DE3209394A1 - DC motor without a commutator - Google Patents
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Abstract
Description
Kollektorloser Gleichstrommotor Brushless DC motor
Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnet-Rotor und einer feststehenden mehrpoligen Ankerwicklung mit mehreren, gleichmäßig am Umfang versetzten Wicklungssträngen, die über eine eine Lagesteuerung des Rotors bewirkende digitale Ansteuerschaltung an eine Gleichspannungsquelle anschaltbar1 sind.The invention relates to a brushless DC motor with a Permanent magnet rotor and a fixed multi-pole armature winding with several, Evenly staggered on the circumference winding strands, which have a position control of the rotor effecting digital control circuit can be connected to a DC voltage source1 are.
Es wird dabei in erster Linie an Motoren gedacht, die in der Dentaltechnik eingesetzt werden. Bei solchen zahntechnischen Elektromotoren kann es sich beispielsweise um Antriebe für ein in einem zahntechnischen Handstück gelagertes Werkzeug handeln. Als Werkzeuge kommen Bohrwerkzeuge, Schleifwerkzeuge oder dergl., z. B. zum Bearbeiten von Zahnprothesen in Frage.It is primarily thought of motors that are used in dental technology can be used. In the case of such dental electric motors, it can be, for example be drives for a tool mounted in a dental handpiece. As tools come drilling tools, grinding tools or the like. B. for editing of dentures in question.
Bei solchen kollektorlosen Gleichstrommotoren besteht das Problem, daß eine Einrichtung vorgesehen sein muß, die ein Anlaufen des Rotors in einer bestimmten Drehrichtung gewährleistet.The problem with such brushless DC motors is that a device must be provided that a starting of the rotor in a certain Direction of rotation guaranteed.
Bei einer bekannten Steuerschaltung wird zur Erzielung eines günstigen Anlaufdrehmomentes des Motors und zur Festlegung einer bestimmten Drehrichtung ein über einen begrenzten Anlauf-Drehzahlbereich wirksamer Hilfskollektor verwendet, der in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors jeweils nur die Ansteuerung eines bestimmten Wicklungsstranges erlaubt und dadurch eine bestimmte Drehrichtung festlegt. Diese bekannte Einrichtung besitzt jedoch den Nachteil, daß sie mechanisch beanspruchte und daher einer Abnutzung unterworfene und Reibung verursachende Teile aufweist.In a known control circuit is to achieve a favorable Starting torque of the motor and to define a certain direction of rotation An effective auxiliary collector is used over a limited starting speed range, which, depending on the position of the rotor, only controls one certain winding phase allows and thereby defines a certain direction of rotation. However, this known device has the disadvantage that it is mechanically stressed and therefore has parts subject to wear and tear and causing friction.
Bei einer weiteren bekannten Einrichtung wird daher der mechanische Hilfskollektor durch einen berührungsfreien elektronischen Hilfskollektor ersetzt. Ein solcher elektronischer Hilfskollektor erfordert jedoch einen nicht unbeträchtlichen fertigungs- und schaltungstechnischen Aufwand, der die Steuer schaltung verteuert.In a further known device is therefore the mechanical Auxiliary collector replaced by a non-contact electronic auxiliary collector. However, such an auxiliary electronic collector requires a not inconsiderable one manufacturing and circuit engineering expense that makes the control circuit more expensive.
