DE69909449T2

DE69909449T2 - Antriebssystem für bürstenlosem Motor mit Hallsensoren und selbsttätiger Bestimmung der Phasenlage der instalierten Sensoren

Info

Publication number: DE69909449T2
Application number: DE69909449T
Authority: DE
Inventors: Domenico Arrigo
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2019-04-24
Also published as: EP1061641B1; EP1061641A1; US6310450B1; DE69909449D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Antriebstechniken von bürstenlosen Motoren, die mit Halleffektsensoren ausgestattet sind, um die Momentanposition des Rotors zu detektieren, um die Phasenumschaltungen zu synchronisieren, die durch das elektronische Antriebssystem befohlen werden.
Üblicherweise bestehen die Techniken zum Antreiben von elektronisch geschalteten bürstenlosen Vielphasenmotoren darin, Ströme durch die Phasenwicklungen des Motors gemäß einer Spannungs- oder Strombetriebsartsteuerung zu erzwingen und Halleffektsensoren zum Synchronisieren der Umschaltungen zu verwenden. Abhängig von der Anzahl der Phasenwicklungen und Pole des Rotors muß das Antriebssystem die Phasenumschaltungen gemäß einem geeigneten Ablaufschema perfekt synchronisiert mit der Rotorposition befehlen, um die Effizienz zu maximieren und die Welligkeit zu minimieren.
Häufig weist in einem Drehstrommotor mit einem Rotor mit zwei Paaren von Polen die Schaltsequenz sechs Phasen mit jeweils 60 elektrischen Grad auf.
Eine der Techniken, die zum Bestimmen der Momentanposition des Rotors eingesetzt werden, ist die, drei Halleffektsensoren zu installieren.
Diese Sensoren sind kommerziell erhältlich und sorgen für drei logische Signale (Codes), deren logische Kombination es zuläßt, die Position des Rotors festzustellen und die Phase zu korrigieren, die angeregt werden soll.
Im allgemeinen berücksichtigen die Decodierkonventionen der logischen Signale, die durch solche Sensoren erzeugt werden, unterschiedliche Schemen, abhängig von der elektrischen Phasenlage des Sensors in Form der elektrischen Grade der Trennung, die wiederum von der physikalischen Position der Sensoren und der Anzahl der Rotorpole abhängt. Daher wird es durch Änderung der physikalischen Position der Sensoren und der Anzahl der Rotorpole unterschiedliche Sensorphasenlagen von zum Beispiel 60, 120, 240 und 300 elektrischen Grad geben.
Normalerweise erwarten die integrierten Vorrichtungen, die in bürstenlosen Motoren zum Decodieren von Signalen, die durch Halleffektsensoren erzeugt werden, und zur Verarbeitung der Rotorwinkelposition installiert sind, die üblicherweise eingesetzt werden, um die elektronischen Antriebssysteme zu verwirklichen, die Möglichkeit, vorher festzulegen, welches Sensorphasenlagenschema ausgewählt werden muß, um die Sensorsignale korrekt zu decodieren und zu verarbeiten. In der Praxis widmen bekannte Vorrichtungen einen oder mehrere Stifte der Voreinstellung der Decodierungs- und Verarbeitungsschaltung. Durch diese Auswahlstifte oder Schaltungsknoten kann eine integrierte Schaltung so konfiguriert werden, daß sie Signale decodiert, die von Halleffektsensoren herrühren, die an Intervallen von 120 elektrischen Grad, 60 elektrischen Grad oder sogar 240 oder 300 elektrischen Grad angeordnet sind.
Ein Beispiel einer kommerziell erhältlichen Decodierungsvorrichtung ist der MC33033 von Motorola, wobei die Auswahl der tatsächlichen Winkeltrennung zwischen Sensoren von 60 oder 120 elektrischen Grad durch die Stifte 3 und 18 vorgenommen wird.
Die Nützlichkeit eines Verfahrens und einer entsprechenden Decodierungsschaltung für die logischen Signale, die durch drei Halleffektsensoren erzeugt werden, die die momentanen Rotorposition eines bürstenlosen Drehstrommotors betreffen, ist offensichtlich. Ein solches Decodierungsverfahren und eine Detektionsschaltung sollte abhängig von der Rotationsrichtung die tatsächliche Sensorpositionen bei Intervallen von entweder 60, 120, 300 oder 240 elektrischen Grad selbsttätig erkennen können, ohne die Notwendigkeit, eine solche Phasenlageinformation an eine Decodierungsschaltung zu liefern. Ein solches Decodierungsverfahren läßt die Verwendung üblicher Vorrichtungen zu, ohne Stifte zu widmen, um eine Voreinstellung der Phasenlageninformation zu bewirken, wodurch folglich die Herstellung von Steuerungssystemen für einen oder mehrere bürstenlose Motoren erleichtert wird.
Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung
Es ist die Rufgabe der vorliegenden Erfindung, für ein verbessertes Decodierungsverfahren zum Decodieren der logischen Signale zu sorgen, die durch die drei Halleffektsensoren erzeugt werden, die in einem bürstenlosen Drehstrommotor installiert sind. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Momentanposition des Rotors zu detektieren und die tatsächlichen Sensorpositionen an Intervallen von 60, 120, 240 und 300 elektrischen Grad zu diskriminieren und die Signale korrekt zu detektieren und die Phase zu identifizieren. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem für einen elektronisch geschalteten bürstenlosen Drehstrommotor unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bereitzustellen.
Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß die Signale, die durch die drei Sensoren bereitgestellt werden, insgesamt acht mögliche Kombinationen erzeugen, von denen sechs zum Beispiel für eine Anordnung an Intervallen von 60 elektrischen Grad der Sensoren gültig sind, während andere sechs für eine Anordnung an Intervallen von 120 elektrischen Grad gültig sind; jedoch sind in beiden Fällen nur zwei der sechs Kombinationen für eine Anordnung von 60 oder 120 Grad spezifisch, wohingegen vier der sechs Kombinationen in beiden Fällen identisch sind. Der Abtastwert ist für die anderen beiden möglichen Phasenlagen der Sensoren gültig, zum Beispiel bei 240 und 300 elektrischen Grad.
Es ist festgestellt worden, daß es durch Decodieren eines vollständigen Satzes acht möglicher Kombinationen der Signale, die von den drei Sensoren herrühren, möglich ist, aus den unterschiedlichen Kombinationen der sechs Kombinationen, die in einer elektrischen Umdrehung detektiert werden, die effektive Phasenlage (d. h. die Trennungsintervalle in elektrischen Grad) der drei Sensoren zu erkennen.
Daher kann der Decoder die Position des Motors innerhalb eines Fensters von 60 elektrischen Grad für eine Phasenlage der Sensoren bei 60, 120, 240 oder 300 elektrischen Grad auflösen, ohne zuerst diese Phasenlageninformation an den Decodierungsschaltungskomplex zu liefern.
Die Decodierungsschaltung des Stands der Technik der Steuereinrichtung MC33033 (siehe Motorola Datenblatt MC33033 „Brushless DC Motor Controller", 1996, XP002116342) ist voreingestellt, die sechs Kombinationen relativ zu einer Phasenlage der Sensoren an Intervallen von entweder 60/300 elektrischen Grad oder von 120/240 elektrischen Grad zu decodieren. Im Gegensatz dazu decodiert das System der Erfindung alle acht möglichen Eingabekombinationen und erkennt aus den beiden unterschiedlichen Kombinationen, die für die unterschiedlichen Sensorphasenlagen (Winkeltrennung) spezifisch sind, welche die eine ist, die tatsächlich implementiert ist. Daher verarbeitet das System die Eingangskombinationen und bestimmt die Position des Rotors oder die Stromphase des laufenden Motors, um die Erzeugung der korrekten Antriebssignale zuzulassen.
Die Erfindung wird in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die verschiedenen Aspekte und Vorteile der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der mehreren Ausführungsformen und durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch klarer werden. Es zeigen:
1 die Schaltsequenz eines sterngeschalteten bürstenlosen Drehstrommotors;
2 ein Diagramm des Motors und der Treiberleistungsstufe mit drei Halbbrücken;
3 ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform des Antriebssystems der Erfindung;
4 die Antriebsdiagramme des Systems der 3.
Unter Bezugnahme auf 1, die das elektrische Schema eines bürstenlosen Drehstrommotors in einer Sternanordnung enthält (obwohl das Verfahren der Erfindung genauso auch in einem Fall eines Motors in einer Dreieck-Deltaanordnung anwendbar ist), werden die sechs unterschiedlichen Schaltphasen unter Verwendung der Schreibweise 12 angegeben, um anzuzeigen, daß der Strom aus dem Anschluß der Phasenwicklung 1 zum Sternmittelpunkt und vom Sternmittelpunkt aus dem der Phasenwicklung 2 fließt und so weiter.
