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Anwendungsgebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtastung der momenten
Stellung des Rotors eines bürstenlosen
Gleichstrommotors, eine notwendige Voraussetzung für seinen
Betrieb.
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Hintergrund der Erfindung
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Der „bürstenlose" Motor besteht aus
einem Permanentmagnetrotor und einem Stator, der aus einer Anzahl
von Wicklungen besteht, die in einer Sternkonfiguration oder vollständig unabhängig voneinander
geschaltet sein können.
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Im
ersten Fall sind äußerlich
eine Anzahl von Anschlüssen
vorhanden, die gleich der Anzahl der Phasen des Motors sind (letztlich
+1, wenn aus die Sternmitte zugegriffen werden muß); im zweiten
Fall wird auf Motoren mit unabhängigen
Phasen bezug genommen, und beide Anschlüsse jeder Wicklung sind äußerlich
zugänglich.
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Diese
Motoren werden in Festplatten- und Diskettenlaufwerken, DVD-(digitale
Videoplatten)Laufwerken, in Bandvideorecordern, CD-Spielern usw.
verwendet.
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In
der Mehrzahl der Fälle
sind bürstenlose Motoren
dreiphasig und die Treiberschaltung besteht im allgemeinen aus integrierten
Schaltungen, deren Ausgangsstufen die Phasenwicklungen betreiben und
entweder im Fall von Motoren, die in einer Sternkonfiguration geschaltet
sind, eine dreiphasige Vollwellen-Halbbrückenschaltung oder im Fall
von Motoren mit unabhängigen
Phasen drei Vollbrückenschaltungen
aufweisen.
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1a zeigt
einen dreiphasigen bürstenlosen
Motor mit unabhängigen
Phasen und die zugehörigen
unabhängigen
Vollbrückenausgangsstufen, die
die jeweiligen Wicklungen betreiben, wohingegen 1b die
Ausgangsstufe darstellt, die zum Betreiben eines dreiphasigen bürstenlosen
Motors benötigt wird,
bei dem die Wicklungen in einer Sternkonfiguration geschaltet sind.
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Zur
Vereinfachung werde der typische Fall eines dreiphasigen Motors
betrachtet, der in einer bipolaren Betriebsart betrieben wird, in
der in jedem Moment zwei Phasenwicklungen versorgt werden, während die
dritte Phasenwicklung momentan nicht versorgt wird (Vollbrücken- oder
Halbbrückenausgangsknoten
in einem hochohmigen Zustand).
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Die
Phasenwicklungen werden gemäß einer zyklischen
Abfolge schaltend betrieben, die mit der augenblicklichen Position
des Rotors synchronisiert werden muß, die in einer bipolaren Antriebsart
bestimmt werden kann, indem die gegenelektromotorische Kraft (BEMF)
analysiert wird, die an der Wicklung überwacht wird, die momentan
nicht versorgt wird, oder durch Halleffekt-Sensoren abgetastet wird (kostspieligere
Lösung,
die selten verwendet wird). Normalerweise detektiert eine solche
BEMF-Überwachung
den Nulldurchgang der BEMF, die eine sinusförmige oder auf jeden Fall periodische
Wellenform aufweist, der im allgemeinen als „Nulldurchgangs"-Moment bezeichnet
wird.
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Das
Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen wird
mit Tc bezeichnet.
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Alternative
Antriebsarten für
diesen Typ Motor sind die sogenannte unipolare Betriebsart, in der die
Abtastung der Stellung des Rotors in derselben Art wie in der bipolaren
Betriebsart vorgenommen wird, und die sogenannte tripolare Betriebsart,
wobei die Abtastung der Stellung des Rotors nicht gemäß der oben
erwähnten
Techniken vorgenommen werden kann, da immer alle Wicklungen des
Motors versorgt werden.
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Tatsächlich werden
in einer tripolaren Betriebsart drei Spannungen (oder Ströme), die
im allgemeinen sinusförmig
sind, um 120 elektrische Grad zueinander phasenverschoben sind und ein
Statordrehfeld erzeugen, jeweils an den drei Wicklungen eines dreiphasigen
Motors erzwungen.
