DE3124080C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Motor mit Läufer und Stator, wobei der Stator eine Mehrzahl von stromdurchflossenen Wicklungen aufweist gemäß Ober­ begriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiger bürstenloser Motor ist aus der US-PS 37 83 359 bekannt. Auch dort werden von Positions­ sensoren gelieferte Signale den Eingängen von als Komparatoren arbeitenden Triggern zugeführt, wobei die Ausgänge dieser Komparatoren einem Logikschalt­ kreis zugeordnet sind, der in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen eine Brückenschaltung steuert und damit gewünschte Betriebsweisen vorgibt. Die Mehr­ zahl der unterschiedlichen diskreten Schaltkreise wird bei der bekannten Schaltungsanordnung umso größer, je unterschiedlicher die gewünschten Betriebs­ weisen sind, d. h. umso mehr derartige Betriebsweisen gefordert werden. Dadurch wird die Steuerung der ge­ samten Schaltungsanordnung sehr komplex, wodurch Ko­ ordinationsfehler nicht ausgeschlossen werden können.

Durch die feste Verdrahtung ist jeweils nur eine be­ stimmte Anzahl von Betriebsweisen vorgegeben, wobei auch der zugehörige Logikkreis entsprechend diesen Betriebsweisen festverdrahtet ist. Daraus ergibt sich zwangsläufig, daß bei Betriebsartänderungen hardware­ seitig Eingriffe in die Schaltungsanordnung vorge­ nommen werden müssen, die Kosten verursachen, bzw. von denen Abstand genommen wird, so daß letztlich nur wenige fest vorgegebene Betriebsweisen Anwendung finden können.

Es soll in diesem Zusammenhang auch noch auf eine weitere bekannte bürstenlose Maschine mit zueinander beweglich angeordneten, als Läufer und Stator ausge­ bildeten Feld- und Wicklungsbauelementen verwiesen werden (DE-OS 27 44 718), bei der Abtasteinrich­ tungen mittels Sensoren die Stellung der Bauele­ mente zueinander erfaßt und ein Decoder Rechteck­ impulse liefert, und wobei eine Regelschaltung die Informationen der Abtasteinrichtungen verarbeitet, so daß die Wicklungen betriebsgemäß ansteuerbar sind. Hierbei werden für den bekannten elektronisch kom­ mutierten Motor über einen Decoder ausschließlich gleichförmige Rechteckimpulse der Logikschaltung für ein schrittweises Weiterschalten geliefert und in der Weise verarbeitet, daß die normale Kommutie­ rung oder Zuschaltung einer nächsten Wicklung in der Sequenz gehemmt und damit ein fortgesetztes Stromzuführen zur gleichen Wicklung solange bewirkt wird, bis der Läufer sich in eine Stellung weiterbe­ wegt hat, in der das Drehmoment null ist. Die bekannte Auswerteeinrichtung, die aus den Signalen der Positionssensoren die jeweilige Läuferstellung ab­ leitet, bestimmt ausschließlich den aktuellen Wicklungs­ sektor, und die Logikschaltung leitet ein der tatsäch­ lichen Läuferschaltung entsprechendes digitales Signal ab, wobei die Stromstärke an die jeweilige Betriebs­ weise anpaßbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für einen gattungsgemäßen Motor zu schaffen, bei problemloser Umschaltemöglichkeit der Betriebsweisen untereinander und gleichzeitig einfachem kostengünstigen Aufbau der Vorrichtung.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im kennzeich­ nenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale er­ findungsgemäß erreicht.

Der Unteranspruch zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung.

