DE4025470A1

DE4025470A1 - Treiberschaltung fuer buerstenlose motoren

Info

Publication number: DE4025470A1
Application number: DE4025470A
Authority: DE
Inventors: Koji Soushin; Hiroaki Koshin; Shinichi Okamoto; Toshiharu Ohashi
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-08-12
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1991-02-14
Anticipated expiration: 2010-08-11
Also published as: US5083067A; JPH0374194A; JPH06104000B2; DE4025470C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für bürstenlose Motoren und insbesondere eine Schaltung zum Antrieb bürsten loser Motoren vom dreiphasigen bipolaren Typ.

Bürstenlose Motoren einer solchen Art können für eine sehr hohe Lebensdauer ausgelegt sein und eignen sich gut zur Ver wendung in wiederaufladbaren, motorbetriebenen Werkzeugen, bei Industrierobotern und anderem.

Da die Lebensdauer bürstenloser Motoren nur durch die Halt barkeit des Rotorwellenlagers begrenzt wird, haben sie in den letzten Jahren eine breite Anwendung gefunden. Jedoch besteht noch ein Bedarf nach einer Treiberschaltung, mit welcher der Anlauf und das Abbremsen eines bürstenlosen Mo tors in hervorragender Weise gesteuert werden können.

In der US-PS 40 51 417 wird eine Treiberschaltung für einen dreiphasigen bürstenlosen Motor vorgeschlagen, welche dazu geeignet ist, die Drehgeschwindigkeit des Motors zu steuern, indem ein Signal für die Rotorstellung an einen Halbleiter schalter gelangt. Weitere Treiberschaltungen zum Steuern der Drehgeschwindigkeit bürstenloser Motoren sind in den US-PSen 43 58 720, 45 44 868, 46 51 067, 47 98 656 und 48 88 533 be schrieben. Während die Drehung des bürstenlosen Motors an sich wirkungsvoll über den Halbleiterschalter gesteuert wer den kann, offenbaren die genannten Patentschriften jedoch keinerlei Möglichkeit zur schnellen Bedämpfung des Motors. Eine solche Schnellabbremsung stellt hier ein ungelöstes Problem dar.

Auf der anderen Seite ist in dem JP-OSen 1-2 68 483 oder 1-2 98 982 eine Anordnung zur Abbremsung des Motors offenbart, bei welcher ein rückläufiges Drehmoment auf den Rotor ausge übt wird, jedoch wird keine technische Idee vorgeschlagen, wie man die Schnellabbremsung mit einer einfacheren Treiber schaltung als bisher erreichen kann.

Ferner wird in den bürstenlosen Motoren der genannten Art vorzugsweise eine Abbremseinrichtung eingesetzt, welche von einem System einer Spulen-Kurzschlußschaltung Gebrauch macht. Wenn in diesem Fall ein Abbremsmodus beispielsweise mittels einer logischen Schaltung eingeleitet werden soll, wird es notwendig, einen jeden von den dreiphasigen Spulen entspre chenden Halbleiterschaltern mit einer eigenen Spannungsquel le zu versehen, so daß sich die Treiberschaltung als äußerst kompliziert darstellt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Treiberschaltung für bürstenlose Motoren zur Verfügung zu stellen, mittels welcher mit geringem Schaltungsaufwand eine wirksame Schnellabbremsung verwirklicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Trei berschaltung für einen bürstenlosen Motor, worin eine Folge vorbestimmter Signale, welche für die Treiberschaltung eines dreiphasigen, bipolaren Typs benötigt wird, durch eine Ver teilerschaltung aufbereitet wird, an deren Eingang Positions signale mit einer gegenseitigen Phasenbeziehung von 2π/3 ge langen, welche in einem Positionsdetektor für den bürstenlo sen Motor erzeugt werden, wobei gepaarte Leistungs-MOSFET′s zu Brücken zusammengefügt sind, deren untere Halbbrücken an ihren Gates von Ausgängen der Verteilerschaltung über eine erste Gruppe von Transistorbrücken angesteuert werden, und deren obere Halbbrücken an ihren Gates von Ausgängen der Verteilerschaltung mit einer schwebenden, selbständig ausge bildeten Spannungsquelle, deren Massepotential über einen Widerstand und einen Kondensator entkoppelt ist, über eine zweite Gruppe von Transistorbrücken angesteuert werden, da durch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorhanden ist, welche den Motor dadurch bedämpft, daß die zu dreiphasigen, bipolaren Spulen gehörenden Leistungs-MOSFET′s der oberen und der unteren Halbbrücken in wechselseitig entgegengesetz te Betriebszustände gelangen, indem eine einzelne Steuer spannungsquelle ausgeschaltet wird.

