DE69616053T2

DE69616053T2 - Weich schaltender pwm-regler und verfahren zur verminderung der drehmomentwelligkeit in mehrphasen-gleichstrom-motoren

Info

Publication number: DE69616053T2
Application number: DE69616053T
Authority: DE
Inventors: C. Buthker; N. Shelton
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV; Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1996-04-16
Filing date: 1996-04-16
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2016-04-17
Also published as: EP0832513A1; JP3782115B2; JPH11509080A; EP0832513B1; WO1997039523A1; DE69616053D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Regler für Mehrphasen- Gleichstrommotoren und, im Besonderen, auf Pulsbreitenmodulations-(PWM)-Regler für Mehrphasen-Gleichstrommotoren. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf Verfahren zur PWM-Steuerung von Mehrphasen-Gleichstrommotoren.

DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDER ALLGEMEINER STAND DER TECH- NIK

Konventionelle, bürstenlose Gleichstrommotren weisen einen drehbar gelagerten Rotor auf, welcher innerhalb oder außerhalb eines, sich aus Mehrfachwicklungen zusammensetzenden Stators angebracht ist. Normale Dreiphasen-Gleichstrommotoren weisen drei Wicklungen dieser Art auf. In dem Stator wird ein magnetisches Feld erzeugt, indem Strom durch eine oder mehrere Wicklungen hindurchgeleitet wird. Der Rotor weist Dauermagnete auf, welche mit dem magnetischen Feld in Wechselwirkung treten, um eine Rotation hervorzurufen. Bei Vorhandensein eines magnetischen Feldes versuchen die Dauermagnete, sich nach der Polarität des magnetischen Feldes auszurichten. Der Gleichstrommotor arbeitet, indem Strom sequentiell von Wicklung zu Wicklung geschaltet wird, so dass sich das magnetische Feld stets vor den Dauermagneten befindet. Die Dauermagnete versuchen konstant, dem Feld zu folgen und rufen damit eine Drehung des Rotors hervor.
Der Vorgang, Strom von einer Wicklung zu der nächsten zu schalten ist als "Kommutierung" bekannt. Bei einer Kommutierung ist es typischerweise erforderlich, dass eine Wicklung eingeschaltet, eine andere Wicklung dagegen ausgeschaltet wird. Die Frequenz, auf welcher Wicklungen ein- und ausgeschaltet werden, ist als "Kommutierungsfrequenz" bekannt.
Gleichstrommotoren können auf mehrere Weisen gesteuert werden. Eine übliche Methode ist der Einsatz eines Pulsbreitenmodulations-(PWM)-Reglers. Ein PWM- Regler gibt ein Rechteckwellensignal ab, welches eine konstante Amplitude, jedoch Impulse einstellbarer Breite vorsieht. Das Rechteckwellensignal wird typischerweise auf hohen Frequenzen von 20-50 kHz abgegeben.
US 4 520 296 beschreibt eine Stromversorgung für einen Antriebsmotor für eine Turbomolekularpumpe. Die Stromversorgung weist einen PWM-Regler auf, welcher eine Eingangsleistung von einem Stromsensor aufnimmt, um den Motor bei konstantem Strom und damit bei einem konstanten Drehmoment anzutreiben.
Ein mit Gleichstrommotoren verbundenes Problem ist ein als "Drehmomentwelligkeit" bekanntes Phänomen, welches während der Kommutierung auftritt. Eine Drehmomentwelligkeit wird in erster Linie durch Anlegen einer Rechteckwelle an die Motorwicklungen hervorgerufen. Das heißt, eine Rechteckwelle schaltet die Motorwicklungen infolge des fast vertikalen Anstiegs und auf Grund von Abfallflanken der Welle nahezu sofort ein bzw. aus. Diese rapide Stromänderung verursacht Vibrationen oder eine Drehmomentwelligkeit in dem Motor. Den Frequenzgehalt der Drehmomentwelligkeit stellen die Kommutierungsfrequenz und deren harmonische Oberschwingungen dar.
Drehmomentwelligkeit ist nicht wünschenswert, da diese typischerweise Geräusche, wie zum Beispiel Brummen, hervorruft. Viele handelsübliche Vorrichtungen, welche mit Gleichstrommotoren arbeiten, sind gegen solche Geräusche empfindlich. So sind zum Beispiel in Videorecordern kleine Gleichstrommotoren in unmittelbarer Nähe von hoch empfindlichen Mikrofonen angeordnet. Es ist wünschenswert, das Geräusch von dem Gleichstrommotor zu reduzieren, um eine Tonverunreinigung bei der Tonaufzeichnung zu verhindern. In der Computerindustrie ist es wünschenswert, das Brummen, welches durch, durch Gleichstrommotoren angetriebene Magnetplattenantriebe erzeugt wird, zu mindern.
Eine bewährte, bekannte Methode zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeit ist, die Spannung an den Wicklungen bei langsamer, gesteuerter Geschwindigkeit während der Kommutierung zu erhöhen, wodurch wiederum der Wicklungsstrom bei einer langsameren Geschwindigkeit ansteigt. Diese Methode verringert nicht die Drehmomentwelligkeit auf der Kommutierungsfrequenz, reduziert jedoch den Oberschwingungsfrequenzgehalt.
Bei PWM-gesteuerten Gleichstrommotoren wird die Motorspannung jedoch bei sehr hohen Geschwindigkeiten geschaltet, um die durch die PWM-Steuerung vorgesehene Effizienz aufrechtzuerhalten. Dieses steht im Gegensatz zu dem Ziel, die Spannung zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeit bei einer langsamen Geschwindigkeit zu erhöhen.
Folglich besteht Bedarf an einem PWM-gesteuerten Gleichstrommotor, welcher die Vorteile der PWM-Steuerung aufrechterhält, Drehmomentwelligkeit dagegen reduziert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein PWM-Regler für einen Mehrphasen-Gleichstrom-Motor mit Mehrfachwicklungen vorgesehen, welche sich bei Kommutierung auf einer Kommutierungsfrequenz ein- und ausschalten, wobei sich die Wicklungen zu voneinander unterschiedlichen Zeitpunkten ein- und ausschalten, der PWM-Regler zur Steuerung des Gleichstrommotors auf einer bestimmten PWM-Frequenz ein PWM-Signal bei veränderlicher Schaltfolge erzeugt, der PWM-Regler eine Rückmeldung von einem Stromsensor verwendet, um ein annähernd konstantes Drehmoment in dem Gleichstrommotor durch Einstellen der Schaltfolge des PWM-Signals aufrechtzuerhalten, wobei der Stromsensor so geschaltet ist, dass er den in sämtlichen Wicklungen des Gleichstrommotors fließenden Speisestrom erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der PWM- Regler einen weich schaltenden Schaltkreis aufweist, welcher eine Spannung verarbeitet, die eingesetzt wird, um die Schaltfolge des PWM-Steuersignals in einer Weise vorzusehen und einzustellen, dass bei Kommutierung ein linearer Anstieg der Ströme in den Wicklungen hervorgerufen wird, wobei der lineare Stromanstieg bei einer, in Abhängigkeit der PWM-Frequenz langsamen Anstiegsgeschwindigkeit erfolgt.
