DE69313170T2

DE69313170T2 - Regeleinrichtung für einen bürstenlosen Motor

Info

Publication number: DE69313170T2
Application number: DE69313170T
Authority: DE
Inventors: Kenneth W Krause
Original assignee: Smith and Nephew Inc
Current assignee: Smith and Nephew Inc
Priority date: 1992-04-13
Filing date: 1993-04-05
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2013-04-06
Also published as: EP0566297B1; ATE157208T1; DE69313170D1; CA2093242A1; EP0566297A1; AU3676493A; ES2108216T3; CA2093242C; AU655906B2; US5270622A; JPH0670580A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein volldigitales Motor-Steuersystem und insbesondere auf ein System zur Steuerung der Drehzahl oder der Ankerstellung eines bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotors.
Drehzahlsteuersysteme zur Steuerung der Drehzahl eines bürstenlosen Gleichstrommotors sind allgemein bekannt. Diese Systeme sind jedoch mindestens teilweise auf Analogsignale und Analog/Digital-Wandler angewiesen zur Umwandlung der analogen Signale in digitale Signale zur nachfolgenden Verarbeitung durch digitale Signalprozessoren. Dies vergrößert die Komplexität und Starrheit der Hardware des Gesamtsystems, und die Abhängigkeit von Analogsignalen führt mindestens teilweise ein Element der Ungenauigkeit in die Steuerung der Motordrehzahl ein.
Eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Stand der Technik von. Drehzahlsteuersystemen für bürstenlose Dreiphasen-Gleichstrommotore weiterzuentwickeln.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Anforderungen an die Hardware und die Starrheit des Systems bei derartigen Drehzahlsteuersystemen zu verringern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei derartigen Motordrehzahl-Steuersystemen die Genauigkeit der vollen Digitalisierung zu schaffen. In Übereinstimmung mit diesen und anderen Aufgaben, die weiter unten deutlich werden, liegt die Erfindung in einem volldigitalisierten Steuersystem gemäß den Ansprüchen 1 und 6.
Das System besitzt einen Digitalsignal-Hauptprozessor zur Lieferung eines digitalen Befehlssignals, welches eine gewünschte Motorbetriebsart kennzeichnet. Eine Antriebs-Steuereinheit, die in direkter digitaler Verbindung mit dem Hauptprozessor steht, erzeugt für jede Phase und in Reaktion auf das Befehlssignal ein digitales Kommutierungssignal zur Drehung des Ankers, sowie ein digitales pulsdauermoduliertes Signal, dessen relative Einschaltdauer durch das Eingangs-Befehlssignal festgelegt ist.
Das System besitzt weiterhin ein Umschaltmittel, beispielsweise eine Dreiphasen-Brücke, das in digitaler Verbindung mit der Steuereinheit steht. Die Brücke dient zur Erzeugung eines digitalen Zweizustands- Steuersignals für jede Phase und in Reaktion auf jedes Kommutierungssignal und jedes pulsdauermoduliertes Signal, welches einen "Ein"-Zustand besitzt, der während der relativen Einschaltdauer stehen bleibt.
Das System besitzt weiterhin ein Mittel, das in digitaler Verbindung mit der Steuereinheit steht, zur Erzeugung eines digitalen Tachometersignals für jede Phase, welches die Ankerstellung kennzeichnet. Die Steuereinheit bewirkt weiterhin die Verarbeitung des Tachometersignals zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignals, welches die aktuelle Ankerdrehzahl oder -stellung kennzeichnet. Die Steuereinheit führt das Ausgangssignal direkt digital dem Hauptprozessor zu.
Der Hauptprozessor und die Antriebs-Steuereinheit sind über eine Vielzahl von Lichtleitern miteinander verbunden und kommunizieren digital über sie. In dem ganzen Drehzahlsteuersystem werden keine Analogsignale und natürlich keine Analog/Digital-Wandler verwendet, wodurch die Anforderungen an die Hardware für dieses System vereinfacht und durch die Anwesenheit von Analogsignalen verursachte Ungenauigkeiten vermieden werden.
Ein bevorzugtes Merkmal besteht darin, daß beim Ablauf einer vorgegebenen Zeit, während der von der Steuereinheit kein Eingangssignal empfangen wird, abgeschaltet wird.
Die neuen Merkmale, die als kennzeichnend für die Erfindung betrachtet werden, sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung selbst jedoch wird sowohl hinsichtlich ihres Aufbaues als auch hinsichtlich ihrer Funktionsweise zusammen mit zusätzlichen Aufgaben und Vorteilen am besten beim Studium der folgenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden.
