NL1023532C2

NL1023532C2 - Toerentalregeling voor een borstelloze gelijkstroommotor.

Info

Publication number: NL1023532C2
Application number: NL1023532A
Authority: NL
Inventors: Franciscus Maria Hen Clermonts
Original assignee: Innosource B V
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2004-11-29
Also published as: US7336045B2; ATE408263T1; DE602004016492D1; US20070029958A1; WO2004105228A1; JP2007500499A; EP1627463A1; DE20308429U1; EP1627463B1

Description

Toerentalregeling voor een borstelloze gelijkstroom motor

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een toerentalregeling voor een borstelloze gelijkstropmmotor volgens de aanhef van conclusie 1.

Een dergelijke regeling is in de stand van de techniek bekend voor het regelen van 5 de toegevoerde spanning aan een gelijkstroommotor. In de gelijkstroommotor bevinden zich een stator, een rotor en een elektromagneet, waarbij de elektromagneet zich bevindt als wikkeling rond het rotordeel dan wel binnen het rotordeel. De stator bestaat uit een aantal permanente magneetpolen op gelijkmatige onderlinge afstanden gelegen op een cirkel, waarbij de stator-polen een permanent magnetisch veld opwekken. De 10 rotor bevindt zich binnen dan wel buiten deze cirkel. Tijdens gebruik wordt in de elek tromagneet een wisselend magnetisch veld opgewekt door de toegevoerde spanning, waarbij de rotor onder invloed van het wisselend magnetisch veld van elektromagneet en stator een draaiing uitvoert.

In de stand van de techniek wordt aansturing van de elektromagneet door middel 15 van blokpulsen toegepast waarbij de spanning in de vorm van een blokpuls wordt toe gevoerd aan de elektromagneet. Vanwege de transient die optreedt in het aandrijfkop-pel van de motor, wanneer een rotor-pool een stator-pool passeert, vertoont een borstelloze gelijkstroommotor voor variabel toerental tijdens het draaien van de motor trillingen. Deze trillingen leiden tot productie van geluid door de gelijkstroommotor. Voor 20 veel toepassingen, waarbij veelal toerentallen beneden ca 200 Hz worden gebruikt, is een dergelijke geluidsproductie echter niet gewenst.

Het is bekend om een dusdanige spanningsregeling in de gelijkstroommotor te voorzien dat bij een (vooraf) bepaald toerental de transient van het aandrijfkoppel geminimaliseerd is. Hiertoe is de toerentalregeling voorzien van een Hall sensor die op enige 25 afstand naast één van de stator-polen geplaatst is langs het pad van de rotor. De regeling is zo ingesteld dat bij die ingestelde afstand en bij een vooraf bepaald toerental, het signaal dat de Hall sensor genereert door het veld van de rotor door de Hall sensor, zorgdraagt voor een dusdanig verloop van de ompoling van het magnetische veld dat de transiënt van het koppel van de motor tijdens de passage van de rotor langs de stator 30 minimaal is.

T023532· I Een nadeel van deze regeling volgens de stand van de techniek is dat slechts bij I hoofdzakelijk één toerental de trillingen sterk worden onderdrukt. Bij andere toerental- I len is deze regeling niet goed werkzaam, de koppeltransiënt is dan niet minimaal.

Als alternatief om bij meerdere toerentallen een voldoende bruikbare onderdrukking I 5 van trillingen te verkrijgen, is een spanningsregeling bekend die blokpulsen met varia- I bele hoogte toepast, waarbij de hoogte van de blokpuls afhangt van het gewenste mo- I tortoerental. Om bij een ingesteld toerental de trillingen te verminderen wordt de puls- I hoogte van de blokpuls verlaagd, zodat de veldsterkte lager is en de transiënt kleiner.

Hierdoor nemen inderdaad de trillingen af, doch bereiken niet de waarden die theore- I 10 tisch mogelijk zijn.