Nach einem anderen Aspekt ist ein PWM-Regelungssystem vorgesehen, welches einen PWM-Regler gemäß der Erfindung aufweist.
Nach einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur PWM-Regelung eines Mehrphasen-Gleichstrommotors (22) unter Verwendung eines PWM-Signals (PWM&sub1;, PWM&sub2;) einer bestimmten PWM-Frequenz vorgesehen, wobei der Gleichstrommotor Mehrfachwicklungen (42-44) aufweist, welche sich während der Kommutierung auf einer Kommutierungsfrequenz zu voneinander unterschiedlichen Zeiten ein- und ausschalten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte vorsieht:
Erfassen des in sämtlichen Wicklungen (42-44) des Gleichstrommotors (22) fließenden Speisestroms; sowie
Änderung eines Tastverhältnisses des PWM-Signals (PWM&sub1;, PWM&sub2;), basierend auf dem erfassten Strom, um ein annähernd konstantes Drehmoment in dem Gleichstrommotor (22) aufrechtzuerhalten,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Änderungsschritt die folgenden Maßnahmen vorsieht:
Erzeugung einer, für eine gewünschte Einstellung charakteristischen Fehlerspannung (VE), basierend auf dem erfassten Strom, um ein annähernd konstantes Drehmoment in dem Gleichstrommotor aufrechtzuerhalten, wobei die Fehlerspannung (VE) eingesetzt wird, um die Schaltfolge des PWM-Signals vorzusehen und einzustellen; sowie
Verarbeitung der Fehlerspannung (VE) bei Kommutierung in einer Weise, dass ein Anstieg des Stromes in der Wicklung bei einer, in Abhängigkeit der PWM- Frequenz langsamen Anstiegsgeschwindigkeit hervorgerufen wird.
Durch die Merkmale, kombiniert aus einer kontinuierlichen PWM-Regelung der Schaltfolge und einem linearen Stromanstieg bei Kommutierung, wird die Drehmomentwelligkeit auf der Kommutierungsgrundfrequenz sowie den ersten, wenigen Oberschwingungen signifikant reduziert.
Es sei erwähnt, dass DE 43 23 504 A1 einen Stromversorgungskreis für einen bürstenlosen Gleichstrommotor beschreibt, welcher ein externes PWM-Signal einer im Wesentlichen konstanten Schaltfolge empfängt. Die Amplitude der PWM-Impulse wird zu Beginn einer PWM-Impulsfolge graduell erhöht und am Ende der PWM-Impulsfolge graduell verringert. Das PWM-Signal steuert zum Beispiel den Motor bei einer konstanten Drehzahl.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 - ein Blockschaltbild eines weich schaltenden, PWM-gesteuerten Gleichstrommotors gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 - eine Erläuterung, welche die Beziehung der Fig. 3-5, die ein Funktionsschema einer bevorzugten Ausführung des weich schaltenden, PWM-gesteuerten Gleichstrommotors gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigen, darstellt.
Fig. 3 - ein Funktionsschema eines Mehrphasen-Gleichstrommotors;
Fig. 4 - ein Funktionsschema einer Wicklungsauswahllogik, welche zur Steuerung des Gleichstrommotors von Fig. 3 eingesetzt wird;
Fig. 5 - ein Funktionsschema eines PWM-Reglers gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 - eine Darstellung von Veränderungen des Stromflusses über einen Zeitraum durch den weich schaltenden, PWM-gesteuerten Gleichstrommotor der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 - eine Darstellung von Veränderungen des Stromflusses über einen Zeitraum durch einen Gleichstrommotor, welcher nicht gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert wird;
Fig. 8 - eine Darstellung von Spannungskurvenformen in dem PWM- Regler von Fig. 5;
Fig. 9 - eine Darstellung der Erzeugung eines PWM-Signals, basierend auf der Vereinigung der Spannungsform von Fig. 8 und einer Dreieckwelle;
Fig. 10 - eine Darstellung der Gesamtenergie in dem weich schaltenden, PWM-gesteuerten Gleichstrommotor der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 - eine Darstellung der Gesamtenergie in einem Gleichstrommotor, welcher nicht gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wird im Zusammenhang mit einem Dreiphasen- Gleichstrommotor beschrieben, welcher eingesetzt wird, um eine Spindel in einem Magnetspeicherplattenlaufwerk zu steuern. Die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung sind jedoch auf Mehrphasen-Gleichstrommotoren anwendbar. Darüber hinaus ist der PWMgesteuerte Gleichstrommotor der vorliegenden Erfindung für andere Verwendungszwecke, wie zum Beispiel Videorecoder, portable Tonbandgeräte/CD-Player und andere portable Geräte, welche empfindlich gegen Brummen oder Rauschen sind, geeignet.
Fig. 1 zeigt eine PWM-gesteuerten Mehrphasen-Gleichstrommotoranlage 20 gemäß der vorliegenden Erfindung. Anlage 20 weist einen Mehrphasen-Gleichstrommotor und ein PWM-Steuerungssystem 24 auf. Der Mehrphasen-Gleichstrommotor 22 weist Mehrfachwicklungen (z.B. drei Wicklungen) auf, welche sich bei Kommutierung auf einer Kommutierungsfrequenz, zum Beispiel 2,88 kHz, ein- und ausschalten. Die Wicklungen schalten sich zu voneinander unterschiedlichen Zeitpunkten ein und aus, um das magnetische Feld in dem Motor kontinuierlich zu verschieben, wodurch der Rotor gezwungen wird, kontinuierlich aufzuholen.
