DE3106856A1

DE3106856A1 - Gleichstrommotor-ansteuerschaltung

Info

Publication number: DE3106856A1
Application number: DE19813106856
Authority: DE
Inventors: Fumiyoshi Atsugi Kanagawa Abe
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1980-02-25
Filing date: 1981-02-24
Publication date: 1981-12-10
Also published as: FR2476933A1; FR2476933B1; GB2071440B; NL8100925A; AU6719581A; US4358720A; AU544713B2; GB2071440A; DE3106856C2; ATA76781A; CA1170712A; AT376529B

Description

7-35, Kitashinagawa 6-chome

Shinagawa-ku

Tokyo / JAPAN

Gleichstrommotor-Ansteuerschaltung

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrommotor-Ansteuerschaltung, und insbesondere eine Steuerschaltung für einen bürstenlosen Motor, die das Drehmoment des bürstenlosen Motors linear steuern bzw. regeln kann.

Ein bürstenloser Gleichstrommotor und dessen theoretische Ansteuerschaltung ist wie gemäß Fig. 1 aufgebaut.

Gemäß Fig. 1 sind Statorwicklungen L.,L ,L des Motors mit

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einem Winkelabstand von 120 gegeneinander angeordnet. Weiter ist ein Rotor R, vorgesehen, der aus einem Permanentmagnet hergestellt XSt_-1 und sind Detektorglieder HL,H₂ und H„ vorgesehen, die jeweils beispielsweise aus einer Hall-Effekt-Einrichtung bestehen. Diese Einrichtungen H^-H-sind mit einem Winkelabstand von 120 zueinander dem Rotor R₊ gegenüberliegend angeordnet zum Erfassen einer Drehphase des Rotors R.. Die Ausgangssignale der Detektoreinrichtungen H..-H- werden einer schaltenden Logik-Steuer-

schaltung A₁ zugeführt, die das schaltende Steuern von ausgangsseLtigen Sehalttransistoren Q₁-Qg in einem Kreis bzw. einem Zyklus durchführt.

-i

Daher werden die Wicklungen Ij.-L·^ mit Ansteuerimpulsen wie gemäß Fig. 2A versorgt und dreht sich der Rotor R₊ in diesem Fall in Vorwärtsrichtung, Zu diesem Zeitpunkt erzeugen die Wicklungen L.-L„ auch elektromotorisch« Gegenspannungen E.-E,, wie gemäß Fig. 2B. Wenn der Logikpegel an einem Anschluß T₁ der Steuerschaltung A₁ geändert wird, wird der Ansteuerimpuls V₀ der Wicklung L„ und der Ansteuerimpuls V der Wicklung L„ zugeführt, so daß der Motor sich in Gegenrichtung bzw. rückwärts dreht.

Wenn ein derart aufgebauter Motor zum Durchführen irgendeiner Beschleunigung oder Verlangsamung über einen breiten Drehungs bereich verwendet wird, beispielsweise von 1000 U/min in Vorwärtsrichtung bis 1000 U/min in Rückwärtsrichtung,oder wenn der Motor in dem Walzenantriebssystem eines Videobandgerätes (VTR) zur Einstellung bezüglich jeder Bandspannung oder zum Durchführen der Beschleunigung und der Verlangsamung bei der Bandgeschwindigkeit verwendet wird, muß das Drehmoment des Motors linear gesteuert bzw. geregelt werden, sowohl während des Bremsbetriebes als auch während des Antriebsbetriebes.

Jedoch kann bei der herkömmlichen Ansteuerschaltung gemäß Fig. 1 das Drehmoment nicht auf einen, gewünschten bzw. Sollwert geregelt werden. Das heißt, wenn die Transistoren Qj^Q/: jeweils als Diode aufgefaßt werden, da sie eine unidirektionale Einrichtung bilden, ergibt sich ein Äquivalentschaltbild während des Antriebsbetriebes wie gemäß Fig. 3 und ein Äquivalentschaltbild während des Bremsbetriebes wie gemäß Fig. 4, wobei ein Widerstand R den Wider-