Die Abbremseinrichtung arbeitet nach dem System der Spulen- Kurschlußschaltung und es werden den dreiphasigen Spulen entsprechende Halbleiterschalter eingesetzt, wobei die steu ernde Spannungsquelle für die gesamten Halbleiterschalter eine einzelne ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird.

Fig. 1 zeigt die Schaltung einer Ausführungsform der Treiberschaltung für bürstenlose Motoren;

Fig. 2 ist eine erläuternde Ansicht des bürstenlosen Motors, welcher mit der Treiberschaltung nach Fig. 1 versehen ist;

Fig. 3(a) bis 3(e) zeigen als Kurvendiagramme den Betriebszustand einzelner Teile der Treiberschaltung nach Fig. 1;

Fig. 4 zeigt die Schaltung einer anderen Ausführungs form;

Fig. 5 zeigt die Schaltung einer weiteren Ausführungs form;

Fig. 6 und 7 sind Kurvendiagramme zur Erläuterung des Be triebs der in den Fig. 5 und 1 gezeigten Trei berschaltungen;

Fig. 8 zeigt die Schaltung noch einer weiteren Ausfüh rungsform; und

Fig. 9 ist ein Kurvendiagramm zur Erläuterung des Be triebs der Treiberschaltung nach Fig. 8.

In Fig. 1 ist eine Verteilerschaltung 11 an drei Hall-Effekt- Elemente H_U, H_V und H_W angeschlossen. Die Hall-Effekt-Elemen te H_U, H_V und H_W sind in Winkelabständen von 60° bezüglich der Drehachse eines Rotors Rt eines bürstenlosen Motors an geordnet, wie in Fig. 2 gezeigt, und liefern Ausgangssignale abhängig von der magnetischen Flußdichte eines Magnetpols oder eines Positions-Nachweismagnets des Rotors Rt mit Per manentmagneten, welche vierpolig (in zwei Paaren von Nord- Süd-Polen) unter Winkelabständen von 90° magnetisiert sind, wobei die Hall-Effekt-Elemente diesen über einen Spalt ge genüberliegen. Wie in den Fig. 3(a) bis 3(c) gezeigt, bilden diese Ausgangssignale sinusförmige Spannungskurven, welche welchselseitig um 2π/3 phasenversetzt sind, wobei die Signale über die Verteilerschaltung 11 abgeleitet werden, welche die für die Treiberschaltung des bürstenlosen Motors erforderlichen Signale aufbereitet, und zwar eine Folge von in den Fig. 3(d) bis 3(i) gezeigten Ausgangssignalen zum Ansteuern jeweiliger Leistungs-MOSFET′s Tr16 bis Tr21, deren erste drei und letzte drei jeweils in einer oberen und einer unteren Reihe in Fig. 1 angeordnet sind, so daß sie in drei Paaren jeweils an eine von dreiphasigen, bipolaren Spulen L_U, L_V und L_W angeschlossen sind. Die MOSFET′s Tr19 bis Tr21 der unteren Reihe bilden Halbbrücken der Paare und werden an ihrem Gate über die drei in den Fig. 3(e), 3(g) und 3(i) gezeigten Ausgangssignale von den sechs Ausgangssignalen der Verteilerschaltung 11 angesteuert, und zwar über Transistor brücken 13 ₄ bis 13 ₆, welche jeweils aus einer Kombination eines NPN- mit einem PNP-Transistor bestehen. Wenn die drei Ausgangssignale (e), (g) und (i) nach Fig. 3 der Verteiler schaltung 11 ausgesteuert sind, sind auch die Ausgänge der Transistorbrücken 13 ₄ bis 13 ₆ ausgesteuert, und die Lei stungs-MOSFET′s Tr19 bis Tr21 in der unteren Reihe der Halb brücken der Paare sind eingeschaltet, während sie ausgeschal tet sind, wenn die Ausgangssignale (e), (g) und (i) auf niedrigem Pegel sind. Im einzelnen enthalten die Transistor brücken 13 ₄ bis 13 ₆ jeweils eine Kombination aus einem von NPN-Transistoren Tr7, Tr9 und Tr11 mit jeweils einem von PNP-Transistoren Tr8, Tr10 und Tr12.

