SE456383B - Elektrisk likstromsservomotor - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 40 2 4såâsešiš Zär separat kopplade till motsvarande kommuterings- kretsar. _ Eftersom varje motor kan drivas som generator, ger uppfin- ningen även möjlighet till omvandling av mekanisk energi till elektrisk. Vid denna tillämpning åstadkommer de redundanta komponenterna alstríng av elektrisk effekt i flera kretsar.

Fel i en krets leder ej till avbrytning av energiflödet i den återstående kretsen eller kretsarna.

Vid den föredragna utföringsformen av uppfinningen har en borstlös likströmsmotor en permanentmagnetiserad rotor och en lindad stator med en sats redundanta lindningar. Rotorn är ut- formad med fyra eller fler magnetpoler, nämligen nord- och sydpoler, som alternerar med varandra och har lika lägen radiellt omkring rotoraxeln. Exempelvis vid en fyrpolig rotor upptar nord-sydpolparet (360 elektriska grader) 180 mekaniska grader på rotorn. Vid en sexpolig rotor upptar ett polpar 120 mekaniska grader, och vid en åttapolig rotor - den före- dragna utföringsformen - upptar ett polpar 90 mekaniska grader.

Satserna av statorlindningar är även likabelägna omkring rotorn, varvid två satser används vid en fyrpolig motor; tre satser vid en sexpolig motor, och fyra satser vid en åtta- polig motor. Lindningarna i varje sats är förbundna i konven- tíonell Y-, delta- eller stjärnkopplíng för trefasmatning, varvid Y-kopplingen används vid den föredragna utföríngs- formen. En stjärnkoppling kan användas för flerfasmatníng.

Varje kombination av lindningssatser kan matas för drift av motorn. Lindningssatserna är fysikaliskt åtskilda för att nedbringa kopplingen och växelverkan mellan varandra till tillräckligt låga värden för att möjliggöra oberoende drift av de individuella lindningssatserna.

Beträffande kommuteringskretsarna, vilka är kopplade till ' de individuella lindningssatserna, kan kretsarna drivas sam- tidigt för erhållande av maximalt vridmoment, varvid reduce- rat vridmoment vid en reducerad nivå står till förfogande i händelse av fel i en eller flera kretsar eller lindníngar.

Alternativt skulle lindningarna eller kretsarna kunna hållas i reserv, tills de införs i driften genom en övervaknings- krets, som avkänner ett fel i en lindning, en sensor eller en'kommuteringskrets. 10 15 20 25 30 35 40 456 sasÄ Strömmarna i de individuella lindningarna i en sats av statorlindningar styrs att ge magnetfältsvektorer, vilka rör sig i riktningen för önskad rotorrotation. Fältets rörelse koordineras med rotorns rörelse genom signaler från läges- sensorerna.

Uppfinningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till bifogade ritningar. Där visar §ig_l ett energiomvand- lingsaggregat enligt uppfinningen, i vilken figur ingår ett schematiskt snitt genom en borstlös likströmsmotor med redundanta lindningar, varvid aggregatets kommuteringskretsar visas i blockschemaform, fig_å ett ledningsföringsschema för den ena hälften av statorn hos motorn i fig 1, fig_§ ett kopplingsschema för det elektriska kretsarrangemanget i fig 1 med delar av kretsarrangemanget visade i blockschemaform, §ig_í ett kopplingsschema för en strömställare i en brygg- krets i fig 3, fig_§ en tabell, som visar klämmorna för en sats av statorlindningar, varvid klämbeteckningarna överens- stämmer med de i fig Z och 3 visade, samt fig_§ en uppsätt- ning kurvor, som med streckade linjer återger Hall-spänning- arna med de motsvarande till-från-signalerna adresserande ett minne i fig 3. 'ull I fíg 1 visas ett aggregat 20 för att åstadkomma en om- vandling från elektrisk till mekanisk energi, vilket aggre- gat i överensstämmelse med uppfinningen har en motorstator 22 med redundanta satser av statorlindningar 24. Motorn 20 är en borstlös likströmsmotor med fyra par magnetpoler, var- vid nord- och sydpolerna (betecknade N och S i figuren) har alternerande placering kring rotorn 26. En permanentmagneti- serad skiva 28, som har en mot rotorns 26 magnetpoler svarande magnetpolskonfíguration, är mekaniskt kopplad till rotorn 26 via den med streckprickad linje antydda rotor- axeln 30. Fyra satser Hall-sensorer 32 är likformigt place- 'rade omkring skivan 28 för avkänning av förekomsten av skivans 28 magnetfält och för alstring av signaler, som anger rotorns och statorns relativlägen. Nordpolerna är åtskilda från varandra med en vinkel 900, och från närliggande syd- poler med en vinkel 450. Hall-sensorerna 32 är åtskilda från varandra med en vinkel 300, och satserna av sensorer nrl, nr2 och nr3 är placerade med 900 förskjutning.

