DE69605019T2

DE69605019T2 - Vorbestimmte und in einem Festwertspeicher gespeicherte Antriebsströme anwendendes Antriebssystem für einen bürstenlosen Motor

Info

Publication number: DE69605019T2
Application number: DE69605019T
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Maiocchi
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2016-03-30
Also published as: EP0800263A1; JPH10155294A; DE69605019D1; EP0800263B1; US5844388A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Techniken zum Ansteuern eines elektronisch geschalteten Gleichstrommotors, der im allgemeinen als "bürstenlos" bezeichnet wird.
Elektronisch geschaltete Gleichstrommotoren werden in unzähligen Steuer- und Regelanwendungen und ebenfalls in Massenspeicherlaufwerksystemen sowohl im Fall rotierender Träger, wie z. B. Festplatten, Disketten, optische Speicherplatten, CD-ROMs, als auch im Fall linearer Träger, wie z. B. Bandlaufwerke und ähnliches, verwendet. Im allgemeinen sind diese Motoren Mehrphasenmotoren in einer "Stern"-Konfiguration. Ganz alltäglich ist der Fall eines Motors mit drei Phasenwicklungen, die in einer Sternkonfiguration angeschlossen sind und sechs verschiedene Schaltphasen und eine Anzahl P von Polen definieren. In diesem Fall wird es eine Anzahl von 3·P Gleichgewichtspunkten in einer vollständigen Umdrehung des Rotors geben.
In dem vorliegenden Text wird jede Anregungsphase gemäß einer Standarddrehung durch zwei Großbuchstaben bezeichnet. Der erste Großbuchstabe (zum Beispiel A, B oder C) definiert die Wicklung, durch die der Strom üblicherweise von dem jeweiligen Versorgungsanschluß zum Sternmittelpunkt (CT) fließt, während der zweite Großbuchstabe, dem ein Zeichen (!) vorangeht, die Wicklung bezeichnet, durch die der Strom, der üblicherweise von dem Sternmittelpunkt kommt, zum Versorgungsanschluß der entsprechenden Wicklung fließt. Zum Beispiel ist in Fig. 1 das Schema der Anregungsphase A!B gezeigt.
Diese bürstenlosen Motoren werden im allgemeinen unter Verwendung einer integrierten Schaltung angesteuert, deren Ausgangsstufe durch eine mehrphasige Ganzwellen-Brückenschaltung repräsentiert wird, die im Fall eines Dreiphasenmotors sechs Bipolar-Leistungstransistoren (BJT-Leistungstransistoren) oder Feldeffekttransistor-Leistungstransistoren (MOS-Leistungstransistoren) verwenden kann. Der Motorstrom wird durch eine Steilheitsschleife linear gesteuert.
Während einer bestimmten Schaltphase des Motors wird der "Quellen"- Leistungstransistor in volle Leitung gezwungen, (d. h. zur Sättigung im Fall einer MOS-Vorrichtung), während gemäß dem Plan nach Fig. 2, der sich auf die Verwendung einer MOS-Leistungsvorrichtung bezieht, der "Senken"- Leistungstransistor als ein Steilheitselement arbeitet.
Mit Bezug auf Fig. 2 kann der Motorstrom wie folgt ausgedrückt werden:
Imotor = Vref/Gv·Rs,
wobei Vref die durch die Motordrehzahlregelschleife gelieferte Steuerspannung und Gv die Spannungsverstärkung des Abtastverstärkers ist, während Rs der Strommeßwiderstand ist.
Im Stand der Technik wird die Spannung Vref bei einem bestimmten Pegel durch die Regelschleife geregelt, um den durch den Motor aufgenommenen Strom zu regeln und eine bestimmte Drehzahl aufrechtzuerhalten.
Selbstverständlich wirkt die Regelschleife auf den Vref-Wert durch Veränderung seines momentanen Wertes um einen bestimmten Mittelwert, um die momentanen Abweichungen des Lastdrehmoments zu kompensieren.
Aus diesem Grund wird der Motor während jeder Anregungsphase auf einen bestimmten Pegel geregelt, im wesentlichen auf einen konstanten Pegel (± Imotor), wie in dem Diagramm nach Fig. 3 gezeigt ist.
Fig. 4A zeigt die Drehmomentkurven für einen konstanten Imotor-Strom für die sechs verschiedenen Anregungsphasen in dem betrachteten Fall.
Durch Erhöhung des Stroms erhöht sich der Spitzenpegel der Drehmomentkurve, ihre Form bleibt aber im wesentlichen unverändert.
Fig. 4B zeigt die Drehmomentkennlinien des Motors, wenn die Phasenschaltung an den optimalen Zeitpunkten stattfindet, die mit T1, T2, ..., T6 gekennzeichnet sind. Diese optimalen Schaltzeitpunkte können unter Verwendung der Signale bestimmt werden, die erzeugt werden durch die anwendungsspezifi schen Rotorpositionssensoren, zum Beispiel Hall-Effekt-Zellen, oder durch Überwachung des wohlbekannten zyklischen Effekts der Erzeugung von gegenelektromotorischen Kräften (BEMF) in den Wicklungen des Motors und Abtasten der Durchgangszeitpunkte eines bestimmten Bezugspegels, zum Beispiel durch die Verwendung von Nulldurchgangsvergleichsvorrichtungen.
Es ist aus dem Diagramm nach Fig. 4B offensichtlich, daß durch das Schicken eines konstanten Stroms durch die Motorwicklungen eine Drehmoment- "Welligkeit" nicht vermieden werden kann. In der Praxis repräsentiert das Diagramm nach Fig. 4B die in dieser Hinsicht bestmögliche Ansteuerbedingung, d. h., wo die Phasenschaltung bei den optimalen Zeitpunkten auftritt.
EP-A-0 324 396 offenbart ein System zum Ansteuern eines bürstenlosen Motors gemäß einem Ansteuerprofil, das aus einer digitalisierten Halbwelle rekonstruiert wird, deren Abtastwerte in einem Speicher gespeichert sind. Das System wird bei jeder elektrischen Umdrehung des Motors zurückgesetzt und neu synchronisiert.
