DE69836477T2

DE69836477T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines sensorlosen Gleichstrommotors mit einer Induktionsmessbrückenschaltung

Info

Publication number: DE69836477T2
Application number: DE69836477T
Authority: DE
Inventors: Jong-Yong Jung-Ku Park
Original assignee: Daewoo Electronics Co Ltd
Current assignee: WiniaDaewoo Co Ltd
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2018-06-24
Also published as: EP0967716A1; EP0967716B1; DE69836477D1; US5990642A; ES2275293T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors mit einem Induktivitätsdetektionsschaltkreis in Form einer Brückenschaltung und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors mit einem Induktivitätsdetektionsschaltkreis in Form einer Brückenschaltung, die die von der Relativlage zwischen einer Phasenwicklung und einem magnetischen Rotor abhängige Induktivität bestimmt, um so die Stellung des Rotors zu ermitteln.
Ein Videokassettenrekorder (Video Cassette Recorder – VCR) umfasst einen Magnetbandantriebsmotor und einen Kopftrommelmotor. Üblicherweise ist es für den Betrieb solcher Motoren notwendig, die Rotorstellung mittels Sensoren, beispielsweise einem Hall-Sensor oder einem optischen Sensor, derart zu bestimmen, dass der an dem Motor angelegte Phasenverlauf entsprechend zur Rotorstellung gesteuert werden kann. Dieses konventionelle Verfahren führt jedoch zur Notwendigkeit, dass Bauraum zur Installation der Sensoren zur Verfügung steht. Darüber hinaus sind die Sensoren so teuer, dass sich der Gerätepreis erhöht.
In jüngerer Zeit wurden verstärkt sensorfreie Motoren verwendet, um die voranstehend beschriebenen Nachteile zu umgehen.
In einem konventionellen, sensorfreien Motor, wie er durch das US-Patent US 5,235,264 offenbart wird, wird die Stromwendung des Rotors durch die Bestimmung der gegenelektromotorischen Kraft (Back Electromotive Force – BEMF) bestimmt, die in den Phasenwicklungen induziert wird, wodurch die Stellung des magnetischen Rotors ermittelt werden kann.
Ein Verfahren zur Messung eines magnetischen Felds wird beispielsweise durch die FR-A-2 528 184 offenbart.
Die gegenelektromotorische Kraft, die in einer Spule induziert wird, ist proportional zur Rotationsgeschwindigkeit des Rotors. Folglich ist die Bestimmung der gegenelektromotorischen Kraft für einen Rotor, der mit geringer Geschwindigkeit rotiert oder der sich im Stillstand befindet, sehr schwierig. Entsprechend setzt das Verfahren, das die gegenelektromotorische Kraft ausnutzt, voraus, dass der Rotor schneller als eine vorbestimmte Geschwindigkeit rotiert, sodass ein ausreichendes gegenelektromotorisches Kraftsignal bestimmt werden kann, andernfalls kann die Stromwendung des Rotors nicht stabil geregelt werden.
Ein alternatives Verfahren zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors wird in der EP-A-0 817 364 offenbart, wobei der sensorfreie Gleichstrommotor Phasenwicklungen in einer Y-Anordnung und eine Vielzahl magnetischer Pole umfasst. Eine vorbestimmte Spannung wird an die Spulenkombination angelegt und die hieraus folgende Variation des elektrischen Stroms bestimmt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die voranstehend beschriebenen Probleme des Stands der Technik zu überwinden. Entsprechend besteht eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors anzugeben, die dazu geeignet sind, die Induktivität einer Phasenwicklung in Abhängigkeit der Relativstellung der Phasenwicklung zum magnetischen Rotor zu bestimmen, auch wenn der Rotor mit langsamer Geschwindigkeit rotiert oder sich im Stillstand befindet.
Zur Lösung der voranstehend beschriebenen Aufgabe offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors, der einen Rotor mit Y-förmig angeordneten Phasenwicklungen und eine Vielzahl von magnetischen Polen umfasst, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
Anlegen eines Wechselspannungssignals an Brückenschaltkreise, welche jeweils mit den Phasenwicklungen verbunden sind;
Bestimmung eines Ausgangsspannungssignals für jeden Brückenschaltkreis als Induktivitätsdetektionssignal von jeder der Phasenwicklungen;
Verstärkung des Induktivitätsdetektionssignals für jede Phasenwicklung;
Vergleich der Werte der verstärkten Induktivitätsdetektionssignale für jede Phasenwicklung; und
Bestimmung der Ausgangsposition des Rotors zur Realisierung einer Drehbewegung für den Rotor, wobei die Phasenwicklungen bis auf jene Phasenwicklung mit dem größten Induktivitätsdetektionssignal in der Ausgangsposition magnetisiert werden.
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung für den Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors, der einen Rotor mit als Y-Spulen angeordneten Phasenwicklungen und einer Vielzahl magnetischer Pole aufweist, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
eine Wechselspannungsquelle zur Erzeugung eines Wechselspannungssignals;
Brückenschaltkreise zum Empfang des Wechselspannungssignals, um ein differenzielles Spannungssignal als Differenz der Spannungssignale an den Anschlüssen der Phasenwicklungen zu detektieren und so ein Induktivitätsdetektionssignal auszugeben, wobei die Brückenschaltkreise jeweils mit den Phasenwicklungen verbunden sind;
Verstärker zur Verstärkung jedes der Induktivitätsdetektionssignale für jeden der Brückenschaltkreise;
eine Regelungsvorrichtung für die Stromwendung zum Vergleich der verstärkten Induktivitätsdetektionssignale für jede der Phasenwicklungen, um eine Ausgangsposition zu bestimmen, in der die Phasenwicklungen mit der Ausnahme jener Phasenwicklung, die ein maximales Induktivitätsdetektionssignal aufweist, magnetisiert werden, und zur Festlegung der Stromwendung, indem die Werte der Induktivitätsdetektionssignale für jeden vorbestimmten Rotationswinkel des Rotors miteinander verglichen werden; und
eine Ansteuerung zur Zuführung eines Betriebsstroms zu paarweise vorliegenden Phasenwicklungen als Reaktion auf das Regelungssignal der Regelungsvorrichtung für die Stromwendung.