Dadurch, daß jeder Wicklung eine Strommeßeinrichtung zugeordnet ist, also jeder Wicklungsstrom direkt gemessen wird, werden für die vorliegende Schaltungs­ einrichtung die Grundvoraussetzungen dafür geschaffen, daß beliebig von einer Betriebsweise auf eine andere umgeschaltet werden kann, wobei die Benutzung eines Mikroprozessors eines entsprechenden Mikrocomputers hier eine sehr reichhaltige Programmvorwahl und praktisch beliebige Änderung zuläßt. Beispielsweise kann die vorliegende Vorrichtung als Antriebsmotor für eine Wasserpumpe dienen, wobei der Strom von Solarzellen und bei Ausfall der Solarzellen etwa in den Nacht­ stunden von einer Batterie geliefert werden kann. Dabei ist es bei dem Betrieb mit Solarzellen er­ wünscht, die maximale Leistung des Pumpenantriebs auch tatsächlich vorgeben zu können, während bei Batteriebetrieb dem gegenüber die Maximierung der Umsetzung der elektrischen in mechanische Energie vor­ rangig ist und auch erreicht werden kann. Derart unter­ schiedliche Anforderungen bzw. Voraussetzungen müssen nicht durch spezielle Verdrahtungen o. dgl. aufwendige Manipulationen vorgenommen werden, sondern sind im­ manent im System enthalten. Sowohl Positionsmessungen als auch Geschwindigkeitsmessungen sind gleichermaßen bei dem vorliegenden Motor gegeben, wobei in Abhän­ gigkeit von der jeweiligen Geschwindigkeit oder Po­ sition obere und untere Schwellenwerte auf einfache Weise vorgebbar sind. Ein programmierbarer Speicher steuert in vorteilhafter Weise, abhängig von seiner gespeicherten Information, bspw. einem entsprechen­ den Sektorsignal die Schaltzustände für die Impuls­ breitenmodulation und aufgrund der gespeicherten Information in dem programmierbaren Speicher lassen sich die verschiedenen Betriebsarten umrüstungsfrei erzielen. Mit einem Minimum einer Hardware wird ein größtmögliches Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten erzielbar.

Anhand der Zeichnungen soll die vorlie­ gende Erfindung näher, jedoch nur beispielsweise beschrieben werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Funktions-Blockdiagramm mit einem pro­ grammierten Mikrocomputer für die Motor­ ansteuerung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung des möglichen Meßspannungsverlaufs der Hall-Sensoren.

In Fig. 1 ist ein Motor mit drei Statorwicklungen 60 dargestellt, die mit einer Brückenschaltung 56 ver­ bunden sind, die Leistungstransistoren mit zugehörigen Basistreibern enthält. Jedem Ende der Wicklungen ist ein Strom-Abtast-Widerstand als Strommeßeinrichtung 100 zugeordnet, die eine Spannung proportional dem Wicklungsstrom vorgibt. Diese dem Wicklungsstrom proportionalen Spannungen werden in den nicht geerde­ ten Stromsensoren der Strommeßeinrichtung (100, 102) verstärkt, wobei die betreffende Spannung von einem Umschalter 128 ausgewählt wird. Der Motor weist Positionssensoren 72 auf, mit drei Hall-Genera­ toren sowie Proportionalverstärkern 78. Die Ausgangs­ signale dieser Verstärker 78 sind in Fig. 2 dargestellt. Das Stromsignal des Umschalters 128 wird mittels eines Verstärkers 356 verstärkt und, zusammen mit den Positionssignalen der Verstärker 78, mit den analogen Spannungspegeln der Digital/Analog- Konverter 142 und 352 in Komparatoren 358 und 106 ver­ glichen. Dieser Vergleich liefert fünf Digital-Signale zu einem Mikrocomputer 500; diese geben dem Mikrocom­ puter 500 den Zustand des Motors an.

Die Ausgangssignale des Mikrocomputers steuern die Brückenschaltung 56 und die D/A-Wandler 142 und 352 (Wirkverbindung 8). Der Ausgang C des Mikrocomputers 500 verbindet diesen mit einer asynchron arbeitenden Übertragungsvorrichtung 502. Über diese Vorrichtung kann der Mikrocomputer 500 Steuer­ signale empfangen und Zustandssignale an die Steuer­ schaltung abgeben (Wirkverbindung 8). Es ist selbstverständlich, daß dieses System nur arbeitet, wenn ein entsprechendes Programm gespeichert ist. Um anzugeben, wie die in Fig. 1 dargestellte Schaltung in einer der möglichen Betriebsarten arbeitet, werden zunächst drei Unter­ funktionen beschrieben, nämlich Kommutierung, Impuls­ breitenmodulation und Geschwindigkeitsmessung. Schließ­ lich wird eine Arbeitsweise beschrieben, die alle drei Funktionen verbindet und gleichzeitig eine maximale Kraftübertragung gewährleistet.

