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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors mit einem Induktivitätsdetektionsschaltkreis
in Form einer Brückenschaltung
und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb
eines sensorfreien Gleichstrommotors mit einem Induktivitätsdetektionsschaltkreis
in Form einer Brückenschaltung,
die die von der Relativlage zwischen einer Phasenwicklung und einem
magnetischen Rotor abhängige
Induktivität
bestimmt, um so die Stellung des Rotors zu ermitteln.
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Ein
Videokassettenrekorder (Video Cassette Recorder – VCR) umfasst einen Magnetbandantriebsmotor
und einen Kopftrommelmotor. Üblicherweise
ist es für
den Betrieb solcher Motoren notwendig, die Rotorstellung mittels
Sensoren, beispielsweise einem Hall-Sensor oder einem optischen
Sensor, derart zu bestimmen, dass der an dem Motor angelegte Phasenverlauf
entsprechend zur Rotorstellung gesteuert werden kann. Dieses konventionelle
Verfahren führt
jedoch zur Notwendigkeit, dass Bauraum zur Installation der Sensoren zur
Verfügung
steht. Darüber
hinaus sind die Sensoren so teuer, dass sich der Gerätepreis
erhöht.
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In
jüngerer
Zeit wurden verstärkt
sensorfreie Motoren verwendet, um die voranstehend beschriebenen Nachteile
zu umgehen.
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In
einem konventionellen, sensorfreien Motor, wie er durch das US-Patent
US 5,235,264 offenbart wird,
wird die Stromwendung des Rotors durch die Bestimmung der gegenelektromotorischen
Kraft (Back Electromotive Force – BEMF) bestimmt, die in den
Phasenwicklungen induziert wird, wodurch die Stellung des magnetischen
Rotors ermittelt werden kann.
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Ein
Verfahren zur Messung eines magnetischen Felds wird beispielsweise
durch die FR-A-2 528 184 offenbart.
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Die
gegenelektromotorische Kraft, die in einer Spule induziert wird,
ist proportional zur Rotationsgeschwindigkeit des Rotors. Folglich
ist die Bestimmung der gegenelektromotorischen Kraft für einen
Rotor, der mit geringer Geschwindigkeit rotiert oder der sich im
Stillstand befindet, sehr schwierig. Entsprechend setzt das Verfahren,
das die gegenelektromotorische Kraft ausnutzt, voraus, dass der
Rotor schneller als eine vorbestimmte Geschwindigkeit rotiert, sodass
ein ausreichendes gegenelektromotorisches Kraftsignal bestimmt werden
kann, andernfalls kann die Stromwendung des Rotors nicht stabil
geregelt werden.
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Ein
alternatives Verfahren zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors
wird in der EP-A-0 817 364 offenbart, wobei der sensorfreie Gleichstrommotor
Phasenwicklungen in einer Y-Anordnung und eine Vielzahl magnetischer
Pole umfasst. Eine vorbestimmte Spannung wird an die Spulenkombination
angelegt und die hieraus folgende Variation des elektrischen Stroms
bestimmt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die voranstehend
beschriebenen Probleme des Stands der Technik zu überwinden.
Entsprechend besteht eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung
darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines sensorfreien
Gleichstrommotors anzugeben, die dazu geeignet sind, die Induktivität einer
Phasenwicklung in Abhängigkeit
der Relativstellung der Phasenwicklung zum magnetischen Rotor zu
bestimmen, auch wenn der Rotor mit langsamer Geschwindigkeit rotiert
oder sich im Stillstand befindet.
