Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor, welchem für seine elektronische Kommutierung
eine Drehwinkel-Sensorvorrichtung zugeordnet ist.The
The invention relates to an electric motor used for its electronic commutation
a rotation angle sensor device is associated.
Um
bei Elektromotoren eine genaue Bestimmung der Drehzahl und ggf.
auch anderer Parameter wie Drehrichtung und Drehstellung zu ermöglichen, verwendet
man spezielle Impulsgeber, z.B. optische Encoder. Nachteilig ist,
dass derartige Encoder teuer sind und ihre Anbringung an Elektromotoren
fertigungstechnisch aufwändig
ist. Vielfach fehlt auch der notwendige Platz, weil der Elektromotor
in eine Maschine eingebaut werden muss. Zudem ist die Anbringung
solcher Encoder an Elektromotoren aufwändig, denn sie werden meist
im Bereich eines Wellenendes des Elektromotors angeordnet, so dass dieser
nur noch ein freies Wellenende hat. Das schließt den Einsatz eines solchen
Motors bei einigen Anwendungen aus. Weitere Nachteile derartiger Impulsgeber
können
abhängig
vom Typ des Impulsgebers auftreten. Beispielsweise sind optische
Encoder anfällig
gegen Tauwasser und Verschmutzung, was vor allem bei solchen Elektromotoren
problematisch ist, die extremen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, z.B.
auf Schiffen.Around
For electric motors, an exact determination of the speed and, if necessary,
also to allow other parameters such as direction of rotation and rotational position used
if special pulse generators, e.g. optical encoder. The disadvantage is
that such encoders are expensive and their attachment to electric motors
production-consuming
is. In many cases, the necessary space is missing, because the electric motor
must be installed in a machine. In addition, the attachment
Such encoders on electric motors consuming, because they are usually
arranged in the region of a shaft end of the electric motor, so that this
only one free shaft end left. That includes the use of such
Motors in some applications. Further disadvantages of such pulse generator
can
dependent
of the type of pulse generator occur. For example, optical
Encoder vulnerable
against condensation and pollution, especially in such electric motors
which are exposed to extreme environmental influences, e.g.
on ships.
Es
ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung einen neuen Elektromotor
bereit zu stellen.It
Therefore, an object of the invention is a new electric motor
to provide.
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Elektromotor gemäß Patentanspruch
1. Bei einem solchen Elektromotor werden im Betrieb analoge Rotorstellungssignale
bestimmter Form und Phasenlage durch Erfassen der magnetischen Flussdichte
eines auf der Motorwelle angeordneten Sensormagneten erzeugt. Aus
diesen Rotorstellungssignalen wird durch einen Signalgenerator mindestens
ein impulsförmiges
Signal gebildet, welches eine hoch auflösende Bestimmung der Drehzahl,
sowie eine Drehrichtungsbestimmung, ermöglicht. Da hierbei das Detektieren
des Magnetfelds des Sensormagneten magnetisch erfolgt, ist die Funktionsfähigkeit
auch bei harten Umweltbedingungen gewährleistet. Ferner ist die Fertigung
derartiger Elektromotoren einfach, unkompliziert und kostengünstig, und
eine derartige Sensorvorrichtung kann sehr kompakt sein, weil man die
Sensoren auf einer ebenen Leiterplatte anordnen kann. Es gelingt
so, ohne Qualitätsverlust
in einem kleinen Bauvolumen eine Sensorik unterzubringen, für die bislang
ein wesentlich größerer Aufwand
notwendig war.These
Task is solved
by an electric motor according to claim
1. In such an electric motor during operation analog rotor position signals
certain shape and phase by detecting the magnetic flux density
a sensor magnet arranged on the motor shaft generates. Out
These rotor position signals is at least through a signal generator
a pulse-shaped one
Signal formed, which is a high-resolution determination of the speed,
and a direction of rotation, allows. Because here the detection
the magnetic field of the sensor magnet is magnetic, is the functionality
guaranteed even under harsh environmental conditions. Furthermore, the production
Such electric motors simple, straightforward and cost-effective, and
Such a sensor device can be very compact, because you have the
Can arrange sensors on a flat circuit board. It succeeds
so, without quality loss
to accommodate a sensor system in a small volume, for the time being
a much greater effort
was necessary.
Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten,
in keiner Weise als Einschränkung
der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen. Es zeigt:Further
Details and advantageous developments of the invention result
from those described below and illustrated in the drawings,
in no way as a limitation
the invention to be understood embodiments. It shows:
1 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Elektromotors, 1 an embodiment of an electric motor according to the invention,
2 einen
Längsschnitt
durch ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Außenläufermotors, 2 a longitudinal section through an embodiment of an external rotor motor according to the invention,
3 einen
Sensormagneten, bei dem die Pole homogen magnetisiert sind, und
die resultierende magnetische Flussdichte, 3 a sensor magnet in which the poles are homogeneously magnetized, and the resulting magnetic flux density,
4 einen
Sensormagneten mit einer sinusförmigen
Magnetisierung und die resultierende magnetische Flussdichte, 4 a sensor magnet with a sinusoidal magnetization and the resulting magnetic flux density,
5 eine
Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Sensormagnetring, 5 a top view of a sensor ring according to the invention,
6 einen
Schnitt durch den Sensormagnetring entlang der Linie VI-VI aus 5, 6 a section through the sensor magnet ring along the line VI-VI 5 .
7 eine
Darstellung des Verlaufs der magnetischen Feldlinien bei einem Sensormagneten
mit sinusförmigem
Flussverlauf, 7 a representation of the course of the magnetic field lines in a sensor magnet with sinusoidal flow,
8 ein
vereinfachtes Schaltbild mit einem erfindungsgemäßen Signalgenerator, 8th a simplified circuit diagram with a signal generator according to the invention,
9 eine
Rotorstellungs-Sensoranordnung nach einer Ausführungsform der Erfindung, 9 a rotor position sensor arrangement according to an embodiment of the invention,
10 eine
Sensoranordnung mit fünf
symmetrisch in zwei unterschiedlichen Ebenen angeordneten Rotorstellungssensoren,
und 10 a sensor arrangement with five symmetrically arranged in two different planes rotor position sensors, and
11–14 eine
Darstellung von Rotorstellungssignalen und entsprechenden impulsförmigen Signalen
und Kommutierungssignalen. 11 - 14 a representation of rotor position signals and corresponding pulse-shaped signals and commutation signals.
1 zeigt
einen dreiphasigen Elektromotor 10 mit einem Stator 12 und
einem mit diesem in Wechselwirkung stehenden Rotor 14 mit
einem Rotormagneten 13. Der Stator ist als dreisträngiger Stator
in Dreieckschaltung dargestellt. Dem Elektromotor 10 sind
ein Mikrocontroller (Mikroprozessor) μC 32, ein Signalgenerator 90 vom
Typ IC-NV sowie eine Endstufe INVERTER 16 zugeordnet. Der μC 32 weist eine
Eingabeeinrichtung INPUT 40, einen Drehzahlregler N-RGL 42,
eine Drehrichtungs-Bestimmungseinrichtung N-DIR 44, eine
Drehzahlberechnungseinrichtung N-CALC 46 und eine Kommutierungssteuerung
COMMUT 18 auf. 1 shows a three-phase electric motor 10 with a stator 12 and a rotor interacting therewith 14 with a rotor magnet 13 , The stator is shown as a three-phase stator in delta connection. The electric motor 10 are a microcontroller (microprocessor) μC 32 , a signal generator 90 of the type IC-NV as well as a power amplifier INVERTER 16 assigned. The μC 32 has an input device INPUT 40 , a speed controller N-RGL 42 , a rotation direction determining means N-DIR 44 , a speed calculating means N-CALC 46 and a commutation controller COMMUT 18 on.
Der
Mikrocontroller 32 ist über
die Kommutierungssteuerung 18 mit der Endstufe 16 und über die
Eingabeeinrichtung 40 mit drei digitalen Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 verbunden,
welche beispielhaft durch digitale Hallsensoren vom Typ A3280 realisiert
werden und im Betrieb digitale Rotorstellungssignale für die Kommutierung
des Motors 10 erzeugen.The microcontroller 32 is via the commutation control 18 with the power amplifier 16 and via the input device 40 with three digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 which are exemplified by digital Hall sensors type A3280 and in operation digital rotor position signals for the commutation of the motor 10 he witness.
Wie
aus 1 ersichtlich, sind die digitalen Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 bevorzugt
derart auf einer Geraden G angeordnet, dass sie Rotorstellungssignale
mit jeweils 60° el.
Phasendifferenz zueinander erzeugen. Dabei liegt die Gerade G parallel zu
einer Tangente an den Umfang des Rotors 14. 9 zeigt
eine beispielhafte Anordnung der digitalen Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform.
Alternativ können
die digitalen Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 auch
radial auf einer Kreisbahn um den Rotor 14 im Winkelabstand
von 60° el.