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stand irgendeiner Statorwicklung wiedergibt und ein Strom I durch die obige Windung fließt bei einer Versorgungsspaimung V . Folglich fließt während des Bremsbetriebes (Fig. 4),selbst obwohl V = O,ein Strom I entsprechend dem Betrag der elektromotorischen Gegenspannung E, wodurch ein Drehmoment entsprechend dem Strom I erzeugt wird, so daß das Drehmoment nicht auf einen Sollwert geregelt werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ansteuerschaltung für einen Gleichstrommotor, insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor, anzugeben, mit der eine Drehmomentenregelung bei geringem Leistungsverlust möglich ist.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist eine Variabel-Konstantstromschaltung in Reihe zu einem bürstenlosen Gleichstrommotor geschaltet und wird das Motordrehmoment einschließlich des Bremsmomentes durch den Strom bestimmt bzw. dessen Betrag, der durch die Variabel-Konstnntstromschaltung festgelegt ist.

Weiter ist zur dynamischen Versorgung mit einer geringsten Betriebsvorspannung für die Variabel-Konstantstromschaltung in Reihe zu den Motorwicklungen vorzugsweise eine Stromversorgungsspannungs-Regelschleife vorgesehen.

Als Anwendungsfall, für die Erfindung ist eine Regelschaltung für einen Walzenantriebsmotor für ein Bandgerät und ein Videobandgerät von Bedeutung.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Ansteuerschaltung für einen herkömmlichen bürstenlosen Gleichstrommotor,

Fig. 2A,2B Signalverlaufe zur Erläuterung der herkömmlichen Ansteuerschaltung^

Fig. 3 η.k Äquivalentschaltbilder der obigen Ansteuerschaltung,

Fig. 5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Gleichstrommotor-Ansteuerschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 6-8 Schaltbilder anderer Ausführungsbeispiele der Erfindung,

Fig. 9 u.10 Schaltbilder praktischer Ausführungsboispiele der Erfindung entsprechend den Schaltungen gemäß den Fig. 5 bzw. 7,

Fig. 11 ein Schaltbild eines weiteren praktischen Ausführungsbeispiels einer Gleichstromraotor-Ansteuerschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 12A,12B Darstellungen der Spannungs/Drehmoment-Charakteris-

12C

tik zur Erläuterung der Schaltung gemäß Fig. 11,

Fig. 13,l4t Schaltbilder zusätzlicher Schaltungen für die Ansteuerschaltung gemäß Fig. 11.

Die herkömmliche Ansteuerschaltung wurd$ bereits anhand der Fig. l-'l näher erläutert.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 5 ist zwischen einem Versorgungs-/·■> anschluß T für Gleichspannung V und Masse bzw. Erde eine Reihenschaltung aus der Emitter/Kollektor-Strecke eines Transistors Q., ' Dioden D. und D., der Emitter/Kollektor-Strecke eines Transistors Qj. und einer Variabel-Konstantstromschaltung A nach Art einer Stromsenke angeschlossen. Weiter sind eine Reihenschaltung aus einem Transistor Q , Dioden D und

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D und einem Transistor Q_ und eine Reihenschaltung aus einem Transistor Q , Dioden D und Dg und einem Transistor Qg jeweils parallel zu der Reihenschaltung aus dem Transistor Q₁, den Dioden D und D, und dem Transistor Qr geschaltet. Zusätzlich sind zwischen den verschiedenen Verbindungspunkten der

Dioden D und D, , D„ und D bzw. D und D,- Statorwicklungen L -L„ des Motors angeschlossen. Die Variabel-Konstantstrom-

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quelle A wird in ihrem Stromwert über ein Steuersignal ge-

steuert, das von einem Anschluß T^ zugeführt wird»

Gemäß dem obigen Schaltungsaufbau werden Ströme I.-I , die durch die Wicklungen L₁-L fließen, in der Konstantstroraschaltung A₀ sequentiell absorbiert, derart, daß diese Ströme durch die Konstantstromschaltung A„ gesteuert bzw. geregelt werden können. Folglich kann das Motordrehmoment frei und linear durch Ändern der Konstantstromschaltung A₃ gesteuert werden.

