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Die
vorliegende Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung mit
einem Controller zur Kommutierung eines mehrsträngigen elektrischen Motors.
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Eine
Schaltungsanordnung dieser Art ist beispielsweise aus der
EP 0 574 435 B1 bekannt.
Hier wird ein dreisträngiger
Motor von einem Pulsgenerator über
Ausgangsverstärker
angesteuert. Über
einen Sensor, der die Umdrehungen des Motors detektiert, wird eine
Regelung bewirkt. Der Pulsgenerator dieser Anordnung erzeugt Rechtecksignale,
die zyklisch die Zustände
+1, 0, –1,
0, +1 usw. durchlaufen. Da bei bestimmten Übergängen zwischen diesen Zuständen Störimpulse
auftreten, müssen
geeignete Mittel zur Entstörung
vorgesehen werden.
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Aus
der
EP 0 259 764 B1 ist
eine weitere Schaltungsanordnung zur Kommutierung eines elektrischen
Motors bekannt, die auf digitalen Schaltungen basiert. Hier werden
Kommutierungsimpulse eines am Motor angeordneten Sensors in einem
Zähler und
einer zugeordneten Logikschaltung verwendet, um drei phasenverscho-bene
Signalspannungen zur Ansteuerung der drei Wicklungsstränge zu erzeugen. In
einem nachfolgenden Decoder werden hieraus sechs phasenverschobene
Signalspannungen generiert, aus denen über Inverter, ODER-Schaltungen und sechs
Schalter Ströme
mit rechteckförmiger
Amplitude erzeugt werden, die den Motor ansteuern. Der Schaltungsaufwand
ist hier relativ hoch, insbesondere, da durch die sechs Schalter
hohe Ströme
geschaltet werden müssen.
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Eine
Schaltungsanordnung zur Kommutierung eines mehrsträngigen elektrischen
Motors gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist aus der EP-A-0 482 913 bekannt. Durch die
US 5 382 886 ist eine Schaltung
für elektrische
Spannungen für
einen bürstenlosen
Motor bekannt, die einen Generator für eine Dreieckspannung zur
Bildung periodischer, trapezförmiger
Steuersignale enthält.
Zeitsteuersignale werden über
einen Phasendetektor und Schieberegister aus den Steuersignalen
erzeugt, die die Wicklungsabschnitte des jeweiligen Motors für die Steuerung
einer Gruppe von analogen Schaltern ansteuern. Durch Anwendung der
analogen Schalter werden trapezförmige
Steuersignale aus den dreieckförmigen
Signalen erzeugt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung
zur Kommutierung eines mehrsträngigen
elektrischen Motors und ein diesbezügliches Verfahren anzugeben,
das einen niedrigen Schaltungsaufwand aufweist bei guter Unterdrückung von
Störimpulsen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Schaltungsanordung zur Kommutierung der vorliegenden Erfindung enthält Schaltmittel, durch
die, von einem Controler gesteuert, aus einer Versorgungsspannung
oder einem entsprechenden Signal, einem Bezugspotential und einer
dreieckförmigen
Rampenspannung ein periodisches, trapezförmiges Steuersignal zur Ansteuerung
eines jeweiligen Wicklungsstranges zusammengesetzt wird. Dieses Steuersignal
enthält
keine steilflankigen Schaltimpulse, so daß durch die Induktivitäten des
Motors keine übermäßigen Störspannungen
entstehen. Das Steuersignal wird insbesondere vor dem Endverstärker eines
jeweiligen Wicklungsstranges zusammengesetzt, so daß keine
hohen Ströme
von den Schaltmitteln geschaltet werden. Zudem wird jeder Wicklungsstrang
durch den Ausgangsverstärker
jederzeit niederohmig betrieben, wodurch eine gute zusätzliche Dämpfung erreicht
wird. Anstatt einer Versorgungsspannung kann auch ein aus der Versor gungsspannung
abgeleitetes Signal oder ein sonstwie generiertes Signal verwendet
werden.