Kommuteríngen av strömmarna i lindningarna 24 ástadkommes 10 15 20 25 30 ss 40 456 383 genom kommuteringskretsar 34, som är kopplade till motsvarande satser om tre sensorer 32. En separat kommuteringskrets 34 är anordnad för varje sats om tre lindningar 24 för redundant drift av statorn 22. En manöverenhet 36 matar via ledningar 38 signaler till var och en av kommuteringskretsarna 34 för att härigenom åstadkomma en önskad statorström och rotations- riktning hos rotorn 26. Varje individuell sats om tre sensorer 32, vilka sträcker sig över en båge av 600, är kopplad till en kommuteringskrets 34. Signalerna från de tre sensorerna i varje sats nr1, nr2 eller nr3 anger rotorläget för respek- tive kommuteringskrets nr1, nr2 eller nr3 för att möjliggöra styrning av lindningsströmmarna i respektive lindningssats.

Användandet av Hall-sensorer vid elektronisk kommuteríng av statorlindningarna 24 beskrivs i de amerikanska patent- skrifterna 3 783 359 och 4 086 S19.

Om nu fig 2 betraktas, visas där satserna av lindningar 24 åtskilda från varandra och likformigt belägna omkring motorns 22 stator. Lindningarna 24 i varje sats är Y-kopplade, såsom schematiskt visas genom en krets 40. Två kretsar 40 med klämmorna 1A, ZB och 1C resp SA, SC och 4B visas även i fig 2.

Vid den föredragna utföringsformen'av uppfinningen är lind- ningarna 24 inlagda i fyrtioâtta statorspår, av vilka tjugo- fyra spår schematiskt anges i fig 2 genom streckade vertikal- linjer. Ehuru schemat i fig 2 blott visar den ena hälften av statorspåren, är det underförstått att den återstående hälften är identiskt lika den första hälften. Såsom i figuren visas för spåren 12 och 13 förekommer ej någon överlappning av trådarna i lindningen 24 mellan varje sats och de närliggan- de satserna. Genom denna separering minskas den magnetiska kopplingen mellan närliggande satser av lindníngar 24 i till- räckligt hög grad för att tillåta drift av varje lindnings- sats 24 oberoende av de andra lindningssatserna 24.

Lindningarna 24 i den första satsen har givits klämbe- beteckningarna 1A och ZA för den första lindningen i satsen, 1B och ZB för den andra lindningen i satsen samt 1C och ZC för den tredje lindningen i satsen. Beträffande lindningarna 24 i den andra satsen gäller beteckningarna 3A och 4A för den första lindningen, SB och 4B för den andra lindningen samt 3C och 4C för den tredje lindningen. Lindníngarna 24 i varje sats är 300 förskjutna från varandra, så att när de i 10 15 20 25 30 35 40 . _ f 456 383 tur och ordning matas fràn kommuteringskretsarna kommer de resulterande magnetvektorerna att fortskrida i riktningen för den önskade rotorrotationen.

Den fysiska och magnetiska separeringen mellan närliggande lindningssatser i denna motor skiljer den från den konventio- nella motorn, där närliggande lindningssatser överlappar varandra och upptar gemensamma spår. Matning av en enda lind- ningssats hos motorn 22 ger ett tillräckligt stort vridmoment för att driva en belastning (ej.visad), till vilken motorn 22 är kopplad. För redundant drift kan en andra lindningssats aktiveras i det fall ett fel uppträder i lindningarna 24 el- ler kommuteringskretsarna 34 för den första satsen, eller alternativt kan två eller fler lindningssatser samtidigt aktiveras för att åstadkomma den redundanta driften, varvid aktiveringen av flera lindningssatser ger ett ökat vridmoment för drivning av belastningen. I det fall blott en av lind- ningssatserna aktiveras, kommer de av denna sats alstrade magnetvektorerna att vandra framåt inom den mot ett polpar hos rotorn 26 svarande bágen, så att rotorn 26 dras genom en vridningsvinkel av 450. Rörelsen hos polparet genom denna vinkel koordineras med rörelsen hoš_statorns magnetvektor genom den till lindningssatsen 24 hörande satsen av sensorer 32. Det ovannämnda förloppet upprepas för varje 90° vridning hos rotorn 26.

