DE4222949A1 - Kollektorloser Gleichstrommotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleich­ strommotor, und insbesondere einen Motor, bei dem die Kommutierung ohne Sensoren, die auf das Magnetfeld reagieren, erfolgt.

Kollektorlose Gleichstrommotore werden insbesondere für hohe Drehzahlen benutzt. Üblicherweise haben die Motore zwei Hall-Sensoren, die unter 90° zueinander in bezug auf die Rotorachse angeordnet sind und die Winkellage des drehenden Magnetfeldes ermitteln, um in Abhängig­ keit davon Kommutierungsschalter für die Statorspulen zu steuern. Solche Hall-Sensoren stellen zusätzliche Bauteile dar, die wärmeempfindlich sowie radioaktiv empfindlich sind und auch durch Vibrationen beschädigt werden können.

Aus DE 32 09 392 A1 ist ein kollektorloser Gleichstrom­ motor bekannt, der ohne Magnetfeldsensoren auskommt. Die Spannungen an drei Statorspulen werden gemessen und untereinander in einem Mikroprozessor nach komplizier­ ten Kriterien verknüpft und verarbeitet, um Kommutie­ rungssignale zu erzeugen. Die vom Mikroprozessor durch­ zuführenden Berechnungen belasten den Mikroprozessor insbesondere bei hohen Drehzahlen. Sie erfordern einen hohen Anteil der Zeit des Mikroprozessors, so daß dieser für andere Aufgaben weniger verfügbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kollek­ torlosen Gleichstrommotor zu schaffen, der eine relativ einfache Steuereinrichtung aufweist und keine komplexe Signalverarbeitung erfordert.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrom­ motor wird ein Impulssignal, das von einer der Stator­ spulen abgeleitet ist, als Referenzsignal für eine PLL-Schaltung benutzt, deren Ausgangssignal eine Frequenz hat, die ein Vielfaches der Rotorfreqenz dar­ stellt. Die PLL-Schaltung erzeugt an ihrem Ausgang eine Impulsfolge, die höherfrequent ist als das von der Rotorfrequenz abhängige Impulssignal und zu diesem Impulssignal eine feste Phasenlage hat. Dies bedeutet beispielsweise, daß die Anstiegsflanke jedes n-ten Impulses des Ausgangssignals in Phase ist mit der Anfangsflanke des von der Rotorfrequenz abhängigen Impulssignals. Die PLL-Schaltung (Phase Lock Loop) ist eine rückgekoppelte Impulsschaltung, die einen Phasenkomparator und einen spannungsgesteuerten Oszillator enthält, wobei der von dem Phasenkomparator gesteuerte Oszillator das Ausgangssignal liefert und durch die Rückkopplung bewirkt wird, daß dieses Aus­ gangssignal phasengleich mit dem Referenz-Eingangs­ signal des Phasenkomparators ist. Nach der Erfindung enthält die Rückkopplungsschleife der PLL-Schaltung einen Frequenzteiler, so daß nicht das Ausgangssignal des Oszillators unmittelbar rückgekoppelt wird, sondern ein Signal mit einer geteilten, niedrigeren Frequenz. Dadurch, daß in der PLL-Schaltung die Phasenlage des Rückkopplungssignals auf diejenige des von einer der Statorspulen abgeleiteten Referenzsignals abgestimmt wird, erzeugt die PLL-Schaltung ein Ausgangssignal, dessen Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des Referenzsignals ist. Die Impulse dieses Ausgangssignals haben gleiche Abstände und sie werden zur Erzeugung der Kommutierungssignale für die umfangs­ mäßig verteilt angeordneten Statorspulen benutzt. Auf diese Weise werden die Kommutierungssignale in Abhän­ gigkeit von der Rotorfrequenz erzeugt, wobei das Referenzsignal nur von einer einzigen Rotorspule ab­ geleitet wird.

Die Steuereinrichtung ist mit wenigen kommerziell ver­ fügbaren Bauelementen zu realisieren. Sie arbeitet auch bei hohen Motordrehzahlen zuverlässig und paßt die Kommutierungsfrequenz exakt an die jeweilige Rotor­ frequenz an, so daß jede der Statorspulen immer genau phasenrichtig mit Strom beaufschlagt wird, um die existierende Drehzahl aufrechtzuerhalten.

Der erfindungsgemäße Gleichstrommotor eignet sich für hohe Drehzahlen, von z. B. 860 U/sec, wobei zu berück­ sichtigen ist, daß die Kommutierungsfrequenz ein Viel­ faches der Umdrehungsfrequenz ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das der PLL-Schaltung zugeführte Referenzsignal die Frequenz des Rotors und das Ausgangssignal der PLL-Schaltung hat die Kommutierungsfrequenz, d. h. die Rotorfrequenz multipliziert mit der Anzahl der Stator­ spulen. Es ist aber auch möglich, das Referenzsignal z. B. mit der doppelten Rotorfrequenz zu erzeugen.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des kollektorlosen Gleich­ strommotors und

Fig. 2 Spannungsverläufe, die an den in Fig. 1 be­ zeichneten Stellen auftreten.