Das PWM-Steuersystem 24 weist einen Stromsensor 26 und einen PWM- Regler 28 auf. Stromsensor 26 ist so geschaltet, dass er den in sämtlichen Wicklungen des Gleichstrommotors 22 fließenden Speisestrom erfasst. Der Stromsensor 26 erfasst den Speisestrom an Stelle des Motorspulenstromes. Da die Stromversorgung relativ konstant ist, kann davon ausgegangen werden, dass der Stromsensor Spindelleistung erfasst. Die Leistung ergibt das Drehmoment mal der Geschwindigkeit des Gleichstrommotors. Die Geschwindigkeit ist auf Grund des eine sehr niedrige Frequenz aufweisenden Pols der Trägheit des Gleichstrommotors in Abhängigkeit der Kommutierungsfrequenz annähernd konstant. Vorausgesetzt, dass die Geschwindigkeit konstant ist, ist das Drehmoment konstant, sofern die Leistung konstant ist. Folglich ergibt die Steuerung zum Zwecke einer konstanten Leistung ein annähernd konstantes Drehmoment, was wiederum die Drehmomentwelligkeit reduziert. Eine konstante Leistung und ein konstantes Drehmoment werden erreicht, wenn die Summe der durch zwei Motorwicklungen fließenden Ströme während der Kommutierung von einer Wicklung zur nächsten konstant gehalten wird.
Der PWM-Regler 28 ist so geschaltet, dass er, basierend auf einer Rückmeldung von dem Stromsensor 26, den Gleichstrommotor steuert. Der PWM-Regler 28 erzeugt ein PWM-Signal auf einer ausgewählten PWM-Frequenz (z.B. 30 kHz), welches dem Gleichstrommotor 22 zugeführt wird. Der PWM-Regler 28 verwendet eine Rückmeldung von dem Stromsensor 26, um ein annähernd konstantes Drehmoment in dem Gleichstrommotor aufrechtzuerhalten.
Der PWM-Regler der vorliegenden Erfindung erreicht eine konstante Drehmomentsteuerung durch Einstellen der Schaltfolge des PWM-Signals. Die Effektivspannung zu dem Gleichstrommotor ergibt die Quellenspannung mal der Schaltfolge. Damit werden Spannung und Strom zu dem Gleichstrommotor durch Einstellen der Schaltfolge effektiv gesteuert.
Der PWM-Regler weist einen weich schaltenden Schaltkreis auf, welcher eine Spannung verarbeitet, die eingesetzt wird, um das PWM-Steuersignal in einer Weise zu erzeugen, welche bei Kommutierung einen linearen Anstieg der Ströme in den Wicklungen hervorruft. Der lineare Stromanstieg erfolgt bei einer Anstiegsgeschwindigkeit, welche, bedingt durch die PWM-Frequenz, gering ist, um auf diese Weise die Drehmomentwelligkeit bei Kommutierung zu reduzieren. Durch die Merkmale, kombiniert aus einer kontinuierlichen PWM-Regelung der Schaltfolge und einem linearen Stromanstieg bei Kommutierung, wird die Drehmomentwelligkeit auf der Kommutierungsgrundfrequenz sowie den ersten, wenigen Oberschwingungen signifikant reduziert.
Der PWM-Regler 28 weist vorzugsweise zwei Schaltfolgenregler 30 und 32 sowie eine Wicklungsauswahllogik 34 auf. Es werden zwei Schaltfolgenregler eingesetzt, um unabhängig voneinander die Schaltfolge der PWM-Signale einzustellen, welche der sich bei Kommutierung einschaltenden Wicklung und der sich bei Kommutierung ausschaltenden Wicklung zugeführt werden. Die Schaltfolgenregler nehmen Eingangssignale (bezeichnet als "Kommutierungsablaufsteuerung") von einer anderen, die Kommutierungsperiode steuernden Logik (nicht dargestellt) auf.
Die beiden Schaltfolgen springen während jeder Kommutierung hin und her. Zum Beispiel stellt der erste Schaltfolgen-PWM-Regler 30 die Schaltfolge des PWM- Signals so ein, dass sich die Wicklung einschaltet, während der zweite Schaltfolgen-PWM- Regler 32 die Schaltfolge des PWM-Signals so einstellt, dass sich die Wicklung ausschaltet. Bei der nächsten Kommutierung ist die Rollenverteilung genau umgekehrt, wobei der zweite Schaltfolgen-PWM-Regler 32 die Schaltfolge des PWM-Signals so einstellt, dass sich die Wicklung einschaltet, wohingegen der erste Schaltfolgen-PWM-Regler 30 die Schaltfolge des PWM-Signals so einstellt, dass sich die Wicklung ausschaltet. Infolge dieses Doppelreglersystemes kann der PWM-Regler 28 die Stromanstiegsgeschwindigkeiten bei der sich einschaltenden Wicklung sowie der sich ausschaltenden Wicklung unabhängig regeln.
Die Fig. 3-5 stellen ein Funktionsschema einer bevorzugten Ausführungsform der PWM-gesteuerten Mehrphasen-Gleichstrommotoranlage 20 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Fig. 3-5 stehen im Zusammenhang mit der Erläuterung in Fig. 2. Fig. 3 zeigt einen Dreiphasen-Gleichstrommotor 40 mit drei Schaltungszweigen bzw. Wicklungen 42-44, welche zwischen Erde und einem Schaltkreis angeschlossen sind. Jede Wicklung ist mit einer symbolischen Spannungsquelle dargestellt, welche die gegenelektromotorische Kraft in der Motorwicklung zeigt. Jede Wicklung 42-44 ist zwischen zwei Schaltern (dargestellt durch den durch "X" gekennzeichneten Kasten) angeschlossen. Die Schalter sind vorzugsweise als Treibertransistoren vorgesehen. Die erste Wicklung 42 ist zwischen einem High-Side-Schalter 46 und einem Low-Side-Schalter 47, die zweite Wicklung 43 zwischen einem High-Side-Schalter 48 und einem Low-Side-Schalter 49 und die dritte Wicklung 44 zwischen einem High-Side-Schalter 50 und einem Low-Side- Schalter 51 angeschlossen. Die High-Side-Schalter sind an eine Quellenspannung VCC (gekennzeichnet durch die Bezugsziffer 62) und die Low-Side-Schalter an Erde gelegt.
Die High-Side-/Low-Side-Schalter 46-51 werden über Ausgänge von jeweiligen ODER-Schaltungen 54-59, welche Teil der Wicklungsauswahllogik 34 (Fig. 1) sind, geregelt. Jede ODER-Schaltung empfängt drei Steuersignale (gekennzeichnet durch S mit tiefgestellten Zahlen (1, 2, 3) zur Identifizierung der Wicklung sowie eine Buchstabentiefstellung (L oder H) zur Identifizierung des High-Side-/Low-Side-Schalters der Wicklung). Die Steuersignale schalten praktisch die Schalter und damit die Wicklungen in einer vorgeschriebenen Weise ein und aus, wodurch das Statorfeld bei jeder Kommutierung zyklisch verschoben wird. Diese Steuersignale werden durch die weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 4 näher beschriebene Wicklungsauswahllogik 34 in Reaktion auf die PWM-Signale erzeugt, die über die weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 5 näher beschriebenen Schaltfolgen-PWM-Regler abgegeben werden.