(also 30° mech.
bei einem vierpoligen Rotor) zueinander angeordnet sein.How out 1 can be seen, are the digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 Preferably arranged on a straight line G that they produce rotor position signals each with 60 ° el. Phasendifferenz each other. The straight line G lies parallel to a tangent to the circumference of the rotor 14 , 9 shows an exemplary arrangement of the digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 according to a preferred embodiment. Alternatively, the digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 also radially on a circular path around the rotor 14 at an angular distance of 60 ° el. (ie 30 ° mech. For a four-pole rotor) to each other.
Die
Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 dienen
zur Erfassung des Magnetfeldes des Rotormagneten 13 im
Betrieb des Motors 10 für
die Erzeugung von digitalen Rotorstellungssignalen. Die digitalen Rotorstellungssignale
werden über
die Eingabeeinrichtung 40 der Kommutierungssteuerung 18 und dem
Drehzahlregler 42 zugeführt.
Der Drehzahlregler 42 bestimmt aus den digitalen Rotorstellungssignalen
einen Drehzahl-Istwert des Rotors 14 und erzeugt unter
Verwendung des Drehzahl-Istwerts eine Drehzahlregelgröße, welche
der Kommutierungssteuerung 18 zugeführt wird. Die Kommutierungssteuerung 18 erzeugt
in Abhängigkeit
von der Drehzahlregelgröße Kommutierungssignale
zur Ansteuerung der Endstufe 16, welche in Abhängigkeit
von diesen Kommutierungssignalen den Stator 12 ansteuert.The rotor position sensors 52 . 54 . 56 serve to detect the magnetic field of the rotor magnet 13 during operation of the engine 10 for the generation of digital rotor position signals. The digital rotor position signals are via the input device 40 the commutation control 18 and the speed controller 42 fed. The speed controller 42 determines from the digital rotor position signals a speed feedback of the rotor 14 and generates a speed control variable, which the commutation control using the actual speed value 18 is supplied. The commutation control 18 generates commutation signals for controlling the output stage as a function of the speed control variable 16 , which in dependence of these commutation signals the stator 12 controls.
Der
Elektromotor 10 hat einen vierpoligen permanentmagnetischen
Sensormagneten 82, welcher auf einer Welle 87 des
Rotors 14 angeordnet ist, deren Drehachse mit 85 bezeichnet
ist. Zwei analoge Rotorstellungssensoren 460, 465 dienen
zur Abtastung des Magnetfeldes dieses Sensormagneten 82 im
Betrieb des Motors 10 für
die Erzeugung von analogen Rotorstellungssignalen B_S1 und B_S2.
Die Erfindung ist hierbei jedoch nicht auf einen bestimmten Rotorstellungssensortyp
beschränkt,
vielmehr können
verschiedene Arten von analogen Rotorstellungssensoren verwendet
werden. Beispielsweise können
analoge Hallsensoren, wie z.B. analoge Hallsensoren vom Typ A1321,
AMR-Hallsensoren oder GMR-(Giant
Magneto Resistor)Sensoren als Rotorstellungssensoren Anwendung finden.
Des Weiteren können
auch programmierbare Sensoren, wie z.B. Sensoren vom Typ Sentron
2SA-10, verwendet werden. Die von den Rotorstellungssensoren 460, 465 erzeugten
analogen Rotorstellungssignale B_S1 und B_S2 werden in 1 über einen
Stecker 476 und Leitungspaare 473 bzw. 475 dem
Signalgenerator 90 zugeführt, damit dieser aus den analogen
Signalen B_S1 und B_S2 digitale Signale A, B und Z erzeugt, welche
dem Mikrocontroller 32 und oder einer internen oder externen
Auswertevorrichtung 33 zugeführt werden.The electric motor 10 has a four-pole permanent magnet sensor magnet 82 which is on a wave 87 of the rotor 14 is arranged, whose axis of rotation with 85 is designated. Two analog rotor position sensors 460 . 465 are used to sample the magnetic field of this sensor magnet 82 during operation of the engine 10 for the generation of analog rotor position signals B_S1 and B_S2. However, the invention is not limited to a particular rotor position sensor type, but various types of analog rotor position sensors can be used. For example, analog Hall sensors, such as analog Hall sensors type A1321, AMR Hall sensors or GMR (Giant Magneto Resistor) sensors can be used as rotor position sensors. In addition, programmable sensors, such as Sentron 2SA-10 sensors, can also be used. The from the rotor position sensors 460 . 465 generated analog rotor position signals B_S1 and B_S2 are in 1 over a plug 476 and wire pairs 473 respectively. 475 the signal generator 90 supplied to it from the analog signals B_S1 and B_S2 digital signals A, B and Z generated, which the microcontroller 32 and or an internal or external evaluation device 33 be supplied.
Bevorzugt
sind die analogen Rotorstellungssensoren 460 und 465 auf
einer Trägeranordnung, hier
in Form einer Leiterplatte 468, in einer gemeinsamen Ebene
angeordnet, wobei die Sensoren 460, 465 beispielsweise
auf die Leiterplatte 468 aufgelötet sind. Auch der Signalgenerator 90,
der Mikrocontroller 32, und die Endstufe 16 können zumindest
teilweise auf der Leiterplatte 468 angeordnet sein. In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind darüber
hinaus die digitalen Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 auf dieser
Leiterplatte 468 angeordnet, wobei die von diesen erzeugten
digitalen Rotorstellungssignale in dieser Ausführungsform durch Abtastung
des Magnetfeldes des Sensormagneten 82 im Betrieb erzeugt werden.
Der Sensormagnet 82 ist über die Welle 87 fest
mit dem Rotor 14 verbunden und ermöglicht so auch eine Auswertung
des Magnetfeldes des Sensormagneten 82 durch die digitalen
Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 und
die zur Kommutierung und Drehzahlregelung erforderliche Bestimmung
der Drehzahl des Rotors 14 des Motors 10. 10 zeigt eine
beispielhafte Anordnung der Rotorstellungssensoren 460, 465, 52, 54, 56.
Diese liegen in derselben Ebene, gewöhnlich auf einer ebenen Leiterplatte.The analog rotor position sensors are preferred 460 and 465 on a carrier assembly, here in the form of a printed circuit board 468 arranged in a common plane, the sensors 460 . 465 for example, on the circuit board 468 are soldered. Also the signal generator 90 , the microcontroller 32 , and the power amp 16 can at least partially on the circuit board 468 be arranged. In a preferred embodiment, moreover, the digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 on this circuit board 468 arranged, wherein the digital rotor position signals generated by these in this embodiment by sampling the magnetic field of the sensor magnet 82 be generated during operation. The sensor magnet 82 is about the wave 87 firmly with the rotor 14 connected and thus allows an evaluation of the magnetic field of the sensor magnet 82 through the digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 and the required for commutation and speed control determination of the speed of the rotor 14 of the motor 10 , 10 shows an exemplary arrangement of the rotor position sensors 460 . 465 . 52 . 54 . 56 , These are in the same plane, usually on a flat circuit board.
Die
Verwendung der digitalen Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 ist
optional, da auch durch eine entsprechende Auswertung der analogen
Rotorstellungssignale B_S1 und B_S2 die zur Erzeugung der Kommutierungssignale
erforderliche Information bestimmbar ist. Allerdings ist diese Auswertung
aufwändiger
und somit teurer als die Verwendung herkömmlicher Bauteile und Strukturen,
d.h. als die Verwendung der digitalen Rotorstellungssensoren 52, 54, 56.The use of digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 is optional, since the information required to generate the commutation signals can also be determined by a corresponding evaluation of the analog rotor position signals B_S1 and B_S2. However, this evaluation is more complex and thus more expensive than the use of conventional components and structures, ie as the use of digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 ,
Arbeitsweiseoperation
Der
Sensormagnet 82 ist ringförmig mit einer im Wesentlichen
zylindrischen Oberfläche
ausgebildet und hat vier Pole 71, 72, 73 und 74.
Er erzeugt ein im Wesentlichen sinusförmiges Magnetfeld 88 bzw. eine
im Wesentlichen sinusförmige
magnetische Flussdichte B, welche beispielhaft in 4 dargestellt
ist. Die dargestellte Magnetisierung des Sensormagneten 82 wird
als polorientiert bzw. polorientiert lateral bezeichnet, und die
Magnetisierung innerhalb eines Pols ist nicht homogen, sondern sie ändert abhängig vom
Ort die Richtung und die Intensität, während beispielsweise bei einem
diametral magnetisierten Magneten die Magnetisierung innerhalb eines Pols
homogen ist und immer in dieselbe Richtung weist.The sensor magnet 82 is annular with a substantially cylindrical surface and has four poles 71 . 72 . 73 and 74 , It generates a substantially sinusoidal magnetic field 88 or a substantially sinusoidal magnetic flux density B, which is exemplified in 4 is shown. The illustrated magnetization of the sensor magnet 82 is referred to as pole-oriented or pole-oriented lateral, and the magnetization within a pole is not homogeneous, but it changes the direction and the intensity depending on the location, for example, in a diametrically magnetized magnet, the magnetization within a pole is homogeneous and always in the same direction has.
