NL8201285A - Besturingsschakeling voor een gelijkstroommotor. - Google Patents

Description

* η ar it

Ca/Sch/1394

Besturingsschakeling voor een gelijkstroommotor.

De uitvinding betreft gelijkstroommotoren en in het bijzonder een nieuwe besturingsschakeling voor een gelijk-stroommotor.

Fig. 1 toont een gebruikelijke borstelloze 5 gelijkstroommotor-drijfschakelingr waarin de referentie-symbolen LI, L2 en L3 statorwikkelingen aanduiden van een borstelloze gelijkstroommotor, die in Y-configuratie zijn aangesloten en een onderlinge hoekstand van 120° vertonen.

Een als permanente magneet uitgevoerde rotor Rt 10 wordt geroteerd binnen de wikkelingen LI, L2 en L3 en de rotatiepositie van de rotor Rt wordt gedetecteerd door positiedetectoren Hl, H2 en H3, die op onderlinge hoekafstand van 120° zijn aangebracht rond de rotor Rt.

De positiedetectoren Hl, H2 en H3 zijn bijvoor-1S beeld uitgevoerd als Hall-elementen en geven positiesignalen PI, P2 en P3 af, die worden toegevoerd aan een drijfpuls-generator 1, die schakelpulsen opwekt, die worden toegevoerd aan op de getekende wijze aangesloten uitgangstransistoren Q1 t/m Q6. Een motor-drijfspanning Vm wordt toegevoerd aan 20 een voedingsbronaansluiting 2 en vervolgens toegevoerd aan de motomwikkelingen LI, L2 en L3 via de transistoren Q1 t/m Q6 door de drijfpulsgenerator 1. Figuur 2A toont een stel positiesignalen PI, P2 en P3, die worden afgegeven door respectievelijk de Hall-elementen Hl, H2 en H3. Figuur 2B 25 toont de richting van de motorstromen die door twee van de drie wikkelingen lopen op elk moment; bij rotatie van de rotor Rt schakelt de toestand om naar de volgende fase, zoals is weergegeven. Bij rotatie van de rotor Rt worden tegen-emk's El, E2 en E3 opgewekt in de statorwikkelingen, 30 zoals in figuur 2D is weergegeven. De figuren 2A tot en met 2D tonen golfvormen corresponderend met het roteren van de rotor Rt in de richting van de wijzers van de klok, en 8201285 * r -2- indien een richtingsbesturingspuls wordt toegevoerd aan de aansluiting 3, en wanneer die zich wijzigt verandert de volgorde van de schakelpulsen aan de transistoren, waardoor de rotor Rt gaat roteren in de richting tegen de wijzers van 5 de klok. Indien de borstelloze motor bijvoorbeeld is aangebracht in een video-bandapparaat als spoelmotor, dient de borstelloze motor lineair te worden bestuurd vanaf een snelheid van 100 toeren per minuut in de tegengestelde richting tot 100 toeren per minuut in de voorwaartse richting. Zo is 10 voor bandsnelheidsbesturing een lineaire beheersing vereist van het motoraandrijfkoppel/ evenals van het motor-remkoppel.

In gebruikelijke drijfschakelingen zoals in figuur 1 weergegeven, worden de transistoren tot en met Qg beschouwd als diodes Dn en Dn+1, aangezien de transistoren 15 tot en met Qg eenrichtings-elementen zijn. De equivalente schakeling van de aandrijfschakeling gedurende het aandrijven is in figuur 3A weergegeven. Een equivalente schakeling gedurende rembedrijf is in figuur 3B getoond. In deze tekening geeft, het symbool Rm de weerstandswaarde van de 20 wikkelingen weer en lm de stroom door de wikkelingen.

Het aandrijfkoppel van de motor wordt opgewekt, wanneer de stroom lm in tegengestelde richting vloeit ten opzichte van de tegen-emk En. In dit geval geldt, dat de absolute waarde van Vm groter moet zijn dan de absolute 25 -waarde van En. Anderzijds wordt een remkoppel opgewekt, wanneer de stroom lm in dezelfde richting vloeit als de tegen-emk En in het geval van remmen door aandrijving in tegengestelde zin.

Zoals is weergegeven in en duidelijk zal zijn 30 aan de hand van de equivalente schakeling van figuur 3B vloeit, wanneer de bronspanning Vm nul is, de stroom lm in de windingen, corresponderend met de tegen-emk En en wordt een corresponderend koppel opgewekt dat recht evenredig is met de stroom lm en het is zeer moeilijk het koppel van 35 de motor lineair te beheersen over een groot bereik.

Voor het oplossen van dit probleem is voorge-steld, aanvullende diodes D'n en D’n+l te gebruiken,, zoals in figuur 4 is weergegeven, voor het vormen van een stroom- 8201285 -!-- . ·* * j» -3- baan in omgekeerde richting. Indien Vm kleiner is dan En, zou de door de diodes D’n en D'n+l vloeiende stroom een remmend koppel kunnen veroorzaken.