I Het is een doelstelling van de onderhavige uitvinding een toerentalregeling voor een borstelloze gelijkstroommotor te voorzien die in staat is bij elk willekeurig toerental de I transiënt in het motorkoppel sterk te reduceren.

I De doelstelling van de onderhavige uitvinding wordt bereikt door een toerentalrege- I 15 ling voor een borstelloze gelijkstroommotor volgens de aanhef van conclusie 1, I met het kenmerk, dat de toerentalregeling in staat is een spanning (V(<p)) te genereren als functie van rotor- I draaisnelheid, rotorpositie (φ), rotorbelasting en motoraansturing, I waarbij de toerentalregeling het verloop van de spanning V(tp) van de motor als functie I 20 van de rotorpositie φ zo instelt dat het momentane koppel Τ(φ) tenminste in de nabij- heid van een ompoling van het aandrijvend magneetveld voldoet aan de voorwaarden I dat I de afgeleide ΘΤ(φ)/δφ hoofdzakelijk nul is, ai I de tweede afgeleide d2T(<p)/d<p2 een hoofdzakelijk monotone functie is.

I 25 Hierdoor heeft de toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding het voordeel I dat de regeling bij elk gewenste combinatie van toerental, motorbelasting en aanstuur- I vermogen in staat is de trillingen in de motor te minimaliseren. Hierdoor kan een ge- I lijkstroommotor die voorzien is van een dergelijke regeling worden toegepast voor om- gevingen waar een zo laag mogelijk geluidsniveau bij relatief lage frequenties wordt I 30 gewenst. Bijvoorbeeld in woningen en werkruimten, waar langzaam draaiende (dwz.

I energiezuinige) gelijkstroommotoren voor ventilatiesystemen worden toegepast. Hier- I bij wordt een toerental toegepast tussen 5 en 30 omw/s.

3

Voor de deskundige op het vakgebied zal het duidelijk zijn dat de onderhavige uitvinding kan worden toegepast in een enkelfase gelijkstroommotor, maar ook in een meerfase gelijkstroommotor.

De uitvinding zal hieronder nader worden toegelicht aan de hand van enkele teke-5 ningen, waarin uitvoeringsvoorbeelden daarvan zijn weergegeven. Ze zijn uitsluitend bedoeld voor illustratieve doeleinden en niet ter beperking van de uitvindingsgedachte, die wordt gedefinieerd door de conclusies.

Daarbij tonen: figuur 1 schematisch een aanstuurspanningscurve en een koppelcurve van een eerste 10 toerentalregeling volgens de stand van de techniek; figuur 2 schematisch een aanstuurspanningscurve en een koppelcurve van een tweede toerentalregeling volgens de stand van de techniek; figuur 3 schematisch een aanstuurspanningscurve en een koppelcurve van een toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding; 13 figuur 4 een schematisch model van de toerentalregeling volgens de onderhavige uit vinding; figuur 5 een computersysteem voor besturing van de toerentalregeling van een borstel-loze gelijkstroommotor volgens de onderhavige uitvinding; figuur 6 een eerste deel van een voorkeursuitvoeringsvorm van een toerentalregeling 20 volgens de onderhavige uitvinding; figuur 7 een tweede deel van de voorkeursuitvoeringsvorm van een toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding; figuur 8 een derde deel van een voorkeursuitvoeringsvorm van een toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding; en 25 figuur 9 een vierde deel van een voorkeursuitvoeringsvorm van een toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding.

Figuur 1 toont schematisch een aanstuurspanningscurve en koppelcurve van een eerste toerentalregeling volgens de stand van de techniek.

Op de horizontale as wordt de rotatiehoek φ van de rotor ten opzichte van de stator 30 weergegeven. Op de verticale as wordt de aanstuurspanning ν(φ) en het bijbehorende koppel Τ(φ) weergegeven in arbitraire eenheden (a.u.). De aanstuurspanning ν(φ) als functie van de rotatiehoek φ is weergegeven door middel van een streeplijn. De koppelcurve Τ(φ) als functie van de rotatiehoek is weergegeven door een vaste lijn.