Bei einer weiteren, aus der DE-PS 1 293 320 bekannten Anordnung wird die erläuterte Aufgabe dadurch gelöst, daß jede Steuerstufe über ein erstes RC-Glied einheitlicher Bemessung mit der nachfolgenden Steuerstufe und über ein zweites RC-Glied einheitlicher, aber von den ersten RC-Gliedern verschiedener Bemessung mit der vorangehenden Steuerstufe verbunden wird. Mit einer solchen Steuerschaltung können zwar mechanische oder elektronische Hilfskollektoren vermieden werden, es sind Jedoch auch zusätzliche Bauelemente erfordedich, welche kostspielig sind und welche einer Justierung bedürfen. Außerdem wäre die Toleranzanfälligkeit dieser zusätzlichen Bauelemente als Nachteil zu beriicksichtigen. Auch ist die Verwendung von RC-Gliedern wegen ihrer Frequenz- und damit Drehzahlabhängigkeit nur in einem begrenzten Drehzahlbereich möglich.In another arrangement known from DE-PS 1 293 320 the explained object is achieved in that each control stage has a first RC element uniform assessment with the subsequent tax level and via a second RC element more uniform, but from the first RC elements different dimensioning with the previous one Control stage is connected. With such a control circuit, mechanical or electronic auxiliary collectors are avoided, but there are also additional ones Components require you, which are expensive and which are one Need adjustment. In addition, the susceptibility to tolerance would be this additional Components to be considered as a disadvantage. There is also the use of RC elements because of their frequency and thus speed dependency only in a limited speed range possible.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ohne zusätzliche Bauelemente für den Motor, welche eine Justierung erforderlich machen, das eingangs geschilderte Problem in der Weise zu lösen, daß der Anlauf des Motors ohne Lagemelder bewirkt wird. Erfinungsgemäß weist die Ansteuerschaltung zum Zwecke des schnellstmöglichen Einspringens des Motors in den gewünschten lagegesteuerten Betrieb eine erste Vergleicherschaltung auf, die nach Anschaltung der Gleichspannungsquelle an zunächst einen ersten Wicklungsstrang des Motors prüft ob danach das in der richtigen Drehrichtung erwartete, aus den im Motor induzierten Spannungen abgeleitete Lagesignal auftritt und, falls dies zutrifft, den dem ersten Wicklungsstrang in der gewünschten Drehrichtung benachbarten Wicklungsstrang strommäßig beaufschlagt, ansonsten nach einer vorgegebenen Zeit eine zweite Vergleicherschaltung anhand des eingegagenen Lagesignals prüft, in welchem Winkelsektor sich der Rotor befindet und danach den in die gewünschte Drehrichtung beschleunigenden Wicklungsstrang an die Versorgungsspannung schaltet, wobei bei Ausbleiben eines auswertbaren Signals der dem ersten Wicklungsstrang in der gewünschten Drehrichtung benachbarte Wicklungsstrang strommäßig beaufschlagt wird.The invention is based on the idea without additional components for the motor, which make an adjustment necessary, the one outlined above To solve the problem in such a way that the motor starts up without a position indicator will. According to the invention, the control circuit for the purpose of the fastest possible Jumping of the motor into the desired position-controlled operation, a first comparator circuit after connecting the DC voltage source to a first winding phase of the motor then checks whether what is expected in the correct direction of rotation from the In the motor induced voltages derived position signal occurs and, if this applies, which is adjacent to the first winding phase in the desired direction of rotation Current applied to the winding phase, otherwise after a specified time a second comparator circuit uses the input position signal to check in which The rotor is located in the angular sector and then the one in the desired direction of rotation accelerating winding phase switches to the supply voltage, with Absence of one evaluable signal of the first winding phase in the desired direction of rotation, the current is applied to the adjacent winding phase will.
Zur Durchführung dieser Signalauswertung und Schaltung der Wicklungastränge des Motors benutzt man zweckmäßigerweise einen Mikroprozessor. To carry out this signal evaluation and switching of the winding branches of the motor, a microprocessor is expediently used.
Weiterhin ist die Ansteuerschaltung gemäß einer Weiterbildung der ErfindungEso ausgebildet, daß bei einer bestimmten Anzahl von Wiederholungen des zweiten Vergleichsvorganges der Motor abgeschaltet wird, um eine überlastung" zu vermeiden; dies kann insbesondere bei blockierter Motorwelle der Fall sein. Furthermore, according to a development, the control circuit is InventionEs so designed that with a certain number of repetitions of the second comparison process the motor is switched off to "overload" avoid; this can be the case in particular when the motor shaft is blocked.
Das Prinzip der Erfindung sowie ein Ausführungsbeispiel soll nun an Hand der Zeichnungen an einem Schaltbild erläutert werden. The principle of the invention as well as an embodiment will now are explained with reference to the drawings on a circuit diagram.
