DE4420317A1 - Elektronisch kommutierter Motorantrieb ohne Drehmomentschwankungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Motorantrieb mit elektronischer Kommutierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist ein Motorantrieb mit elektronischer Kommutierung bekannt, bei dem zur Erzeugung des den Motorantrieb bewirkenden magnetischen Drehfeldes die gegenüber dem Motorrotor feststehenden Motorwicklungsstränge nacheinander kommutiert werden, vgl. EP 0 195 782. Durch die Kommutierung, d. h. durch die Weiterschaltung der Ansteuerphase bzw. durch die Umschaltung der Bestromung von einem Wicklungsstrang auf einen anderen Wicklungsstrang, können Drehmomenteinbrüche auftreten, die für viele Anwendungsfälle derartiger Motore nicht tolerierbar sind. Insbesondere bei langsam laufenden Motoren können solche Drehmomenteinbrüche unzureichend ausregelbare Geschwindigkeitsschwankungen bei der Regelung der Drehgeschwindigkeit zur Folge haben.

Bekanntlich werden deshalb die Wicklungsstränge vielfach in der Weise kommutiert, daß sie überlappend bzw. in verschachtelter Weise (Fig. 4) bestromt werden. Im Falle eines dreisträngigen Motors bedeutet das, daß jeweils während einer kommutierungszyklusgemäßen Bestromung eines Wicklungsstrangs jeweils eine Kommutierung der beiden anderen Wicklungsstränge erfolgt. Zur Erzeugung des magnetischen Drehfeldes ist dabei jedoch nach jeder Bestromung eines Wicklungsstrangs jeweils ein Stromrichtungswechsel für dessen nächstfolgende Bestromung erforderlich. Üblicherweise werden derartige, mit Stromrichtungswechseln verbundene Kommutierungen der Wicklungsstränge mit einer relativ komplizierten Logik sowie mit komplizierten Umschaltern und doppelter Betriebsspannung realisiert. Bei langsamen Motorlauf können jedoch auch hier kommutierungsbedingte Drehmomenteinbrüche auftreten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem Motorantrieb mit elektronischer Kommutierung kommutierungsbedingte Drehmomenteinbrüche zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch Zufuhr von zusätzlicher elektrischer Energie jeweils in Nähe der Kommutierung eines jeweiligen Motorwicklungsstrangs kommutierungsbedingte Drehmomenteinbrüche zu vermeiden. Im Prinzip erfolgt diese Energiezufuhr in der Weise, daß jeder kommutierungszyklusgemäßen Bestromung des jeweiligen Wicklungsstranges ein zusätzlicher Strom bzw. ein entsprechender Korrekturstrom von bestimmter Dauer und/oder Form überlagert wird.

Eine derartige Stromüberlagerung, die eine Verstärkung des magnetischen Drehfeldes zur Folge hat, kann am Ende oder am Anfang einer kommutierungszyklusgemäßen Bestromung eines Wicklungsstranges erfolgen, oder aber auch sowohl am Ende als auch am Anfang der jeweiligen kommutierungszyklusgemäßen Bestromung eines jeden Wicklungsstranges vorgesehen sein.

Eine derartige Stromüberlagerung bzw. zusätzliche Energiezufuhr hat den Vorteil, daß bei der Erzeugung des magnetischen Drehfeldes auf überlappende bzw. verschachtelte Wicklungsstrangbestromungen verzichtet werden kann.

Die kommutierungsbedingte Drehmomenteinbrüche und -schwankungen verhindernde zusätzliche Energiezufuhr wird z. B. dadurch erzeugt, daß die jeweilige, einem Wicklungsstrang zugeordnete und mit der Kommutierungslogik in an sich bekannter Weise gesteuerte Verstärkerstufe für die Wicklungsstrangbestromung mit einem zusätzlichen Ansteuersignal vorgebbarer Dauer und/oder Form, im folgenden Korrektursignal genannt, beaufschlagt wird.

Beruhend auf der Erkenntnis, daß durch die Kommutierung hervorgerufenen Drehmomentschwankungen bei jeder Kommutierung näherungsweise konstant sind und um einen durch die Motorkonstruktion bzw. um jeweils einen durch die Wicklungsstrangansteuerung bedingten Winkel vor einer Kommutierung beginnen bzw. nach einer Kommutierung enden, können auf erfindungsgemäß einfache Weise Phasenlage und Größe sowie Dauer und/oder Form der erforderlichen Korrektursignale bestimmt und kommutierungsbedingte Drehmomenteinbrüche und -schwankungen vermieden werden.