In 1 ist
in der vergrößerten Darstellung des
Rotorstellungssensors 460 die so genannte sensitive Fläche 462 zu
sehen, in der die Messung stattfindet. Dabei detektiert der Rotorstellungssensor 460 nur
den Anteil der vektoriellen magnetischen Flussdichte B, der in Richtung
der Normalen 461 auf der sensitiven Fläche 462 zeigt. Da
der Rotorstellungssensor 460 nicht tangential zum Sensormagneten 82 angeordnet
ist, detektiert er anders als bei üblichen Anordnungen neben dem
radialen Anteil B_r der magnetischen Flussdichte B auch deren tangentialen Anteil
B_t. Der Anteil der magnetischen Flussdichte B, der in Richtung
der Normalen 461 zeigt, ist mit B_S1 bezeichnet, und dies
entspricht dem vom Rotorstellungssensor 460 (S1) gemessenen
Signal.In 1 is in the enlarged view of the rotor position sensor 460 the so-called sensitive surface 462 to see in which the measurement takes place. The rotor position sensor detects this 460 only the proportion of vectorial magnetic flux density B, which is in the direction of the normal 461 on the sensitive surface 462 shows. As the rotor position sensor 460 not tangential to the sensor magnet 82 is arranged, unlike in conventional arrangements, it detects not only the radial component B_r of the magnetic flux density B but also its tangential component B_t. The proportion of magnetic flux density B, in the direction of the normal 461 is indicated by B_S1 and this corresponds to that of the rotor position sensor 460 (S1) measured signal.
Trotz
der nicht tangentialen Anordnung der Rotorstellungssensoren 460 und 465 ergeben
sich bei einem Sensormagneten 82 mit sinusförmigem Feldverlauf
auch sinusförmige
Signale B_S1 und B_S2, welche in Abhängigkeit von der geometrischen
Anordnung (Dislozierung) der Rotorstellungssensoren 460, 465 eine
Phasendifferenz aufweisen. Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Rotorstellungssensoren 460, 465 am
Umfang des vierpoligen Sensormagneten 82 derart angeordnet,
dass diese Phasendifferenz 90° beträgt, so dass
B_S1 ein Sinussignal und B_S2 ein Cosinussignal darstellt.Despite the non-tangential arrangement of the rotor position sensors 460 and 465 arise with a sensor magnet 82 with sinusoidal field curve also sinusoidal signals B_S1 and B_S2, which depending on the geometric arrangement (dislocation) of the rotor position sensors 460 . 465 have a phase difference. According to a particularly preferred embodiment of the invention, the rotor position sensors 460 . 465 on the circumference of the four-pole sensor magnet 82 arranged such that this phase difference is 90 °, so that B_S1 represents a sine signal and B_S2 a cosine signal.
Das
Sinussignal B_S1 und das Cosinussignal B_S2 werden dem Signalgenerator 90 zugeführt, der
daraus die beiden digitalen Signale A und B mit einer Phasendifferenz
von 90° zueinander
erzeugt. Hierbei wird für
das Sinussignal B_S1 beispielsweise das Signal A erzeugt, wobei
pro elektrischer Umdrehung (360° el.)
des Sensormagneten 82, d.h., pro Sinusperiode von B_S1,
eine vorgegebene Anzahl von Impulsen für das Signal A erzeugt werden.
Vorzugsweise werden hierbei 16 Impulse für das Signal A erzeugt. Da
der Sensormagnet 82 im vorliegenden Beispiel vierpolig
ist, umfasst B_S1 pro mechanischer Umdrehung (360° mech.) des
Sensormagneten 82 zwei Sinusperioden, sodass für das Signal
A pro mechanischer Umdrehung 32 Impulse erzeugt werden. Dies
gilt analog für
die Erzeugung eines Signals B aus B_S2, sodass das Signal B ebenfalls
32 Impulse pro mechanische Umdrehung des Sensormagneten 82 aufweist.The sine signal B_S1 and the cosine signal B_S2 become the signal generator 90 fed, which generates the two digital signals A and B with a phase difference of 90 ° to each other. Here, for example, the signal A is generated for the sine signal B_S1, wherein per electrical revolution (360 ° el.) Of the sensor magnet 82 , ie, for each sine period of B_S1, a predetermined number of pulses for the signal A are generated. Preferably, 16 pulses are generated for the signal A in this case. Because the sensor magnet 82 In the present example, B_S1 is per mechanical revolution (360 ° mech.) of the sensor magnet 82 two sine periods, so that for the signal A per mechanical revolution 32 Pulses are generated. This applies analogously to the generation of a signal B from B_S2, so that the signal B is also 32 pulses per mechanical revolution of the sensor magnet 82 having.
Des
Weiteren wird aus den Signalen B_S1 und B_S2 ein digitales Signal
Z gebildet, welches beispielhaft nur zwei unterschiedliche Werte „HOCH" und „NIEDRIG" aufweisen kann und
sich pro Sinusperiode von B_S1 (oder B_S2) vorzugsweise nur einmal
von NIEDRIG auf HOCH und nur einmal von HOCH zurück auf NIEDRIG ändert. Das
Signal Z dient zur Nullpunkt-Findung bzw. zur Sicherheit und wird
insbesondere dann verwendet, wenn eine Kommutierung anhand der Signale
A und B erfolgt. Da die Signale A und B eine Mehrzahl von Impulsen
(z.B. 16) pro elektrische Umdrehung erzeugen, ist z.B. ein Polwechsel
aus den Signalen A und B alleine nicht eindeutig detektierbar.Of
Furthermore, the signals B_S1 and B_S2 become a digital signal
Z, which may have only two different values "HIGH" and "LOW" by way of example, and
preferably only once per sine period of B_S1 (or B_S2)
from LOW to HIGH and only once from HIGH back to LOW changes. The
Signal Z serves for zero-point determination or safety and will
used in particular when a commutation based on the signals
A and B takes place. Since the signals A and B are a plurality of pulses
(e.g., 16) per electrical revolution, e.g. a pole change
not clearly detectable from the signals A and B alone.
Unter
Verwendung der digitalen Signale A und B kann in der Einrichtung 46 zur
Drehzahlberechnung eine hochauflösende
Drehzahlberechnung für
den Sensormagneten 82 und – da dieser über die Welle 87 fest
mit dem Rotor 14 verbunden ist – für den Rotor 14 des
Elektromotors 10 erfolgen. Hierzu können die Signale A und B vor
einer Auswertung durch die Einrichtung 46 (1)
miteinander verknüpft
werden. Beispielsweise kann durch eine XOR-Verknüpfung der Signale A und B ein
verknüpftes
Signal mit insgesamt 64 Impulsen pro mechanische Umdrehung des Sensormagneten 82 erzeugt werden,
welches eine hoch auflösende
Drehzahlberechnung ermöglicht.
Die Signalverarbeitung kann alternativ auch in einer Auswertevorrichtung 33 erfolgen.
Eine erfindungsgemäße Drehzahlberechnung ist
insbesondere bei Applikationen mit sehr langsam laufenden Motoren
notwendig, insbesondere bei Drehzahlen im Bereich von 0 U/min bis
etwa 100 U/min. Bei solch niedrigen Drehzahlen sind die zeitlichen
Abstände
zwischen den Signalwechseln von digitalen Rotorstellungssensoren
so groß,
dass eine genaue Drehzahlbestimmung nicht mehr möglich ist. Somit ist auch eine
genaue Drehzahlregelung nicht mehr möglich. Gerade in solchen Fällen wurden
bisher häufig
optische Encoder eingesetzt.Using the digital signals A and B may be in the device 46 For speed calculation, a high-resolution speed calculation for the sensor magnet 82 and - because of this over the wave 87 firmly with the rotor 14 connected - for the rotor 14 of the electric motor 10 respectively. For this purpose, the signals A and B before an evaluation by the device 46 ( 1 ) are linked together. For example, by an XOR combination of the signals A and B, a linked signal with a total of 64 pulses per mechanical revolution of the sensor magnet 82 be generated, which allows a high-resolution speed calculation. The signal processing can alternatively also in an evaluation device 33 respectively. A speed calculation according to the invention is necessary in particular for applications with very slowly running motors, in particular at speeds in the range from 0 rpm to about 100 rpm. At such low speeds, the time intervals between the signal changes of digital rotor position sensors are so great that accurate speed determination is no longer possible. Thus, an accurate speed control is no longer possible. Especially in such cases, optical encoders have often been used.