In diesem Fall werden die Dioden D.-Dg zum Schutz der Transistoren Q-j-Qf: gegen entsprechende Basis/Emitter-Durchbruchs Spannungen verwendet.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 besitzt die Konstantstromquelle A Stromquellenaufbau und ist an dem stromführenden Ende der Motorwicklungen L.-L„ angeschlossen.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 7 sind die Transistoren Q/.-Qg vorgespannt, derart, daß sie im Α-Betrieb arbeiten und dienen diese sowohl als Schalteinrichtung als auch als Konstantstromquelle A„. Die Steuerschaltung A₁ wirkt nämlich zum Steuern des Einschalt- und Ausschaltbetriebes (Durchschalten bzw. Sperren) der Transistoren Q₁I-Q₁O* Weiter wird der Motorstrom I mittels eines Widerstands R_ erfaßt und wird ein η 0

Erfassungsausgangssignal einem Vergleicher A„ zugeführt, in dem es mit dem Steuersignal vom Anschluß T verglichen wird. Dann wird ein Vergleichsausgangssignal vom Vergleicher A über die Transistoren Q₁₁-Q₁O ^den Transistoren Q^-Qg derart zugeführt, daß die Transistoren Q^-Qg ^als Konstantstromschaltung A₀ arbeiten können. .

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Daher können bei diesem Ausführungebeispiel, da die Transistoren Q4-Q/- sowohl als Schalteinrichtung, als auch als Konstantstromschaltung arbeiten, die Kosten für die Gesamtschal tung verringert werden. Weiter arbeitet jeder der Transistoren Qr-Q/- als Konstant stromquelle lediglich während einem Drittel der Zeitperiode, so daß jeder Transistor wenig Wärme erzeugt, was bezüglich der Wärmestrahlung vorteilhaft ist.

Bei dem Ausführungebeispiel gemäß Fig. 8 sind die Transistoren Q--Q„ in ähnlicher Weise angeschlossen wie die Traxisistoren. Q^-Qf- gemäß Fig. 7% weshalb »ie sowohl als Konstantstromschaltung als auch als Schalteinrichtung arbeiten.

Fig. 9 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel entsprechend der Schaltung gemäß Fig. 5· Bei dieser Schaltung sind die Transistoren Q₁-Qg jeweils in Darlington-Schaltung angeschlossen und ist die Konstantstromschaltung Aq durch einen Operationsverstärker A_Q,einen Ausgangstransistor Q₀ und einen Stromerfassungswiderstand R_Q gebildet. Folglich wird, wenn die Steuerspannung am Anschluß T geändert wird, der KollQktorstrom des Transietore Q_Q geändert zum freien Steuern des Motordrehmomentes abhängig von der Steuerspannung.

Die Transistoren Q--Q_q und Q. ,--Q₁- sind Schalt-Puffertransistoren, die jeweils von der Emitterseite gesteuert werden»

Fig. 10 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel entsprechend der Schaltung gemäß Fig. 7· Bei dieser Schaltung ist der Vergleicher A„ durch einen Operationsverstärker A„ und einesi Stromerfassungswiderstand R_ gebildet.

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Fig. 11 zeigt ein weiteres praktisches Ausführungsbeispiel, das für einen Walzenantriebsmotor eines Videobandgerätes (VTR) in besonderer Weise ausgebildet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 wird aucTi eine dynamische Steuerung der Versorgungsspannung des Motors durchgeführt. Da nämlich die Konstantstromschaltung A₀, die in Reihe zum Gleichstrommotor geschaltet ist, so angeordnet ist, daß die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors zum Erzeugen eines KonstantStroms verwendet wird, erreicht zumindest ein Spannungsabfall der Kollektor/Emitter-Spannung V_CE einen Leistungsverlust um einen Betrag entsprechend dem \^< Produkt der abgefallenen Spannung V_CE und des Motorstroms. Zum Festlegen des obigen Leisttmgsverlustes auf einen Minimalwert verwendet die Schaltung gemäß Fig. il eine zusätzliche Schaltung, wie sie in den Fig. 13 und Ik dargestellt ist.