TOta5321 I De eerste toerentalregeling volgens de stand van de techniek maakt gebruik van een conventionele controller die blokvormige spanningspulsen genereert als functie van de I rotatiehoek φ. De spanningspulsen worden synchroon gegenereerd met de passage van I de rotor-polen langs de stator-polen. Tijdens de beginflahk van een blokpuls neemt het I S koppel toe. Bij de eind flank van een puls neemt het koppel weer af. Tussen blokpulsen I in is de aanstuurspanning ν(φ) hoofdzakelijk nul, tijdens deze nulspanning nadert het koppel Τ(φ) tot een nulwaarde. De abrupte overgang (transient) die ontstaat in de kop- I pelcurve tijdens de begin van een spanningspuls, veroorzaakt productie van geluid.

Speciaal bij een laag toerental kan de geluidsproductie hinderlijk worden aangezien de I 10 spanningspulsen dan een relatief korte tijdsduur hebben, wat resulteert in een toene- I mende geluidsproductie.

Figuur 2 toont schematisch een aanstuurspanningscurve en koppelcurve van een I tweede toerentalregeling volgens de stand van de techniek.

Op de horizontale as wordt de rotatiehoek ψ van de rotor ten opzichte van de stator I 15 weergegeven. Op de verticale as wordt de aanstuurspanning ν(φ) en het bijbehorende I koppel Τ(φ) weergegeven in arbitraire eenheden. De aanstuurspanning ν(ψ) als functie I van de rotatiehoek φ is weergegeven door middel van een streeplijn. De koppelcurve I T(q>) als functie van de rotatiehoek is weergegeven door een vaste lijn.

I Het transient gedrag van aandrijfkoppel Τ(φ) bij lage toerentallen kan worden verbe- I 20 terd door de aanstuurspanning ν(φ) te reduceren. De blokpulshoogte wordt verminderd I en de blokpulsbreedte wordt vergroot. Dit leidt tot een wat vlakkere karakteristiek van I het aandrijfkoppel als functie van de rotatiehoek φ. In figuur 2 wordt het resultaat van I de aanpassing van hoogte en breedte van blokpulsen getoond. Hoewel de koppelcurve I gladder verloopt, bestaan nog steeds transiënten. Hierdoor neemt inderdaad de sterkte I 25 van trillingen en geluidsproductie af, maar het geleverde vermogen van de gelijk- I stroommotor neemt hierdoor op nadelige wijze eveneens sterk af.

I Figuur 3 toont schematisch een aanstuurspanningscurve en koppelcurve van een toe- rentalregeling volgens de onderhavige uitvinding.

Op de horizontale as wordt de rotatiehoek φ van de rotor ten opzichte van de stator H 30 weergegeven. Op de verticale as wordt de aanstuurspanning ν(φ) en het bijbehorende I koppel Τ(φ) weergegeven in arbitraire eenheden. De aanstuurspanning ν(φ) als functie I moqKqo· 5 van de rotatiehoek φ is weergegeven door middel van een streeplijn. De koppelcurve Τ(φ) als functie van de rotatiehoek is weergegeven door een vaste lijn.

De onderhavige uitvinding voorziet een toerentalregeling die koppeltransiënten onderdrukt door actief, via terugkoppeling van kentallen van de toestand van de gelijk-5 stroommotor, de aanstuurspanning ν(ψ) te regelen als functie van de rotatiehoek φ. In een borstelloze gelijkstroommotor vindt, vanwege de constructie, bij elke rotatie over 180° een nuldoorgang van het aandrijfkoppel plaats. Voorts is het koppel Τ(φ) tijdens een rotatie over 360° gemiddeld altijd groter dan nul. Om de transiënten te verminderen dient de afgeleide van het koppel als functie van de rotatiehoek φ tijdens de ompoling 10 hoofdzakelijk nul te zijn. Voorts zijn geen scherpe veranderingen van het koppel gewenst rond de ompoling: de tweede afgeleide van het koppel als functie van de rotatiehoek φ is een monotoon stijgende functie rond de nuldoorgang.

