der Einspeisesignalgenerator 54 ein Ansteuersignal für den Umrichter 22. Manchmal wird der Phasenverschieber 53 abhängig von auf der besonderen Art und Weise eliminiert, auf die der Winkel einer Vorauseilung gesteuert wird.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung erkannt wird, erlaubt die fünfte Ausführungsform der Erfindung, die positions-sensorlose Ansteuerung auf der Basis der genauen Kommutationszeiteinstellung zu erreichen, selbst wenn die Last und/oder die Drehfrequenz schwanken. Entsprechend kann die positions-sensorlose Ansteuerung für das bestimmte Gebiet einer Anwendung angenommen werden, auf dem eine positions-sensorlose Ansteuerung gewöhnlich unpraktisch gewesen ist.
Die sechste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform der Erfindung werden mit Bezug auf 18 und 19 beschrieben.
Eine Steuerschaltung 24 gemäß dieser Ausführungsform umfasst, wie in 18 gezeigt wird, einen Erfassungsverhinderer 52, einen Phasenverschieber 53, einen Einspeisesignalgenerator 54 und einen Drehfrequenzdetektor 65.
Der Erfassungsverhinderer 52 verhindert eine weitere Erfassung einer elektromotorischen Gegenkraft, unmittelbar nachdem die Kommutation aufgetreten ist. Der Phasenverschieber 53 verzögert die Phase eines Ausgangssignals von dem Erfassungsverhinderer 52 um einen elektrischen Winkel von 30°. Der Einspeisesignalgenerator 54 dient dazu, ein Signal zu generieren, mit dem der Umrichter 22 angesteuert wird. Der Drehfrequenzdetektor 65 erfasst die Drehfrequenz des Motors 1, und die Drehfrequenzinformation, die von dort bereitgestellt wird, wird zu dem Erfassungsverhinderer 52 angelegt.
Ein Detektor einer elektromotorischen Gegenkraft (= Modusdetektor) 23 hat eine Anordnung ähnlich zu der in der vorherigen fünften Ausführungsform und sieht die Ausgangswellenform m2 vor, wie in 14 veranschaulicht wird. Die Drehfrequenz N und die Emissionszeitperiode elektrischer Energie t werden in 19 basierend auf den Daten, die experimentell erhalten werden, unter Verwendung der Last als ein Parameter grafisch gezeigt. wie aus 19 offensichtlich sein wird, wird die Emissionszeitperiode elekt rischer Energie t verlängert, wenn die Drehfrequenz verringert wird. Entsprechend sollte auch in dieser Ausführungsform die Steuereinrichtung die Erfassung einer elektromotorischen Gegenkraft für eine Zeitperiode verhindern, die länger als die Zeitperiode entsprechend der erwarteten minimalen Drehfrequenz ist. Diese Verhinderungszeitperiode, die einen elektrischen Winkel von 30° überschreitet, würde jedoch zu einer Verhinderung der Erfassung der elektromotorischen Gegenkraft führen, die erfasst werden muss.
Der Erfassungsverhinderer 52 hat die Anordnung ähnlich zu der in der vorherigen fünften Ausführungsform, die in 16 gezeigt wird, und sieht die Ausgangswellenform vor, wie in 17 veranschaulicht wird. Das Ausgangssignal eilt der normalen Einspeisungszeiteinstellung um einen elektrischen Winkel von 30° voraus, und deshalb muss der Phasenverschieber 53 eine Verzögerung entsprechend dem elektrischen Winkel von 30° vorsehen. Als Reaktion auf den Phasenverschieber 53 generiert der Einspeisesignalgenerator 54 ein Ansteuersignal für den Umrichter 22.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung erkannt wird, erlaubt auch die sechste Ausführungsform der Erfindung, die positions-sensorlose Ansteuerung auf der Basis der genauen Kommutationszeiteinstellung zu erreichen, selbst wenn die Last und die Drehfrequenz schwanken. Entsprechend kann die positions-sensorlose Ansteuerung für das bestimmte Gebiet einer Anwendung angenommen werden, auf dem eine derartige positions-sensorlose Ansteuerung gewöhnlich unpraktisch gewesen ist. Während die fünften und sechsten Ausführungsformen der Erfindung oben beschrieben wurden, die Erfassung einer elektromotorischen Gegenkraft gemäß einem so genannten Mittelpunktvergleich einzusetzen, sollte verstanden werden, dass diese Ausführungsformen auch auf den Fall anwendbar sind, in dem die elektromotorische Gegenkraft basierend auf den eingeschalteten Zuständen der Rückkopplungsdioden erfasst wird, wie zuvor erwähnt.