So werden z. B. bei unkompensiertem Motorantrieb, d. h. ohne die zusätzliche Energiezufuhr, Phase und Größe sowie Dauer und/oder Form der Korrektursignale durch Auswertung des Spannungs- bzw. Stromverlaufs bei mindestens einem Wicklungsstrang oder durch Messung kommutierungsbedingter Drehgeschwindigkeitsschwankungen ermittelt und entsprechende Korrekturwerte in einem Speicher abgespeichert. Im einfachsten Fall, d. h. bei einem Motor mit bekannten Parametern, kann das auch ein Festwertspeicher sein. Die Korrektursignale oder entsprechenden Korrekturwerte werden dann synchron mit der Motorumdrehung ausgelesen und als zusätzliches Ansteuersignal entsprechend vorgesehenen Steuereingängen der jeweiligen Verstärkerstufen für die Wicklungsstrangbestromung zugeführt.

Die Erfindung ermöglicht auch in vorteilhafter Weise die Bestimmung aktueller und/oder an unterschiedliche Belastungen und Drehgeschwindigkeiten angepaßter Korrektursignale oder - werte, indem diese bei jedem Motoranlauf neu und/oder während eines jeden Motorlaufs in vorgebbaren Intervallen bzw. Zeitabständen wiederholt ermittelt und gespeichert werden, ohne dabei den Motorlauf zu stören. Dazu bedarf es lediglich der Meßzeit und Auswertung von wenigstens einer Motorumdrehung und anschließender Überschreibung oder Korrektur des vorgenannten Speichers mit neuen Korrektursignalen bzw. Korrekturwerten. Zudem besteht der weitere Vorteil, im Anschluß an eine diesbezügliche Korrektur des Motorlaufs durch nochmalige Aus- und Bewertungen des Motorlaufs adaptive Feinkorrekturen vornehmen zu können.

Zwecks Zufuhr zusätzlicher elektrischer Energie ist es auch möglich, die Verstärkerstufen für die Wicklungsstrangbestromung oder die Logikschaltung für die Kommutierungsfolge der Wicklungsstränge mit derartigen Korrektursignalen oder Korrekturwerten so zu steuern, daß eine impulsbreitenartige Modulation der jeweiligen Wicklungsstrangbestromung erfolgt. Diese Art der zusätzlichen Energiezufuhr im Bereich jeder Kommutierung ist dann vorteilhaft, wenn zum Motorantrieb ohnehin impulsbreitenmodulierte Signale verwendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel für die Vermeidung von kommutierungsbedingten Drehmomenteinbrüchen;

Fig. 2 Ablaufdiagrammausschnitte im Bereich eines Kommutierungsvorganges mit einer beispielhaften Erhöhung der elektrischen Energiezufuhr zur Vermeidung von kommutierungsbedingten Drehmomenteinbrüchen;

Fig. 3 einen bekannten elektronisch kommutierbaren Motor;

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm für die Kommutierungsfolge mit überlappender Wicklungsstrangbestromung.

Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild eine Motorregelschaltung für einen elektronisch kommutierbaren Motor 1 mit einem Ausführungsbeispiel zur Vermeidung kommutierungsbedingter Drehmomenteinbrüche. Ein Beispiel eines elektronisch kommutierbaren Motor ist in Fig. 3 schematisch dargestellt.

Der Motor 1, der mit einer an sich bekannten, für die Bestromung der Motorwicklungsstränge X, Y, Z Verstärkerstufen 21 und Kommutierungslogik 22 aufweisenden Antriebsschaltung 2 verbunden ist, bildet mit der Antriebsschaltung 2 und einem Regler 31 einen Regelkreis zur Regelung der Motordrehgeschwindigkeit. Zur Gewinnung der erforderlichen Kommutierungssignale sind ein oder mehrere mit der Antriebsschaltung 2 verbundene Sensoren 23, z. B. mit dem Motor 1 gekoppelte Hallgeneratoren, vorgesehen.

Die Wicklungsstrangbestromung erfolgt jeweils durch Ansteuerung der Antriebsschaltung 2 mit pulsweitenmodulierten Signalen eines PWM-Modulators 33. Dessen Eingang ist über eine Verknüpfung 32 mit dem Ausgang des Reglers 31 sowie mit dem Ausgang einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 4 zur Vermeidung kommutierungsbedingter Drehmomenteinbrüche verbunden. Regler 31, z. B. durch einen Mikroprozessor realisiert, Verknüpfung 32 und PWM-Modulator 33 können in einem Schaltkreis 3 integriert sein. Zur Geschwindigkeitsmessung ist ein mit dem Motor 1 gekoppelter drehfester Sensor 11 vorgesehen. Dieser liefert ein drehgeschwindigkeitsproportionales impulsartiges Tachosignal FG, das einem Vielfachen der Kommutierungsfrequenz entspricht und als Regelgröße für die Drehgeschwindigkeitsregelung dem Regler 31 zugeführt wird.