US-A-5.469.215 offenbart ein System zum Vermindern der Drehmomentwelligkeit beim Ansteuern eines bürstenlosen Motors durch die Verwendung einer "Nachschlagtabelle" aus vorgegebenen Kompensationswerten, die in Abhängigkeit von der Verbesserung der Daten, die für die Position, die Drehzahl und das angeforderte Drehmoment repräsentativ sind, zu dem angeforderten Drehmomentwert zu addieren oder von ihm zu subtrahieren sind.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Ansteuertechnik zu schaffen, die die Drehmoment-"Welligkeit" vermindern und minimieren kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, wie es im Anspruch 1 beansprucht ist.
Die Technik der Erfindung besteht im Prinzip darin, Stromprofile (im Gegensatz zu konstanten Strompegeln) zu modellieren, die während der Aufeinanderfolge der Anregungsphasen durch die Motorwicklungen zu schicken sind, um die resultierende Drehmoment-"Welligkeit" zu beseitigen oder zu minimieren. Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden derartige vorgegebene Stromprofile digitalisiert und in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert, wobei das Schicken eines Stroms entsprechend dem ausgewählten Profil durch die jeweilige Motorwicklung durch das Lesen der digitalisierten Werte aus dem Speicher synchron zu der augenblicklichen Position geschieht.
Gemäß einer wichtigen Ausführung der Erfindung bezieht sich die folgende Beschreibung auf ein System, wie es im Anspruch 11 beansprucht ist, worin ebenso viele Profile gespeichert sind, wie es Motorwicklungen gibt. Dies erlaubt, jedes Profil an die entsprechende Wicklung unabhängig anzupassen, um jede restliche Drehmomentdiskrepanz zu kompensieren, wie sie durch jede Anregungsphase erzeugt wird, was durch während des Baus auftretende mechanische Asymmetrien verursacht werden kann.
Wenn eine derartige Forderung nicht unentbehrlich ist, wie in vielen Anwendungen, würde dann nur ein Profil gespeichert werden können oder sogar nur ein Viertel einer vollständigen Periode des erforderlichen Profils, wobei das vollständige Profil und/oder phasenverschobene identische Profile für die verschiedenen Wicklungen durch die Symmetrie unter Verwendung einer anwendungsspezifischen Rekonstruktions-Logikschaltungsanordnung rekonstruiert werden können.
Deshalb wird gemäß einem grundlegenden Aspekt der Erfindung der in jeder Phasenwicklung des Motors fließende Strom gemäß einem jeweiligen Profil, das vorgegeben und gespeichert ist, im wesentlichen durch Synchronisierung des Abtastens des digitalisierten Profils mit einem für die Rotorposition repräsentativen Taktsignal hindurchgeschickt.
Ein derartiges Taktsignal kann gemäß irgendeiner der bekannten Techniken erhalten werden, zum Beispiel unter Verwendung eines oder mehrerer Positionssensoren, zum Beispiel Hall-Effekt-Sensoren, oder einer anwendungsspezifischen Schaltungsanordnung, die bestimmte, wichtige Zeitpunkte der zyklischen (ungefähr sinusförmigen) Entwicklung der BEMF-Signale, die in den Phasenwicklungen des Motors induziert werden, überwachen und abtasten kann.
Selbstverständlich setzt die Erfindung voraus, daß die Leistungsstufen, die den Strom durch die Motorwicklungen schicken, ein Ausgangssignal erzeugen können, das eine perfekte Kopie der Signalform eines bestimmten Ansteuer- Eingangssignals ist, das dem momentanen Wert eines der vorgegebenen und nichtflüchtig gespeicherten Profile entspricht, wie er aus dem Speicher (gemäß einem typischen Strommodus-Ansteuer- und Steuerschema) gelesen wird.
Wie für einen Fachmann offensichtlich ist, wird das System der Erfindung sogar nützlich sein, wenn kein Bedarf an der Ausübung einer Stromsteuerung in der abschließenden Ausgangsstufe vorhanden ist.
In diesem Fall würde nicht länger auf Stromprofile verwiesen, sondern vielmehr auf Spannungsprofile, die über den beiden Enden jeder Motorwicklung (gemäß einem typischen Spannungsmodus-Ansteuerschema) eingeprägt werden.
Ein Spannungsmodus-Ansteuerschema wird eine Kenntnis der Verhältnisse VII/IMI voraussetzen, wobei VMI die über einer Wicklung gemessene Spannung ist, während IMI der resultierende Strom ist.
Selbstverständlich werden in diesem Fall die vorgegebenen Spannungsprofile anstelle der Stromprofile gespeichert werden, um Ströme zu erzeugen, die die Drehmomentwelligkeit minimieren oder beseitigen.
In der nachfolgenden Beschreibung wird zur Einfachheit auf Stromprofile und auf eine Strommodus-Steuerung verwiesen und dabei die obenerwähnte Austauschbarkeit zwischen einem Ansteuer-Stromprofil und einem Ansteuer- Spannungsprofil und ebenso zwischen einer Strommodus-Steuerung und einer Spannungsmodus-Steuerung für selbstverständlich genommen.
Gemäß einer wichtigen Ausführung der vorliegenden Erfindung sind die Ansteuer-Strom- oder Spannungsprofile, die in einer digitalen Form in dem Speicher gespeichert sind, Profile, die als eine Summe von Fourier-Harmonischen einer Hauptfrequenz dargestellt werden können, wobei die Summe der momentanen Werte der verschiedenen Profile im wesentlichen konstant ist, um Stromumlaufphänomene in den Ausgangsleistungsstufen, die die Motorwicklungen ansteuern, zu verhindern, wobei dieser Umlauf einen Verlust der Steuerung der Regelung verursachen kann.