Jeder der Brückenschaltkreise umfasst einen ersten Eingangsanschluss, der mit einem ersten Ausgang der Wechselspannungsquelle verbunden ist und einen gemeinsamen Anschlusspunkt der als Y-Spulen angeordnete Phasenwicklungen bildet, einen zweiten Eingangsanschluss, der mit dem zweiten Ausgang der Wechselspannungsquelle verbunden ist, einen ersten Widerstand und einen ersten Kondensator, die zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss in Reihe angeordnet sind, einen zweiten Widerstand und einen zweiten Kondensator, die zwischen einem ersten Anschluss für jede der Phasenwicklungen und dem ersten Ausgang der Wechselspannungsquelle in Reihe geschaltet sind, einen ersten Ausgangsanschluss an dem ersten Anschluss für jede Phasenwicklung und einen zweiten Ausgangsanschluss, der einen gemeinsamen Kontaktpunkt für den ersten Widerstand und den ersten Kondensator darstellt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors angegeben, der ein Rotor mit Phasenwicklungen, die einen Mittelabgriff umfassen, und eine Vielzahl von magnetischen Polen aufweist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
sequenzielles Anlegen eines Wechselspannungssignals an Brückenschaltkreise, die jeweils mit einem Paar von Phasenwicklungen verbunden sind;
Bestimmung eines Ausgangsspannungssignals für jeden der Brückenschaltkreise als ein differenzielles Induktivitätsdetektionssignal von jedem Paar der Phasenwicklungen;
Verstärkung der differenziellen Induktivitätsdetektionssignale, die von jedem Paar der Phasenwicklungen kommen;
Vergleich der Werte der verstärkten differenziellen Induktivitätsdetektionssignale für jedes der Paare der Phasenwicklungen; und
Bestimmung einer Ausgangsposition des Rotors zum Erzeugen einer Rotationsbewegung des Rotors, wobei die Phasenwicklungen bis auf jene Phasenwicklung, die das maximale Induktivitätsdetektionssignal aufweist, in der Ausgangsposition magnetisiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors angegeben, welcher einen Rotor mit Phasenwicklungen, die einen Mittelabgriff aufweisen, und einer Vielzahl von magnetischen Polen umfasst, wobei die Vorrichtung ferner Folgendes umfasst:
eine Wechselspannungsquelle zur Erzeugung eines Wechselspannungssignals;
Brückenschaltkreise zum Empfang des Wechselspannungssignals, um ein differenzielles Spannungssignal als Differenz der Spannungssignale an den Anschlüssen der Phasenwicklungen zu detektieren und so ein differentielles Induktivitätsdetektionssignal auszugeben, wobei die Brückenschaltkreise jeweils mit einem Paar von Phasenwicklungen verbunden sind;
Verstärker zur Verstärkung jedes der differenziellen Induktivitätsdetektionssignale von den Brückenschaltkreisen;
eine Regelungsvorrichtung zur Stromwendung zum Vergleich der Werte der verstärkten differenziellen Induktivitätsdetektionssignale von jedem der Paare der Phasenwicklungen, um eine Ausgangsposition zu bestimmen, in welcher die Phasenwicklungen mit Ausnahme jenes Paars von Phasenwicklungen, welche das maximale differenzielle Induktivitätsdetektionssignal aufweist, magnetisiert werden, und zur Festlegung einer Stromwendung, indem die differenziellen Induktivitätsdetektionssignale an jedem vorbestimmten Drehwinkel des Rotors miteinander verglichen werden; und
Ansteuerung zur Zuführung eines Betriebsstroms für jede der Phasenwicklungen als Reaktion auf das Regelungssignal der Regelvorrichtung zur Stromwendung.
Jeder der Brückenschaltkreise umfasst einen ersten Eingangsanschluss, der mit einem ersten Ausgang der Wechselspannungsquelle verbunden ist und der einen Mittelabgriff darstellt, einen zweiten Eingangsanschluss, der mit einem zweiten Ausgang der Wechselspannungsquelle verbunden ist, einen ersten und einen zweiten Widerstand, die für die Phasenwicklungen jeweils zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss zwischengeschaltet sind, und erste und zweite Ausgangsanschlüsse, die an den ersten Anschlüssen der Paare der Phasenwicklungen vorgesehen sind, welche jeweils mit den ersten und den zweiten Widerständen verbunden sind.