Bij een dergelijke opbouw is een schakelbesturing 5 tussen de omgekeerde-aandrijfrem en de tegenstroomrem vereist op basis van de rotatiesnelheid van de rotor Rt; een dergelijke schakeleenheid vertoont een zeer kritische werking.

De uitvinding verschaft een verbeterde besturings-schakeling voor een gelijkstroommotor, waarin een aantal 10 lineaire versterkers zijn gekoppeld met bijbehorende stator-wikkelingen van de gelijkstroommotor en een pulsgenerator een rotatie-pulstrein opwekt, die de rotatiefasen van de rotor van de motor representeert. Een uitgangsimpedantie-be-sturingspulsgenerator wekt besturingspulsen op, die selectief 15 de lineairs.versterkers besturen, zodanig, dat die bijna oneindige uitgangsimpedantie krijgen, en een motorbesturings-spanning en een signaal-invertor voor het inverteren van de motorbesturingsspanning worden toegepast, waarbij de schakeleenheden zijn verbonden met elke ingangsschakeling van 20 de lineaire versterkers voor selectieve toevoer van de motorbesturingsspanning en de aan fase-omkering onderworpen motorbesturingsspanning aan elk van de lineaire versterkers.

Een schakeleenheid-besturingspulsgenerator wekt schakel-pulsen op op basis van de rotatiepulstrein, welke pulsen 25 worden toegevoerd aan de schakeleenheid. Verdere kenmerken en bijzonderheden van de uitvinding zullen worden genoemd en toegelicht aan de hand van de bijbehorende tekening.

Hierin tonen:

Figuur 1 een motorbesturingsschakeling volgens 30 de bekende techniek;

De figuren 2A tot en met 2D signalen ter toelichting van de schakeling volgens figuur 1;

De figuren 3A en 3B schema’s ter toelichting van de uitvinding; 35 Figuur 4 een variant van het schema;

Figuur 5 een schematische weergave van eer.· uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding;

Figuur 6 een voorbeeld van een lineaire versterker volgens figuur 5; 8201285 » . * -4-

De figuren 7A tot en met 7C golfvormen ter toelichting van de uitvinding; en

Figuur 8 de wikkelingen LI en L2, die zijn gekoppeld met de versterkers Al en A2.

5 Figuur 5 toont een voorkeursuitvoeringsvoorbeeld van een gelijkstroom aandrijf schakeling volgens de uitvinding,, waarin een borstelloze gelijkstroommotor is voorzien van stator wikkelingen LI, L2 en L3, een rotor Rt en positie-detectoren Hl, H2 en H3 van het hiervoor reeds beschreven type.

10 Drie lineaire versterkers Al, A2 en A3 geven uitgangssignalen af aan de stator wikkelingen LI, L2 en L3, zoals in de tekening is weergegeven.

Een aandrijvende gelijkspanning Vr wordt aan de versterkers Al, A2 en A3 toegevoerd door een voedingsbron 4.

15 De gelijkspanning Vr wordt gedeeld tot zijn halve waarde door de weerstanden R1 en R2, die zijn aangesloten tussen de uitgang van de voedingsbron 4 en aarde, waarbij de niet-inverterende ingangen van de versterkers Al, A2 en A3 zijn verbonden met het knooppunt van deze weerstanden, zoals in de tekening is 20 weergegeven.

Van de ingangsweerstanden R3, R5 en R7 is één zijde verbonden met de inverterende ingang van de versterkers

Al, A2 en A3, zoals in figuur 5 is getekend. De weerstanden R1 en R2 bezitten een zodanige waarde, dat ze een waarde ter Vr 25 grootte —j veroorzaken aan de uitgang van de versterkers Al, A2 en A3, wanneer de spanning Vm - 0.

De versterkers Al tot en met A3 bezitten besturings-aansluitingen voor het besturen van de uitgangsimpedantie, zodanig, dat die een zeer grote waarde bezit, en besturings-30 pulsen OP1, 0P2 en 0P3 worden respectievelijk toegevoerd aan de besturingsaansluiting van de versterkers Al tot en met A3 door een pulsgenerator 1.

De andere zijde van de ingangsweerstanden R3, R5 en R7 zijn verbonden met schakeleenheden SI, S2 en S3, die 35 bijvoorbeeld CMOS-transistoren omvatten. Zoals in figuur 5 is weergegeven, bezit elk van de schakeleenheden één verplaatsbaar contact, dat één van de drie vaste contacten kiest.

De verplaatsbare contacten g,h,iworden omgeschakeld als reaktie 8201285 V * .

-:— . 1 - -5- op van de pulsgenerator 1 afkomstige schakelpulsen.