Gemäß einem architektonischen Aspekt wird jede Ausgangsleistungsstufe durch ein Signal angesteuert, das durch einen Digital/Ananlog-Umsetzer (DAC) ausgegeben wird, an dessen Eingang in Abhängigkeit von einer bestimmten Anregungsphase des Motors die digitalen Werte aufeinanderfolgend angelegt werden, die ebenso vielen Abtastwerten des vorgegebenen und digitalisierten Stromprofils entsprechen, die im allgemeinen in einem Puffer oder in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind.
In dem Fall, in dem die abschließende Stufe im wesentlichen durch den DAC repräsentiert wird, wird der Analogpegel, der dem digitalen Abtastwert des Stromprofils entspricht, direkt durch die jeweilige Wicklung geschickt.
Wenn umgekehrt eine PWM-Steuerung in der abschließenden Stufe implementiert werden muß, kann die Architektur der Erfindung einen Byte/PWM- Signalumsetzer enthalten, der ein PWM-Signal aus dem digitalen Wert erzeugt, der dem Stromprofilabtastwert entspricht.
In der Praxis können im Fall des Dreiphasenmotors, d. h. eines Motors mit drei Phasenwicklungen, drei Stromprofile vorgegeben und gespeichert werden.
Diese Stromprofile erzeugen durch die jeweiligen DACs drei um 120º phasenverschobene Analogsignale, die die drei Ausgangsleistungsstufen ansteuern, die die jeweiligen Ströme durch die drei Wicklungen des Motors gemäß einem Sechsphasen-Schaltschema des Motors schicken.
Die Möglichkeit des Modellierens mit einer relativ hohen Freiheit der Wahl der Profile der Ströme, die durch die Wicklungen des Motors geschickt werden, erlaubt, jede restliche "Welligkeits"-Amplitude der Drehmomentkennlinie des Motors zu beseitigen oder zu minimieren.
Die verschiedenen Aspekte und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher durch die folgende Beschreibung einiger wichtiger Ausführungen und durch Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, worin:
Fig. 1 die Bedeutung der in dem vorliegenden Kontext verwendeten Schreibweise zeigt;
Fig. 2 ein Schema des Standes der Technik einer Steilheits- Stromsteuerschleife ist, wie sie oben beschrieben ist;
Fig. 3 die Signalformen der Ströme zeigt, die in den drei Phasenwicklungen unter der Steuerung der jeweiligen Stromregelschleifen gemäß einer bekannten Technik fließen;
Fig. 4A die Drehmomentkurven relativ zu den sechs Schaltphasen des Motors in Übereinstimmung mit den Stromsignalformen nach Fig. 3 zeigt;
Fig. 4B die Drehmomentkennlinie des Motors hervorhebt, wenn die Phasenschaltungen bei den optimalen Zeitpunkten auftreten;
Fig. 5 ein sinusförmiges Stromprofil zeigt, das in sechs Folgen von je N Abtastwerten unterteilt ist, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind;
Fig. 6 ein Plan der Schaltung ist, die das Lesen jeder der sechs Folgen aus je N Abtastwerten, in die ein bestimmtes Stromprofil unterteilt ist und die digitalisiert und in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, mit einem Signal, das die Position des Rotors des Motors anzeigt, synchronisiert;
Fig. 7 ein ausführlicher Stromlaufplan des Blocks ist, der die Synchronisationssignale des Plans nach Fig. 6 erzeugt;
Fig. 8A und 8B einige wichtige Betriebsbedingungen des Systems der Erfindung erläutern;
Fig. 9A und 9B die Eingangs- und Ausgangssignale des Blocks nach Fig. 7 in bezug auf die beiden Fälle nach Fig. 8A und 8B zeigen;
Fig. 10 ein Diagramm ist, das das Diagramm des Stroms in einer Motorwicklung zeigt, wenn am Ende einer Anlaufroutine die Steuerung durch das Ansteuersystem der Erfindung übernommen wird.
Die folgende Beschreibung von wichtigen praktischen Ausführungen der Erfindung dient nur dem Zweck der Erläuterung einiger Weisen, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann.
Eine allgemeinere Definition der Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 11 definiert, die der vorliegenden Erfindung beigefügt sind.
Einer der Hauptaspekte der Erfindung besteht im Schicken eines Stroms durch die Wicklungen des Motors, dessen Profil oder Signalform genau einem vorher festgelegten Profil folgt, das in digitalisierter Form in einem nichtflüchtigen Speicher, wie zum Beispiel einem EPROM- oder EEPROM- Speicher, gespeichert ist. Die Summe der momentanen Werte der geschickten Ströme, (d. h. der Profile relativ zu den verschiedenen Wicklungen), ist konstant.
Als eine Folge besteht eines der Hauptprobleme des derartigen Ansteuerns des Motors darin, eine völlige Synchronizität des Ansteuerprozesses und in der Praxis des Abtastens jeder Folge gespeicherter Werte zusammen mit der momentanen Position des Rotors zu sichern, um die Produktion des maximalen Drehmoments zu sichern und diese Synchronizität während jeder Betriebsphase aufrechtzuerhalten, d. h. während der Phasen der Beschleunigung, der Umdrehung bei konstanter Drehzahl und der Verzögerung.
Die Erfüllung einer derartigen strengen Bedingung wird durch eine Schaltung gesichert, die den momentanen Wert des Stroms, der durch die Motorwicklungen zu schicken ist, aus dem Speicher lesen und derartige Ströme synchron mit einem für die Position des Rotors repräsentativen Signals effektiv durch die Wicklungen schicken kann. Dieses Signal kann durch eine Decodierungs- und Verarbeitungsschaltungsanordnung von Signalen erzeugt werden, die durch anwendungsspezifische Umsetzer oder Sensoren, zum Beispiel durch Hall- Effekt-Sensoren, oder durch eine Schaltung, die Informationen von der Position des Rotors durch Überwachen der in den Wicklungen des Motors induzierten BEMFs ableiten kann, erzeugt werden.