Een voorbeeld koppelcurve zonder transiënten die voldoet aan deze voorwaarden, wordt gegeven door: 15 Γ(?)-Γ.(”γ cos(4?>)) waarbij Τ(ψ) het momentane koppel, en f een gemiddelde waarde van het koppel is.

Voor een deskundige op het vakgebied zal duidelijk zijn dat ook andere koppelcur-ven mogelijk zijn die voldoen aan de voorwaarden voor de koppelafgeleide bij een periodieke nuldoorgang en een positief definiete waarde van het koppel.

20 De toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding voorziet een dusdanige momentane aanstuurspanning ν(φ) dat het momentane koppel Τ(φ) zo goed mogelijk voldoet aan de gestelde voorwaarden.

In figuur 4 is de aanstuurspanning V(<p) een zodanige functie van φ dat Τ(φ) voldoet aan de getoonde vergelijking. Hierbij worden de momentane waarden van zowel de 25 rotoromloopsnelheid, de rotorbelasting, de rotoipositie als de aanstuurspanning zelf in beschouwing genomen. De toerentalregeling zorgt voor een actieve onderdrukking van de hogere harmonischen in de koppelcurve. Voor een beschrijving van de toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding wordt verwezen naar de figuren 4 tot en met 9.

30 Figuur 4 toont een schematisch model van de toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding.

1023539· I Een borstelloze gelijkstrooramotor 1 is voorzien van een toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding. De toerentalregeling omvat een voedingseenheid 2, een I Buck-regeling 3, een H-brug 4, een aanstuurregeling 5, een Hall sensor 6, een stroom- terugkoppeleenheid 7, spanning-terugkoppeleenheid 8 en een regelend element 9.

I 5 In de hierna gegeven beschrijving en figuren wordt de onderhavige uitvinding be- schreven aan de hand van een microcontroller 9 als regelend element. Het zal voor de I deskundige op het vakgebied duidelijk zijn dat in plaats van de microcontroller ook een I ander regelend element, zoals een daartoe ingerichte analoge schakeling of bijvoor- I beeld een digitale signaal processor (DSP), kan worden toegepast, waarbij het regelen- I 10 de element in staat is de in de onderhavige uitvinding benodigde regelfuncties uit te voeren.

I De motor 1 is gekoppeld met een aanstuuringang aan H-brug 4, die de aanstuur- I spanning V((p) levert. Voorts is motor 1 voorzien van de Hall sensor 6 om de positie en I beweging van de rotor (niet getoond) te bepalen, waarbij de Hall sensor 6 een momen- I 15 taan signaal SHs(t) genereert.

I De H-brug 4 is gekoppeld aan de Buck regeling 3 voor het verkrijgen van aanstuur- I pulsen om de aanstuurspanning V(<p) in de H-brug 4 te genereren.

I Verder is de H-brug 4 gekoppeld aan een stroom-terugkoppeleenheid 7 die een I stroomsignaal Ijn(t) genereert dat overeenkomt met de door de H-brug 4 aan de motor 1 I 20 geleverde momentane stroom.

De Buck regeling 3 is gekoppeld aan de voedingseenheid 2 voor het leveren van I elektrisch vermogen aan de schakeling. Verder is de Buck regeling 3 voor het ontvan- I gen van regelsignalen om de aanstuurpulsen voor de aanstuurspanning V(<p) te genere- I ren gekoppeld aan de aanstuurregeling 5. Ook is de Buck regeling 3 gekoppeld aan de I 25 spanning-terugkoppeleenheid 8 die een spanningssignaal Vjn(t) genereert dat gebruikt H wordt om de Buck regeling te controleren.

I De aanstuurregeling 5 is verder gekoppeld aan de microcontroller 9 voor het ont- I vangen van gegevens waarmee de aanstuurregeling 5 in staat is de juiste aanstuurpulsen I voor de Buck-regeling 3 te genereren.

