DE3211743A1

DE3211743A1 - Gleichstrommotor-steuerschaltung

Info

Publication number: DE3211743A1
Application number: DE19823211743
Authority: DE
Inventors: Fumiyoshi Zama Kanagawa Abe; Takayuki Yokohama Kanagawa Okafuji
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1981-03-30
Filing date: 1982-03-30
Publication date: 1982-11-11
Also published as: DE3211743C2; AU562655B2; NL8201285A; ATA124382A; JPS57160388A; GB2095931A; GB2095931B; AT380133B; FR2502861A1; FR2502861B1; AU8178782A; US4418303A; CA1180378A; JPH0517798B2

Description

-4-Gl eichstrommotor-Steuerschaltung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gleich-Strommotoren, insbesondere auf eine neuartige Gl eichstrommo· tor-Steuereinrichtung.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Treiberschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, wobei die Bezugszeichen Ll, -^q L2 u. L3 Statorwicklungen eines bürstenlosen Gleichstrommotors bezeichnen, die sternförmig miteinander verbunden sind und jeweils über einen Winkel von 120° voneinander entfernt sind.

Ein Rotor Rt, der aus einem Permanentmagneten besteht, wird auf der Innenseite der Statorwicklungen Ll, L2 u. L3 gedreht, und die Drehpositionen des Rotors Rt werden durch Positionsdetektoren Hl, H2 u. H3 erfaßt, die um den Rotor Rt herum in Abständen von 120° voneinander montiert sind.

Die Positionsdetektoren Hl, H2 u. H3 sind beispielsweise nach dem Hall-Effekt arbeitenden Einrichtungen und erzeugen Positionssignale Pl, P2 u. P3, die einem Antriebsimpulsgenerator 1 zugeführt werden, welcher Schaltimpulse erzeugt, die Ausgangstransistoren Ql - Q6 zugeführt werden, die miteinander wie gezeigt verbunden sind. Eine Motorsteuerspannung wird einer Stromquellenanschlußklemme 2 und nacheinander den Statorwicklungen Ll, L2 u. L3 des Motors über Ausgangstransistoren Ql - Q6 mittels des Antriebsimpulsgenerators 1 zugeführt.

Fig. 2A zeigt einen Satz von Positionssignalen Pl, P2 u. P3, die durch die Positionsdetektoren Hl, H2 bzw. H3, die als nach dem Hall-Effekt arbeitende Einrichtungen ausgebildet sind, erzeugt werden. Fig. 2B zeigt die Richtung der Motorströme, die jeweils zu einem Zeitpunkt durch zwei der drei Statorwicklungen fließen. So wie sich der Rotor Rt dreht, werden diese Bedingungen in ihren jeweils nächsten

-δ-Zustand versetzt, wie dies gezeigt ist. So wie sich der Rotor Rt dreht, werden elektromotorische Gegenspannungen El, E2 u. E3 in den Statorwicklungen erzeugt, wie dies in Fig. 2D gezeigt ist. Die Figuren 2A - 2D zeigen Wellenformen für die Drehung der Rotors Rt im Uhrzeigersinne, und falls ein Richtungssteuerimpuls an eine Klemme 3 gelegt wird, wird dann, wenn dieser seinen Pegel ändert, die Reihenfolge der Schaltimpulse an den Transistoren geändert, um den Rotor Rt zu veranlassen, sich entgegen dem Uhrzeiger-

IQ sinne zu drehen. Falls der bürstenlose Motor beispielsweise in einem Video-Magnetband-Rekorder als ein Rollenantriebsmotor eingebaut ist, besteht für diesen bürstenlosen Motor die Forderung, daß er von einer Drehzahl von 100 U/m in der Rückwärtsrichtung in eine Drehzahl von 100 U/m in der Vorwärtsrichtung linear gesteuert wird. Auf diese Weise erfordert die Magnetbandgeschwindigkeits-Steuerung eine lineare Steuerung sowohl des Motordrehmoments als auch des Motorbremsmoments .