Die voranstehend genannten Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figurendarstellungen klarer, in welchen im Einzelnen Folgendes dargestellt ist:
1 zeigt die Schaltungsanordnung für einen sensorfreien Motor, umfassend eine Owen-Brückenschaltung gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt einen detaillierten Schaltkreis für eine Owen-Brückenschaltung gemäß 1;
3A zeigt eine ebene Schnittdarstellung für die Phasenwicklungen eines Stators;
3B zeigt eine ebene Schnittdarstellung eines magnetischen Rotors;
4 zeigt einen Graphen mit einem Kurvenverlauf der Ausgangsspannung des Brückenschaltkreises, für den Fall, dass die Phasenwicklung eine Induktivität von 835 μH aufweist;
5 zeigt einen Graphen, welcher die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Induktivität der Phasenwicklung darstellt;
6 zeigt einen Graphen, der den Kurvenverlauf der verstärkten Induktivitäts-Ausgangsspannungssignale für jede Phasenwicklung in Abhängigkeit der Winkelstellung des magnetischen Rotors darstellt;
7 zeigt ein Diagramm eines Schaltkreises für einen sensorfreien Motor, welches einen Induktivitäts-Brückenschaltkreis gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 zeigt eine Detaildarstellung des Schaltkreises des Induktivitäts-Brückenschaltkreises nach 7;
9 zeigt einen Graphen, der den Kurvenverlauf der Maximalspannung für jeden der Induktivitäts-Brückenschaltkreise in Abhängigkeit der Winkelstellung des magnetischen Rotors darstellt, für den Fall, dass eine rechteckförmige Spannung als Eingangssignal vorgegeben wird;
10 zeigt einen Graphen, der den Kurvenverlauf der Minimalspannung für jeden der Induktivitäts-Brückenschaltkreise in Abhängigkeit der Winkelstellung des magnetischen Rotors darstellt, für den Fall, dass eine rechteckförmige Spannung als Eingangssignal vorgegeben wird;
11 zeigt einen Graphen, welcher den Kurvenverlauf für das differenzielle Spannungssignal von zwei Phasenwicklungen darstellt, für den Fall, dass eine Sinuskurve angelegt wird;
12 zeigt einen Graphen, welcher die Induktivität für jede der Phasenwicklungen in Abhängigkeit der Winkelstellungen des Rotors darstellt;
13 zeigt einen Graphen, welcher die Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal und einem differenziellen Spannungssignal für den Fall von L1 > L2 darstellt;
14 zeigt einen Graphen, welcher die Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal und einem differenziellen Spannungssignal für den Fall von L2 > L1 darstellt; und
15 zeigt die Sequenzabfolge für die Bestromung der Phasenwicklungen.
Im Folgenden werden die Struktur und der Betrieb für eine Vorrichtung zum Treiben eines sensorfreien Gleichstrommotors anhand bevorzugter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezug auf die beigeschlossenen Zeichnungen erläutert.
1 zeigt einen Schaltkreis zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors mit einer Owen-Brückenschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Der in 1 dargestellte Schaltkreis umfasst eine Wechselspannungsquelle 10, Brückenschaltkreise 12, 14 und 16, Verstärker 18, 20 und 22, eine Regelungsvorrichtung für die Stromwendung 24, eine Ansteuerung 26 und Phasenwicklungen angeordnet als Y-Spulen 28, 30 und 32.
Wenn der Rotor eine Drehbewegung ausführt, fließt Betriebsstrom durch die Phasenwicklungen des Motors. Aufgrund von ohmschen Verlusten wird deren Temperatur mit zunehmender Betriebsdauer ansteigen. Der Temperaturanstieg erhöht den Widerstand der Phasenwicklungen. Der Widerstand von Kupfer folgt der Temperaturänderung linear. Dies führt dazu, dass der Ausgleichszustand der Owen-Brücke verloren geht und so verhindert wird, dass die Ausgangsspannung einer nicht angesteuerten Phasenwicklung zur Bestimmung der Rotorstellung verwendet werden kann. Folglich wird zur Kompensation eines nicht ausgeglichenen Zustands des Brückenschaltkreises aufgrund eines durch ohmsche Verluste der Phasenwicklungen bewirkten Temperaturanstiegs die Phasenwicklung zusammen mit den Brückenschaltkreisen in einem Motorgehäuse 34 untergebracht.
2 zeigt einen Brückenschaltkreis für eine Phasenwicklung und ein detailliertes Schaltungsdiagramm des Verstärkers.
Ein Brückenschaltkreis 12 umfasst einen ersten Eingangsknoten C, der der gemeinsame Anschlusspunkt einer Y-Spule ist und der mit einem ersten Kontakt einer Wechselspannungsquelle 10 verbunden ist, ein zweiter Eingangsknoten D ist mit dem anderen Kontakt der Wechselspannungsquelle 10 verbunden, ein erster Widerstand R1 und ein erster Kondensator C1 sind in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsknoten C und D angeordnet, ein zweiter Kondensator C2 und ein zweiter Widerstand R2 sind in Reihe zwischen einem ersten Kontakt der Phasenwicklung 28 und dem ersten Kontakt der Wechselspannungsquelle 10 angeordnet, ein erster Ausgangsknoten B, der mit dem ersten Kontakt der Phasenwicklung 28 übereinstimmt, und ein zweiter Ausgangsknoten A, der dem gemeinsamen Anschlusspunkt des ersten Widerstands R1 und des ersten Kondensators C1 entspricht. Die Phasenwicklung 28 umfasst einen inneren Widerstand Rx und eine Spule Lx.
