DE69831776T2

DE69831776T2 - Messung der momentanen Stellung des Rotors eines, im tripolaren Modus getriebenen bürstenlosen Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE69831776T2
Application number: DE69831776T
Authority: DE
Inventors: Marco Viti; Michele Boscolo; Alberto Salina
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2018-07-10
Also published as: DE69831776D1; US5969491A; JPH1175388A

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtastung der momenten Stellung des Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors, eine notwendige Voraussetzung für seinen Betrieb.
Hintergrund der Erfindung
Der „bürstenlose" Motor besteht aus einem Permanentmagnetrotor und einem Stator, der aus einer Anzahl von Wicklungen besteht, die in einer Sternkonfiguration oder vollständig unabhängig voneinander geschaltet sein können.
Im ersten Fall sind äußerlich eine Anzahl von Anschlüssen vorhanden, die gleich der Anzahl der Phasen des Motors sind (letztlich +1, wenn aus die Sternmitte zugegriffen werden muß); im zweiten Fall wird auf Motoren mit unabhängigen Phasen bezug genommen, und beide Anschlüsse jeder Wicklung sind äußerlich zugänglich.
Diese Motoren werden in Festplatten- und Diskettenlaufwerken, DVD-(digitale Videoplatten)Laufwerken, in Bandvideorecordern, CD-Spielern usw. verwendet.
In der Mehrzahl der Fälle sind bürstenlose Motoren dreiphasig und die Treiberschaltung besteht im allgemeinen aus integrierten Schaltungen, deren Ausgangsstufen die Phasenwicklungen betreiben und entweder im Fall von Motoren, die in einer Sternkonfiguration geschaltet sind, eine dreiphasige Vollwellen-Halbbrückenschaltung oder im Fall von Motoren mit unabhängigen Phasen drei Vollbrückenschaltungen aufweisen.
1a zeigt einen dreiphasigen bürstenlosen Motor mit unabhängigen Phasen und die zugehörigen unabhängigen Vollbrückenausgangsstufen, die die jeweiligen Wicklungen betreiben, wohingegen 1b die Ausgangsstufe darstellt, die zum Betreiben eines dreiphasigen bürstenlosen Motors benötigt wird, bei dem die Wicklungen in einer Sternkonfiguration geschaltet sind.
Zur Vereinfachung werde der typische Fall eines dreiphasigen Motors betrachtet, der in einer bipolaren Betriebsart betrieben wird, in der in jedem Moment zwei Phasenwicklungen versorgt werden, während die dritte Phasenwicklung momentan nicht versorgt wird (Vollbrücken- oder Halbbrückenausgangsknoten in einem hochohmigen Zustand).
Die Phasenwicklungen werden gemäß einer zyklischen Abfolge schaltend betrieben, die mit der augenblicklichen Position des Rotors synchronisiert werden muß, die in einer bipolaren Antriebsart bestimmt werden kann, indem die gegenelektromotorische Kraft (BEMF) analysiert wird, die an der Wicklung überwacht wird, die momentan nicht versorgt wird, oder durch Halleffekt-Sensoren abgetastet wird (kostspieligere Lösung, die selten verwendet wird). Normalerweise detektiert eine solche BEMF-Überwachung den Nulldurchgang der BEMF, die eine sinusförmige oder auf jeden Fall periodische Wellenform aufweist, der im allgemeinen als „Nulldurchgangs"-Moment bezeichnet wird.
Das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen wird mit Tc bezeichnet.
Alternative Antriebsarten für diesen Typ Motor sind die sogenannte unipolare Betriebsart, in der die Abtastung der Stellung des Rotors in derselben Art wie in der bipolaren Betriebsart vorgenommen wird, und die sogenannte tripolare Betriebsart, wobei die Abtastung der Stellung des Rotors nicht gemäß der oben erwähnten Techniken vorgenommen werden kann, da immer alle Wicklungen des Motors versorgt werden.
Tatsächlich werden in einer tripolaren Betriebsart drei Spannungen (oder Ströme), die im allgemeinen sinusförmig sind, um 120 elektrische Grad zueinander phasenverschoben sind und ein Statordrehfeld erzeugen, jeweils an den drei Wicklungen eines dreiphasigen Motors erzwungen.
In einer tripolaren Betriebsart erfordert die Abtastung der Stellung des Rotors im allgemeinen die Verwendung von Sensoren oder elektronischer Schaltungen, die eine De-facto-„Rekonstruktion" der induzierten BEMF-Spannung an den Wicklungen liefern, sobald die elektrischen Parameter des Motors bekannt sind. Eine Lösung dieser Art wird in EP-A-0 822 649 desselben Anmelders offenbart.
