NL193127C - Borstelloze gelijkstroommotor. - Google Patents

Description

1 193127

Borstelloze gelijkstroommotor

De uitvinding heeft betrekking op een borstelloze gelijkstroommotor omvattende een rotor en een stator die is voorzien van een aantal wikkelingen die elektrische sectoren definiëren; 5 stroommeetmiddelen voor het bepalen van de wisselingsstroom; een positiemeetinrichting voorzien van een aantal aftastinrichtingen waarvan de uitgangen voor de bepaling van de relatieve positie van de rotor ten opzichte van de stator over een verwerkingsschakeling zijn aangesloten op een van schakelaars voorziene brugketen, die is verbonden met de wikkelingen en deze afhankelijk van gewenste bedrijfsmodes, over de schakelaars gestuurd, van stroom voorziet.

10 Een dergelijke motor is bekend uit het Amerikaans octrooischrift 3.783.359. Bij deze bekende motor worden signalen die door positie-aftastinrichtingen geleverd worden, toegevoerd aan de ingangen van als comparatoren werkende trekkers, waarbij de uitgangen van deze comparatoren worden aangelegd aan een logische keten, die afhankelijk van de uitgangssignalen een brugschakeling stuurt en op deze wijze de gewenste bedrijfsmodus bepaalt. Het aantal discrete schakelketens wordt echter groter naar mate er meer 15 verschillende bedrijfsmodi gevraagd worden. Hierdoor wordt de besturing van de gehele schakelinrichting zeer complex, waardoor coördinatiefouten niet uitgesloten kunnen worden.

Voorts is bij de bekende motor slechts een bepaald aantal bedrijfsmodi mogelijk wegens de vaste bedrading. Veranderingen in bedrijfsmodus vereisen derhalve extra maatregelen in de schakelinrichting, die kosten met zich meebrengen of men laat extra maatregelen achterwege hetgeen het aantal bedrijfs-20 toepassingen in belangrijke mate vermindert. De onderhavige uitvinding ondervangt deze bezwaren.

De borstelloze gelijkstroommotor volgens de uitvinding heeft daartoe het kenmerk, dat de verwerkingsschakeling bestaat uit een microprocessor; dat de stroommeetmiddelen worden gevormd door een aantal stroommeetinrichtingen; dat aan elk van de wikkelingen een stroommeetinrichting is toegevoegd,· dat de door de stroommeetinrichtingen geleverde signalen over een omschakelaar worden toegevoerd aan de 25 eerste ingangen van een groep eerste comparatoren, waarvan de tweede ingangen zijn verbonden met een eerste digitaal-analoog-omzetter; dat aan de eerste ingangen van een tweede groep comparatoren de signalen van de aftastinrichtingen worden toegevoerd; dat de tweede ingangen van de tweede groep comparatoren zijn verbonden met een tweede digitaal-analoog-omzetter; en dat de uitgangen van alle comparatoren zijn aangesloten op de microprocessor, die afhankelijk van de uitgangssignalen van de 30 comparatoren en van de gewenste bedrijfsmodus de brugschakeling bestuurt, die voorts over de digitaal-analoog-omzetter de vergelijkingswaarden voor de door de stroommeetinrichtingen en de aftastinrichtingen aan de comparatoren geleverde signalen verschaft en die de omschakelaar bestuurt.

Hierdoor is een zeer groot aantal toepassingen voor een borstelloze gelijkstroommotor mogelijk, alsmede een probleemloos omschakelen van de bedrijfsmodi en vanuit kostenoogpunt een eenvoudige montage van 35 de inrichting.

Doordat bij elke wikkeling een stroommeetinrichting hoort, dus elke wikkelingsstroom direct wordt gemeten, zijn voor de schakelinrichting volgens de uitvinding de basisvoorwaarden aanwezig, onder welke willekeurig van de ene naar de andere bedrijfsmodus kan worden omgeschakeld, waarbij het gebruik van een microprocessor van een corresponderende microcomputer een zeer uitgebreide programmavoorkeuze 40 en een praktisch willekeurige verandering toelaat. De inrichting volgens de uitvinding kan bijvoorbeeld dienen als aandrijfmotor van een waterpomp, waarbij de stroom door zonnecellen en bij uitvallen van de zonnecellen zoals bij nacht door een batterij kan worden geleverd.