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Das
periodische, trapezförmige
Steuersignal wird durch zyklisches Umschalten aus den zwei Spannungen
und dem Bezugspotential erzeugt, wobei der Umschaltzeitpunkte aus
Signalpulsen eines am Motor angeordneten Sensors S abgeleitet werden.
Zur Erzeugung der Rampenspannung beispielsweise für einen
Motor mit drei Wicklungssträngen werden
z. B. 24 Zeitpunkte mit gleichem zeitlichen Abstand pro Motorumdrehung
benötigt.
Diese Zeitpunkte bestimmen die Zeitpunkte, aus denen die drei trapezförmigen Steuersignale
zur Ansteuerung dieser Wicklungsstränge zusammengesetzt werden, wobei
eine Rampenspannung für
alle drei Wicklungsstränge
genügt.
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Beispielsweise
kann die Rampenspannung von dem Controller digital durch Generierung
einer Treppenspannung erzeugt werden. Da der Motor vorzugsweise
durch eine vorgegebene Amplitude des Steuersignals und nicht durch
Variation der Pulsbreite (PWM) gesteuert wird, muß gleichzeitig
sichergestellt werden, daß die
maximale Spannung der Rampenspannung mit dem Wert der Versorgungsspannung übereinstimmt.
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Die
Erzeugung der Versorgungsspannung und der Rampenspannung und die
Schaltmittel können
vorteilhafterweise zusammen mit dem zur Ansteuerung und Regelung
benötigten
Controller in eine integrierte Schaltung kombiniert werden, die
nur noch wenige externe Bauteile benötigt. Anwendungen der Erfindung
ergeben sich insbesondere für Synchronmotoren
der Unterhaltungselektronik, beispielsweise wie sie in Videorecordern
Verwendung finden, oder für
Geräte
der Computertechnik.
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Die
Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand von schematischen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1a einen Motor mit drei
Wicklungssträngen
und eine Schaltungsanordnung zur Kommutierung;
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1b den Motor und die Schaltungsanordnung
der 1a mit einem Sensor
zur Regelung und
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2 Sensorsignale eines am
Motor angeordneten Sensors und hieraus abgeleitete Signale.
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Der
Motor 10 der 1a enthält drei
Wicklungsstränge 1, 2, 3,
die von Endverstärkern 11, 12, 13 angesteuert
werden. Zur Ansteuerung dieser Wicklungsstränge 1, 2, 3 werden
periodische, trapezförmige
Steuersignale c, d, e, wie in der 2 dargestellt,
verwendet. Diese werden aus einer Versorgungsspannung U0 (1a), einem Bezugspotential,
in diesem Ausführungsbeispiel
Masse, und einer dreieckförmigen
Rampenspannung Ur zusammengesetzt. Als Bezugspotential kann aber
auch eine beliebige, von Null verschiedene Spannung verwendet werden,
z. B. -Ur. Ein Controller P steuert die Erzeugung dieser Steuersignale
c, d, e, in dem Schalter 4, 5, 6, an
denen obige Spannungen U0 und Ur und Masse jeweils anliegen, periodisch
weitergeschaltet werden. Das trapezförmige Steuersignal wird hierbei zeitlich
aufeinanderfolgend aus einer positiven Rampe, der positiven Betriebsspannung
U0, einer negativen Rampe und Masse zusammengesetzt. Die dreieckförmige Rampenspannung
Ur hat hierbei an den Umschaltzeitpunkten in Bezug auf die Betriebsspannung
U0 und Masse entsprechend gleiche Spannungswerte, so daß keine
Unstetigkeitsstellen auftreten.
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Das
Anlaufen des Motors 10 wird bewirkt, indem der Controller
P eine niedrige Umdrehungsfrequenz durch die Schalter 4, 5, 6 vorgibt
und diese bis zum Erreichen des Normalbetriebs auf einen bestimmten
Sollwert erhöht.