In Antriebsschaltungen nach dem Stand der Technik, wovon eine in Fig. 1 gezeigt ist, werden die Transistoren Ql - Q6 so betrachtet, als seien sie Dioden Dn u. Dn+1 , da die Transistoren Ql - Q6 einfach gerichtete Schaltungselemente sind. Eine Ersatzschaltung für die Antriebsschaltung während eines Antriebsvorganges ist in Fig. 3A gezeigt. Eine Ersatzschaltung während eines Bremsvorganges ist Fig. 3B gezeigt. In diesen Figuren repräsentiert der Widerstandswert Rm den Widerstand der Statorwicklungen, und Im repräsentiert den Strom, der durch die Statorwicklungen fließt.

Das Antriebsdrehmoment des Motors wird erzeugt, wenn der Strom Im in einer Richtung entgegen der der elektromotorischen Gegenspannung En fließt. In diesem Fall muß ein Verhältnis bestehen, nachdem der absolute Wert von Vm größer als der absolute Wert von En ist. Andererseits wird ein Bremsmoment erzeugt, wenn der Strom Im in der gleichen Richtung wie die elektromotorische Gegenspannung En im Falle einer Umkehrantriebsbremsung fließt.

t ψ · · · H

-6-

Wie gezeigt und wie es aus der Ersatzschaltung gemäß Fig. 3B ersichtlich ist, fließt, wenn die Motorversorgungspannung Vm 0 ist, der Strom Im durch die Statorwicklungen in Übereinstimmung mit der elektromotorischen Gegenspannung En, und es wird ein entsprechendes Moment erzeugt, das proportional zum dem Strom Im ist. Es ist dabei sehr schwierig, das Drehmoment des Motors linear über einen großen Bereich zu steuern.

Um dieses Problem zu beseitigen, ist vorgeschlagen worden, zusätzliche Dioden D'n u. D'n+1, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind, vorzusehen, um so einen Strompfad für die entgegenge- ^*" setzte Richtung herzustellen. Falls ein Verhältnis vorliegt, bei dem Vm kleiner als En ist, könnte der Strom, der durch die Dioden D'n u. D'n+1 fließt, ein verbessertes Bremsmoment erzeugen.

In einer solchen Anordnung ist eine Schaltsteuerung zwischen der Umkehrantriebsbremsung und der verbesserten Bremsung auf der Grundlage der Drehzahl des Rotors Rt erforderlich. Eine solche Schaltungsanordnung ist jedoch in ihrer Wirkungsweise sehr kritisch.

Die vorliegende Erfindung sieht eine verbesserte Steuerschaltung für einen Gleichstrommotor vor, worin aus einer Vielzahl von linearen Verstärkern jeweils einer mit einer der Statorwicklungen des Gleichstrommotors verbunden ist. Ein Impulsgenerator erzeugt eine Drehimpulsfolge, die die Drehphasen des Rotors des Gleichstrommotors repräsentiert. Ein Ausgangsimpedanz-Steuerimpulsgenerator erzeugt Steuerimpulse, die selektiv die linearen Verstärker derart steuern, daß sie ihnen eine nahezu unendlich große Ausgangsimpedanz verleihen, und eine Motorsteuerspannung und ein Signalinverter zum Invertieren der Motorsteuerspannung werden mit einer Vielzahl von Umschalteinrichtüngen, die mit der Eingangschaltung jedes der linearen Verstärker zum Zuführen der Motorsteuerspannung und einer in der Phase invertierten Motorsteuerspannung selektiv zu jedem der linearen Verstär-

ker verbunden ist, benutzt. Ein Schal tinipul sgenerator für die Umschalteinrichtungen erzeugt Schaltimpulse auf der Grundlage der Drehimpulsfolge, die den Umschalteinrichtungen zugeführt werden.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der im folgenden für bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand von Figuren gegebenen Beschreibung ersichtlich. Es sind Variation und Modifikatioⁿen durchführbar, ohne daß dazu der allgemeiner Erfindungsgedanke und der Schutzumfang der neuartigen Schaltungskonzepte, die hier offenbart sind, verlassen werden müßte.