BESCHREIBUNG DER ZWECKMÄSSIGEN AUSFÜHRUNGEN

Es wird beispielhaft der Fall eines Motors mit drei in Sternkonfiguration angeschlossenen Phasenwicklungen betrachtet, für den ein vollständiger Schaltzyklus sechs verschiedene Anregungsphasen enthält, wobei deren Ansteuerung gemäß einem Stromsteuermodus bewirkt werden kann.
Deshalb wird das vorher festgelegte Wellenprofil des Stroms, der durch die Phasenwicklungen des Motors zu schicken ist, und das zum Zweck der Erläuterung im wesentlichen sinusförmig gewählt werden kann, wie in Fig. 5 gezeigt ist, mittels des durch den Rotor zurückgelegten Kreisbogens des Umfangs in sechs Teile gleicher "Dauer" unterteilt, oder, mit anderen Worten, in sechs aufeinanderfolgende Folgen Sx (x = 1,6), wobei jede aus einer Anzahl von N Abtastwerten zusammengesetzt ist. Das heißt, jeder der sechs Teile, in die das ganze sinusförmige Profil unterteilt ist, wird praktisch in einer Anzahl N von Abtastwerten abgetastet, deren in digitaler Form ausgedrückter Wert, d. h. in Worten aus einer bestimmten Anzahl von Bits (zum Beispiel 8 oder mehr Bits), auf eine nichtflüchtige Weise in einem anwendungsspezifischen Register oder nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden kann.
Offensichtlich ist die Einstellung der Anzahl N der Abtastwerte, die für jede der Folgen gespeichert sind, in die das ganze Stromprofil unterteilt ist, ein wichtiger Faktor, weil von ihr das Verhalten der anderen Funktionsblöcke abhängt, die das Ansteuersystem der Erfindung ausmachen, wie durch die nachfolgende Beschreibung offensichtlich wird.
Gemäß einer Ausführung nach Fig. 6 repräsentiert der ZCSSB-Block eine Logikschaltung, die aufeinanderfolgend ein "Nulldurchgangs"-Signal (ZC- Signal) aus jedem der drei analogen BEMF-Signale produzieren kann, die durch die Drehung des Rotors in den drei Motorwicklungen induziert oder andernfalls durch Hall-Effekt-Sensoren produziert werden. Die Schaltung wählt aufeinanderfolgend einen der drei Eingänge aus und zwingt auf das Erkennen des wichtigen Zeitpunkts das Ausgangs-ZC-Signal auf einen hohen Logikzustand.
Auf die Aktivierung des Schaltens auf einen hohen Logikzustand des ZC- Signals wird das ZC-Signal auf einen tiefen Logikzustand zurückgezwungen, wie nachstehend beschrieben ist und wie in den Diagrammen nach Fig. 9A und 9B gezeigt ist. Tc ist das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aktivierungen des Schaltens auf einen Hoch-Zustand des ZC-Signals, während das TTC-Signal ein Signal mit der gleichen Periode des ZC-Signals, aber mit einem Tastgrad von 50% ist.
Der ZCSSB-Block kann irgendeine der geeigneten bekannten Architekturen besitzen, die im allgemeinen in einem bürstenlosen Motor für Antriebssysteme verwendet werden. Zum Beispiel offenbart das Europäische Patent Nr. 0 429 412 im Namen des gleichen Anmelders eine für die Verwendung in dem ZCSSB-Block des vorliegenden Systems geeignete Schaltung.
Jede der sechs Folgen Sx (x = 1,6) aus je N Abtastwerten, die jedes der drei in den jeweiligen nichtflüchtigen Speicherpuffern gespeicherten Profile bilden, wie in Fig. 6 durch die Blöcke M1, M2 und M3 gezeigt ist, muß auf einer Zeitbasis mit dem letzen gemessenen Zeitintervall Tc übereinstimmen. Mit anderen Worten, das System sollte theoretisch die Kapazität besitzen, zu sichern, daß die zwischen dem Zeitpunkt des Schickens des ersten Abtastwertes der Folge Sx (x = 1,6) und dem Zeitpunkt des Endes des Schickens des letzten Abtastwertes derselben Folge verstreichende Zeit mit der Zeit Tc übereinstimmt, die durch das Abtasten der vorhergehenden Folge erfordert wird.
Durch das Definieren von TSAMPLE als die Schickzeit jedes Abtastwertes einer Folge gilt dann N · TSAMPLE = Tc.
Wenn nach Fig. 5 der letzte Abtastwert, (d. h. der Abtastwert 6N-1), der letzten Folge geschickt wird, wird die Schaltung auf eine Weise zurückgesetzt, daß der nächste Abtastwert, der im Begriff ist, geschickt zu werden, abermals der erste Abtastwert des gesamten gespeicherten Profils ist.
Ein wichtiger Aspekt des Ansteuersystems der Erfindung besteht darin, daß das Synchronisieren des Abtastens einer Folge mit dem Positionssignal ZC am Ende jeder Folge stattfindet. Eine Alternative würde möglicherweise darin bestehen, das Abtasten nicht am Ende jeder Folge zu Resynchronisieren, sondern vielmehr jede K Folgen (K = 1,6).