Die übrigen Ausgangssignale der Verteilerschaltung 11 nach den Fig. 3(d), 3(f) und 3(h) dienen zum Ansteuern der Gates der Leistungs-MOSFET′s Tr16 bis Tr18 in der oberen Reihe der Halbbrücken der Paare, und zwar über Transistoren Tr13 bis Tr15, schwebende Spannungsquellen 12 ₁ bis 12 ₃ und Transistorbrücken 13 ₁ bis 13 ₃, welche jeweils eine Kombina tion aus NPN- und PNP-Transistoren enthalten. Die Leistungs- MOSFET′S Tr16 bis Tr18 in der oberen Reihe sind jeweils mit ihrem Source an den Drain der Leistungs-MOSFET′S Tr19 bis Tr21 in der unteren Reihe angeschlossen, so daß das Poten tial der Leistungs-MOSFETS′s Tr16 bis Tr18 der oberen Reihe bezüglich des Erdpotentials mit den Betriebszuständen EIN und AUS der Leistungs-MOSFET′s Tr19 bis Tr21 der unteren Reihe variiert. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß ein Leistungs-MOSFET normalerweise nicht durchschaltet, bis min destens bis eine vorbestimmte Spannung an seinen Elektroden Gate und Drain liegt, so daß unterschiedliche Spannungsquel len für die Leistungs-MOSFET′s in der oberen und der unteren Reihe benötigt werden, was durch die schwebenden Spannungs quellen 12 ₁ bis 12 ₃ geschieht. Diese schwebenden Spannungs quellen 12 ₁ bis 12 ₃ enthalten jeweils ladungssammelnde Kon densatoren C1 bis C3 und Widerstände R12 bis R14, wobei die Kondensatoren C1 bis C3 jeweils in Reihe mit Dioden D1 bis D3 geschaltet sind, welche einen Stromrückfluß verhindern. Die Leistungs-MOSFET′s Tr16 bis Tr18 der oberen Reihe werden an ihren Gates durch die in den Kondensatoren C1 bis C3 ge sammelte Ladung angesteuert, wobei die Kondensatoren über die Widerstände R12 bis R14 von einem Erdpotential GND der Treiberschaltung getrennt sind. Die Verteilerschaltung 11, die schwebenden Spannungsquellen 12 ₁ bis 12 ₃ und die Transi storbrücken 13 ₁ bis 13 ₆ bilden ein Steuersystem. Der bür stenlose Motor erleidet dann eine Schnellabschwächung, wenn die drei Leistungs-MOSFET′s Tr16 bis Tr18 der oberen Reihe und die drei Leistungs-MOSFET′s Tr19 bis Tr21 der unteren Reihe der Halbbrücken der Paare in dem Steuersystem jeweils simultan in einander entgegengesetzten Betriebszuständen sind, d.h., die Transistoren auf der einen Seite sind einge schaltet und die Transistoren auf der anderen Seite sind ausgeschaltet.