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Zur
Lösung
der voranstehend beschriebenen Aufgabe offenbart die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors,
der einen Rotor mit Y-förmig
angeordneten Phasenwicklungen und eine Vielzahl von magnetischen
Polen umfasst, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
Anlegen
eines Wechselspannungssignals an Brückenschaltkreise, welche jeweils
mit den Phasenwicklungen verbunden sind;
Bestimmung eines Ausgangsspannungssignals
für jeden
Brückenschaltkreis
als Induktivitätsdetektionssignal von
jeder der Phasenwicklungen;
Verstärkung des Induktivitätsdetektionssignals
für jede
Phasenwicklung;
Vergleich der Werte der verstärkten Induktivitätsdetektionssignale
für jede
Phasenwicklung; und
Bestimmung der Ausgangsposition des Rotors
zur Realisierung einer Drehbewegung für den Rotor, wobei die Phasenwicklungen
bis auf jene Phasenwicklung mit dem größten Induktivitätsdetektionssignal
in der Ausgangsposition magnetisiert werden.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung für den Betrieb
eines sensorfreien Gleichstrommotors, der einen Rotor mit als Y-Spulen
angeordneten Phasenwicklungen und einer Vielzahl magnetischer Pole
aufweist, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
eine Wechselspannungsquelle
zur Erzeugung eines Wechselspannungssignals;
Brückenschaltkreise
zum Empfang des Wechselspannungssignals, um ein differenzielles
Spannungssignal als Differenz der Spannungssignale an den Anschlüssen der
Phasenwicklungen zu detektieren und so ein Induktivitätsdetektionssignal
auszugeben, wobei die Brückenschaltkreise
jeweils mit den Phasenwicklungen verbunden sind;
Verstärker zur
Verstärkung
jedes der Induktivitätsdetektionssignale
für jeden
der Brückenschaltkreise;
eine
Regelungsvorrichtung für
die Stromwendung zum Vergleich der verstärkten Induktivitätsdetektionssignale für jede der
Phasenwicklungen, um eine Ausgangsposition zu bestimmen, in der
die Phasenwicklungen mit der Ausnahme jener Phasenwicklung, die
ein maximales Induktivitätsdetektionssignal
aufweist, magnetisiert werden, und zur Festlegung der Stromwendung,
indem die Werte der Induktivitätsdetektionssignale
für jeden vorbestimmten
Rotationswinkel des Rotors miteinander verglichen werden; und
eine
Ansteuerung zur Zuführung
eines Betriebsstroms zu paarweise vorliegenden Phasenwicklungen
als Reaktion auf das Regelungssignal der Regelungsvorrichtung für die Stromwendung.
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Jeder
der Brückenschaltkreise
umfasst einen ersten Eingangsanschluss, der mit einem ersten Ausgang
der Wechselspannungsquelle verbunden ist und einen gemeinsamen Anschlusspunkt
der als Y-Spulen angeordnete Phasenwicklungen bildet, einen zweiten
Eingangsanschluss, der mit dem zweiten Ausgang der Wechselspannungsquelle
verbunden ist, einen ersten Widerstand und einen ersten Kondensator,
die zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss in Reihe
angeordnet sind, einen zweiten Widerstand und einen zweiten Kondensator,
die zwischen einem ersten Anschluss für jede der Phasenwicklungen
und dem ersten Ausgang der Wechselspannungsquelle in Reihe geschaltet
sind, einen ersten Ausgangsanschluss an dem ersten Anschluss für jede Phasenwicklung
und einen zweiten Ausgangsanschluss, der einen gemeinsamen Kontaktpunkt
für den
ersten Widerstand und den ersten Kondensator darstellt.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors angegeben, der
ein Rotor mit Phasenwicklungen, die einen Mittelabgriff umfassen,
und eine Vielzahl von magnetischen Polen aufweist, wobei das Verfahren
folgende Verfahrensschritte umfasst:
sequenzielles Anlegen
eines Wechselspannungssignals an Brückenschaltkreise, die jeweils
mit einem Paar von Phasenwicklungen verbunden sind;
Bestimmung
eines Ausgangsspannungssignals für
jeden der Brückenschaltkreise
als ein differenzielles Induktivitätsdetektionssignal von jedem
Paar der Phasenwicklungen;
Verstärkung der differenziellen Induktivitätsdetektionssignale,
die von jedem Paar der Phasenwicklungen kommen;
Vergleich der
Werte der verstärkten
differenziellen Induktivitätsdetektionssignale
für jedes
der Paare der Phasenwicklungen; und
Bestimmung einer Ausgangsposition
des Rotors zum Erzeugen einer Rotationsbewegung des Rotors, wobei die
Phasenwicklungen bis auf jene Phasenwicklung, die das maximale Induktivitätsdetektionssignal
aufweist, in der Ausgangsposition magnetisiert werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors angegeben, welcher
einen Rotor mit Phasenwicklungen, die einen Mittelabgriff aufweisen,
und einer Vielzahl von magnetischen Polen umfasst, wobei die Vorrichtung
ferner Folgendes umfasst:
eine Wechselspannungsquelle zur Erzeugung
eines Wechselspannungssignals;
Brückenschaltkreise zum Empfang
des Wechselspannungssignals, um ein differenzielles Spannungssignal
als Differenz der Spannungssignale an den Anschlüssen der Phasenwicklungen zu
detektieren und so ein differentielles Induktivitätsdetektionssignal
auszugeben, wobei die Brückenschaltkreise
jeweils mit einem Paar von Phasenwicklungen verbunden sind;
Verstärker zur
Verstärkung
jedes der differenziellen Induktivitätsdetektionssignale von den
Brückenschaltkreisen;
eine
Regelungsvorrichtung zur Stromwendung zum Vergleich der Werte der
verstärkten
differenziellen Induktivitätsdetektionssignale
von jedem der Paare der Phasenwicklungen, um eine Ausgangsposition
zu bestimmen, in welcher die Phasenwicklungen mit Ausnahme jenes
Paars von Phasenwicklungen, welche das maximale differenzielle Induktivitätsdetektionssignal
aufweist, magnetisiert werden, und zur Festlegung einer Stromwendung,
indem die differenziellen Induktivitätsdetektionssignale an jedem
vorbestimmten Drehwinkel des Rotors miteinander verglichen werden;
und
Ansteuerung zur Zuführung
eines Betriebsstroms für
jede der Phasenwicklungen als Reaktion auf das Regelungssignal der
Regelvorrichtung zur Stromwendung.