In der nachfolgenden Beschreibung wird angenommen, die Synchronisation am Ende jeder Folge (K = 1) zu erzwingen.
Wenn die Schickzeit des letzten Abtastwertes jeder Folge verstrichen ist, wird deshalb der erste Abtastwert der nächsten Folge synchron mit dem ZC-Signal geschickt.
Es können zwei Bedingungen auftreten:
1) Gemäß einer ersten Bedingung ist das ZC-Signal am Ende der Schickzeit des letzten Abtastwertes einer bestimmten Folge noch nicht aktiviert worden. Das bedeutet, daß die entsprechende Folge von N Abtastwerten (x = 1,6) zu früh abgeschlossen wurde, wenn mit dem optimalen Schaltzeitpunkt, der der Anstiegsfront des neuen ZC-Impulses entspricht, verglichen wird. Diese Bedingung tritt auf, wenn der Motor verzögert, so daß das Intervall Tc zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaltereignissen verglichen mit dem vorhergehenden Intervall vergrößert werden muß. Diese Bedingung ist in Fig. 8A schematisch dargestellt.
In diesem Fall hält das Ansteuersystem der Erfindung den gleichen Strom aufrecht, der dem letzten Abtastwert Sx der aktuellen Folge entspricht, bis ein neues ZC-Signal aktiviert wird. Wenn eine neue Anstiegsfront auftritt und schließlich ein neuer ZC-Impuls aktiviert wird, wird die Schaltung durch den LB-Block zurückgesetzt und die nachfolgende Folge S(x+1) aus Abtastwerten wird mit ihrem ersten Abtastwert beginnend gestartet.
2) Gemäß einer weiteren Betriebsbedingung, wenn der Motor beschleunigt und das aktuelle Tc-Intervall kürzer ist als das vorhergehende, tritt die neue Anstiegsfront und die nachfolgende Aktivierung eines neuen ZC- Impulses auf, bevor alle N Abtastwerte der aktuellen Folge Sx "entladen" wurden. Diese Situation wird in dem Diagramm nach Fig. 8B dargestellt.
In diesem Fall wird das ZC-Signal durch den LB-Block zu einem tiefen Logikzustand zurückgesetzt, und die nachfolgende Folge aus N Abtastwerten wird nicht ab dem ersten gespeicherten Abtastwert der Folge begonnen, vielmehr werden ein oder mehrere anfängliche Abtastwerte übersprungen, um so das Schicken eines Stroms in die entsprechenden Wicklungen des Motors zu beginnen, der einem bestimmten M-ten Abtastwert der neuen Folge aus N Abtastwerten entspricht, wobei M dem Inhalt eines Schreibe-Lese-Registers entspricht.
Deshalb wird die neue Folge aus N Abtastwerten in der Praxis aus einer N-M-Anzahl aus Abtastwerten zusammengesetzt, um das Ansteuern an ein Tc-Zeitintervall, das kürzer ist als das zuletzt gemessene, und bezüglich der letzten entladenen Folge aus Abtastwerten anzupassen.
Auf diese Weise resynchronisiert sich das System der Erfindung selbst mit den Zeitpunkten der Aktivierung eines neuen ZC-Impulses.
Eine alternative Ausführung könnte erfordern, daß M anstatt die Anzahl der zu überspringenden Abtastwerte der nächsten Folge zu identifizieren einen Prozentsatz des letzten bestimmten Zeitintervalls Tc identifiziert, und daß die korrigierte Zeit, in der das Abtasten der nachfolgenden Folge bewirkt wird, ist:
In diesem Fall werden die anfänglichen Abtastwerte nicht länger übersprungen, statt dessen wird ein schnelleres Abtasten der nächsten Folge ausgeführt.
Andere Ausführungen könnten auf der Erkenntnis basieren, daß M als von der Drehzahl des Rotors und der gemessenen Zeit Tc abhängig angenommen wird, d. h.:
Während wegen diesem eine schnelle Beschleunigung M(Tc) relativ hoch sein muß, um eine schnelle Wiederherstellung der Dauer der Folge zu sichern, wohingegen während des stationären Betriebs M(Tc) relativ klein sein sollte, weil die zu kompensierenden Tc-Variationen gewöhnlich klein sind.
Eine weitere Möglichkeit kann implizieren, daß vor dem Auftreten eines "Nulldurchgangs"-Ereignisses das Auftreten der aktuellen Folge unterbrochen wird und das Abtasten der nachfolgenden Folge sofort begonnen wird.
In dem Plan nach Fig. 6 enthält jeder der drei Puffer (nichtflüchtigen Speicher) M1, M2 und M3 die 6 · N Abtastwerte, die das jeweilige ganze Profil ausmachen. Die drei Profile können in den jeweiligen Registern M1, M2 und M3 gespeichert werden, so daß sie zu lesen sind, als ob sie mit 120º Abständen von einander angeordnet sind, wobei die drei Puffer M1, M2 und M3 durch die von dem LATCH L2 verursachten A -A7-Signale parallel adressiert werden können.