Der Verstärker 18 wird durch einen Operationsverstärker U1 gebildet, dessen nicht invertierter Eingang mit dem ersten Ausgangsknoten B über den Widerstand R4 verbunden ist und dessen invertierter Eingang mit dem zweiten Ausgangsknoten A über den Widerstand R3 verbunden ist. Der nicht invertierte Eingang des Operationsverstärkers U1 ist über den Widerstand R5 geerdet und dessen Ausgang ist über den Widerstand R7 geerdet. Zwischen dem invertierten Eingang und dem Ausgang ist ein Widerstand R6 zwischengeschaltet. Die Widerstände R3 und R4 weisen übereinstimmende Widerstandswerte auf und die Widerstände R5 und R6 weisen einen übereinstimmenden Widerstandswert auf, welcher dem m-fachen Wert des Widerstands von R3 und R4 entspricht.
Um jeden der Schaltkreisparameter des Brückenschaltkreises 18 zu ermitteln, wird von einer Phasenwicklung 28 ausgegangen, welche einen Widerstand 22,5 Ω und eine Induktivitätsvariation im Bereich von 813–846 μH aufweist. Ausgehend von dieser Information können die Widerstände R1 und R2 und die Kapazitäten C1 und C2 für den Gleichgewichtszustand bestimmt werden.
Die Spannungsgleichungen für das Brückensystem, welche eine Reaktion auf eine angelegte Wechselspannung v(t) beschreiben, stellen sich folgendermaßen dar:
Mittels der Gleichungen (1) und (2) lassen sich i₁ und i₂ bestimmen. Die Spannungen V_A(t) und V_B(t) lassen sich folgendermaßen ermitteln:
Im Gleichgewichtszustand stimmt die Spannung am Ausgangsknoten A mit der Spannung am Ausgangsknoten B überein. Folglich liegt keine Spannungsdifferenz zwischen den zwei Ausgangsknoten vor.
3A und 3B zeigen die Anordnung der Phasenwicklungen 28, 30 und 32 und des magnetischen Rotors 36. Jede Phasenwicklung 28, 30 und 32 umfasst drei Spulenpaare 28a und 28b, 30a und 30b und 32a und 32b, wobei für jedes Paar eine gegenüberliegende Anordnung vorliegt. Demgemäß sind die sechs Spulen solchermaßen angeordnet, dass diese konische Bereiche einnehmen, welche sich über einen Winkelbereich von 60 Grad erstrecken. Der magnetische Rotor 36 weist acht magnetische Pole auf, die konzentrisch konische Bereiche einnehmen, welche sich über 45 Grad erstrecken. Die magnetischen Pole sind so angeordnet, dass N-Pole und S-Pole alternierend aufeinander folgen.
Folglich wird für den Fall, dass die Phasenwicklungen und der magnetische Rotor in einander überlappenden Positionen gemäß der Darstellung in 3 und 3A angeordnet sind, die Phasenwicklung 28 mit einem großen Teilbereich mit dem S-Pol überlappen und die Phasenwicklung 30 mit einem großen Teilbereich mit dem N-Pol während die Phasenwicklung 32 mit einer Hälfte mit dem N-Pol und mit der verbleibenden anderen Hälfte mit dem S-Pol überlappt.
Bei einer Weiterdrehung des Rotors ausgehend von diesem Zustand wird sich das magnetische Feld verändern, sodass die Induktivitäten der Phasenwicklungen variieren und ein Spannungsunterschied zwischen den beiden Ausgangsknoten erzeugt wird. Allerdings ist der Spannungsunterschied zu klein, um direkt verwendet zu werden. Folglich wird zur Signalverstärkung ein differenzieller Verstärker 18 verwendet.
Der Differentialverstärker weist folgende Ausgangsspannung Vout auf: Vout = m(VA – VB) (5)
Hierbei ist m der Verstärkungsfaktor des Differentialverstärkers, der sich aus mR/R ergibt.
Die Wechselspannungsquelle 10 ist eine Spannungsquelle, welche einen rechteckförmigen Spannungsverlauf mit 10V, 100kHz und einer relativen Einschaltdauer von 25% erzeugt.
4 zeigt eine verstärkte Ausgangsspannung am Brückenschaltkreis, wobei die Induktivität der Phasenwicklung 835 μH ist und 5 zeigt den charakteristischen Verlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Induktivität der Phasenwicklungen.
Mit Bezug auf 5 ist ersichtlich, dass für den Fall einer Induktivität höher als 830 μH der Betrag der Maximalspannung größer ist als der Betrag der Minimalspannung. Allerdings tritt für den Fall einer Induktivität kleiner als 830 μH der umgekehrte Fall ein. Die sich ausgehend von einem Induktivitätswert ergebende Ausgangsspannung wird mit einem Zeitverzug von 62,5 μs bestimmt. Demnach wird bevorzugt die Ausgangsspannung nach sechs auf das System einwirkenden Perioden bestimmt, um einen Übergangszustand auszuschließen.
6 stellt ein Wellenformdiagramm dar, das die Ausgangsspannung für jede der Phasenwicklungen als Reaktion auf eine Drehbewegung des Magnetrotors zeigt. Die durchgezogene Linie stellt die Ausgangsspannung der Phasenwicklung 28 dar, die gestrichelte Linie repräsentiert die Phasenwicklung 30 und der strichpunktierte Linienzug repräsentiert die Phasenwicklung 32.
Für einen Motor mit acht Polen und drei Phasen (sechs Spulen) folgt der Phasenwechsel der Stromwendung nach jedem Drehwinkelintervall von 15 Grad des Rotors. Wie in 6 ersichtlich, sind die Spannungsverläufe der drei Phasen deutlich voneinander getrennt und bei jeder Winkelstellung nimmt die Spannung für eine der Phasen einen höheren Wert im Vergleich zu den verbleibenden beiden anderen Phasen an.