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Jeder
der Brückenschaltkreise
umfasst einen ersten Eingangsanschluss, der mit einem ersten Ausgang
der Wechselspannungsquelle verbunden ist und der einen Mittelabgriff
darstellt, einen zweiten Eingangsanschluss, der mit einem zweiten
Ausgang der Wechselspannungsquelle verbunden ist, einen ersten und
einen zweiten Widerstand, die für
die Phasenwicklungen jeweils zwischen dem ersten Eingangsanschluss
und dem zweiten Eingangsanschluss zwischengeschaltet sind, und erste
und zweite Ausgangsanschlüsse,
die an den ersten Anschlüssen
der Paare der Phasenwicklungen vorgesehen sind, welche jeweils mit
den ersten und den zweiten Widerständen verbunden sind.
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Die
voranstehend genannten Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden durch die detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
mit Bezug auf die beigefügten
Figurendarstellungen klarer, in welchen im Einzelnen Folgendes dargestellt
ist:
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1 zeigt
die Schaltungsanordnung für
einen sensorfreien Motor, umfassend eine Owen-Brückenschaltung gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
einen detaillierten Schaltkreis für eine Owen-Brückenschaltung
gemäß 1;
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3A zeigt
eine ebene Schnittdarstellung für
die Phasenwicklungen eines Stators;
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3B zeigt
eine ebene Schnittdarstellung eines magnetischen Rotors;
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4 zeigt
einen Graphen mit einem Kurvenverlauf der Ausgangsspannung des Brückenschaltkreises,
für den
Fall, dass die Phasenwicklung eine Induktivität von 835 μH aufweist;
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5 zeigt
einen Graphen, welcher die Abhängigkeit
der Ausgangsspannung von der Induktivität der Phasenwicklung darstellt;
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6 zeigt
einen Graphen, der den Kurvenverlauf der verstärkten Induktivitäts-Ausgangsspannungssignale
für jede
Phasenwicklung in Abhängigkeit
der Winkelstellung des magnetischen Rotors darstellt;
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7 zeigt
ein Diagramm eines Schaltkreises für einen sensorfreien Motor,
welches einen Induktivitäts-Brückenschaltkreis
gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt;
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8 zeigt
eine Detaildarstellung des Schaltkreises des Induktivitäts-Brückenschaltkreises
nach 7;
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9 zeigt
einen Graphen, der den Kurvenverlauf der Maximalspannung für jeden
der Induktivitäts-Brückenschaltkreise
in Abhängigkeit
der Winkelstellung des magnetischen Rotors darstellt, für den Fall, dass
eine rechteckförmige
Spannung als Eingangssignal vorgegeben wird;
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10 zeigt
einen Graphen, der den Kurvenverlauf der Minimalspannung für jeden
der Induktivitäts-Brückenschaltkreise
in Abhängigkeit
der Winkelstellung des magnetischen Rotors darstellt, für den Fall, dass
eine rechteckförmige
Spannung als Eingangssignal vorgegeben wird;
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11 zeigt
einen Graphen, welcher den Kurvenverlauf für das differenzielle Spannungssignal
von zwei Phasenwicklungen darstellt, für den Fall, dass eine Sinuskurve
angelegt wird;
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12 zeigt
einen Graphen, welcher die Induktivität für jede der Phasenwicklungen
in Abhängigkeit der
Winkelstellungen des Rotors darstellt;
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13 zeigt
einen Graphen, welcher die Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal
und einem differenziellen Spannungssignal für den Fall von L1 > L2 darstellt;
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14 zeigt
einen Graphen, welcher die Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal
und einem differenziellen Spannungssignal für den Fall von L2 > L1 darstellt; und
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15 zeigt
die Sequenzabfolge für
die Bestromung der Phasenwicklungen.