Es wird eine Information über die augenblickliche Position des Rotors zum Betreiben eine „Synchron"-Motors, wie eines bürstenlosen Motors benötigt, und sie ist wesentlich zur Optimierung des Betriebs, da der Wirkungsgrad des Systems eine Funktion der Phasenbeziehung zwischen der Antriebsspannung (oder Strom) und der Stellung des Rotors ist.
Das Verfahren zur Überwachung der augenblicklichen Stellung des Rotors, das in einer bipolaren oder in einer unipolaren Antriebsart verwendet wird, ist im Fall einer tripolaren Betriebsart ungeeignet, da jede Wicklung konstant einer Antriebsspannung ausgesetzt ist, wodurch es verhindert wird, die BEMF zu überwachen, die an der Wicklung induziert wird.
Gemäß des Stands der Technik wurde dieses Unvermögen durch den Einsatz von Positionssensoren, zum Beispiel Halleffekt-Sensoren oder als Alternative verhältnismäßig komplexen elektronischen Schaltungen überwunden, die zur „Rekonstruktion" eines BEMF-Signals imstande sind, sobald die elektrischen Parameter (Widerstand und Induktivität) bekannt sind.
EP-A-0 482 913 offenbart ein Verfahren, das die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Idee hinter dieser Erfindung ist die der Verwirklichung eines Systems zur Abtastung der Stellung des Rotors eines bürstenlosen Mehrphasen-Gleichstrommotors, der in einer solchen Betriebsart betrieben wird, daß alle seine Phasenwicklungen versorgt werden, das auf der Erzeugung eines „Zeitfensters" kurzer Dauer beruht, während dessen der Ausgangsknoten einer der Halbbrückenstufen, die die jeweiligen Wicklungen treiben, in einen hochohmigen Zustand versetzt wird (oder eine der Vollbrücken im Fall des Betreibens eines Motors mit unabhängigen Phasenwicklungen), wodurch eine BEMF-Detektion in der besonderen Phasenwicklung ermöglicht wird, die daran angeschlossen ist.
Das Zeitfenster kann unabhängig von der tatsächlichen Drehzahl des Motors eine konstante Dauer oder abhängig von der Motordrehzahl eine variable Dauer, oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine variable Dauer aufweisen, die von anderen Parametern wie dem tatsächlichen Moment der Abtastung eines BEMF-Nulldurchgangs und der Korrektheit eines solchen abgetasteten Nulldurchgangsmoments bezüglich des erwarteten Moments abhängt.
Das Verfahren dieser Erfindung ist sowohl auf den Betrieb in der Strombetriebsart als auch in der Spannungsbetriebsart unabhängig von der periodischen Wellenform des verwendeten Treiberstroms- oder der Treiberspannung anwendbar.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche definiert. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die unterschiedlichen Aspekte und Vorteile des Verfahrens der Erfindung werden durch die folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen und durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch deutlicher. Es zeigen:
1a eine Leistungsstufe, die aus drei Vollbrücken besteht, die zum Betreiben von dreiphasigen, bürstenlosen Gleichstrommotoren mit unabhängigen Phasenwicklungen verwendet werden;
1b eine dreiphasige Vollwellen-Halbbrücken-Leistungsstufe, die einen dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Phasenwicklung betreibt, die in einer Sternkonfiguration geschaltet ist;
2 die sinusförmigen Treibersignale (Spannungen oder Ströme), die an die jeweiligen Motorwicklungen angelegt werden, und die relativen BEMFs, die an den Wicklungen durch die Rotorrotation induziert werden;
3a eine mögliche Zeitfensterausführung an einer einzelnen Phase, einmal pro elektrische Periode, gemäß des Verfahrens der Erfindung;
3b eine alternative Zeitfensterausführung an einer einzelnen Phase, zweimal pro elektrische Periode, gemäß des Verfahrens der Erfindung;
3c eine alternative Zeitfensterausführung an allen drei Phasen, einmal pro elektrische Periode, gemäß des Verfahrens der Erfindung;
3d eine alternative Zeitfensterausführung an allen drei Phasen, zweimal pro elektrische Periode, gemäß des Verfahrens der Erfindung;
4a die Treiberspannung und die BEMF-Signale relativ zur Phasenwicklung eines Motors, wenn die Periode Tc korrekt geschätzt wird, mit einem Zeitfenster konstanter Dauer und dem Nulldurchgangsbestätigungssignal, das im Zeitfenster auftritt;