Gemäß bekannten Decodierungsverfahren und jeweiligen Decodern ist die Decodierung abhängig von der Art der Phasenlage aller Sensoren, die im Motor installiert sind, für die sechs Antriebsphasen gemäß den folgenden Decodierungstabellen vorgeordnet.
Tabelle 1 Logische Vorwärtssequenzdecodierung für eine Anordnung an Intervallen von 60° elektrischen Grad der drei Sensoren
Tabelle 2 Logische Vorwärtssequenzdecodierung für eine Anordnung an Intervallen von 120° elektrischen Grad der drei Sensoren.
Es wird beobachtet, daß für irgendeine der beiden Phasenlagen bei 60 oder 120 elektrischen Grad vier von den sechs Kombinationen identisch sind. Dies bedeutet, daß die Decodierungslogik für solche vier gemeinsamen Kombinationen in beiden Fällen dieselbe sein kann. Der einzige Unterschied zwischen den beiden unterschiedlichen Sensorphasenlagen ist, daß zwei der sechs Kombinationen oder Codes, d. h. jene bezüglich der Betriebsphasen 21 und 12 unterschiedlich sind. Tabelle 3 unten gibt die jeweiligen Codes für diese beiden Betriebsphasen des Motors an.
Tabelle 3
Daher können alle acht möglichen Kombinationen oder Codes, die durch die drei logischen Signale bestimmt werden, die von den jeweiligen Halleffektsensoren herrühren, für den Fall einer Sensorphasenlage von 120 oder 60 elektrischen Grad gültig decodiert werden.
Daher kann ein Decoder, der zur Verarbeitung aller acht möglichen Kombinationen oder Codes imstande ist, die von den Signalen herrühren können, die von den drei Sensoren kommen, abhängig von ihrer Phasenlage die Position des Rotors innerhalb eines Fensters von 60 elektrischen Grad für Sensorphasenlagen von 60 oder 120 elektrischen Grad auflösen, ohne irgendeinen Auswahlbefehl zu benötigen.
Die folgende Tabelle 4 zeigt die logische Decodierung aller acht Kombinationen der Signale, die durch die drei Sensoren H1, H2 und H3 erzeugt werden, gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung.
Tabelle 4 Logische Vorwärtssequenzdecodierung für eine Phasenlage der drei Sensoren von 60 oder 120 elektrischen Grad.
Eine Treiberschaltung, die eine Ausgangsleistungsstufe aufweist, die durch sechs Leistungsschalter gebildet wird, die elektrisch geschaltet sind, um drei Halbbrücken-Ausgangstreiberstufen für die jeweiligen Phasenwicklungen eines Drehstrommotors herzustellen, wird in 2 gezeigt. Jede Ausgangstreiber-Halbbrückenstufe weist einen oberen Schalter und einen unteren Schalter auf.
Der logische Zustand 1 bedeutet eine Einschaltbedingung des jeweiligen Schalters und der logische Zustand 0 stellt eine Ausschaltbedingung des jeweiligen Schalters aller Halbbrücken dar. Die logische Decodierungstabelle, die alle sechs Antriebsphasen der sechs Schalter für Halleffektsensoren-Phasenlagen von 120 und 60 elektrischen Grad definiert, wird in der Tabelle 5 unten gezeigt.
Tabelle 5 Logische Vorwärtssequenzdecodierung für Motoren, die mit Hallsensoren mit einer Phasenlage von 120 und 60 elektrischen Grad ausgestattet sind.
Die gekürzten logischen Funktionen, die der Tabelle 5 entsprechen, sind:
1 oben = H2*(H1 + H3)
2 oben = H2*(H1 + H3)
3 oben = H1*H3
1 unten = H2*(H1 + H3)
2 unten = H2*(H1 + H3)
3 unten = H1*H3
wobei:
– das logische NICHT anzeigt
* das logische UND anzeigt
+ das logische ODER anzeigt.
Tabelle 6 Logische Decodierung von Motoren, die mit Hallsensoren mit Phasenlagen von 120, 60, 300 und 240 elektrischen Grad ausgestattet sind, für sowohl die Vorwärts- und als auch Rückwärtsrotation.