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In
einer tripolaren Betriebsart erfordert die Abtastung der Stellung
des Rotors im allgemeinen die Verwendung von Sensoren oder elektronischer Schaltungen,
die eine De-facto-„Rekonstruktion" der induzierten
BEMF-Spannung an den Wicklungen liefern, sobald die elektrischen
Parameter des Motors bekannt sind. Eine Lösung dieser Art wird in EP-A-0 822
649 desselben Anmelders offenbart.
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Es
wird eine Information über
die augenblickliche Position des Rotors zum Betreiben eine „Synchron"-Motors, wie eines
bürstenlosen
Motors benötigt,
und sie ist wesentlich zur Optimierung des Betriebs, da der Wirkungsgrad
des Systems eine Funktion der Phasenbeziehung zwischen der Antriebsspannung
(oder Strom) und der Stellung des Rotors ist.
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Das
Verfahren zur Überwachung
der augenblicklichen Stellung des Rotors, das in einer bipolaren oder
in einer unipolaren Antriebsart verwendet wird, ist im Fall einer
tripolaren Betriebsart ungeeignet, da jede Wicklung konstant einer
Antriebsspannung ausgesetzt ist, wodurch es verhindert wird, die
BEMF zu überwachen,
die an der Wicklung induziert wird.
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Gemäß des Stands
der Technik wurde dieses Unvermögen
durch den Einsatz von Positionssensoren, zum Beispiel Halleffekt-Sensoren
oder als Alternative verhältnismäßig komplexen
elektronischen Schaltungen überwunden,
die zur „Rekonstruktion" eines BEMF-Signals
imstande sind, sobald die elektrischen Parameter (Widerstand und
Induktivität)
bekannt sind.
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EP-A-0
482 913 offenbart ein Verfahren, das die Merkmale des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 aufweist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Idee hinter dieser Erfindung ist die der Verwirklichung eines Systems
zur Abtastung der Stellung des Rotors eines bürstenlosen Mehrphasen-Gleichstrommotors,
der in einer solchen Betriebsart betrieben wird, daß alle seine
Phasenwicklungen versorgt werden, das auf der Erzeugung eines „Zeitfensters" kurzer Dauer beruht,
während
dessen der Ausgangsknoten einer der Halbbrückenstufen, die die jeweiligen
Wicklungen treiben, in einen hochohmigen Zustand versetzt wird (oder
eine der Vollbrücken
im Fall des Betreibens eines Motors mit unabhängigen Phasenwicklungen), wodurch
eine BEMF-Detektion in der besonderen Phasenwicklung ermöglicht wird,
die daran angeschlossen ist.
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Das
Zeitfenster kann unabhängig
von der tatsächlichen
Drehzahl des Motors eine konstante Dauer oder abhängig von
der Motordrehzahl eine variable Dauer, oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
eine variable Dauer aufweisen, die von anderen Parametern wie dem
tatsächlichen
Moment der Abtastung eines BEMF-Nulldurchgangs und der Korrektheit
eines solchen abgetasteten Nulldurchgangsmoments bezüglich des
erwarteten Moments abhängt.
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Das
Verfahren dieser Erfindung ist sowohl auf den Betrieb in der Strombetriebsart
als auch in der Spannungsbetriebsart unabhängig von der periodischen Wellenform
des verwendeten Treiberstroms- oder der Treiberspannung anwendbar.
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Die
Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche definiert.
Bevorzugte Ausführungsformen
werden in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
unterschiedlichen Aspekte und Vorteile des Verfahrens der Erfindung
werden durch die folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen
und durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch deutlicher.