Die Frequenz der Rampenspannung kann hierbei an die niedrige Anlauffrequenz
angepaßt
werden während
des Hochlaufs, um abrupte Spannungsübergänge beim Umschalten zu vermeiden.
Die Schaltungsanordnung zur Kommutierung nach der 1a kann aber auch mit einem am Motor
angeordneten Sensor ausgestattet sein, der Kommutierungszeitpunkte
vorgibt, die dann sowohl im Normalbetrieb als auch zum Anlaufen
des Motors genutzt werden können.
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Die
dreieckförmige
Rampenspannung Ur wird in diesem Ausführungsbeispiel unter Verwendung
zweier Stromquellen 8, 9 mit unterschiedlicher Polarität und einem
Schalter 7 erzeugt. Der Schalter 7 zwischen den
Ausgängen
der Stromquellen 8, 9 wird periodisch durch den
Controler P umgeschaltet, so daß unter
Verwendung eines Kondensators C1, der entsprechend aufgeladen und
entladen wird, eine dreieckförmige
Rampenspannung Ur entsteht. Alternativ können anstatt der Stromquellen 8, 9 auch
zwei Spannungsquellen mit einem Widerstand in Reihe zur Aufladung
des Kondensators C1 verwendet werden oder ein sonstiger Dreiecksgenerator
zur Erzeugung der Rampenspannung Ur. Die Rampenspannung Ur kann
insbesondere auch digital durch den Controler P erzeugt werden,
indem z. B. Treppenspannungen mit Hilfe eines Digital-Analog-Converters (DAC)
generiert werden.
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Die
Betriebsspannung U0 ist eine konstante Spannung und wird in diesem
Ausführungsbeispiel noch
durch einen Kondensator C2 geglättet.
Da die Schalter 4, 5, 6 vor den Ausgangsverstärkern 11, 12, 13 angeordnet
sind, schalten sie nur geringe Leistungen, so daß als Schaltelemente insbesondere
Transistoren für
geringe Leistungen verwendbar sind. Hierdurch können die drei Schalter 4, 5, 6 vorteilhafterweise
auch zusammen mit dem Rampengenerator 7, 8, 9 und
dem Controler P in einen IC integriert werden. Als Endverstärker 11, 12, 13 können separate Leistungstransistoren
verwendet werden. Da die Wicklungsstränge 1, 2, 3 direkt
durch die Endverstärker 11, 12, 13 mit
niedriger Impedanz angesteuert werden, werden im Motor 10 entstehende
Störspannungen
wirksam unterdrückt.
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In
der 1b ist eine Kommutierungsschaltung
dargestellt, die über
einen Sensor S eine Regelung der Motorgeschwindigkeit des Motors 10 bewirkt.
Die Kommutierungsschaltung ist analog zu der der 1a aufgebaut, und gleiche Symbole besitzen dieselben
Bezugszeichen. Hier werden ebenfalls periodische, trapezförmige Steuersignale
c, d, e zur Ansteuerung eines jeweiligen Wicklungsstranges 1, 2, 3 aus
einer Versorgungsspannung U0, einer dreieckförmigen Rampenspannung Ur und
einem Bezugspotential, in diesem Ausführungsbeispiel Masse, zusammengesetzt.
Der Sensor S liefert in dieser beispielhaften Ausführung pro
Motorumdrehung eine bestimmte Anzahl von Impulsen a, die gleiche
zeitliche Abstände
aufweisen, wie in der 2 dargestellt.
Diese sind ein Maß für Position
und Geschwindigkeit der Motorumdrehung und werden durch den Controller
P zur Konstanthaltung der Motorgeschwindigkeit oder zum Beschleunigen
bzw. Abbremsen genutzt. Die Steuerung des Motors geschieht in diesem Ausführungsbeispiel
vorteilhafterweise durch Steuerung der Amplitude, d. h. durch Variation
der Versorgungsspannung U0. Diese wird durch den Controller P über ein
Interface I, das z. B. einen Digital-Analog-Converter (DAC) enthält, generiert.