Der Stromsensor 26 ist vorzugsweise in Form eines Messwiderstands 60 vorgesehen, welcher zwischen den Low-Side-Schaltern 47, 49, 51 und Erde geschaltet ist. Der Messwiderstand erfasst, je nachdem, ob die Low-Side-Schalter ein- oder ausgeschaltet sind, über eine oder mehrere Wicklungen intermittierend Strom. Wenn zum Beispiel Schalter 47 eingeschaltet ist, fließt Strom durch die erste Wicklung 42, den Schalter 47 und durch den Messwiderstand 60. Hierdurch wird eine Spannung Vcs erzeugt, welche proportional zu dem in sämtlichen Wicklungen des Gleichstrommotors fließenden Speisestroms und damit charakteristisch für diesen ist. Ein Beispielwert des Messwiderstands 60 ist 0,2 Ohm. Die durch den Stromsensor 26 (d.h. den Messwiderstand 60) abgegebene Spannung Vcs wird dem unter Bezugnahme auf Fig. 5 dargestellten und beschriebenen Steuerkreis zugeführt. Um das Ziel einer reduzierten Drehmomentwelligkeit zu erreichen, muss der Strom so gesteuert werden, dass die Ströme durch zwei Wicklungen während der Kommutierung von einer Wicklung zur anderen in ihrer Gesamtheit konstant gehalten werden.
Es sei erwähnt, dass, sobald die Low-Side-Schalter zeitweilig ausgeschaltet sind bzw. sich in einem Übergangszustand befinden, infolge des sich abbauenden Feldes der Motorwicklungsinduktivität noch immer Strom durch die Motorwicklungen zu der Spannungsquelle Vcc (gekennzeichnet durch Bezugsziffer 62) fließt. Der Strom fließt durch die Durchlassdioden in den Umgehungsbahnen der High-Side-Schalter 46, 48 und 50.
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Wicklungsauswahllogik von Fig. 1. Die Wicklungsauswahllogik 34 weist eine erste Gruppe UND-Schaltungen 64, welche an den ersten Schaltfolgen-PWM-Regler 30 gekoppelt ist, sowie eine zweite Gruppe UND-Schaltungen 66 auf, welche mit dem zweiten Schaltfolgen-PWM-Regler 32 verbunden ist. Die UND-Schaltungsgruppen 64 und 66 sprechen auf die durch die Schaltfolgen-PWM-Regler erzeugten PWM-Signale PWM&sub1; und PWM&sub2; an, was unter Bezugnahme auf Fig. 5 noch näher erläutert wird. Die UND-Schaltungsgruppen empfangen ebenfalls eine Eingangsleistung von den Einschaltsignalen 68.
Gemäß dem Logikaufbau wird Strom zwischen einer ersten und zweiten benachbarten Wicklung kommutiert, während die gegenüberliegende, dritte Wicklung bei Kommutierung stets eingeschaltet ist. Dieses ist zum Beispiel in Fig. 6 dargestellt, aus welcher Ströme I&sub4;&sub2;-I&sub4;&sub4; ersichtlich sind, die durch die drei Wicklungen 42-44 fließen. Die den jeweiligen Wicklungen zugeordneten Ströme sind unter Verwendung der gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet, welche zur Kennzeichnung der Wicklungen selbst verwendet wurden. Die Kommutierung ist durch das "X"-Phänomen (allgemein durch Bezugsziffer 69 gekennzeichnet) dargestellt, wobei Strom in einer Wicklung ein- und in einer anderen Wicklung ausgeschaltet wird. Es sei erwähnt, dass bei Kommutierung 69b zwischen, sagen wir, der sich ausschaltenden, ersten Wicklung 42 und der sich einschaltenden, zweiten Wicklung 43 die dritte Wicklung 44 eingeschaltet ist. Das Aufrechterhalten eines eingeschalteten Zustands bei einer, den Kommutierungswicklungen gegenüberliegenden Wicklung wird durch die Einschaltsignale 68 in Fig. 4 gesteuert. Die abgegebenen Leistungen der UND-Schaltungsgruppen 64 und 66 sowie die Einschaltsignale 68 verbinden sich zwecks Erzeugung der Steuersignale S1H, S1L, S2H, S2L, S3H, S3L, Welche zur Aktivierung der High-Side-/Low-Side-Schalter 46-51 verwendet werden.
Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des PWM-Reglers 28. Er weist einen Integrationsverstärker 70 auf, welcher eine Fehlerspannung VE, basierend auf einem Vergleich der von dem Stromsensor 26 aufgenommenen Spannung Vcs und einer Referenzspannung VREF, ableitet. Wie oben beschrieben, weist der PWM-Regler 28 ebenfalls einen ersten und zweiten Schaltfolgenregler 30 und 32 auf. Diese Schaltfolgenregler können unabhängig voneinander über jeweilige Schalter 72 und 73 an den Integrationsverstärker 70 angeschlossen und von diesem getrennt werden. Diese Schalter werden gemäß der Kommutierungsablaufsteuerung so gesteuert, dass ein Schaltfolgenregler mit dem Integrationsverstärker verbunden ist, während der andere Schaltfolgenregler während einer vorgegebenen Kommutierungsperiode getrennt wird. Die Schaltfolgenregler sind bei jeder Kommutierung periodisch abwechselnd mit dem Integrationsverstärker verbunden.
Aus Fig. 8 ist der Wechselbetrieb der Schaltfolgenregler 30 und 32 ersichtlich. Diese Regler weisen jeweilige Komparatoren 76 und 77 auf, und Fig. 8 zeigt Spannungssignaleingaben in die Komparatoren 76 und 77. Die Spannungswellen sind entsprechend den jeweiligen, diese erzeugenden Schaltfolgenreglern 30 und 32 durch V&sub3;&sub0; oder V&sub3;&sub2; gekennzeichnet. Zum Zeitpunkt 100 wird der erste Schaltfolgenregler 30 mit dem Integrationsverstärker verbunden und der zweite Schaltfolgenregler 32 getrennt. Danach, zum Zeitpunkt 102, wird der zweite Schaltfolgenregler 32 wieder angeschlossen, während der erste Schaltfolgenregler 30 getrennt wird.
Da der erste und zweite Schaltfolgenregler 30 und 32 praktisch identisch sind, werden lediglich Wirkungsweise und Betrieb des ersten Schaltfolgenreglers 30 näher erläutert. Komponenten von Regler 30 werden durch gerade Zahlen, die gleichen Komponenten von Regler 32 dagegen durch jeweilige, nachfolgende ungerade Zahlen gekennzeichnet.
