DE69322298T2 - Verstärker und Verfahren zur Erfassung der Gegen-EMK einer Spule eines mehrphasigen, sensorlosen Gleichstrommotors - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Verbesserungen bei Schaltungen, die beim Betreiben mehrphasiger Gleichstrommotoren verwendet werden können, und sie betrifft speziell Verfahren und Einrichtungen zum Entwickeln von Informationen bezüglich des Durchgangs einer Referenzspannung durch die Gegen-EMK (GEMK) nicht ausgewählter oder nicht geerdeter Feldspulen zur Regelung eines Drehrotors eines mehrphasigen Gleichstrommotors, und sie betrifft noch spezieller Verfahren und Einrichtungen zur Erfassung der Referenzspannungsdurchgänge der Gegen-EMK von nicht geerdeten Feldspulen zur Regelung von Spulen-Kommutationssignalen, sogar bei geringen Motordrehzahlen.
• Electronic Components and Applications, Band 10, Nr. 1, Seiten 2-10, "Full Wave Sensorless Drive ICs for Brushless DC Motors", Dominique Puillox, offenbart eine Betriebsschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, bei welcher die Kommutationszeiteinteilung dadurch bestimmt wird, daß intern die Nulldurchgänge der Gegen- EMK abgetastet werden, die durch drei Statuswicklungen während ihrer nicht erregten Perioden erzeugt wird.
• Obwohl die vorliegende Erfindung im allgemeinen mehrphasige Gleichstrommotoren betrifft, findet sie eine spezielle Anwendung in Verbindung mit dreiphasigen Gleichstrommotoren, speziell vom bürstenlosen, sensorlosen Typ, welche verwendet werden, um Datenmedien in Drehung zu versetzen, wie sie bei Computeranwendungen zu finden sind, beispielsweise Festplattenantriebe, CD-ROM-Antriebe, Floppy-Disks, VCRs und ähnliche. Bei solchen Computeranwendungen werden dreiphasige, bürstenlose, sensorlo se Gleichstrommotoren immer beliebter, und zwar wegen ihrer Zuverlässigkeit, ihres geringen Gewichtes und ihrer Genauigkeit.
• Gewöhnlich denkt man bei diesem Motortyp an solche mit einem Stator mit drei Feldspulen, im allgemeinen in einer "Y"-Konfiguration verschaltet, obwohl tatsächlich für gewöhnlich eine höhere Anzahl von Statorspulen mit Mehrfach-Motorpolen eingesetzt wird. Typischerweise werden bei solchen Anwendungen Achtpol-Motoren verwendet, welche vier elektrische Zyklen pro Umdrehung des Rotors aufweisen. Die Statorspulen können jedoch noch immer als drei "Y"-verschaltete Spulen analysiert werden, die in drei Sätzen aus vier Spulen verbunden sind, wobei jeder physikalisch um 90º abgetrennt ist. Beim Betrieb in bipolaren Anwendungen werden die Spulen in Sequenzen angeregt, wobei in jeder davon eine Strombahn durch zwei Spulen des "Y" aufgebaut wird und die dritte Spule ungeerdet verbleibt. Die Sequenzen sind so angelegt, daß, wenn die Strombahnen sich ändern oder kommutieren, eine der Spulen der Strombahn erdfrei geschalten wird, und die vorher nicht geerdete Spule wird in die Strombahn hineingeschalten. Darüber hinaus ist die Sequenz so definiert, daß, wenn die erdfreie Spule in die Strombahn hineingeschalten wird, Strom in derselben Richtung fließen wird, wie in der Spule, die in die vorherige Strombahn eingeschlossen war. Auf diese Weise werden sechs Kommutationssequenzen für jeden elektrischen Zyklus in einem Dreiphasenmotor definiert.
• In der Vergangenheit ist während des Betriebes eines solchen mehrphasigen, sensorlosen Gleichstrommotors erkannt worden, daß das Aufrechterhalten einer bekannten Position des Rotors von großer Wichtigkeit ist. Es gab verschiedene Wege, dies zu realisieren. Der Weg, der die größte Anwendung fand, war beispielsweise das Starren des Motors in einer bekannten Position und dann das Herleiten von Informationen betreffend der momentanen oder gegenwärtigen Position des Rotors. Eine Quelle solcher Momentanpositions-Informationen wurde als ein Teil des Kommutationsprozesses hergeleitet und beinhaltete die Identifizierung der erdfreien Spule und das Überwachen ihrer Gegen- EMK (GEMK), d. h. der EMK, die in die Spule induziert wird, wenn sie durch das magnetische Feld läuft, das durch den Stator bereitgestellt wird.
• Wenn die Spannung der erdfreien Spule Null überschritt (in der Technik als "Nulldurchgang" bezeichnet), wurde die Position des Rotors als bekannt angenommen. Beim Eintreten dieses Ereignisses wurde die Rotorspulen-Kommutationssequenz zur nächsten Phase schrittweise erhöht und der Prozeß wurde wiederholt.
• Jedoch gibt es speziell beim Anlaufen des Motors ein Problem, da die Motordrehzahl gering und die entwickelte GEMK sehr klein ist, und weil es schwierig ist, eine ausreichend genaue Erfassung vorzunehmen, um eine Präzisionskommutation der Aktivierungsspannungen an den Feldwicklungen des Motors zu ermöglichen. Die Unfähigkeit, die Position des Rotors genau zu bestimmen, kann zu Motorpositions-Ungenauigkeiten führen und sogar zum Verlust der Synchronisierung. Deshalb mußte in der Vergangenheit besonders darauf achtgegeben werden, sicherzustellen, daß die Anlaufalgorithmen und die Laufbedingungen präzise geregelt wurden, um alles zu vermeiden, was bewirken konnte, daß ein solcher unsynchronisierter Zustand auftrat.
• Im obigen Lichte ist es deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, durch welches die Gegen-EMK einer erdfreien Spule eines mehrphasigen Gleichstrommotors erfaßt werden kann.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren des beschriebenen Typs bereitzustellen, welches die Gegen-EMK eines mehrphasigen Gleichstrommotors effektiv erfassen kann und bei niedrigen Motordrehzahlen oder bei geringer Höhe der Gegen-EMK verwendet werden kann.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren des beschriebenen Typs bereitzustellen, das nicht zu Synchronisationsstörungen oder Motor-Schaltungenauigkeiten beiträgt.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung und ein verbessertes Verfahren des beschriebenen Typs bereitzustellen, welches bei Dreiphasen- Gleichstromrnotor-Anwendungen nützlich ist, speziell bei Motoren des bürstenlosen, sensorlosen Typs, welche für rotierende Datenmedien verwendet werden, wie sie beispielsweise in Computeranwendungen zu finden sind, einschließlich Festplattenantriebe, CD-ROM-Antriebe, Floppy-Disks und ähnliches.
• Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für Fachleute aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und angehängten Ansprüchen gelesen wird.
• Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltung zum Erfassen eines Gegen-EMK-Signals einer Motorspule bereitgestellt, mit Schaltkreisen zur Bereitstellung eines Spannungsdifferentials, das zur Gegen-EMK der Motorspule proportional ist, Schaltkreisen zum Aufsetzen eines ersten Hysterese-Vormagnetisierunggsstroms auf die Schaltkreise zum Bereitstellen eines Spannungsdifferentials, um das Spannungsdifferential zu verändern und dadurch ein modifiziertes Spannungsdifferential herzustellen, Schaltkreisen zum Aufsetzen eines zweiten Hysterese-Vormagnetisierungsstroms auf die Schaltkreise zur Bereitstellung eines Spannungsdifferentials, um das modifizierte Spannungsdifferential, ansprechend auf die Gegen-EMK, welche einen Nulldurchgang von einer vorbestimmten Richtung her erreicht, weiter zu modifizieren, wobei der zweite Hysterese-Vormagnetisierungsstrom dem ersten Hysterese-Vormagnetisierungsstrom entgegengesetzt und von größerer Höhe ist, und mit einem Komparator, der eingebunden ist, um das modifizierte Spannungsdifferential zu empfangen, um eine Ausgangszustandsänderung herzustellen, wenn das modifizierte Spannungsdifferential einen vorbestimmten Wert überschreitet.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Erfassen eines Gegen-EMK-Signals einer Motorspule, zur Verwendung bei der Erfassung einer Position des Rotors des Motors, mit den folgenden Schritten:
• Erzeugen einer ersten Spannung, proportional zu einer Spannung an der Motorspule, Erzeugen einer zweiten Spannung, proportional zu diesem Referenzpotential, mit demselben Proportionsverhältnis, wie sich die erste Spannung zur Spannung an der Motorspule verhält, Erzeugen eines Spannungsdifferentials, proportional zur Gegen- EMK der Motorspule, in Abhängigkeit von der ersten und zweiten erzeugten Spannung, Aufsetzen einer ersten Hysterese-Vormagnetisierungsspannung auf die erste Spannung, um das erzeugte Spannungsdifferential zu modifizieren und dadurch ein modifiziertes Spannungssignal herzustellen, Umschaltbares Aufsetzens einer zweiten Hysterese- Vormagnetisierungsspannung auf die zweite Spannung, um das modifizierte Spannungsdifferential weiter zu modifizieren, ansprechend auf die Gegen-EMK, welche sich aus einer vorbestimmten Richtung einem Nulldurchgang nähert, wobei die zweite Hysterese- Vormagnetisierungssparmung der ersten Hysterese-Vormagnetisierungsspannung entgegengerichtet und von größerer Höhe ist, und Erzeugung einer Ausgangszustandsänderung, wenn das modifizierte Spannungssignal einen vorbestimmten Wert überschreitet.
• Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung ist in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
• Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Motorsteuerungsschaltung, das deren Verbindungen mit einer Y-verschalteten Motorwicklung zeigt, wobei diese einen Gegen-EMK- Verstärker und einem Nulldurchgangsdetektor aufweist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
• Fig. 2 eine elektrische Schemadarstellung eines Gegen-EMK-Verstärkers und Referenzspannungs-Durchgangsdetektors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
• In den verschiedenen Figuren der Zeichnung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen.
• Ein Abschnitt eines elektrischen Schemablockdiagramms einer Motorsteuerungsschaltung 10, in welche die Einrichtung und das Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eingebracht sind, ist in Fig. 1 gezeigt. Obwohl die Motorsteuerung aus diskreten Bauteilen aufgebaut sein kann, ist die Motorschaltung 10 vorzugsweise auf einem einzelnen Halbleiterchip integriert, der zur Verbindung mit den Statorspulen eines bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstromspulenmotors angepaßt ist, beispielsweise dazu verwendet; eine magnetische oder eine andere Disk in Systemen, wie Computer-Festplattenantrieben, CD-ROM-Antrieben, Floppy-Disk-Antrieben, VCRs oder ähnlichen, zu drehen. Ein solcher Dreiphasenmotor hat vorzugsweise "Y"-verschaltete Statorwicklungen 11, obwohl solche Wicklungsverbindungen in Y-Konfiguration nicht unbedingt benötigt werden. Die jeweiligen Wicklungen 11 und der Mittelverbindungspunkt können also, wie es gezeigt ist, mit den Ausgangsanschlüssen A, B; C und CTR TAP verbunden sein. Es ist zu bemerken, daß, obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung insbesondere in Hinsicht auf einen Dreiphasen notor beschrieben wird, die Prinzipien der Erfindung mit gleichem Vorteil ganz allgemein auf Mehrphasenrnotoren angewendet werden können; es versteht sich ebenfalls, daß die Mittelanschlußzapfen (CT = Center Tap)-Verbindung bei einigen Anwendungen simuliert werden kann.
• Die Betriebsspannung wird den Ausgangsanschlüssen A, B und C durch eine Energieversorgungsstufe 12 zur Verfügung gestellt. Die Energieversorgungsstufe 12 ist sequentiert, um sequentiell Steuerungsausgangssignale für die Ausgangsanschlüsse A, B und C durch eine Sequenzschaltung 13 und eine Signal-Schnittstellenschaltung 14 bereitzustellen, welche die Ausgangssignale von der Sequenzschaltung 13 zur Energieversorgungsstufe 12 liefert. Die Sequenzschaltung 13 stellt ebenfalls Betriebssignale für andere Schaltungen des Steuerungsschaltkreises zur Verfügung, um die verschiedenen Aspekte der Rotation des Motors zu steuern, der durch die Schaltung 10 betrieben wird.