Als eines der bemerkenswerten Merkmale der Erfindung ist ein einzelner Steuerschalter vorgesehen zum Einschalten und Aus schalten einer Spannungsquelle für die Treiberschaltung, insbesondere für das Steuersystem. Im vorliegenden Fall führt eine Unterbrechung der Energieversorgung von einer Batterie B als Steuerspannungsquelle an die Schaltung durch Ausschalten des Steuerschalters SW1 dazu, daß die Gate-Span nung der Leistungs-MOSFET′s TR19 bis Tr21 in der unteren Reihe zunächst verschwindet und diese Transistoren alle aus geschaltet sind. Als nächstes schalten die Transistoren Tr13 bis Tr15 zur Pegelumformung zwischen den schwebenden Span nungsquellen 12 ₁ bis 12₃ zum Ansteuern der Leistungs-MOSFET′s Tr16 bis Tr18 in der oberen Reihe und der Verteilerschaltung 11 aus, entsprechend dem Verlust ihres Basisstroms, und drei Paare von Totempfahl-Transistoren Tr1 und Tr2, Tr3 und Tr4 und Tr5 und Tr6 zum Ansteuern der Gates der Leistungs- MOSFET′s Tr16 bis Tr18 in der oberen Reihe gelangen in einen Zustand, in dem ihre Basis jeweils mit einer der schwebenden Spannungsquellen 12 ₁ bis 12 ₃ verbunden ist, worauf die Kon densatoren C1 bis C3 in den drei schwebenden Spannungsquel len 12 ₁ bis 12 ₃ in einem Zustand gehalten werden, in welchem die Quellenspannung anliegt, ohne ihre angesammelte Ladung zu entladen, auch wenn die Energieversorgung von der Batte rie B unterbrochen wird, so daß die jeweiligen Totempfahl- Transistoren an ihrer Basis über Widerstände R16, R22 und R28 vorgespannt werden oder, mit anderen Worten, die NPN- Transistoren Tr1, Tr3 und Tr5 in den Transistorbrücken 13 ₁ bis 13 ₃ einschalten, während die PMP-Transistoren Tr2, Tr4 und Tr6 ausgeschaltet sind.

Gleichzeitig gelangt die Ladung in den schwebenden Spannungs quellen 12 ₁ bis 12 ₃ an die Gates der jeweiligen MOSFET′s Tr16 bis Tr18 der oberen Seite und schaltet sie alle durch. Im Gegensatz zu dem vorhergegangenen Ausschalten aller Lei stungs-MOSFET′s Tr19 bis Tr21 auf der unteren Seite werden die Leistungs-MOSFET′s Tr16 bis Tr18 auf der oberen Seite alle eingeschaltet, die dreiphasigen bipolaren Spulen L_U, L_V und L_W werden kurzgeschlossen und der Motor wird einer vehe menten Abbremskraft unterworfen.