Såsom visas i schemat i fig 2 nyttjar líndningen 24 för fasen A spåren nrl, nr2, nr7 och nr8 och är den enda lind- ningen i spåren. Líndningen 24 för fasen B i den första satsen nyttjar spåren nr3 och nr9 samt spåren nr4 och nr10. Lindning- en 24 för fasen C är ytterligare förskjuten at höger i schemat i I fig en sektor polpar på fig Z och upptar spåren nrS, nrll, nró och nr12. 3 visas kopplingsschemat för Hall-sensorerna 32 och av skivan 28, varvid sensorerna 32 visas nära ett skivan 28. Kommuteringskretsen 34 har tre kompara- torer 42 och en källa 44 för en referenssignal, varvid sensorer- na 32, individuellt betecknade H1, H2 och H3, är kopplade till var sin av komparatorerna 42. Sensorerna 32 avger sinusformíga signaler vid kontinuerlig vridning av skivan 28. Såsom närma- re beskrivs i anslutning till fig 6 omvandlar komparatorerna 42 signalerna från sensorerna 32 till till-från-signaler, svarande mot Hall-spänningens polaritet. De tre signalerna 10 15 20 25 30 35 40 456 383 . 6 från de tre komparatorerna 42 innefattar en trebitssignal, som identifierar rotorsektion i steg på 60 elektriska grader, svarande mot 15 mekaniska graders rotorvridning.

Kommuteringskretsen 34 innefattar vidare en adresserbar, logisk gruppering, såsom ett läs-(ROM)-minne 46, en matar- källa 48, sex effektströmställare 51-56, en pulsbreddsmodula- tor S8 och en klocka 60. Vardera av kommuteringskretsarna 34 i fig 1 är uppbyggd på samma sätt. Ytterligare redundans kan åstadkommas genom matning av effekt till varje brygga från en separat och oberoende källa.

De sex strömställarna S1-56 är uppbyggda enligt fig 4 och bildar en bryggkrets, som matar ström till lindningarna 24 i en enda lindníngssats. I fig 1 är sex ledningar dragna från en lindningssats 24 till en kommuteringskrets 34, varvid de sex ledningarna svarar mot de tre lindningarnas 24 sex kläm- mor. För enkelhets skull visas i fig 1 blott förbindningarna från den första och den andra av kommuteringskretsarna 34 till deras respektive lindningssatser 24, varvid det är underför- stått att de återstående båda lindningssatserna 24 även är anslutna till sina respektive kretsar 34.

Strömställarna 51-56 styrs genom signaler från minnet 46.

En positiv klämma på matarkällan 48 är kopplad till strömstäl- larna 51, 53, 54, medan matarkällans 48 negativa klämma är kopplad till strömställarna 52, 54 och 56. Var och en av ström- ställarna 51-56 försätts i antingen ett ledande eller oledande tillstånd genom den till dess klämma 62 matade styrsignalen.

Om sålunda exempelvis strömställarna 51 od165 antas befinna sig i ledande tillstånd, medan de återstående strömställarna 52, 53, 54 och S5 befinner sig i oledande tillstànd, flyter ström från källans 48 positiva klämma genom strömställaren 51 till klämman ZB för lindníngssatsen 24, ut från denna via klämman 1C samt återgår till källans 48 negativa klämma via strömställaren 56. Genom lämpligt val av ledande och oledande tillstånd för respektive strömställare 51-56 kan strömmar matas till respektive lindningar 24 i satsen för att härigenom åstadkomma progressiv förskjutning av magnetvektorn i den del av statorn, som innehåller nämnda lindningar.

Storleken av de till lindningarna 24 matade strömmarna styrs genom pulsbreddsmodulering (PWM), varvid moduleringens intermittensfaktor varieras för att variera medelvärdet av 10 15 20 Z5 35 40 2 456 383 lindningsströmmen. Moduleringen av strömmen åstadkommes genom modulering av en klockpulssignal från klockan 60 medelst pulsbreddsmodulatorn 58. Perioden för klockpulssignalen är mindre än L/R-tidskonstanten för en lindning 24, så att lind- ningens induktans och resistans utjämnar pulsatíonerna i lind- ningsströmmen. Den avsedda strömnivån åstadkommas genom en spänning på ledningarna 64 från manöverenheten 36, varvid modu- latorn 58 ökar pulsbredden i överensstämmelse med storleken av spänningen på ledningen 64. Rotorns vridningsriktning, med- urs eller moturs, åstadkommes genom en till-från-signal på ledningen 66 från manöverenheten 36. Strömmanöverspänningen och riktningssignalen ingår båda i ledningen 38 i fig 1.

