<Desc/Clms Page number 1>
Besturingsinrichting van een borstelloze gelijkstroommotor. De uitvinding heeft betrekking op een besturingsinrichting van een borstelloze gelijkstroommotor, welke besturingsinrichting een vermogengedeelte bevat dat met de polen van de gelijkstroommotor in verbinding staat en een besturingsgedeelte dat op het vermogengedeelte aansluit.
Het besturingsgedeelte regelt onder meer de snelheid en de kommutatie. In sommige gevallen, bijvoorbeeld in de ruimtevaart, dient de voeding ook voor het voeden van experimenten die in parallel met de motor zijn geschakeld.
De elektromagnetische kompatibiliteitsrichtlijn stelt dat elke spanningskring slechts op een plaats met de massa, de afscherming of het chassis mag worden verbonden, om lussen in de aarding te verminderen. Minder lussen in de aarding verminderen de invloed van externe elektromagnetische stoorsignalen op de schakeling. Spanningcircuits mogen niet vlottend worden gelaten, aangezien ze elektrostatisch op een hoge potentiaal zouden kunnnen komen.
Om aan deze vereisten te voldoen bevat een bekende besturingsinrichting een gelijkstroom/gelijkstroom-omzetter die galvanisch van de batterij is gescheiden en via dewelke het ganse vermogen zowel voor het vermogengedeelte als voor het besturingsgedeelte wordt gestuurd. Door dezelfde omzetter wordt het vermogengedeelte gevoed met de spanning van de batterij, bijvoorbeeld 28 V en het kontrolegedeelte met een lagere spanning van bijvoorbeeld 5V. Tussen het vermogengedeelte en het besturingsgedeelte is geen galvanische scheiding. Deze besturingsinrichting verbruikt evenwel relatief veel energie.
<Desc/Clms Page number 2>
In een andere bekende besturingsinrichting is de ingang ervan galvanisch afgescheiden.
Deze inrichting bevat een afzonderlijke gelijkstroom/gelijkstroom-omzetter voor het besturingsgedeelte dat met een lagere spanning dan de batterij spanning wordt gevoed terwijl het vermogengedeelte rechtstreeks door de batterij wordt gevoed. De afscherming is evenwel van mindere kwaliteit. Deze inrichting vergt ook een groot aantal komponenten en is relatief zwaar, hetgeen voor de ruimtevaart een nadeel is.
De uitvinding heeft als doel deze nadelen te verhelpen en een besturingsinrichting voor een borstelloze gelijkstroommotor te verschaffen die aan de elektromagnetische kompabiliteitsrichtlijn voldoet maar toch relatief weinig energie verbruikt, een degelijke afscherming biedt en dit met een een relatief gering aantal courante ruimtevaart-gekwalificeerde komponenten en die relatief kompakt, eenvoudig en licht kan worden uitgevoerd.
Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat het vermogengedeelte van het besturingsgedeelte gescheiden is door middel van opto-isolatoren.
EMI2.1
In een merkwaardige uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat het vermogengedeelte-voor elk van de fasen van de gelijkstroommotor tenminste een eindtransistor en een klasse B transistorversterker onder tussenkomst waarvan deze eindtransistor op een opto-isolator is aangesloten.
In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat het besturingsgedeelte een kommutatiekring die aansluit op positiesensoren van de gelijkstroommotor, voor het aansturen van de motorspoelen overeenkomend met de fasen in funktie van de informatie van de positiesensoren.
<Desc/Clms Page number 3>
Bijvoorkeur zijn de spoelen van de borstelloze gelijkstroommotor in driehoek geschakeld en bevat het besturingsgedeelte middelen om de spoelen beurtelings om te polen en bevat het vermogengedeelte per fase twee komplementaire eindtransistoren die elk via een klasse B transistorversterker en een opto-isolator op het besturingsgedeelte aansluiten.
Deze komplementaire eindtransistoren zijn doelmatig gevormd door een pMOS en een nMOS transistor.
In een merkwaardige uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat het besturingsgedeelte een snelheidsregelkring.
Doelmatig bevat deze snelheidsregelkring een pulsbreedtemodulator waarvan de pulsduur de motorsnelheid regelt.
Bij voorkeur is de snelheidsregelkring van een terugkoppeling voorzien via een tachometercircuit dat met positiesensoren van de gelijkstroommotor in verbinding staat.
In een doelmatige uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat het vermogengedeelte een stroombegrenzer.
De besturingsinrichting kan een batterij bevatten waarop het vermogengedeelte aansluit en een galvanisch van het batterij spanningscircuit gescheiden gelijkstroomvoeding waarop het besturingsgedeelte aansluit.