Es zeigen:
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1a eine
Leistungsstufe, die aus drei Vollbrücken besteht, die zum Betreiben
von dreiphasigen, bürstenlosen
Gleichstrommotoren mit unabhängigen
Phasenwicklungen verwendet werden;
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1b eine
dreiphasige Vollwellen-Halbbrücken-Leistungsstufe,
die einen dreiphasigen bürstenlosen
Gleichstrommotor mit einer Phasenwicklung betreibt, die in einer
Sternkonfiguration geschaltet ist;
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2 die
sinusförmigen
Treibersignale (Spannungen oder Ströme), die an die jeweiligen
Motorwicklungen angelegt werden, und die relativen BEMFs, die an
den Wicklungen durch die Rotorrotation induziert werden;
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3a eine
mögliche
Zeitfensterausführung an
einer einzelnen Phase, einmal pro elektrische Periode, gemäß des Verfahrens
der Erfindung;
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3b eine
alternative Zeitfensterausführung
an einer einzelnen Phase, zweimal pro elektrische Periode, gemäß des Verfahrens
der Erfindung;
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3c eine
alternative Zeitfensterausführung
an allen drei Phasen, einmal pro elektrische Periode, gemäß des Verfahrens
der Erfindung;
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3d eine
alternative Zeitfensterausführung
an allen drei Phasen, zweimal pro elektrische Periode, gemäß des Verfahrens
der Erfindung;
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4a die
Treiberspannung und die BEMF-Signale relativ zur Phasenwicklung
eines Motors, wenn die Periode Tc korrekt geschätzt wird, mit einem Zeitfenster
konstanter Dauer und dem Nulldurchgangsbestätigungssignal, das im Zeitfenster auftritt;
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4b dieselben
Signale wie 4a in einem Fall der Überschätzung der
Tc;
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5a die
Treiberspannung und BEMF-Signale relativ zur Phasenwicklung eines
Motors, wenn die Periode Tc korrekt geschätzt wird, mit einem Zeitfenster
variabler Dauer als Funktion des Nulldurchgangsabtastmoments und
einer korrekten und unkorrekten Schätzung des Nulldurchgangsmoments;
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5b die
Treiberspannung und BEMF-Signale relativ zur Phasenwicklung eines
Motors, wenn die Periode Tc überschätzt wird,
mit einem Zeitfenster variabler Dauer als Funktion des Nulldurchgangsabtastmoments
und einer korrekten und unkorrekten Schätzung des Nulldurchgangsmoments;
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5c die
Treiberspannung und BEMF-Signale relativ zur Phasenwicklung eines
Motors, wenn die Periode Tc unterschätzt wird, mit einem Zeitfenster
variabler Dauer als Funktion des Nulldurchgangsabtastmoments und
einer korrekten und unkorrekten Schätzung des Nulldurchgangsmoments;
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6 ein
Blockdiagramm einer Schaltung, die das Verfahren der Erfindung ausführt;
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7a ein
Schaltungsdiagramm des BEMF DETECT CIRCUIT-Blocks der 6 gemäß einer ersten
Ausführungsform;
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7b ein
Schaltungsdiagramm des BEMF DETECT CIRCUIT-Blocks der 6 gemäß einer anderen
Ausführungsform.
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Beschreibung mehrerer
Ausführungsformen
der Erfindung
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Zur
Analyse des Arbeitsprinzips der Erfindung betrachten wir den üblichsten
Typ eines bürstenlosen
Motors, den dreiphasigen. Die beschriebenen Konzepte bleiben jedoch
auf jeden bür stenlosen Mehrphasenmotor
mit Phasenwicklungen anwendbar, die in einer Sternkonfiguration
geschaltet sind oder unabhängig
geschaltet sind, die entweder in einer Spannungsbetriebsart oder
in einer Strombetriebsart gemäß irgendeiner
vordefinierten periodischen Wellenform betrieben werden.
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Wie
vorher angegeben, ist der bürstenlose Motor
ein „synchroner", und dies bringt
die Notwendigkeit mit sich, Treiberströme durch die Phasenwicklungen
des Motors synchron zur Stellung des Rotors, um das Drehmoment zu
maximieren, das an der Welle erzeugt wird, und daher synchron zu
den BEMF-Signalen zu treiben, die in den jeweiligen Phasenwicklungen
induziert werden.
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2 zeigt
der Treibersignale (V-Phase A, V-Phase B und V-Phase C), die im
betrachteten Beispiel ein sinusförmiges
Profil aufweisen, die an die jeweiligen Wicklungen angelegt werden.