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Im
Folgenden werden die Struktur und der Betrieb für eine Vorrichtung zum Treiben
eines sensorfreien Gleichstrommotors anhand bevorzugter Ausgestaltungen
der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezug auf die beigeschlossenen
Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt
einen Schaltkreis zum Betrieb eines sensorfreien Gleichstrommotors
mit einer Owen-Brückenschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der in 1 dargestellte Schaltkreis umfasst
eine Wechselspannungsquelle 10, Brückenschaltkreise 12, 14 und 16,
Verstärker 18, 20 und 22,
eine Regelungsvorrichtung für
die Stromwendung 24, eine Ansteuerung 26 und Phasenwicklungen
angeordnet als Y-Spulen 28, 30 und 32.
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Wenn
der Rotor eine Drehbewegung ausführt,
fließt
Betriebsstrom durch die Phasenwicklungen des Motors. Aufgrund von
ohmschen Verlusten wird deren Temperatur mit zunehmender Betriebsdauer
ansteigen. Der Temperaturanstieg erhöht den Widerstand der Phasenwicklungen.
Der Widerstand von Kupfer folgt der Temperaturänderung linear. Dies führt dazu,
dass der Ausgleichszustand der Owen-Brücke verloren geht und so verhindert
wird, dass die Ausgangsspannung einer nicht angesteuerten Phasenwicklung
zur Bestimmung der Rotorstellung verwendet werden kann. Folglich
wird zur Kompensation eines nicht ausgeglichenen Zustands des Brückenschaltkreises
aufgrund eines durch ohmsche Verluste der Phasenwicklungen bewirkten Temperaturanstiegs
die Phasenwicklung zusammen mit den Brückenschaltkreisen in einem
Motorgehäuse 34 untergebracht.
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2 zeigt
einen Brückenschaltkreis
für eine
Phasenwicklung und ein detailliertes Schaltungsdiagramm des Verstärkers.
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Ein
Brückenschaltkreis 12 umfasst
einen ersten Eingangsknoten C, der der gemeinsame Anschlusspunkt
einer Y-Spule ist und der mit einem ersten Kontakt einer Wechselspannungsquelle 10 verbunden
ist, ein zweiter Eingangsknoten D ist mit dem anderen Kontakt der
Wechselspannungsquelle 10 verbunden, ein erster Widerstand
R1 und ein erster Kondensator C1 sind in Reihe zwischen dem ersten
und dem zweiten Eingangsknoten C und D angeordnet, ein zweiter Kondensator
C2 und ein zweiter Widerstand R2 sind in Reihe zwischen einem ersten
Kontakt der Phasenwicklung 28 und dem ersten Kontakt der
Wechselspannungsquelle 10 angeordnet, ein erster Ausgangsknoten
B, der mit dem ersten Kontakt der Phasenwicklung 28 übereinstimmt, und
ein zweiter Ausgangsknoten A, der dem gemeinsamen Anschlusspunkt
des ersten Widerstands R1 und des ersten Kondensators C1 entspricht.
Die Phasenwicklung 28 umfasst einen inneren Widerstand
Rx und eine Spule Lx.
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Der
Verstärker 18 wird
durch einen Operationsverstärker
U1 gebildet, dessen nicht invertierter Eingang mit dem ersten Ausgangsknoten
B über
den Widerstand R4 verbunden ist und dessen invertierter Eingang
mit dem zweiten Ausgangsknoten A über den Widerstand R3 verbunden
ist. Der nicht invertierte Eingang des Operationsverstärkers U1
ist über
den Widerstand R5 geerdet und dessen Ausgang ist über den
Widerstand R7 geerdet. Zwischen dem invertierten Eingang und dem
Ausgang ist ein Widerstand R6 zwischengeschaltet. Die Widerstände R3 und
R4 weisen übereinstimmende
Widerstandswerte auf und die Widerstände R5 und R6 weisen einen übereinstimmenden
Widerstandswert auf, welcher dem m-fachen Wert des Widerstands von
R3 und R4 entspricht.
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Um
jeden der Schaltkreisparameter des Brückenschaltkreises 18 zu
ermitteln, wird von einer Phasenwicklung 28 ausgegangen,
welche einen Widerstand 22,5 Ω und
eine Induktivitätsvariation
im Bereich von 813–846 μH aufweist.
Ausgehend von dieser Information können die Widerstände R1 und
R2 und die Kapazitäten
C1 und C2 für
den Gleichgewichtszustand bestimmt werden.