Andere bijzonderheden en voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hier volgende beschrijving van een besturingsinrichting van een borstelloze gelijkstroommotor, volgens de uitvinding. Deze beschrijving wordt enkel als
<Desc/Clms Page number 4>
voorbeeld gegeven en beperkt de uitvinding niet. De verwijzingscijfers betreffen de hieraan toegevoegde tekeningen, waarin : figuur 1 een algemeen blokschema weergeeft van een besturingsinrichting van een borstelloze gelijkstroommotor volgens de uitvinding ; figuur 2 een elektrisch schema weergeeft van het besturingsgedeelte en het vermogengedeelte uit de besturingsinrichting uit figuur 1.
De besturingsinrichting van de driefasige borstelloze gelijkstroommotor 1 met drie positiesensoren 2, weergegeven in figuur 1, bevat in hoofdzaak een batterij 3, een gelijkstroom/gelijkstroom omzetter 4, een vermogengedeelte 5 en een besturingsgedeelte 6.
De batterij 3 is een 28V batterij op de twee aansluitklemmen waarvan elektrische geleiders 7 en 8 aansluiten. De geleider 8 aangesloten op de batterijmassa is met het chassis 9 verbonden. De omzetter 4, het vermogengedeelte 5 en het besturingsgedeelte 6 zijn gemonteerd in een behuizing 10 dat eveneens met het chassis 9 in verbinding staat..
De geleiders 7 en 8 zijn aangesloten op de ingang van de omzetter 4 en via buiten de behuizing 10 gelegen aftakkingen 11 en 12 rechtstreeks aangesloten op de ingang van het vermogengedeelte 5. Via andere op de geleiders 7 en 8 aangesloten aftakkingen 13 en 14 kunnen andere installaties dan de besturingsinrichting door de batterij 3 worden gevoed.
<Desc/Clms Page number 5>
De omzetter 4 zet de spanning van de batterij 3 om in een lager spanning van bijvoorbeeld 5V die via de geleiders 15 en 16 wordt aangelegd aan de ingang van het besturingsgedeelte 6. Door de transformator van de omzetter 4 is de voeding van het besturingsgedeelte 6 galvanisch gescheiden van de voeding van het vermogengedeelte en dus het spanningscircuit van de batterij 3. Via aftakkingen 17 en 18 van de de geleiders 15 en 16 kan een bijkomende besturingsinrichting 19 door de omzetter 4 worden gevoed.
Via de aftakking 18 is de geleider 15 met de behuizing 10 verbonden.
Het vermogengedeelte 5 sluit door middel van drie geleiders 20 aan op de spoelen van de drie fasen van de borstelloze gelijkstroommotor 1 terwijl de drie positiesensoren 2 van deze motor over geleiders 21 in verbinding staan met het besturingsgedeelte 6. In deze driefasige borstelloze gelijkstroommotor zijn de drie spoelen in driehoek geschakeld en worden ze beurtelings omgepoold. De positiesensoren 2 zijn bijvoorbeeld Hall-sensoren.
Belangrijk is dat het vermogengedeelte 5 en het besturingsgedeelte 6 galvanisch van elkaar zijn gescheiden door middel van opto-isolatoren 22 die zoals gebruikelijk een diode 23 en een fototransistor 24 bevatten.
Het besturingsgedeelte 6 bevat een kommutatiekring 50 die de volgorde van de aansturing van de in driehoek geschakelde spoelen van de borstelloze gelijkstroommotor 1 en de stroomrichting door deze spoelen bepaalt in funktie van de informatie van de positiesensoren 2 en die drie exclusieve OF-poorten 25 bezit. Op een ingang van elke poort 25 sluit een geleider 21 en dus het signaal van een positiesensor 2 aan, op een andere ingang sluit de geleider 15 van de omzetter 4 aan. De uitgangen van de drie poorten
<Desc/Clms Page number 6>
25 sluiten, enerzijds, rechtstreeks en, anderzijds, na inversie in invertoren 26, aan op zes EN-poorten 27, waarbij elke EN-poort 27 een uitgangssignaal van een OF-poort 25 en een geïnverteerd signaal van een andere OF-poort 25 ontvangt.
Drie EN-poorten 27 sluiten via een weerstand 28 aan op de basis van een transistor 29 waarvan de collector via een weerstand 30 op de geleider 15 aansluit en waarvan de emittor aansluit op de diode 23 van een opto-isolator 22.