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Die
Wahl einer sinusförmigen
Wellenform ist nicht die einzige mögliche, es können auch
andere periodische Wellenformen wie eine trapezförmige Wellenform verwendet
werden.
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In
der Spannungsbetriebsart repräsentieren die
Signale Spannungen; während
die Signale in der Strombetriebsart Ströme repräsentieren, die durch die jeweiligen
Phasenwicklungen erzwungen werden. Natürlich ist es in jedem Fall
wesentlich, um das maximale Drehmoment zu erhalten, den Synchronismus
der Ströme,
die durch die Phasenwicklungen fließen, mit der Stellung des Rotors
sicherzustellen, das heißt
mit den BEMF-Spannungen, die in den Wicklungen durch die Rotorrotation
induziert werden, indem beachtet wird, daß im Fall eines Betriebs in
der Spannungsbetriebsart ein bestimmter Phasenwinkel zwischen der
Antriebsspannung, die an die Wicklungen angelegt wird, und den dadurch
bedingten Strömen
vorhanden ist, die durch sie fließen.
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Hinsichtlich
der angesprochenen Probleme und der Lösung, die durch diese Erfindung
bereitgestellt wird, ist diese Unterscheidung zwischen Spannungs-
und Strombetriebsarten im wesentlichen irrelevant, und in der folgenden
Beschreibung werden Treibersignale nicht identifiziert, daß sie entweder Spannungs- oder Stromsignale
sind. Beispielsweise zeigt 2 herkömmlich die
relativen gegenelektromotorischen Kraftsignale (bemfA, bemfB und
bemfC) in Phase mit den Treiber-„Signalen".
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Allgemeiner
ist es für
jeden abgetasteten Nulldurchgang eines induzierten gegenelektromotorischen
Kraftsignals notwendig, das Treibersignal oder die Signale in einer
Weise festzusetzen, daß zwischen
den beiden Arten von Signalen ein bestimmter optimaler Phasenwinkel
gehalten wird (der im Fall von Strombetriebsartsignalen null sein
kann).
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Um
die folgenden Beschreibungen zu vereinfachen, wird vorausgesetzt,
daß das
Treibersignal mit einem Nulldurchgangsbestätigungssignal der BEMF-Spannung
in Phase gehalten wird, das an mindestens einer der Phasenwicklungen überwacht wird.
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Das
Verfahren zur Detektion der Stellung des Rotors dieser Erfindung
kann abwechselnd durch Verwirklichung eines Zeitfensters mit konstanter Dauer
oder eines Zeitfensters implementiert werden, dessen Dauer eine
Funktion der Motordrehzahl ist, oder eines Zeitfensters, dessen
Dauer eine Funktion des Moments der Detektion eines Nulldurchgangs (wobei
dieses Ereignis das Ende des Zeitfensters bestimmt) und einer korrekten
oder unkorrekten Schätzung
des Nulldurchgangsmoments ist (wobei diese Schätzung den Anfang des Zeitfensters
bestimmt).
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Jeder
Typ Zeitfenster ist bei der Überwachung
der BEMF an einer einzelnen Phasenwicklung (wobei der Nulldurchgang
in nur einer Phasenwicklung abgetastet wird) oder bei der Überwachung
der BEMF an unterschiedlichen Phasenwicklungen (wobei der Nulldurchgang
an mehreren oder an allen Phasenwicklungen abgetastet wird) anwendbar. Überdies
ist es nur einmal pro elektrische Periode (wobei ein Nulldurchgang
für jede
elektrische BEMF-Periode abgetastet wird) oder zweimal pro elektrische
Periode anwendbar (wobei der Nulldurchgang für sowohl den positiven als
auch negativen Gradienten der BEMF für jede elektrische Periode abgetastet
wird).
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Daher
kann in einem dreiphasigen Motor die Anzahl der Zeitfenster, die
ausgeführt
werden können,
von einem pro elektrische Periode (einem Fenster pro Periode und
für eine
einzelne Wicklung) bis zu maximal sechs pro elektrische Periode
reichen (zwei Fenster pro Periode und für alle drei Wicklungen).
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Die 3a, 3b, 3c, 3d stellen einige
Beispiele der Verwirklichung eines solchen Zeitfensters dar.