Fig. 1 zeigt eine Motorsteuerschaltung nach dem Stand der Technik.

Fig. 2A - Fig. 2D zeigen Signale zur Erklärung der Schaltung gemäß Fig. 1.

Fig. 3A u. Fig. 3B zeigen schematische Schaltungsdarstellungen zur Erklärung der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine Modifikation der schematischen Schaltungsdarstellung.
25

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung in einer schematischen Darstellungsart.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für einen linearen Verstärker, wie er in Fig. 5 dargestellt ist.

Fig. 7A - 7C zeigen Impuls/Zeit-Diagramme zur Erklärung der Erfindung.

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Verbindungen der Statorwicklungen Ll u. L2 mit Verstärkern Al u. A2.

-δι Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Gleichstrommotor-Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, worin ein bürstenloser Gleichstrommotor Statorwicklungen Ll, L2 u. L3, einen Rotor Rt und Positionsdetektoren Hl, H2 u. H3 des Typs, wie er zuvor beschrieben wurde, hat. Drei lineare Verstärker Al, A2 u. A3 liefern Ausgangsimpulse an die Statorwicklungen Ll, L2 bzw. L3, wie dies in der Figur gezeigt ist. Eine Antriebsgleichspannung Vr wird den Verstärkern Al, A2 u. A3 aus einer Stromversorgungschaltung 4 zugeführt. Die Antriebsgleichspannung Vr wird in halbe Spannungswerte durch Widerstände Rl u. R2 geteilt, die zwischen den Ausgang der Stromversorgungsschaltung 4 und Erde gelegt sind, wobei die ni chti nverti erenden Eingänge der Verstärker Al, A2 u. A3 mit dem Verbindungspunkt zwischen diesen Widerständen, wie gezeigt, verbunden sind .

Desweiteren sind Eingangswiderstände R3, R5 u. R7 vorgesehen, deren eine Seite jeweils mit einem invertierenden Eingang der Verstärker Al, A2 u. A3, wie in Fig. 5 gezeigt, verbunden ist. Die Widerstände Rl, R2 sind so ausgewählt,

Vr
daß sie einen Spannungswert von -y- an den Ausgängen der Verstärker Al, A2 u. A3 erzeugen, wenn die Spannung Vm=O ist.

Die Verstärker Al - A3 haben Steuereingänge zum Steuern der Ausgangsimpedanz, so daß sie auf einem sehr hohen Wert liegen. Steuerimpulse OPl, 0P2 u. 0P3 werden jeweils den Steuereingängen der Verstärker Al - A3 aus einem Antriebsimpuls generator 1 zugeführt.

Die zweiten Seiten der Eingangswiderstände R3, R5 u. R7 sind mit Umschalteinrichtungen Sl, S2 u. S3 verbunden, die jeweils beispielsweise aus CMOS-Transistören bestehen. Wie in Fig. 5 gezeigt, hat jede der Umschalteinrichtungen einen beweglichen Kontakt, der einen von drei feststehenden kontakten auswählen kann. Die beweglichen Kontakte g, h u. i werden in Abhängigkeit von Schaltimpulsen aus dem Antriebs-

■· ·· *■

-9-impulsgenerator 1 umgeschaltet.

Eine Motorsteuerspannung Vm wird einer Stromquel1enanschlußklemme 2 zugeführt und an feststehende Kontakte a, c u. e der Umschalteinrichtungen Sl, S2 u. S3 gelegt. Die Motorsteuerspannung Vm wird ebenfalls an einen Inverter 5 zur Erzeugung einer invertierten Motorsteuerspannung -Vm gelegt.