Da das drehgeschwindigkeitsproportionale Tachosignal FG einem Vielfachen der Kommutierungsfrequenz entspricht und mit diesem auch die relative Phasenlage der Kommutierungen bzw. die jeweilige Umschaltung der Wickelstrangbestromung verknüpft ist, werden erfindungsgemäß mit dem Tachosignal FG ferner Phasenlage und Größe (nach Betrag, Form und/oder Dauer) kommutierungsbedingter Drehmomenteinbrüche bzw. -schwankungen gemessen und ausgewertet zwecks Gewinnung von Korrektursignalen oder Korrekturwerten für eine kommutierungsbedingte Drehmomenteinbrüche verhindernde Wicklungsstrangbestromung. Im Prinzip können dabei jedem FG-Puls jeweils ein entsprechendes Korrektursignal oder entsprechende Korrekturwerte zugeordnet werden, wobei durch Vervielfachung des Tachosignals FG auch noch die Auflösung gesteigert werden kann.

Das Tachosignal FG wird der Steuereinrichtung 4 zugeführt, die im wesentlichen mit einer Auswerteschaltung 41, einem Zähler 42 und einem elektronischen Speicher 43 gebildet wird. Die Messung und Auswertung des Tachosignals FG sowie die Erzeugung entsprechender Korrektursignale oder Korrekturwerte erfolgt durch die Auswerteschaltung 41. Der Speicher 43, der zur Abspeicherung der Korrektursignale oder Korrekturwerte vorgesehen ist, ist über eine Datenleitung 44 mit dem Ausgang der Auswerteschaltung 41 sowie über eine Adreß- und Steuerleitung 45 mit dem Zähler 42 verbunden. Die kommutierungsbedingten Drehmomenteinbrüche werden dadurch vermieden, daß, wie in Fig. 2 dargestellt, im Bereich einer Kommutierung die synchron mit dem Tachosignal FG ausgelesenen Korrektursignale oder Korrekturwerte über die Verknüpfung 32, die im einfachsten Fall eine Additionsstufe sein kann, den PWM- Modulator 33 in der Weise modulieren, daß den Wicklungssträngen X, Y, Z zusätzliche Energie zugeführt wird. Die Anzahl und der jeweiliger Modulationsgrad der dabei zusätzlich zu modulierenden Pulse P wird mit der Auswerteschaltung 41 bestimmt.

Bei geregelten Motoren kann es dabei von Vorteil sein, derartige Korrektursignale oder Korrekturwerte bei Regelung des Motors zu bestimmen, da sich hierbei auch bestimmte Regelungsschwächen von Regeleinrichtungen, z. B. aufgrund des Frequenzgangs solcher, erfassen und kompensieren lassen. In anderen Fällen kann jedoch erforderlich sein, derartige Korrektursignale oder Korrekturwerte ohne Regelung Motors zu bestimmen. Eine entsprechende Reglerabschaltung sowie die Häufigkeit von Korrektursignal- oder Korrekturwertbestimmungen, z. B. für Feinkorrekturen des Motorlaufs, kann mit einem Mikroprocessor realisiert sein.

Zum Aus- bzw. das Einlesen der Korrektursignale oder Korrekturwerte aus dem Speicher 43 wird der Zähler 42 mindestens einmalig synchron zur Kommutierung gestartet und mittels des Tachosignals FG oder eines Vielfachen davon getaktet und selbsttätig nach n FG-Pulsen zurückgesetzt, wobei n der Anzahl von FG-Pulsen eines Kommutierungsintervalls bzw. einer kommutierungszyklusgemäßen Wicklungsstrangbestromung entspricht. Damit entspricht der jeweilige Zählerstand genau einem entsprechenden Winkel innerhalb eines Kommutierungsintervalls.

Das zur Synchronisation des Zähler 42 benötigte Signal kann, wie mit der gestrichelte Verbindungslinie 46 angedeutet, durch das Auswerten des Spannungsverlaufs an einem Wicklungsstrang X, Y, Z oder durch ein aus der Antriebsschaltung 2 abgeleitetes Signal erfolgen, vorteilhafter ist jedoch, wie zuvor beschrieben, die Analyse der Geschwindigkeitsschwankung mittels Tachosignal FG, wobei sich durch entsprechende nicht dargestellte Filterung, vorzugsweise durch ein digitales mittels Software realisiertes Filter, Phasenlage und Amplituden der Kommutierungsschwankungen messen lassen. Die Steuereinrichtung (4) läßt sich damit kostensparend in den, Regler 31, Verknüpfung 32 und Modulator 33 enthaltenden Schaltkreis 3 integrieren; eine Integration in der Antriebsschaltung 2 ist aber auch möglich.