Die Rampenspannung Ur wird ebenfalls digital erzeugt und kann von
dem Controller P über
das Interface I in seiner Frequenz und Amplitude der Versorgungsspannung U0
angepaßt
werden, so daß durch
die Schalter 4, 5, 6 jeweils möglichst
ideale trapezförmige
Steuersignale c, d, e zusammengesetzt werden.
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Anhand
der 2 wird die Erzeugung
der periodischen, trapezförmigen
Steuersignale c, d, e der Anordnung der 1b näher
erläutert.
In diesem Ausführungsbei-spiel
liefert der Sensor S 24 impulsförmige
Sensorsignale a pro Motorumdrehung entsprechend 360 Grad. Mit Hilfe
dieser Impulse wird, wie vorangehend beschrieben, die dreieckförmige Rampenspannung
Ur erzeugt, die eine Periode von 2 Sensorimpulsen aufweist. Über die
Schalter 4, 5, 6 der 1b werden aus der Betriebsspannung U0, dem
Bezugspotential Masse und der Rampenspannung Ur trapezförmige Steuersignale
c, d, e mit einer Periode von z. B. 6 Sensorimpulsen erzeugt, die
jeweils eine Phasenverschiebung von 2 Sensorsignalen untereinander
aufweisen. Die zu den Sensorsignalen 1, 2, 3, 4, 5,
... gehörigen
Umschaltzeitpunkte t1, t2, t3, t4, t5, ... sind in der 2 unten gezeichnet. Anstatt
dieser Versorgungsspannung U0 kann auch ein aus dieser Versorgungsspannung
abgeleitetes Signal oder ein sonstwie generiertes Signal verwendet
werden, um die trapezförmigen
Steuersignale c, d, e zu erzeugen.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
entspricht die Länge
der maximalen und der minimalen Amplitude jedes trapezförmigen Steuersignals
c, d, e jeweils dem zeitlichen Abstand von zwei Markierungsimpulsen
(t2 bis t4 bzw. t5 bis t7 bei Spannung c). Die Motorregelung kann über Amplitudenvariation
bewirkt werden, wie anhand der 1b erläutert. Es
ist aber auch möglich,
die Breite der Maxima zu variieren, so daß ein pulsbreitenmoduliertes
Steuersignal entsteht. In diesem Fall kann die Betriebsspannung
U0 und die maximale Amplitude der Rampenspannung Ur konstant gehalten
werden, so daß die
Steuerung des Motors 10 allein über Pulsbreitenmodulation (PWM)
erfolgt. Da die Zeitpunkte für
die ansteigenden Flanken nicht verändert werden, wird hierdurch die
Frequenz nicht verändert,
sondern nur die Pulsbreite.
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Bei
24 Sensorimpulsen pro Motorumdrehung ist die Periode der trapezförmigen Steuersignale
c, d, e jeweils 6 Impulse und die jeweilige Phasenverschiebung 2
Impulse. Die Schalter 4, 5, 6 werden
abwechselnd mit einer Periode von einem bzw. zwei Sensorimpulsen
weitergeschaltet, der Schalter 7 mit jedem Sensorimpuls.
Es können
aber auch beispielsweise 12 Sensorimpulse pro Motorumdrehung für die Kommutierung
verwendet werden, wobei hier die Schaltsignale für den Schalter 7 in
dem Controller P erzeugt werden.
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Die
Schaltungsanordnungen der 1a und 1b geben jeweils eine Schaltungsanordnung
für einen
Motor mit drei Wicklungssträngen
an, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
darstellen. Andere Ausgestaltungen der Erfindung können ebenso
für einen
zweisträngigen
Motor oder für
Motoren mit mehr als drei Wicklungssträngen ausgeführt werden. Die in den 1a und 1b als Blöcke dargestellten Schaltungen
dienen lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung. Diese
können
auch auf andere Weise zusammengefaßt und dargestellt werden bzw.
auf verschiedene Arten integriert werden. Die in den Blöcken enthaltenen
Elemente können
auch getrennt ausgeführt
werden.