Der LATCH L2 stellt die Zeilenadressen bereit: Wenn das LE1-Signal hoch ist, ist der LATCH L2 "transparent" und die an den PA -PA7-Leitungen vorliegenden Signale werden zu den A -A7-Leitungen übertragen. Beim Einschalten wird das LE1-Signal für eine kurze Zeitdauer auf hoch gezwungen, die für den LATCH L2 ausreichend ist, um sich selbst in eine erste Konfiguration (00h) zu setzen, die an die A -A7-Leitungen zu schicken ist.
C1 bildet den Adressenzähler. An jeder Anstiegsfront des CLOCK-Signals wird die Adresse um eine Einheit erhöht. Am Ende jeder der Sx-ten Folgen (x = 1,6) wird durch den LB-Block das !LOAD-Signal tief gezwungen, um das parallele Laden des Zählers mit den an den PPA -PPA7-Leitungen vorliegenden Daten zu erlauben, d. h. mit dem ersten Abtastwert der nachfolgenden S(x+1)-ten Folge.
Beim Einschalten setzt das Signal NOTINIT die Inhalte des Zählers C1 zurück und schickt die Daten 00h an die PA -PA7-Leitungen.
Der Zähler C 1 wird ebenfalls durch die Vergleichsvorrichtung COMP2 zurückgesetzt, wenn der letztere den letzten Abtastwert der letzten Folge erkennt, d. h., wenn er die entsprechenden Daten auf den PA -PA7-Leitungen erkennt. Tatsächlich würde der letzte Abtastwert der letzten Folge 6 · N-1 sein, weil der erste Abtastwert der ersten Folge durch identifiziert wird.
Die Vergleichsvorrichtung COMP1 zwingt das Signal !(P = N) tief, wenn die aktuellen Daten auf den PA -PA7-Leitungen gleich den auf den Leitungen NA -NA7 vorliegenden Daten sind. In der Praxis geht dieses Signal bei jedem letzten Abtastwert von jeder der sechs Folgen tief.
Der LATCH L1 wird ausgelöst, wenn das durch den LB-Block erzeugte Signal LE2 hoch ist, d. h., aus Anlaß des ersten Abtastwertes einer Folge, der der einen soeben abgeschlossenen folgt.
Der Addierer S1 fügt die auf den NN -NN7-Leitungen vorliegenden Daten zu den auf PA -PA7 vorliegenden Daten hinzu.
Der Addierer S2 fügt die auf den NA -NA7-Leitungen vorliegenden Daten zu den auf M -M7 vorliegenden Daten hinzu.
Die Daten M -M7 werden nur freigegeben, wenn das durch den LB-Block produzierte Steuersignal MEN hoch ist.
Der Schaltungsblock PLL hat die Aufgabe, die Frequenz mit einem Faktor 2 · N zu multiplizieren und als Bezugssignale das TTC-Signal zusammen mit dem Signal zu verwenden, das durch einen Frequenzteilerblock durch einen Faktor 2 · N produziert wird, zu dem das durch den Block PLL produzierte Ausgangssignal PLLOUT gespeist wird. Folglich ist das Ausgangssignal PLLOUT zu dem 2 · N-fachen der Frequenz des TTC-Signals äquivalent. Durch das Schicken eines neuen Abtastwertes des gespeicherten Stromprofils bei jeder Aktivierung des Ausgangssignals PLLOUT wird in der Praxis eine Anzahl von 2 · N Abtastwerten hervorgebracht, die innerhalb des Zeitintervalls Tc zu schicken sind, das die zu Tc gleiche TTc-Periode ist.
In der in der Figur gezeigten Ausführung erfordert das System vielmehr eine Division durch 2 · N als durch N, um die notwendige Synchronisation der Signale auf eine Weise zu implementieren, daß die Frequenz, die tatsächlich das System der Erfindung speist, durch den LB-Block erzeugt wird und durch:
CLOCK = PLLCLK/2 gegeben ist, worin PLLCLK gleich PLLOUT ist, wenn das START-Signal tief ist.
Der Block PS enthält die Leistungsstufen, die die drei Wicklungen des Motors ansteuern. Jede der drei Ausgangsleistungsstufen kann mit einem Leistungs- MOS oder mit einem bipolaren Flächentransistor realisiert und mit einer Stromsteuerschleifenschaltung gemäß irgendeiner der bekannten Konfigurationen, wie zum Beispiel der in Fig. 2 dargestellten, bereitgestellt werden.
Jede Steilheitsausgangsstufe übersetzt praktisch die drei durch die jeweiligen Digital/Analog-Umsetzer DAC1, DAC2 und DAC3 ausgegebenen analogen Ansteuersignale VREF1, VREF2 und VREF3, die die entsprechenden Ströme I1, I2 und I3 durch die Wicklungen des Motors schicken.
Der DAC1, der DAC2 und der DAC3 sind drei Umsetzer, die die in Wörtern von n Bit ausgedrückten Abtastwerte, wie sie aus den jeweiligen Puffern M1, M2 und M3 gelesen werden, in die entsprechenden analogen Werte VREF1, VREF2 und VREF3 übersetzen. Die drei Umsetzer DAC1, DAC2 und DAC3 werden durch das CONTROL-Signal gesteuert, das durch den SPEED CONTROL-Block geliefert wird, der die Drehzahlregelschleife implementiert. Das Steuersignal wirkt auf den Eingangsbezugspegel der drei Umsetzer. Das andere Steuersignal START zwingt gemäß einer der vielen bekannten Techniken, die im allgemeinen verwendet werden, in Abhängigkeit von einer bestimmten Anlaufroutine des Motors den Ausgang der drei Umsetzer auf einen vorgegebenen Startwert.