• Die Ausgangsanschlüsse A, B und C sind ebenfalls schaltbar mit einem Gegen-EMK- Abtastverstärker und einer Referenzspannungs-Durchgangsdetektorschaltung 15 verbunden, deren Details im weiteren unter Bezugnahme auf die Fig. 2 beschrieben werden.
• Der Gegen-EMK-Abtastverstärker und die Referenzspannungs-Durchgangsdetektorschaltung 15 liefern wiederum Signale an eine Last- und Rücksetzschaltung 16, die einen Verzögerungszähler 17 steuert, um die Fortschalttätigkeit der Sequenzschaltung 13 zu steuern. Ein Periodenzähler 18 und ein Maskenzähler 19 sind ebenfalls vorgesehen, um den Betrieb der Sequenzschaltung 13 und der Steuerungsschaltung 10 zu steuern.
• Die Motorsteuerungsschaltung 10 umfaßt ebenfalls einen Systemtaktgeberschaltkreis 23 und eine Geschwindigkeitssteuerungsschleife 24 und sie kann verschiedene andere Schaltkreise, die nicht gezeigt sind, umfassen, wie z. B. Schaltkreise zur Unterstützung des Impulsweiten-Modulationsbetriebes des Motors, "Ausrichten und Starten"-Anlaufschaltkreise zum Vereinfachen des Anlaufens des Motors aus einem angehaltenen Zustand, eine Anschlußsteuerungslogik und zugeordnete Umschaltregister-Schaltkreise zur Vereinfachung der Steuerung der Motorsteuerungsschaltung durch einen externen Mikroprozessor (nicht gezeigt), usw.
• Im Betrieb, während einer angeregten Phase, wird ein Knoten (beispielsweise Knoten A) durch den Schaltkreis der Energieversorgungsstufe 12 hochgesetzt und ein anderer Knoten (beispielsweise Knoten B) wird heruntergesetzt. Der verbleibende Knoten (beispielsweise Knoten C) wird ohne Erdung belassen. Dies soll als die "AB"-Phase bezeichnet werden. Die Spulen werden dann in einer Kommutationssequenz, bestimmt durch die Sequenzschaltung 13, so geschalten, daß in jeder Kommutationsphase Strom immer in zwei der drei Spulen fließt, wobei die dritte Spule erdfrei ist und so, daß nach dem Umschalten der Strom weiterfließt, und zwar in derselben Richtung in einer der beiden Spulen, in welcher der Strom in der vorherigen Phase geflossen ist. Ein solcher Betrieb wird im allgemeinen als "bipolarer Betrieb" bezeichnet. "Unipolarer Betrieb", bei welchem nur eine Spule zu einem Zeitpunkt angeregt ist, kann alternativ eingesetzt werden.
• Das Umschalten der Betriebstransistoren der Energieversorgungsstufe 12, um die Umschaltströme für jede Kommutationsphase hervorzurufen, wird durch eine Sequenz schaltung 13 und eine zugeordnete Schnittstellenschaltung 14 durchgeführt.
• Die Kommutation unter den Spulen 11 wird in Reaktion auf Informationen durchgeführt, welche die spezifische Position des Rotors des Motors anzeigen, in Verbindung mit Schaltungsinformationen, welche die gewünschte Position des Rotors anzeigen. Spezieller wird die Kommutation zum Anlegen jeder abfolgenden Sequenz von Betriebssignalen an die Spulen 11 in Reaktion darauf bestimmt, daß eine entsprechende Spule eine spezielle Drehposition erreicht und durch das Verhältnis mit Sequenzinformationen, die andeuten, wo der Motor zu einer speziellen Zeit sein sollte, bevor die Kommutation auftreten soll. Die Bestimmung des präzisen Drehortes des Rotors wird kontinuierlich durch das Überwachen der Referenzspannungs-Durchgangsspannung in jeder nicht betriebenen oder erdfreien Spule aktualisiert. Genauer gesagt, wenn die Spulen 11 während der Kommutationssequenz des Rotors umgeschalten werden, wird die Spannung der erdfreien Spule durch die Gegen-EMK-Verstärkerschaltung 15 überwacht, die in Fig. 2 gezeigt ist.
• Wie aus Fig. 2 hervorgeht, empfängt die Gegen-EMK-Verstärkerschaltung 15 Eingangssignale vom Ausgang der Sequenzschaltung 13, die in Fig. 1 gezeigt ist, sowie von den Verbindungen zum Mittelanschlußzapfen (CT) und den Knoten A, B und C der Spulen 11. Die Gegen-EMK-Verstärkerschaltung 15 umfaßt einen Schaltkreis 30, der Strombahnpaare 31 und 32 enthält, in welchen der Strom jeweils durch die Spannung an einer der Spulen 11 gesteuert wird, beispielsweise am Knoten A, sowie durch das Potential am Mittelanschlußzapfen. Auf die gleiche Weise sind Strombahnschaltkreise (nicht gezeigt) für die verbleibenden zwei Spulenverbindungen B und C vorgesehen.
• Der Vormagnetisierungsschaltkreis 33 ist vorgesehen, um die Strombahnpaare 31 und 32 in einer Weise vorzumagnetisieren, die im weiteren detailliert beschrieben wird. Ausgangssignale aus den Strombahnpaaren 31 und 32 werden jeweils an die invertierenden und nicht invertierenden Eingänge eines Komparators 34 angelegt, dessen Ausgang das Gegen-EMK-Signal zur Verwendung im Motor-Betriebsschaltungkreis 10 repräsentiert, der in Fig. 1 gezeigt ist.
• Die Ausgangssignale aus der Sequenzschaltung 13 in Fig. 1 werden an die Eingänge einer Schaltung 35 zur Erfassung der erwarteten Steigung angelegt, welche Ausgangssignale bereitstellt, um umschaltbar auszuwählen, welche der Strombahnpaare (d. h. die Paare 30 oder nicht gezeigte Paare, die Spulen zugeordnet sind, welche an den Knoten B und C angeschlossen sind) momentan im Betrieb sind.
• Der Zweck der Strombahnpaare 30 ist es, Spannungssignale zum Vergleich herzuleiten, von dem Eingangssignal, die jeweils an die Basen der Transistoren 40 und 41 angelegt werden, vom Knoten A und vom Knoten CT und vom Mittelanschlußzapfenanschluß der Spulen 11. Damit werden die Ausgangssignale aus den Kollektoren der Transistoren 40 und 41 jeweils an die invertierenden und nichtinvertierenden Eingänge des Komparators 34 angelegt. Spezieller werden die besonderen Strombahnpaare 30, die verzögerungsfrei in Betrieb sein sollen, abhängig von der kommutativen Sequenz der Spulen 11, von den Eingangsleitungen 43 der Sequenzschaltung 13 in Fig. 1 bestimmt. Somit werden beispielsweise die ersten beiden Leitungen der Leitungen 43, die beispielsweise ein Paar herauf- und herabgesetzte Betriebseinrichtungen (nicht gezeigt) in der Energieversorgungsstufe 12 der Fig. 1 repräsentieren, in einem NAND-Gate 44 verglichen, um einen Transistorschalter 45 zu betätigen, der die Vormagnetisierung steuert, um die Strombahnpaare 30 auszuwählen. Ähnliche Sequenzleitungskomparatoren sind für die jeweiligen Strombahnpaare vorgesehen, die für die anderen Spulen der Spulen 11 bereitgestellt werden, welche von jeweiligen anderen Leitungen der Leitungen 43 von der Sequenzschaltung 13 her betrieben werden.