I 30 Microcontroller 9 is tenslotte verbonden aan Hall sensor 6, stroom-terugkoppel- I eenheid 7 en spanning-terugkoppeleenheid 8 om vanuit de door hen gegenereerde res- I pectieve signalen informatie te verkrijgen met betrekking tot de momentane waarden I 1023539* 7 .....van zowel de rotoromloopsnelheid, de rotorbelasting, de rotoipositie als de aanstuur- spanning en aanstuurstroom.

De Buck regeling 3 bestuurt de feitelijke aanstuurspanning voor de gelijkstroommo-tor 1, waarbij de H-brug 4 na iedere 180° omwenteling de polariteit van de aan de mo-5 tor 1 geleverde aanstuurspanning omschakelt. De microcontroller 9 regelt de vereiste draaisnelheid van de gelijkstroommotor 1, terwijl de aanstuurregeling 5 de aanstuurpuls voor de juiste aanstuurspanning V(<p) genereert, gebaseerd op de door de microcontroller 9 verzamelde gegevens van rotoromloopsnelheid, rotorbelasting, rotorpositie φ, aanstuurspanning en aanstuurstroom.

10 De aanstuurregeling 5 stelt de aanstuurpulsen vast op basis van door de microcontroller 9 verzamelde gegevens van rotoromloopsnelheid, rotorbelasting, rotorpositie, aanstuurspanning en aanstuurstroom.

Het kan zijn dat de aanstuurregeling 5 in real-time uit de gegevens de benodigde aanstuurpulsen berekent. Het kan ook zijn dat aanstuurregeling 5 van een multi-15 dimensionale tabel gebruikt maakt om daaruit de aanstuurpuls behorend bij de momen tane waarden van de gegevens te bepalen.

De aanstuurspanning V(<p) wordt opgebouwd als de omhullende van de door de aanstuurregeling 5 gegenereerde aanstuurpulsen. De frequentie van de aanstuurpulsen (bijvoorbeeld 22 kHz) is hoger dan de draaifrequentie van de rotor, namelijk circa 50-200 20 Hz. Voorts is de aanstuurregeling 5 in staat de hoogte van de aanstuurpulsen te variëren, zodat bijvoorbeeld een verloop van de aanstuurspanning V(<p) zoals getoond in figuur 3 kan worden gegenereerd.

Figuur 5 toont een micro-controller / computersysteem voor besturing van een toe-rentalregeling van een borstelloze gelijkstroommotor volgens de onderhavige uitvin-25 ding. Een computersysteem 2 omvat een centrale verwerkingseenheid 21 met randapparatuur. De centrale verwerkingseenheid 21 is verbonden met geheugenmiddelen 18,19, 22,23,24 die instructies en gegevens opslaan, één of meer inleeseenheden 30 (om bijvoorbeeld floppy disks, CDROMs en DVDs, geheugenmodules, chipkaarten, etc. te lezen), invoerapparaten (bijvoorbeeld een toetsenbord) 26, en uitvoerapparaten (bij-30 voorbeeld een beeldscherm) 28.

Daarnaast is als uitvoerapparaat voorzien een bestuurbare spanningsgenerator (bijvoorbeeld in de vorm van een digital-analoog converter DAC) 32 om een variable spanning Vout(t) te genereren.

TOSSS32·

Tevens is als invoerapparaat voorzieneen spannings-en/of stroommeeteenheid I ADC 33 om aan de ADC eenheid 33 toegevoerde spanningssignalen Vin(t), stroomsig- I nalen Ijn(t) en Hall sensor signalen HHs(t) om te zetten in digitale meetwaarden. Deze I digitale meetwaarden voor spanning, stroom, en respectievelijk, Hall sensor signaal 5 kunnen door de verwerkingseenheid 21 nader bewerkt worden als terugkoppeling voor I de aanstuurregeling 5.