De drie overige EN-poorten 27 doen hetzelfde, maar elk onder tussenkomst van een bijkomende EN-poort 31 waarop ook de uitgang aansluit van een snelheidsregelkring 32 met terugkoppeling.
Deze snelheidsregelkring 32 bevat een pulsbreedtemodulator 33 waarvan de pulsduur de motorsnelheid regelt. Via een tachometercircuit 34 wordt een signaal afgeleid van van de positiesensoren 2. Hiertoe sluit het tachometercircuit 34 aan op de uitgang van een van de EN-poorten 25. De terugkoppeling vermindert de invloed van spanningsvariaties van de batterij 3 op de snelheid van de motor 1. De motorsnelheid kan ingesteld worden door een potentiometer 35 aangesloten op de pulsbreedtemodulator 33.
Deze pulsbreedtemodulator 33 ontvangt een signaal van een stroombegrenzer 36 zodat hij afschakelt bij een overstroom. Deze stroombegrenzer 36 maakt deel uit van het vermogengedeelte 5 en is gescheiden van de pulsbreedtemodulator 33 door een opto-isolator 22, waarvan de diode 23 op de stroombegrenzer aansluit en de fototransistor 24 op de pulsbreedtemodulator 33 aansluit.
De stroombegrenzer 36 bevat een komparator 37, een shunt-weerstand 38 om de stroom in een spanning om te zetten en een laagdoorlaatfilter 39 om het effekt van
<Desc/Clms Page number 7>
stroompulsen weg te werken. De stroombegrenzer 36 beperkt het opgenomen motorvermogen en kan oververhitting verhinderen, bijvoorbeeld wanneer de motor geblokkeerd zou geraken.
Het vermogengedeelte 5 bevat voor elke fase en dus geleider
EMI7.1
20 een nMOS eindtransistor 40 en een komplementaire pMOS eindtransistor 41, waarbij de basis van de nMOS eindtransistor 40 onder tussenkomst van een klasse B transistorversterker 42 aansluit op de emittor van de fototransistor 24 van de opto-isolator 23 die aansluit op een poort 31 terwijl de basis van de pMOS eindtransistor 41 onder tussenkomst van een klasse B transistorversterker 42 aansluit op de collector van de fototransistor 24 van de opto-isolator 22 die rechtstreeks aansluit op een poort 27.
Door het gebruik van nMOS en pMOS vermogentransistoren 40 en 41 is geen voorspanningscircuit met een hogere spanning dan de voedingsspanning van 28V nodig. In plaats van dergelijke eindtransistoren zouden ook bipolaire transistoren met lagere vermogens kunnen worden gebruikt.
Door de klasse B transistorversterkers 42 verkrijgt men een hoge schakelsnelheid en wordt het vermogenverbruik beperkt tot de periode gedurende dewelke men van de hoge spanningstoestand naar de lage spanningstoestand omschakelt of omgekeerd. In parallel met elke eindtransistor 40 en 41 is een vrijloopdiode 51 geschakeld.
Door twee weerstanden 43 en 44 respektievelijk aan de collectorzijde en aan de emittorzijde van de fototransistoren 24 van het vermogengedeelte 5 kan men het overbelasten van de opto-isolatoren 22 vermijden en zorgen dat de aan-en uitschakeltijden ongeveer gelijk zijn.
De aansturing van de MOS vermogentransistoren 40 en 41 bevat een Zenerdiode 45 om de transistoren te beschermen
<Desc/Clms Page number 8>
tegen overspanningen aan de basis en een serieweerstand 46 om de transistoren aan te sturen met voldoende demping en dus zonder oscillaties.
Tussen de voeding en het vermogengedeelte 5 kan nog een filter 47 zijn aangesloten waarvan de self 48 voor een afvlakking van de afgenomen stroom zorgt, terwijl de capaciteit 49 ervan de eindtransistoren 40 en 41 beschermt tegen overspanningen.
De hiervoor beschreven besturingsinrichting kan heel licht en kompakt worden uitgevoerd met standaardkomponenten die voor de ruimtevaart zijn gekwalificeerd. De inrichting is dus bijzonder geschikt voor de ruimtevaart maar kan ook in andere toepassingen zoals in voertuigen worden gebruikt.
Het energieverbruik is gering en de afscherming is uitstekend.
De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven uitvoeringsvorm, en binnen het raam van de oktrooiaanvraag kunnen aan de beschreven uitvoeringsvorm vele veranderingen worden aangebracht.
In het bijzonder moeten de klasse B transistorversterkers niet noodzakelijk afzonderlijk zijn van de erbij horende opto-isolator. Ze kunnen eventueel samen op een chip
EMI8.1
geïmplementeerd zijn. Het tachometercircuit kan vervangen zijn door een mikroprocessor.