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3a stellt
den Fall eines Zeitfensters beim Betreiben einer Phasenwicklung
dar, das einmal für jede
elektrische Periode ausgeführt
wird. 3b stellt den Fall eines Zeitfensters
beim Betreiben einer Einzelphasenwicklung dar, das zweimal für jede elektrische
Periode ausgeführt
wird. 3c stellt den Fall eines Zeitfensters
beim Betreiben aller drei Wicklungen dar, das einmal für jede elektrische
Periode ausgeführt
wird. 3d stellt den Fall eines Zeitfensters dar,
das zweimal für
jede elektrische Periode beim Betreiben aller drei Wicklungen ausgeführt wird.
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Betrachten
wir den Fall eines Zeitfensters, das für eine Einzelwicklung einmal
für jede
elektrische Periode ausgeführt
wird, und daß der
abzutastende Nulldurchgang sich auf einen positiven Gradienten des
BEMF-Signals bezieht. Die folgenden Überlegungen bleiben jedoch
auch auf jeden anderen Fall anwendbar.
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Nehmen
wir ferner an, daß der
Motor in einer Spannungsbetriebsart gemäß eines vordefinierten sinusförmigen Spannungsprofils
betrieben wird, in Phase mit dem BEMF-Signal, und daß er sich
am Ende einer Anlaufphase befindet, das heißt in einer Situation, wo die
BEMF schon eine ausreichend große
Amplitude angenommen hat, um durch eine gewöhnliche Komparatoreinrichtung
detektierbar zu sein.
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I. Fall: Fenster mit konstanter
zeitlicher Dauer
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Unter
der Voraussetzung, daß der
Wert der letzten Tc (Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Nulldurchgangsereignissen) am Ende des Anlaufens bekannt ist, eine
Bedingung, die leicht sichergestellt werden kann, indem ein ausreichend
geräumiges
Zeitfenster gesetzt wird, ist es möglich, mit einer ausreichenden
Genauigkeit den Moment, in dem der nächste Nulldurchgang auftreten
sollte, und daher den neuen Tc-Wert vorherzusagen.
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Letztlich
würden
Vorhersagefehler im wesentlichen auf eine ungenau geschätzte Beschleunigung
oder Abbremsung zurückzuführen sein,
jedoch können
diese Fehler eher durch die Überwachung des
BEMF-„Pegels" als seines Nulldurchgangs
behoben werden.
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Wenn,
wie angenommen, ein einzelnes Fenster für jede elektrische Periode
der BEMF implementiert wird, das nach ihrem Nulldurchgang mit einem
positiven Gradienten sucht, ist ein positiver BEMF-Wert im Moment
des Öffnens
des Zeitfensters nur möglich,
wenn die neue Tc überschätzt wurde, das
heißt,
wenn der Nulldurchgang (ZC) vor dem Start des Zeitfensters auftritt.
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Dieser
Fehler kann teilweise behoben werden, indem vielmehr der Pegel der
BEMF als ihr Nulldurchgang beobachtet wird. Der Ausdruck „SENSED ZC" bezeichnet das Signal,
das für
den BEMF-Pegel repräsentativ
ist.
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Das
Auftreten einer Situation wie oben (Nulldurchgang, der vor dem Start
des Zeitfensters auftritt) wird zur Schätzung der neuen Tc und folglich zum
Wählen
des Startmoments des nächsten
Zeitfensters verwendet.
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4a zeigt
das BEMF- und das Treibersignal relativ zu einer Phasenwicklung
für den
Fall einer korrekten Tc-Schätzung
mit einem Zeitfenster konstanter Dauer.
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Wie
in 4a wahrgenommen wird, wird der BEMF-Nulldurchgang
im Zeitfenster detektiert.
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4a zeigt
auch das „SENSED
ZC"-Signal an, bei
dem angenommen wird, daß der
Nulldurchgang auf dessen ansteigender Vorderseite stattgefunden
hat (da der BEMF-Nulldurchgang, nachdem gesucht wird, derjenige
mit einem positiven Gradienten ist). Offensichtlich findet die Aktualisierung
des SENSED ZC-Signals
innerhalb des Zeitfensters statt, wo angenommen wird, daß der Nulldurchgang
stattfindet.