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Die
Spannungsgleichungen für
das Brückensystem,
welche eine Reaktion auf eine angelegte Wechselspannung v(t) beschreiben,
stellen sich folgendermaßen
dar:
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Mittels
der Gleichungen (1) und (2) lassen sich i
1 und
i
2 bestimmen. Die Spannungen V
A(t)
und V
B(t) lassen sich folgendermaßen ermitteln:
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Im
Gleichgewichtszustand stimmt die Spannung am Ausgangsknoten A mit
der Spannung am Ausgangsknoten B überein. Folglich liegt keine
Spannungsdifferenz zwischen den zwei Ausgangsknoten vor.
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3A und 3B zeigen
die Anordnung der Phasenwicklungen 28, 30 und 32 und
des magnetischen Rotors 36. Jede Phasenwicklung 28, 30 und 32 umfasst
drei Spulenpaare 28a und 28b, 30a und 30b und 32a und 32b,
wobei für
jedes Paar eine gegenüberliegende
Anordnung vorliegt. Demgemäß sind die sechs
Spulen solchermaßen
angeordnet, dass diese konische Bereiche einnehmen, welche sich über einen Winkelbereich
von 60 Grad erstrecken. Der magnetische Rotor 36 weist
acht magnetische Pole auf, die konzentrisch konische Bereiche einnehmen,
welche sich über
45 Grad erstrecken. Die magnetischen Pole sind so angeordnet, dass
N-Pole und S-Pole alternierend aufeinander folgen.
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Folglich
wird für
den Fall, dass die Phasenwicklungen und der magnetische Rotor in
einander überlappenden
Positionen gemäß der Darstellung
in 3 und 3A angeordnet
sind, die Phasenwicklung 28 mit einem großen Teilbereich
mit dem S-Pol überlappen
und die Phasenwicklung 30 mit einem großen Teilbereich mit dem N-Pol
während
die Phasenwicklung 32 mit einer Hälfte mit dem N-Pol und mit
der verbleibenden anderen Hälfte
mit dem S-Pol überlappt.
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Bei
einer Weiterdrehung des Rotors ausgehend von diesem Zustand wird
sich das magnetische Feld verändern,
sodass die Induktivitäten
der Phasenwicklungen variieren und ein Spannungsunterschied zwischen
den beiden Ausgangsknoten erzeugt wird. Allerdings ist der Spannungsunterschied
zu klein, um direkt verwendet zu werden. Folglich wird zur Signalverstärkung ein
differenzieller Verstärker 18 verwendet.
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Der
Differentialverstärker
weist folgende Ausgangsspannung Vout auf: Vout = m(VA – VB) (5)
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Hierbei
ist m der Verstärkungsfaktor
des Differentialverstärkers,
der sich aus mR/R ergibt.
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Die
Wechselspannungsquelle 10 ist eine Spannungsquelle, welche
einen rechteckförmigen
Spannungsverlauf mit 10V, 100kHz und einer relativen Einschaltdauer
von 25% erzeugt.
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4 zeigt
eine verstärkte
Ausgangsspannung am Brückenschaltkreis,
wobei die Induktivität
der Phasenwicklung 835 μH
ist und 5 zeigt den charakteristischen
Verlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Induktivität der Phasenwicklungen.
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Mit
Bezug auf 5 ist ersichtlich, dass für den Fall
einer Induktivität
höher als
830 μH der
Betrag der Maximalspannung größer ist
als der Betrag der Minimalspannung. Allerdings tritt für den Fall
einer Induktivität kleiner
als 830 μH
der umgekehrte Fall ein. Die sich ausgehend von einem Induktivitätswert ergebende
Ausgangsspannung wird mit einem Zeitverzug von 62,5 μs bestimmt.
Demnach wird bevorzugt die Ausgangsspannung nach sechs auf das System
einwirkenden Perioden bestimmt, um einen Übergangszustand auszuschließen.
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6 stellt
ein Wellenformdiagramm dar, das die Ausgangsspannung für jede der
Phasenwicklungen als Reaktion auf eine Drehbewegung des Magnetrotors
zeigt. Die durchgezogene Linie stellt die Ausgangsspannung der Phasenwicklung 28 dar,
die gestrichelte Linie repräsentiert
die Phasenwicklung 30 und der strichpunktierte Linienzug
repräsentiert
die Phasenwicklung 32.
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Für einen
Motor mit acht Polen und drei Phasen (sechs Spulen) folgt der Phasenwechsel
der Stromwendung nach jedem Drehwinkelintervall von 15 Grad des
Rotors. Wie in 6 ersichtlich, sind die Spannungsverläufe der
drei Phasen deutlich voneinander getrennt und bei jeder Winkelstellung
nimmt die Spannung für
eine der Phasen einen höheren
Wert im Vergleich zu den verbleibenden beiden anderen Phasen an.