Die Fehlerspannung VE wird eingesetzt, um das durch den Schaltfolgenregler 30 erzeugte PWM-Signal PWM&sub1; zu erzeugen und einzustellen. Im Anschluss an die Verarbeitung durch die Signalformungs-RC-Schaltung (weiter unten erörtert) wird die Fehlerspannung VE dem Komparator 76 zugeführt. Der Komparator 76 vergleicht die analoge Fehlerspannung VE mit einer Dreieckwellenausgangsspannung von Spannungsquelle 78. Durch Auslösen des Signals der verarbeiteten Fehlerspannung und des Dreieckwellensignals an Knotenpunkten wird ein PWM-Rechteckwellensignal erzeugt. Es sei erwähnt, dass die Spannungsquelle 78 alternativ andere Wellenformen als eine Dreieckwelle, wie zum Beispiel eine Sägezahnwelle, erzeugen kann.
Fig. 9 zeigt die Erzeugung des PWM-Rechteckwellensignals PWM&sub1; durch Verbinden der Dreieckwelle 120 mit dem Signal der verarbeiteten Fehlerspannung, gekennzeichnet durch V&sub3;&sub0;, für den ersten Schaltfolgenregler 30. Die Dreieckwelle erzeugt die gewünschte PWM-Frequenz von 30 kHz, und die Schaltfolge des PWM-Signals wird entsprechend wechselnder Schnittpunkte der verarbeiteten Fehlerspannung VE entlang der Dreieckwelle gesteuert.
Der Schaltfolgenregler sieht ebenfalls eine weiche Schaltung während der Kommutierung vor, welche dazu beiträgt, die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren. Zur Realisierung der weichen Schaltung weist jeder Schaltfolgenregler ein Signalformungsnetz auf, welches bei Kommutierung die Fehlerspannung VE verarbeitet, um einen Anstieg des Stromes in den sich ein- und ausschaltenden Wicklungen zu bewirken. Der Stromanstieg erfolgt bei einer, bedingt durch die PWM-Frequenz langsamen Anstiegsgeschwindigkeit. Dieser Stromanstieg reduziert die Drehmomentwelligkeit.
Während einer vorgegebenen Kommutierung schaltet ein Schaltfolgenregler den Strom für eine sich einschaltende Wicklung ein, während der andere Schaltfolgenregler den Strom für eine sich ausschaltende Wicklung abschaltet. Würde ein lineares Ein- und Ausschalten der Schaltfolge auf nicht veränderbare Weise erfolgen, wäre der Strom in den Motorwicklungen auf Grund der exponentiellen Beziehung zwischen Spannung und Strom in der Wicklung nicht linear. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Schaltfolge in einer Weise vorgenommen, welche bei Kommutierung einen linearen Strom in den Motorwicklungen hervorruft.
Die Stromanstiegsgeschwindigkeit ist idealerweise so gering wie möglich, dennoch noch immer schnell genug, um den Strom in weniger als einer Kommutierungsperiode vom eingeschalteten in den abgeschalteten Zustand oder umgekehrt zu versetzen. Zum Beispiel macht bei dem Gleichstrommotor 40, bei welchem es sich um einen Spindelmotor ohne Hall-Effekt handelt, eine beispielhafte Anstiegsgeschwindigkeit eine halbe Kommutierungsperiode aus, obgleich auch von anderen Anstiegsgeschwindigkeiten Gebrauch gemacht werden kann. Bei dieser Anstiegsgeschwindigkeit verbleibt eine halbe Kommutierungsperiode zur Erfassung eines Nulldurchgangs auf der ausgeschalteten Wicklung, welcher verwendet wird, um Wellenlageinformationen in Motoren ohne Hall- Effekt abzuleiten.
Fig. 6 zeigt die Stromanstiegsaspekte des PWM-Reglers. Betrachten wir in diesem Zusammenhang die Kommutierung 69b. Es sei erwähnt, dass der Strom in der sich einschaltenden Wicklung 43 graduell nach oben ansteigt, während der Strom in der sich abschaltenden Wicklung 42 graduell nach unten abfällt. Dieser leicht angestiegene Strom ermöglicht einen weniger plötzlichen Übergang während der Kommutierung, was wiederum die Drehmomentwelligkeit verringert. Vergleichen wir die abgeschrägten Stromübergänge von Fig. 6 mit den in Fig. 7 dargestellten, scharfen, plötzlichen Stromübergängen, welche in einem Dreiphasenmotor, der ohne die weiche Schaltregelung der vorliegenden Erfindung arbeitet, gemessen werden. Während der Kommutierung (gekennzeichnet durch Bezugsziffer 90) steigt bzw. fällt der Strom zwischen Null und Maximum nahezu unverzüglich ab, wodurch die unerwünschte Drehmomentwelligkeit hervorgerufen wird. Das Signalformungsnetz, durch welches der Stromanstieg während der Kommutierung erfolgt, ist vorzugsweise als RC-Schaltung für die sich einschaltende Wicklung und als kombinierte Stromquelle und Entladekondensator für die sich ausschaltende Wicklung dargestellt. Die RC-Schaltung des Schaltfolgenreglers 30 weist einen Widerstand R, welcher unmittelbar mit dem Integrationsverstärker 70 verbunden ist, und einen Kondensator C1 auf. Es sei erwähnt, dass der gleiche Widerstand R einen Teil der RC- Schaltung in beiden Reglern 30 und 32 bildet. Der Kondensator C&sub1; arbeitet ebenfalls als Entladekondensator, welcher durch eine Stromquelle 80 entladen wird.
Gehen wir davon aus, dass der erste Schaltfolgen-PWM-Regler 30 gerade während einer Kommutierung (d.h. Schalter 72 ist ein- und Schalter 73 ausgeschaltet) an den Integrationsverstärker 70 geschaltet wurde. Dieses ist der Beispielfall, wenn der Schaltfolgenregler 30 zur Steuerung des Stromes in der sich einschaltenden Wicklung, wie zum Beispiel bei Wicklung 43, während der Kommutierung 69b (Fig. 6) eingesetzt wird. Der Widerstand R lädt Kondensator C&sub1; exponentiell gemäß der RC-Zeitkonstante. Hierdurch wird die Spannungskurvenform, welche erforderlich ist, um einen linear ansteigenden Strom in der sich einschaltenden Wicklung 43 vorzusehen, approximiert. Fig. 8 zeigt das RC-gesteuerte Wellenprofil bei 92. Sobald die Zeitkonstante bei Punkt 94 erreicht ist, hat die RC-Schaltung keinen signifikanten Einfluss auf den Regelkreis mehr. In diesem Stadium nimmt der Integrationsverstärker lediglich geringfügige Einstellungen in der Schaltfolge des PWM-Signals vor.