Zur
Bestimmung der Drehrichtung des Sensormagneten 82 und somit
des Rotors 14 können
die digitalen Signale A und B durch die zur Bestimmung der Drehrichtung
dienende Einrichtung 44 ausgewertet werden. Beispielsweise
kann durch einen Vergleich der beiden Signale A und B unter Berücksichtigung
der Phasendifferenz von 90° aus
diesen digitalen Signalen die Drehrichtung des Rotors 14 ermittelt
werden.For determining the direction of rotation of the sensor magnet 82 and thus the rotor 14 For example, the digital signals A and B may be detected by the means for determining the direction of rotation 44 be evaluated. For example, by comparing the two signals A and B taking into account the phase difference of 90 ° from these digital signals, the direction of rotation of the rotor 14 be determined.
Darüber hinaus
kann aus den digitalen Signalen A und B unter Verwendung des Z-Signals
ein Absolutwert für
die elektrische Umdrehung des Sensormagneten 82 und somit
des Rotormagneten 13 berechnet werden, da das Z-Signal
zur Nullpunkt-Findung geeignet ist. Bei einer Ausgestaltung des
Sensormagneten 82 mit SP = 2 Sensorpolen entspricht dieser
elektrische Absolutwert dem Absolutwert für die mechanische Umdrehung
des Sensormagneten 82, und jedem Drehwinkel des Rotors 14 kann
somit unabhängig
von der Polzahl RP des Rotormagneten 14 ein eindeutiger
Wert zugeordnet werden.In addition, from the digital signals A and B using the Z signal, an absolute value for the electric rotation of the sensor magnet 82 and thus the rotor magnet 13 calculated because the Z signal is suitable for zero-point finding. In one embodiment of the sensor magnet 82 with SP = 2 sensor poles this electrical absolute value corresponds to the absolute value for the mechanical rotation of the sensor magnet 82 , and every angle of rotation of the rotor 14 can thus be independent of the number of poles RP of the rotor magnet 14 be assigned a unique value.
Bei
Sensormagneten mit einer Sensorpolzahl SP, welche größer als
die Rotorpolzahl RP ist, kann der Drehwinkel direkt nach dem Einschalten des
Motors ohne eine Ergänzung
der Vorrichtung weder elektrisch bezüglich des Rotors noch mechanisch exakt
angegeben werden, sondern es muss erst eine Initialisierung durchgeführt werden,
um einen definierten Anfangszustand zu erreichen. Dies ist bei sicherheitsrelevanten
Anwendungen oft nicht tolerierbar.In the case of sensor magnets having a sensor pole number SP which is greater than the rotor pole number RP, the angle of rotation can not be specified electrically with respect to the rotor or mechanically exactly directly after switching on the motor without supplementing the device, but initialization must first be carried out to reach a defined initial state. This is often not tolerated in safety-related applications bar.
2 zeigt
einen Schnitt durch die Drehachse 85 eines schematisch
dargestellten Außenläufermotors 10'. Dieser weist
ein Lagerrohr 20 auf, in dem die Welle 87' durch zwei
Radiallager 22, 24 gelagert ist. Das Lagerrohr 20 hat
unten einen Flansch 21. Auf dem Lagerrohr 20 ist
der Stator 12 befestigt. An der Welle 87 ist eine
Rotorglocke 15 befestigt, und in ihr ist der permanentmagnetische
Rotormagnet 13 befestigt, so dass er dem Stator 12 gegenüberliegt
und mit diesem in Wechselwirkung treten kann. 2 shows a section through the axis of rotation 85 a schematically illustrated external rotor motor 10 ' , This has a bearing tube 20 on, in which the wave 87 ' through two radial bearings 22 . 24 is stored. The bearing tube 20 has a flange below 21 , On the bearing tube 20 is the stator 12 attached. At the wave 87 is a rotor bell 15 attached, and in it is the permanent magnetic rotor magnet 13 fastened so that he is the stator 12 opposite and can interact with it.
Am
Lagerrohr 20 ist eine Leiterplatte 26 mit elektrischen
und elektronischen Bauteilen 28 angeordnet. An der Leiterplatte 26 ist
die – ebene – Leiterplatte 468 (1)
mit dem analogen Rotorstellungssensor 465 und dem digitalen
Rotorstellungssensor 52 sowie den – nicht dargestellten – Rotorstellungssensoren 460, 54, 56 angebracht,
so dass die Leiterplatte 468 parallel zur Drehachse 85 verläuft. Die
Anordnung der Rotorstellungssensoren 460, 465, 52, 54, 56 auf
der Leiterplatte 468 ermöglicht eine einfache und günstige Montage.
Dabei werden die Rotorstellungssensoren 460, 465, 52, 54, 56 bevorzugt
auf der Seite der Leiterplatte 468 angeordnet, die dem Sensormagneten 82 gegenüberliegt,
um eine Beeinflussung des magnetischen Flusses B durch die Leiterplatte 468 zu
verringern.At the bearing tube 20 is a circuit board 26 with electrical and electronic components 28 arranged. On the circuit board 26 is the - level - circuit board 468 ( 1 ) with the analog rotor position sensor 465 and the digital rotor position sensor 52 and the - not shown - rotor position sensors 460 . 54 . 56 attached so that the circuit board 468 parallel to the axis of rotation 85 runs. The arrangement of the rotor position sensors 460 . 465 . 52 . 54 . 56 on the circuit board 468 allows easy and cheap installation. In the process, the rotor position sensors become 460 . 465 . 52 . 54 . 56 preferably on the side of the circuit board 468 arranged to the sensor magnet 82 opposite, to influence the magnetic flux B through the circuit board 468 to reduce.
Der
schematisch dargestellte Sensormagnetring 69 mit dem Sensormagneten 82 ist
verdrehsicher auf der Welle 87 derart angeordnet, dass
die Rotorstellungssensoren 460, 465, 52, 54, 56 im
zylindrischen Umfangsbereich 30 des Sensormagneten 82 liegen.
Da der Sensormagnetring 69 in diesem Ausführungsbeispiel
innerhalb des Lagerrohrs 20 liegt, ist das zwischen dem
Sensormagnetring 69 und den Rotorstellungssensoren 460, 465, 52, 54, 56 liegende
Lagerrohr 20 bevorzugt aus einem magnetisch nichtleitenden
Material, wie z.B. Aluminium oder Kunststoff, gefertigt. Alternativ
könnte
der Sensormagnetring 69 auch außerhalb des Lagerrohres 20 angeordnet
werden, z.B. in 2 unterhalb des Flanschs 21,
doch wird die dargestellte Anordnung bevorzugt.The schematically illustrated sensor ring 69 with the sensor magnet 82 is twist-proof on the shaft 87 arranged such that the rotor position sensors 460 . 465 . 52 . 54 . 56 in the cylindrical peripheral region 30 of the sensor magnet 82 lie. Because the sensor ring magnet 69 in this embodiment, within the bearing tube 20 is that between the sensor ring 69 and the rotor position sensors 460 . 465 . 52 . 54 . 56 lying bearing tube 20 preferably made of a magnetically non-conductive material, such as aluminum or plastic. Alternatively, the sensor ring could be 69 also outside of the bearing tube 20 be arranged, eg in 2 below the flange 21 However, the arrangement shown is preferred.
Die
analogen Sensoren 465 etc. liegen dort, wo eine zur Drehachse 85 senkrecht
verlaufende erste Ebene 470 die Leiterplatte 468 schneidet.
Die digitalen Sensoren 52 etc. liegen dort, wo eine zur
Drehachse 85 senkrecht verlaufende zweite Ebene 472 die
Leiterplatte 468 schneidet. Die Ebene 470 schneidet
die Leiterplatte 468 längs
einer Linie, die in 10 mit L bezeichnet ist, und
die Ebene 472 schneidet die Leiterplatte 468 längs einer
Linie, die in 10 mit G bezeichnet ist. Die
betreffenden Hallsensoren sind auf diesen Linien L bzw. G angeordnet,
wie das 10 zeigt.The analog sensors 465 etc. are where one to the axis of rotation 85 vertical first level 470 the circuit board 468 cuts. The digital sensors 52 etc. are where one to the axis of rotation 85 vertical second level 472 the circuit board 468 cuts. The level 470 cuts the circuit board 468 along a line that goes into 10 denoted by L, and the plane 472 cuts the circuit board 468 along a line that goes into 10 is denoted by G. The respective Hall sensors are arranged on these lines L and G, as the 10 shows.
Wie 2 zeigt,
verläuft
die Ebene 470 bevorzugt durch den Sensormagnet 82,
damit die analogen Hallsensoren auf der Leiterplatte 468 nicht
im Streuflussbereich des Sensormagneten 82 liegen, sondern
dort, wo dieser magnetische Fluss am größten ist.As 2 shows, the plane passes 470 preferably by the sensor magnet 82 , so that the analog Hall sensors on the circuit board 468 not in the stray flux region of the sensor magnet 82 but where the magnetic flux is greatest.