4b dieselben Signale wie 4a in einem Fall der Überschätzung der Tc;
5a die Treiberspannung und BEMF-Signale relativ zur Phasenwicklung eines Motors, wenn die Periode Tc korrekt geschätzt wird, mit einem Zeitfenster variabler Dauer als Funktion des Nulldurchgangsabtastmoments und einer korrekten und unkorrekten Schätzung des Nulldurchgangsmoments;
5b die Treiberspannung und BEMF-Signale relativ zur Phasenwicklung eines Motors, wenn die Periode Tc überschätzt wird, mit einem Zeitfenster variabler Dauer als Funktion des Nulldurchgangsabtastmoments und einer korrekten und unkorrekten Schätzung des Nulldurchgangsmoments;
5c die Treiberspannung und BEMF-Signale relativ zur Phasenwicklung eines Motors, wenn die Periode Tc unterschätzt wird, mit einem Zeitfenster variabler Dauer als Funktion des Nulldurchgangsabtastmoments und einer korrekten und unkorrekten Schätzung des Nulldurchgangsmoments;
6 ein Blockdiagramm einer Schaltung, die das Verfahren der Erfindung ausführt;
7a ein Schaltungsdiagramm des BEMF DETECT CIRCUIT-Blocks der 6 gemäß einer ersten Ausführungsform;
7b ein Schaltungsdiagramm des BEMF DETECT CIRCUIT-Blocks der 6 gemäß einer anderen Ausführungsform.
Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der Erfindung
Zur Analyse des Arbeitsprinzips der Erfindung betrachten wir den üblichsten Typ eines bürstenlosen Motors, den dreiphasigen. Die beschriebenen Konzepte bleiben jedoch auf jeden bür stenlosen Mehrphasenmotor mit Phasenwicklungen anwendbar, die in einer Sternkonfiguration geschaltet sind oder unabhängig geschaltet sind, die entweder in einer Spannungsbetriebsart oder in einer Strombetriebsart gemäß irgendeiner vordefinierten periodischen Wellenform betrieben werden.
Wie vorher angegeben, ist der bürstenlose Motor ein „synchroner", und dies bringt die Notwendigkeit mit sich, Treiberströme durch die Phasenwicklungen des Motors synchron zur Stellung des Rotors, um das Drehmoment zu maximieren, das an der Welle erzeugt wird, und daher synchron zu den BEMF-Signalen zu treiben, die in den jeweiligen Phasenwicklungen induziert werden.
2 zeigt der Treibersignale (V-Phase A, V-Phase B und V-Phase C), die im betrachteten Beispiel ein sinusförmiges Profil aufweisen, die an die jeweiligen Wicklungen angelegt werden.
Die Wahl einer sinusförmigen Wellenform ist nicht die einzige mögliche, es können auch andere periodische Wellenformen wie eine trapezförmige Wellenform verwendet werden.
In der Spannungsbetriebsart repräsentieren die Signale Spannungen; während die Signale in der Strombetriebsart Ströme repräsentieren, die durch die jeweiligen Phasenwicklungen erzwungen werden. Natürlich ist es in jedem Fall wesentlich, um das maximale Drehmoment zu erhalten, den Synchronismus der Ströme, die durch die Phasenwicklungen fließen, mit der Stellung des Rotors sicherzustellen, das heißt mit den BEMF-Spannungen, die in den Wicklungen durch die Rotorrotation induziert werden, indem beachtet wird, daß im Fall eines Betriebs in der Spannungsbetriebsart ein bestimmter Phasenwinkel zwischen der Antriebsspannung, die an die Wicklungen angelegt wird, und den dadurch bedingten Strömen vorhanden ist, die durch sie fließen.
Hinsichtlich der angesprochenen Probleme und der Lösung, die durch diese Erfindung bereitgestellt wird, ist diese Unterscheidung zwischen Spannungs- und Strombetriebsarten im wesentlichen irrelevant, und in der folgenden Beschreibung werden Treibersignale nicht identifiziert, daß sie entweder Spannungs- oder Stromsignale sind. Beispielsweise zeigt 2 herkömmlich die relativen gegenelektromotorischen Kraftsignale (bemfA, bemfB und bemfC) in Phase mit den Treiber-„Signalen".
Allgemeiner ist es für jeden abgetasteten Nulldurchgang eines induzierten gegenelektromotorischen Kraftsignals notwendig, das Treibersignal oder die Signale in einer Weise festzusetzen, daß zwischen den beiden Arten von Signalen ein bestimmter optimaler Phasenwinkel gehalten wird (der im Fall von Strombetriebsartsignalen null sein kann).