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Im
Fall einer korrekten Tc-Schätzung
ist ein solches SENSED ZC-Signal perfekt mit dem Nulldurchgangssignal
in Phase.
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4b zeigt
die Treiber- und BEMF-Signale relativ zu einer Phasenwicklung für den Fall
einer Überschätzung der
Tc. Das SENSED ZC-Signal wird im Moment des Öffnens des Zeitfensters einen
hohen Logikpegel annehmen, da das Nulldurchgangsereignis schon aufgetreten
ist.
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Beruhend
auf dem obigen ist es möglich,
sobald die wahrscheinlichen Werte der Beschleunigungen für die besondere
Anwendung geschätzt
sind, ein Fenster mit einer konstanten zeitlichen Dauer zur Abtastung
des BEMF-Nulldurchgangs, wenn er auftritt, oder im Fall der Schätzung von
Fehlern des Tc-Werts mit einer vernachlässigbaren Verzögerung festzulegen.
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II. Fall: Fenster mit
einer zeitlichen Dauer als Funktion der Motordrehzahl
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Das
Verfahren bleibt zu dem für
den vorhergehenden Fall beschriebenen ähnlich, mit der einzigen Modifikation
der zeitlichen Dauer des Fensters, die eine Funktion der Drehzahl
des Motors ist. Zum Beispiel kann festgelegt werden, daß ein Fenster verwirklicht
wird, dessen zeitliche Dauer gleich einem festen Prozentsatz des
gegenwärtigen
Tc-Werts ist.
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III. Fall: Fenster mit
einer zeitlichen Dauer als Funktion des Nulldurchgangsmoments und
seine korrekte oder unkorrekte Vorhersage
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Auch
in diesem Fall wird der Start des Fensters gemäß derselben Mechanismen wie
in den beiden vorhergehenden Fällen
definiert, das heißt
durch Schätzung
des Moments, in dem erwartet wird, daß der nächste Nulldurchgang auftritt.
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Um
eine Wiedergewinnung in Fall einer Unterschätzung der Beschleunigungen
zu erleichtern, ist es noch möglich,
den BEMF-Pegel zu
analysieren und nicht nur seinen Durchgang durch den Nullpegel.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
dient das Auftreten des BEMF-Nulldurchgangs,
bevor sich das Fenster öffnet,
dazu, die neue Tc zu schätzen
und folglich den Startmoment des nächsten Fensters zu definieren.
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In
dieser Ausführungsform
hängt der Schließmoment
des Fensters vom Auftreten eines Nulldurchgangs selbst ab, das heißt, das
Fenster wird in einem bestimmten Moment beendet, der mit dem Abtastmoment
des Nulldurchgangs zusammenhängt.
Das Fenster kann im Nulldurchgangsmoment oder nach einer vorher
festgelegten Verzögerung
enden.
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Dadurch
sind durch die Verwendung des SENSED ZC-Signals und Warten auf seinen
Nulldurchgang, um das Schließen
des Fensters zu befehlen, neben Unterschätzungen von Beschleunigungen
auch zufällige
Abbremsungen leicht behebbar, da sobald ein Zeitfenster gestartet
wird, es offen bleibt, bis ein Nulldurchgang detektiert wird, der
im Fall einer Abbremsung mit einer bestimmten Verzögerung nach
dem Vorhersagemoment stattfinden wird.
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Wenn
bei der Öffnung
des Fensters der BEMF-Pegel anzeigt, daß der erwartete Nulldurchgang
schon stattgefunden hat, wird neben einer augenblicklichen Aktualisierung
des SENSED ZC-Signals auch definiert, in welchem Moment das Fenster enden
wird.
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Daher
wird die Fensterdauer durch die Genauigkeit bestimmt, mit der der
Nulldurchgangsmoment vorhergesagt wird.