Die Regelungsvorrichtung für die Stromwendung 24 vergleicht die Amplituden der verstärkten Induktivitätsdetektionssignale der Phasenwicklungen und bestimmt, dass die verbleibenden beiden Phasenwicklungen mit Ausnahme jener Phasenwicklung, die die höchste Spannungsamplitude aufweist, auf ihre Ausgangsstellungen zurückgeführt werden, in der die beiden Phasenwicklungen magnetisiert werden.
Im Stillstand werden die Eingangssignale sequentiell an die drei Phasenwicklungen angelegt. Daraufhin wird das Antwortsignal verstärkt, sodass es zu einer vorbestimmten Zeit gemessen werden kann. Die Spannungsamplituden der drei Phasen werden miteinander verglichen, die Phasenwicklungen werden entsprechend der höchsten oder der niedrigsten Spannung magnetisiert.
Wird der Motor mit einer richtig bestimmten Stromwendung angesteuert, erfolgt eine Drehbewegung des Rotors.
Für den Fall, dass das Induktivitätsdetektionssignal der Phasenwicklung 28 größer ist als jenes der Phasenwicklungen 30 und 32, steuert die Regelungsvorrichtung für die Stromwendung 24 die Ansteuerung 26 derart, dass ein Betriebsstrom den beiden Phasenwicklungen 30 und 32 zur Einleitung einer Drehbewegung des Rotors zugeleitet wird. Da das Induktivitätsdetektionssignal für die Phasenwicklung 30 bei einem Drehwinkel von 15 Grad am größten ist, werden daraufhin die Phasenwicklungen 28 und 32 magnetisiert. Führt der Rotor eine Drehbewegung aus, so dient die nicht aktive Phasenwicklung als Sensor. Die Magnetisierung der entsprechenden Phasenwicklungen muss dann ausgeführt werden, wenn die Ausgangsspannung in einer bestimmten Größenordnung liegt.
7 zeigt den Antriebsschaltkreis für einen sensorfreien Gleichstrommotor mit einer Induktivitätsmessbrücke gemäß der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf 7 umfasst der Antriebsschaltskreis eine Wechselspannungsquelle 40, Brückenschaltkreise 42, 44 und 46, Verstärker 48, 50 und 52, eine Regelungsvorrichtung zur Stromwendung 54, eine Ansteuerung 56, Phasenwicklungen mit Mittenabgriff 58, 60 und 62. Die Phasenwicklungen 58, 60 und 62 sind im Motorgehäuse 64 untergebracht.
8 zeigt ein detailliertes Schaltungsdiagramm der Induktivitäts-Messbrückenschaltung. Die Brückenschaltung 42 zur Bestimmung der induktivitätsabhängigen Spannungsdifferenz der beiden Phasenwicklungen 58 und 60 umfasst einen ersten Eingangsknoten C, der mit einem ersten Ausgang der Wechselspannungsquelle 40 verbunden ist und der einen Mittelabgriff darstellt, einen zweiten Eingangsknoten D der mit dem anderen Ausgang der Wechselspannungsquelle 40 verbunden ist, einen ersten und einen zweiten Widerstand R1 und R2, die mit den jeweiligen Seitenknoten der Phasenwicklungen 58 und 60 und dem zweiten Eingangsknoten D verbunden sind, und erste und zweite Ausgangsknoten A und B, die als einer der Seitenknoten für ein Paar von Phasenwicklungen 58 und 60 dienen, die jeweils mit jedem der ersten und zweiten Widerstände R1 und R2 verbunden sind. Die Phasenwicklung 58 umfasst einen Innenwiderstand R58 und eine Spule L58.
Als Verstärker 48 dient ein Operationsverstärker U1, dessen nicht invertierter Eingang mit dem ersten Ausgangsknoten B über den Widerstand R4 verbunden ist, und der mit seinem invertierten Eingang mit dem zweiten Ausgangsknoten A über den Widerstand R3 verbunden ist. Der nicht invertierte Eingang des Operationsverstärkers U1 wird über den Widerstand R5 geerdet und dessen Ausgang wird über den Widerstand R7 geerdet. Zwischen dem invertierten Eingang und dem Ausgang ist ein Widerstand R6 zwischengeschaltet. Die Widerstände R3 und R4 weisen einen übereinstimmenden Widerstandswert auf und die Widerstände R5 und R6 weisen einen Widerstandswert auf, der dem m-fachen Wert der Widerstände R3 und R4 entspricht.
Die Regelungsvorrichtung für die Stromwendung 54 vergleicht die Amplituden der verstärkten Induktivitätsdetektionssignale der Phasenwicklungen und bestimmt, dass die verbleibenden zwei Phasenwicklungen mit Ausnahme der Phasenwicklung, welche die höchste Spannungsamplitude aufweist, auf die Ausgangsstellung zurückgeführt werden, in der die beiden Phasenwicklungen magnetisiert werden. Die Regelungsvorrichtung zur Stromwendung 54 vergleicht die Amplituden der verstärkten differenziellen Induktivitätsdetektionssignale an jeder der vorbestimmten Winkelstellungen des Rotors, wodurch die Stromwendung bestimmt wird.
Die Ansteuerung 56 versorgt die Phasenwicklungen 58, 60 und 62 mit den Betriebsströmen in Abhängigkeit der Steuerungssignale von der Regelungsvorrichtung für die Stromwendung 54.
