DE29500014U1 - Drehzahlregler für einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor - Google Patents

Drehzahlregler für einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Description

I 203 PA Schönherr/Serwe
Bes ch re i bung
Anmelder: Industrial Technology Research Institute
195, Chung Hsing Rd., See. 4, Chutung, Hsinchu Taiwan, R.O.C.
Bezeichnung: Drehzahlregler für einen bürstenlosen
Gleichstrom-Motor
Die Neuerung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor, insbesondere einen Drehzahlregler für einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor zur Steuerung der Motordrehzahl.
Es ist bekannt, bei bürstenlosen Gleichstrom-Motoren einen Tachometer oder einen Kodierer als Drehzahlgeber zu verwenden, um eine Drehzahlsteuerung zu ermöglichen. Wird in Verbindung mit einem analogen Treiber zum Antrieb des bürstenlosen Gleichstrom-Motors ein Gleichstrom-Tachometer als Drehzahlgeber verwendet, so werden das Rückkopplungssignal und das analoge Drehzah Isteuersigna I der Drehzahlsteuerung ständig zugeführt. Wird ein Kodierer als Drehzahlgeber benutzt, so ist das Einganssignal eine Serie von Pulsen, die durch einen Frequenz-Spannungswandler in eine analoge Spannung umgewandelt werden. Diese analoge Spannung wird dann zusammen mit dem analogen Drehzahlsteuersignal dem Eingang der Drehzahlsteuerung zugeführt. Bei beiden oben beschriebenen Methoden zur Steuerung der Drehzahl muß der bürstenlose Gleichstrom-Motor mit einem Drehzahlgeber versehen werden.
I 203 PA Schönherr/Serwe :":*"*: &iacgr; * ** ·..·*·'
In manchen Anwendungen, wie z.B. bei Bohrmaschinen, seLbsttätig geführten Fahrzeugen, bei denen die DrehzahLsteuerung entweder über einen großen Bereich erfolgen muß oder eine Lange Reaktionszeit möglich ist, sollte das DrehzahlrückkoppLungssignal auf einfachere Weise erhalten werden.
Die Aufgabe der Neuerung besteht daher darin, eine DrehzahLsteuerung für einen bürstenlosen G Leichstrom-Motor vorzuschlagen, bei dem das zur Drehzahlregelung notwendige Drehzahlrückkopplungssignal von den Kommutatorsignalen eines Magnet-PoL-Sensors des bürstenLosen Gleichstrom-Motors erhalten wird, so daß zur Verringerung der Herstellungskosten ein zusätzlicher Drehzahlgeber überflüssig ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Drehzahlregler für einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor, der aus einem Flankendetektor, der beim Erkennen einer steigenden oder fallenden Flanke des Kommutatorsigna Is des Magnet-Pol-Sensors des bürstenlosen Gleichstrom-Motors einen Puls erzeugt, einem Frequenzvervielfacher zur Vervielfachung der Frequenz der Pulskette des Flankendetektors, einem Frequenz-Spannungswand Ler zum Umwandeln der Ausgangs-PuLskette des Frequenzvervielfachers in eine positive analoge Spannung, wobei die Höhe der positiven analogen Spannung proportional der Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrom-Motors ist, einer Drehrichtungs-Erkennungsschaltung, die Ausgangssignale von dem Magnet-Po l-Sensor erhält, um die Drehrichtung des bürstenlosen Gleichstrom-Motors zu erkennen, einem analogen Multiplexer für die RückkopplungssignaLe, der die positive analoge Spannung vom Fequenz-SpannungswandLer bzw. die
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Drehrichtung von der Drehrichtungs-Erkennungscha Ltung zum Erzeugen eines positiven oder negativen analogen SignaLes als DrehzahLrückkoppLungssignaL erhält, und einer Drehzahlsteuerung als Proportional-Verstärker, die ein DrehzahLsteuersignal und das Drehzahlrückkopplungssignal erhält, um die Höhe der Gleichstrom-Speisespannung des bürstenlosen Gleichstrom-Motors zu regeLn, besteht.