Fig. 1 ist ein allgemeines Blockschaltbild des ge samten volldigitalisierten Drehzahlsteuersystems nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein detailliertes elektrisches Schaltbild des Systems nach Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das einen Teil der Funktionsweise der Steuereinheit darstellt;
Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, das einen anderen Aspekt der Funktionsweise der Steuereinheit darstellt; und
Fig. 5 ist ein Flußdiagramm, das noch einen anderen Aspekt der Funktionsweise der Steuereinheit darstellt.
Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Steuersystems zur Steuerung der Drehzahl eines bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotors erläutert. In den Zeichnungen ist Fig. 1 ein allgemeines Blockschaltbild und Fig. 2 ein detaillierteres elektrisches Schaltbild des volldigitalisierten Gesamtsteuersystems für die Motordrehzahl gemäß der vorliegenden Erfindung. Bezugsziffer 10 bezeichnet einen bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotor, der einen Anker 12 aufweist. Vorzugsweise wird der Motor bei der Firma BEI Kimco Magnetics Division of San Marcos, California als Bauteil Nr. DIH 23-20-BBNB bezogen. Dieser Motor besitzt eine Vielzahl von üblichen Hall-Effekt-Sensoren 14, die um den Anker herum zur Sensierung der Ankerstellung angeordnet sind.
Das System besitzt einen Digital-Signal-Hauptprozessor (CPU) 16, der vorzugsweise als integrierter Schaltkreis-Chip Nr. 87C51-PLCC ausgebildet ist. Der Hauptprozessor 16 befindet sich in direkter digitaler Verbindung mit einer Antriebs-Steuereinheit 18, die vorzugsweise ebenfalls als integrierter Schaltkreis Chip 87C51-PLCC ausgebildet ist. Der Prozessor 16 liefert ein digitales Drehzahl-Eingangssignal RX, welches eine gewünschte Ankerdrehzahl kennzeichnet über die Leitung 20 an die Steuereinheit 18. Die Steuereinheit 18 liefert, wie weiter unten im einzelnen beschrieben, ein digitales Drehzahl-Ausgangssignal TX, welches die aktuelle Ankerdrehzahl kennzeichnet, über die Leitung 22 an den Prozessor 16. Die Steuereinheit 18 ist mit dem Prozessor 16 weiterhin über eine RÜCKSETZ-Leitung 24 verbunden. Die Leitun gen 20, 22, 24 sind serielle Hochgeschwindigkeitsbusse, über die Daten mit 3,75 K-Baud übertragen werden können.
Vorzugsweise sind die Verbindungsleitungen 20, 22 und 24 als Lichtleiter ausgebildet. Jedoch können der Hauptprozessor und die Steuereinheit über beliebige parallel oder seriell geschaltete Verbindungsmittel wie beispielsweise über einen Parallel-Verbindungsbus, ein fest verdrahtetes serielles Hochgeschwindig keits-Interface oder dergleichen miteinander verbunden sein.
Beim Empfang des Drehzahl-Eingangssignals RX führt die Steuereinheit 18 ein Software-Programm aus. Die Steuereinheit 18 erzeugt eine Serie von sechs Kommutierungs-Signalen, zwei für jede Phase des Motors, die zusammen die Drehung des Ankers bewirken. Genauer gesagt besitzt die Steuereinheit eine innere Nachschlag-Tabelle, die eine Liste von sechs Kommutierungs-Bitmustern enthält, wobei jedes Muster einen diskreten Befehl für den Anker in einer Winkelstellung repräsentiert, die von der vorhergehenden Ankerstellung einen Abstand von 60 elektrischen Grad aufweist. Die Kommutierungs-Signale werden über einen Dreiphasen-Brückenkreis 26 geführt und dort verarbeitet, wahlweise kann dies ein Brücken-Treiberkreis (siehe Fig. 2) sein, von dem drei Stellungs-Steuersignale, eines für jede Phase, als Ausgangssignale dem Motor 10 zugeführt werden. Die Hall-Effekt-Sensoren 14 sensieren die Drehung des Ankers und erzeugen Zweizustands-Hall-Effekt-Signale, welche der Steuereinheit 18 melden, wann die Kommutierungssignale zu erzeugen sind.