Gemäß Fig. 13 ist ein Operationsverstärker A_ vorgesehen und wird eine Bezugsspannung V diesem Operationsverstärker A₇ an dessen nichtinvertierende m Eingang von einer Spannungsquelle V zugeführt. Der Motor M und die Konstantstromschaltung A₀ sind in Reihe zwischen dem Ausgang des Operations-Verstärkers A_ und Masse bzw. Erde angeschlossen, und der

Verbindungspunkt zwischen dem Motor M und der Konstantstromve

schaltung A₂ ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers Ay verbunden.

Bei dieser Anordnung wird ein durch den Motor M fließender Strom mittels der Konstantstromschaltung A₂ bestimmt, weshalb das Drehmoment des Motors M durch die Steuerspannung von dem Anschluß T₁ frei gesteuert werden kann. In diesem Fall wird der Spannungsabfall V_CE über der Konstantstromschaltung A₀ mit der Bezugsspannung V in dem Operationsu * r

verstärker A verglichen und wird das Vergleichsausgangs-

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signal V, davon dem Motor M derart zugeführt, daß V_c_ = V erhalten wird. Polglich kann, wenn die Bezugsspannung V_r auf den Minimalwert gehalten werden kann, der für den Betrieb eines Konstantstromtransistors erforderlich ist, . der Spannungsabfall V^p klein gemacht werden bei in normalem Betriebszustand gehaltenem Konstantstromtransistor. Als Ergebnis ermöglicht es das Hinzufügen der erwähnten Schaltung, daß das Drehmoment des Gleichstrommotors froi regelbar ist und auch dessen Leistungsverlust verringert wird.

Bei dem Ausführungebeispiel gemäß Fig. lk ist ein Addierer A, zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers A_ und dem Motor M vorgesehen und wird die Steuerspannung vom Anschluß T., über einen Widerstand R dem Addierer A, zuge-1 m α

führt. Der Wert des Widerstands R wird gleich dem Gleichstromwiderstand des Motors M gemacht. Folglich wird in diesem Fall der Gleichstromwiderstand des Motors M durch den Widerstand R kompensiert, derart, daß die Steuerspannung vom Anschluß T in weitem Mai
steuern bzw. regeln kann.

Anschluß T in weitem Maße das Drehmoment des Motors M

Zum Durchführen des obigen Betriebes bei der Schaltung gemäß Fig. 11 ist der Operationsverstärker A_ vorgesehen und wird eine Regelschleife über die Dioden ^D ₇»^Dg ^{und D}n gebildet. Die Betriebsspannungen der Transistoren Q^-Qg werden nämlich zum Operationsverstärker A„ zurückgeführt,und die erforderliche Minimalspannung wird der Motorschaltung zugeführt.

Die Schaltung gemäß Fig. 11 ist weiter mit einem Vergleicher Ag, einem Operationsverstärker A^ und einer Schalteinrichtung A_ für dessen Zweirichtungs-Steuerung versehen. Das heißt, der Anschluß T^ wird mit einer Steuerspannung versorgt, die in der Polarität und dem Pegel entsprechend dem erforderlichen Moment geändert wird, wie das in Fig. 12A durch eine

Vollinie dargestellt ist, wobei diese Steuerspannung dem Operationsverstärker A· zum Erzeugen einer Steuerspannung zugeführt wird, die in komplementärer Weise zur ursprünglichen Steuerspannung geändert wird, wie das in Fig. 12A durch eine Strichlinie dargestellt ist. Diese Steuerspannungen werden der Schalteinrichtung A_ zugeführt. Die SteuerSpannung vom Anschluß T_ wird auch dem Vergleicher Ag zugeführt, in dem sie in ein Signal umgesetzt wird, das im Pegel abhängig von der Richtung des Drehmomentes wie gemäß Fig. 12B geändert wird, wobei dieses Signal der Schalteinrichtung A_ als dessen Steuersignal zugeführt wird, so daß eine Gleichspannung mit einem Pegel entsprechend dem Absolutwert des Drehmoments, wie gemäß Fig. 12C,von der Schalteinrichtung A_ abgeleitet wird. Diese Gleichspannung wird dem Operationsverstärker A^ zur Motordrehmomentsteuerung zugeführt.