Gemäß Fig. 1 weist der kollektorlose Gleichstrommotor einen Rotor 11 mit einem Magneten auf, dessen Nordpol mit N und dessen Südpol mit S bezeichnet ist. Der Stator 10 enthält bei diesem Ausführungsbeispiel vier Statorspulen L1, L2, L3, L4, von denen jede sich über etwa 180° erstreckt. Die Statorspulen L1 und L3 bilden ge­ meinsam einen Ring und die Statorspulen L2 und L4 bilden gemeinsam einen Ring, der zu dem Ring der Statorspulen L1, L3 um 90° versetzt angeordnet ist. Alle Statorspulen L1 bis L4 sind mit einem Ende an den Plus­ pol einer Gleichspannungsquelle 12 angeschlossen, während das andere Ende mit einem der Kommutierungs­ schalter S1, S2, S3, S4 verbunden ist. Die Kommutierungs­ schalter schalten das jeweilige Spulenende an den Minuspol der Gleichspannungsquelle 12 an, wenn sie an ihrem Steuereingang ein entsprechendes Signal empfangen.

Das mit dem Kommutierungsschalter S1 verbundene Ende der Statorspule L1 ist an eine Impulsgeberschaltung 13 angeschlossen, die über eine Ausgangsleitung 16 ein Impulssignal an die PLL-Schaltung 17 liefert.

Die Impulsgeberschaltung 13 enthält einen Übertrager TR, dessen Primärwicklung zwischen die Statorspule L1 und dem Pluspol der Gleichspannungsquelle 12 geschaltet ist. Die Spannung an der Primärwicklung ist mit U1 be­ zeichnet. Die Senkundärwicklung des Übertragers TR ist an einem Ende mit Masse und am anderen Ende mit dem Eingang eines Integrators 14 verbunden. Die Eingangs­ spannung des Integrators ist mit U2 bezeichnet. Die Ausgangsspannung U3 des Integrators 14 wird einem Komparator 15 zugeführt, der das von der Rotorfrequenz abhängige Impulssignal U4 über die Leitung 16 zur PLL-Schaltung 17 abgibt.

In Fig. 2 sind unter anderem die Spannungsverläufe U1 bis U4 dargestellt. Die Spannung U1 an der Statorspule L1 hat einen trapezförmigen Verlauf. Eine Umdrehungs­ periode ist in gleiche Intervalle t1 bis t4 unterteilt. Im ersten Intervall t1 ist U1 gleich Null. Im zweiten Intervall t2 steigt U1 linear an, im dritten Intervall t3 behält U1 seinen Maximalwert bei und im vierten Intervall t4 fällt U1 linear ab. Aufgrund der Kommutierung entsteht zwischen den Intervallen t1 und t2 kurzzeitig eine positive Spannungsspitze 20 und zwischen den Intervallen t3 und t4 eine kurze negative Spannungsspitze 21.

Der Übertrager TR entfernt die Gleichanteile (z. B. Spannungsschwankungen der Spannungsquelle 12) aus der Spannung U1, so daß die Spannung U2 gegenüber Masse den Gleichanteil Null hat. Anstelle des Übertragers TR kann auch eine andere Schaltung verwendet werden, mit der der Gleichanteil der Spannung U1 eliminiert werden kann, z. B. ein Differenzverstärker. Die Spannung U2 wird vom Integrator 14 integriert, wodurch die Spannung U3 entsteht. Anstelle des Integrators 14 kann auch ein anderes Tiefpaßfilter verwendet werden, jedoch hat der Integrator den Vorteil, daß die Amplitude der Spannung U3 nahezu unabhängig von der jeweiligen Rotorfrequenz stets konstant ist. Bei hohen Rotorfrequenzen entsteht eine entsprechend hohe Induktionsspannung, jedoch wird gleichzeitig die Integrationsperiode kleiner.

