DE3011307A1

DE3011307A1 - Ansteuerschaltung fuer einen buerstenlosen gleichstrommotor

Info

Publication number: DE3011307A1
Application number: DE3011307A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Uzuka
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1979-03-24
Filing date: 1980-03-24
Publication date: 1980-11-20
Also published as: ATA157080A; GB2045555A; GB2045555B; FR2452825B1; AT374987B; FR2452825A1; JPS55127889A; US4282464A

Description

TEH MEER - MÜLLER - S TE INJM El S TE R SOny Corp . — S80P14

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen in beiden Drehrichtungen laufenden bürstenlosen Gleichstrommotor der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 genannten Art.

Bei bekannten Ansteuerschaltungen für den genannten Zweck ist wegen der Ventilwirkung der Schaltelemente bei Dreh-· richtungsumkehr eine Umkehr der Stromflußrichtung unmöglich; statt dessen wird die Phase um 180° gedreht. Damit gilt folgendes: Wenn in der Normaldrehrichtung der Strom durch die Wicklungen gegenüber den N-Feldmagneten in einer Richtung fließt, dann fließt der gleiche Strom in der Gegendrehrichtung auch durch jene Wicklungen, welche den S-FeIdmagneten gegenüberliegen.

Als Drehwinkelsensor an dem bürstenlosen Gleichstrommotor können entweder ein Hall-Element zur Phasendrehung des Positionsmeldesignals um 180°, eine Art Lichtschranke in Verbindung mit am Rotorumfang befestigten Blendenabschnitten oder je ein fest am Stator angebrachter Lichtsender und Lichtempfänger in Verbindung mit über bestimmte Rotorumfangsabschnitte verteilten reflektierenden und nichtreflektierenden Abschnitten verwendet werden.

Alle diese bekannten Drehwinkelsensoren für bürstenlose Gleichstrommotoren bringen es mit sich, daß die Phasenverschiebung um 180° nur unter größeren Schwierigkeiten und mit erheblichem Aufwand möglich ist.

Gewöhnlich wird für einen zweiphasigen bürstenlosen Wechselfeld-Gleichstrommotor eine Torschaltung zur Auswahl entweder des Drehwinkelmeldesignals des Lichtsensors oder des in der Phase gedrehten Signals benötigt, um das Drehwinkelsignal einem Inverter zuzuführen. Die Torschaltung wird durch ein Steuersignal so beeinflußt, daß entweder das Dreh-

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winkelmeldesignal oder eine um 180° in der Phase gedrehte Variante dieses Signals ausgewählt wird. Eine solche Ansteuerschaltung ist sehr kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfachere und wirksamere Ansteuerschaltung der eingangs genannten Art aufzuzeigen.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist kurz gefaßt im Patentanspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen aufgeführt.

Nachstehend wird ein die Merkmale der Erfindung aufweisendes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine Zeichnung, die auch den Stand der Technik enthält, näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung eines herkömmlichen zweiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors, der im Zusammenhang mit der Erfindung verwendbar ist;

Fig. 2 und 3 graphische Darstellungen zum Drehmomentverlauf der A-Phasenwicklungen bzw. A- und B-Phasenwicklungen des Motors von Fig. 1;

Fig. 4A und 4B eine graphische Darstellung von Stromumschaltsignalen für die A- und B-Phasenwicklungen,

Fig. 5 und 6 schematische Schaltbilder einer herkömmlichen Ansteuerschaltung für Drehrichtungsumkehr; Fig. 7A und 7B je eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für die Normaldrehrichtung und die Gegendrehrichtung;

Fig. 8 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen An-

35 steuerschaltung;

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Fig. 9 ein Schaltbild der in einen integrierten Hybrid-Schaltkreis einbezogenen Steuerschaltung von Fig. 8 und

Fig. 10, 11 und 12 je eine Abwandlung der Ansteuerschaltung von Fig. 8.

Nachstehend werden zunächst in Verbindung mit Fig. 1 bis Fig. 6 verschiedene Probleme erläutert, mit denen der Stand der Technik behaftet ist. Bürstenlose Wechselphasenmotoren, wie sie im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet werden, haben im allgemeinen in gewissen Drehwinkelbereichen ein Null-Drehmoment; sie brauchen deshalb eine Anlauf-Hilfseinrichtung.