Auch
die Ebene 472 verläuft – aus dem
gleichen Grund – bevorzugt
durch den Sensormagneten 82.Also the plane 472 runs - for the same reason - preferably by the sensor magnet 82 ,
Die
Welle 87 wird bevorzugt aus einem magnetisch leitenden
Werkstoff gefertigt, beispielsweise einem ferromagnetischen Stahl,
damit sie als magnetischer Rückschluss
für den
Sensormagneten 82 wirken kann. Jedoch ist auch eine Welle
aus einem magnetisch nichtleitenden Werkstoff, z.B. rostfreiem Stahl
oder Kunststoff, möglich.The wave 87 is preferably made of a magnetically conductive material, such as a ferromagnetic steel, so that they serve as a magnetic conclusion for the sensor magnet 82 can work. However, a shaft made of a magnetically non-conductive material, such as stainless steel or plastic, is possible.
Eine
Besonderheit der Anordnung von 2 ist, dass
weder der Sensormagnet 82 noch die Rotorstellungssensoren 460, 465, 52, 54, 56 an
einem Wellenende bzw. in der Verlängerung der Wellenenden 87' 87'' angeordnet sind, sondern dass
beide Wellenenden 87', 87'' frei sind und genutzt werden können. Man
kann dementsprechend von einer dezentralen Anordnung sprechen, und
diese ermöglicht neue
Anwendungen. Insbesondere Anwendungen, bei denen beide Wellenenden 87', 87'' des Elektromotors zum Antrieb
benötigt
werden, können
also mit einer erfindungsgemäßen Drehwinkelsensorvorrichtung
versehen werden.A special feature of the arrangement of 2 is that neither the sensor magnet 82 nor the rotor position sensors 460 . 465 . 52 . 54 . 56 at a shaft end or in the extension of the shaft ends 87 ' 87 '' are arranged, but that both shaft ends 87 ' . 87 '' are free and can be used. Accordingly, one can speak of a decentralized arrangement, and this allows new applications. In particular, applications where both shaft ends 87 ' . 87 '' the electric motor required for driving, so can be provided with a rotation angle sensor device according to the invention.
Bei
einem – nicht
dargestellten – Innenläufermotor
oder einem Lüfter
kann der Sensormagnetring 69 in gleicher Weise auf der
Welle angeordnet werden. Die erfindungsgemäße Drehwinkelsensorvorrichtung
ist somit universell einsetzbar.In a - not shown - internal rotor motor or a fan, the sensor ring 69 be arranged in the same way on the shaft. The rotation angle sensor device according to the invention is thus universally applicable.
3 zeigt
einen vierpoligen Sensormagneten 102, bei dem die einzelnen
Pole homogen und in eine Richtung magnetisiert sind. Die Magnetisierung ist
mit 103 bezeichnet. Die resultierende magnetische Flussdichte
B am Umfang ist unten über
den mechanischen und den elektrischen Drehwinkel aufgetragen, und
es ergibt sich ein trapezförmiger
Verlauf der magnetischen Flussdichte B. Wegen der Plateaus 101 ist
eine Auswertung in der Mitte der Pole schwierig. 3 shows a four-pole sensor magnet 102 in which the individual poles are magnetized homogeneously and in one direction. The magnetization is with 103 designated. The resulting magnetic flux density B at the periphery is plotted below over the mechanical and electrical angles of rotation, resulting in a trapezoidal shape of the magnetic flux density B. Because of the plateaus 101 is an evaluation in the middle of the pole difficult.
4 zeigt
einen vierpoligen Sensormagneten 104 mit einer Magnetisierung,
die als polorientiert und lateral (im Gegensatz zu einer ebenfalls
möglichen
axialen Magnetisierung) bezeichnet werden kann. Die Magnetisierung 105 verläuft bogenförmig durch
den Magneten. Die am Umfang gemessene magnetische Flussdichte ist
analog zu 3 aufgetragen. Es ergibt sich
ein im Wesentlichen sinusförmiger
Verlauf der magnetischen Flussdichte B, der besonders gut zur Auswertung
geeignet ist. 4 shows a four-pole sensor magnet 104 with a magnetization that can be termed pole-oriented and lateral (in contrast to an equally possible axial magnetization). The magnetization 105 runs arcuately through the magnet. The magnetic flux density measured at the circumference is analogous to 3 applied. The result is a substantially sinusoidal course of the magnetic flux density B, which is particularly well suited for evaluation.
5 zeigt
eine Draufsicht auf den Sensormagnetring 69 der 2 und 6 einen
Schnitt durch den Sensormagnetring 69, der auf der Welle 87 befestigt
ist. Der Sensormagnetring 69 weist den Sensormagneten 82 mit
den vier Sensorpolen 71, 72, 73 und 74,
einen Metallring 107 und einen die Sensorpole 71 bis 74 mit
dem Metallring 107 verbindenden Kunststoffring 109 auf. 5 shows a plan view of the sensor ring 69 of the 2 and 6 a section through the sensor ring 69 that on the shaft 87 is attached. The sensor ring 69 indicates the sensor magnet 82 with the four sensor poles 71 . 72 . 73 and 74 , a metal ring 107 and one the sensor poles 71 to 74 with the metal ring 107 connecting plastic ring 109 on.
Der
Metallring 107 sitzt auf der Welle 87 und ist
mit dieser drehfest verbunden. Bevorzugt wird für den Metallring 107 Messing
verwendet. Der Kunststoff 109 wird beispielsweise über ein
Spritzgussverfahren zwischen den Metallring 107 und den
Sensormagneten 82 gebracht, um diese zu verbinden und gleichzeitig
einen Ausgleich für
Spannungen zu schaffen, die durch thermische Ausdehnung entstehen
könnten
und die sonst zu einer Sprengung des Sensormagnetrings 82 führen könnten.The metal ring 107 sits on the shaft 87 and is connected to this rotation. It is preferred for the metal ring 107 Brass used. Plastic 109 is, for example, via an injection molding process between the metal ring 107 and the sensor magnet 82 brought to connect them and at the same time to compensate for stresses that could be caused by thermal expansion and otherwise to a blowing of the sensor magnet ring 82 could lead.
Der
Außendurchmesser
des Sensormagnetrings 82 ist mit 112 bezeichnet
und beträgt
beispielsweise 37 mm. Der Außendurchmesser
liegt bevorzugt im Bereich 15 mm bis 50 mm, weiter bevorzugt im
Bereich 20 bis 40 mm. Der Innendurchmesser des Sensormagneten 82 bzw.
der Außendurchmesser des
Kunststoffrings 109 ist mit 110 bezeichnet und beträgt beispielsweise
27 mm. Der Innendurchmesser des Kunststoffrings 109 bzw.
der Außendurchmesser
des Metallrings 107 ist mit 108 bezeichnet und
beträgt
beispielsweise 20 mm. Der Durchmesser der Welle 87 ist
mit 114 bezeichnet, und er beträgt beispielsweise 8 mm. Bevorzugte
Werte für
den Durchmesser 114 der Welle liegen im Bereich 5 mm bis
15 mm, es sind jedoch je nach Motorgröße größere und kleinere Durchmesser
möglich.The outer diameter of the sensor magnet ring 82 is with 112 denotes and is for example 37 mm. The outer diameter is preferably in the range of 15 mm to 50 mm, more preferably in the range 20 up to 40 mm. The inner diameter of the sensor magnet 82 or the outer diameter of the plastic ring 109 is with 110 denotes and is for example 27 mm. The inner diameter of the plastic ring 109 or the outer diameter of the metal ring 107 is with 108 denotes and is for example 20 mm. The diameter of the shaft 87 is with 114 and it is for example 8 mm. Preferred values for the diameter 114 the shaft is in the range 5 mm to 15 mm, but larger and smaller diameters are possible depending on the size of the motor.
Der
Innendurchmesser des Metallrings 107 ist bevorzugt so gewählt, dass
eine gute Verbindung mit der Welle 87 entsteht. Die Verwendung
eines inneren Metallrings 107 ist vorteilhaft, da der Sensormagnet 82 in
einer oder mehreren Standardgrößen gefertigt
werden kann und die Anpassung des Sensormagnetrings 69 an
die Welle 87 über
eine in der Herstellung günstige Änderung
des Innendurchmessers 114 des Metallrings 107 erfolgen
kann.The inner diameter of the metal ring 107 is preferably chosen so that a good connection with the shaft 87 arises. The use of an inner metal ring 107 is advantageous because the sensor magnet 82 can be manufactured in one or more standard sizes and the adjustment of the sensor magnet ring 69 to the wave 87 about a favorable in the production of the change in the inner diameter 114 of the metal ring 107 can be done.
Die
Breite des Magnetmaterials 71 bis 74 ist mit 116 bezeichnet.