Modulatorns 58 utsignal på ledningen 68 är även en tíll-fràn- -signal: Till-från-signalerna från komparatorerna 42, vilka anger rotorsektorn, tjänar i kombination med riktnings- och PWM-tillståndssígnalerna på ledningarna 66 och 68 som adress för minnet 46. För varje adress åstadkommer minnet 46 ett mot- svarande utgångstillstând på klämmorna 62 till respektive strömställare 51-56. Lindningarna 24 matas således med en ström med den erforderliga riktningen och storleken för att åstad- komma de önskade magnetfältsvektorérna. Delen av adressen på ledningen 68 tjänar till att till- eller frånkoppla strömmen med en intermíttensfaktor, som styrs av denna signal.

Den enda manöverenheten 36 i fig 1 och 3 ger fyra separa- ta utsignaler på vardera av ledningarna 38 till de motsvaran- de kommuteringskretsarna 34. Manöverenheten 36 innefattar en framåt/bakåt-väljare 70, som på ledningen 66 alstrar till- -från-signalen för bestämning av medurs eller moturs vrid- moment. Fyra utgångsledningar är visade för koppling av_väljar-~ ens 70 avkänningssignal till vardera av de fyra kommuterings- kretsarna 34, ehuru samma signal kan kopplas till samtliga fyra kretsar.

Strömmanöversignalen 36 representerar den vridmomentsnivå, som önskas från motorn, och uttas från kretsar som reagerar för yttre förhållanden, såsom manuella manövrar, styrsignaler i sluten slinga och liknande. .

Varje redundant kommuteríngskrets står under kontroll av signalledningar från en manöverenhet, 36, vilken kan detekte- ra felaktigheter i kretsen eller motorsektionen under dess kontroll. Exempelvis kan den av motorsektionen konsumerade 10 15 20 25 30 35 40 456 383 8 totala matarströmmen övervakas, och fel kan avkännas som ett under- eller överströmstillstånd. När ett fel upptäcks kan den felaktiga motorn eller kretsen avlägsnas ur driften genom redundansstyrningen.

Vridmomentet, som manövreras för samtliga redundanta motorer i denna kombination, fördelas bland de aktiva kretsar- na genom strömmanöverenheten. Denna enhet kan manövrera hela det vridmoment, som skall avges av en motorsektíon, tva sektio- ner eller varje kombination av sektioner, allt efter signaler- na från feldetektorn. Overföringen från en kombination av motor- sektioner till en annan kombination kan ske automatiskt eller under manuell kontroll, vilket ej visas eftersom sådana kret- sar är väl kända för de inom motorregleromràdet sakkunniga.

Om nu fig 4 betraktas, visas där strömställaren 51 i fig 3 och analogt strömställarna 52-56 innefatta en transistor 90, en diod 92, ett motstånd 94, en kondensator 96, en basdriv- krets 98 som är kopplad över transistorns 90 bas-emitter-över- gång, samt en fotodiod, som är kopplad till ingângsklämmorna 62. Fotodioden 100 omvandlar en elektrisk signal över klämmor- na 62 till en optisk signal för aktivering av basdrivkretsen 98. Genom användandet av optisk koppling kan strömställaren S1 "flyta" vid en spänning som är oberoende av spänningen vid klämmorna 62. Kretsen 98 ger ett ledande eller oledande tillstånd i transistorn 90 i överensstämmelse med storleken av signalen över klämmorna 62. Dioden 92 tillåter ström i statorlindningarna att flyta genom strömställaren 51 i mot- satt riktning till strömmens riktning i transistorn 90 och skyddar härigenom transistorn 90, när backström eller- spän- ning åstadkommes av motorn 20. Motståndet 94 och kondensatorn 96 bidrar till undertryckning av de transienta spänningar i lindningen, som härrör från de plötsliga Övergångarna mellan det ledande och oledande tillståndet hos transistorn 90.

Om nu fíg 5 betraktas, visar den där återgivna tabellen ingângs- och utgángsklämmorna för satsen av lindningar 24 i fig 2 och 3, svarande mot varje elektrisk sektor som avkänns av Hall-sensorerna 32. Den första kolumnen i tabellen anger var och en av de sex sektorerna, den tredje kolumnen anger klämmorna till Y-kopplingskretsen, genom vilken strömmen in- träder i lindningarna 24, och den fjärde kolumnen anger de motsvarande klämmor, genom vilka strömmen utträder från lind- 10 15 20 25 30 35 40 9 456 383 ningarna 24. Den andra kolumnen visar den resulterande mag- netvektorn för i varje sektor angivna lindningsströmmar. Den i diagrammet visade följden av tillstånd uppträder vid den rotationsriktning, för vilken rotorpolerna rör sig mot vänster, dvs från spår nr1Z i riktning mot spår nr1.