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Die 5a, 5b und 5c stellen
die Funktion gemäß dieser
Ausführungsform
für den
Fall einer korrekten Schätzung,
einer Überschätzung bzw.
einer Unterschätzung
der Tc dar, für
den Fall, in dem das Ende des Fenster so eingestellt wird, daß es mit
der ansteigenden Vorderseite des SENSED ZC-Signals zusammenfällt.
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Diese
besonders bevorzugte Ausführungsform
hat den Vorteil, daß selbst
während
unvorhergesehener Beschleunigungen und Abbremsungen des Motors kritische
Aspekte im wesentlichen fehlen.
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6 zeigt
ein allgemeines Blockdiagramm einer Schaltung, die das Verfahren
der Erfindung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors ausführt.
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Das
Diagramm bezieht sich auf den Fall eines Treibens in einer vollständig digitalen
Spannungsbetriebsart, nach der die Spannungsprofile, die an die
Motorwicklungen angelegt werden, dauerhaft in einem ROM-Speicher
gespeichert sind.
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Das
Diagramm ist eine Vereinfachung des vom selben Anmelder in EP-A-0
822 649 beschriebenen, die mit dem 22. Mai 1996 datiert ist. Die
Hauptfunktionen der verschiedenen Blöcke können wird folgt angegeben werden.
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Der „ROM"-Block enthält die Abtastwerte
der gewünschten
Wellenform, die an die Wicklungen des Motors angelegt werden soll.
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Unter
der Veraussetzung, daß 36
digitale Abtastwerte vorhanden sind, um die Wellenform anzunähern, und
daß eine
8-Bit-Auflösung erforderlich
ist, wird ein 8 × 36-Speicher
benötigt.
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Der
Block „DIGITAL
MULTIPL." multipliziert den
digitalen Datenwert, der durch das ROM ausgegeben wird, mit einer
Konstanten. Die Konstante wird durch den „K CALC"-Block als Funktion des Signals berechnet,
das durch den „PLL"-Block ausgegeben wird,
wobei ein Fehlersignal zwischen der wirklichen und der Bezugsgeschwindigkeit
erzeugt wird.
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Der „PWM CONVERTER"-Block setzt einen Digitalwert
(Byte) in ein Tastverhältnis
(PWM) um. Es wird ein PWM-Signal, das den Abtastwert reproduziert,
auf den in diesem Moment im ROM-Speicher gezeigt wird, multipliziert
mal KVAL, ausgegeben.
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Der „Frequenz
MULTIPL."-Block
multipliziert die elektrische Frequenz (1/Tc) des Motors mit 36. Dies
ist notwendig, da dieses Signal zur Abfrage des ROM-Speichers verwendet
wird, der die Spannungsprofile speichert (da es 36 Abtastwerte gibt,
muß die Abfrage
mit einer Frequenz stattfinden, die 36 mal größer als die elektrische Frequenz
des Motors ist).
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Das „WINDOW"-Signal versetzt
einen Brücken-(oder
Halbbrücken)-Ausgang
in einen hochohmigen Zustand, wodurch folglich eine Nulldurchgangsabtastung
einer BEMF ermöglicht
wird, die an der Wicklung induziert wird, wobei sich dieses Ereignis
am Ausgang der „BEMF
DETECT CIRCUIT" manifestieren
wird und durch das logische UND-Glied bestätigt wird, wie in den Ausführungsformen
detaillierter gezeigt wird, die in 7a bzw. 7b gezeigt werden.
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In
einem allgemeineren Fall, daß einfach
ein Komparator COMP zur Detektion eines Nulldurchgangs des abgetasteten
BEMF-Signals eingesetzt wird,
wie in 7a dargestellt, empfängt der
Block BEMF DETECT CIRCUIT das „MASK"-Signal, dessen Zweck
die Maskierung falscher Bestätigungen eines
Nulldurchgangsereignisses in Übereinstimmung
mit dem Anfang des Zeitfensters ist, die durch eine abrupte Unterbrechung
des Stroms in der Wicklung verursacht werden können.