Außerdem ist aus der US-Patentanmeldung No. 894 487 der gleichen Anmelderin ein bürstenloser Gleichstrommotor bekannt, dessen Drehmoment in keinem Drehwinkelbereich auf Null zurückgeht, weil dieser Motor eine Einrichtung besitzt, welche die Intensität des Magnetflusses, welcher die Wicklungen im Bereich der Polaritätsumkehr des Magnetflusses durchsetzt, abschwächt. Ferner sind bei diesem Motor die beiden Strompfadabschnitte der Wicklung, durch die der Strom in einer ersten Richtung und in einer zweiten entgegengesetzten Richtung fließt, voneinander um einen elektrischen Winkel getrennt, der kleiner als 180° ist. In Fig. 1 ist ein Beispiel für einen zuvor beschriebenen vierpoligen bürstenlosen Wechselphasen-Gleichstrommotor dargestellt. Am Innenumfang eines auf einer Motorwelle 7 befestigten Rotorjoches 1 sind vier Permanentmagnete 2a, 2b, 3a, 3b befestigt, von denen jeweils ein Magnetpaar 2a und 2b mit entgegengesetzter Polarität einen elektrischen Winkel von 360°, und das andere Magnetpaar 3a und 3b einen anderen elektrischen Winkel von 360° einnimmt. Ein innerhalb des RotorJoches befindlicher Statorkern 4 trägt auf seiner Umfangsober-

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fläche A-Phasenwicklungen 5A₁, 5A„ sowie B-Phasenwicklungen 5B₁ und 5B₂- Die A-Phasenwicklungen 5A₁ und 5A₂ sind durch einen elektrischen Winkel von 360° voneinander getrennt, miteinander in Serie geschaltet und liegen elektrisch in der gleichen Phase. In ähnlicher Weise sind die B-Phasenwicklungen 5B.. und 5B_ elektrisch gleichphasig und miteinander in Serie verbunden. Die Magnete 2a, 2b, 3a, 3b nehmen jeweils einen Zentralwinkelbereich von 140° in bezug auf den elektrischen Winkel ein. Als Beispiel ist eine Grenze zwischen dem N-Polmagneten 3b und dem S-Polmagneten 2a als Drehwinkel-Position 0° definiert. In elektrischen Winkelbereichen von 140° bis 220° liegen sich Luftspalte 6a und 6b gegenüber. Die ersten bzw. zweiten Strompfadabschnitte V und U der A- und B-Phasenwicklungen 5... sind gegenseitig um einen elektrischen Winkel von 100° getrennt.

In Fig. 2 ist das durch die A-Phasenwicklungen 5A. und 5A₂ erzeugte Drehmoment graphisch dargestellt, ein den ersten Strompfadabschnitt V der A-Phasenwicklungen durchsetzender Magnetfluß ist durch eine Kurve a dargestellt. Bei den Luftspalten 6a und 6b wird er auf ein Minimum reduziert. Das Drehmoment gemäß Kurve a entsteht, während ein gleichmäßiger Strom durch die A-Phasenwicklungen 5A- und 5A₂ fließt. Außerdem fließt durch den zweiten Strompfadabschnitt U der A-Phasenwicklungen ein Strom mit gegenüber dem Stromfluß durch den ersten Abschnitt V entgegengesetzter Flußrichtung fort. Beide sind gegenseitig um 100° phasenverschoben. Folglich entsteht durch den zweiten Strompfadabschnitt U ein als unterbrochene Kurve b dargestelltes Drehmoment. Auf diese Weise wird von den beiden Strompfadabschnitten V und U der A-Phasenwicklungen ein als Kurve A dargestelltes zusammengesetztes Drehmoment erzeugt, welches sich in einer Richtung über einen

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elektrischen Winkel von mehr als 180° erstreckt.

Die A- und B-Phasenwicklungen erzeugen je ein positives Drehmoment über einen elektrischen Winkel von mehr als 180°, wie in Fig. 2 dargestellt. Wenn Schaltglieder zur Ansteuerung der A-Phasenwicklungen 5A../ 5A- und B-Phasenwicklungen 5B₁, 5B₂ in Abhängigkeit von in Fig. 4A und 4B dargestellten Umschaltsignalen abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, dann gibt der bürstenlose Motor das in Fig. 3 dargestellte durchgehende Drehmoment ab.

Bei diesem bürstenlosen Motor wird der Magnetflußverlauf durch die Luftspalte 6a und 6b teilweise verzerrt. Wenn daher der durch die Feldmagnete erzeugte Magnetfluß durch einen Hall-Detektor abgetastet wird, können die jeweils um 180° elektrisch versetzten Stromumschaltsignale von Fig. 4A und 4B nicht durch ein Hall-Element geformt werden.