Um die folgenden Beschreibungen zu vereinfachen, wird vorausgesetzt, daß das Treibersignal mit einem Nulldurchgangsbestätigungssignal der BEMF-Spannung in Phase gehalten wird, das an mindestens einer der Phasenwicklungen überwacht wird.
Das Verfahren zur Detektion der Stellung des Rotors dieser Erfindung kann abwechselnd durch Verwirklichung eines Zeitfensters mit konstanter Dauer oder eines Zeitfensters implementiert werden, dessen Dauer eine Funktion der Motordrehzahl ist, oder eines Zeitfensters, dessen Dauer eine Funktion des Moments der Detektion eines Nulldurchgangs (wobei dieses Ereignis das Ende des Zeitfensters bestimmt) und einer korrekten oder unkorrekten Schätzung des Nulldurchgangsmoments ist (wobei diese Schätzung den Anfang des Zeitfensters bestimmt).
Jeder Typ Zeitfenster ist bei der Überwachung der BEMF an einer einzelnen Phasenwicklung (wobei der Nulldurchgang in nur einer Phasenwicklung abgetastet wird) oder bei der Überwachung der BEMF an unterschiedlichen Phasenwicklungen (wobei der Nulldurchgang an mehreren oder an allen Phasenwicklungen abgetastet wird) anwendbar. Überdies ist es nur einmal pro elektrische Periode (wobei ein Nulldurchgang für jede elektrische BEMF-Periode abgetastet wird) oder zweimal pro elektrische Periode anwendbar (wobei der Nulldurchgang für sowohl den positiven als auch negativen Gradienten der BEMF für jede elektrische Periode abgetastet wird).
Daher kann in einem dreiphasigen Motor die Anzahl der Zeitfenster, die ausgeführt werden können, von einem pro elektrische Periode (einem Fenster pro Periode und für eine einzelne Wicklung) bis zu maximal sechs pro elektrische Periode reichen (zwei Fenster pro Periode und für alle drei Wicklungen).
Die 3a, 3b, 3c, 3d stellen einige Beispiele der Verwirklichung eines solchen Zeitfensters dar.
3a stellt den Fall eines Zeitfensters beim Betreiben einer Phasenwicklung dar, das einmal für jede elektrische Periode ausgeführt wird. 3b stellt den Fall eines Zeitfensters beim Betreiben einer Einzelphasenwicklung dar, das zweimal für jede elektrische Periode ausgeführt wird. 3c stellt den Fall eines Zeitfensters beim Betreiben aller drei Wicklungen dar, das einmal für jede elektrische Periode ausgeführt wird. 3d stellt den Fall eines Zeitfensters dar, das zweimal für jede elektrische Periode beim Betreiben aller drei Wicklungen ausgeführt wird.
Betrachten wir den Fall eines Zeitfensters, das für eine Einzelwicklung einmal für jede elektrische Periode ausgeführt wird, und daß der abzutastende Nulldurchgang sich auf einen positiven Gradienten des BEMF-Signals bezieht. Die folgenden Überlegungen bleiben jedoch auch auf jeden anderen Fall anwendbar.
Nehmen wir ferner an, daß der Motor in einer Spannungsbetriebsart gemäß eines vordefinierten sinusförmigen Spannungsprofils betrieben wird, in Phase mit dem BEMF-Signal, und daß er sich am Ende einer Anlaufphase befindet, das heißt in einer Situation, wo die BEMF schon eine ausreichend große Amplitude angenommen hat, um durch eine gewöhnliche Komparatoreinrichtung detektierbar zu sein.
I. Fall: Fenster mit konstanter zeitlicher Dauer
Unter der Voraussetzung, daß der Wert der letzten Tc (Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgangsereignissen) am Ende des Anlaufens bekannt ist, eine Bedingung, die leicht sichergestellt werden kann, indem ein ausreichend geräumiges Zeitfenster gesetzt wird, ist es möglich, mit einer ausreichenden Genauigkeit den Moment, in dem der nächste Nulldurchgang auftreten sollte, und daher den neuen Tc-Wert vorherzusagen.
Letztlich würden Vorhersagefehler im wesentlichen auf eine ungenau geschätzte Beschleunigung oder Abbremsung zurückzuführen sein, jedoch können diese Fehler eher durch die Überwachung des BEMF-„Pegels" als seines Nulldurchgangs behoben werden.