Die Breite 116 des Sensormagneten 69 beträgt beispielsweise
7 mm. Die Breite für einen
reinen Sensormagneten, der also nicht gleichzeitig als Rotormagnet
dient, liegt bevorzugt im Bereich 3 mm bis 20 mm, weiter bevorzugt
im Bereich 5 mm bis 15 mm, und besonders bevorzugt im Bereich 6
mm bis 12 mm.The width of the magnetic material 71 to 74 is with 116 designated. The width 116 of the sensor magnet 69 is for example 7 mm. The width for a pure sensor magnet, which therefore does not simultaneously serve as a rotor magnet, is preferably in the range 3 mm to 20 mm, more preferably in the range 5 mm to 15 mm, and particularly preferably in the range 6 mm to 12 mm.
Die
Sensorpolzahl SP beträgt
bevorzugt SP = 2, 4, 6 oder 8 und besonders bevorzugt SP = 2 oder 4.The
Sensor pole number SP is
preferably SP = 2, 4, 6 or 8 and more preferably SP = 2 or 4.
In
Anwendungsfällen,
in denen der Sensormagnetring 69 in einer korrosiven Umgebung
angeordnet ist, kann er zusätzlich
von einem – bevorzugt magnetisch
nichtleitenden – korrosionsbeständigen Material
umgeben werden. So ist es beispielsweise möglich, den Sensormagneten in
magnetisch nichtleitendem Edelstahl einzuschweißen. Mit einem solchen Sensormagnetring 69 kann
beispielsweise ein Nassläufer
realisiert werden, bei dem die Welle von Kühlflüssigkeit umgeben ist.In applications where the sensor magnet ring 69 is arranged in a corrosive environment, it may additionally be surrounded by a - preferably magnetically non-conductive - corrosion-resistant material. For example, it is possible to weld the sensor magnet in magnetically non-conductive stainless steel. With such a sensor magnet ring 69 For example, a wet rotor can be realized in which the shaft is surrounded by coolant.
7 zeigt
eine detaillierte Darstellung des Magnetfelds bzw. der magnetischen
Flusslinien des ringförmigen
Sensormagneten 82 der 1. 7 shows a detailed representation of the magnetic field or the magnetic flux lines of the annular sensor magnet 82 of the 1 ,
Der
Sensormagnet 82 ist vierpolig ausgeführt und weist die zwei Nordpole 72, 74 (N)
und die zwei Südpole 71, 73 (S)
auf. Der Sensormagnet 82 ist sinusförmig magnetisiert, sodass sich
an seinem äußeren Umfang
ein im Wesentlichen sinusförmiger magnetischer
Flussverlauf ergibt. Der durch die Magnetisierung bestimmte magnetische
Flussverlauf zwischen den einzelnen Magnetpolen 71, 72, 73, 74 ist
durch entsprechende magnetische Feldlinien 75 angedeutet.The sensor magnet 82 is four-pole and has the two north poles 72 . 74 (N) and the two south poles 71 . 73 (S) up. The sensor magnet 82 is magnetized sinusoidally, so that at its outer periphery results in a substantially sinusoidal magnetic flux profile. The magnetic flux characteristic between the individual magnetic poles determined by the magnetization 71 . 72 . 73 . 74 is through appropriate magnetic field lines 75 indicated.
Der
Sensormagnet 82 hat bevorzugt eine im Wesentlichen zylindrische
Form. Als Magnetwerkstoff ist beispielsweise ein Hartferrid-Compound 13/22p
nach DIN 17 410 geeignet.The sensor magnet 82 preferably has a substantially cylindrical shape. As a magnetic material, for example, a Hartferrid compound 13 / 22p according to DIN 17 410 is suitable.
8 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild 600 mit den digitalen Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 und
den analogen Rotorstellungssensoren 460 und 465 von 1,
welche über
die Leitungen 473 bzw. 475 mit dem Signalgenerator 90 verbunden
sind. Im Gegensatz zu 1 ist in 8 zwischen
den analogen Rotorstellungssensoren 460 und 465 und
dem Signalgenerator 90 eine Einrichtung ADJUST 620 angeordnet,
welche zur Anpassung der analogen Rotorstellungssignale B_S1 und
B_S2 zur Verwendung durch den Signalgenerator 90 dient.
Dort können
die Signale B_S1 und B_S2, falls erforderlich, so justiert werden,
dass sie denselben Offset und die gleich Amplitude haben. Hierdurch
wird die Messgenauigkeit erhöht.
Eine entsprechende Schaltung ist z.B. bekannt aus der WO 2004/001341
A1 (PCT 266), auf deren Inhalt der Kürze halber Bezug genommen wird. 8th shows a simplified circuit diagram 600 with the digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 and the analog rotor position sensors 460 and 465 from 1 , which over the lines 473 respectively. 475 with the signal generator 90 are connected. In contrast to 1 is in 8th between the analog rotor position sensors 460 and 465 and the signal generator 90 a facility ADJUST 620 arranged to adapt the analog rotor position signals B_S1 and B_S2 for use by the signal generator 90 serves. There, the signals B_S1 and B_S2, if necessary, can be adjusted so that they have the same offset and the same amplitude. This increases the measurement accuracy. A corresponding circuit is known, for example, from WO 2004/001341 A1 (PCT 266), to the contents of which reference is made for the sake of brevity.
8 zeigt
beispielhaft die Verwendung eines Signalgenerators vom Typ iC-NV
der Firma iC-Haus.
Dieser Signalgenerator 90 dient zur Erzeugung der Signale
A, B und Z. Seine Anschlüsse
sind wie folgt bezeichnet:
- 681 ... PSIN
- 682 ... PCOS
- 652 ... Vcc
- 654 ... VDD
- 661 ... A
- 662 ... B
- 663 ... Z
- 671 ... PZERO
- 672 ... SF1
- 674 ... SFO
- 685 ... NZERO
- 686 ... GNDA
- 687 ... GND (Masse)
- 688 ... SG1
- 689 ... SG0
- 691 ... NSIN
- 692 ... NCOS
- 693 ... VREF
- 697 ... RCLK
- 699 ... NROT
8th shows by way of example the use of a signal generator of the type iC-NV from iC-Haus. This signal generator 90 is used to generate the signals A, B and Z. Its connections are designated as follows: - 681 ... PSIN
- 682 ... PCOS
- 652 ... Vcc
- 654 ... VDD
- 661 ... A
- 662 ... B
- 663 ... Z
- 671 ... PZERO
- 672 ... SF1
- 674 ... SFO
- 685 ... NZERO
- 686 ... GNDA
- 687 ... GND (mass)
- 688 ... SG1
- 689 ... SG0
- 691 ... NSIN
- 692 ... NCOS
- 693 ... VREF
- 697 ... RCLK
- 699 ... NROT
Die
Signale von den Eingängen 681, 691 werden
einem Modul 607 INPUT SIN zugeführt. Analog werden die Signale
von den Eingängen 682, 692 einem
Modul 608 in INPUT COS zugeführt. Die Signale von den Eingängen 671, 685 werden
einem Modul 609 INPUT ZERO zugeführt, und am Ausgang 693 eines
Moduls 610 (VREF) liegt eine Referenzspannung VREF.The signals from the inputs 681 . 691 become a module 607 INPUT SIN fed. The signals from the inputs become analog 682 . 692 a module 608 supplied in INPUT COS. The signals from the inputs 671 . 685 become a module 609 INPUT ZERO fed, and at the exit 693 a module 610 (VREF) is a reference voltage VREF.
Mit 601 ist
ein Modul CONVERSION CORE bezeichnet 602 ist ein Modul
GAIN SELECT zur Einstellung der Verstärkung, und 603 ist
ein Modul STEP/CYCLE SELECT. 604 ist ein Modul TRANSITION
DISTANCE CONTROL, 605 ist ein Modul DIGITAL PROCESSING
für die
digitale Verarbeitung, und 606 ist ein Modul TRANSITION
DISTANCE PRESET.With 601 is a module called CONVERSION CORE 602 is a module GAIN SELECT for setting the gain, and 603 is a module STEP / CYCLE SELECT. 604 is a module TRANSITION DISTANCE CONTROL, 605 is a DIGITAL PROCESSING module for digital processing, and 606 is a module TRANSITION DISTANCE PRESET.