Diagrammet visar att storleken av de i varje tillstànd hos lindningarna alstrade vektorerna är densamma, vilka vek- torer i vissa sektorer alstras genom fyra närliggande spar och i andra sektorer genom två separata grupper om vardera två spår. Eftersom motorvridmomentet är proportionellt mot vektorns storlek, tenderar det att bli en funktion av ström- nivån men ej av sektorn.

Omkastning av vridmomentsriktningen i en given sektor åstadkommes genom substituering av lindningstillstándet för den sektor, vars nummer är tre högre eller tre lägre. Detta omkastar riktningen för magnetvektorerna utan att förflytta dem, såsom framgår av fíg 5. Framåt/bakåt-signalen 70 åstad- kommer detta val.

Om nu fíg 6 betraktas, visas där tre kurvor svarande mot Hall-spänningarna hos de tre Hall-sensorerna 32 i fíg 3. Hall- -spänningarna representeras av strëhkade linjer, medan mot- svarande till-från-utsignaler från de motsvarande komparatorer- na 42 är återgivna med heldragna linjer. De tre kurvorna är visade relaterade till varandra och till de motsvarande lägena, vilka i en skala (nedtill i figuren) är angivna i både elektriska och mekaniska grader. De mekaniska graderna repre- senterar den fysikaliska vridningen hos rotorn. Eftersom mönstret för såväl skivans 28 magnetfält som rotorns 26 mag- netfält periodiskt upprepas fyra gånger under ett varv, svarar sextio elektriska grader mot femton mekaniska grader. Sålunda alstras 360 grader av Hall-spänning under nittio graders rotorvridning. Genom undersökningen av de tre till-fran~sig- ' nalerna i de tre kurvorna, svarande mot ett visst antal grader en bottenskalan, framträder de individuella bitarna i ett trebitsord, varvid detta trebitsord identifierar sektorn i fíg 3 i en Gray-kod. Vid exempelvis tjugo mekaniska grader blir trebitsordet 110, och vid sjuttio mekaniska grader blir trebitsordet 001. Av fíg 6 framgår att inom varje intervall på 360 elektriska grader förekommer sex sektorer, vilka identifieras av var sitt trebitsord. Satsen Hall-sensorer 32 456 383 - -w anger således de sex sektorerna för kommuteringskretsarna 34, varigenom dessa b1iri.stànd att åstadkomma lindningsströmmar i överensstämmelse med den önskade vridmomentsriktningen och -storleken.

Det bör observeras att den ovan beskrivna utföríngsformen av uppfinningen blott är avsedd att vara belysande, och att olika modifikationer är möjliga inom ramen för uppfinningen.

Claims (3)

. 456 383

1. Elektrisk liketrömeeervomotor innefattande två rela- tivt varandra rörliga element, varvid det ena elementet utgör servomotorns stator (22) och det andra servomotorns rotor (26), k ä n n e t e c k n a d därav, att etatorn inne- fattar åtminstone två icke-överlappande fördelade redundanta lindningsateer (24), som är atskilda fran varandra för minimal inbördes magnetisk koppling, varvid varje lindningssats akti- veras oberoende för astadkommande av ett reversibelt magnet- fält för drivning av rotorn (26) i endera riktningen, att de redundanta lindningssatserna (23) är sa monterade pa statorn (22), att vridmomentaummering erhålles med avseende på de av de enskilda redundanta lindningssateerna genererade vridmomen- ten, samt att en separat kommuteringskrets (34) är anordnad för varje redundant lindningssate, varvid varje kommuterings- krets är ansluten till en separat redundant lindningesats för att tillhandahålla det rörliga magnetfältet fran en likströms- källa för àstadkommande av rotorns vridning.

2. Servomotor enligt kravet l, k ä n n e t e c k n a d därav, att rotorn (26) innefattar permanentmagneter för åstad- kommande av ett fält, vilket samverkar med det rörliga magnet- fältet, för aetadkommande av synkronmotorrotation.

3. Servomotor enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att kommuteringskretsarna (34) var för sig innefattar en lägessensor (32) för att indikera det relativa läget mellan rotorn (26) och statorn (22) samt solid-state-kopplingekretear (51-56) för att styra aktiveringen av de tillhörande redun- danta lindningssatserna (24) i enlighet med rotorläget.