In Fig. 1 ist zunächst ein Blockschaltbild gezeichnet, aus dem das Prinzip der Erfindung hervorgeht. In Fig. 1, a block diagram is initially drawn from which the Principle of the invention emerges.
In Fig. 2 ist ein Schaltbild der wesentlichen Teile der Ansteuerschaltung gezeichnet, während in den Fig. 3, 4 und 5 Teilschaltbilder vom Mikroprozessor, vom Nulldurchgangsschalter und von einer Einrichtung zur Erzeugung der Steuerimpulse für die Wicklungseinschaltung wiedergegeben sind. In Fig. 2 is a circuit diagram of the essential parts of the drive circuit drawn, while in Figs. 3, 4 and 5 partial circuit diagrams of the microprocessor, from the zero-crossing switch and from a device for generating the control pulses for the winding engagement are shown.
Gemäß dem Blockschaltbild nach Fig. 1 ist das Netzgerät, welches an eine 220 V-Wechselspannungsquelle angeschlossen wird, mit 1 bezeichnet. An dieses Netzgerät, das auch noch einen weiteren Ausgang für eine Spannungsquelle + 5 V und + 10 V aufweist, ist ein Spannungssteller 2 angeschlossen,welcher eine positive und negative, dem Betrag nach gleich große Gleichspannung von 10 - 40 V abgeben kann. Die Ladekondensatoren dieses Spannungsstellers sind herausgezeichnet und mit 3 bezeichnet. According to the block diagram of FIG. 1, the power supply unit, which to a 220 V AC voltage source is connected, denoted by 1. To this power supply unit, which also has another output for a voltage source + 5 V and + 10 V, a voltage regulator 2 is connected, which one positive and negative DC voltage of 10 - 40 V of equal magnitude can deliver. The charging capacitors of this voltage regulator are shown and denoted by 3.
Der an diese Spannungsquelle anzuschließende Motor 6 besteht aus zwei um 900 gegeneinander versetzten Statorwicklungen 7 und 8 und dem drehbaren Dauermagnet-Anker oder Rotor 9. Die beiden Wicklungen 7 und 8 des Motors 6 sind jeweils über dreipolige Schalter 4 und 5 an den Ausgang des Spannungsstellers 2 anschaltbar. Die Mittelstellungen der Schalter 4 und 5 sind Leerlaufstellungen, während die Statorwicklungen 7 und 8 in den beiden Endstellungen der Schalter 4 und 5 entweder mit dem Plus-Pol oder dem Minus-Pol der dem Spannungasteller 2 entnommenenVersorgungsspannung angeschaltet sind.The motor 6 to be connected to this voltage source consists of two stator windings 7 and 8 offset from one another by 900 and the rotatable permanent magnet armature or rotor 9. The two windings 7 and 8 of the motor 6 are each three-pole Switches 4 and 5 can be connected to the output of voltage regulator 2. The middle positions the switches 4 and 5 are idle positions, while the stator windings 7 and 8 in the two end positions of switches 4 and 5 either with the plus pole or connected to the minus pole of the supply voltage taken from the voltage adjuster 2 are.
Die Wicklungen 7 und 8 des Motors 6 sind weiterhin noch mit ihrem heißen Pol mit einer Abfrageschaltung 11 verbunden, und zwar mit den Nulldurchgangsschaltern 12 dieser Abfrageschaltung 11, welche andererseits zu einem Mikroprozessor 10 führen. Vom Mikroprozessor r gehen dann auch Steuerleitungen aus, welche über die Operationsverstärker 13 und die Leitungen 14 und 15 die Betätigung der Schalter 4 und 5 bewirken.The windings 7 and 8 of the motor 6 are still with their hot pole connected to an interrogation circuit 11, namely with the zero-crossing switches 12 of this interrogation circuit 11, which on the other hand lead to a microprocessor 10. From the microprocessor r then also control lines go out, which over the operational amplifier 13 and lines 14 and 15 cause switches 4 and 5 to be actuated.