Die auf diese Weise erzeugte invertierte Motorsteuerspannung -Vm wird feststehenden Kontakten b, d u. f der Umschalteinrichtungen Sl, S2 u. S3 zugeführt. Die verbleibenden feststehenden Kontakte jeder der Umschalteinrichtungen bilden einen offenen Stromkreis, wie dies gezeigt ist.

Die Stromversorgungsschaltung 4 wird durch eine Steuerspannung aus einem Addierer 6 geregelt, der eine Offset-Vorspannung an einer Anschlußklemme 7 aufnimmt. Die Stromversorgungsschaltung 4 nimmt ebenfalls ein Paar von Motorsteuerspannungs-Potentialen Vm u. -Vm auf, die über Dioden 8a u. 8b zugeführt werden.

Die Stromversorgungsschaltung 4, die wie beschrieben angeordnet ist, kann eine minimale Betriebsspannung an die Verstärker Al - A3 abgeben, um so einen unerwünschten Leistungsverlust zu reduzieren.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für den Aufbau der Verstärker Al, A2 u. A3, worin ein Operationsverstärker 9, der einen positiven und einen negativen Eingang hat, die Eingangsstufe des linearen Verstärkers A bildet. Die Basiselektrode eines Transistors 10 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 9 verbunden. Die Emitter- und Kollektorelektroden des Transistors 10 sind mit einem PNP-Treibertransistör 11 bzw. einem NPN-Treibertransistör 12 verbunden, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Der Verbindungspunkt der Kollektoren der Transistoren 11 u. 12 ist gemeinsam mit den Basiselektroden eines NPN-Ausgangstransistors 13 und eines PNP-Aus-

ρ φ 0 » · » • 9 ·»

-ιοί gangstransistor 14 verbunden.

Die Emitterelektrode des Treibertransistors 11 und die Kollektorelektrode des Ausgangstransistors 13 sind mit der Antriebsgleichspannung Vr verbunden, die aus der Stromversorgungsschaltung 4 zugeführt wird.

Ein elektrischer Schalter 18 ist zwischen eine negative Stromversorgungsklemme 17 und die Basiselektrode des Transistors 10 gelegt. Die Betätigung des Schalters 18 wird durch den Steuerimpuls OPl aus dem Antriebsimpulsgenerator 1 gesteuert .
W

In dem Verstärker Λ1 wird der Schalter 18, wenn der Pegel Ib des Steuerimpulses OPl hoch ist, geschlossen, so daß die Ausgangsimpedanz sehr hoch ist, so als ob es sich um einen offenen Stromkreis handelt.

Für diesen Fall wird die Umschalteinrichtung Sl dann, wenn der Pegel des Steuersimpulses hoch ist, so gesteuert, daß der beweglich Kontakt g den offenen Anschluß aufgrund der Steuerung des Schaltimpulses aus dem Antriebsimpulsgenerator auswählt.

Die Wirkungsweise der Gleichstrommotor-Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun anhand von Fig. 7 erklärt. Fig. 7Λ zeigt die Ausgangssignale, die aus den Umschalteinrichtungen Sl, S2 u. S3 gewonnen werden.

Es ist ersichtlich die Umschalteinrichtung Sl den feststehenden Kontakt a über einen Drehwinkelbereich von 0 - 120° des Rotors Rt und den feststehenden Kontakt über einen Drehwinkelbereich von 180° bis 300° anschaltet. Zu anderen Zeitintervallen schaltet die Umschalteinrichtung Sl den offenen Kontakt zwischen a und b an.

Fig. 7B einen Satz von Steuerimpulsen OPl, 0P2 u. 0P3, die den Verstärkern Al, A2 bzw. A3 zugeführt werden.