Gehen wir nun davon aus, dass der erste Schaltfolgen-PWM-Regler 30 bei der nächsten Kommutierung (d.h. Schalter 72 ist aus- und Schalter 73 eingeschaltet) gerade von dem Integrationsverstärker 70 getrennt wurde. Dieses ist der Beispielfall, wenn der Schaltfolgenregler 30 zur Steuerung des Stromes in der sich ausschaltenden Wicklung, wie zum Beispiel bei der sich ausschaltenden Wicklung 43, während der Kommutierung 69d (Fig. 6) eingesetzt wird. Bei Trennung beginnt der Kondensator C&sub1;, sich zu entladen. An diesem Verbindungspunkt wird über Schalter 82 eine Stromquelle 80 selektiv geschaltet, um den Kondensator C&sub1; bei einer konstanten, linearen Geschwindigkeit zu entladen. Fig. 8 zeigt den linearen Entladespannungsverlauf bei 96. Die Entladung wird bis Punkt 98 (Fig. 8), wo die dem Motor zugeführte, effektive Spannung (d.h. Quellenspannung mal Schaltfolge des PWM-Signals) der gegenelektromotorischen Kraft des Motors entspricht, fortgesetzt. Bei Punkt 98 schaltet das Signal L1_INT den Schalter 84 ein, damit die dem Komparator 76 zugeführte Spannung unverzüglich auf annähernd ein Volt abfällt. Dieses ist in Fig. 8 bei 99 dargestellt.
Beispielwerte von Komponenten in dem Signalformungsnetz sind ein Widerstand von 30.000 Ohm, ein Kondensator von 750 pF und eine Stromquelle von 2,4 uA.
Es sei erwähnt, dass die Stromquelle vorzugsweise durch eine konstante Stromquelle dargestellt ist. Alternativ kann jedoch eine variable Stromquelle eingesetzt werden, bei welcher der Ausgangsstrom proportional zu dem Strom in den Motorwicklungen ist. Dieser Ausgangsstrom ist wünschenswert, da die Änderung der ansteigenden Spannung während der Kommutierung bei Entladen des Kondensators proportional zu dem Strom in den Motorwicklungen ist. Bei einer variablen Stromquelle wird ein hoher Strom abgegeben, um den Kondensator C&sub1; schneller zu entladen, wenn der Strompegel in den Motorwicklungen hoch ist. Umgekehrt wird ein geringer Strom abgegeben, um den Kondensator C&sub1; langsamer zu entladen, wenn der Strompegel niedrig ist.
Tabelle 1 zeigt einen Steuerungsablauf, um eine komplette Umdrehung der Spindel vorzunehmen. Die nachfolgend dargestellte Steuerung basiert auf einer 24-Takt- Steuerung pro elektrischem Rotationszyklus in dem Dreiphasen-Gleichstrommotor. Bei jedem Taktzyklus wird gemäß der Tabelle bestimmt, welcher Schaltfolgenregler 30 oder 32 an den Integrationsverstärker geschaltet wird, der Zustand der L1_INT und L2_INT- Signale zur Steuerung der Schalter 82-85 und die verschiedenen Zustände der Einschaltsignale 68 (welche als 1 L-3H unter Verwendung der gleichen, in Fig. 3 für ODER- Schaltungen 54-59 angegebenen Bezeichnung gekennzeichnet sind) bestimmt.
Die exponentiellen und linearen, durch die Regler während der Kommutierung erzeugten Wellenformen passieren vorteilhafterweise schnell die niedrigeren Spannungen der Schaltfolge. Bei PWM-gesteuerten Gleichstrommotoren sind Ströme erst signifikant, wenn die effektive Spannung (d.h. Quellenspannung mal PWM-Schaltfolge) bis über die gegenelektromotorische Kraft der Spannung von Wicklung zu Wicklung ansteigt. Dieses ist darin begründet, dass kein kontinuierlicher Strom in den einzelnen Motorwicklungen fließt, wenn die effektive Spannung nicht höher als die gegenelektromotorische Kraft der Spannung von Wicklung zu Wicklung ist. Bei einer 12-Volt-Spannungsquelle, wie in diesem Ausführungsbeispiel verwendet, sollte die effektive Spannung annähernd 6,5 bis 7.5 Volt sein, was bedeutet, dass eine Schaltfolge von 58% oder höher erforderlich ist. Schaltfolgen über 58% ergeben einen kontinuierlichen Strom, während Schaltfolgen unter 58% diskontinuierliche Stromimpulse erzeugen.
Fig. 10 zeigt die Gesamtenergie in dem Gleichstrommotor, welcher gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert wird. Vergleichen wir diese Darstellung mit Fig. 11, welche die Gesamtenergie in einem Gleichstrommotor ohne weich schaltende Drehmomentregelung zeigt. Die Gesamtenergie wird durch Multiplizieren der Gegenspannung mit dem Strom jeder Wicklung und anschließendes Addieren sämtlicher Wicklungen errechnet. Zu beachten sind die Stromspitzen bei 110 in Fig. 11. Diese Stromspitzen treten bei Kommutierung auf und erzeugen die unerwünschte und oftmals hörbare Drehmomentwelligkeit. Keine derartigen Spitzen sind jedoch aus dem Gesamtenergiediagramm von Fig. 10 ersichtlich. Bei dem weich schaltenden, PWM-gesteuerten Gleichstrommotor der vorliegenden Erfindung wird die Drehmomentwelligkeit sowohl auf der Kommutierungsfrequenz als auch den Oberschwingungen derselben wesentlich reduziert.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur PWM-Steuerung eines Mehrphasen-Gleichstrommotors vorgesehen, welches auf den oben beschriebenen Techniken basiert. Das Verfahren sieht vor: (1) Erfassen des in sämtlichen Wicklungen des Gleichstrommotors fließenden Speisestromes; (2) Erzeugung einer Fehlerspannung VE, basierend auf dem erfassten Strom, welche für die gewünschte Einstellung zur Aufrechterhaltung eines annähernd konstant Drehmoments in dem Gleichstrommotor bezeichnend ist, wobei die Fehlerspannung zur Erzeugung und Einstellung des PWM-Signals eingesetzt wird; sowie (3) Änderung der Schaltfolge des PWM-Signals, basierend auf dem erfassten Strom, um ein annähernd konstantes Drehmoment in dem Gleichstrommotor aufrechtzuerhalten. Das Verfahren sieht ferner die Verarbeitung der Fehlerspannung während der Kommutierung in einer Weise vor, dass ein Anstieg des Stromes in der Wicklung bei einer, in Abhängigkeit der PWM-Frequenz langsamen Anstiegsgeschwindigkeit hervorgerufen wird.
Die vorliegende Erfindung wurde den Vorschriften gemäß mehr oder weniger spezifisch in Bezug auf bauliche und methodische Merkmale in Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten und beschriebenen spezifischen Merkmale beschränkt ist, da die hier offenbarten Möglichkeiten bevorzugte Methoden vorsehen, die Erfindung zu realisieren. Die Erfindung wird daher in jedweder Form bzw. sämtlichen Modifikationen innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Zeichnung beansprucht.