Wenngleich die Schalter 4 und 5 in dem Blockschaltbild der Fig. 1 als mechanische Schalter gezeichnet sind, so werden jedoch hierfür sehr viel schneller schaltende Halbleiterschalter, insbesondere Transistoren benutzt.Although the switches 4 and 5 in the block diagram of FIG are drawn as mechanical switches, but this will be much faster switching semiconductor switches, in particular transistors used.
Der.Start und Stop des Motors 6 erfolgt über Schalter 18 und 19, die zum Mikroprozessor führen.The start and stop of the motor 6 takes place via switches 18 and 19, the lead to the microprocessor.
Beim Start durch Einlegen des Schalters 18 hat der Rotor 9 des Motors 6 eine beliebige Lage. Wenngleich ani Mikroprozessor noch ein weiterer Schalter 28 vorgesehen ist, durch dessen Einschalten beispielsweise ein Rechtslauf des Motors vorgeschrieben wirdj so besteht die MAglichkeit, daß der Motor doch zunächst mit einem Linkslauf beginnt, je nachdem welche zufällige Stellung der Rotor bezüglich der zuerst bestromten Wicklung besitzt. Um nun ein schnellstmögliches Einspringen des Motors in den gewünschten lagegesteuerten Betrieb zu erreichen, wird erfindungsgemäß beim Einlegen des Schalters 18 über den Mikroprozessor 10 zunächst eine Wicklung, beispielsweise die Wicklung 7 durch einen kurzzeitigen Impuls erregt.When starting by inserting the switch 18, the rotor 9 of the motor 6 any position. Although ani microprocessor still another switch 28 is provided, by switching it on, for example, clockwise rotation of the motor is prescribedj then there is the possibility that the engine will start with a counterclockwise rotation begins, depending on the random position of the rotor with respect to the winding that is energized first. To jump in as quickly as possible to achieve the desired position-controlled operation of the motor, according to the invention when inserting the switch 18 via the microprocessor 10 first a winding, for example, the winding 7 is excited by a brief pulse.
Anschließend geht der Schalter 4 sofort auf die Leerlaufstellung. Sofern die kurzzeitige Erregung zu einer Drehbewegung des Rotors geführt hat, werden in den beiden Wicklungen 7 und 8 Spannungen induziert, welche über die dafür vorgesehenen Leitungen der Abfrageschaltung ii zugeführt werden. Eine erste digitale Vergleicherschaltung prüft nun, ob das von der Abfrageschaltung 11 gelieferte Signal demjenigen entspricht, welches bei stationärem lagegesteuertem Betrieb in der gewünschten Drehrichtung nach Bestromung der Wicklung 7 eintreffen würde. Ist dies der Fall, befindet sich der Motor schon jetzt im lagegesteuerten Betrieb in der gewünschten Drehrichtung und die weiteren Stromimpulse werden nur noch lageabhängig geschaltet, was einen schnellen Anlauf des Motors bewirkt.The switch 4 then immediately goes to the idle position. If the short-term excitation has led to a rotary movement of the rotor in the two windings 7 and 8 induced voltages, which are above the intended Lines of the interrogation circuit ii are fed. A first digital comparator circuit now checks whether the Interrogation circuit 11 supplied signal corresponds to that which is required in the case of stationary position-controlled operation Direction of rotation after energization of the winding 7 would occur. Is that the case, the motor is already in position-controlled operation in the desired one The direction of rotation and the other current pulses are only switched depending on the position, which causes the motor to start up quickly.