Eine externe Aktivierung (Schaltung) des GO-Befehls gibt die Ausführung der Anlaufroutine des Motors frei. Diese Routine erhält durch Aktivierung des START-Signals die Steuerung der drei Umsetzer DAC1, DAC2 und DAC3 aufrecht. Während der Anlaufroutine wird der Motor beschleunigt, (selbstverständlich kann die Anlaufroutine in Abhängigkeit von den Anforderungen des Betreibers definiert werden), während der PLL-Block sich selbst verriegelt. Sobald die Verriegelung erreicht ist, sendet der PLL-Block das LOCKED-Signal an den START UP-Block, der die Anlaufroutine ausführt. Von diesem Moment ist der START UP-Block freigegeben, um die Systemleitungen Dx0, Dx7 (wobei x = 1,3 ist) an die entsprechenden Eingänge der drei DAC1-, DAC2- und DAC3-Umsetzer zu schalten.
Fig. 10 ist ein Diagramm, das den Zeitpunkt zeigt, zu dem die Schaltung, die die Ausführung der Anlaufroutine überwacht, die Steuerung an die DAC1-, DAC2- und DAC3-Umsetzer übergibt.
Durch Zuordnung der Phasenwicklung A zu dem DAC 1 und zu VREF 1, der Phasenwicklung B zu dem DAC2 und zu VREF2 und der Phasenwicklung C zu dem DAC3 und zu VREF3 wird auf das Abtasten des "Nulldurchgangs" der in der Wicklung C induzierten BEMF der Zähler C1 freigegeben, um mit dem Inkrement zu zählen, weil der LB-Block beginnt, das taktende CLOCK-Signal auszugeben. Das ereignet sich, weil das START-Signal tief geht und folglich AND 1 transparent wird, so daß das PLLCLK-Signal gleich dem PLLOUT- Signal ist.
Wenn die PA -PA7-Leitungen den Dezimalwert N erreichen, zwingt die Vergleichsvorrichtung COMP1 das Signal !(P = N) tief. Der LB-Block zwingt das Signal !LOAD tief, was bei der nachfolgenden Anstiegsfront des CLOCK- Signals das Laden des Zählers C1 mit den momentan an den PPA -PPA7- Leitungen vorliegenden Daten erlaubt.
In dem Fall, daß der Motor bremst, wenn das Signal !LOAD tief geht, wird das ZC-Signal noch nicht aktiviert sein, wie in dem Diagramm nach Fig. 9A gezeigt ist. In diesem Fall bleibt das Signal MEN tief und der Dezimalwert N wird in den Zähler C1 heruntergeladen.
Wenn der Motor beschleunigt ist in dem genauen Moment, in dem das Signal !LOAD tief geht, das Signal ZC bereits hoch, wie in dem Diagramm nach Fig. 9B hervorgehoben ist.
In diesem Fall wird durch den LB-Block das Signal MEN aktiviert, und der Dezimalwert N+M wird in den Zähler C1 heruntergeladen.
Während der Zeit, in der das Signal !LOAD tief ist, wird das Signal LE1 tief gezwungen, so daß die Umsetzer DAC1, DAC2 und DAC3 nicht aktualisiert werden.
In beiden Fällen wird auf die Aktivierung des ZC-Signals das Signal !LOAD durch den nachfolgenden Impuls LE gesetzt, welcher intern erzeugt und durch den LB-Block verwendet wird.
Wenn !LOAD aktiviert ist, verfolgt das LE1-Signal das LE-Signal und erlaubt die Aktualisierung der DAC1-, DAC2- und DAC3-Umsetzer.
Schließlich wird das Signal LE2 ebenfalls zuerst hoch gezwungen und dann tief gezwungen, um in dem LATCH L1 den ersten Wert der neuen Folge von Abtastwerten zu speichern, die 2N oder 2N+M sein werden (gemäß zu dem, was bereits oben in bezug auf die Diagramme nach Fig. 8A und 8B beschrieben wurde).
Diese Situation wiederholt sich selbst, bis der letzte Abtastwert auf die PA -PA7-Leitungen übertragen wird. An diesem Punkt setzt die Vergleichsvorrichtung COMP2 das System zu dem ersten Abtastwert der ersten Folge aus Abtastwerten zurück.
Der LB-Block erzeugt gemäß dem oben erläuterten Funktionieren alle Synchronisations- und Steuersignale, die durch das System erfordert werden.
Eine funktionsfähige Schaltungsausführung des LB-Blocks ist in Fig. 7 unter Verwendung einer Standardschreibweise gezeigt, diese ist für einen Durchschnittsfachmann von unmittelbarem Verständnis. Selbstverständlich könnten die notwendigen Synchronisations- und Steuersignale des Systems ebenfalls unter Verwendung einer Schaltung oder Logikschaltungen erzeugt werden, die zu jenen in Fig. 7 beispielhaft erläuterten äquivalent sind.