In den Schaltkrels dieser Ausführungsform sind Widerstände R1 und R2 zwischen die Hall-Effekt-Elemente H_U, H_V und H_W und die stromführenden Leiter eingesetzt, sowie weitere Widerstände R3 bis R8 zwischen den jeweiligen Ausgangsan schlüssen 1 bis 6 der Verteilerschaltung 11 und den strom führenden Leitern. Vorspannungs-Widerstände R15, R21 und R27 sind jeweils an die Basis der Pegelumformungs-Transistoren Tr13, Tr14 und Tr15 angeschlossen, ferner sind Vorspannungs- Widerstände R18, R24, R30, R20, R26 und R32 jeweils an die die Basis der Transistorbrücken 13 ₁ bis 13 ₆ angeschlossen, und Sammelwiderstände R17, R23, R29, R19, R25 und R31 sind an die NPN-Translstoren Tr1, Tr3, Tr5, Tr7, Tr9 und Tr11 der jeweiligen Transistorbrücken 13 ₁ bis 13 ₆ angeschlossen. Vor zugsweise ist jeweils eine von Zenerdioden ZD1 bis ZD6 zwi schen dem Gate und dem Source der Leistungs-MOSFET′s Tr16 bis Tr21 eingesetzt.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei welcher gleiche Bestandteile wie in der Ausführungsform nach Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Besonderheit dieser Ausführungsform sind Dioden D4 bis D6, welche auf der Seite der Kollektoren der PNP-Transistoren Tr2, Tr4 und Tr6 bei den jewelligen gate-ansteuernden Totem pfahl-Transistoren für die Leistungs-MOSFET′s Tr16 bis Tr18 eingesetzt sind. Im folgenden wird nur auf die Diode D4 Be zug genommen, welche phasenmäßig den Transistoren Tr1, Tr2, Tr7 und Tr8 und den Leistungs-MOSFET′s Tr16 und Tr19 ent spricht. Unter der Annahme, daß der MOSFET Tr19 der unteren Reihe und der MOSFET Tr16 der oberen Reihe beide ausgeschal tet sind, ist der PNP-Transistor Tr2 eingeschaltet, während das Gate des Leistungs-MOSFET′s Tr16 mit seinem Source ge erdet ist. In diesem Fall ist der Transistor Tr13 durchge schaltet, welcher gleichermaßen die Basis des Transistors Tr1 und des Transistors Tr2 ansteuert, und die Transistoren Tr1 und Tr2 sind über den Widerstand R18 mit der normalen Erde GND verbunden. Dementsprechend ist das Potential der Erde, an welcher der Lelstungs-MOSFET Tr16 und der Transi stor Tr2 gegenwärtig liegen, höher als das der normalen Erde GND. Infolgedessen erhöht sich die Gefahr, daß ein Strom von der Kollektorseite des PNP-Transistors Tr2 und dem Wider stand R18 so abfließt, daß er in einer umgekehrten Richtung bezüglich der normalen Stromflußrichtung durch den PNP-Tran sistor fließt und damit den Transistor Tr2 zerstört. Ein solchermaßen zerstörender Strom wird jedoch wirksam durch die Diode D4 verhindert. Gleiches gilt für die verbleibenden Dioden D5 und D6, welche den restlichen Phasen entsprechen.

Fig. 5 zeigt elne dritte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher gleiche Bestandteile wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei dieser Ausführungsform sind Strombegrenzungswiderstände Rs1 bis Rs3 jeweils in Reihe mit einem der Kondensatoren C1 bis C3 an die schwebenden Span nungsquellen 12 ₁ bis 12 ₃ angeschlossen, so daß der Ladestrom der Kondensatoren C1 bis C3 über die Strombegrenzerwider stände Rs1 bls Rs3 auf einen optimalen Wert begrenzt werden kann. Hier kann der Ladestrom an die Kondensatoren C1 bis C3 so begrenzt werden, daß er unterhalb ihres Nennstroms liegt, indem die Widerstandswerte der Strombegrenzerwiderstände Rs1 bis Rs3 geeignet gewählt werden, so daß die Kondensatoren C1 bis C3 wirksam vor Zerstörung geschützt sind. Fig. 6(a) zeigt eine Gate-Spannung an den Leistungs-MOSFET′s Tr16 bis Tr18 der oberen Reihe in dieser Ausführungsform, und Fig. 6(b) zeigt einen Ladestrom der Kondensatoren C1 bis C3 in den schwebenden Spannungsquellen 12 ₁ bis 12 ₃, und zwar ebenfalls bei dieser Ausführungsform. Demgegenüber zeigt Fig. 7(a) die Gate-Spannung an den Leistungs-MOSFET′s Tr16 bis Tr18 der oberen Reihe in der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 und Fig. 7(b) zeigt den entsprechenden Ladestrom der Kondensato ren C1 bis C3. Aus dem Vergleich dieser Figuren miteinander wird deutlich, daß der Ladestrom der Kondensatoren C1 bis C3 wirkungsvoller in der zuletzt beschriebenen Ausführungsform begrenzt werden kann, als in jener nach Fig. 1. Nebenbei zeigt Fig. 6(b) den Ladestrom als Ergebnis einer Messung, bei welcher der Widerstandswert der Strombegrenzerwiderstän de Rs1 bis Rs3 mit 100 Ω und mit 470 Ω gewählt ist.