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Die
Regelungsvorrichtung für
die Stromwendung 24 vergleicht die Amplituden der verstärkten Induktivitätsdetektionssignale
der Phasenwicklungen und bestimmt, dass die verbleibenden beiden
Phasenwicklungen mit Ausnahme jener Phasenwicklung, die die höchste Spannungsamplitude
aufweist, auf ihre Ausgangsstellungen zurückgeführt werden, in der die beiden
Phasenwicklungen magnetisiert werden.
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Im
Stillstand werden die Eingangssignale sequentiell an die drei Phasenwicklungen
angelegt. Daraufhin wird das Antwortsignal verstärkt, sodass es zu einer vorbestimmten
Zeit gemessen werden kann. Die Spannungsamplituden der drei Phasen
werden miteinander verglichen, die Phasenwicklungen werden entsprechend
der höchsten
oder der niedrigsten Spannung magnetisiert.
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Wird
der Motor mit einer richtig bestimmten Stromwendung angesteuert,
erfolgt eine Drehbewegung des Rotors.
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Für den Fall,
dass das Induktivitätsdetektionssignal
der Phasenwicklung 28 größer ist als jenes der Phasenwicklungen 30 und 32,
steuert die Regelungsvorrichtung für die Stromwendung 24 die
Ansteuerung 26 derart, dass ein Betriebsstrom den beiden
Phasenwicklungen 30 und 32 zur Einleitung einer
Drehbewegung des Rotors zugeleitet wird. Da das Induktivitätsdetektionssignal
für die
Phasenwicklung 30 bei einem Drehwinkel von 15 Grad am größten ist,
werden daraufhin die Phasenwicklungen 28 und 32 magnetisiert.
Führt der Rotor
eine Drehbewegung aus, so dient die nicht aktive Phasenwicklung
als Sensor. Die Magnetisierung der entsprechenden Phasenwicklungen
muss dann ausgeführt
werden, wenn die Ausgangsspannung in einer bestimmten Größenordnung
liegt.
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7 zeigt
den Antriebsschaltkreis für
einen sensorfreien Gleichstrommotor mit einer Induktivitätsmessbrücke gemäß der vorliegenden
Erfindung. Mit Bezug auf 7 umfasst der Antriebsschaltskreis
eine Wechselspannungsquelle 40, Brückenschaltkreise 42, 44 und 46,
Verstärker 48, 50 und 52,
eine Regelungsvorrichtung zur Stromwendung 54, eine Ansteuerung 56,
Phasenwicklungen mit Mittenabgriff 58, 60 und 62. Die
Phasenwicklungen 58, 60 und 62 sind im
Motorgehäuse 64 untergebracht.
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8 zeigt
ein detailliertes Schaltungsdiagramm der Induktivitäts-Messbrückenschaltung.
Die Brückenschaltung 42 zur
Bestimmung der induktivitätsabhängigen Spannungsdifferenz
der beiden Phasenwicklungen 58 und 60 umfasst
einen ersten Eingangsknoten C, der mit einem ersten Ausgang der
Wechselspannungsquelle 40 verbunden ist und der einen Mittelabgriff
darstellt, einen zweiten Eingangsknoten D der mit dem anderen Ausgang
der Wechselspannungsquelle 40 verbunden ist, einen ersten
und einen zweiten Widerstand R1 und R2, die mit den jeweiligen Seitenknoten
der Phasenwicklungen 58 und 60 und dem zweiten
Eingangsknoten D verbunden sind, und erste und zweite Ausgangsknoten
A und B, die als einer der Seitenknoten für ein Paar von Phasenwicklungen 58 und 60 dienen,
die jeweils mit jedem der ersten und zweiten Widerstände R1 und
R2 verbunden sind. Die Phasenwicklung 58 umfasst einen
Innenwiderstand R58 und eine Spule L58.
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Als
Verstärker 48 dient
ein Operationsverstärker
U1, dessen nicht invertierter Eingang mit dem ersten Ausgangsknoten
B über
den Widerstand R4 verbunden ist, und der mit seinem invertierten
Eingang mit dem zweiten Ausgangsknoten A über den Widerstand R3 verbunden
ist. Der nicht invertierte Eingang des Operationsverstärkers U1
wird über
den Widerstand R5 geerdet und dessen Ausgang wird über den
Widerstand R7 geerdet. Zwischen dem invertierten Eingang und dem
Ausgang ist ein Widerstand R6 zwischengeschaltet. Die Widerstände R3 und
R4 weisen einen übereinstimmenden
Widerstandswert auf und die Widerstände R5 und R6 weisen einen
Widerstandswert auf, der dem m-fachen
Wert der Widerstände
R3 und R4 entspricht.