Bij het gebruik van zonnecellen is het wenselijk het maximale vermogen van de pompaandrijving ook feitelijk te kunnen bepalen, terwijl bij het gebruik van batterijen daarentegen de maximering van de 45 omzetting van elektrische in mechanische energie het belangrijkste is en ook kan worden bereikt.

Dergelijke voorwaarden en eisen zijn immanent aanwezig in het systeem volgens de uitvinding. Zowel positiemetingen als snelheidsmetingen zijn mogelijk met de motor volgens de uitvinding, waarbij afhankelijk van de snelheid of positie bovenste en onderste drempelwaarden eenvoudig te bepalen zijn.

Een programmeerbaar opslagorgaan bestuurt afhankelijk van de opgesiagen informatie de schakel-50 toestanden voor de pulsbreedte modulatie en op grond van de opgeslagen informatie in het programmeerbare opslagorgaan kunnen de verschillende bedrijfsmodi gemakkelijk bereikt worden.

Met een minimum aan hardware kan een zo groot mogelijk scala aan toepassingsmogelijkheden worden bereikt. Opgemerkt wordt dat in EP-”Application’’-0.032.441 op zich is beschreven een besturingsschakeling van een borstelloze gelijkstroommotor, omvattende een microprocessor. De microprocessor levert echter 55 uitsluitend in responsie op van aftastinrichtingen afkomstige signalen besturingssignalen bestemd voor schakelaars die de wikkelingen van de motor van stroom voorzien.

193127 2

De uitvinding zal aan de hand van de tekening nader worden toegelicht. Daarbij toont:

Figuur 1 een functioneel blokschema met een geprogrammeerde digitale microprocessor voor de motorbesturing; figuur 2 een grafische voorstelling van hall-aftastspanningen.

5

In figuur 1 vindt men een motor 52 met drie statorwikkelingen 60, welke met een brugketen 56 zijn verbonden voorzien van vermogenstransistoren en basisaandrijfinrichtingen. Elk eind van de motor-ontwikkelingen bevat een stroomaftastweerstand 100, die een spanning opwekt, welke evenredig is met de wikkelingsstroom. De met de wikkelingsstroom evenredige spanningen worden in de niet geaarde stroom-10 aftastinrichtingen 102 versterkt en door een omschakelaar 128 wordt één spanning gekozen. De motor is voorzien van positie-aftastinrichtingen met drie hall-inrichtingen 72 en proportionele versterkers 78. De uitgangssignalen van deze versterkers vindt men in figuur 2. Het multiplexstroomsignaal uit de bilaterale schakelaar 128 wordt door de versterker 356 versterkt en tezamen met de positiesignalen uit de versterkers 78 in comparatoren 358 en 106 vergeleken met analoge spanningsniveaus uit D/A-omzetters 142 en 352.

15 Het resultaat van deze vergelijkingen is een stel van vijf digitale signalen, dat wordt toegevoerd aan een microprocessor 500, dat b.v. kan bestaan uit een R6500/1, vervaardigd door Rockwell International. Deze signalen geven de status van de motor aan de microprocessor door.

Uitgangssignalen van de microprocessor besturen de brugketen 56 en de D/A-omzetters 142 en 352. De poort C van de microprocessor verbindt dit met een asynchrone communicatie-inrichting 502, welke kan 20 bestaan uit een Rockwell 6522. Via deze inrichting kan de microprocessor uitwendige commando’s ontvangen en statusinformatie naar de bron van de commando’s zenden (werkverbinding 8). Het is duidelijk, dat in afwezigheid van een opgesiagen programma dit stelsel niet werkt. Het zal verder duidelijk zijn, dat de bedrijfsmodes van het stelsel slechts kan worden beperkt door het vermogen van het microrekentuig om de status van de motor te detecteren en energie aan de wikkelingen toe te voeren in responsie op uitwendige 25 commando’s of inwendig opgewekte commando’s.