Dieser letztgenannte Aspekt der Funktionsweise der Steuereinheit 18 ist in dem Flußdiagramm der Fig. 3 dargestellt. Die Erzeugung der Kommutierungs-Signale ist durch Block 28 angezeigt. Das Auslesen der Hall- Effekt-Sensoren ist durch Block 30 bezeichnet. Wenn die Steuereinheit 18 erkennt, daß sich der Zustand der Hall-Effekt-Signale geändert hat (Block 32), dann wird der neue Zustand gesichert (Block 34) und das nächste Kommutierungs-Bitmuster als Ausgangssignal dem Motor zugeführt (Block 36). Danach wird ein innerer Zähler zur Erzeugung eines Tachometer-Signals (TAC) vor der nächsten Auslesung der Hall-Effekt- Sensoren inkrementiert. Das Tachometer-Signal wird schließlich weiterverarbeitet zur Erzeugung des oben erwähnten Drehzahl-Ausgangssignals TX. Wenn sich in Block 32 der Zustand der Hall-Effekt-Sensoren nicht geändert hat, so zeigt dies an, daß sich der Anker nicht um 60 elektrische Grad weiterbewegt hat und daher versucht die Steuereinheit die Hall-Effekt-Sensoren erneut in Block 30 auszulesen.
Die Steuereinheit 18 erzeugt weiterhin in Reaktion auf vom Prozessor 16 kommende Befehlsdaten ein digitales pulsdauermoduliertes Signal (PWM) mit einer relativen Einschaltdauer, welche durch die besagten Befehlsdaten festgelegt ist. Das PWM-Signal wird von einem Trägersignal getragen, welches im bevorzugten Fall eine Frequenz von 3,90625 kHz besitzt. Die Steuereinheit 18 besitzt einen inneren softwaremäßigen PWM-Zeitgeber, der im bevorzugten Falle einen PWM-Zyklus von 256 Mikrosekunden erzeugt. Der PWM- Zyklus besitzt einen Hochpegel- und einen Tiefpegel Zustand. Das PWM-Ausgangssignal darf während des Hochpegelzustandes laufen, wird aber im Tiefpegelzustand auf AUS gesetzt. Die Befehlsdaten steuern, wie lange der PWM-Zeitgeber läuft; in dem bevorzugten Fall zwischen 14 bis 242 µs. Auf diese Weise wird die relative Einschaltdauer des PWM-Signals im Bereich von 5,47% bis 94,53% gesteuert.
Dieser Aspekt der Funktion der Steuereinheit ist in Fig. 4 abgebildet. Block 40 stelt die Erzeugung des PWM-Signals där. Die Steuereinheit schaltet hin und her und erzeugt ein Zweizustands-PWM-Bit (Block 42) und testet den Zustand des PWM-Bit in Block 44. Wenn das PWM-Bit einen Tiefpegelzustand besitzt, dann wird, wie in Block 46 abgebildet, der PWM-Zeitgeber durch ein Befehls-Byte vom Prozessor 16 aus erneut gestartet. Wenn das PWM-Bit einen Hochpegelzustand aufweist, dann wird der PWM-Zeitgeber mit dem 2er- Komplement seines vorhandenen Wertes (Block 48) gestartet.
Wie am besten in Fig. 1 dargestellt, wird das PWM- Signal einer logischen Treibereinheit 50 zugeführt, die, wie in Fig. 2 dargestellt, drei UND-Gatter enthält, denen drei der Kommutierungs-Signale zugeführt werden. Die Einheit 50 erzeugt ein Umschaltsignal für die Brücke 26. Daraufhin erzeugt die Brücke 26 für jede Phase das oben erwähnte modulierte Steuersignal, das einen "Ein"-Zustand und einen "Aus"-Zustand besitzt.
Wie in dem Flußdiagramm gemäß Fig. 5 dargestellt, senden die Hall-Effekt-Sensoren, wie oben erwähnt, TAC-Signale zur Steuereinheit zurück (Block 50) und genauer gesagt werden die TAC-Signale, wenn sie alle 62,5 ms an einem TAC-Zeitgeber (Block 52) erscheinen, akkumuliert. Das Zählergebnis des TAC-Zählers wird in ein Tachometersignal verarbeitet, welches von der Steuereinheit verarbeitet wird und über die Leitung 22 zum Prozessor 16 zurückgeführt wird und das für die aktuelle Drehzahl des Motors kennzeichnend ist.
In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Merkmal weist ein Überwachungszähler (Block 54 in Fig. 5) einen voreingestellten Zählerstand von beispielsweise 500 ms auf. Beim Empfang des Signals für die Unterbrechung des TAC-Zeitgebers zählt der Überwachungszähler abwärts. Wenn, wie im Block 56 festgelegt, die 500 ms abgelaufen sind, wird das ganze System ausgeschaltet (Block 58). Wenn jedoch die Überwachungszeit nicht abgelaufen ist, dann werden die Befehlsdaten vom Prozessor 16 über die Leitung 20 der Steuerein heit zugeführt, wie in Block 60 angegeben.
Es ist begreiflich, daß jedes der oben beschriebenen Elemente, oder zwei oder mehrere zusammen, auch in nützlicher Weise bei anderen Aufbautypen angewendet werden können, die sich von dem oben beschriebenen Typ unterscheiden. Obwohl die Erfindung in einer Ausführungsform als volldigitalisiertes Drehzahlsteuersystem für bürstenlose Dreiphasen-Gleichstrommotoren dargestellt und beschrieben worden ist, ist nicht beabsichtigt, daß sie auf die gezeigten Details begrenzt ist, da verschiedene Modifikationen und strukturellen Änderungen durchgeführt werden können, ohne in irgendeiner Weise von der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Ein volldigitales Steuersystem für einen bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotor, der einen Anker aufweist, mit