Een motorbesturingsspanning Vm wordt toegevoerd aan een ingangsaansluiting 2 en wordt toegevoerd aan vaste contacten a, c, e van de schakeleenheden SI, S2 en S3. De 5 spanning Vm wordt eveneens toegevoerd aan een invertor 5 ter verkrijging van een geïnverteerde motorbesturingsspanning -Vm.

De aldus opgewekte spanning -Vm wordt toegevoerd aan de vaste aansluitingen b, d en f van de schakeleenheden 10 SI, S2 en S3. Het resterende vaste contact van elk van de schakeleenheden is, zoals getekend, niet doorverbonden.

De voedingsbron 4 wordt bestuurd door een be-sturingsspanning, die afkomstig is van een opteller 6 die een van de balansspanning afwijkende spanning ontvangt van een 15 aansluiting 7 en eveneens een stel motorbesturingsspanningen Vm en -Vm ontvangt, die worden toegevoerd via diodes 8a en 8b.

De voedingsbron 4, die de beschreven opbouw bezit, kan een minimale bedrijfsspanning leveren voor de versterkers Al tot en met A3 ter vermindering van ongewenste 20 dissipatie.

Figuur 6 toont een voorbeeld van de lineaire versterkers Al, A2 en A3, waarin een operationele versterker 9 met een positieve en een negatieve ingang de ingangstrap van de lineaire versterker A vormt. De basis-electrode van 25 een transistor 10 is verbonden met de uitgang van de operationele versterker 9. De emitter en de collector van de transistor 10 zijn verbonden met een PNP-drijftransistor 11, respectievelijk een NPN-drijftransistor 12, zoals figuur 6 toont. Het knooppunt van de collectoren van de transistoren 11 30 en 12 is gemeenschappelijk met de basis electroden van een NPN-uitgangstransistor 13 en een PNP-uitgangstransistor 14 verbonden.

De emitter van de drijftransistor 11 en de collector van de uitgangstransistor 13 zijn verbonden met 35 de van de voedingsbron 4 afkomstige aandrijf-gelijkspanning Vr.

Een electrische schakelaar 18 is verbonden tussen een negatieve voedingsaansluiting 17 en de basis electrode van 8Z01285 m ι» -6- . de drijftransistor 10 en de werking van de schakelaar 18 wordt bestuurd door de van de pulsgenerator 1 afkomstige besturingspuls 0P1.

Wanneer in de versterker Al het niveau van de 5 besturingspuls OP1 hoog is, zal de schakelaar 18 gesloten zijn, zodat de uitgangsimpedantie zeer hoog zal zijn, alsof de keten open was.

Wanneer in dit geval het niveau van de besturingspuls hoog is, wordt de schakeleenheid SI bestuurd, en wel 10 zodanig dat het verplaatsbare contact g de open aansluiting kiest als gevolg van de besturing door de van de pulsgenerator afkomstige schakelpuls.

De werking van de motor aandrijfschakeling volgens de uitvinding zal nu worden uiteengezet aan de hand van 15 figuur 7. Figuur 7A toont de van de schakeleenheden SI, S2 en. S3 afkomstige uitgangssignalen.

De schakeleenheid SI kiest zo de vaste aansluiting a gedurende de rotatiehoek van 0 tot 120° van de rotor Rt en kiest de vaste aansluiting b gedurende de rotatiehoek van 20 180° tot 300°. Op andere tijdstippen kiest de schakelaar SI de open aansluiting tussen a en b.

Figuur 7B toont een stel besturingspulsen 0P1, OP2 en OP3 die worden toegevoerd aan respectievelijk de versterker Al, A2 en A3.

25 In het geval waarin de rotor Rt in de richting van de wijzers van de klok wordt geroteerd worden de in figuur 7C getoonde aansluitingsspanningen VI, V2 en V3 toegevoerd aan respectievelijk de stator wikkelingen LI, L2 en L3.

30 De polariteit en amplitude van deze aansluitings spanningen VI, V2 en V3 is afhankelijk van de polariteit en de amplitude van de motor besturingsspanning Vm.

Zoals blijkt uit de figuren 7A tot en met 7C, verkeert altijd één van de lineaire versterkers Al, A2 en A3 35 in de uit-toestand. Wanneer bijvoorbeeld de versterker A3 buiten bedrijf verkeert, wordt de equivalente schakeling die, waarin de stator wikkelingen LI en L2 zijn aangesloten tussen de lineaire versterkers Al en A2, zoals in figuur 8 is weergegeven.

8201285 -7- S.

« * Ορ dat moment is de motor-aandrijfspanning Vd gelijk aan de absolute waarde van vA”vg/ waarin = kVm + en V- = -kVm + 4 Vr, welke spanningen worden toegevoerd aan de in serie geschakelde motorwikkelingen LI en L2. Het ver-5 wijzingssymbool k is een versterkingsfactor voor de lineaire versterkers Al en A2.