Ter illustratie van de wijze waarop het in figuur 1 afgebeelde stelsel bij één bedrijfsmodus werkt zullen eerst drie onderfuncties worden beschreven. Deze zijn commutatie, pulsbreedtemodulatie en snelheids-meting. Tenslotte zal een programma, waarin deze typen functies in een modus met maximale energie-overdracht zijn gecombineerd, worden beschreven.

30 Onder verwijzing naar figuur 2 bepalen de drie hall-spanningen H1, H2 en H3 zes sectoren van 60° door hun nuldoorgangen. Men verkrijgt bij het stelsel volgens figuur 1 een zeer bepaalde identificatie voor elke sector bij de uitgangssignalen van de comparatoren 106 wanneer van de D/A-omzetter 142 de uitgang op het nuldoorgangsniveau is ingesteld. Voor het commuteren van de motor stelt de microprocessor een waarde bij de poort B in, welke gelijk is aan de nuldoorgang, en onderzoekt de toestand van ingangs-35 signalen bij de poort A. De drie ingangssignalen bij de poort A uit de comparatoren 106 vormen een gray-coderepresentatie van één van zes sectornummers. Onder gebruik van dit nummer als een ingang voor een tabel van zes waarden wordt de juiste toestand voor de brug 56 gekozen en treedt deze op de poort D op. Wanneer de gray-code aangeeft, dat het sectornummer verandert, wordt een andere waarde in de tabel gekozen en wordt de toestand van de brug 58 gewijzigd. Derhalve wordt de motor gecommuteerd 40 als een functie van de relatieve rotor/statorpositie, als aangegeven door de hall-inrichtingen.

De besturing van de wikkelingsstroom kan geschieden door pulsbreedtemodulatiemethode, waarbij gebruik wordt gemaakt van de multiplexstroom, die door de omschakelaar 128 wordt opgewekt. De keuze van de juiste stroomaftastinrichting 102 geschiedt door uitgangssignalen uit de poort A van de microprocessor, welke op dezelfde wijze worden verkregen als die, welke de toestand van de brug 56 besturen nl. uit 45 een opzoektabel, welke door het sectornummer wordt geadresseerd. Derhalve treedt het analoge stroom-signaal, dat de werkelijke wikkelingsstroom in de brug voorstelt, aan de uitgang van de versterker 356 op.

Dit signaal wordt in de comparatoren 358 vergeleken met het analoge niveau van de D/A-omzetter 352. Deze twee comparatoren drijven onderbrekingslijnen van de microcompressor aan, waarvan de ene reageert op de ”uit”-toestand en inschakelt en de andere op de ”in”-toestand, en afschakelt. Het gewenste 50 bovenste stroomniveau wordt door de microcompressor gekozen via de poort B toegevoerd aan de D/A-omzetter 352. Tegelijkertijd wordt de brug 56 via de poort D bekrachtigd. De stroom in de motor neemt dan toe. Wanneer een signaal uit de comparator 358 aangeeft, dat de bovengrens is bereikt, schakelt de microprocessor de brug uit en vervangt de waarde in de D/A-omzetter 352 door het gewenste lagere stroomniveau. De stroom in de motor neemt nu af totdat een signaal uit de comparator 358 aangeeft, dat de 55 ondergrens is bereikt. De microcompressor vangt de waarde in de D/A-omzetter 352 door het gewenste bovenste stroomniveau en bekrachtigt de brug 56 opnieuw. Derhalve wordt een gemiddeld niveau voor de motorstroom vastgelegd. Dit niveau kan door de microprocessor op elk moment worden ingesteld in

Claims (2)