Die Spannung U3 wird dem Eingang des Komparators 15 zugeführt, der einen Nulldurchgangsdetektor darstellt. Bei jedem Nulldurchgang der Spannung U3 von Plus nach Minus entsteht eine positive Flanke 22 des Impuls­ signals U4. Bei jedem Nulldurchgang der Spannung U3 von Minus nach Plus entsteht eine Rückflanke 23 des Impuls­ signals U4, die wegen der Schalthysterese des Komparators 15 geringfügig verzögert ist. Bei dem vor­ liegenden Ausführungsbeispiel werden nur die positiven vorderen Impulsflanken 22 ausgewertet. Diese Impuls­ flanken 22 werden im Periodenabstand der Spannung U1 erzeugt. Das Impulssignal U4 ist ein Rechtecksignal, bei dem die positiven Flanken 22 eine definierte Phase zur Rotorlage haben. Aus diesem Signal werden die vier Schaltpunkte der Kommutierungsschalter 51 bis 54 ge­ bildet.

Die PLL-Schaltung 17 ist ein Regelkreis, der das Impulssignal U4 an Leitung 16 als Führungsgröße em­ pfängt und daraus die positiven Flanken 22 auswertet. Die PLL-Schaltung enthält einen Phasenkomparator 25, dessen A-Eingang das Impulssignal U4 empfängt und dessen B-Eingang an eine Rückkopplungsleitung 26 an­ geschlossen ist, an der die Spannung U7 entsteht. Am Ausgang des Phasenkomparators 25 entstehen Impulse, deren Amplitude oder Dauer proportional zur Phasen­ verschiebung der Impulse an den Eingängen A und B ist. Diese Ausgangsspannung wird einem PI-Regler 27 zu­ geführt, der aus der Reihenschaltung der Widerstände 28, 29 und des Kondensators 30 besteht. Der PI-Regler liefert das Eingangssignal für den Spannungseingang IN des spannungsgesteuerten Oszillators VCO (Voltage Controled Oscillator) 31. Der spannungsgesteuerte Oszillator VCO liefert an seinem Ausgang f ein Recht­ ecksignal US, dessen Frequenz von der Spannung am Eingang IN abhängt. Das Signal US ist das Ausgangs­ signal der PLL-Schaltung 17.

Die PLL-Schaltung 17 enthält ferner einen Frequenz­ teiler 33, dem das Ausgangssignal US zugeführt wird. Der Frequenzteiler 33 reagiert auf die negativen Flanken des Ausgangssignals US und erzeugt im Ausgang der ersten Teilerstufe ein Signal U6 und am Ausgang der zweiten Teilerstufe ein Signal U7, das der Rückkopp­ lungsleitung 26 zugeführt wird. Das Signal U6 wird mit der halben Frequenz des Signals US und phasengleich mit diesem erzeugt. Das Signal U7 wird mit einer Frequenz erzeugt, die einem Viertel der Frequenz des Ausgangs­ signals U5 entspricht. Im Phasenkomparator 25 wird das Signal U7 mit dem Signal U4 verglichen. Die PLL-Schaltung 17 regelt die Phase und Frequenz des Signals U7 so, daß dieses Signal phasengleich mit dem Impulssignal U4 erzeugt wird. Auf diese Weise wird das Ausgangssignal US der PLL-Schaltung 17 phasengleich mit dem Impulssignal U4 an Leitung 16 erzeugt, jedoch mit der vierfachen Frequenz.

Das Ausgangssignal U5 der PLL-Schaltung 17 wird einem Zähler 35 zugeführt, der auf die positiven Flanken dieses Ausgangssignals reagiert. Der Zähler 35 ist ein modulo-vier-Zähler, dessen Kapazität der Anzahl der Statorspulen entspricht. Der Zähler 35 hat demnach zwei Zählerstufen, an deren Ausgängen die Signale U8 und U9 entstehen, wobei das Signal U9 die halbe Frequenz des Signals U8 hat. Diese Spannungen U8 und U9 werden einem Dekodierer 36 zugeführt, der vier Ausgangsleitungen hat, an denen die Signale U10, U11, U12 und U13 ent­ stehen. Das Signal U10 steuert den Kommutierungs­ schalter S1, das Signal U11 den Kommutierungsschalter S2, das Signal U12 den Kommutierungsschalter S3 und das Signal U13 den Kommutierungsschalter S4. Wie Fig. 2 zeigt, wird das Signal U10 in dem Intervall t1, das Signal U11 in dem Intervall t2, das Signal U12 in dem Intervall t3 und das Signal U13 in dem Intervall t4 erzeugt. Auf diese Weise erhält jede der Statorspulen 1 bis 4 jeweils in demjenigen Intervall einen Impuls, in dem ihre Spannung normalerweise Null wäre. Durch diesen Impuls werden die ohmschen Verluste ausgeglichen und die Statorspulen werden phasenrichtig angestoßen.