Aus diesem Grund sind bei dem Motor in Fig. 1 zur Ausbildung der StromumschaItsignale Blenden 8 und 9 am Rotorjoch 1 befestigt, die jeweils einen Winkel von 180° überstreichen und außerdem um 180° zueinander versetzt liegen. Bei laufendem Motor unterbrechen die Blenden 8 und 9 abwechselnd eine Lichtstrecke zwischen einem Lichtsender und einem Lichtempfänger.

Bei der in Fig. 5 dargestellten herkömmlichen Ansteuerschaltung für Drehrichtungsumkehr des zuvor beschriebenen bürstenlosen Wechselphasen-Motor gibt eine in Serie mit einem Widerstand R-] an einer Versorgungs spannung V liegende Leuchtdiode 10 Licht ab, welches in den freien Zwischenräumen zwischen den Blenden 8 und 9 von einem Phototransistor T-] aufgenommen und über eine nachgeschaltete Emitterfolgerschaltung, bestehend aus einem Transistor T2 und einem

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Widerstand R3, in das in Fig. 4A dargestellte Umschaltsignal A umgesetzt wird. Bei diesem Signal wechseln sich hochliegende und tiefliegende Intervalle nach je 180° Drehwinkel ab. Dieses Umschaltsignal A geht an ein NAND-Glied G-) und ein Umkehrglied 13 . An einem Eingang 11 liegt ein Steuersignal K an, welches in der normalen Laufrichtung des Motors hoch, in der Gegendrehrichtung jedoch tief liegt. Dieses Steuersignal K geht zu einem Eingang eines NAND-Gliedes G3 und über ein Umkehrglied zu dem anderen Eingang des NAND-Gliedes G-] .

Folglich geht bei in Normaldrehriehtung umlaufendem Motor das Umschaltsignal A über das Umkehrglied I3 und das NAND-Glied G3 zu einem NAND-Glied G2, und da der Ausgang des NAND-Gliedes G-] zu diesem Zeitpunkt den Wert "1" hat, gelangt das Umschaltsignal A über das NAND-Glied G2 und einen Schalttransistor T₄ zu den B-Phasenwicklungen 5B^ und 5B„. Der Schalttransistor T. wird nach dem Umschaltsignal B von Fig. 4B ein- und ausgeschaltet. Ferner geht der Ausgang des NAND-Gliedes G2 über ein Umkehrglied I₂ zu einem Schalttransistor T3 für die A-Phasenwicklungen 5A| und 5A₂, der Schalttransistor T₃ wird also gegenphasig zum Transistor T4 ein- und ausgeschaltet. Auf diese Weise fließen abwechselnd Steuerströme durch die A-Phasenwicklungen 5A₁, 5 A- bzw. die B-Phasenwicklungen 5B , 5B , die den Motor in Normalrichtung rotieren lassen.

In der entgegengesetzten Motorlaufrichtung geht das Emitterfolgersignal von Fig. 4A über die NAND-Glieder G-] und G₂ zum Schalttransistor T4 , während der Ausgang von NAND-Glied G₃ in Fig. 5 über das Umkehrglied I₃ zum Schalttransistor T₃ geht. Jetzt werden die Transistoren T₃ und T₄ mit zur Normaldrehung umgekehrter Phasenlage ein- und ausgeschaltet.

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Fig. 6 zeigt Einzelheiten der Schaltung von Fig. 5. Danach besteht das Umkehrglied I₁ von Fig. 5 aus einem Transistor T„ und einem Widerstand R₂, das NAND-Glied G₁ von Fig. 5 aus einem Transistor T₅ sowie Widerständen R₁₀ und R₁₁, das Umkehrglied I, von Fig. 5 aus einem Transistor Tg Sowie Widerständen R_{1 ?} und R₁-D/ das NAND-Glied G-, aus einem Transistor T₇ sowie Widerständen R₁₄ und R₁C' ^^as

NAND-Glied G₀ aus Dioden D₁, D„ sowie einem Widerstand R₁ _c, Z Λ λ Ιο

und schließlich das umkehrglied I₀ von Fig. 5 aus einem Transistor T_D und einem Widerstand R_c. Die Basis des

ο b

Schalttransistors T. wird über einen Spannungsteiler R^ und R₇ versorgt.

Die so ausgebildete herkömmliche Zweirichtungs-Ansteuer-1¹J schaltung für den bürstenlosen Gleichstrommtor in Verbindung mit der blendengesteuerten Lichtschranke ist kompliziert und aufwendig.

In Fig. 7A und 7B ist eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für die Normal- bzw. Gegendrehrichtung des Motors, und in Fig. 8 eine erfindungsgemäße Ansteuer

schaltung dargestellt.