In Fig. 2 bezeichnen die drei Hall-Spannungen H 1, H 2 und H 3 sechs 60° Sektoren durch ihre Null-Durchgänge. Eine einzige Identifizierung für jeden Sektor wird in der Ausführungsform nach Fig. 1 an den Ausgangs­ signalen der Komparatoren 106 vorgegeben, sobald der Konverter 142 seinen Leistungsausgang entsprechend dem Nulldurchgang gesetzt hat. Um den Motor zu kom­ mutieren, setzt der Mikrocomputer 500 einen Wert am Port B gleich dem Null-Durchgang und überprüft den Status der Eingänge am Port A. Die drei von den Kom­ paratoren 106 kommenden Eingangssignale am Port A stellen bspw. im Gray-Code jeweils einen der sechs Sektoren dar. Wird dieser Sektorenwert als Eingang für eine Tabelle von sechs Werten verwendet, so wird aus dieser Tabelle der genaue Zustand der Brücke 56 gewählt und erscheint am Port D. Ändert sich der den Sektor angebende Gray-Code, so wird ein anderer Wert aus der Tabelle entnommen und somit auch der Zustand der Brücke 56 geändert. Auf diese Weise wird der Motor als Funktion der relativen Läufer/Stator-Position, wie durch die Positionssensoren 72 angegeben, kommutiert.

Die Steuerung des Wicklungsstromes kann durch Impuls­ breiten-Modulation unter Verwendung des vom Umschalter 128 übertragenen Stromes erfolgen. Die Strommeßeinrichtung 102 wird mittels der Ausgänge von Port A des Mikrocomputers 500 ausgewählt, in gleicher Weise, wie weiter oben für die Brücke 56 beschrieben, bspw. mit Hilfe einer durch die Sektoren- Kennummern adressierte Tabelle. So erscheint das analoge Stromsignal, das den tatsächlichen Wicklungsstrom durch die Brücke anzeigt, als Ausgangssignal am Verstärker 356. Dieses Signal wird mit dem analogen Pegel des D/A-Wand­ lers 352 in den Komparatoren 358 verglichen. Die Komparatoren betätigen die Interrupt-Leitungen des Mikrocomputers 500, wobei die eine auf den "Aus"-Zustand anspricht und einschaltet, während die andere auf den "Ein"-Zustand anspricht und abschaltet. Der gewünschte obere Stromwert wird vom Mikrocomputer 500 ausgewählt und an den D/A-Wandler 352 über Port B geleitet. Gleich­ zeitig wird die Brücke 56 durch Port D mit Strom ver­ sorgt, d. h. der Motorstrom nimmt zu. Zeigt das Signal vom Komparator 358 an, daß der obere Stromwert er­ reicht ist, wird der Strom in der Brücke durch den Mikrocomputer 500 abgeschaltet und ersetzt den Wert im D/A-Wandler 352 durch den gewünschten unteren Strom­ wert. Der Strom im Motor nimmt nun ab, bis das Signal vom Komparator 358 angibt, daß die untere Grenze er­ reicht ist. Wiederum ersetzt der Mikrocomputer 500 den Wert im D/A-Wandler 352 durch den gewünschten oberen Stromwert und versorgt die Brücke 56 wieder mit Strom. Auf diese Weise wird ein mittlerer Wert für den Motor­ strom festgelegt. Dieser Wert kann vom Mikrocomputer 500 jederzeit aufgrund eines vom innerhalb des Systems bzw. von außen kommenden Signals geändert werden, und zwar durch Ändern der oberen und unteren Stromgrenz­ werte.

Die Signale der Positions­ sensoren 72 können ebenfalls zum Messen der Rotations­ geschwindigkeit des Motors benutzt werden. Zum Beispiel kann die Häufigkeit der Null-Durchgänge der Hallspannung über einen vorbestimmten Zeitraum gezählt werden. An­ dererseits können auch die Taktgeberimpulse zwischen den einzelnen Null-Durchgängen der Hall-Spannung ge­ zählt werden. Die erste Methode eignet sich sehr gut bei hohen Geschwindigkeiten, während die zweite für niedrige Geschwindigkeiten besser geeignet ist. Bei beiden Verfahren wird der Taktgeber des Mikrocomputers 500 benutzt.