• Ein erster Teil der Vormagnetisierungsschaltung 33 versorgt die Emitter der Transistoren 40 und 41 in den Strombahnpaaren 31 und 32 mit Normalstrom-Vormagnetisierung. Es versteht sich, daß ähnliche Stufen für die verschiedenen anderen Betriebskombinationen verwendet werden, die beispielsweise mit der Steuerungsleitung 36 verbunden sind.
• Zu diesem Zweck umfaßt die erste Stufe 33 einen PNP-Transistor 46, der mit seinem Emitter-Kollektor-Durchgang an eine Eingangsspannung VI angeschlossen ist. Die Strombahnpaare 31 und 32 umfassen jeweils FETs 50 und 51, die zwischen dem Kollektor des Transistors 40 und Erde verschalten sind, und FETs 52 und 53, die zwischen dem Kollektor des Transistors 41 und Erde verschalten sind. Die Gates der Transistoren 50 bis 53 sind an eine positive Spannungsversorgung, die sich von der Eingangsspannung VI unterscheidet, angeschlossen, beispielsweise an eine +5-Volt- Spannungsversorgung, wie dargestellt. Die FETs 50 bis 53 wirken deshalb als Widerstandslasten auf die Kollektoren der PNP-Transistoren 40 und 41. Somit wird im Normalbetrieb, wenn das Strombahnpaar 30 durch die Betätigung des Transistorschalters 45 ausgewählt wird, Vormagnetisierungsstrom für die Strombahnen 31 und 32 durch den PNP-Transistor 46 zur Verfügung gestellt, um durch die Transistoren 40 und 41 und ihre jeweiligen Lasten 50 und 51 sowie 52 und 53 zu fließen. Es ist zu bemerken, daß die FETs 50 und 52 und die FETs 51 und 53 gleich bemessen sind, so daß ein abgeglichener Strom durch beide Strombahnen 31 und 32 fließt, wenn keine anderen Faktoren mitwirken. Ebenfalls können Widerstände anstelle der FETs verwendet werden.
• Die beiden Strombahnen 31 und 32 werden zusätzlich mit einem Hysterese-Vormagnetisierungsstrom versorgt. Der Hysteresestrom, der der Bahn 31 zugeführt wird, hat den doppelten Wert des Hysteresestroms, der der Strombahn 32 zugeführt wird. Außerdem wird der Hysterese-Vormagnetisierungsstrom, der der Strombahn 31 zugeführt wird, schaltbar in Abhängigkeit von der Spannung des Gegen-EMK-Ausgangs zugeführt, der durch den Komparator 34 erzeugt wird. Genauer gesagt, werden zwei Hysterese-Vormagnetisierungsstrombahnen 60 und 61 zur Verfügung gestellt. Die Hysterese-Vormagnetisierungsbahn 60 umfaßt PNP-Transistoren 63 und 64, deren Emitter-Kollektor- Stromwege in Serie zwischen einer Potentialquelle, wie z. B. +5 Volt auf der Leitung 65, und einer Leitung 66 verschalten sind, die mit einem Knoten 67 zwischen den beiden Widerstandslasten verbunden ist, die durch die FETs 52 und 53 bereitgestellt werden.
• Außerdem umfaßt die Hysterese-Vormagnetisierungsstrombahn 61 einen NPN-Transistor 72, dessen Emitter-Kollektor-Strombahn in Reihe mit der Stromdurchgangsbahn der PNP-Transistor 63 und 64 verschalten ist. Der Emitter des Transistors 72 ist durch eine Leitung 73 mit einem Knoten 74 an der Verbindung zwischen den Widerstandslast- FETs 50 und 51 verbunden. Somit wird eine Hysterese-Strom-Vormagnetisierung von 1 X Ihysc an die Leitung 66 zum Knoten 67 zwischen den Widerstandstransistoren 52 und 53 angelegt, und wenn des Gegen-EMK-Ausgang des Komparators 34 durch die Tätigkeit des Transistors 75 heraufgesetzt wird, wird der Transistor 72 vormagnetisiert, um zu verhindern, daß der Hysterese-Vormagnetisierungsstrom auf den Knoten 74 zwischen den Widerstandslasttransistoren 50 und 51 angelegt wird. Wenn andererseits die Gegen-EMK-Spannung am Ausgang des Komparators 34 wegen der Tätigkeit des NPN-Transistors 72 niedrig ist, wird der doppelte Hysterese-Vormagnetisierungsstrom, 2 X Ihyst, an den den Knoten 74 zwischen den Widerstandslasttransistoren 50 und 51 angelegt und zur selben Zeit der einfache Hysteresestrom 1 · Ihysc an den Knoten zwischen den Widerstandstransistoren 52 und 53. Der Effekt dieser Vormagnetisierungsanordnung hinsichtlich des Hysteresestroms ist es, die Schwelle zu verändern, bei welcher der Komparator 34 in Reaktion auf die Spannung zwischen der Spule am Knoten A und dem Mittelanschlußzapfen der Spulen 11 umgeschalten wird.
• Wenn somit beim Betrieb der Ausgang des Komparators 34 hochgesetzt ist, wird ein Vormagnetisierungsstrom von 1 · Ihysc an den Knoten 67 zwischen den Widerstandslasttransistoren 50 und 51 angelegt und es wird kein Hysterese-Vormagnetisierungsstrom an den Knoten 74 zwischen den Widerstandstransistoren 50 und 51 angelegt. Wenn die Spannung, die an die Basis des PNP-Transistors 40 von der Spule am Knoten A angelegt wird, bis zu einem Niveau steigt, bei welchem der Komparator 34 anfängt zu schalten, bewirkt der Zustandswechsel am Ausgang des Komparators 34, daß ein Vormagnetisierungsstrom von 2 X Ihyst an den Knoten 74 zwischen den Widerstandslasttransistoren 50 und 51 angelegt wird. In der Hysterese-Vormagnetisierung auf den Knoten 67 tritt keine Veränderung ein. Diese Tätigkeit hilft beim Übergang an der Schwelle des Komparators 34, was in einem sauberen schnellen Übergang durch die Schwelle am Umschaltpunkt resultiert.