Wenn, wie angenommen, ein einzelnes Fenster für jede elektrische Periode der BEMF implementiert wird, das nach ihrem Nulldurchgang mit einem positiven Gradienten sucht, ist ein positiver BEMF-Wert im Moment des Öffnens des Zeitfensters nur möglich, wenn die neue Tc überschätzt wurde, das heißt, wenn der Nulldurchgang (ZC) vor dem Start des Zeitfensters auftritt.
Dieser Fehler kann teilweise behoben werden, indem vielmehr der Pegel der BEMF als ihr Nulldurchgang beobachtet wird. Der Ausdruck „SENSED ZC" bezeichnet das Signal, das für den BEMF-Pegel repräsentativ ist.
Das Auftreten einer Situation wie oben (Nulldurchgang, der vor dem Start des Zeitfensters auftritt) wird zur Schätzung der neuen Tc und folglich zum Wählen des Startmoments des nächsten Zeitfensters verwendet.
4a zeigt das BEMF- und das Treibersignal relativ zu einer Phasenwicklung für den Fall einer korrekten Tc-Schätzung mit einem Zeitfenster konstanter Dauer.
Wie in 4a wahrgenommen wird, wird der BEMF-Nulldurchgang im Zeitfenster detektiert.
4a zeigt auch das „SENSED ZC"-Signal an, bei dem angenommen wird, daß der Nulldurchgang auf dessen ansteigender Vorderseite stattgefunden hat (da der BEMF-Nulldurchgang, nachdem gesucht wird, derjenige mit einem positiven Gradienten ist). Offensichtlich findet die Aktualisierung des SENSED ZC-Signals innerhalb des Zeitfensters statt, wo angenommen wird, daß der Nulldurchgang stattfindet.
Im Fall einer korrekten Tc-Schätzung ist ein solches SENSED ZC-Signal perfekt mit dem Nulldurchgangssignal in Phase.
4b zeigt die Treiber- und BEMF-Signale relativ zu einer Phasenwicklung für den Fall einer Überschätzung der Tc. Das SENSED ZC-Signal wird im Moment des Öffnens des Zeitfensters einen hohen Logikpegel annehmen, da das Nulldurchgangsereignis schon aufgetreten ist.
Beruhend auf dem obigen ist es möglich, sobald die wahrscheinlichen Werte der Beschleunigungen für die besondere Anwendung geschätzt sind, ein Fenster mit einer konstanten zeitlichen Dauer zur Abtastung des BEMF-Nulldurchgangs, wenn er auftritt, oder im Fall der Schätzung von Fehlern des Tc-Werts mit einer vernachlässigbaren Verzögerung festzulegen.
II. Fall: Fenster mit einer zeitlichen Dauer als Funktion der Motordrehzahl
Das Verfahren bleibt zu dem für den vorhergehenden Fall beschriebenen ähnlich, mit der einzigen Modifikation der zeitlichen Dauer des Fensters, die eine Funktion der Drehzahl des Motors ist. Zum Beispiel kann festgelegt werden, daß ein Fenster verwirklicht wird, dessen zeitliche Dauer gleich einem festen Prozentsatz des gegenwärtigen Tc-Werts ist.
III. Fall: Fenster mit einer zeitlichen Dauer als Funktion des Nulldurchgangsmoments und seine korrekte oder unkorrekte Vorhersage
Auch in diesem Fall wird der Start des Fensters gemäß derselben Mechanismen wie in den beiden vorhergehenden Fällen definiert, das heißt durch Schätzung des Moments, in dem erwartet wird, daß der nächste Nulldurchgang auftritt.
Um eine Wiedergewinnung in Fall einer Unterschätzung der Beschleunigungen zu erleichtern, ist es noch möglich, den BEMF-Pegel zu analysieren und nicht nur seinen Durchgang durch den Nullpegel.
Gemäß dieser Ausführungsform dient das Auftreten des BEMF-Nulldurchgangs, bevor sich das Fenster öffnet, dazu, die neue Tc zu schätzen und folglich den Startmoment des nächsten Fensters zu definieren.
In dieser Ausführungsform hängt der Schließmoment des Fensters vom Auftreten eines Nulldurchgangs selbst ab, das heißt, das Fenster wird in einem bestimmten Moment beendet, der mit dem Abtastmoment des Nulldurchgangs zusammenhängt. Das Fenster kann im Nulldurchgangsmoment oder nach einer vorher festgelegten Verzögerung enden.