Claims

1. PWM-Regler (28) für einen Mehrphasen-Gleichstrom-Motor (20) mit Mehrfachwicklungen (42, 43, 44), welche sich bei Kommutierung auf einer Kommutierungsfrequenz ein- und ausschalten, wobei sich die Wicklungen (42-44) zu voneinander unterschiedlichen Zeitpunkten ein- und ausschalten, der PWM-Regler (28) zur Steuerung des Gleichstrommotors (20) auf einer bestimmten PWM-Frequenz ein PWM-Signal (PWM&sub1;, PWM&sub2;) bei veränderlicher Schaltfolge erzeugt, der PWM-Regler (28) eine Rückmeldung von einem Stromsensor (26) verwendet, um ein annähernd konstantes Drehmoment in dem Gleichstrommotor (20) durch Einstellen der Schaltfolge des PWM-Signals (PWM&sub1;, PWM&sub2;) aufrechtzuerhalten, wobei der Stromsensor (26) so geschaltet ist, dass er den in sämtlichen Wicklungen des Gleichstrommotors (20) fließenden Speisestrom erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der PWM-Regler (28) einen weich schaltenden Schaltkreis aufweist, welcher eine Spannung (V&sub3;&sub0;, V&sub3;&sub2;) verarbeitet, die eingesetzt wird, um die Schaltfolge des PWM-Steuersignals (PWM&sub1;, PWM&sub2;) in einer Weise vorzusehen und einzustellen, dass bei Kommutierung ein linearer Anstieg der Ströme in den Wicklungen (42-44) hervorgerufen wird, wobei der lineare Stromanstieg bei einer, in Abhängigkeit der PWM- Frequenz langsamen Anstiegsgeschwindigkeit erfolgt.