Zoals bekend is aan deskundigen op het vakgebied, kunnen ook andere invoereen - I heden en uitvoerapparaten voorzien zijn, zoals bijvoorbeeld een netwerkadapter 7 voor I datacommunicatie met een netwerk 1.

I 10 De in figuur 5 getoonde geheugenmiddelen omvatten RAM 22, (E)EPROM 23, I ROM 24, tape eenheid 19, en harde schijf 18. Echter, er kunnen meer en/of andere op zich zelf aan de deskundige bekende geheugeneenheden voorzien zijn. Bovendien, als I dat nodig is, kunnen één of meer eenheden hiervan op afstand van de centrale verwer- I king eenheid 21 zijn geplaatst.

I 15 De centrale verwerkingseenheid 21 wordt getoond als een enkele eenheid, maar kan I ook verscheidene verwerkingseenheden omvatten die parallel werken, of bestuurd wor- I den door één centrale eenheid, waarbij de verwerkingseenheden op afstand van elkaar I geplaatst kunnen zijn, zoals bekend zal zijn aan deskundigen op dit vakgebied.

I hi het hiernavolgende wordt een voorkeursuitvoeringsvorm van een schakeling voor 20 een toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding nader toegelicht. Van deze I voorkeursuitvoeringsvorm zullen de essentiële componenten worden beschreven. Van I de overige componenten zal slechts kort hun functie worden toegelicht, waarbij de des- I kundige op het vakgebied uit de schakeling en de toelichting daaruit de werking van die overige componenten in de regeling zal begrijpen. Voorts wordt opgemakt dat de ge- 25 toonde component codes slechts voorbeelden aangeven als componenten in de schake- ling, de getoonde waarden voor de elektrische componenten van de schakeling zijn I daarbij slechts voorbeeldwaarden. De getoonde schakeling kan eveneens gerealiseerd worden met andere waardor voor de componenten.

Figuur 6 toont een eerste deel van een voorkeursuitvoeringsvorm van een schakeling 30 voor een toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding.

Het eerste deel van de schakeling omvat de voedingseenheid 2, de Buck-regeling 3, en de H-brug 4.

I VDWSRqob 9 ........De voedingseenheid 2 dient om netspanning om te zetten in een gelijkgerichte voedingsspanning. Aan aansluitpunten J3 en J4 wordt wisselspanning (bijvoorbeeld 220 V) ingevoerd, waarna de voedingseenheid 2 na gelijkrichting op verbinding VB1 een gelijkgerichte spanning (bijvoorbeeld 300 V) beschikbaar stelt 5 Binnen de voedingseenheid bevindt zich een afgetakte eenheid 2b, die een verder spanningsverschil V2 genereert tussen verbindingspunten PHI, PH2.

De Buck regeling 3 wordt gevormd door transistor T8, spoel LI, diode D4 en condensator CIO. Transistor T8 is een MOSFET met een source verbonden aan VB1, en met een drain aan een ingang van LI en een ingang van D4. Diode D4 is voorts met een 10 uitgang verbonden aan aarde GND. Spoel LI is met een uitgang verbonden aan een ingang van CIO, waarbij CIO met een uitgang verbonden is aan aarde. VB1 is via condensator Cl 1 eveneens aan aarde verbonden.

De gate van MOSFET T8 wordt bestuurd door een pulstrafo schakeling 3b. pulstrafo schakeling 3b omvat een pulstrafo L2, een weerstand R29, een MOSFET Transistor T9, 15 een condensator C15 en een tweede weerstand R27.

Aan zijn ingangszijde is pulstrafo L2 aan een eerste ingang L2-4 verbonden met aarde, aan een tweede ingang L2-2 is de pulstrafo L2 verbonden aan de aanstuurrege-ling 5 die aanstuurpulsen voor de pulstrafo schakeling 3b genereert.

De aanstuurregeling 5 zal nader besproken onder verwijzing naar figuur 7 van dit 20 document.

j

Aan zijn uitgangszijde L2-3 is pulstrafo 12 via weerstand R29 verbonden aan een source van MOSFET transistor T9. Via tweede uitgang L2-1 is pulstrafo L2 verbonden aan een gate van MOSFET T9, voorts aan een ingang van condensator CIS en een ingang van weerstand R27, en eveneens aan de verbinding tussen LI en D4.