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Die
Regelungsvorrichtung für
die Stromwendung 54 vergleicht die Amplituden der verstärkten Induktivitätsdetektionssignale
der Phasenwicklungen und bestimmt, dass die verbleibenden zwei Phasenwicklungen
mit Ausnahme der Phasenwicklung, welche die höchste Spannungsamplitude aufweist,
auf die Ausgangsstellung zurückgeführt werden,
in der die beiden Phasenwicklungen magnetisiert werden. Die Regelungsvorrichtung
zur Stromwendung 54 vergleicht die Amplituden der verstärkten differenziellen
Induktivitätsdetektionssignale
an jeder der vorbestimmten Winkelstellungen des Rotors, wodurch
die Stromwendung bestimmt wird.
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Die
Ansteuerung 56 versorgt die Phasenwicklungen 58, 60 und 62 mit
den Betriebsströmen
in Abhängigkeit
der Steuerungssignale von der Regelungsvorrichtung für die Stromwendung 54.
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Die
Ausgangsspannung für
jeden der Ausgangsknoten des Brückenschaltkreises
42 wird über die
folgende Gleichung ausgewertet:
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Die
Ausgangsspannung Vout des Verstärkers
bestimmt sich wie folgt: Vout = m(VA – VB) (8)
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Stimmt
der Widerstand und die Induktivität der beiden Phasenwicklungen 58 und 60 überein,
wird an den Ausgangsknoten A und B keine Spannungsdifferenz auftreten.
Verändert
sich die Relativstellung der Magnetpole im Verhältnis zur Spule, so wird sich
die Induktivität
der Spule verändern.
Obwohl der Widerstand der beiden Phasenwicklungen gleich bleibt,
tritt eine Änderung
der Induktivität
ein und eine Spannungsdifferenz wird erzeugt.
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Wird
dem Brückenschaltkreis
von der Wechselspannungsquelle 10 ein rechteckförmiger Spannungsverlauf
mit 10V, 100kHz und einer relativen Einschaltdauer von 25% zugeführt, entstehen
gemäß der Darstellung
von 9 und 10 wellenförmig verlaufende Induktivitätsdetektionsspannungen.
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9 zeigt
die Wellenformen der maximalen Spannungen für die Induktivitäts-Brückenschaltkreise
in Abhängigkeit
von der Drehwinkelstellung des Magnetrotors für den Fall, dass ein rechteckförmiger Spannungsverlauf
angelegt wird, während 10 die
Wellenform der minimalen Spannungen für die Induktivitäts-Brückenschaltkreise
in Abhängigkeit
der Drehwinkelstellung des Magnetrotors darstellt, wenn ein rechteckförmiger Spannungsverlauf
angelegt wird.
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Bezug
nehmend auf 9 stellt die durchgezogene Linie
den maximalen, von der Induktivität abhängigen Spannungsunterschied
zwischen den Phasenwicklungen 60 und 62 dar, die
punktierte Linie repräsentiert
jenen Unterschied für
die Phasenwicklungen 60 und 58. In 10 stellt
die durchgezogene Linie 10 den minimalen, von der Induktivität abhängigen Spannungsunterschied
zwischen den Phasenwicklungen 60 und 62 dar, der
strichpunktierte Linienzug repräsentiert
die Phasenwicklungen 62 und 58, die gestrichelte
Linie repräsentiert
die Phasenwicklungen 58 und 60.
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Im
Stillstand werden die Eingangssignale an die drei Paare von Phasenwicklungen
angelegt. Das Antwortsignal von jeder der Paarung der Phasenwicklungen
wird bestimmt und verglichen, sodass die Stromwendung auf der Grundlage
der Maximum- oder Minimumspannung die Drehbewegung des Rotors steuert.
Demnach werden zwei Phasenwicklungen dazu verwendet, die Rotorstellung
zu bestimmen und die verbleibende Phasenwicklung wird magnetisiert.
Vorliegend wird die maximale Spannung verwendet, um die zu magnetisierende
Phasenwicklung festzulegen.
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Ist
beispielsweise der Spannungsunterschied zwischen den beiden Phasenwicklungen 60 und 62 größer als
jener für
die Wicklungen 62 und 58 und jener für die Wicklungen 58 und 60,
wird der Betriebsstrom der Phasenwicklung 58 zugeführt, sodass
diese zur Realisierung einer Drehbewegung des Rotors magnetisiert wird.
Bei der darauf folgenden Drehbewegung um 50 Grad des Rotors wird
die Spule 60 magnetisiert.