Wie eingangs erwähnt, wird das Drehmoment bei dem benutzten zweiphasigen bürstenlosen Motor an keiner Stelle Null. Die Drehmoment-Kurven für Normal- und Gegendrehrichtung sind nicht unterschiedlich, und die in Fig. 3 dargestellten DrehmomentLücken treten in der Gegendrehrichtung in regelmäßigen Winkelabständen auf. Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung ein solcher bürstenloser Gleichstrommotor verwendet wird, dann wird vorzugsweise die Rückwärts-Ansteuerschaltung als Bremsschaltung benutzt, welche den Motor in der Normaldrehrichtung schnell zum stehen bringt.

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In Fig. 7A gelangt das Umschaltsignal A für die Normaldrehrichtung vom Kollektor des Transistors T~ über einen Widerstand R. zu einem NPN-Transistor T₁„, der die A-Phasenwicklungen 5A₁ und 5A~ entsprechend dem Umschaltsignal A ein- und ausschaltet. Das gegenphasige Umschaltsignal B geht vom Kollektor des Transistors T_1Q über Widerstände R_g und R₇ zu dem Schalttransistor T. für die B-Phasenwicklungen 5B₁ und 5B₂- So werden die Transistoren T₄ und T₃ gegenphasig abwechselnd ein- und ausgeschaltet.

Folglich erhalten die A- und B-Phasenwicklungen ihre Steuerströme abwechselnd mit einem 180°-Versatz, der Motor rotiert in Normairichtung.

In der Ansteuerschaltung für die Gegendrehrichtung in Fig. 7B gelangt das Umschaltsignal A vom Kollektor des Transistors T₂ über einen Widerstand R. zu einem PNP-Transistor T ... Im Gegensatz zu Fig. 7A schaltet hier der Schalttransistor T₃ die A-Phasenwicklungen 5A₁ und 5A in Abhängigkeit von dem Umschaltsignal B am Kollektor des Transistors T₁₁ abwechselnd ein und aus. Andererseits gelangt das Umschaltsignal A vom Emitter des Transistors T₁₁ über die Widerstände R_c und R-, zum Schalttransistor T.. Folglich schalten die Transistoren T_ und T. mit entgegengesetzter Phase zu Fig. 7A ein und aus, der Motor läuft rückwärts.

Durch Verwendung je eines PNP-Transistors und eines NPN-Transistors in den zuvor beschriebenen Schaltungen für Normal- und Gegendrehrichtung können zwei annähernd gleiche Grundschaltungen verwendet werden. Die Ansteuerschaltung in Fig. 8 kann durch eine Kombination der Schaltungen von Fig. 7A und 7B verwirklicht werden.

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In Fig. 8 fließt der Betriebsstrom der Ansteuerschaltung von der Stromquelle +V durch die Leuchtdiode 10 hindurch, er wird reduziert. Das Umschalteignal A vom Kollektor des Transistors T₂ geht über den Widerstand R₄ zur Basis des NPN-Transistors T_1n und ferner über einen Widerstand R₇ zur Basis des Transistors T₁-. Beide Transistoren T_1n und T₁₁ sind parallel geschaltet. Eine Verbindungsleitung 12 zwischen dem Kollektor des Transistors T_1n und dem Emitter des Transistors T₁„ ist über den Widerstand R_c mit der

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Basis des Schalttransistors T₄ für die B-Phasenwicklungen verbunden. In ähnlicher Weise ist eine den Emitter des Transistors T_1n mit dem Kollektor des Transistors T₁₁ verbindende Leitung 13 mit der Basis des Schalttransistors T^ für die A-Phasenwicklungen verbunden. Folglich arbeiten die Transistoren T_1n und T₁₁ als Phasendrehglieder in bezug auf das Umschaltsignal und die Stromverstärker.

Das bei Normaldrehrichtung hochliegende und in Gegendrehrichtung tiefliegende Steuersignal K gelangt vom Eingang 11 über eine Diode D₄ zur Basis des Transistors T₁₀ und ferner über einen Widerstand R-„ zur Basis des Transistors T₁-. Eine Diode D^ schützt den Transistor T₁₁ vor Gegenspannung an seiner Basis.

Da das hochliegende Steuersignal K bei normal drehendem Motor an der Basis von Transistor T₁ liegt, ist dieser Transistor ohne Rücksicht auf das Umschaltsignal A ständig gesperrt, nur der Transistor T_1n wird nach dem Umschaltsignal ein- und ausgeschaltet. Der Transistor T₄ wird von dem entgegengesetzten Umsehaltsignal B von Transistor T_1n ein- und ausgeschaltet, während Transistor T₃ durch das Umschaltsignal A vom Emitter des Transistors T ein- und ausgeschaltet wird. Dadurch werden die A- und B-Phasenwicklungen mit um 180° versetzter Phase erregt, der Motor 5 läuft in Normaldrehrichtung um.