Die Neuerung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargesteLLt. Es ze i gen:
Fig. 1 einen bürstenlosen G Leichstrom-Motor mit einer Drehzahlsteuerung im Blockschaltbild,
Fig. 2 ein ausführlicheres Blockschaltbild der Drehzahlsteuerung des bürstenLosen Gleichstrom-Motors,
Fig, 3 ein Signalbild der Wellenform des Kommutatorsignals bei Drehung des Motors im Gegenuhrzeigersinn CCCW) und im Uhrzeigersinn (CW),
Fig. 4a und 4b die DrehzahL steuerung des bürstenlosen Gleichstrom-Motors einer bevorzugten Ausführungsform im Schaltbild.
Nach dem Blockdiagramm der Fig. 1 besteht ein bürstenloser Gleichstrom-Motor mit einer Drehzahlregelung aus drei Teilen: Einer Drehzahlsteuerung 1, einem Rückkopp lungssignaIgeber und einem Kommutator-Signalgeber 3. Die ausführliche Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in dem Blockdiagramm der Fig. 2 dargesteLLt.
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Die üblichen Bestandteile der Drehzahlsteuerung eines bürstenlosen Gleichstrom-Motors sind beschrieben in Fig. 1, in der die Bezugsziffer 4 einen PhasenspaIter, die Bezugsziffer 5 einen Pu Lsbreitenmodulator (PWM), die Bezugsziffer 6 eine TortreiberschaItung, die Bezugsziffer eine Batterieeinheit als Gleichstrom-Quelle, die Bezugsziffer 8 einen Strommesser, die Bezugsziffer 9 einen Inverter, die Bezugsziffer 10 einen Strombegrenzer, die Bezugsziffer 11 einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor, die Bezugsziffer 12 einen Magnet-Pol-Sensor, die Bezugsziffer einen Eingang für ein Drehzahlsteuersignal, die Bezugsziffer 14 ein Kommutatorsignal des Magnet-Pol-Sensors und die Bezugsziffer 15 ein Drehzah I rückkopp lungssigna I bezeichnet. Der Phasenspalter 4 wird benutzt, um zu bestimmen, welcher Leistungstransistor im Inverter 9 in Abhängigkeit vom Kommutator-Signal 14 des Magnet-Pol-Sensors 12 leitend ist, so daß Strom von der Batterieeinheit 7 zu dem bürstenlosen Gleichstrom-Motor 11 eingespeist werden kann. Der Strombegrenzer 10 dient zur Begrenzung des Stromes durch den bürstenlosen Gleichstrom-Motor 11. Wenn der Strom den oberen Grenzwert erreicht, wird der Zyklus der Impulse vom Pulsbreitenmodulator 5 (PWM) begrenzt.
Der Magnet-Pol-Sensor 12 der Drehzahlsteuerung des bürstenlosen Gleichstrom-Motors 11 der vorliegenden Neuerung hat drei Funktionen:
1. Er liefert die Kommutatorsignale 14 zu dem Phasenspalter um zu bestimmen, welcher Leistungstransistor im Inverter 9 leitend ist, damit Strom von der Batterieeinheit 7 zu dem bürstenlosen Gleichstrom-Motor 11 gelangt.
&Pgr; 1
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2. Er Liefert die KommutatorsignaLe 14 zu dem Kommutatorsi gnaLgeber 3, der die KommutatorsignaLe 14 durch einen FLankendetektor 17 CFig. 2) , einen FrequenzvervieLfacher und einen Frequenz-SpannungswandLer 19 führt, um eine positive anaLoge Spannung proportionaL zu der DrehzahL des Motors zu erhaLten.
3. Er Liefert die KommutatorsignaLe 14 zu dem RückkoppLungssignaLgeber 2, der eine Drehrichtungs-ErkennungsschaLtung 20 zum Erkennen der Drehrichtung des Motors (im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn), einen Phaseninverter 21 und einen anaLogen MuLtipLexer 22 zur Verarbeitung des positiven AnaLogsignaLs des KommutatorsignaLgebers 3 hat, um eine positive oder negative anaLoge Spannung aLs DrehzahLrückkoppLungssignaL zu erhaLten.