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Liegen
zwei Maximalspannungen vor, ist es schwierig, die zu magnetisierende
Phasenwicklung zu bestimmen. In diesem Fall wird die Minimalspannung
für die
Stromwendung verwendet. Tritt beispielsweise bei Punkt P ein Wechsel
der Bestromung von der Phasenwicklung 62 zu der Phasenwicklung 58 bei
15 Grad auf und ist ferner die Ausgangsspannung für 62 und 58 kleiner
als jene für 60 und 62 und
jene für 58 und 60,
magnetisiert die Stromwendungsregelung die Phasenwicklung 58,
sodass der Rotor in die richtige Richtung dreht.
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11 stellt
ein Wellenformdiagramm für
den induktivitätsabhängigen Spannungsunterschied
in Abhängigkeit
der Winkelstellung eines Rotors dar, für den Fall, dass eine Sinuswelle
zugeführt
wird. Die durchgezogene Linie repräsentiert den induktionsabhängigen Spannungsunterschied
zwischen den Phasenwicklungen 58 und 60, die gestrichelte
Linie präsentiert
den induktionsabhängigen
Spannungsunterschied zwischen den beiden Phasenwicklungen 60 und 62.
Für diesen
Fall wird ein sinusförmiger
Signalverlauf von der Wechselspannungsquelle 40 mit 10V
und 50kHz an die Brückenschaltkreise
angelegt.
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In 11 werden
die Spannungsunterschiede bei T = 15 μs bestimmt, wobei zu diesem
Zeitpunkt die Eingangssignale einen Minimalwert annehmen.
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Beispielsweise
liegt für
einen Drehwinkel von 36 Grad des Rotors ein Spannungsunterschied
zwischen den beiden Phasenwicklungen 62 und 58 vor,
welcher größer ist
im Vergleich zu den verbleibenden Phasenwicklungen. Folglich muss
die Phasenwicklung 60 zur Realisierung einer Drehbewegung
des Rotors magnetisiert werden. Die Phasenwicklung 60 wird
fortlaufend magnetisiert, solange der Spannungsunterschied zwischen
den beiden Phasenwicklungen 62 und 58 größer ist
als jener der verbleibenden Phasenwicklungen.
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In
einem Drehwinkelbereich des Rotors von 28 bis 43 Grad, in dem die
Phasenwicklung 60 magnetisiert wird, fällt die Induktivität der Phasenwicklung
ab, während
die Induktivitäten
der verbleibenden Phasenwicklungen entsprechend der Darstellung
in 12 zunehmen. 12 zeigt
den Induktivitätsverlauf
für jede der
Phasenwicklungen in Abhängigkeit
der Drehbewegung des Rotors.
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13 zeigt
das Phasenverhältnis
des Eingangssignals und das Signal des Spannungsunterschieds für den Fall,
dass L60 größer ist als L58.
Aus 13 ist zu entnehmen, dass das Eingangssignal und
das Signal des Spannungsunterschieds bezüglich der Phase übereinstimmen.
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14 zeigt
das Phasenverhältnis
der Eingangssignale und der Signale für den Spannungsunterschied
für den
Fall, dass L60 kleiner ist als L58. Aus 14 ist
zu entnehmen, dass das Eingangssignal und das Signal für den Spannungsunterschied
bezüglich
der Phase voneinander abweichen.
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Zusätzlich zum
maximalen Spannungsunterschied kann der voranstehend beschriebene
Wechsel in der Phasenlage als Information zur richtigen Bestimmung
der Stromwendung verwendet werden.
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15 zeigt
die sequentielle Abfolge der Magnetisierung für jede der Phasenwicklungen.
Zunächst wird
ein Betriebsstrom in positive Richtung der Phasenwicklung 58 zugeführt bis
der Rotor einen Drehwinkel von 15 Grad erreicht. Für einen
Drehwinkel im Bereich von 15 bis 30 Grad wird ein Betriebsstrom
in negativer Richtung an die Phasenwicklung 60 angelegt
und in einem Drehwinkelbereich des Rotors von 30 bis 45 Grad wird
ein Betriebsstrom in positiver Richtung der Phasenwicklung 62 zugeführt. Folglich
wird die Stromwendung derart bestimmt, dass eine Abfolge der Magnetisierung
der Phasenwicklungen von 58, 60, 62 und 58 eintritt.
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Obwohl
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben wurde, ist anzumerken, dass die vorliegende
Erfindung nicht auf dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt sein
soll und stattdessen unterschiedliche Veränderungen und Modifikationen
von einem Fachmann im Rahmen des nachfolgend beanspruchten Schutzumfangs
ausgeführt
werden können.