2. PWM-Regler (28) nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass er einen ersten (30) und einen zweiten (32) Schaltfolgenregler aufweist,

wobei der erste Schaltfolgenregler (30) eingesetzt wird, um die Schaltfolge des PWM-Signals (PWM&sub1;) für eine sich bei Kommutierung einschaltende Wicklung einzustellen,

der zweite Schaltfolgenregler (32) verwendet wird, um die Schaltfolge des PWM-Signals (PWM&sub2;) für eine sich während der gleichen Kommutierung ausschaltende Wicklung einzustellen, und

der erste (30) und der zweite (32) Schaltfolgenregler ihre Wirkungsweise bei einer nachfolgenden Kommutierung umkehren, wobei der erste Schaltfolgenregler (30) zur Einstellung der Schaltfolge für eine sich ausschaltende Wicklung und der zweite Schaltfolgenregler (32) zur Einstellung der Schaltfolge für eine sich einschaltende Wicklung eingesetzt werden.

3. PWM-Regler (28) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

eine Wicklung eingeschaltet ist und Strom durch diese bei Kommutierung hindurchfließen kann, und

der PWM-Regler eine RC-Schaltung (R, C&sub1;, C&sub2;) aufweist, welche eine Spannung verarbeitet, die eingesetzt wird, um das PWM-Steuersignal (PWM&sub1;, PWM&sub2;) gemäß einer RC-Zeitkonstante zu erzeugen, welche einen linearen Anstieg des in die eingeschaltete Wicklung fließenden Stromes vorsieht, wobei der lineare Stromanstieg bei einer, in Abhängigkeit der PWM-Frequenz langsamen Anstiegsgeschwindigkeit erfolgt.

4. PWM-Regler (28) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

der PWM-Regler (28) einen Kondensator (C&sub1;, C&sub2;) sowie eine Stromquelle

(80) aufweist, wobei die Stromquelle (80) den Kondensator (C&sub1;, C&sub2;) bei einer linearen Geschwindigkeit entlädt, damit dadurch der Strom in der eingeschalteten Wicklung bei einer, in Abhängigkeit der PWM-Frequenz langsamen Anstiegsgeschwindigkeit ansteigt.

5. PWM-Steuerungssystem, welches einen PWM-Regler (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und weiterhin einen Stromsensor (26) aufweist, welcher so geschaltet ist, dass er den in sämtlichen Wicklungen des Gleichstrommotors (22) fließenden Speisestrom erfasst.

6. PWM-Steuerungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass der Stromsensor (26) einen Messwiderstand (60) aufweist, welcher so geschaltet ist, dass er den in sämtlichen Wicklungen fließenden Speisestrom intermittierend erfasst.

7. Vorrichtung mit

einem Mehrphasen-Gleichstrommotor (22), welcher Mehrfachwicklungen (42-44) aufweist, die sich während der Kommutierung auf einer Kommutierungsfrequenz ein- und ausschalten, wobei sich die Wicklungen zu voneinander unterschiedlichen Zeiten ein- und ausschalten, sowie ein PWM-Steuerungssystem nach Anspruch 5 oder 6 zur Steuerung des Motors vorsieht.

8. Verfahren zur PWM-Regelung eines Mehrphasen-Gleichstrommotors (22) unter Verwendung eines PWM-Signals (PWM&sub1;, PWM&sub2;) einer bestimmten PWM-Frequenz, wobei der Gleichstrommotor Mehrfachwicklungen (42-44) aufweist, welche sich während der Kommutierung auf einer Kommutierungsfrequenz ein- und ausschalten, wobei sich die Wicklungen zu voneinander unterschiedlichen Zeiten ein- und ausschalten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte vorsieht:

Erfassen des in sämtlichen Wicklungen (42-44) des Gleichstrommotors (22) fließenden Speisestroms; sowie

Änderung eines Tastverhältnisses des PWM-Signals (PWM&sub1;, PWM&sub2;), basierend auf dem erfassten Strom, um ein annähernd konstantes Drehmoment in dem Gleichstrommotor (22) aufrechtzuerhalten,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Änderungsschritt die folgenden Maßnahmen vorsieht:

Erzeugung einer, für eine gewünschte Einstellung charakteristischen Fehlerspannung (VE), basierend auf dem erfassten Strom, um ein annähernd konstantes Drehmoment in dem Gleichstrommotor aufrechtzuerhalten, wobei die Fehlerspannung (VE) eingesetzt wird, um die Schaltfolge des PWM-Signals vorzusehen und einzustellen; sowie

Verarbeitung der Fehlerspannung (VE) bei Kommutierung in einer Weise, dass ein Anstieg des Stromes in der Wicklung bei einer; in Abhängigkeit der PWM- Frequenz langsamen Anstiegsgeschwindigkeit hervorgerufen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Verarbeitung das Hindurchleiten der Fehlerspannung durch eine RC-Schaltung (R, C&sub1;, C&sub2;) vorsieht.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Verarbeitung das Entladen der an einem Kondensator (C&sub1;, C&sub2;) anliegenden Spannung unter Einsatz einer Stromquelle (80) vorsieht.