(a) einem Digitalsignal-Hauptprozessor (16) zur Lieferung eines digitalen Eingangs-Befehlssignals, welches eine gewünschte Motorbetriebsart kennzeichnet;

(b) einer Antriebs-Steuereinheit (18), die in direkter digitaler Verbindung mit dem Hauptprozessor steht zur Erzeugung eines digitalen Kommutierungssignals für jede Phase und in Reaktion auf das Befehissignal zur Drehung des Ankers, sowie eines digitalen pulsdauermodulierten Signals, dessen relative Einschaltdauer durch das Eingangs-Befehlssignal festgelegt ist;

(c) einem Umschaltmittel (26), das in direkter digitaler Verbindung mit der Steuereinheit steht, zur Erzeugung eines digitalen Zweizustands-Steuersignals für jede Phase und in Reaktion auf jedes Kommutierungssignal und jedes pulsdauermodulierte Signal, welches einen "Ein"-Zustand besitzt, der während der besagten relativen Einschaltdauer bestehen bleibt;

(d) Hall-Effekt-Sensoren (14), die in direkter digitaler Verbindung mit der Steuereinheit stehen, zur Erzeugung eines digitalen Tachometersignals für jede Phase, welches die Ankerstellung kennzeichnet, wobei

(e) die besagte Steuereinheit weiterhin die Ver arbeitung des Tachometersignals bewirkt zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignals, welches die aktuelle Ankerdrehzahl oder -stellung kennzeichnet, und das Ausgangssignal direkt digital dem Hauptprozessor zuführt; und

(f) der besagte Hauptprozessor sowie die besagte Steuereinheit über eine Vielzahl von Lichtleitern miteinander verbunden sind und digital kommunizieren.