Dadurch sind durch die Verwendung des SENSED ZC-Signals und Warten auf seinen Nulldurchgang, um das Schließen des Fensters zu befehlen, neben Unterschätzungen von Beschleunigungen auch zufällige Abbremsungen leicht behebbar, da sobald ein Zeitfenster gestartet wird, es offen bleibt, bis ein Nulldurchgang detektiert wird, der im Fall einer Abbremsung mit einer bestimmten Verzögerung nach dem Vorhersagemoment stattfinden wird.
Wenn bei der Öffnung des Fensters der BEMF-Pegel anzeigt, daß der erwartete Nulldurchgang schon stattgefunden hat, wird neben einer augenblicklichen Aktualisierung des SENSED ZC-Signals auch definiert, in welchem Moment das Fenster enden wird.
Daher wird die Fensterdauer durch die Genauigkeit bestimmt, mit der der Nulldurchgangsmoment vorhergesagt wird.
Die 5a, 5b und 5c stellen die Funktion gemäß dieser Ausführungsform für den Fall einer korrekten Schätzung, einer Überschätzung bzw. einer Unterschätzung der Tc dar, für den Fall, in dem das Ende des Fenster so eingestellt wird, daß es mit der ansteigenden Vorderseite des SENSED ZC-Signals zusammenfällt.
Diese besonders bevorzugte Ausführungsform hat den Vorteil, daß selbst während unvorhergesehener Beschleunigungen und Abbremsungen des Motors kritische Aspekte im wesentlichen fehlen.
6 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm einer Schaltung, die das Verfahren der Erfindung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors ausführt.
Das Diagramm bezieht sich auf den Fall eines Treibens in einer vollständig digitalen Spannungsbetriebsart, nach der die Spannungsprofile, die an die Motorwicklungen angelegt werden, dauerhaft in einem ROM-Speicher gespeichert sind.
Das Diagramm ist eine Vereinfachung des vom selben Anmelder in EP-A-0 822 649 beschriebenen, die mit dem 22. Mai 1996 datiert ist. Die Hauptfunktionen der verschiedenen Blöcke können wird folgt angegeben werden.
Der „ROM"-Block enthält die Abtastwerte der gewünschten Wellenform, die an die Wicklungen des Motors angelegt werden soll.
Unter der Veraussetzung, daß 36 digitale Abtastwerte vorhanden sind, um die Wellenform anzunähern, und daß eine 8-Bit-Auflösung erforderlich ist, wird ein 8 × 36-Speicher benötigt.
Der Block „DIGITAL MULTIPL." multipliziert den digitalen Datenwert, der durch das ROM ausgegeben wird, mit einer Konstanten. Die Konstante wird durch den „K CALC"-Block als Funktion des Signals berechnet, das durch den „PLL"-Block ausgegeben wird, wobei ein Fehlersignal zwischen der wirklichen und der Bezugsgeschwindigkeit erzeugt wird.
Der „PWM CONVERTER"-Block setzt einen Digitalwert (Byte) in ein Tastverhältnis (PWM) um. Es wird ein PWM-Signal, das den Abtastwert reproduziert, auf den in diesem Moment im ROM-Speicher gezeigt wird, multipliziert mal KVAL, ausgegeben.
Der „Frequenz MULTIPL."-Block multipliziert die elektrische Frequenz (1/Tc) des Motors mit 36. Dies ist notwendig, da dieses Signal zur Abfrage des ROM-Speichers verwendet wird, der die Spannungsprofile speichert (da es 36 Abtastwerte gibt, muß die Abfrage mit einer Frequenz stattfinden, die 36 mal größer als die elektrische Frequenz des Motors ist).
Das „WINDOW"-Signal versetzt einen Brücken-(oder Halbbrücken)-Ausgang in einen hochohmigen Zustand, wodurch folglich eine Nulldurchgangsabtastung einer BEMF ermöglicht wird, die an der Wicklung induziert wird, wobei sich dieses Ereignis am Ausgang der „BEMF DETECT CIRCUIT" manifestieren wird und durch das logische UND-Glied bestätigt wird, wie in den Ausführungsformen detaillierter gezeigt wird, die in 7a bzw. 7b gezeigt werden.
In einem allgemeineren Fall, daß einfach ein Komparator COMP zur Detektion eines Nulldurchgangs des abgetasteten BEMF-Signals eingesetzt wird, wie in 7a dargestellt, empfängt der Block BEMF DETECT CIRCUIT das „MASK"-Signal, dessen Zweck die Maskierung falscher Bestätigungen eines Nulldurchgangsereignisses in Übereinstimmung mit dem Anfang des Zeitfensters ist, die durch eine abrupte Unterbrechung des Stroms in der Wicklung verursacht werden können.