• Zusätzlich zum vorhergehenden Hysterese-Vormagnetisierungsschaltkreis wird ebenfalls eine Voreinstellungs-Vormagnetisierung auf die Knoten 67 und 74 zwischen den jeweiligen Widerstandslasttransistoren 50 und 51 und 52 und 53 aufgegeben. Die Voreinstellungs-Vormagnetisierung, die auf den Knoten 74 zwischen den Transistoren 50 und 51 aufgegeben wird, ist eine einwertige Voreinstellungs-Vormagnetisierung (d. h. 1 X Ipre), die durch den PNP-Transistor 77 und den NPN-Transistor 78 in der Strombahn 76 zur Verfügung gestellt wird. Außerdem wird eine Voreinstellungs-Vormagnetisierungsstrombahn 80 bereitgestellt, die den PNP-Transistor 81 und den NPN-Transistor 82 umfaßt, verschaltet zwischen der Spannungsversorgungsleitung 65 und dem Knoten 67 zwischen den Widerstandslasttransistoren 52 und 53. Die Basis des NPN-Transistors 82 wird durch einen Schalttransistor 83 angesteuert, welcher ein Eingangssignal von der Schaltung 35 zur Erfassung der erwarteten Steigung an der Leitung 84 an seinem Gate erhält.
• Wenn beim Betrieb das Signal an der Leitung 84 von der Schaltung 35 zur Erfassung der erwarteten Steigung anzeigt, daß ein Übergang vom Positiven zum Negativen durch die Gegen-EMK an der Spule am Knoten A erwartet wird, wird der Schalter 83 aktiviert, wodurch nur die voreingestellte Vormagnetisierung von 1 X Ipre an der Strombahn 76 zum Knoten 74 zwischen den Widerstandslasttransistoren 50 und 51 bereitgestellt wird. Wenn andererseits die voraussichtliche Steigung der Gegen-EMK als vom Negativen zum Positiven zu erwarten ist, gestattet der Schalter 83 es dem NPN-Transistor 82, einen Vormagnetisierungsstrom von 2 X Ipre an den Knoten 67 zwischen den Widerstandslasttranistoren 52 und 53 anzulegen. Somit existiert beim Betrieb des voreingestellten Abschnittes der Schaltung eine normale Voreinstellungs-Vonnagnetisierung am Komparator 34, weil der Vormagnetisierungsstrom gleich 1 X Ipre durch die Strombahn 76 auf den Knoten 74 zwischen den Widerstandslasttransistoren 50 und 51 aufgebracht wird. Um erfaßt zu werden, muß eine Gegen-EMK-Sparmung, die vom Positiven zum Negativen übergeht, einen Strom erzeugen, der den Voreinstellungs-Vormagnetisierungsstrom 1 X Ipre überwindet. In gleicher Weise muß andererseits eine Gegen-EMK- Spannung, die vom Negativen zum Positiven übergeht, um erfaßt zu werden, ebenfalls einen Strom in der Strombahn 32 erzeugen, der die voreingestellte Vormagnetisierung Ipre überwindet, da ein Vormagnetisierungsstrom von 2 X Ipre durch die Strombahn 80 auf den Knoten 67 zwischen den Widerstandslasttransistoren 52 und 53 aufgebracht wird.
• Der Endeffekt der Vormagnetisierungsgestaltung ist es, den Ausgang des Gegen-EMK- Verstärkers auf einen besonderen Zustand in Abwesenheit eines Gegen-EMK-Signals voreinzustellen bzw. einzustellen, wie z. B. beim Anlaufen, nachdem ein Ausrichten durchgeführt wird, um den ersten Nulldurchgang korrekt erfassen zu können. Dies gestattet eine korrekte Positionierung des Gegen-EMK-Komparators, wenn keine Bewegung vorhanden ist, um so den ersten Übergang der Gegen-EMK zu erfassen, wenn der Motor anfängt, sich zu bewegen.
• Das Problem, das hier angegangen wird, ist, daß ein einem Komparator mit einer Hysterese, wenn der Eingang im Bereich der Hysterese liegt, der Zustand des Ausgangs ungewiß ist. Beispielsweise kann der Ausgang entweder hoch oder niedrig sein, weil der Eingang keinen der Zustand erzwingen wird. Deshalb kann durch das Umschalten des Referenzniveaus auf über oder unter den Hysteresebereich sichergestellt werden, daß der Komparator in einen bestimmten Zustand gezwungen wird. Das heißt, es wird sichergestellt, daß der Komparator sich in einem besonderen Ausgangszustand befindet, entweder hoch oder niedrig, abhängig davon, was der erwartete Übergang des Ausganges sein wird, wenn der Motor einmal von der Ausgangsposition wegbewegt wird.
• Es ist zu bemerken, daß das Bereitstellen einer Erfassung einer Spannung, die nicht Null ist, eine Verzögerung zwischen der Zeit erzeugen kann, zu der die Gegen-EMK tatsächlich Null überschreitet und der Zeit, zu der die Gegen-EMK die voreingestellte Spannungsschwelle überschreitet. Dies kann leicht in der Verzögerungsschaltung 17 (siehe Fig. 1) durch geeignete Einstellung der Taktfrequenz oder der Zählung, bis zu welcher der Verzögerungszähler vor dem Heraufsetzen der Sequenzschaltung 13 zählen darf, kompensiert werden.
• Es ist zu bemerken, daß hinsichtlich der relativen Höhen der Vormagnetisierungsströme, der normale Vormagnetisierungsstrom, welcher durch die Strombahn bereitgestellt wird, die den PNP-Transistor 46 umfaßt, vorzugsweise größer ist als die Vormagnetisierung der Voreinstellungsschaltung an Leitung 76. Die Vormagnetisierung der Voreinstellungsschaltung an Leitung 76 ist wiederum vorzugsweise größer als die Vormagnetisierung der Hystereseschaltung, die an Leitung 73 bereitgestellt wird. Es ist jedoch absehbar, daß andere Vormagnetisierungsmechanismen und relative Stärken eingesetzt werden können, abhängig von der speziellen Anwendung, in welcher die Schaltung 15 verwendet wird.
• Wie vorher bemerkt, liegt ein Vorteil, der durch den Gegen-EMK-Verstärker gemäß der Erfindung bereitgestellt wird, darin, daß durch die voreingestellte Vormagnetisierung beim Anlaufen des Motors der Ausgang des Gegen-EMK-Verstärkers in einem korrekten Zustand ist, um eine schnelle Synchronisierung mit dem Rotor des Motors zu ermöglichen, dem die Schaltung zugeordnet ist. Genauer gesagt, könnte, ohne eine Voreinstellungs-Vormagnetisierung, der Ausgang des Gegen-EMK-Verstärkers entweder hoch oder niedrig sein, jedoch ist wegen der Voreinstellungs-Magnetisierung der Ausgang des Gegen-EMK-Verstärkers in einem bekannten korrekten Zustand, um die schnelle Synchronisation des Motors beim Auftreten eines korrekt erfaßten Gegen- EMK-Signals zu ermöglichen.
• Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf gewisse Einzelheiten beschrieben und dargestellt worden ist, versteht es sich, daß die vorliegende Offenbarung nur beispielhaft gegeben wird und daß viele Veränderungen bezüglich der Kombination und der Anordnung der Teile durch Fachleute in Angriff genommen werden können, ohne vom Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims (21)