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In der Gegendrehrichtung gelangt das tiefliegende Steuersignal K vom Eingang 11 über die eingeschaltete Diode D zum Transistor T_1n, und dieser wird gesperrt. Jetzt wird der Transistor T₁₁ nach dem Umschaltsignal A ein- und ausgeschaltet. Im Gegensatz zur Normaldrehrichtung wird der Schalttransistor T. nach dem Umschaltsignal A vom Emitter des Transistors T₁₁ ein- und ausgeschaltet, und der andere Schalttransistor T₃ wird nach dem am Kollektor des Transistors T₁₁ gewonnenen Umschaltsignal B ein- und ausgeschaltet. Jetzt werden die A-Phasenwicklungen 5Aw 5A„ und die B-Phasenwicklungen 5B₁, 5B^ abwechselnd, mit 180°-phasenversetzt und entgegengesetzt zur Normaldrehrichtung aktiviert, der Motor läuft in Gegendrehrichtung.

Das tiefliegende Steuersignal gelangt für einen bestimmten Zeitraum an den Eingang 11, um die Normaldrehrichtung des Motors abzubremsen, wenn die Schaltung der Fig. 8 auf Gegendrehrichtung geschaltet wird. Außerdem erhalten die A- und B-Phasenwicklungen eine Servosteuerspannung V zur Regulierung der Motordrehzahl.

In Fig. 9 ist die Motoransteuerschaltung von Fig. 8 als integrierter Hybrid-Schaltkreis ausgebildet, d.h. annähernd alle Schaltungselemente von Fig. 8 mit Ausnahme der Leuchtdiode 10 und der Phototransistoren T. und T„ sind zu einem integrierten Schaltkreis, kurz IC 14 genannt, zusammengefaßt. In Fig. 9 dient eine Diode D_ als Schwellschalter, welcher den Transistor T. für die B-Phasenwicklungen beispielsweise in der Normaldrehrichtung vollständig sperrt und den Transistor T-. für die A-Phasenwicklungen einschaltet. Bei durchgeschalteten Transistoren T₁₀ und T₃ sind die Potentiale auf Leitung 12 und an der Basis von Transistor T_ annähernd gleich. Dagegen wird das Potential auf Leitung 12 durch den Widerstand R₇

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und die Diode D_ abgesenkt und dadurch der Transistor T, vollständig gesperrt. Eine Diode D_ kann auch durch den Widerstand R_ß wie bei der Schaltung in Fig. 8 ersetzt werden.
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Wenn Transistor T. und T₃ durchgeschaltet sind, dann ist das Potential auf Leitung 12 = (V„„, . . + V_.„) , worin

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V_r , . die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung von Transistor T._ und V die Basis-Emitterspannung von

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Transistor T., ist. Diese beiden genannten Spannungen könnten aufgrund von Transistortoleranzen oder Spannungsschwankungen zu groß werden, so daß das Potential auf Leitung 12 größer wird als ein geregelter Wert. Wenn die Transistoren T₁₀ und T₃ durchgeschaltet sind, dann schaltet Diode D₇ ein, um Transistor T. einzuschalten.

Transistor T. ist dann immer eingeschaltet, es kann keine Stromumschaltoperation stattfinden, der Motor bleibt stehen.

Zur Vermeidung dieses Fehlers liegt eine Verbindungsdiode D, zwischen der Leitung 12 und dem Kollektor des Transistors T₃, welche bei durchgeschalteten Transistoren T₁₀ und T, eine erhöhte Spannung auf Leitung 12 an den Kollektor von T,, d.h. an Massepotential ableitet. Damit wird auch unter ungünstigen Bedingungen die abwechselnde Ein- und Ausschaltung der Transistoren T_ und T. sichergestellt.

Zur Flankenberuhigung der Basisströme (Stromumschalt— signale) der Transistoren T-. und T₄ dienen Kondensatoren C. und C-. Dadurch werden Hochfrequenz-Komponenten an den Wicklungen weitgehend reduziert und mechanische sowie elektrische Geräusche bzw. Störungen am Motor weitgehend unterdrückt. Diese Kondensatoren C₁ und C₇ können entweder die Kollektoren oder die Basen der Transistoren T₃

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und T. mit Masse verbinden. Der letztgenannte Fall ist in Fig. 9 dargestellt; die Kapazitäten können kleiner sein.