Schließlich wird die siebte Ausführungsform mit Bezug auf 20 bis 25 beschrieben, wobei der Fall angenommen wird, in dem ein dreiphasiger bürstenloser DC Motor verwendet wird. 20 ist ein Blockdiagramm, das allgemein eine Anordnung dieser Ausführungsform zeigt.
Eine Steuereinrichtung 24 gemäß dieser Ausführungsform umfasst einen Stromdetektor 50, einen Isolationsverstärker 66, einen Rotorpositionsdetektor 67 und einen Einspeisesignalgenerator 54. Der Stromdetektor 50 dient dazu, eine Wellenform eines Stroms zu erfassen, der durch den DC Motor fließt, wobei Komponenten verwendet werden, wie etwa ein Nebenschlusswiderstand und ein Stromtransformator. Der Einspeisesignalgenerator 54 generiert ein Signal, mit dem der Umrichter 22 angesteuert wird. Der Isolationsverstärker 66 und der Rotorpositionsdetektor 67 bilden gemeinsam ein Mittel, um die Stromwellenform zu erfassen, und dadurch wird die Position des Permanentmagnetrotors 3 erfasst. Der Rotorpositionsdetektor 67 hat eine Anordnung, wie in 21 gezeigt.
Eine Ausgabe n1 des Isolationsverstärkers 66 wird zu einem A/D-Konverter 68 angelegt, der die Stromwellenform einer gegebenen Periode abtastet und diese digitalisiert. Die so digitalisierte Stromwellenform wird zu einem Mikrocomputer 72 angelegt, der eine CPU 69, einen RAM 70 und einen ROM 71 umfasst, und der Mikrocomputer 72 führt eine Diagnose der Wellenform durch. Es wird auch ein Startsignal zu einem Eingangsanschluss 73 des Mikrocomputers 72 angelegt.
Nun wird eine Operation der Steuereinrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, mit Bezug auf das Flussdiagramm von 22 beschrieben.
Bei Anwendung des Startsignals generiert der Mikrocomputer 72 ein Signal einer gegebenen Periode von seinem Ausgangsanschluss 75, und dieses Signal wird zu dem Einspeisesignalgenerator 54 angelegt, was einen synchronisierten Lauf des bürstenlosen DC Motors 1 bewirkt (Schritt T21). Der synchronisierte Lauf setzt sich für eine gegebene Zeitperiode t fort, bis der bürstenlose DC Motor 1 eine vorbestimmte Drehfrequenz erreicht (Schritt T22). Die gegebene Zeitperiode t hängt von den Charakteristika des bürstenlosen DC Motors ab, der tatsächlich verwendet wird.
Nachdem der bürstenlose DC Motor den synchronisierten Lauf für die vorbestimmte Zeitperiode t in dem Schritt T22 fortgesetzt hat, bestimmt der Mikroprozessor 72 in einem Schritt T23, ob eine Einspeisung (Kommutation) zu der Phase, in dem die Stromwellenform erfasst wird, gestartet wird oder nicht. Falls die Bestimmung bestätigend ist, wird die Stromwellenform, die von dem A/D-Konverter 68 ausgegeben wird, aufgenommen und in dem RAM 70 gespeichert (Schritt T24), bis der Einspeisungsmodus umgeschaltet wird (Schritt T25). Falls der Einspeisungsmodus in dem Schritt T25 umgeschaltet wurde, liest die CPU 69 die Stromwellenform, die in dem RAM 70 gespeichert ist, und dadurch wird die Spitzenposition der Stromwellenform erfasst (Schritt T26, Schritt T27), um die Position der Magnetpole des Rotors zu erfassen.
Falls die Stromwellenform erfasst wurde, z.B. um die Spitzenposition zu haben, die in der Mitte (t₁ = t₂) zwischen dem Kommutationsstartpunkt und dem Einspeisungsmodusumschaltpunkt liegt, wie in 23 gezeigt wird, wird die gegenwärtige Einspeisungszeiteinstellung bestimmt, zu der relati ven Position des Rotors und der Statorspulen zu passen. Falls die Spitzenposition in der zweiten Hälfte (t₁ > t₂) liegt, wie in 24 gezeigt, wird die Einspeisungszeiteinstellung bestimmt, verzögert zu werden. Falls die Spitzenposition in der ersten Hälfte (t₁ < t₂) liegt, wie in 25 gezeigt, wird die Einspeisungszeiteinstellung bestimmt, vorgerückt zu werden.