Die Ausgangsspannung für jeden der Ausgangsknoten des Brückenschaltkreises 42 wird über die folgende Gleichung ausgewertet:
Die Ausgangsspannung Vout des Verstärkers bestimmt sich wie folgt: Vout = m(VA – VB) (8)
Stimmt der Widerstand und die Induktivität der beiden Phasenwicklungen 58 und 60 überein, wird an den Ausgangsknoten A und B keine Spannungsdifferenz auftreten. Verändert sich die Relativstellung der Magnetpole im Verhältnis zur Spule, so wird sich die Induktivität der Spule verändern. Obwohl der Widerstand der beiden Phasenwicklungen gleich bleibt, tritt eine Änderung der Induktivität ein und eine Spannungsdifferenz wird erzeugt.
Wird dem Brückenschaltkreis von der Wechselspannungsquelle 10 ein rechteckförmiger Spannungsverlauf mit 10V, 100kHz und einer relativen Einschaltdauer von 25% zugeführt, entstehen gemäß der Darstellung von 9 und 10 wellenförmig verlaufende Induktivitätsdetektionsspannungen.
9 zeigt die Wellenformen der maximalen Spannungen für die Induktivitäts-Brückenschaltkreise in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung des Magnetrotors für den Fall, dass ein rechteckförmiger Spannungsverlauf angelegt wird, während 10 die Wellenform der minimalen Spannungen für die Induktivitäts-Brückenschaltkreise in Abhängigkeit der Drehwinkelstellung des Magnetrotors darstellt, wenn ein rechteckförmiger Spannungsverlauf angelegt wird.
Bezug nehmend auf 9 stellt die durchgezogene Linie den maximalen, von der Induktivität abhängigen Spannungsunterschied zwischen den Phasenwicklungen 60 und 62 dar, die punktierte Linie repräsentiert jenen Unterschied für die Phasenwicklungen 60 und 58. In 10 stellt die durchgezogene Linie 10 den minimalen, von der Induktivität abhängigen Spannungsunterschied zwischen den Phasenwicklungen 60 und 62 dar, der strichpunktierte Linienzug repräsentiert die Phasenwicklungen 62 und 58, die gestrichelte Linie repräsentiert die Phasenwicklungen 58 und 60.
Im Stillstand werden die Eingangssignale an die drei Paare von Phasenwicklungen angelegt. Das Antwortsignal von jeder der Paarung der Phasenwicklungen wird bestimmt und verglichen, sodass die Stromwendung auf der Grundlage der Maximum- oder Minimumspannung die Drehbewegung des Rotors steuert. Demnach werden zwei Phasenwicklungen dazu verwendet, die Rotorstellung zu bestimmen und die verbleibende Phasenwicklung wird magnetisiert. Vorliegend wird die maximale Spannung verwendet, um die zu magnetisierende Phasenwicklung festzulegen.
Ist beispielsweise der Spannungsunterschied zwischen den beiden Phasenwicklungen 60 und 62 größer als jener für die Wicklungen 62 und 58 und jener für die Wicklungen 58 und 60, wird der Betriebsstrom der Phasenwicklung 58 zugeführt, sodass diese zur Realisierung einer Drehbewegung des Rotors magnetisiert wird. Bei der darauf folgenden Drehbewegung um 50 Grad des Rotors wird die Spule 60 magnetisiert.
Liegen zwei Maximalspannungen vor, ist es schwierig, die zu magnetisierende Phasenwicklung zu bestimmen. In diesem Fall wird die Minimalspannung für die Stromwendung verwendet. Tritt beispielsweise bei Punkt P ein Wechsel der Bestromung von der Phasenwicklung 62 zu der Phasenwicklung 58 bei 15 Grad auf und ist ferner die Ausgangsspannung für 62 und 58 kleiner als jene für 60 und 62 und jene für 58 und 60, magnetisiert die Stromwendungsregelung die Phasenwicklung 58, sodass der Rotor in die richtige Richtung dreht.
11 stellt ein Wellenformdiagramm für den induktivitätsabhängigen Spannungsunterschied in Abhängigkeit der Winkelstellung eines Rotors dar, für den Fall, dass eine Sinuswelle zugeführt wird. Die durchgezogene Linie repräsentiert den induktionsabhängigen Spannungsunterschied zwischen den Phasenwicklungen 58 und 60, die gestrichelte Linie präsentiert den induktionsabhängigen Spannungsunterschied zwischen den beiden Phasenwicklungen 60 und 62. Für diesen Fall wird ein sinusförmiger Signalverlauf von der Wechselspannungsquelle 40 mit 10V und 50kHz an die Brückenschaltkreise angelegt.
In 11 werden die Spannungsunterschiede bei T = 15 μs bestimmt, wobei zu diesem Zeitpunkt die Eingangssignale einen Minimalwert annehmen.
Beispielsweise liegt für einen Drehwinkel von 36 Grad des Rotors ein Spannungsunterschied zwischen den beiden Phasenwicklungen 62 und 58 vor, welcher größer ist im Vergleich zu den verbleibenden Phasenwicklungen. Folglich muss die Phasenwicklung 60 zur Realisierung einer Drehbewegung des Rotors magnetisiert werden. Die Phasenwicklung 60 wird fortlaufend magnetisiert, solange der Spannungsunterschied zwischen den beiden Phasenwicklungen 62 und 58 größer ist als jener der verbleibenden Phasenwicklungen.
In einem Drehwinkelbereich des Rotors von 28 bis 43 Grad, in dem die Phasenwicklung 60 magnetisiert wird, fällt die Induktivität der Phasenwicklung ab, während die Induktivitäten der verbleibenden Phasenwicklungen entsprechend der Darstellung in 12 zunehmen. 12 zeigt den Induktivitätsverlauf für jede der Phasenwicklungen in Abhängigkeit der Drehbewegung des Rotors.