Der
Signalgenerator 90 hat also eine Vielzahl von Anschlüssen und
Modulen für
eine Verarbeitung des Sinussignals B_S1 und des Cosinussignals B_S2,
um aus diesen die digitalen Signale A, B und Z zu erzeugen. Wie 8 zeigt,
ist der Signalgenerator 90 über seinen Anschluss PSIN 681 mit
der Leitung 473 für
das Sinussignal B_S1 und über
seinen Anschluss PCOS 682 mit der Leitung 475 für das Cosinussignal
B_S2 verbunden. Über
seine Anschlüsse VCC 652 und
VDD 654 ist der Signalgenerator 90 an eine Betriebsspannung
+U_B von vorzugsweise +5 V angeschlossen, welche über eine
Parallelschaltung von einem ersten Kondensator 622 mit
vorzugsweise 100 nF und einem zweiten Kondensator 624 mit vorzugsweise
10 μF zur
Spannungsglättung
mit Masse verbunden ist. Die Betriebsspannung +U_B ist ebenfalls über die
Anschlüsse
PZERO 671, SF1 672 und SF0 674 des Signalgenerators 90 an
diesen angeschlossen. Die Anschlüsse
NZERO 685, GNDA 686, GND 687, SG1 688 und
SG0 689 des Signalgenerators 90 sind mit Masse
verbunden, und seine Anschlüsse
NSIN 691, NCOS 692 und VREF 693 sind jeweils
miteinander verbunden. Der Anschluss ROT 699 ist nicht
belegt, und der Anschluss RCLK 697 ist über einen Widerstand 698 von
vorzugsweise 500 kOhm mit Masse verbunden. An den Anschlüssen A 661,
B 662 und Z 663 des Signalgenerators 90 werden
die digitalen Signale A, B und Z ausgegeben.The signal generator 90 Thus, it has a plurality of terminals and modules for processing the sine signal B_S1 and the cosine signal B_S2 to generate therefrom the digital signals A, B and Z. As 8th shows is the signal generator 90 about its connection PSIN 681 with the line 473 for the sine signal B_S1 and via its connection PCOS 682 with the line 475 for the cosine signal B_S2 connected. Via its connections VCC 652 and VDD 654 is the signal generator 90 connected to an operating voltage + U_B of preferably +5 V, which via a parallel connection of a first capacitor 622 with preferably 100 nF and a second capacitor 624 with preferably 10 μF is connected to the voltage smoothing to ground. The operating voltage + U_B is also via the connections PZERO 671 , SF1 672 and SF0 674 the signal generator 90 connected to this. The connections NZERO 685 , GNDA 686 , GND 687 , SG1 688 and SG0 689 the signal generator 90 are connected to ground, and its connections NSIN 691 , NCOS 692 and VREF 693 are each connected to each other. The connection RED 699 is not occupied, and the connection RCLK 697 is about a resistance 698 of preferably 500 kOhm connected to ground. At the connections A 661 , B 662 and Z 663 the signal generator 90 The digital signals A, B and Z are output.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird der Signalgenerator 90 durch einen Interpolator
iC-NV 6-Bit Sin/D Flash-Converter der Firma iC-Haus realisiert.
Deshalb wird auf eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise
des Signalgenerators 90 zur Erzeugung der digitalen Signale
A, B und Z verzichtet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auch
andere kommerziell verfügbare Signalgeneratoren
oder speziell angefertigte Schaltungen zur Erzeugung der digitalen
Signale A, B und Z verwendbar sind.According to a preferred embodiment of the invention, the signal generator 90 realized by an interpolator iC-NV 6-bit Sin / D Flash Converter from iC-Haus. Therefore, a detailed description of the operation of the signal generator 90 dispensed with generating the digital signals A, B and Z. It should be understood, however, that other commercially available signal generators or custom circuits may be used to generate digital signals A, B and Z.
8 zeigt
auch eine bevorzugte Schaltung für
die digitalen Rotorstellungssensoren 52, 54, 56. Der
Sensor 52 ist ausgangsseitig über eine Leitung 611,
welche über
einen Widerstand 636 von vorzugsweise 4,7 kOhm mit der
Betriebsspannung +U_B verbunden ist, mit der – nicht dargestellten – Eingabeeinrichtung 40 von 1 zur Übertragung
eines digitalen Rotorstellungssignals Hall1 verbunden. Analog hierzu
ist der Sensor 56 ausgangsseitig über eine Leitung 613,
welche über
einen Widerstand 640 von vorzugsweise 4,7 kOhm mit der
Betriebsspannung +U_B verbunden ist, ebenfalls mit der Eingabeeinrichtung 40 verbunden,
zur Übertragung
eines digitalen Rotorstellungssignals Hall3. Der Sensor 54 ist ausgangsseitig
mit einem Punkt 617 verbunden. Dieser ist über einen
Widerstand 632 von vorzugsweise 4,7 kOhm mit der Betriebsspannung
+U_B verbunden. Weiterhin ist der Punkt 617 mit der Basis
eines Bipolartransistors 634 verbunden. Der Emitter und der
Kollektor des Bipolartransistors 634 sind mit Masse bzw.
einer Leitung 612 mit einem Punkt 619 zur Übertragung
eines digitalen Rotorstellungssignals Hall2 verbunden. Der Punkt 619 ist über einen
Widerstand 638 von vorzugsweise 4,7 kOhm mit +U_B verbunden.
Durch diese Schaltung erfolgt eine Invertierung des Signals Hall2.
Sofern die Signale Hall1, Hall2 und Hall3 einen anderen Pegel als
die Betriebsspannung +U_B haben sollen, können die Widerstände 636, 638, 640 mit
einer entsprechend angepassten Spannung verbunden werden. 8th also shows a preferred circuit for the digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 , The sensor 52 is on the output side via a line 611 which have a resistance 636 of preferably 4.7 kOhm is connected to the operating voltage + U_B, with the - not shown - input device 40 from 1 connected to transmit a digital rotor position signal Hall1. Analogous to this is the sensor 56 on the output side via a line 613 which have a resistance 640 of preferably 4.7 kOhm is connected to the operating voltage + U_B, also with the input device 40 connected to transmit a digital rotor position signal Hall3. The sensor 54 is output with a dot 617 connected. This one is about a resistance 632 of preferably 4.7 kOhm connected to the operating voltage + U_B. Further, the point is 617 with the base of a bipolar transistor 634 connected. The emitter and the collector of the bipolar transistor 634 are with ground or a line 612 with a point 619 connected to transmit a digital rotor position signal Hall2. The point 619 is about a resistance 638 of preferably 4.7 kOhm connected to + U_B. By this circuit, an inversion of the signal Hall2. If the signals Hall1, Hall2 and Hall3 should have a different level than the operating voltage + U_B, the resistors 636 . 638 . 640 be connected with a correspondingly adapted voltage.
Wie
aus einer Detailansicht 610 der 8 ersichtlich
ist, ist jeder der Rotorstellungssensoren 460, 465, 52, 54, 56 eingangsseitig
ebenfalls an die Betriebsspannung +U_B angeschlossen, welche jeweils über einen
Kondensator 629 von vorzugsweise 100 nF zur Spannungsglättung mit
Masse verbunden ist.Like from a detail view 610 of the 8th As can be seen, each of the rotor position sensors 460 . 465 . 52 . 54 . 56 On the input side also connected to the operating voltage + U_B, each via a capacitor 629 of preferably 100 nF for voltage smoothing is connected to ground.
9 zeigt
den vierpoligen Sensormagneten 82 und die drei digitalen
Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 von 1 in
einer Anordnung gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung. Hierbei sind die Sensoren 52, 54, 56 in
einer Ebene angeordnet, welche parallel zur Drehachse 85 des
Sensormagneten 82 verläuft.
In dieser Ebene sind die digitalen Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 auf
der parallel zu einer Tangente an den Sensormagneten 82 verlaufenden
Geraden G derart zueinander angeordnet, dass die resultierenden
Rotorstellungssignale eine Phasendifferenz von 60° el. aufweisen.
Somit erzeugen die Sensoren 52, 54, 56 pro
mechanischer Umdrehung des Sensormagneten 82 jeweils 12
Impulse. 9 shows the four-pole sensor magnet 82 and the three digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 from 1 in an arrangement according to a preferred embodiment of the invention. Here are the sensors 52 . 54 . 56 arranged in a plane which is parallel to the axis of rotation 85 of the sensor magnet 82 runs. In this level are the digi talen rotor position sensors 52 . 54 . 56 on the parallel to a tangent to the sensor magnet 82 extending straight line G arranged to each other such that the resulting rotor position signals have a phase difference of 60 ° el. Thus, the sensors generate 52 . 54 . 56 per mechanical revolution of the sensor magnet 82 12 pulses each.
In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
beträgt
der Abstand d des mittleren Rotorstellungssensors 54 von
dem äußeren Umfang
des Sensormagneten 82 d = 5 mm. Der Abstand a des in 9 links dargestellten
Sensors 56 sowie der Abstand b des in 9 rechts
dargestellten Sensors 52 von dem mittleren Sensor 54 beträgt a = b
= 7,34 mm. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass diese Maße sich
auf die oben beschriebenen Sensortypen und Abmessungen bzw. Polarisierung
des Sensormagneten 82 beziehen und somit in Abhängigkeit
hiervon variieren können.In the preferred embodiment, the distance d of the mean rotor position sensor is 54 from the outer circumference of the sensor magnet 82 d = 5 mm. The distance a of in 9 left illustrated sensor 56 as well as the distance b of in 9 right illustrated sensor 52 from the middle sensor 54 is a = b = 7.34 mm. It should be noted, however, that these dimensions are based on the sensor types and dimensions or polarization of the sensor magnet described above 82 and thus may vary depending thereon.