<Desc / Clms Page number 1>
Control device of a brushless DC motor. The invention relates to a control device of a brushless DC motor, which control device comprises a power section which communicates with the poles of the DC motor and a control section connecting to the power section.
The control section controls speed and commutation, among other things. In some cases, for example in aerospace, the power supply also serves to power experiments connected in parallel with the motor.
The Electromagnetic Compatibility Guideline states that each voltage circuit must be connected to ground, shield or chassis only in one place to reduce loops in the ground. Fewer loops in the ground reduce the influence of external electromagnetic interference signals on the circuit. Voltage circuits should not be left floating, as they could reach high potential electrostatically.
In order to meet these requirements, a known control device comprises a direct current / direct current converter which is galvanically separated from the battery and through which the entire power is controlled for both the power section and the control section. The power converter supplies the power part with the voltage of the battery, for example 28 V, and the control part with a lower voltage of, for example, 5 V. There is no galvanic isolation between the power section and the control section. However, this control device consumes relatively much energy.
<Desc / Clms Page number 2>
In another known control device, its input is galvanically isolated.
This device includes a separate DC / DC converter for the control section which is powered at a voltage lower than the battery voltage while the power section is powered directly from the battery. However, the shielding is of a lower quality. This device also requires a large number of components and is relatively heavy, which is a disadvantage for space travel.
The object of the invention is to overcome these drawbacks and to provide a control device for a brushless DC motor that complies with the electromagnetic compatibility directive, but which still consumes relatively little energy, offers sound shielding and this with a relatively small number of commonly used aerospace qualified components and which relatively compact, simple and lightweight.
This object is achieved according to the invention in that the power section of the control section is separated by means of opto-isolators.
EMI2.1
In a curious embodiment of the invention, the power section for each of the phases of the DC motor includes at least one end transistor and a class B transistor amplifier through which this end transistor is connected to an opto-isolator.
In a particular embodiment of the invention, the control section includes a commutation circuit connecting to position sensors of the DC motor for driving the motor coils corresponding to the phases in function of the information from the position sensors.
<Desc / Clms Page number 3>
Preferably, the coils of the brushless DC motor are triangular and the control section includes means for alternately reverse polarity of the coils, and the power section includes two complementary power transistors per phase, each of which connects to the control section via a class B transistor amplifier and an opto-isolator.
These complementary transistors are conveniently formed by a pMOS and an nMOS transistor.
In a curious embodiment of the invention, the control section includes a speed control circuit.
This speed control circuit expediently comprises a pulse width modulator, the pulse duration of which controls the motor speed.
Preferably, the speed control circuit is fed back via a tachometer circuit which communicates with position sensors of the DC motor.
In an effective embodiment of the invention, the power section includes a current limiter.
The control device may comprise a battery to which the power section connects and a DC power supply galvanically separated from the battery voltage circuit to which the control section connects.
Other particularities and advantages of the invention will become apparent from the following description of a control device of a brushless DC motor according to the invention. This description is only like
<Desc / Clms Page number 4>
given as an example and does not limit the invention. The reference numerals relate to the accompanying drawings, in which: Figure 1 shows a general block diagram of a control device of a brushless DC motor according to the invention; Figure 2 shows an electrical diagram of the control part and the power part from the control device of Figure 1.
The control device of the three-phase brushless DC motor 1 with three position sensors 2, shown in Figure 1, mainly contains a battery 3, a DC / DC converter 4, a power section 5 and a control section 6.
The battery 3 is a 28V battery on the two terminals of which electrical conductors 7 and 8 connect. The conductor 8 connected to the battery ground is connected to the chassis 9. The converter 4, the power section 5 and the control section 6 are mounted in a housing 10 which is also connected to the chassis 9.
The conductors 7 and 8 are connected to the input of the converter 4 and are connected directly via branches 11 and 12 located outside the housing 10 to the input of the power section 5. Via other branches 13 and 14 connected to the conductors 7 and 8, other installations than the control device are powered by the battery 3.
<Desc / Clms Page number 5>
The converter 4 converts the voltage of the battery 3 into a lower voltage of, for example, 5V, which is applied via the conductors 15 and 16 to the input of the control section 6. The transformer of the converter 4 supplies the power supply to the control section 6 galvanically separated from the power supply of the power section and thus the voltage circuit of the battery 3. An additional control device 19 can be supplied by the converter 4 via branches 17 and 18 of the conductors 15 and 16.
The conductor 15 is connected to the housing 10 via the branch 18.