13 zeigt das Phasenverhältnis des Eingangssignals und das Signal des Spannungsunterschieds für den Fall, dass L₆₀ größer ist als L₅₈. Aus 13 ist zu entnehmen, dass das Eingangssignal und das Signal des Spannungsunterschieds bezüglich der Phase übereinstimmen.
14 zeigt das Phasenverhältnis der Eingangssignale und der Signale für den Spannungsunterschied für den Fall, dass L₆₀ kleiner ist als L₅₈. Aus 14 ist zu entnehmen, dass das Eingangssignal und das Signal für den Spannungsunterschied bezüglich der Phase voneinander abweichen.
Zusätzlich zum maximalen Spannungsunterschied kann der voranstehend beschriebene Wechsel in der Phasenlage als Information zur richtigen Bestimmung der Stromwendung verwendet werden.
15 zeigt die sequentielle Abfolge der Magnetisierung für jede der Phasenwicklungen. Zunächst wird ein Betriebsstrom in positive Richtung der Phasenwicklung 58 zugeführt bis der Rotor einen Drehwinkel von 15 Grad erreicht. Für einen Drehwinkel im Bereich von 15 bis 30 Grad wird ein Betriebsstrom in negativer Richtung an die Phasenwicklung 60 angelegt und in einem Drehwinkelbereich des Rotors von 30 bis 45 Grad wird ein Betriebsstrom in positiver Richtung der Phasenwicklung 62 zugeführt. Folglich wird die Stromwendung derart bestimmt, dass eine Abfolge der Magnetisierung der Phasenwicklungen von 58, 60, 62 und 58 eintritt.
Obwohl ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben wurde, ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt sein soll und stattdessen unterschiedliche Veränderungen und Modifikationen von einem Fachmann im Rahmen des nachfolgend beanspruchten Schutzumfangs ausgeführt werden können.

Claims

Ein Verfahren zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors, umfassend einen Rotor und Phasenwicklungen angeordnet als Y-Spulen (28, 30, 32) und eine Vielzahl von magnetischen Polen, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: Anlegen eines Wechselspannungssignals an mit den Phasenwicklungen (28, 30, 32) verbundene Brückenschaltkreise (12, 14,16); Bestimmung eines Ausgangsspannungssignals für jeden der Brückenschaltkreise (12, 14, 16) als ein Induktivitätsdetektionssignal von jeder Phasenwicklung (28, 30, 32); Verstärkung des Induktivitätsdetektionssignals für jede Phasenwicklung (28, 30, 32); Vergleich der Werte der verstärkten Induktivitätsdetektionssignale für jede Phasenwicklung (28, 30; 32) und Bestimmung der Ausgangsposition des Rotors zur Erzeugung einer Drehbewegung für den Rotor, wobei die Phasenwicklungen (28, 30, 32) bis auf jene Phasenwicklung mit dem größten Induktivitätsdetektionssignal in der Ausgangsposition magnetisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Verfahrensschritte der Drehung des Rotors und der Bestimmung der Stromwendung, indem die Werte des Induktivitätsdetektionssignals bei jedem vorbestimmten Drehwinkel des Rotors miteinander verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brückenschaltkreise (12, 14, 16) als Owen-Brückenschaltkreise ausgebildet sind.
Vorrichtung zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors, umfassend einen Rotor und Phasenwicklungen angeordnet als Y-Spulen (28, 30, 32) und eine Vielzahl magnetischer Pole, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: eine Wechselspannungsquelle (10) zur Erzeugung eines Wechselspannungssignals; Brückenschaltkreise (12, 14, 16) zum Empfang des Wechselspannungssignals, um ein differenzielles Spannungssignal als Differenz der Spannungssignale an den Anschlüssen der Phasenwicklungen (28, 30, 32) zu detektieren und so ein Induktivitätsdetektionssignal auszugeben, wobei die Brückenschaltkreise (12, 14, 16) jeweils mit den Phasenwicklungen (28, 30, 32) verbunden sind; Verstärker zur Verstärkung jedes der Induktivitätsdetektionssignale für jeden der Brückenschaltkreise (12, 14, 16); eine Regelungsvorrichtung für die Stromwendung (54) zum wechselseitigen Vergleich der verstärkten Induktivitätsdetektionssignale für jede der Phasenwicklungen (28, 30, 32), um eine Ausgangsposition zu bestimmen, in der die Phasenwicklungen (28, 30, 32) mit Ausnahme jener Phasenwicklung, die ein maximales Induktivitätsdetektionssignal aufweist, magnetisiert werden und zur Festlegung der Stromwendung, indem die Werte der Induktivitätsdetektionssignale für jeden vorbestimmten Rotationswinkel des Rotors miteinander verglichen werden; und eine Ansteuerung (26) zur Zuführung eines Betriebsstroms zu einem Paar von Phasenwicklungen (28a, 28b, 30a, 30b, 32a, 32b) als Reaktion auf das Regelungssignal der Regelungsvorrichtung für die Stromwendung (54).