25 C15 is met zijn uitgang aan de source van T8 verbonden. Weerstand R27 is even eens met zijn uitgang aan de source van T8 verbonden.

De Buck regeling 3 regelt de aanstuurspanning V(<p) voor de motor 1, via H-brag 4, door middel van pulsbreedtemodulatie (PWM). H-brug 4 zal later in meer detail worden beschreven.

30 Omdat de drain van T8 direct aan de gelijkgerichte spanning VB1 ligt, is de pulstrafo schakeling 3b toegepast om de gate van T8 te sturen. Het is daarbij noodzakelijk om de duty-cycle van T8 in een breed gebied te kunnen variëren. Als de pulstrafo direct aan T8 zou worden gekoppeld is dit niet mogelijk. Om een grote variatie in duty- 1023530t I 10 I cycle te bereiken wordt gebruik gemaakt van een stuur MOSFET T9, volgens het vol- gende principe: De pulstrafo L2 is een type met relatief lage zeliinductie, waardoor de I pulstrafo L2 in staat is als uitgangssignaal smalle pulsen (circa 2 ps breedte) te genere- I ren. Een positieve puls stuurt T8 in geleiding, een volgende negatieve puls zorgt dat T8 I 5 in gesperde toestand gaat. Een positieve puls laadt de gate van T8 op via de intrinsieke I vrijloopdiode van T9. Als de gate van T8 eenmaal is opgeladen, wordt deze niet meer ontladen omdat T9 zal sperren wanneer de uitgangsspanning van L2 naar nul daalt. Bij I een negatieve puls komt T9 wederom in geleiding, en wordt de gate van T8 ontladen, waardoor T8 in gesperde toestand komt. T8 functioneert hiermee als schakelaar van de I 10 spanning opVBl naar de H-brug 4. Weerstand R27 die parallel geschakeld is aan T8, I zorgt dat T8 niet in geleiding komt als de sturing van de pulstrafo schakeling 3b niet actief is. De gate-source capaciteit van T8 is verhoogd door de parallelle schakeling I van C15 tussen de source van T8 en de ingang van LI. Enerzijds verlaagt CIS de dissi- I patie in T8, door de verhoging van de gate spanning. Anderzijds wordt de schakeltijd I IS van T8 langer omdat de ontlading van CIS het schakelen vertraagd. De waarde van

Cl5 is gekozen als een compromis. Weerstand R29 dient ter beperking van de maxima- I le gate-stroom van T8 en om resonantie in de pulstrafo schakeling 3b te dempen.

I De H-brug schakeling 4 omvat MOSFETs T4, T5, T6, T7, dioden D2, D5, zener- I dioden D6, D8, D10 en D12, condensatoren C4 en C13, en weerstanden R21, R22.

I 20 Binnen de H-brug 4 is de borstelloze gelijkstroommotor 1 aangesloten op aanslui- tingen Jl, J2 en J5. Via verbinding VB2 en verbinding VB3 is de H-brug 4 met de I Buck regeling 3 verbonden. De H-brug 4 omvat twee takken, een eerste tak 4-1 en een H tweede tak 4-2 die beiden aan een zijde met aarde verbonden zijn. De eerste tak 4-1 I omvat MOSFETs T4, T5, diode D5, zener-dioden D6, D10, condensatoren C4 en C13, I 25 en weerstand R21.

I De tweede tak 4-2 omvat MOSFETs T6,17, diode D5, zener-dioden D8, D12, en I weerstand R22.

I De H-brug 4 wordt aangestuurd door een fasendetectorschakeling zoals later zal I worden toegelicht aan de hand van figuur 7. De fase detectorschakeling stuurt de gates I 30 van transistor T5 en transistor T7 aan via hun respectieve aansluiting G2 en G1.