Tritt das oben beschriebene Signal während einer bestimmten Vergleichszeit nicht auf, prüft eine zweite digitale Vergleicherschaltung anhand des zuletzt eingegangenen Signals nach, in welchem der vier von der Abfrageschaltung unterscheidbaren Quadranten sich der Rotor befindet und schaltet den entsprechenden Wicklungsstrang so gepolt an die Versorgungsspannung, daß der Rotor aus seiner ermittelten Position heraus in der gewünschten Drehrichtung beschleunigt wird. Wird ein auswertbares Signal, z. B. wegen Blockierung des Rotors oder weil sich der Rotor zufällig in der Lage befindet, in die er bei Bestromung der Wicklung 7 gezogen wird, während einer vorgegebenen Vergleichszeit nicht gefunden, so wird die Wicklung 8 so gepolt an die Versorgungsspannung geschaltet, daß gegenüber der Position, in die der Rotor bei der vorherigen Bestromung der Wicklung 7 gezogen wurde, eine 900 - Bewegung in die gewünschte Drehrichtung ausgelöst wird. Danach wird wiederum die oben beschriebene Signalprüfung in der ersten Vergleicherschaltung durchgeführt usw.If the signal described above occurs during a certain comparison time does not open, a second digital comparator circuit checks based on the last received Signal according to which of the four quadrants distinguishable by the interrogation circuit the rotor is located and switches the corresponding phase of the winding so that it is polarized to the supply voltage that the rotor is out of its determined position is accelerated in the desired direction of rotation. If an evaluable signal z. B. because of blocking of the rotor or because the rotor happens to be in the position is located, in which it is drawn when the winding 7 is energized, during a predetermined Comparison time not found, the winding 8 is polarized to the supply voltage switched that opposite to the position in which the rotor was in the previous energization the winding 7 has been pulled, a 900 - movement in the desired direction of rotation is triggered. The signal check described above is then carried out again in the first comparator circuit carried out, etc.
ist der Signalvergleich in der ersten Vergleicherschaltung mehrmals erfolglos, wird also während einer Anlaufphase mehrmals die zweite Vergleicherschaltung eingeschaltet, so wird der Motor nach einer einstellbaren Zahl von WiMerholungen des zweiten Vergleiches abgeschaltet, weil er sonst überlastet werden könnte.the signal comparison in the first comparator circuit is several times unsuccessful, so the second comparator circuit becomes several times during a start-up phase switched on, the motor is switched on after an adjustable number of WiMerholungen of the second comparison is switched off because it could otherwise be overloaded.
Um ein Einspringen des Motors in den lagegesteuerten Betrieb möglichst schon nach dem ersten Stromimpuls zu erreichen, ist es zweckmäßig, den Mobr nach dem Abbremsen bei Stillstand durch kurzes, schwaches Bestromen einer Wicklung in einer definierten Stellung anzuhalten. Dies wird in idealer Weise durch Einsatz eines Triacs in der Bremseinrichtung 26 gemäß Fig. 2 erzielt. Nach Stillstand des Motors ist die Spannung an der Wicklung 8 null geworden. Wird der Gatestrom des Triacs über den Stillstand hinaus für etwa 1 Stunde gehalten, so fließt dieser wegen der Stromdurchlässigkeit des Gate zu beiden Anoden A1 und A2, ein Teil des Gatestromes fließt also über A durch die Motorwicklung 8 und hält den Anker in einer definierten Lage fest. Durch Abschalten des Stromes nach ca.To allow the motor to jump into position-controlled operation if possible After the first current pulse, it is advisable to follow the Mobr braking at a standstill by briefly, weakly energizing a winding in to stop in a defined position. This is ideally done through use of a triac in the braking device 26 according to FIG. 2 is achieved. After the Motor, the voltage on winding 8 has become zero. If the gate current of the Triacs held for about 1 hour beyond the standstill so this flows because of the current permeability of the gate to both anodes A1 and A2, part of the gate current So flows through A through the motor winding 8 and holds the armature in a defined Location fixed. By switching off the power after approx.
1 Sekunde kann Steuerenergie gespart werden. Wird nun beim Start des Motors die der Festhalteposition in der gewünschten Drehrichtung folgende Wicklung zuerst bestromt, so geht der Motor sofort in den lagegesiaerten Betrieb über.Control energy can be saved for 1 second. When starting the Motor has the winding following the fixed position in the desired direction of rotation first energized, the motor immediately goes into position-controlled operation.
Man erreicht auf diese Weise, daß der Motor in der Anlaufphase in äußerst kurzer Zeit in der gewünschte ten Drehrichtung anläuft.In this way you achieve that the motor in the start-up phase starts up in the desired direction of rotation for an extremely short time.