Wie aus Tabelle 6 leicht erkannt werden kann, läßt die Decodierungslogik die Auswahl der Rotationsrichtung des Motors (Vorwärts oder Rückwärts) zu und ist imstande, die Signale, die durch die Halleffektsensoren erzeugt werden, für jede Phasenlage (60, 120, 240 und 300 elektrische Grad) zu decodieren.
Die ersten drei Spalten (H1, H2, H3) zeigen die Signale, die durch die drei Hallsensoren erzeugt werden.
Die vierte Spalte stellt das Eingangssignal (DIR) dar, das die Rotationsrichtung des Motors einstellt.
Die fünfte Spalte (OUTPUT) zeigt die Anregung der jeweiligen Phasenwicklungen, die aus der Decodierung der Hallsensorsignale abgeleitet werden.
Die sechsten und siebenten Spalten stellen die Rotationsrichtung des Motors dar (Vorwärts oder Rückwärts), die der jeweiligen Phasenlage des Sensors entspricht, Zum Beispiel werden mit einem Signal DIR = 1 die ersten sechs Signalkombinationen der Signale von den Halleffektsensoren decodiert, um einen Motor in eine Vorwärtsrichtung anzutreiben, der mit Hallsensoren mit einer Phasenlage von 60 oder 120 elektrischen Grad ausgestattet ist. Mit derselben Eingabe DIR = 1 würden diese sechs Kombinationen decodiert werden, um den Motor mit Hallsensoren mit einer Phasenlage von 300 oder 240 elektrischen Grad in eine Rückwärtsrichtung anzutreiben.
Mit anderen Worten entspricht die Decodierung der Signale von Halleffektsensoren, die bei einem sich vorwärts drehenden Motor bei 60 bzw. 120 elektrischen Grad angeordnet sind, der Decodierung der Signale von Halleffektsensoren, die bei einem sich rückwärts drehenden Motor bei 300 bzw. 240 elektrischen Grad angeordnet sind. Umgekehrt entspricht die Decodierung der Signale von Halleffektsensoren mit einer Phasenlage von 60 bzw. 120 elektrischen Grad bei einem sich rückwärts drehenden Motor der Decodierung der Signale der Halleffektsensoren mit einer Phasenlage von 300 bzw. 240 elektrischen Grad bei einem sich vorwärts drehenden Motor.
Im Fall von Sensoren mit einer Phasenlage von 60 oder 120 elektrischen Grad kann das System den Motor richtig in die korrekte Rotationsrichtung antreiben, indem es die gewünschte Rotationsrichtung (Vorwärts, wenn DIR = 1 oder Rückwärts, wenn DIR = 0) erkennt, ohne dem System vorbeugend irgendeine Information über den Typ der installierten Sensoren (ihre Phasenlage) zu liefern.
Im Fall von Sensoren mit einer Phasenlage von 300 oder 240 elektrischen Grad kann das System den Motor richtig in die korrekte Rotationsrichtung antreiben, indem es die gewünschte Rotationsrichtung (Vorwärts, wenn DIR = 0 oder Rückwärts, wenn DIR = 1) erkennt, ohne dem System vorbeugend irgendeine Information über den Typ der installierten Sensoren (ihre Phasenlage) zu liefern.
Um die gewünschte Rotationsrichtung korrekt einzustellen, ist es im wesentlichen nur notwendig, zu wissen, ob die Hallsensoren eine Phasenlage von 60 oder 120 elektrischen Grad oder von 300 oder 240 elektrischen Grad aufweisen.
Die restlichen Spalten stellen die logischen Ausgangsfunktionen der dekodierten Signale dar.
Häufig weisen integrierte Antriebssysteme, wie zum Beispiel die Vorrichtung L6234 von STMicroelectronics eine Logikeingangstreiberstufe und Leistungsschalter auf. Diese integrierten Schaltungen setzen zwei unterschiedliche logische Eingänge (Befehle) für jede Halbbrücke ein, INPUT bzw. ENABLE, deren logische Funktion in der folgenden Tabelle beschrieben wird.
Wenn das Antriebssystem eine solche integrierte Schaltung verwendet, nimmt die logische Decodierungs- und Antriebstabelle gemäß der vorliegenden Erfindung die folgende Form an: Tabelle 7 Logische Decodierung eines Motors, der mit Halleffektsensoren mit einer Phasenlage von 120 und 60 elektrischen Grad und mit einer Phasenlage von 300 und 240 elektrischen Grad zur Vorwärts und Rückwärtsrotation ausgestattet ist
X zeigt eine "nicht beachten"-Bedingung an, das heißt, es ist nicht notwendig, irgendeinen spezifischen Wert zu beachten, der zugewiesen werden soll.