Wenn t₁ = t₂ ist, wird die Einspeisung mit dieser Zeiteinstellung fortgesetzt, und wenn t₁ > t₂ ist, wird die Einspeisungszeiteinstellung um einen vorgeschriebenen Betrag vorgerückt (Schritt T28). Wenn t₁ < t₂ ist, wird die Einspeisungszeiteinstellung um einen vorgeschriebenen Betrag verzögert (Schritt T29).
Sobald die Einspeisungszeiteinstellung geändert wurde, wird auf die nächste Einspeisung gewartet, und bei Start der Einspeisung wird die Operation, wie oben erwähnt, wiederholt. Auf diese Art und Weise kann eine genaue Kommutationszeiteinstellung erreicht werden, selbst wenn die Drehfrequenz und/oder die Last schwanken. Eine übermäßige Verzögerung oder Vorrückung der Zeiteinstellung wird jedoch zu einer Wiederholung von t₁ > t₂ und t₁ < t₂ führen.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung erkannt wird, erlaubt die siebte Ausführungsform die stabile Positionserfassung des Rotors, selbst wenn der Rotor strukturell verhindert, dass die elektromotorische Gegenkraft in den offenen Phasen linear variiert. Des Weiteren kann die Kommutation stets mit der präzisen Zeiteinstellung erreicht werden, da die Einspeisungszeiteinstellung stets auf der Basis der Stromwellenform überwacht wird.
Gewerbliche Anwendbarkeit:
Obwohl der bürstenlose DC Motor der Erfindung keinen Positionssensor aufweist, kann er genau die Rotorposition erfassen, eine ausreichende strukturelle Festigkeit sicherstellen, und eine feine Drehungssteuerung erzielen. In Hinsicht auf diese Fähigkeit eignet sich der bürstenlose DC Motor der Erfindung zur Verwendung unter einer widrigen Bedingung, beispielsweise einer hohen Temperatur, die gewöhnlicherweise bei einem Kompressor des Spiral-Typs angetroffen wird.

Claims

Steuervorrichtung (24; 1, 2; 12–17) für einen bürstenlosen Gleichstrommotor (1) ohne Positionssensor, inkludierend einen Inverter (22), angepasst, den Motor (1) unter einer Choppersteuerung anzusteuern, und unter Nutzung einer gegenelektromotorischen Kraft, die in Ständerspulen (U, V, W) von jeweiligen Phasen generiert wird, während ein Rotor (3) rotiert wird, um eine Position des Rotors zu erfassen und dadurch ein Kommutationssignal zu generieren, wobei das Steuersystem gekennzeichnet ist durch: Mittel (50, 51), um eine Größe eines Stroms zu erfassen, der durch den Motor (1) fließt, und Mittel (52), um die Positionserfassung zu unterbinden basierend auf der elektromotorischen Kraft, unmittelbar nachdem Kommutation aufgetreten ist, basierend auf der Ausgabe von dem Stromerfassungsmittel.
Steuervorrichtung (24; 1, 2; 18, 19) für einen bürstenlosen Gleichstrommotor (1) ohne Positionssensor, inkludierend einen Inverter (22), angepasst, den Motor (1) unter einer Choppersteuerung anzusteuern, und unter Nutzung einer gegenelektromotorischen Kraft, die in Ständerspulen (U, V, W) von jeweiligen Phasen generiert wird, während ein Rotor (3) rotiert wird, um eine Position des Rotors zu erfassen und dadurch ein Kommutationssignal zu generieren, wobei die Steuervorrichtung einen Rotationsfrequenzdetektor (69) umfasst, gekennzeichnet durch: ein Detektorschutzmittel (52), angepasst, die Rotorpositionserfassung für eine Zeitperiode einer Emission elektrischer Energie t zu unterbinden, beginnend nur nachdem die Kommutation endet, wobei die Zeitperiode einer Emission elektrischer Energie t basierend auf der Ausgabe von dem Rotationsfrequenzdetektor (65) abgestimmt wird.