10 zeigt
die drei digitalen Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 und
die beiden analogen Rotorstellungssensoren 460 und 465 von 1 in
einer Anordnung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Hierbei sind die Sensoren 52, 54, 56, 460 und 465 in
einer Ebene 471 der Leiterplatte 468 angeordnet,
welche Ebene 471 parallel zur – nicht dargestellten – Drehachse 85 des
Sensormagneten 82 verläuft.
Diese Ebene 471 ist in 2 durch
die Leiterplatte 468 festgelegt und entspricht in 10 der
Blattebene. 10 shows the three digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 and the two analog rotor position sensors 460 and 465 from 1 in an arrangement according to a preferred embodiment of the invention. Here are the sensors 52 . 54 . 56 . 460 and 465 in a plane 471 the circuit board 468 arranged, which level 471 parallel to - not shown - axis of rotation 85 of the sensor magnet 82 runs. This level 471 is in 2 through the circuit board 468 set and corresponds to 10 the leaf level.
In
der Ebene 471 sind die digitalen Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 wie
bei 9 beschrieben auf der Geraden G angeordnet. Die
analogen Rotorstellungssensoren 460 und 465 sind
auf einer ebenfalls parallel zu einer Tangente zu dem Sensormagneten 82 verlaufenden
Geraden L angeordnet, welche darüber
hinaus parallel zur Geraden G verläuft. Die Sensoren sind symmetrisch
zu einer Symmetrieebene 474 angeordnet, welche als gestrichelte
Linie 474 eingezeichnet ist. Im Bereich dieser Linie 474 hat die
Leiterplatte 468 ihren kleinsten Abstand d (9) vom
Sensormagneten 82.In the plane 471 are the digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 as in 9 described arranged on the straight line G. The analog rotor position sensors 460 and 465 are on a likewise parallel to a tangent to the sensor magnet 82 extending straight line L, which also extends parallel to the straight line G. The sensors are symmetrical to a plane of symmetry 474 arranged as dashed line 474 is drawn. In the area of this line 474 has the circuit board 468 their smallest distance d ( 9 ) from the sensor magnet 82 ,
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
der Abstand c der Geraden L von der Geraden G c = 3,01 mm. Der Abstand
x des analogen Sensors 460 von dem analogen Sensor 465 beträgt in diesem Fall
x = 10,54 mm, wobei jeder der Sensoren 460 und 465 gleich
weit von der Drehachse 85 des Sensormagneten 82 entfernt
angeordnet ist. Die Abstände
a und b der digitalen Sensoren 52, 54, 56 voneinander betragen,
wie bei 9 beschrieben, a = b = 7,34 mm.
Es wird jedoch erneut darauf hingewiesen, dass diese Maße sich
auf die oben beschriebenen Sensortypen und Abmessungen bzw. Polarisierung
des Sensormagneten 82 beziehen und somit in Abhängigkeit
hiervon variieren können.
Diese Maße
illustrieren den kompakten Aufbau,In a preferred embodiment, the distance c of the straight line L from the straight line G c = 3.01 mm. The distance x of the analog sensor 460 from the analog sensor 465 is in this case x = 10.54 mm, with each of the sensors 460 and 465 equidistant from the axis of rotation 85 of the sensor magnet 82 is arranged remotely. The distances a and b of the digital sensors 52 . 54 . 56 each other, as in 9 described, a = b = 7.34 mm. However, it is again pointed out that these dimensions are based on the sensor types and dimensions or polarization of the sensor magnet described above 82 and thus may vary depending thereon. These dimensions illustrate the compact design,
11 zeigt
einen beispielhaften zeitlichen Verlauf 1100 der Rotorstellungssignale
B_S1 und B_S2, die von den analogen Rotorstellungssensoren 460 und 465 von 1 erzeugt
werden, sowie der daraus bestimmten digitalen Signale A und B. Gemäß 11 sind
das Sinussignal B_S1 und das Cosinussignal B_S2 sowie die diesen
entsprechenden digitalen Signale A und B jeweils für einen
zeitlichen Ausschnitt dargestellt, welcher eine komplette mechanische
Umdrehung des Sensormagneten 82 bzw. des Rotors 14 des
Elektromotors 10 von 1 umfasst. 11 shows an exemplary time course 1100 the rotor position signals B_S1 and B_S2, from the analog rotor position sensors 460 and 465 from 1 and the digital signals A and B determined therefrom 11 the sinusoidal signal B_S1 and the cosine signal B_S2 as well as the digital signals A and B corresponding to these are respectively shown for a time segment, which represents a complete mechanical revolution of the sensor magnet 82 or the rotor 14 of the electric motor 10 from 1 includes.
Wie
aus 11 ersichtlich ist, weisen einerseits die Rotorstellungssignale
B_S1 und B_S2 und andererseits die digitalen Signale A und B jeweils
einen Phasenversatz von 90° zueinander
auf. Jedes der digitalen Signale A und B umfasst 32 Impulse für die dargestellte
mechanische Umdrehung des Sensormagneten 82.How out 11 can be seen, on the one hand, the rotor position signals B_S1 and B_S2 and on the other hand, the digital signals A and B each have a phase offset of 90 ° to each other. Each of the digital signals A and B comprises 32 pulses for the illustrated mechanical rotation of the sensor magnet 82 ,
12 zeigt
einen weiteren beispielhaften zeitlichen Verlauf 1200 der
Rotorstellungssignale B_S1 und B_S2 sowie der daraus erzeugten digitalen Signale
A und B für
einen zeitlichen Ausschnitt, welcher eine komplette mechanische
Umdrehung des Sensormagneten 82 bzw. des Rotors 14 des
Elektromotors 10 von 1 umfasst.
Im Gegensatz zum zeitlichen Verlauf 1100 von 11 ist
der zeitliche Verlauf 1200 in einem geänderten Maßstab dargestellt. 12 shows a further exemplary time course 1200 the rotor position signals B_S1 and B_S2 and the digital signals A and B generated therefrom for a time segment, which is a complete mechanical revolution of the sensor magnet 82 or the rotor 14 of the electric motor 10 from 1 includes. In contrast to the time course 1100 from 11 is the time course 1200 shown in a different scale.
Darüber hinaus
zeigt der zeitliche Verlauf 1200 ein beispielhaftes Z-Signal,
welches bevorzugt aus den Rotorstellungssignalen B_S1 und B_S2 ermittelt
wird. Wie aus 12 ersichtlich ist, ändert das Signal
Z immer dann seinen Wert von „NIEDRIG" auf „HOCH" oder umgekehrt,
wenn die Signale B_S1 und B_S2 den gleichen Wert aufweisen.In addition, the time course shows 1200 an exemplary Z signal, which is preferably determined from the rotor position signals B_S1 and B_S2. How out 12 is apparent, the signal Z always changes its value from "LOW" to "HIGH" or vice versa, when the signals B_S1 and B_S2 have the same value.
13 zeigt
einen beispielhaften zeitlichen Verlauf 1300 des Rotorstellungssignals
B_S1 sowie der Rotorstellungssignale Hall1, Hall2 und Hall3, die von
den digitalen Rotorstellungssensoren 52, 54, 56 (8)
erzeugt werden. Gemäß 13 sind
die Signale B_S1, Hall1, Hall2, Hall3 für einen zeitlichen Ausschnitt
dargestellt, welcher eine komplette mechanische Umdrehung des Sensormagneten 82 bzw. des
Rotors 14 des Elektromotors 10 von 1 umfasst. 13 shows an exemplary time course 1300 the rotor position signal B_S1 and the rotor position signals Hall1, Hall2 and Hall3, from the digital rotor position sensors 52 . 54 . 56 ( 8th ) be generated. According to 13 the signals B_S1, Hall1, Hall2, Hall3 are shown for a temporal excerpt, which is a complete mechanical revolution of the sensor magnet 82 or the rotor 14 of the electric motor 10 from 1 includes.
Wie 13 zeigt,
weisen die Rotorstellungssignale Hall1, Hall2, Hall3 jeweils einen
Phasenversatz von 60° zueinander
auf. Dieser Phasenversatz wird in dem beispielhaften zeitlichen
Verlauf 1400 von 14 durch
einen geänderten
Maßstab
verdeutlicht.As 13 shows, the rotor position signals Hall1, Hall2, Hall3 each have a phase offset of 60 ° to each other. This phase offset is in the exemplary time course 1400 from 14 illustrated by a changed scale.
Durch
die Erfindung gelingt es, mit minimalem Aufwand Signale A, B zu
erzeugen, die auch bei niedrigen Drehzahlen eine sehr exakte fortlaufende Erfassung
der Drehzahl und eine exakte Regelung niedriger Drehzahlen ermöglichen.By
The invention succeeds with minimal effort signals A, B too
generate, even at low speeds, a very accurate continuous detection
allow the speed and an accurate control of low speeds.
Naturgemäß sind im
Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen
möglich.By nature are in the
Under the present invention multiple modifications and modifications
possible.