Der Zähler 35 weist einen Rücksetzeingang auf, der mit dem Ausgang eines NOR-Tores 37 verbunden ist. Das NOR-Tor 37 empfängt an einem invertierten Eingang das Ausgangssignal US und an weiteren Eingängen die Signale U6 und U7. Es erzeugt ein Signal U14 mit einem Rück­ setzimpuls 38, wenn die Signale U6 und U7 Null sind und wenn das Ausgangssignal US "1" ist. Dies ist am Anfang des vierten Intervalls t4 der Fall. Damit wird der Zäh­ lerstand des Zählers 35 immer eindeutig zur Rotorstellung synchronisiert.

Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß die Kommutierungs­ signale U10 bis U13 nacheinander in den Intervallen t1 bis t4 erzeugt werden. Jedes der Kommutierungssignale hat eine Dauer, die einem Viertel der Periodendauer einer Umdrehung des Rotors entspricht.

Da die Statorspule L1 eine Spannung U1 erst induziert, wenn der Rotor 11 dreht, arbeitet die Schaltung erst ab einer Mindestdrehzahl. Die Beschleunigung auf die Mindestdrehzahl kann mit Hilfe einer Startlogik erzeugt werden, die im Dekodierer 36 enthalten ist oder extern angeschlossen wird. In der Anlaufphase des Motors übt der Dekodierer 36 seine Dekodierfunktion nicht aus. Die Startlogik zwingt die Kommutierungsschalter S1 bis S4 im Synchronlauf mit steigender Frequenz auf die oben erwähnte Mindestdrehzahl des Motors.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Verwendung von vier Statorspulen beschränkt und auch nicht auf den Fall, daß sämtliche Statorspulen mit ihren einen Enden zusammengeschaltet sind. Die Erfindung kann auch bei solchen Motoren angewandt werden, bei denen die Stator­ spulen an beiden Enden umgeschaltet werden.

Der erfindungsgemäße Gleichstrommotor eignet sich ins­ besondere bei Vakuumanwendungen, z. B. für Turbo-Pumpen. Er ist strahlungs- und störunempfindlich, vakuumfest und benötigt wenig Leitungen und Leitungsdurchführun­ gen. Die Spannung einer einzigen Statorspule wird zur Steuerung der Kommutierung sämtlicher Statorspulen benutzt. Dadurch wird eine komplizierte und teure Hardware und Software entbehrlich. Durch den Verzicht auf einen komplexen Mikrocomputer und infolge der Ver­ wendung einer einfachen Schaltung ist die Störungs­ gefahr verringert. Hohe Drehzahlen werden nicht durch eine maximale Prozessorgeschwindigkeit begrenzt.

Claims (7)

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem Stator (10), der mindestens eine Statorspule (L1-L4) zur Erzeugung eines Drehfeldes aufweist, einem einen Permanentmagneten aufweisenden Rotor (11) und einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Kommutierung des Drehfeldes in Abhängigkeit von der Spannung an mindestens einer Statorspule (L1), dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Impulsgeberschal­ tung (13) enthält, die aus der Spannung mindestens einer Statorspule (L1) ein Impulssignal (U4) erzeugt, dessen Frequenz von der Rotorfrequenz abhängig ist, daß das Impulssignal (U4) eine PLL-Schaltung (17) triggert, welche ein Ausgangs­ signal (U5) liefert, dessen Frequenz ein ganz­ zahliges Vielfaches der Rotorfrequenz darstellt und mindestens so groß ist wie die Kommutierungs­ frequenz, und daß aus dem Ausgangssignal (U5) der PLL-Schaltung Kommutierungssignale (U10-U13) gewonnen werden, die feste Phasenlagen in bezug auf die Rotordrehung haben.

2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsgeber­ schaltung (13) eine Einrichtung (Übertrager TR) zur Entfernung des Gleichanteils aus der Spannung der Statorspule (L1), ein Tiefpaßfilter (14) und einen Komparator (15) zur Erkennung der Nulldurch­ gänge des Ausgangssignals (U3) des Tiefpaßfilters und zur Lieferung des Impulssignals (U4) enthält.

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter (14) ein Integrator ist.

4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die PLL-Schaltung (17) einen Teiler (33) enthält, der das Ausgangssignal (U5) der PLL-Schaltung nach Teilung durch eine ganzzahlige Zahl auf einen Ein­ gang (B) der PLL-Schaltung rückkoppelt.

5. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (US) der PLL-Schaltung einem Zähler (35) zugeführt wird, an den ein Dekodierer (36) angeschlossen ist, welcher für jeden Zählerstand an einer anderen von mehreren Ausgangsleitungen ein Kommutierungssignal (U10-U13) liefert.

6. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählerstand des Zählers (35) in Abhängigkeit von dem Signalstand der Stufen des Teilers (33) rücksetzbar ist.

7. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dekodierer (36) zum Anlaufen des Rotors (11) deaktivierbar ist.