Aus dem Blockschaltbild der Fig. 1 ist weiterhin noch die Drehzahlregelung zu erkennen. Die gewünschte Drehzahl wird an einem Potentiometer 20 eingestellt, die abgegriffene Analogspannung wird in einem Analog- Digital-Wandl er 21 digitalisiert und dem Mikroprozessor 10 zugeführt. Dort erfolgt der Vergleich dieser Solldrehzahl mit der Istdrehzahl. Durch vom Mikroprozessor erfolgte Steuerung des Spannungsstellers 2 entsprechend der Solldrehzahl über einen Digital-Analog-Wandler 22 und eine Phasenanschnittschaltung 23 wird die Ausgangsspannung des Spannungsstellers 2 so vorgegeben, daß den Statorwicklungen 7 und 8 des Motors 6 Spannungen zugeführt werden, die stets etwas größer als der Scheitelwert der induzierten EMK sind.The speed control is also shown in the block diagram of FIG. 1 to recognize. The desired speed is set on a potentiometer 20, the tapped analog voltage is digitized in an analog-digital converter 21 and fed to the microprocessor 10. This setpoint speed is compared there with the actual speed. The voltage regulator is controlled by the microprocessor 2 corresponding to the target speed via a digital-to-analog converter 22 and a phase control circuit 23, the output voltage of the voltage regulator 2 is specified so that the stator windings 7 and 8 of the motor 6 voltages are supplied, which are always slightly greater than the Are the peak value of the induced emf.
Aus dem detailierten Schaltbild der Fig. 2 ist der Aufbau des Spannungsstellers 2 näher zu erkennen. An die Schaltung des zwei Triacs enthaltenden Spannungsstellers 2 schließt sich ein Schaltungsteil 17 für die Entladung der. Ladekondensatoren 3 an; anschließend folgen die Treiberstufen 24 und die in Darlingtonschaltung geschalteten Leistungsschalter 25. Über diese Leistungsschalter 25 werden dann die Statorwicklungen 7 und 8 des Motors 6 mit Strom beaufschlagt.The structure of the voltage regulator can be seen from the detailed circuit diagram in FIG. 2 2 to be recognized more closely. To the circuit of the voltage regulator containing two triacs 2 closes a circuit part 17 for the discharge of the. Charging capacitors 3 at; this is followed by the driver stages 24 and those connected in a Darlington circuit Circuit breaker 25. The stator windings are then via this circuit breaker 25 7 and 8 of the motor 6 is energized.
In Fig. 2 ist schließlich noch die Schaltung 26 für die bereits erläuterte Bremseinrichtung des Motors gezeichnet. Außerdem enthält die Schaltung nach Fig. 2 noch einen vom Netztransformator gespeisten Spannungsregler 27, der die Spannungen für die Operationsverstärker und den Mikroprozessor liefert.In Fig. 2, finally, the circuit 26 for the already explained Braking device of the engine drawn. In addition, the circuit of Fig. 2 also has a voltage regulator 27 fed by the mains transformer, which controls the voltages for the operational amplifier and the microprocessor supplies.
Als Mikroprozessor wird der im Handel befindliche unter der Typenbezeichnung 8048 bekannte Mikroprozessor eingesetzt, dessen Beschaltung sich aus Fig. 3 ergibt.As a microprocessor, the commercially available one is under the type designation 8048 known microprocessor is used, the wiring of which is shown in FIG.
In Fig. 4 ist die Schaltung für die im Blockschaltbild der Fig. 1 eingezeichnete Nulldurchgangsschaltung wiedergegeben und schließlich ergibt sich aus dem Teilschaltbild nach Fig, 5 die Schaltung für die Steuerimpulse zur Wicklungseinschaltung.FIG. 4 shows the circuit for the in the block diagram of FIG drawn zero-crossing circuit reproduced and finally results from the partial circuit diagram according to FIG. 5, the circuit for the control pulses for switching on the winding.
L e e r s e i t eL e r s e i t e
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|---|---|
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