-11-

In dem Fall» in dem der Rotor Rt im Uhrzeigersinne gedreht wird, werden Klemmenspannungen Vl, V2 u. V3, die in Fig. 7C gezeigt sind, den Statorwicklungen Ll, L2 bzw. L3 zugeführt. Die Polaritäten und Amplituden dieser Klemmenspannungen Vl, V2 u. V3 hängen von der Polarität und der Amplitude der Motorsteuerspannnung Vm ab.

Aus Fig. 7A - Fig. 7C ist ersichtlich, daß sich stets einer der linearen Verstärker Al, A2 u. A3 in seinem Schaltzustand "AUS" befindet. Wenn sich z. B. der Verstärker A3 in seinem Schaltzustand "AUS" befindet, wird die entsprechende Ersatzschaltung derart, daß die Statorwicklungen Ll u. L2 zwischen die linearen Verstärker Al u. A2, wie in Fig. 8 gezeigt, geschaltet sind.

In diesem Zeitintervall ist die Motoranstriebsspannung Vd

1 gleich dem absoluten Wert von V_n-V_Q, wobei V.=kVm+ -öVr und V_ß = -kVm+ -jj-Vr ist, die den in Reihe geschalteten Statorwicklungen Ll u. L2 des Motors zugeführt werden. Die Größe k ist ein Verstärkungsfaktor für die linearen Verstärker Al u . A2.

Die Motorantriebsspannung Vd wird zu 2kVm, und die Richtung des Drehmoments und die Stärke des Drehmoments hängen von der Amplitude und der Polarität der Motorsteuerspannung Vm ab. Die Steuerung kann gleichförmig sogar nahe der Drehzahl Null des Rotors Rt durchgeführt werden.

Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung eine neuartige Gleichstrommotor-Steuerschaltung zur Verfugung stellt. Obgleich die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es können Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden, die innerhalb des beanspruchten Schutzumfanges, der durch efie^atentansprüche bestimmt ist, liegen. Patentanwalt

Claims

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH D-8000 MÖNCHEN 22

Dipi.-Ing. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10

Dr. re r. η at. W. KÖRBER ^ ⁽⁰⁸⁹⁾ * ²⁹ " ⁸⁴

Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS PATENTANWÄLTE

30. März 1982

SONY CORPORATION

7-35 Kitashinagawa 6-chome,

Shinagawa-ku,

Tokyo/Japan

Ansprüche:

f 1 .JGleichstrommotor-Steuerschaltung zum Steuern der Drehung eines Gleichstrommotors, dadurch gekennzei c h n e t , daß ein Vielzahl von linearen Verstärkern (Al, A2, A3) vorgesehen sind, die jeweils mit je einer der Statorwicklungen (Ll, L2, L3) des Gleichstrommotors verbunden sind, daß ein Impulsgenerator zum Erzeugen von Drehimpulsfolgen, die die Drehphasen des Rotors (Rt) des Gleichstrommotors repräsentieren, vorgesehen ist, daß ein Ausgangsimpedanz-Steuerimpulsgenerator zum Erzeugen von Steuerimpulsen in Abhängigkeit von den Drehimpulsfolgen zum Zwecke der selektiven Steuerung der Vielzahl der linearen Verstärker (Al, A2, A3) derart, daß sie nahezu unendliche Ausgangsimpedanzen haben, vorgesehen ist, daß eine Motorsteuerspannung (Vm) vorgesehen ist, daß ein Signal inverter zum Invertieren der Motorsteuerspannung (Vm) vorgesehen ist, daß eine Vielzahl von Umschalteinrichtungen (Sl, S2, S3) vorgesehen sind, die jeweils mit den Eingangsschaltungen der Vielzahl von linearen Verstärkern (Al, A2, A3) zum Zuführen der Motorsteuerspannung (Vm) und der in der Phase invertierten Motorsteuerspannung (-Vm) selektiv zu jedem der linearen Verstärker (Al, A2, A3) verbunden sind und daß ein Umschalteinrichtungs-Steuerimpulsgenerator zum Erzeugen von Schaltimpulsen, die jeder der Umschalteinrichtungen (Sl, S2, S3) zugeführt werden, auf der Grundlage der Drehimpuls-