Bei der in Fig. 10 dargestellten Abwandlung einer Ansteuerschaltung für zwei Drehrichtungen geht - im Gegensatz zu Fig. 8 - das Steuersignal K vom Eingang 11 über den Widerstand R-. zu den Phototransistoren T₁ und T~, und ferner über eine Diode D₀ zur Basis des PNP-Transistors P- -. In der Normaldrehrichtung liegt das Steuersignal K hoch, der Transistor T.^ ist gesperrt. Das Umschaltsignal vom Kollektor des Transistors T wird durch Widerstände R„_o und R₂₁ geteilt und der Basis des Transistors T_1n zugeführt. Der Transistor T_. wird nach dem Ümschaltsignal A am Emitter von Transistor T₁₀, und der andere Transistor T. nach dem Ümschaltsignal B vom Kollektor des Transistors T₁₀ abwechselnd ein- und ausgeschaltet.

In der Gegendrehrichtung liegt durch das tiefliegende Steuersignal K der Kollektor des Transistors T₂ niedrig, und der Transistor T₁ ist gesperrt. Je nach den Winkelpositionen der Blenden 8 und 9 wird die Impedanz der Phototransistoren T. und T„ abwechselnd hoch und niedrig. Da der Basisstrom des Transistors T₁ . über den Widerstand R. und die Transistoren T₁, T₂ fließt, wird der Transistor T₁₁ mit der gleichen Phase wie T₂ ein- und ausgeschaltet. Jetzt wird das Umschaltsignal A für die Umschaltung des Transistors T₄ am Emitter, und das Umschaltsignal B für die Umschaltung des Transistors T₃ am Kollektor des Transistors T₁₁ erzeugt.

Bei einer in Fig. 11 dargestellten Abwandlung gegenüber Fig. 8 gelangt das Steuersignal K über Dioden Dg und D₁Q jeweils an die Basis des Transistors T₁₀ bzw. T₁₁- ^Mit hochliegendem Steuersignal K wird die Diode D_q durchge-

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schaltet und der Transistor T₁₁ gesperrt, so daß der Motor über den Transistor T₁₀ in Normalrichtung läuft. Mit sinkendem Steuersignal wird die Diode D₁₀ eingeschaltet und der Transistor T₁₀ gesperrt, so daß jetzt der Motor rückwärts über den Transistor T₁₁ läuft.

Bei einer in Fig. 12 dargestellten weiteren Abwandlung der Ansteuerschaltung von Fig. 8 wird das

Umschaltsignal für den Schalttransistor T. vom Kollektor des anderen Schalttransistors T, abgenommen, so daß die beiden Transistoren T. und T-. stets gegenphasig angesteuert werden. Wenn der Transistor T., gesperrt ist, fließt der Basisstrom durch die A-Phasenwicklungen 5A₁ und 5A sowie über den Widerstand Rg zum Transistor T., und letzterer wird eingeschaltet. Im übrigen sind die Betriebsverhältnisse in der Normal- und der Gegendrehrichtung hier wie in der Schaltung von Fig. 8 gleich.

Im Rahmen der Erfindung sind weitere Abwandlungen möglich.

Außer auf einen zweiphasigen bürstenlosen 180°-Umschaltmotor kann die Erfindung auch auf einen vierphasigen bürstenlosen 180°-Umschaltmotor angewendet werden. Im letztgenannten Falle sind dann außer A- und B-Phasenwicklungen noch C- und D-Phasenwicklungen mit zugehörigen AnsteuerSchaltungen nach Art von Fig. 8 bis Fig. 12 vorhanden.

An Stelle der zuvor beschriebenen Lichtschranken-Drehwinkelabtastung können auch andere Elemente mit veränderlichem Magnetwiderstand, mit veränderbarer Kapazität, Hall-Elemente oder Magnetsonden zur Erfassung des Drehwinkels verwendet werden.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims

PAT E N TA N WA LTE

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Oolm Europfilochon Pnlontnmt zugolimonu Vorltotor Prof. Representatives before the European Patent Office - Mandatalres agrees pres I'O'ftce europien des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister Dipl.-lng. F. E. Müller siekorwall 7

Triftstrasse 4, Siekerwall 7,

D-8000 MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD

Case: S80P14

Mü/Gdt/hm 24. März 1980

SONY CORPORATION 7-35 Kitashinagawa 6-chome, Shinagawa-ku, Tokyo /Japan

Ansteuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor

Priorität: 24. März 1979 - Japan - No. 34941/1979

PATENTANSPRÜCHE

[ 1.JAnsteuerschaltung für einen in beiden Drehrichtungen ^— laufenden bürstenlosen Gleichstrommotor, mit mindestens einem ersten und einem zweiten Schaltelement zur abwechselnden Erregung mindestens einer ersten und einer zweiten Statorwicklung des Motors, einem Sensorelement zur Abtastung eines Rotordrehwinkels an dem Motor, und mit einer dem Sensorausgang nachgeschalteten Schaltung zur Erzeugung, Formung und Zuführung eines ersten Umschaltsignals zum ersten Schaltelement und eines zweiten < Umschaltsignals zum zweiten Schaltelement, wobei das zweite Signal gegenüber dem ersten Signal phasenverschoben