In Anwendungen, wo das BEMF-Signal eine besonders niedrige Amplitude aufweist, und/oder unter außergewöhnlich störenden Bedingungen kann eine Verstärkungsstufe OP-AMP, der sich ein Tiefpaßfilter F(S) anschließt, verwendet werden, um den Eingang des Komparators COMP ein verstärktes und gefiltertes BEMF-Signal zuzuführen, wie in 7b dargestellt.
Um falsche Bestätigungen zu verhindern, die auf Störungen zurückzuführen sein könnten, die durch die abrupte Stromunterbrechung in einer Motorwicklung induziert werden, und zur Verhinderung übermäßig großer Signale am Eingang des Operationsverstärkers OP-AMP während der Maskierungsperiode kann in einer solchen Ausführungsform ein dritter Logikbefehl „SWITCH" eingesetzt werden, um die Eingänge des Abtastoperationsverstärkers während des Maskierungsintervalls kurzzuschließen, das sich der Aktivierung des ENABLE-Befehls anschließt.
Natürlich kann in vielen Situationen die Verwendung eines Operationsverstärkers und eines Tiefpaßfilters und letztendlich auch des relativen Sperrbefehls SWITCH nicht notwendig sein, und das BEMF-Signal kann den Eingängen des Komparators COMP direkt zugeführt werden, wie in 7a dargestellt.
Für ein vollständig digitales System, wie dem betrachteten, kann ein effizientes Zeitfenster wie folgt verwirklicht werden: vom Vorhersagemoment für einen Nulldurchgang kann das Fenster so eingestellt werden, daß es in Übereinstimmung mit dem „n"-Abtastwert beginnt (wobei n zwischen 1 und 36 liegt, wie in 6 gezeigt). Es wird dann auf eine Nulldurchgangsabtastung gewartet, bevor das Fenster beendet wird.
Wenn danach der BEMF-Nulldurchgang im Fenster auftritt (das heißt, anschließend an eine korrekte Schätzung der Tc), wird die Öffnung des nächsten Fensters so eingestellt, daß sie in Übereinstimmung mit dem „n + 1 Abtastwert" auftritt.
Wenn für ein Zeitfenster ein Nulldurchgang schon aufgetreten ist, wird das Fenster sofort geschlossen und das SENSED ZC aktualisiert, wie vorher beschrieben. Das Auftreten eines solchen Zustands wird bewirken, daß das nächste Zeitfenster in Übereinstimmung mit dem Abtastwert n – 1 eingeleitet wird.
Dies ergibt eine automatische Bemessung und Positionierung des Fensters längs der Zeitachse.
Folglich wird ein Mechanismus aktiv sein, wodurch das Zeitfenster einer kontinuierlichen Einstellung um sein genaues Zusammenfallen mit dem Nulldurchgangsereignis unterliegen wird. Dieser Mechanismus kann kontrolliert werden, indem eine minimale Dauer des Fensters festgelegt wird.
In einem System, das 36 Abtastwerte verwendet, kann dann, wenn der Nulldurchgang in der Nähe des letzten Abtastwertes auftritt, das Fenster so eingestellt werden, daß es nicht früher als der 34. Abtastwert beginnt.
Es kann jede Art eines Zeitfensters für nur eine Phasenwicklung (wobei der Nulldurchgang an einer einzelnen Phasenwicklung eines Motors abgetastet wird) oder für mehrere Wicklungen verwirklicht werden (wobei der Nulldurchgang an mehreren Motorphasenwicklungen abgetastet wird). Es kann nur einmal pro elektrische Periode oder zweimal pro elektrische Periode ausgeführt werden (zur Abtastung der Nulldurchgangsereignisse mit sowohl positiven als auch negativen Gradienten bei jeder elektrischen BEMF-Periode).
Die Technik der Erfindung ist auf jeden bürstenlosen Mehrphasenmotor, bei dem die Wicklungen in einer Sternkonfiguration geschaltet sind oder unabhängig angeschossen sind, der in einer Spannungsbetriebsart oder in einer Strombetriebsart betrieben wird, und für jede vordefinierte Wellenform anwendbar.