Wenn der bürstenLose G Leichstrom-Motor 11 im Gegenuhrzeigersinn (CCW) oder im Uhrzeigersinn (CW) dreht, haben die KommutatorsignaLe unter schied Liehe We LLenformen, wie dies in den Fig. 3a und 3b dargesteLLt ist. Die Fig. 3a zeigt die WeLLenform beim Drehen des Motors im Gegenuhrzeigersinn (CCW) und die Fig. 3b zeigt die WeLLenform beim Drehen des Motors im Uhrzeigersinn (CW). BeispieLsweise sind bei einem bürstenLosen 4-PoL-GLeichstrom-Motor die KommutatorsignaLe durch eine DifferenziaLschaLtung bearbeitet, um die steigenden und faLLenden FLanken zu erhaLten. Für jede Umdrehung des Motors werden zwöLf PuLse erhaLten. Werden diese zwöLf PuLse ohne Benutzung eines FrequenzvervieLfachers an den Frequenz-Spannungs-Wand Ler 19 unmitteLbar gegeben,
I 203 PA Schönherr/Serwe j ;· ; ; 5 · ·,,;··*.
so wird ein anaLoges Rückkopp lungssignaI mit hoher Welligkeit erhalten, das zu großen Schwankungen der Drehzahl des Motors bei geringer Geschwindigkeit führt.
Zur Lösung dieses Problems werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, die Kommutatorsignale 14 des Magnet-Pol-Sensors 12 einem Flankendetektor 17 mit einer Differenzialschaltung zugeführt, die Pulse erzeugt, wenn steigende und fallende Flanken des KommutatorsignaIs auftreten. Die so erzeugten Pulse werden dem Frequenzvervielfacher 18 in Phasensperrschleife (PLL) und dem Frequenz-Spannungs-Wandler 19 zugeführt, um eine positive analoge Spannung in Abhängigkeit der Motordrehzahl zu erhalten. Die Ausgangspulskette des Flankendetektors 17 wird in der Frequenz in der Phasen-Sperrschleife durch Einsatz eines Frequenzteilers in die Rückkopplungsschleife zwischen dem Ausgang eines spannungskontrollierten Oszillators (VCO) und dem Eingang eines Phasenvergleichers vervielfacht. Hat die Pulskette am Eingang des Frequenzvervie If achers 18 eine Frequenz von f. dann ist
N &khgr; 6 &khgr; &Rgr;
f = (Hz)
120
wobei N die Motordrehzahl in Umdrehungen pro Minute (RPM) und P die Anzahl der Pole des Motors ist.
\ &igr; &Iacgr;
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Ist der MuLtiplikationsfaktor des Frequenzvervielfachers gleich M, dann ergibt sich am Ausgang eine Frequenz von
f = M &khgr; f .
&ogr; &igr;
In der vorliegenden Neuerung wird die Phasen-Sperrschleife zur Vervielfachung der Frequenz der Eingangspulse benutzt. Im Vergleich zu bürstenlosen Gleichstrom-Motoren, bei denen die Phasen-Sperrschleife nicht zur Vervielfachung der Eingangpulse benutzt wird, hat die vorgeschlagene Lösung den Vorteil, daß der bürstenlose Gleichstrom-Motor geringe Drehzahlschwangungen bei kleiner Drehzahl hat.
Im Blockdiagramm 2 bezeichnet die Bezugsziffer 23 einen Puffer. In manchen Anwendungen dreht sich der bürstenlose Gleichstrom-Motor sowohl im Gegenuhrzeigersinn (CCW) als auch im Uhrzeigersinn (CW). Damit ergibt sich, daß das Drehzahlrückkopplungs-Signal positiv oder negativ sei kann. Wenn der bürstenlose 3-Phasen-GLeichstrom-Motor sich im Gegenuhrzeigersinn (CCW) oder im Uhrzeigersinn (CW) dreht, so können die Kommutatorsignale 14 des Magnet-Pol-Sensors 12, die von der Phase der Kommutatorsignale abhängen, ein Steuersignal erzeugen, das wegen der positiven analogen Spannung des Kommutatorsignalgebers 3 durch den Phaseninverter 21 und den analogen Multiplexer 22 eine positive oder negative analoge Spannung als Drehzah I rückkopp lungssignaI ist. Das Drehzah I rückkopp lungssigna I wird dann dem Eingang der Drehzahlsteuerung 1 zugeführt, die ein Proportionalverstärker oder ein Proportional-IntegraIverstärker sein kann.