1. Schaltung zum Erfassen eines Gegen-EMK-Signals einer Motorspule, mit

Schaltkreisen (40, 41) zum Bereitstellen eines Spannungsdifferentials, das proportional zu der Gegen-EMK der Motorspule ist;

Schaltkreisen (63, 64) zum Aufsetzen eines ersten Hysterese-Vormagnetisierungsstroms (60) auf die Schaltkreise (40, 41), um ein Spannungsdifferential bereitzustellen, um das Spannungsdifferential zu modifizieren und dadurch ein modifiziertes Spannungsdifferential zu erzeugen;

Schaltkreisen (72) zum Aufsetzen eines zweiten Hysterese-Vormagnetisierungsstroms (61) auf die Schaltkreise (40, 41), um ein Spannungsdifferential bereitzustellen, um das modifizierte Spannungsdifferential weiter zu modifizieren, und zwar in Reaktion auf die Gegen-EMK, die sich aus einer vorbestimmten Richtung einem Nulldurchgang nähert, wobei der zweite Hysterese-Vormagnetisierungsstrom (61) dem ersten Hysterese- Vormagnetisierungsstrom (60) entgegengerichtet ist und eine größere Stärke aufweist; und

einem Komparator (34), der verschaltet ist, um das modifizierte Spannungsdifferential zu empfangen, um eine Ausgangszustandsänderung herzustellen, wenn das modifizierte Spannungsdifferential einen vorbestimmten Wert überschreitet.