3 193127 responsie op inwendige of uitwendige commando’s door de bovenste en onderste stroomgrenzen te variëren. De signalen uit de hall-inrichtingen 72 kunnen ook worden gebruikt om de rotatiesnelheid van de motor te meten. Zo kan de frequentie van de hall-spanningsnuldoorgangen gedurende bepaalde intervallen 5 worden geteld. Het is ook mogelijk klokpulsen tussen opeenvolgende hall-spanningsnuldoorgangen te tellen. De eerste methode is van het meeste nut bij hoge snelheden en de laatste bij lage snelheden. Bij beide methoden wordt gebruik gemaakt van de inwendige klok van de microprocessor. Nadat is aangegeven op welke wijze de essentiële functies commutaties, pulsbreedtemodulatie en snelheidsmeting kunnen worden uitgevoerd, kan ook de modus van het maximaal maken van de energie-10 overdracht door middel van een geschikt programma worden beschreven. Er kan bijvoorbeeld een subroutine worden gebruikt met een constante frequentie en variabele werkzame periode omdat het bedrijfspunt op een eenvoudige wijze direct wordt ingesteld door het instellen van de werkzame periode van de pulsbreedte modulatie. De subroutine telt de pulsbreedtemodulatieperioden met vaste duur teneinde de duur van een sector te meten en zamelt het resultaat op ten gebruike bij het bepalen of de motorsnelheid 15 toeneemt of afneemt. De rest van het programma is een algorithme voor het opsporen van de maximale energieoverdracht, dat uit opeenvolgende sectorduren bepaalt of de motorsnelheid toeneemt of afneemt. De werkzame periode wordt ingesteld in die richting, welke leidt tot een toename van de motorsnelheid. Dit is in het algemeen bekend als een ”hill-climbing”-routine. Uit de bovenstaande beschrijving blijkt, dat een groot aantal energieomzetbedrijfsmodes mogelijk zijn met 20 de eenvoudige beschreven onderdelen wanneer deze in combinatie zijn met de eenvoudige beschreven onderdelen wanneer deze in combinatie met een opgeslagen programma worden gebruikt. Deze en andere bedrijfsmodes kunnen worden gecombineerd met reken- of communicatiefuncties teneinde een zeer flexibele elektromechanische energieomzetting met lage kosten te verkrijgen. De hier gebruikte uitdrukking elektromechanische energieomzetting omvat zowel het opwekken als gebruiken van elektrische energie. 25

1. Borstelloze gelijkstroommotor omvattende een rotor en een stator die is voorzien van een aantal 30 wikkelingen die elektrische sectoren definiëren; stroommeetmiddelen voor het bepalen van de wisselingsstroom; een positiemeetinrichting voorzien van een aantal aftastinrichtingen waarvan de uitgangen voor de bepaling van de relatieve positie van de rotor ten opzichte van de stator over een verwerkingsschakeling zijn aangesloten op een van schakelaars voorziene brugketen, die is verbonden met de wikkelingen en deze afhankelijk van gewenste 35 bedrijfsmodes, over de schakelaars gestuurd, van stroom voorziet, met het kenmerk, dat de verwerkingsschakeling bestaat uit een microprocessor (500); dat de stroommeetmiddelen worden gevormd door een aantal stroommeetinrichtingen (100, 102); dat aan elk van de wikkelingen (60) een stroommeetinrichting (100, 102) is toegevoegd; dat de door de stroommeetinrichtingen (100, 102) geleverde signalen over een omzetschakelaar (128) 40 worden toegevoerd aan de eerste ingangen van een groep eerste comparatoren (358), waarvan de tweede ingangen zijn verbonden met een eerste digitaal-analoog-omzetter (352); dat aan de eerste ingangen van een tweede groep comparatoren (106) de signalen van de aftastinrichtingen (72) worden toegevoerd; dat de tweede ingangen van de tweede groep comparatoren (106) zijn verbonden met een tweede 45 digitaal-analoog-omzetter (142); en dat de uitgangen van alle comparatoren (106, 358) zijn aangesloten op de microprocessor (500), die afhankelijk van de uitgangssignalen van de comparatoren (106, 358) en van de gewenste bedrijfsmodus de brugschakeling bestuurt, die voorts over de digitaal-analoog-omzetters (352, 142) de vergelijkings-waarden voor de door de stroommeetinrichtingen (100, 102) en de aftastinrichtingen (72) aan de 50 comparatoren (106, 358) geleverde signalen verschaft en die de omschakelaar (128) bestuurt. 193127 4

2. Borsteloze gelijkstroomimotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de microprocessor (500) verbonden is met een asynchrone communicatie-inrichting voor de ontvangst van externe besturingssignalen en het overdragen van statusinformatie naar de bron van de besturingssignalen. Hierbij 2 bladen tekening