Claims

Verfahren zur Abtastung der Stellung des Rotors eines bürstenlosen Mehrphasenmotors, der mit mindestens einer Nulldurchgangsdetektionsschaltung der Spannung ausgestattet ist, die an einer jeweiligen Phasenwicklung des Motors induziert wird, der in einer multipolaren Betriebsart betrieben wird, wobei das Verfahren aufweist: Unterbrechen des Treiberstroms in mindestens einer der Phasenwicklungen des Motors, die mit der Schaltung gekoppelt ist, mittels eines ersten Logikbefehls, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Freigeben eines Logikglieds, das ein Nulldurchgangsereignis bestätigt, das durch die Schaltung detektiert wird, nach einem vorbestimmten Zeitintervall nach dem Moment der Unterbrechung mittels eines zweiten Logikbefehls; Rücksetzen beider Befehle nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Moment der Unterbrechung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den folgenden Schritt aufweist: Kurzschließen der Eingänge eines Differenzverstärkers der Abtastschaltung für eine vorher festgelegte Zeitspanne nach dem Moment der Unterbrechung mittels eines dritten Logikbefehls.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem das Rücksetzen der ersten und zweiten Befehle nach einer Zeitspanne stattfindet, die zur Momentandrehzahl des Motors proportional ist.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem das Rücksetzen der ersten und zweiten Befehle bei der Ausgabe eines Bestätigungssignals einer Nulldurchgangsdetektion durch das Logikglied stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem jede Phasenwicklung mit einer jeweiligen Abtastschaltung gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Logikbefehl eine konstante und vorher festgelegte Dauer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Logikbefehl eine Dauer aufweist, die zu einem konstanten und vorher festgelegten prozentualen Anteil der Phasewechselfrequenz des Motors äquivalent ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Dauer der Unterbrechung des Antriebs durch den ersten Logikbefehl als Funktion einer korrekten oder unkorrekten Vorhersage des nächsten Nulldurchgangsmoments dynamisch geregelt wird.
System zum Treiben eines bürstenlosen Mehrphasenmotors, der aufweist: mehrere Leistungsstufen, die ebenso viele Phasenwicklungen treiben, eine nichtflüchtige Speichereinrichtung einer vorher festgelegten digitalisierten Treiberstrom- oder Spannungswellenform für die Phasenwicklungen, mehrere Digital-Analog-Wandler, um den Digitalwert jedes Abtastwerts der digitalisierten Wellenform in ein analoges Treibersignal umzuwandeln, eine Einrichtung zur Synchronisation der Umwandlungen der Abtast werte, die aus der Speichereinrichtung gelesen werden, mit einem Signal, das für die Stellung des Rotors repräsentativ ist, eine Zeigeeinrichtung jedes Abtastwerts einer vollständigen Sequenz, eine Logikeinrichtung, die mehrere gegenseitig phasenverschobene Sequenzen der Treiberstrom- oder Spannungswellenformen aus den gespeicherten Abtastwerten rekonstruiert, wobei die Synchronisationseinrichtung eine Schaltung aufweist, die mindestens einen Nulldurchgang mindestens eines gegenelektromotorischen Kraftsignals abtastet, das an der Phasenwicklung eines Motors induziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastschaltung aufweist: einen Komparator, dessen Eingang mit der Spannung gekoppelt ist, die an der Phasenwicklung vorhanden ist; eine erste Logikeinrichtung, die einen ersten Logikbefehl erzeugt, der imstande ist, den Ausgangsknoten der Treiberstufe der Phasenwicklung in einen hochohmigen Zustand zu versetzen; ein Logikglied, das ein Nulldurchgang-Bestätigungssignal erzeugt; eine zweite Logikeinrichtung, die einen zweiten Befehl zur Freigabe der Ausgabe eines Nulldurchgang-Bestätigungssignals durch das Logikglied nach einem vorbestimmten Zeitintervall nach dem Moment der Unterbrechung erzeugt; wobei die ersten und zweiten Logikeinrichtungen die ersten und die zweiten Befehle nach einer vorbestimmten Zeitspanne rücksetzen.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner aufweist einen Differenzverstärker, der Eingänge aufweist, die mit der Phasenwicklung gekoppelt sind, und einen geschalteten Tiefpaßkondensatorfilter in Kaskade mit dem Ausgang des Verstärkers, der ein verstärktes und gefiltertes BEMF-Signal dem Eingang des Komparators zuführt; eine dritte Logikeinrichtung, die einen dritten Logikbefehl (SWITCH) zum Schließen eines Kurzschlußschalters, der über die Eingangsknoten des Differenzverstärkers geschaltet ist, für ein vorbestimmtes Zeitintervall erzeugt, das am Schaltmoment des ersten Logikbefehls beginnt.