De aandrijfspanning Vd wordt 2kVm en de richting van het koppel en de grootte daarvan zijn afhankelijk van de amplitude en de polariteit van de besturingsgelijkspanning Vm 10 en de besturing van vloeiend plaats vinden zelfs bij een tot nul naderende snelheid van de rotor Rt.

De uitvinding verschaft een nieuwe gelijkstroom-motorbesturingsschakeling. De uitvinding is niet beperkt tot de beschreven uitvoeringsvoorbeelden. Diverse wijzigingen in . 15 de onderdelen en hun onderlinge samenhang kunnen worden aange bracht, zonder dat daardoor het kader van de uitvinding wordt overs chreden.

8201285

Claims (9)

1. Gelijkstroommotorbesturingsschakeling voor he-t besturen van de rotatie van de gelijkstroommotor gekenmerkt door een aantal lineaire versterkers, die respectievelijk zijn verbonden met elk van de stator-wikkelingen 5 van de gelijkstroommotor, een pulsgenerator voor het wekken en afgeven van rotatie-pulstreinen die rotatiefasen van de rotor van de gelijkstroommotor representeren, een uitgangs-impedantie-besturingspulsgenerator voor het in afhankelijkheid van de rotatie-pulstrein opwekken en afgeven van be lt) sturingspulsen voor het selectief, besturen van de genoemde lineaire versterkers, zodanig dat die een praktisch oneindige uitgangsimpedantie bezitten, een motorbesturingsspanning, een signaalinvertor voor het inverteren van de motorbesturingsspanning, een aantal schakeleenheden die respectievelijk zijn 15 verbonden met de ingangsschakelingen van de genoemde lineaire versterkers voor selectieve toevoer van de motorbesturingsspanning en de aan fase-omkering onderworpen motorbesturingsspanning aan elk van de lineaire versterkers, alsmede een schakeleenheid-besturingspulsgenerator voor het op basis van 20 de rotatiepulstrein opwekken en afgeven van schakelpulsen aan elk van de schakeleenheden.

2. Schakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat elk van de schakeleenheden drie kiesbare posities bezit, in de ene waarvan de besturingsspanning wordt toegevoerd, in 25 de andere waarvan de aan fase-omkering onderworpen motorbesturingsspanning wordt toegevoerd, en waarvan de derde een open keten is.

3. Schakeling volgens conclusie 1, gekenmerkt door een variabele voedingsbron voor toevoer van voedings- 30 energie en een voorspanning aan de lineaire versterkers in rechte evenredigheid met .de motorbesturingsspanning.

4. Schakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk,dat de stator-wikkelingen in ster-configuratie zijn aangesloten en de vrije uiteinden van de stator wikkelingen 35 zijn verbonden met de uitgangsaansluitingen van de lineaire versterkers. 8201285 -9-

5. Besturingsschakeling voor een omkeerbare gelijkstroommotor met een aantal stator wikkelingen en een rotor, gekenmerkt door middelen voor het detecteren van de positie van de rotor, een aantal lineaire versterkers, waar- 5 van de uitgangen respectievelijk met die stator-wikkelingen zijn verbonden, een pulsgenerator waaraan het uitgangssignaal van de detectiemiddelen wordt toegevoerd, welke pulsgenerator ingangssignalen aan de lineaire versterkers toevoert, een bron van positieve en een bron van negatieve 10 motorspanning, een aantal schakelmiddelen, die worden bestuurd door de pulsgenerator en zijn verbonden met de genoemde bronnen voor positieve en negatieve motorspanning, waarbij de schakeleenheden ingangssignalen toevoeren aan de lineaire versterkers, alsmede een voedingsbron die ingangssignalen 15 toevoert aan de genoemde lineaire versterkers.

6. Schakeling volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de motorspanning wordt toegevoerd aan de voedingsbron.

7. Schakeling volgens conclusie 6, met het ken-20 merk, dat de middelen voor het detecteren van de positie van de rotor tenminste éên Hall-detector omvat.

8. Schakeling volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de lineaire versterkers een operationele versterker omvatten voor ontvangst van ingangssignalen van een schakel- 25 eenheid en de voedingsbron, tweede schakelmiddelen voor ontvangst van het ingangssignaal van de pulsgenerator, alsmede transistor-uitgangsmiddelen, die zijn gebonden met de operationele versterker en de stator wikkelingen en met de tweede schakelmiddelen. 30

9. Schakeling volgens conclusie 6, gekenmerkt door, spanningsdelermiddelen, die zijn verbonden met de uitgang van de voedingsbron, welke middelen zijn aangesloten voor toevoer van ingangssignalen aan de lineaire versterkers. 8201285