The power section 5 connects by means of three conductors 20 to the coils of the three phases of the brushless DC motor 1, while the three position sensors 2 of this motor are connected via conductors 21 to the control section 6. In this three-phase brushless DC motor, the three coils are switched in triangle and they are reversed polarity. The position sensors 2 are, for example, Hall sensors.
It is important that the power section 5 and the control section 6 are galvanically separated from one another by means of opto-isolators 22 which, as usual, contain a diode 23 and a phototransistor 24.
The control section 6 contains a commutation circuit 50 which determines the sequence of driving the triangular coils of the brushless DC motor 1 and the direction of current through these coils in function of the information of the position sensors 2 and which has three exclusive OR gates 25. A conductor 21 and thus the signal of a position sensor 2 connects to an input of each gate 25, to a different input the conductor 15 of the converter 4. The exits of the three gates
<Desc / Clms Page number 6>
25 connect, on the one hand, directly and, on the other hand, after inversion in inverters 26, to six AND gates 27, each AND gate 27 receiving an output signal from one OR gate 25 and an inverted signal from another OR gate 25 .
Three AND-gates 27 connect via a resistor 28 to the base of a transistor 29, the collector of which connects via a resistor 30 to the conductor 15 and whose emitter connects to the diode 23 of an opto-isolator 22.
The three remaining AND gates 27 do the same, but each through an additional AND gate 31 to which the output of a speed control circuit 32 with feedback also connects.
This speed control circuit 32 includes a pulse width modulator 33 whose pulse duration controls the motor speed. Via a tachometer circuit 34, a signal is derived from the position sensors 2. For this purpose, the tachometer circuit 34 connects to the output of one of the AND gates 25. The feedback reduces the influence of voltage variations of the battery 3 on the speed of the motor 1 The motor speed can be adjusted by a potentiometer 35 connected to the pulse width modulator 33.
This pulse width modulator 33 receives a signal from a current limiter 36 so that it trips at an overcurrent. This current limiter 36 forms part of the power section 5 and is separated from the pulse width modulator 33 by an opto-isolator 22, the diode 23 of which connects to the current limiter and the phototransistor 24 to the pulse width modulator 33.
Current limiter 36 includes a comparator 37, a shunt resistor 38 to convert the current into a voltage, and a low-pass filter 39 to effect
<Desc / Clms Page number 7>
to eliminate current pulses. The current limiter 36 limits the absorbed motor power and can prevent overheating, for example if the motor should become blocked.
The power section 5 contains for each phase and thus conductor
EMI7.1
20 an nMOS final transistor 40 and a complementary pMOS final transistor 41, wherein the base of the nMOS final transistor 40 connects through a class B transistor amplifier 42 to the emitter of the phototransistor 24 of the opto-isolator 23 which connects to a gate 31 while the base of the pMOS final transistor 41 through a class B transistor amplifier 42 connects to the collector of the phototransistor 24 of the opto-isolator 22 which connects directly to a gate 27.
Due to the use of nMOS and pMOS power transistors 40 and 41, no biasing circuit with a voltage higher than the supply voltage of 28V is required. Instead of such final transistors, lower power bipolar transistors could also be used.
The class B transistor amplifiers 42 provide a high switching speed and the power consumption is limited to the period during which one switches from the high voltage state to the low voltage state or vice versa. A freewheeling diode 51 is connected in parallel with each end transistor 40 and 41.
Two resistors 43 and 44 respectively on the collector side and on the emitter side of the phototransistors 24 of the power section 5 make it possible to avoid overloading the opto-insulators 22 and ensure that the switching on and off times are approximately the same.
The control of the MOS power transistors 40 and 41 includes a Zener diode 45 to protect the transistors
<Desc / Clms Page number 8>
against overvoltages at the base and a series resistor 46 to drive the transistors with sufficient damping and thus without oscillations.
A filter 47 may further be connected between the power supply and the power section 5, the self 48 of which ensures a smoothing of the drawn current, while the capacity 49 thereof protects the output transistors 40 and 41 against overvoltages.
The control device described above can be made very light and compact with standard components that are qualified for aerospace. The device is thus particularly suitable for aerospace, but can also be used in other applications, such as in vehicles.
The energy consumption is low and the shielding is excellent.
The invention is by no means limited to the above-described embodiment, and many changes can be made to the described embodiment within the scope of the patent application.
In particular, the class B transistor amplifiers need not necessarily be separate from the associated opto-isolator. They can possibly be put together on a chip
EMI8.1
have been implemented. The tachometer circuit may have been replaced by a microprocessor.