Neben den Grundfunktionen Kommutierung, Impulsbreiten- Modulation und Geschwindigkeitsmessung läßt sich auch die Vorgabe einer maximalen Energieumwandlung mittels eines geeigneten Programms beschreiben. Dabei kann bspw. ein Teilprogramm mit konstanter Frequenz und einem variablen Arbeitszyklus arbeiten, weil der Arbeitspunkt leicht vermittels Einstellen des Impuls­ breitenmodulations-Arbeitszyklus angepaßt werden kann. Die Geschwindigkeitsmessung erfolgt in einem Teilpro­ gramm durch Zählung der festgesetzten Impulsbreiten- Modulationszyklen zum Messen der Dauer eines Sektors und Speicherung des Ergebnisses zur Vorgabe der Tat­ sache, ob die Geschwindigkeit des Motors steigt oder fällt. Das restliche Programm umfaßt die schrittweise Annäherung an die maximale Energieübertragung, bei der aufgrund aufeinander folgender Sektorendauer festge­ stellt wird, ob die Motorgeschwindigkeit zu- oder ab­ nimmt. Der Arbeitszyklus ist in Richtung der Zunahme der Motorgeschwindigkeit eingestellt. Diese Arbeits­ weise wird allgemein als "hill-climbing"-Programm be­ zeichnet.

Aus der vorangehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß eine große Zahl von Energiewandler-Vorgängen unter Zuhilfenahme einfacher Hardware und variabler Software möglich ist, wenn diese in Verbindung mit einem Programm­ speicher verwendet wird. Diese und andere Arbeitsweisen können mit Rechner- und Übertragungsfunktionen kombi­ niert werden, die eine sehr vielseitige, elektro-mecha­ nische Energiewandlung bei geringen Kosten erlauben.

Claims (2)

1. Bürstenloser Motor mit Läufer und Stator, wobei der Stator eine Mehrzahl von stromdurchflossenen Wicklungen aufweist, die elektrische Sektoren definieren, mit einer Strommeßeinrichtung zum Bestimmen des Wicklungsstromes, mit einer Po­ sitionsmeßeinrichtung mit Sensoren, deren Ausgänge für die Bestimmung der Stellung des Läufers zum Stator mit Komparatoren verbunden sind, und mit einer eine Schalteranordnung aufweisende Brücken­ schaltung, die mit den Wicklungen verbunden ist und diese abhängig von gewünschten Betriebsweisen, über die Schalteranordnung gesteuert, mit Strom versorgt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wicklung (60) eine Strommeßeinrichtung (100, 102) zugeordnet ist, daß die von den Strom­ meßeinrichtungen (100, 102) gelieferten Signale ersten Eingängen von ersten Komparatoren (358) zugeführt werden, deren zweite Eingänge mit ei­ nem D/A-Wandler (352) verbunden sind, wobei zwischen den Strommeßeinrichtungen (100, 102) und den ersten Komparatoren (358) ein Umschalter (128) vorhanden ist, daß bei den mit den Positionssen­ soren (72) verbundenen zweiten Komparatoren (106) die ersten Eingänge die Signale der Positions­ sensoren (72) empfangen und die zweiten Eingänge mit einem weiteren D/A-Wandler (142) verbunden sind, und daß die Ausgänge der Komparatoren (106, 358) an einen Mikrocomputer oder -prozessor (500) angeschlossen sind, der abhängig von den Ausgangs­ signalen der Komparatoren (106, 358) und von der gewünschten Betriebsweise die Brückenschaltung (56) steuert, der über die D/A-Wandler (142, 352) die Vergleichswerte für die von den Strom­ meßeinrichtungen (100, 102) und den Positions­ sensoren (72) an die Komparatoren (106, 358) gelieferten Signale vorgibt und den Umschalter (128) steuert.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor bzw. -computer (500) mit einer asynchronen Übertragungsvorrichtung (502) zum Empfang externer Steuersignale und Abgabe von Zustandssignalen verbunden ist.