Es wird nun auf Fig. 8 Bezug genommen, welche eine vierte Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei welcher gleiche Be standteile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei dieser Ausführungsform sind Strombegrenzerwider stände Ra1 bis Ra6 jeweils zwischen die Emitter der Transi storen Tr2, Tr4, Tr6, Tr8, Tr10 und Tr12 in den Transistor brücken 13 ₁ bis 13 ₆ und die Gates der Leistungs-MOSFET′s Tr16 bis Tr21 eingesetzt, wodurch der bei Ausschalten der Leistungs-MOSFET′s Tr16 bis Tr21 erzeugte Ladungsfluß durch die Strombegrenzerwiderstände Ra1 bis Ra6 begrenzt werden kann und nicht direkt an die Erde gelangt, und die PNP-Tran sistoren Tr1, Tr4, Tr6, Tr8, Tr10 und Tr12 werden wirksam vor Zerstörung geschützt. Fig. 9 zeigt die Gate-Spannung und den Gate-Strom der Leistungs-MOSFET′s im Falle der vorlie genden Ausführungsform (wiedergegeben durch die Kurven A) und auch für den Fall der vorangegangenen Ausführungsform nach Fig. 1 (wiedergegeben durch die Kurven B). Aus dem Ver gleich der Kurven in Fig. 9 miteinander ist leicht zu sehen, daß der Stromfluß nach Masse bei der in diesem Zusammenhang beschriebenen Ausführungsform wirkungsvoller begrenzt werden kann.

Claims

1. Treiberschaltung für einen bürstenlosen Motor, worin eine Folge vorbestimmter Signale, welche für die Treiber schaltung eines dreiphasigen, bipolaren Typs benötigt wird, durch eine Verteilerschaltung aufbereitet wird, an deren Eingang Positionssignale mit einer gegenseitigen Phasenbe ziehung von 2π/3 gelangen, welche in einem Positionsdetektor für den bürstenlosen Motor erzeugt werden, wobei gepaarte Leistungs-MOSFET′s zu Brücken zusammengefügt sind, deren untere Halbbrücken an ihren Gates von Ausgängen der Vertei lerschaltung über eine erste Gruppe von Transistorbrücken an gesteuert werden, und deren obere Halbbrücken an ihren Gates von Ausgängen der Verteilerschaltung mit einer schwebenden, selbständig ausgebildeten Spannungsquelle, deren Massepoten tial über einen Widerstand und einen Kondensator entkoppelt ist, über eine zweite Gruppe von Transistorbrücken angesteu ert werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorhanden ist, welche den Motor dadurch bedämpft, daß die zu dreiphasigen, bipolaren Spulen gehörenden Leistungs-MOSFET′s der oberen und der unteren Halbbrücken in wechselseitig ent gegengesetzte Betriebszustände gelangen, indem eine einzelne Steuerspannungsquelle ausgeschaltet wird.

2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Transistorbrücken, welche die Leistungs-MOSFET′s der oberen Halbbrücken ansteuern, jeweils eine Kombination aus einem NPN-Transistor und einem PNP-Transistor aufweisen, und daß jeweils eine Diode an die Kollektorseite dieses PNP- Transistors angeschlossen ist.

3. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß eine Einrichtung an den Kondensator der schwebenden Spannungsquelle angeschlossen ist, welche die Aufladung des Kondensators begrenzt.

4. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Transistorbrücken der ersten und der zweiten Gruppe jeweils eine Kombination aus einem NPN-Transistor und einem PNP-Transistor aufweisen, und daß eine Begrenzungs einrichtung zwischen den Emitter eines jeweiligen PNP-Tran sistors und das Gate des entsprechenden Leistungs-MOSFET′s geschaltet ist.