Fig. 2 zeigt Ablaufdiagrammausschnitte impulsartig bestromter Wicklungsstränge X, Y, Z mit einer Erhöhung der elektrischen Energiezufuhr im Bereich eines Kommutierungsvorganges zur Vermeidung kommutierungsbedingter Drehmomenteinbrüche bzw. - schwankungen durch entsprechend angepaßte Zunahmen bzw. Abnahmen der Pulsweitenmodulation bei entsprechenden Pulsen P.

Fig. 3 zeigt schematisch einen an sich bekannten elektronisch kommutierbaren Motor mit einem zwölfpoligen Stator und einem achtpoligen Rotor. Den Rotor bilden im wesentlichen acht Feldmagnete, die um zwölf ringförmig angeordnete Statorspulen X1-X4, Y1-Y4, Z1-Z4 rotieren, wobei jeweils vier Statorspulen X1-X4; Y1-Y4; Z1-Z4 einen elektronisch kommutierbaren Wicklungsstrang X; Y; Z bilden. Die magnetischen Pole Nord N und Süd S des Rotors sowie die feststehenden Statorspulen X1-X4, Y1-Y4, Z1-Z2, die in Sternschaltung oder Dreieckschaltung geschaltet sein können, sind jeweils gleichmäßig verteilt angeordnet.

Fig. 4 zeigt anhand von Ablaufdiagrammen die Kommutierungsfolge für eine Motorumdrehung bei einem Motor gemäß Fig. 3 mit überlappender Wicklungsstrangbestromung, wobei a) die Anzahl der Kommutierungen und b) bis d) die kommutierungszyklusgemäße Bestromung des jeweiligen Wicklungsstrangs X, Y, Z schematisch darstellt.

Die Erfindung wurde zwar mittels eines digitalen Regelkreises mit einem elektronisch kommutierten dreisträngigen Motor näher erläutert, sie ist jedoch keineswegs auf dreisträngige Motore oder deren Verwendung in Regelkreisen beschränkt.

Die Erfindung ist insbesondere für Capstanmotorantriebe in Signalaufzeichnungs- und/oder Wiedergabegeräten geeignet.

Claims (13)

1. Motorantrieb mit elektronischer Kommutierung des Motors (1), dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuereinrichtung (4) vorgesehen ist, mit der synchron mit der Kommutierung ein Korrektursignal erzeugbar ist.

2. Motorantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem, synchron mit der Kommutierung erzeugbaren Korrektursignal ein Korrekturstrom von bestimmter Größe sowie Dauer und/oder Form erzeugbar ist, der jeweils am Ende einer kommutierungszyklusgemäßen Bestromung eines Wickelstrangs (X, Y, Z) und/oder jeweils am Anfang der kommutierungszyklusgemäßen Bestromung eines Wicklungsstrangs (X, Y, Z) der jeweiligen Wickelstrangbestromung überlagerbar ist.

3. Motorantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage des Korrektursignals durch Auswertung von mindestens einer der Wicklungsstrang- Spannungen bestimmbar ist.

4. Motorantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage des Korrektursignals mit einer die Kommutierungssignale erzeugenden Kommutierungslogik (22) einer Motorantriebsschaltung (3) bestimmbar ist.

5. Motorantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage des Korrektursignals über die Messung von Drehzahlschwankungen des Motors (1) bestimmbar ist.

6. Motorantrieb nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Größe sowie Dauer und/oder Form des Korrektursignals über die Messung von Drehzahlschwankungen des Motors (1) bestimmbar sind.

7. Motorantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage des Korrektursignals durch Auswertung eines mit dem Motor (1) erzeugten Tachosignal (FG) bestimmbar ist.

8. Motorantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Korrektursignals durch Auswertung des mit dem Motor (1) erzeugten Tachosignals (FG) bestimmbar ist.

9. Motorantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer und/oder Form des Korrektursignals durch Auswertung des mit dem Motor (1) erzeugten Tachosignals (FG) bestimmbar sind.

10. Motorantrieb nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1-9 dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Korrektursignals in der elektronischen Steuereinrichtung (4) eine Auswerteschaltung (41) vorgesehen ist.

11. Motorantrieb nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1-10 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (4) in einem Motorantriebsschaltkreis (2) integriert ist oder mit einem Mikroprozessor zur Motorreglung oder -steuerung realisiert ist.

12. Motorantrieb nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1-11 dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal während eines Motorlaufs mehrfach bestimmt werden kann.

13. Motorantrieb nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1-12 dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (1) als Capstanmotor eines Recorders zur Aufzeichnung und/oder Wiedergabe von Signalen verwendet wird.