Die gekürzten logischen Funktionen, die der Tabelle entsprechen, sind:
IN1 = (H2*DIR) + (H2*DIR)
IN2 = (H2*DIR) + (H2*DIR)
IN3 = (H3*DIR) + (H3*DIR)
EN1 = (H1 + H2 + H3)*(H1 + H2 + H3)
EN2 = (H1 + H2+ H3)*(H1 + H2 + H3)
EN3 = H1*H3 + H1*H3
wobei:
– das logische NICHT anzeigt
* das logische UND anzeigt
+ das logische ODER anzeigt.
Das neue System der Erfindung mit einem Schema, wie in 3 gezeigt, ist unter Verwendung einer programmierbaren logischen Vorrichtung, nämlich einer GAL16V8 getestet worden. Die korrekte logische Antriebssequenz wird durch die GAL16V8 erzeugt, indem die Signale decodiert werden, die von den drei Halleffektsensoren kommen, die im Motor installiert sind, und INPUT- und ENABLE-Signale erzeugt werden, wie in den Diagrammen der 4 gezeigt.
Eine elektrische Bremsfunkton wird erhalten, indem für die Eingangsignale (IN) ein niedriger logischer Pegel bestimmt wird, um den unteren Diffusionsmetalloxid- (DMOS) Transistor der Halbbrücken einzuschalten, die durch das entsprechende Freigabesignal (EN) freigegeben werden.
Das Impulsbreitenmodulation- (PWM)-Signal wird verwendet, um das „Zerhacken" der INPUT-Signale zu bewirken.
Mit der geöffneten DIR-Drahtbrücke wird eine Vorwärtsrotation erhalten, wenn die installierten Halleffektsensoren eine Phasenlage von 60 oder 120 elektrischen Grad aufweisen, oder es wird eine Rückwärtsrotation erhalten, wenn die Hall-Sensoren eine Phasenlage von 300 oder 240 elektrischen Grad aufweisen, und umgekehrt, wenn die DIR-Drahtbrücke auf Masse gelegt ist.
Der Schalter SW2 befiehlt das Anlaufen und den Stopp des Motors.
Die repräsentativen Signale des Antriebsschemas der 3 werden in den Diagrammen der 4 dargestellt.

Claims

Verfahren zum Decodieren von Signalen, die durch drei Halleffektsensoren erzeugt werden, die in einem elektronisch geschalteten bürstenlosen Drehstrommotor installiert sind, gemäß einer Sequenz von sechs Antriebsphasen, die synchron mit einer Rotorposition geschaltet werden sollen, gekennzeichnet durch die Schritte: Bestimmen einer wirklichen Phasenlage der drei Halleffektsensoren bei entweder 60, 120, 300 oder 240 elektrischen Grad durch: Decodieren eines ganzen Satzes acht möglicher Kombinationen der drei logischen Signale, die durch die drei Halleffektsensoren erzeugt werden; Diskriminieren der wirklichen Phasenlage der drei Halleffektsensoren beruhend auf zwei unterschiedlichen Kombinationen aus sechs gültigen Kombinationen, die in einer elektrischen Umdrehung detektiert werden, von denen vier Kombinationen zusammenfallen; Bestimmen der Rotorposition und Erzeugen logischer Antriebssignale synchron mit der überwachten Rotorposition.
Antriebssystem für einen elektronisch geschalteten bürstenlosen Drehstrommotor gemäß einer Sequenz von sechs Antriebsphasen, die synchron mit der Rotorposition geschaltet werden, die durch eine Decodierungslogikschaltung für logische Signale bestimmt werden, die durch drei Halleffektsensoren erzeugt werden, die im Motor installiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Logikschaltungseingang aufweist, der drei logische Signale, die durch die drei Halleffektsensoren erzeugt werden, und ein Auswahlsignal aufnimmt, das eine gewünschte Rotationsrichtung anzeigt, und drei Paare von logischen Signalen ausgibt, die jeweils zur Freigabe und Betreiben der drei Wicklungen des Motors dienen, wobei die Decodierungslogikschaltung eine wirkliche Phasenlage der drei Halleffektsensoren durch Verwendung des Verfahrens des Anspruchs 1 bestimmt.