2. Schaltung zum Erfassen eines Gegen-EMK-Signals einer Motorspule nach Anspruch 1, bei der die Schaltkreise (40, 41) zum Bereitstellen eines Spannungsdifferentials aufweisen:

erste (31) und zweite (32) Strombahnen, die jeweils ein Stromregelungselement (40, 41) aufweisen und mindestens ein Widerstandselement (50, 51, 52, 53), an welchem eine Spannung in Reaktion auf einen Strom im Stromweg entwickelt wird, wobei die Spannung an mindestens einem Widerstandselement an jeweilige Eingänge des Komparators (34) angelegt wird, wobei ein Ende der Motorspule mit dem Stromregelungselement (40) der ersten Strombahn (31) verbunden ist, und wobei ein Referenzpotential (cr) an das Stromregelungselement (41) der zweiten Strombahn (32) angelegt ist, wodurch das Gegen-EMK-Signal durch die Spule eine Veränderung der Spannung über dem Widerstandselement (50, 51) der ersten Strombahn (31) bezüglich der Spannung über dem Widerstandselement (52, 53) der zweiten Strombahn (32) herstellt;

Schaltkreise (35) zum selektiven Erzeugen eines ersten Signals während der Erfassung des Gegen-EMK-Signals, das in der Motorspule erzeugt wird, wenn das Gegen-EMK-Signal sich aus einer bestimmten Richtung dem Nulldurchgang nähert;

Schaltkreise (70, 78) zur Vormagnetisierung der ersten Strombahn (31) mit einem ersten voreingestellten Vormagnetisierungsstrom (76);

Schaltkreise (81, 82) zur umschaltbaren Vormagnetisierung der zweiten Strombahn (32) mit einem zweiten voreingestellten Vormagnetisierungsstrom (80) mit einer größeren Amplitude als der erste voreingestellte Strom (76); und

einen Schalter (83), der in Reaktion auf das erste Signal arbeitet, um den zweiten voreingestellten Vormagnetisierungsstrom umschaltbar auf die zweite Strombahn aufzusetzen,

wobei der Komparator (34) ferner eine Ausgangszustandsänderung erzeugt, wenn das Gegen-EMK-Signal der Motorspule einen Wert überschreitet, der durch den ersten voreingestellten Vormagnetisierungsstrom bestimmt wird.

3. Schaltung zum Erfassen der Gegen-EMK einer Motorspule gemäß Anspruch 2, bei der die erste (31) und die zweite (32) Strombahn jeweils zwei Widerstandselemente (50, 51, 52, 53) aufweist, wobei die jeweiligen Stromregelungselemente (40, 41) Transistoren sind, die jeweilige Strombahnen aufweisen, wobei die Strombahn des Transistors (40) und der beiden Widerstandselemente (50, 51) in Reihe mit der Strombahn und einem der beiden Widerstandselemente verschalten sind, die an ersten Knoten verbunden sind, sowie der beiden Widerstandselemente, die an zweiten Knoten (74, 67) verbunden sind;

wobei der erste Knoten der ersten Strombahn (31) und der ersten Knoten der zweiten Strombahn (32) mit jeweiligen Eingängen des Komparators (34) verbunden sind;

wobei die Schaltkreise (77, 78) zur Vormagnetisierung der ersten Strombahn (31) mit dem ersten voreingestellten Vormagnetisierungsstrom mit einem ersten der zweiten Knoten (74) der ersten Strombahn (31) verbunden sind; und

wobei die Schaltkreise (81, 82) zur umschaltbaren Vormagnetisierung der zweiten Strombahn (32) mit dem zweiten voreingestellten Vormagnetisierungsstrom mit einem zweiten der zweiten Knoten (67) der zweiten Strombahn (32) verbunden sind.

4. Schaltung zum Erfassen der Gegen-EMK einer Motorspule gemäß Anspruch 3, bei der der Schaltkreis (63, 64) zum Aufsetzen eines ersten Hysterese-Vormagnetisierungsstroms mit dem zweiten der zweiten Knoten (67) der zweiten Strombahn (32) verbunden ist;

wobei der Schaltkreis (72) zum Aufsetzen eines zweiten Hysterese-Vormagnetisierungsstromes mit dem ersten der zweiten Knoten (74) der ersten Strombahn (31) verbunden ist; und bei der

ein Schalter (75) vorgesehen ist, der in Reaktion auf die Ausgangszustandsänderung des Komparators (34) arbeitet, um den zweiten Hysterese-Vormagnetisierungsstrom umschaltbar an die erste Strombahn (31) anzulegen.

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Motorspule eine aus einer Vielzahl von Motor-Feldspulen (11) ist, die in einer "Y"-Ausbildung miteinander verbunden sind.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Schaltkreis (72) zum Aufsetzen des zweiten Hysterese-Vormagnetisierungsstroms (61) mit dem Komparator (34) gekoppelt ist, so daß der zweiten Hysterese-Vormagnetisierungsstrom in Reaktion darauf aufgesetzt wird, daß der Ausgang des Komparators (34) niedrig ist.

7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Stärke des zweiten Hysterese-Vormagnetisierungsstroms (61) doppelt so groß ist wie die Stärke des ersten Hysterese-Vormagnetisierungsstroms (60).

8. Schaltung nach einem der Ansprüche. 2 bis 7, bei der Komparator (34) einen invertierenden Eingang und einen nichtinvertierenden Eingang hat, die so arbeiten, daß sie eine Veränderung des Ausgangszustands herstellen, wenn eine Spannung, die an dem invertierenden Eingang angelegt wird, eine Spannung übersteigt, die an den nichtinvertierenden Eingang angelegt wird, wobei die Spannung über dem Widerstandselement (50, 51) in der ersten Strombahn (31) an den invertierenden Eingang des Komaparators (34) angelegt wird, und die Spannung über dem Widerstandselement (52, 53) in der zweiten Strombahn (32) an dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators (34) angelegt wird.