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In
Anwendungen, wo das BEMF-Signal eine besonders niedrige Amplitude
aufweist, und/oder unter außergewöhnlich störenden Bedingungen
kann eine Verstärkungsstufe
OP-AMP, der sich ein Tiefpaßfilter
F(S) anschließt,
verwendet werden, um den Eingang des Komparators COMP ein verstärktes und gefiltertes
BEMF-Signal zuzuführen,
wie in 7b dargestellt.
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Um
falsche Bestätigungen
zu verhindern, die auf Störungen
zurückzuführen sein
könnten,
die durch die abrupte Stromunterbrechung in einer Motorwicklung
induziert werden, und zur Verhinderung übermäßig großer Signale am Eingang des
Operationsverstärkers
OP-AMP während
der Maskierungsperiode kann in einer solchen Ausführungsform
ein dritter Logikbefehl „SWITCH" eingesetzt werden,
um die Eingänge
des Abtastoperationsverstärkers
während
des Maskierungsintervalls kurzzuschließen, das sich der Aktivierung
des ENABLE-Befehls anschließt.
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Natürlich kann
in vielen Situationen die Verwendung eines Operationsverstärkers und
eines Tiefpaßfilters
und letztendlich auch des relativen Sperrbefehls SWITCH nicht notwendig
sein, und das BEMF-Signal kann den Eingängen des Komparators COMP direkt
zugeführt
werden, wie in 7a dargestellt.
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Für ein vollständig digitales
System, wie dem betrachteten, kann ein effizientes Zeitfenster wie
folgt verwirklicht werden: vom Vorhersagemoment für einen
Nulldurchgang kann das Fenster so eingestellt werden, daß es in Übereinstimmung
mit dem „n"-Abtastwert beginnt (wobei n zwischen
1 und 36 liegt, wie in 6 gezeigt). Es wird dann auf
eine Nulldurchgangsabtastung gewartet, bevor das Fenster beendet
wird.
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Wenn
danach der BEMF-Nulldurchgang im Fenster auftritt (das heißt, anschließend an
eine korrekte Schätzung
der Tc), wird die Öffnung
des nächsten
Fensters so eingestellt, daß sie
in Übereinstimmung
mit dem „n
+ 1 Abtastwert" auftritt.
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Wenn
für ein
Zeitfenster ein Nulldurchgang schon aufgetreten ist, wird das Fenster
sofort geschlossen und das SENSED ZC aktualisiert, wie vorher beschrieben.
Das Auftreten eines solchen Zustands wird bewirken, daß das nächste Zeitfenster
in Übereinstimmung
mit dem Abtastwert n – 1
eingeleitet wird.
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Dies
ergibt eine automatische Bemessung und Positionierung des Fensters
längs der
Zeitachse.
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Folglich
wird ein Mechanismus aktiv sein, wodurch das Zeitfenster einer kontinuierlichen
Einstellung um sein genaues Zusammenfallen mit dem Nulldurchgangsereignis
unterliegen wird. Dieser Mechanismus kann kontrolliert werden, indem
eine minimale Dauer des Fensters festgelegt wird.
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In
einem System, das 36 Abtastwerte verwendet, kann dann, wenn der
Nulldurchgang in der Nähe
des letzten Abtastwertes auftritt, das Fenster so eingestellt werden,
daß es
nicht früher
als der 34. Abtastwert beginnt.
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Es
kann jede Art eines Zeitfensters für nur eine Phasenwicklung (wobei
der Nulldurchgang an einer einzelnen Phasenwicklung eines Motors
abgetastet wird) oder für
mehrere Wicklungen verwirklicht werden (wobei der Nulldurchgang
an mehreren Motorphasenwicklungen abgetastet wird). Es kann nur einmal
pro elektrische Periode oder zweimal pro elektrische Periode ausgeführt werden
(zur Abtastung der Nulldurchgangsereignisse mit sowohl positiven
als auch negativen Gradienten bei jeder elektrischen BEMF-Periode).
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Die
Technik der Erfindung ist auf jeden bürstenlosen Mehrphasenmotor,
bei dem die Wicklungen in einer Sternkonfiguration geschaltet sind
oder unabhängig
angeschossen sind, der in einer Spannungsbetriebsart oder in einer
Strombetriebsart betrieben wird, und für jede vordefinierte Wellenform anwendbar.