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Auf Grund des DrehzahLrückkoppLungssignaLes und des DrehzahLsteuereinganges erzeugt die Drehzahlsteuerung 1 ein Steuersignal zur Steuerung der Speisespannung des bürstenlosen Gleichstrom-Motors 11.
Fig. 4a und 4b zeigen das Schaltungsbild einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Schaltung werden die Kommutat orsigna le HA, HB und HC des Magnet-Pol-Sensors 12 des bürstenlosen Gleichstrom-Motors mit den phasenintervertierten Signalen HA/, HB/ und HC/ in dem Flankendetektor 17 verarbeitet. Diese Signale werden in Diferenzscha I tungen mit Kondensator-Widerstandschaltung CRC), (R1, C1) bis (R6, C6) verarbeitet, um eine Pulskette zu erhalten, wobei jeder Puls zur Zeit der Endeckung einer steigenden oder fallenden Flanke erzeugt ist. Diese Pulskette wird anschließend durch Dioden D1 bis D6 geführt, so daß an einem Widerstand R17 das zusammengesetzte Signal anliegt. In der Schaltung sind die Einheiten U4A und U4B als Wellenformer benutzt.
In dem Block des Frequenzvervielfachers 18 ist nach Fig. 4a eine CMOS-Phasen-SperrschaItung, wie z.B. CD4046, eingesetzt, bei der der Phasen-Vergleicher II als Phasenvergleieher benutzt ist. Seine übertragungsfunktion hat eine derartige Charakteristik, daß er ohne Frequenzversatz arbeitet. Der Widerstand R7 und der Kondensator C1 bestimmen den Ausgangsfrequenzbereich des Oszillators (VCO). Die Einheit U2 ist ein durch 10-Tei lerzäh Ie r, so daß U2 und 1)3 einen Zehnfach-Frequenzvervielfacher darstellen.
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In dem BLock des Frequenz-SpannungswandLers 19 kann die Schaltungseinheit U9 ein Frequenz-Spannungswandler, wie z.B. LM331 sein, der eine positive anaLoge Spannung V. proportional, der verzehnfachten Frequenz f. der EingangspuLskette Liefert. Mit Bezug auf das Datenbuch der Lineare Nationale Halbleiter ist die Ausgangsspannung V. der Schaltung L M 3 31 entsprechend der folgenden Gleichung
R15
R11
VLp = f. &khgr; 2.09 &khgr; &khgr; R14 &khgr; C10
Die Spannung V.p ist proportional der Motordrehzahl.
Um die Motordrehzahl zu steuern, ist eine negative Rückkopplung notwendig. Mit anderen Worten, wenn der Motor sich im Gegenuhrzeigersinn CCCW) dreht, ist das Drehzahlrückkopplungssignal VCD eine positive analoge
&Ggr; D
Spannung; dreht sich der Motor im Uhrzeigersinn (CW), dann ist das Drehzah I rückkopp lungssignaI Vro eine negative anaLoge
&Ggr; D
Spannung. Dagegen ist das Drehzahlrückkopplungs-Signal V des Kommutator-Signalgebers 3 eine positive analoge Spannung proportional zu der Motordrehzahl. Daher ist eine Drehrichtungs-Erkennungsschaltung 20 vorgesehen, die aus den Schalteinheiten UoA, U6B und U7A (Fig. 4b) besteht. Unter dieser Voraussetzung ist VR , ein HIGH-Signal, wenn der Motor sich im Gegenuhrzeigersinn (CCW) dreht, da der analoge Schalter U8A in dem analogen Multiplexer 22 kurzgeschlossen ist, so daß VC[,= V1 _ ist. Dreht sich jedoch der Motor im
&Ggr; D Lr
Uhrzeigersinn (CW), dann ist das Ausgangsignal von U6A, U6B und U7A ein LOW-Signa I, da V gleichfalls LOW-Signal hat.