9. Schaltung nach Anspruch 5, soweit dieser von Anspruch 2 abhängt, bei der das Referenzpotential, das an das Stromregelungselement (41) der zweiten Strombahn (32) angelegt wird, an einem Mittelanschlußzapfen-(CT)-Anschluß der Vielzahl von Motor- Feldspulen (11) erzeugt wird.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei der der Schaltkreis (81, 82) zur umschaltbaren Vormagnetisierung der zweiten Strombahn (32) mit dem zweiten voreingestellten Vormagnetisierungsstrom (80) einen Schaltkreis zur umschaltbaren Vormagnetisierung der zweiten Strombahn (32) mit einem Vormagnetisierungsstrom aufweist, der das doppelte des ersten voreingestellten Vormagnetisierungsstroms (76) beträgt.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei der das Stromregelungselement. (40, 41) einer jeden der ersten (31) und zweiten (32) Strombahnen ein bipolarer Transistor ist.

12. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei der das Widerstandselement (50, 51, 52, 53) einer jeden der ersten (31) und zweiten (32) Strombahnen ein FET ist.

13. Schaltung nach Anspruch 12, bei der die FETs der ersten (31) und zweiten (32) Strombahnen gleiche Widerstände haben.

14. Schaltung nach Anspruch 11, bei der das Widerstandselement (50, 51, 52, 53) einer jeden der ersten (31) und zweiten (32) Strombahnen ein Paar von FETs ist, wobei die Strombahnen des bipolaren Transistors (40) und die FETs (50, 51) in Reihe verschalten sind, wobei die Ausgangsspannung zwischen dem bipolaren Transistor (40) und einem der FETs (50) entwickelt werden und der Vormagnetisierungsstrom zwischen die FETs (50, 51) verschalten wird.

15. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, die ferner Einrichtungen (45) zum umschaltbaren Aufsetzen eines normalen Vormagnetisierungsstroms auf sowohl die erste als auch die zweite Strombahn aufweist, sowie Einrichtungen (24) zum Erzeugen eines Signals, wenn die Motorspule erdfrei ist, um die Einrichtung zum umschaltbaren Anlegen eines Vormagnetisierungsstroms zu betätigen.

16. Schaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 15, bei der die beiden Widerstandselemente (50, 51, 52; 53) der ersten (31) und der zweiten (32) Strombahn Widerstände sind.

17. Verfahren zur Erfassung eines Gegen-EMK-Signals einer Motorspule zur Verwendung beim Bestimmen einer Position des Rotors des Motors, mit den folgenden Schritten:

Erzeugen einer ersten Spannung (31), proportional zu einer Spannung an der Motorspule;

Erzeugen einer zweiten Spannung (32), proportional zum Referenzpotential (CT), mit demselben Proportionalitätsverhältnis, mit dem sich die erste Spannung zu der Spannung an der Motorspule verhält;

Erzeugen eines Spannungsdifferentials, proportional zur Gegen-EMK der Motorspule, in Abhängigkeit von der ersten (31) und der zweiten (32) erzeugten Spannung;

Aufsetzen einer ersten Hysterese-Vormagnetisierungsspannung (60) auf die erste Spannung, um das erzeugte Spannungsdifferential zu modifizieren und dadurch ein modifiziertes Spannungsdifferential zu erzeugen;

umschaltbares Aufsetzen einer zweiten Hysterese-Vormagnetisierungsspannung (61) auf die zweite Spannung, um das modifizierte Spannungsdifferential weiter zu modifizieren, und zwar in Reaktion darauf, daß die Gegen-EMK sich aus einer vorbestimmten Richtung einem Nulldurchgang nähert, wobei die zweite Hysterese-Vormagnetisierungsspannung der ersten Hysterese-Vormagnetisierungsspannung entgegengesetzt und von größerer Höhe ist; und

Erzeugen einer Ausgangszustandsänderung, wenn das modifizierte Spannungsdifferential einen vorbestimmten Wert überschreitet.

18. Verfahren nach Anspruch 17, das ferner folgende Schritte aufweist:

selektives Erzeugen eines ersten Signals (84) während einer Erfassungsperiode für das Gegen-EMK-Signal, das in der Motorspule entwickelt wird, in Reaktion auf das Gegen-EMK-Signal, das sich aus einer vorbestimmten Richtung dem Nulldurchgang nähert;

Aufsetzen einer ersten voreingestellten Vormagnetisierungsspannung (76) auf die zweite Spannung, um eine erste zusammengesetzte Spannung zu erzeugen; und

in Reaktion auf das erste Signal, ein umschaltbares Aufsetzen einer zweiten voreingestellten Vormagnetisierungsspannung (80), die höher ist als die erste festgelegte Vormagnetisierungsspannung, auf die erste Spannung, um eine zweite zusammengesetzte Spannung zu erzeugen.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Schritt des umschaltbaren Aufsetzens der zweiten voreingestellten Vormagnetisierungsspannung (80), die höher ist als die erste voreingestellte Vormagnetisierungsspannung (76), auf die erste Spannung das umschaltbare Aufsetzen einer Vormagnetisierungsspannung umfaßt, die um das zweifache höher ist als die erste voreingestellte Vormagnetisierungsspannung.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem der Schritt des umschaltbaren Aufsetzens der zweiten Hysterese-Vormagnetisierungsspannung (61), die höher ist als die erste Hysterese-Vormagnetisierungsspannung (60), das umschaltbare Aufsetzen einer Vormagnetisierungsspannung umfaßt, die um das zweifache höher ist als die erste Hysterese-Vormagnetisierungsspannung (60).

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, mit den folgenden Schritten: Umpolen von Feldspulenspannungen in Reaktion auf das Gegen-EMK-Signal einer erdfreien Feldspule, die eine Referenzspannung (CT) überschreit, wobei der Übergang dadurch bestimmt wird, daß festgestellt wird, wenn das gesamte resultierende Spannungsdifferential einen Nulldurchgang hat, um eine Ausgangsspannung herzustellen; um die Feldspulen-Umpolung zeitlich abzustimmen.