6Δ

-2-folgen vorgesehen ist.
2. Gleichstrommotor-Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Umschalteinrichtungen (Sl, S2, S3) drei auswählbare Stellungen aufweist, wovon eine mit der Motorsteuerspannung (Vm) versorgt wird, eine andere mit der in der Phase invertierten Motorsteuerspannung (-Vm) versorgt wird und eine dritte einen offenen Stromkreis darstellt.
3. Gleichstrommotor-Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet , daß eine einstellbare Stromversorgungsschaltung (4) zum Zuführen einer Treiberspannung und eines Vorspannungspotentials zu der Vielzahl der linearen Verstärker (Al, A2, A3) proportional zu der Motorsteuerspannung (Vm) vorgesehen ist.
4. Gleichstrommotor-Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen (Ll, L2, L3) sternförmig miteinander verbunden sind und daß die freien Enden dieser sternförmig miteinander verbundenen Statorwicklungen (Ll, L2, L3) jeweils mit den Ausgangsklemmen der linearen Verstärker (Al, A2, A3) verbunden sind.
5. Steuerschaltung für einen umkehrbaren Gleichstrommotor, der eine Vielzahl von Statorwicklungen (Ll, L2, L3) und einen Rotor (Rt) hat, dadurch gekennzei chnet, daß Mittel zum Erfassen der Position des Rotors (Rt) vorgesehen sind, daß eine Vielzahl von linearen Verstärkern (Al, A2, A3) vorgesehen sind, deren Ausgänge jeweils mit der Vielzahl der Statorwicklungen (Ll, L2, L3) verbunden sind, daß ein Antriebsimpulsgenerator (I) vorgesehen ist, der die Ausgangssignale der Mittel zum Erfassen der Position des Rotors (Rt) aufnimmt und Eingangssignale an die Vielzahl der linearen Verstärker (Al, A2, A3) liefert, daß Quellen für eine positive und eine negative Motorspannung vorgesehen sind, daß eine Vielzahl von Umschaltein-

richtungen (Sl, S2, S3) vorgesehen sind, die von dem Antriebsimpulsgenerator (1) gesteuert werden und mit den Quellen für die positive und die negative Motorspannung verbunden sind, daß die Umschalteinrichtungen (Sl, S2, S3) Eingangssignale an die Vielzahl der linearen Verstärker (Al, A2, A3) liefern und daß eine Stromversorgungsschaltung (4) Eingangspotentiale an die Vielzahl der linearen Verstärker 1iefert.
6. Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerspannung (Vm) der Stromversorgungsschaltung (1) zugeführt wird.
7. Steuerschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g e kennzeichnet, daß die Mittel zum Erfassen der Position des Rotors (Rt) zumindest einen Hall-Detektor enthalten .
8. Steuerschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g e kennzeichnet, daß die linearen Verstärker (Al, A2, A3) jeweils einen Operationsverstärker (9), der Eingangs.si gnale bzw. -potentiale von einer betreffenden Umschalteinrichtung (Sl, S2, S3) und von der Stromversorgungsschaltung (4) aufnimmt, jeweils eine zweite Schalteinrich- tung, die als Eingangssignal ein Signal des Antriebsimpulsgenerators (1) aufnimmt, und jeweils Ausgangstransistoren (13, 14), die mit dem betreffenden Operationsverstärker (9) und den Statorwicklungen (Ll, L2, L3) sowie mit der zweiten Schalteinrichtung verbunden sind, enthalten.
9. Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsteiler vorgesehen ist, der mit dem Ausgang der Stromversorgungsschaltung (4) verbunden ist und Eingangspotentiale an die Vielzahl der linearen Verstärker (Al, A2, A3) liefert.