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei jeder der Brückenschaltkreise (12, 14, 16) einen ersten Eingangsanschluss, der mit einem ersten Ausgang der Wechselspannungsquelle (10) und einem gemeinsamen Anschlusspunkt der als Y-Spulen (28, 30, 32) angeordneten Phasenwicklungen verbunden ist, einen zweiten Eingangsanschluss, der mit einem zweiten Ausgang der Wechselspannungsquelle (10) verbunden ist, einen ersten Widerstand und einen ersten Kondensator, die zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss in Reihe angeordnet sind, einen zweiten Widerstand und einen zweiten Kondensator, die zwischen einem ersten Anschluss für jede Phasenwicklung (28, 30, 32) und dem ersten Ausgang der Wechselspannungsquelle (10) in Reihe geschaltet sind, einen ersten Ausgangsanschluss an dem ersten Anschluss für jede Phasenwicklung, und einen zweiten Ausgangsanschluss, der einen gemeinsamen Kontaktpunkt für den ersten Widerstand und den ersten Kondensator darstellt, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Brückenschaltkreise im Bauraum zwischen den Phasenwicklungen (28, 30, 32) installiert sind, um gleiche Temperaturbedingungen sicherzustellen.
Verfahren zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors, umfassend einen Rotor und Phasenwicklungen (58, 60, 62), die in Y-Form verbunden sind und einen Mittelabgriff aufweisen und eine Vielzahl magnetischer Pole, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: das sequentielle Anlegen eines Wechselspannungssignals an Brückenschaltkreise (42, 44, 46), die jeweils mit einem Paar von Phasenwicklungen verbundenen sind; Zuführung eines Ausgangsspannungssignals für jeden der Brückenschaltkreise (42, 44, 46) als ein differenzielles Induktivitätsdetektionssignal von jedem Paar der Phasenwicklungen (58, 60, 62); Verstärkung der differenziellen Induktivitätsdetektionssignale, die von jedem der Paar der Phasenwicklungen kommen; Vergleich der Werte der verstärkten differenziellen Induktivitätsdetektionssignale für jedes der Paare der Phasenwicklungen (58, 60, 62); und Bestimmung einer Ausgangsposition des Rotors zum Erzeugen einer Rotationsbewegung des Rotors, wobei die Phasenwicklungen (58, 60, 62) bis auf jene Phasenwicklung (58, 60, 62), die das maximale Induktivitätsdetektionssignal aufweist, in der Ausgangsposition magnetisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend die Verfahrensschritte der Drehung des Rotors und der Bestimmung einer Stromwendung durch den Vergleich der Werte der differenziellen Induktivitätsdetektionssignale an jedem vorbestimmten Drehwinkel des Rotors.
Vorrichtung zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors, umfassend einen Rotor und Phasenwicklungen (58, 60, 62) mit einem Mittelabgriff, die als Y verbunden sind, und eine Vielzahl von magnetischen Polen, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: eine Wechselspannungsquelle zur Erzeugung eines Wechselspannungssignals; Brückenschaltkreise (42, 44, 46), die das Wechselspannungssignal empfangen, um ein differenzielles Spannungssignal aus den Spannungssignalen an den Anschlüssen der Phasenwicklungen (58, 60, 62) zu bestimmen, um so ein differenzielles Induktivitätsdetektionssignal auszugeben, wobei jeder der Brückenschaltkreise (42, 44, 46) mit einem Paar der Phasenwicklungen (58, 60, 62) verbunden ist; Verstärker zur Verstärkung jedes der differenziellen Induktivitätsdetektionssignale von den Brückenschaltkreisen (42, 44, 46); einer Regelungsvorrichtung zur Stromwendung zum Vergleich der Werte der verstärkten differenziellen Induktivitätsdetektionssignale von jedem der Paare der Phasenwicklungen (58, 60, 62), um eine Ausgangsposition zu bestimmen, in welcher die Phasenwicklungen (58, 60, 62) mit Ausnahme jenes Paars von Phasenwicklungen, welches das maximale differenzielle Induktivitätsdetektionssignal aufweist, magnetisiert werden, und zur Festlegung einer Stromwendung, indem die differenziellen Induktivitätsdetektionssignale an jedem der vorbestimmten Drehwinkel des Rotors miteinander verglichen werden; und Ansteuerung zur Zuführung eines Betriebsstromes für jede der Phasenwicklungen (58, 60, 62) als Reaktion auf das Regelungssignal der Regelvorrichtung zur Stromwendung.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei jede der Brückenschaltungen einen ersten Eingangsanschluss, der mit einem ersten Ausgang der Wechselspannungsquelle (10) verbunden ist und der einen Mittelabgriff darstellt, einen zweiten Eingangsanschluss, der mit einem zweiten Ausgang der Wechselspannungsquelle (10) verbunden ist, einen ersten und einen zweiten Widerstand, die zwischen dem ersten Eingangsanschluss für jede der Phasenwicklungen und dem zweiten Eingangsanschluss zwischengeschaltet sind, und erste und zweite Ausgangsanschlüsse, die an den ersten Anschlüssen der Paare der Phasenwicklungen (58, 60, 62) zur Verfügung gestellt werden, welche jeweils mit den ersten und den zweiten Widerständen verbunden sind, umfasst.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 9, wobei der Rotor acht magnetische Pole aufweist und jede der Phasenwicklungen (58, 60, 62) zwei Spulen umfasst, so dass die Stromwendung nach jeder Drehbewegung des Rotors um 50° Grad bestimmt wird.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 9, wobei das Wechselspannungssignal eine ein Rechtecksignal mit 10 Spannungen, eine Frequenz von 100 kHz und einer relativen Einschaltdauer von 25 % ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 9, wobei das Wechselspannungssignal sinusförmig ist und 10 Spannungen und eine Frequenz von 50 kHz aufweist.