Die Ausgangsspannung des Vergleichers Az- wird auch dem Anschluß T₁ als Signal zum Steuern bzw. Einstellen der Richtung des Drehmomentes bzw. der Drehung zugeführt.

Weiter führt der Operationsverstärker A_ die Steuerung der Motor-Antriebsspannung durch, wie das in Fig. 12 dargestellt ist, um so eine Motordrehmoment-Ansteuerschaltung hohen Wirkungsgrades zu erreichen.

Selbstverständlich sind noch andere Ausführungsformen möglich.

Patentanwalt

ί.

Leerseite

Claims

Dipl.-Ing. H. MITSCHERUCH D-8000 MÖNCHEN

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN SteinsdoffstraßelO

Dr. r.r. not. W. KÖRBER *» ⁽⁰⁸⁹> *²⁹⁶⁶⁸⁴

Dipl.-! ng. J, SCHMIDT-EVERS PATENTANWÄLTE

24. Februar 1981

SONY CORPORATION

7-35, Kitashinagawa 6-chome

Shinagawa-ku

Tokyo / JAPAN

Ansprüche:

f1.)Gleichstrommotor-Ansteuerschaltung zum Steuern des Drehmomentes eines Gleichstrommotors, mit

A) einom ersten Versorgungsanschluß,

B) einom zweiten Versorgungsanschluß und

C) zwischen dem ersten Versorgungsanschluß und dem zweiten Versorgungsanschluß angeschlossenen Motorwicklungen,

_ die mit einer Antriebsleistung versorgt sind,

gekennzeichnet durch

ü) eine Variabel-Konstantstromschaltung (A„ ) zwischen den Motorwicklungen (L.-L-) und einem der Versorgungsanschlüsse zum Steuern des Drehmomentes des Gleichstrommotors abhängig von einem der Variabel-Konstantstromschaltung (A₂ ) zugeführten Steuersignal.

2» Gleichstrommotor-Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

E) eine Erfassungsschaltung (Rq^' ^{die mit der} Variabel-Konstant stromschal tung (Ap ) verbunden ist zum Erfassen von Spannungsabfällen über die Konstantstromschaltung (A₀ ) und

F) eine Versorgungs-Steuerschaltung (A_Q), die mit der Erfassungsschaltung (Rq) verbunden ist zum Einstellen der Versorgungsspannung zwischen erstem und zweitem Versorgungsanschluß auf einen vorgegebenen Wert.

3· Gleichstrommotor-Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Gleichstrommotor ein bürstenloser Motor ist, der mehrere Wicklungen (L₁-L-) und Lagedetektoren (H.-H) aufweist, und daß mehrere Sätze von Schalteinrichtungen (Q₁-Q in Zuordnung zu den Wicklungen (L^,L„) und abhängig von Ausgangssignalen von den Lagedetektoren (H₁-H ) vorgesehen sind zum Ansteuern des Gleichstrommotor!? in Vorwärts und Rückwärtsrichtung.

k. Gleichstrommotor-Ansteuerschaltung nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet,

daß jeder der mehreren Sätze der Schalt einrichtungen (Q₁-Q/ ein Paar von reihengeschalteten Schaltgliedern aufweist, und daß die Motorwicklungen (L₁-L,) jeweils mJt einem Verbindungspunkt der reihengeschalteten Schaltgli eder verbunden sind.

5. Gleichstrommotor-Ansteuerschaltung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet,

daß eines der Schaltglieder in dem Satz der Scl·alteinrichtungen vorgespannt ist zur Arbeit als Variabel-Konstantstromschaltung .

6. Gleichstrommotor-Ansteuerschaltung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch

E) eine Erfassungsschaltung, die mit dem Verbindungspunkt verbunden ist zum Erfassen von Spannungsabfällen über

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einem der Schaltglieder und

F) eine Versorgungs-Steuerschaltung (A_), die mit der Erfaβsungβschaltung verbunden ist zum Binstelü en der Versorgungsspannung zwischen erstem und zweiten Versorgungsanschluß auf einen vorgegebenen Wert.