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ist und in der Signalformerschaltung oder an dem ersten Schaltelement auftritt, dadurch gekennzeichnet , daß

- die Signalerzeuger- und -formerschaltung (Fig. 8...12) einen NPN-Transistor (ΊΊ0) und einen PNP-Transistor (T11) in Parallelschaltung zueinander enthält, von denen selektiv der eine oder der andere das erste Umschaltsignal an das erste Schaltelement (T3) abgibt; und daß

- eine an die Signalerzeugerschaltung angeschlossene Wähleinrichtung (D4, R18, 11) in Abhängigkeit von einem ihr zugeführten Steuersignal (K) entweder den einen oder den anderen der beiden Transistoren (T10; T11) durchschaltet und das erste Umschaltsignal je nach getroffener Transistorwahl in der Phase umkehrt, so daß in dem einen Zustand des Steuersignals der NPN-Transistor die Wicklungen (5A₁, 5A„; 5B , 5B„) in einer vorgegebenen Phasenbeziehung ansteuert, so daß der Motor in der einen Drehrichtung läuft, jedoch in dem anderen Zustand des Steuersignals der PNP-Transistor die Wicklungen abwechselnd mit entgegengesetzter Phase ansteuert, so daß dann der Motor entgegengesetzt dreht.

2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgang des Sensorelements (T1) mit den Basen des NPN-Transistors und den PNP-Transistors (T10, T11) verbunden, der Emitter des NPN-Transistors und der Kollektor des PNP-Transistors gemeinsam an eine erste Signalleitung (13) angeschlossen, der Kollektor des NPN-Transistors und der Emitter des PNP-Transistors gemeinsam an eine zweite Signalleitung

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angeschlossen, und die Spannungsquelle (+V) über einen Widerstand (R5) an die zweite Signalleitung gelegt ist, wobei das erste Umschaltsignal (A) von der ersten Signalleitung verfügbar ist und dem ersten Schaltelement (T3) zugeführt wird.

3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Umschaltsignal (B) dem zweiten Schaltelement (T4) über die zweite Signalleitung (12) zugeführt wird.

4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wähleinrichtung eine zwischen den Basen des NPN- und des PNP-Transistors liegende Serienschaltung aus einer Diode (D4) und einem Widerstand (R18) umfaßt, und daß das Umschalt-Steuersignal (K) an einen Verknüpfungspunkt zwischen Diode und Widerstand zugeführt wird, so daß im hochliegenden Zustand des Steuersginais die Diode gesperrt ist und den PNP-Transistor sperrt, jedoch bei tiefliegendem Steuersignal die Diode durchgeschaltet ist, um den NPN-Transistor zu sperren.

5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Sensorelement ein Lichtsensor (T1) ist, der durch Abtastung eines auf einen vorgegebenen Rotor-Umfangswinkel beschränkten Lichtpfades am Umfang des Rotors (1) die Winkelposition des Rotors ermittelt.

6. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgang des Sensorelementes (T1) über vorgegebene Drehwinkelbereiche des Rotors (1) abwechselnd hoch und niedrig

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gesteuert wird, um dadurch den NPN-Transistor (T10) ein- und auszuschalten und den PNP-Transistor (11) aus- und einzuschalten.

7. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Schaltelement (T4) das zweite Umschaltsignal über eine an die zweite Signalleitung (12) angeschlossene und durch zwei in Serie geschaltete Widerstände (R6, R7) gebildete Spannungsteilerschaltung erhält, deren Mittelpunkt an das zweite Schaltelement angeschlossen ist.

8. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen Basis und Emitter des PNP-Transistors (T11) eine Diode (D5) als Schutz vor Gegenspannung angeschlossen ist.

9. Ansteuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß gegenüber dem Lichtsensor (T1) ein lichtaussendendes Element (10) angeschlossen ist, durch welches der Betriebsstrom für die Signalausbildungsschaltung fließt.

10. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Schaltelement (T4) das zweite Umschaltsignal über eine an die zweite Signalleitung (12) angeschlossene Spannungsteilerschaltung zugeführt wird, die aus einer Serienschaltung aus einer Diode (D7) und einem Widerstand (R7) besteht und deren Mittelpunkt an das zweite Schaltelement angeschlossen ist.

11. Ansteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das erste und das zweite Schaltelement durch einen ersten und einen

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zweiten Transistor (T3, T4) gebildet werden, und daß der Kollektor des ersten Transistors durch eine Diode mit der zweiten Signalleitung (12) verbunden ist, so daß bei durchgeschaltetem erstem Transistor (T3) das Potential der zweiten Signalleitung mit dem Kollektorpotential des ersten Transistors verbunden ist.

12. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wähleinrichtung eine Diode (D8) zum Anlegen des Rückwärtssteuersignals (K) an die Basis des PNP-Transistors (T11) und einen Widerstand (R3) zum Anlegen des Rückwärtssteuersignals an das Sensorelement (T1) umfaßt, so daß bei hochliegendem Steuersignal die Diode durchgeschaltet, der PNP-Transistor gesperrt und der NPN-Transistor (T10) abhängig von dem Ausgang des Sensorelementes ein- und ausgeschaltet wird.

13. Ansteuerschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß bei tiefliegendem Steuersignal die Diode (D8) gesperrt ist, um den PNP-Transistor (T11) durchzuschalten, der Ausgang des Sensorelementes (T1) absinkt, um den NPN-Transistor (T10) zu sperren, und daß der PNP-Transistor in Abhängigkeit von dem leitenden und nicht-leitenden Zustand des Sensorelementes ein- und ausgeschaltet wird.

14. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wähleinrichtung aus einer ersten und einer zweiten Diode (D9,D1O) zum Anlegen des Steuersignals (K) an die NPN- und PNP-Transistoren (T10, T11 * besteht, so daß bei hochliegendem Steuersignal die durchgeschaltete zweite Diode den PNP-Transistor sperrt und bei tiefliegendem Steuersignal die durchgeschaltete erste Diode den NPN-Transistor sperrt.

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15. Ansteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Umschaltsignal (B) an dem Verknüpfungskpunkt zwischen dem ersten Schaltelement (T3) und der ersten Wicklung (5A., 5A~) abgreifbar ist und dem zweiten Schaltelement

(T4) zugeführt wird.

6 . Ansteuerschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche für einen bürstenlosen Wechselphasen-Gleichstrommotor mit einem einzigen Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar magnetischer Feldpole (2a, 2b, 3a,3b) und eine Einrichtung (6a, 6b) zur Reduzierung der Intensität des die Spulen in der Nähe des Magnetfluß-Polaritätsumschaltbereiches durchsetzenden Magnetflusses vorhanden sind, und daß erste Strompfadabschnitte (V) der beiden Statorwicklungen (5 ...), wo der Strom in einer ersten Richtung fließt, und zweite Strompfadabschnitte (ü) der beiden Statorwicklungen, wo der Strom entgegengesetzt fließt, um elektrische Winkel von weniger als 180° voneinander getrennt sind, so daß in keinem Drehwinkelabschnitt eine Drehmomentlücke auftreten kann.

17. Ansteuerschaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Statorwicklungen jeweils in Serie geschaltete erste bzw. zweite Wicklungen (5A₁, 5A~ ; 5B ,5B_) umfassen, die durch elektrische Winkel von 360° voneinander getrennt sind, und daß vier magnetische Feldpole (2a, 2b, 3a, 3b) vorhanden sind.

18. Ansteuerschaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) mindestens eine sich über einen Teilumfang erstreckende Blende (8, 9) aufweist; und daß das Sensorelement durch

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einen Lichtsensor (T1) und ein lichtaussendendes Element (10) gebildet ist, die sich gegenüberliegend und durch die Blende trennbar an dem Stator befestigt sind.

19. Ansteuerschaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß bei Betrieb des Motors in einer Drehrichtung das Drehrichtungs-Steuersignal (K) für einen vorgegebenen Zeitraum umgekehrt wird, um den Motor durch ein Gegendrehmoment elektromagnetisch zu bremsen.

20. Ansteuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit mindestens zwei Statorwicklungen, die in Abhängigkeit von einem Drehwinkel-Meldesignal abwechselnd erregt werden, dadurch gekennzeichnet , daß in Abhängigkeit von dem Drehwinkel-Meldesignal ein NPN-Transistor (T10) und ein PNP-Transistor (T11) in der Weise ein- und ausgeschaltet werden, daß die beiden Statorwicklungen (5...) in der Normal-Drehrichtung des Motors abwechselnd in Abhängigkeit von dem Ausgang des NPN-Transistors, und in der Gegendrehrichtung in Abhängigkeit von dem Ausgang des PNP-Transistors erregt werden.

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