Claims

1. Verfahren zum Ansteuern eines bürstenlosen Mehrphasenmotors, das darin besteht, ein Strom- oder Spannungsansteuerungsprofil für jede Phasenwicklung des Motors in Form digitaler Wörter mit einer bestimmten Anzahl von Bits, die Abtastwerte der Profile repräsentieren, zu definieren, zu digitalisieren und in einem nichtflüchtigen Speicher zu speichern, und einen Strom in Übereinstimmung mit den gespeicherten Profilen, die aus dem nichtflüchtigen Speicher gelesen werden, durch die entsprechenden Phasenwicklungen des Motors zu schicken, dadurch gekennzeichnet, daß es enthält:

Speichern der Profile in Form einer Anzahl von Folgen aus N Abtastwerten, die gleich der Anzahl von Schaltphasen des Motors ist;

Steuern jedes Schaltens der Phase des Motors und des Schaltens des Lesens von Abtastwerten aus dem Speicher zur nächsten Folge jedes Profils synchron mit einem die Rotorposition repräsentierenden Synchronisationssignal.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile einer Summe von Fourier-Harmonischen einer Hauptfrequenz entsprechen und die Summe momentaner Werte der verschiedenen Profile konstant ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Folge in einer Zeit Tc abgetastet wird, die dem Zeitintervall entspricht, das zwischen den beiden letzten vorhergehenden Aktivierungen des die Rotorposition repräsentierenden Synchronisationssignals aufgetreten ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil eine einer vollständigen elektrischen Umdrehung des Rotors entsprechende Periode besitzt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Rotorposition repräsentierende Synchronisationssignal in Übereinstimmung mit den jeweiligen optimalen Phasenschaltpositionen, die vom Rotor unter der momentanen Betriebsbedingung angenommen werden, aktiviert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Beschleunigungsphase des Motors die Anzahl von Abtastwerten, die von irgendeiner der Folgen aus N Abtastwerten verwendet werden, proportional um M Abtastwerte verringert wird, indem die ersten M Abtastwerte der Folge übersprungen werden, falls die Aktivierung eines neuen Synchronisationssignals beim Durchgang des Rotors durch eine Phasenschaltposition vor dem Abschluß des Lesens sämtlicher Abtastwerte der vorhergehenden Folge erfolgt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Beschleunigungsphase des Motors das Abtasten der nächsten Folge in einer Zeit Tc erfolgt, die aus der gemessenen Abtastzeit Tc der vorhergehenden Folge erhalten wird, abzüglich eines Prozentsatzes M% hiervon, wobei M der programmierbare Inhalt eines Registers ist.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Beschleunigungsphase des Motors das Abtasten der nächsten Folge in einer Zeit erfolgt, die aus der gemessenen Abtastzeit der vorhergehenden Folge erhalten wird, abzüglich eines Prozentsatzes M % hiervon, wobei M eine Funktion der Abtastzeit Tc der letzten Folge ist.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Beschleunigungsphase des Motors das Abtasten der laufenden Folge bei der Aktivierung des Synchronisationssignals unterbrochen wird, was einen sofortigen Beginn des Abtastens der darauf folgenden Folge ergibt.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Verzögerungsphase des Motors der Strom durch die Phasenwicklungen des Motors auf einem konstanten Pegel gehalten wird, der dem letzten Abtastwert der entsprechenden Profile bis zum Auftreten eines neuen Synchronisationssignals entspricht, das den Durchgang des Rotors durch eine Phasenschaltposition meldet.

11. Ansteuerungssystem für einen bürstenlosen Mehrphasenmotor (MOTOR), das mehrere Ausgangsleistungsstufen (PS), die ebenso viele Phasenwicklungen des Motors ansteuern, eine nichtflüchtige Speichereinrichtung (M1, M2, M3) zum Speichern von im voraus gesetzten Ansteuerungsstromprofilen für jede Phasenwicklung und mehrere Digital/Analog- oder n-Bit/PWM-Umsetzer (DAC1, DAC2, DAC3), die den digitalen Wert jedes Abtastwerts (D10-D17, D20-D27, D30-D37) eines entsprechenden gespeicherten Ansteuerungsprofils, das aus der Speichereinrichtung gelesen wird, in ein analoges Ansteuerungssignal (VREF1, VREF2, VREF3) der relativen Leistungsstufe umsetzen können, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß es enthält:

Logikeinrichtungen (ZCSSB, LB, S1, S2, L1, L2, C1, R2, COMP1, COMP2) zur Synchronisation der Umsetzungen mit einem Signal (Zc), das die Rotorposition repräsentiert, die eine Frequenzvervielfachungseinrichtung (PLL, 2N-Teiler) zum Lesen von N Abtastwerten einer Folge in einem Zeitintervall, das dem Intervall zwischen den beiden letzten vorhergehenden Aktivierungen des Signals (Zc) entspricht, enthalten,

wobei jedes der gespeicherten Ansteuerungsprofile aus einer Anzahl von Folgen aus N Abtastwerten gebildet ist, die gleich der Anzahl von Schaltphasen des Motors ist, wobei die Logikeinrichtungen enthalten:

eine erste Logikeinrichtung (LB), die bestimmt, ob das Lesen des letzten Abtastwerts der momentan gelesenen Folge aus N Abtastwerten zum Zeitpunkt der Aktivierung des Signals (Zc) gelesen worden ist;

eine zweite Logikeinrichtung (PLL, 2N-Teiler), die das Zeitintervall (Tc) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Phasenschaltvorgängen um irgendeine Vorlaufzeit des Lesens des letzten Abtastwerts der Folge und die tatsächliche Aktivierung des Signals (Zc) erhöht; und

eine dritte Logikeinrichtung (LB, R2, S2, L1, L2, C1, R1, S1, COMP1, COMP2), die das Überspringen einer bestimmten Anzahl von Abtastwerten beim Lesen einer nachfolgenden Folge von Abtastwerten aus dem Speicher bei Auftreten eines Phasenschaltens oder das Überspringen der verbleibenden Anzahl von noch zu lesenden Abtastwerten der momentan gelesenen Folge, falls die Aktivierung des Signals (Zc) vor dem Abschluß des Lesens des letzten Abtastwerts der Folge von momentan gelesenen Abtastwerten aufgetreten ist, steuert.