2. Das System nach Anspruch 1, bei welchem der Hauptprozessor und die Antriebs-Steuereinheit über parallele oder serielle Lichtleiter miteinander e verbunden sind und digital kommunizieren.

3. Das System nach Anspruch 1, bei welchem das pulsdauermodulierte Signal zwei Zustände besitzt und bei welchem die Steuereinheit Zeitgebermittel aufweist mit einem Zeitgeberausgangssignal, dessen Dauer durch den Zustand des Befehiswertes festgelegt ist.

4. Das System nach Anspruch 1, bei welchem die Steuereinheit eine Nachschlagtabelle aufweist, die Kommutierungs-Bitmuster enthält, von denen jedes einer unterschiedlichen Ankerstellung entspricht.

5. Das System nach Anspruch 1, bei welchem die Steuereinheit ein Zeitgeber-Überwachungsmittel aufweist, das eine vorgegebene überwachungszeit besitzt, und bei welchem die Steuereinheit ein Ausschaltmittel aufweist zum Beenden der Erzeugung von Kommutierungssignalen beim Ablauf der besagten Überwachungszeit ohne Empfang des Eingangs-Befehlssignals.

6. Ein voll digitales Drehzahl-Steuersystem für einen bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotor, der einen Anker aufweist, mit

(a) einem Digitalsignal-Hauptprozessor (16) zur Lieferung eines digitalen Eingangs-Drehzahlsignals, welches eine gewünschte Ankerdrehzahl kennzeichnet;

(b) einer Antriebs-Steuereinheit (18), die in direkter digitaler Verbindung mit dem Hauptprozessor steht zur Erzeugung eines digitalen Kommutierungssignals für jede Phase und in Reaktion auf das Drehzahlsignal zur Drehung des Ankers sowie eines digitalen pulsdauermodulierten Signals, dessen relative Einschaltdauer durch das Eingangs-Drehzahlsignal festgelegt ist;

(c) einem Umschaltmittel (26), das in direkter digitaler Verbindung mit der Steuereinheit steht, zur Erzeugung eines digitalen Zweizustands-Drehzahlsignals für jede Phase und in Reaktion auf jedes Kommutierungssignal und jedes pulsdauermodulierte Signal, welches einen "Ein"-Zustand besitzt, der während der besagten relativen Einschaltdauer bestehen bleibt;

(e) die besagte Steuereinheit weiterhin die Verarbeitung des Tachometersignals bewirkt zur Erzeugung eines digitalen Ausgangs-Drehzahlsignals, das die aktuelle Ankerdrehzahl kennzeichnet und das Ausgangs-Drehzahlsignal direkt digital dem Hauptprozessor zuführt, und

7. Das System nach Anspruch 6, bei welchem die relative Einschaltdauer des pulsdauermodulierten Sig nals im Bereich zwischen 5,47% bis 94,53% liegt.

8. Das System nach Anspruch 6, bei welchem das pulsdauermodulierte Signal auf einem Trägersignal mit einer Frequenz von 3,90625 kHz übertragen wird.

9. Das System nach Anspruch 6, bei welchem das pulsdauermodulierte Signal zwei Zustände besitzt und bei welchem die Steuereinheit Zeitgebermittel aufweist mit einem Zeitgeberausgangssignal, dessen Dauer durch den Zustand des pulsdauermodulierten Signals festgelegt ist.

10. Das System nach Anspruch 6, bei welchem die Steuereinheit eine Nachschlagtabelle aufweist, die Kommutierungs-Bitmuster enthält, von denen jedes einer unterschiedlichen Ankerstellung entspricht.

11. Das System nach Anspruch 6, bei welchem die Steuereinheit ein Zeitgeber-Überwachungsmittel aufweist, das eine vorgegebene Überwachungszeit besitzt, und bei welchem die Steuereinheit ein Ausschaltmittel aufweist zum Beenden der Erzeugung von Kommutierungssignalen beim Ablauf der besagten Überwachungszeit ohne Empfang des Eingangs-Drehzahlsignals.