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12
Damit wird die Schaltung U8B kurzgeschlossen, so daß VFB = -VLp ist.
Diese Beziehung ist im folgenden dargestellt
"VLP VRD = HIGH
VFB = -
—&ngr; VRD = LOW
Die Schaltungseinheit U5B in der Drehzahlsteuerung 1 ist ein Proportiona l-Verstärker, dessen Ausgangsspannung sich nach folgender Gleichung ergibt:
V0P = - ( — * VVC
R27 R27
— x vvc + — :
R22 R25
Diese Ausgangsspannung wird benutzt, um die Speisespannung des bürstenlosen Gleichstrom-Motors 11 zu steuern.
Da in der Drehzahlsteuerung des bürstenlosen Gleichstrom-Motors nach der folgenden Erfindung kein Gleichstrom-Tachometer oder Dekodierer notwendig sind, dennoch aber eine Drehzahlrückkopplungssteuerung erzielt werden kann, sind die Kosten der Herstellung der bürstenlosen Gleichstrom-Motors deutlich reduziert.
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Die vorLiegende Neuerung ist ausführlich oben an einem AusführungsbeispieL erläutert. Es wird darauf hingewiesen, daß der Bereich der Neuerung nicht durch das offenbarte bevorzugte Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Im Gegenteil sind mehrere Änderungen und ähnliche Anordnungen gemäß den Schutzansprüchen möglich.

Claims (4)

I 203 PA Schönherr/Serwe Schutzansprüche:
1. Drehzahlregler für einen bürstenlosen G Leichstrom-Motor, bestehend aus
a) einem Flankendetektor (17), der beim Erkennen einer steigenden oder einer fallenden Flanke des Kommutatorsignals (14) des Magnet-Pol-Sensors (12) des bürstenlosen Gleichstrom-Motors (11) einen Puls erzeugt,
b) einem Frequenzvervielfacher (18) zur Vervielfachung der Frequenz der Pulskette des Flankendetektors,
c) einem Frequenz-Spannungswandler (19) zum Umwandeln der Ausgangs-PuIskette des Frequenzvervie Ifachers (18) in eine positive analoge Spannung, wobei die Höhe der positiven analogen Spannung proportional der Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrom-Motors (11) ist,
d) einer Drehrichtung-Erkennungsschaltung (20), die Ausgangssignale von dem Magnet-Pol-Sensor (12) erhält, um die Drehrichtung des bürstenlosen Gleichstrom-Motors (11) zu erkennen,
e) einem analogen Multiplexer (22) für die
Rückkopplungssignale, der die positive analoge Spannung vom Frequenz-Spannungswandler (19) bzw. die Drehrichtung von der Drehrichtungs-Erkennungsscha I tung (20) zum Erzeugen eines positiven oder negativen analogen Signales als DrehzahIrückkopp lungssignaL erhält und
I 203 PA Schönherr/ Serwe . · * . &idigr; &iacgr;
f) einer Drehzahlsteuerung (1) als Proportionalverstärker, die ein DrehzahLsteuersignaL und das Drehzahl-Rückkopplungssignal erhält, um die Höhe der Gleichstrom-Speisespannung des bürstenlosen Gleichstrom-Motors (11) zu regeln.
2. Drehzahlsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzvervielfacher (18) in Phasen-Sperrschleifenschaltung (PLL) durch Einfügen eines Frequenzteilers in die RückkoppLungsschLeife zwischen dem Ausgang eines spannungskontrollierten Oszillators und dem Eingang eines Phasenvergleichers gebildet ist.
3. Drehzahlsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstahlsteuerung (1) ein Proportional-Integralverstärker ist.
4. Drehzahlsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der analoge Multiplexer (22) für die Polarität des Rückkopplungssignales einen Phaseninverter (21) und einen analogen Multiplexer hat.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5933573A (en) * 1995-04-22 1999-08-03 Papst-Motoren Gmbh & Co. Kg Method of controlling an electric motor and apparatus for carrying out the method

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5933573A (en) * 1995-04-22 1999-08-03 Papst-Motoren Gmbh & Co. Kg Method of controlling an electric motor and apparatus for carrying out the method

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