Vanwege de symmetrische opbouw wordt alleen tak 4-1 beschreven. Als de span- I ning op G2 voldoende groot is, bijvoorbeeld 12 V, zal T5 geleiden. Diode D5 zal in I geleiding gaan. Aansluiting J2 is dan aan massa verbonden. De gate van T4 heeft een I moQRoo· 11 iets lagere spanning (circa 0,6 V) dan de source spanning van D5 (nl. Vf van D5), zodat T4 in gesperde toestand is.

Als de spanning op G2 hoofdzakelijk nul volt bedraagt zal TS in gesperde toestand zijn. De spanning op de gate van transistor T4 zal stijgen, en T4 komt in geleiding. De 5 spanning op de source van T4 stijgt totdat de source-drain spanning Vds nagenoeg 0 Volt bedraagt. Diode D5 spert nu, waarbij zener-diode D10 ervoor zorgt dat de source-gate spanning Vgs van T4 op 12 Volt begrensd wordt.

Op J2 zal nu de voedingspanning aanwezig zijn vanuit de Buck regeling 3. Omdat de fasendetectorschakeling de spanning op G1 en de spanning op G2 in tegenfase met 10 elkaar varieert, ontstaat tussen de aansluitingen J1 en J2 een wisselende spanning waarvan de wisselfrequentie overeenkomt met de draai frequentie van de motor.

In de eerste tak 4-1 van H-brug 4 ligt zener-diode D6 met zijn ingang aan aarde en is zijn uitgang verbonden met de gate van transistor TS. Voorts ligt aan de gate van TS het aansluitpunt G2. Van transistor TS ligt de drain eveneens aan aarde.

15 Weerstand 21 is aan een eerste aansluiting aangesloten aan lijn VB3 en aan zijn tweede aansluiting verbonden met de gate van transistor T4 en met de uitgangen van diode D5 en zener-diode D10. De uitgangen van D5 en D10 zijn eveneens verbonden aan de source-ingang van transistor TS.

Lijn VB2 is verbonden met de source van transistor T4. De gate van transistor T4 is 20 verbonden met de ingang van diode D5 en de ingang van zener-diode D10. Eveneens is de drain van transistor T4 verbonden met condensator C13 en condensator C4 die onderling parallel aan elkaar geschakeld zijn. De drain van transistor T4 is eveneens verbonden met aansluitpunt J2, en via de parallel geschakelde condensatoren Cl 3 en C4 met aansluitpunt J5.

25 In tak 4-2 van H-brug 4, is de source van transistor T6 aangesloten aan lijn VB2. Aan lijn VB3 is aan een eerste aansluiting van weerstand R22 aangesloten. De tweede aansluiting van R22 is verbonden met de gate van transistor T6 en met de source van transistor T7. De drain van transistor T6 is verbonden aan een ingang van diode D7 en aan de daaraan parallel geschakelde zener-diode D2. Diode D7 en zener-diode D2 zijn 30 aan hun uitgang verbonden met de source van transistor T7. De gate van transistor T7 is verbonden met het aansluitpunt Gl, en met de zener-diode D8, die met zijn ingang aan aarde ligt. De drain van transistor T7 is verbonden met aarde.

1023538· 12

Figuur 7 toont een tweede deel van de voorkeursuitvoeringsvonn van een schakeling voor een toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding. Dit tweede deel omvat de aanstuurregeling 5. De aanstuurregeling 5 omvat comparatoren U1:A, U1:B, U1:C en U1:D, transistoren Tl, T2 en T10, condensatoren Cl, C2, C3, C5, zener-diode Dl, 5 en weerstanden Rl, R2, R3, R5, R6, R7, R8, R9, RIO, R11, R17, R18, R23, R24, R28, R30, R31, R32, R33, en R34.

De aanstuurregeling 5 omvat een puls(breedtemodulatie)generator om de Buck regeling 3 door middel van aanstuurpulsen aan te sturen.

Aan voedingsspanning is een eerste aansluiting van weerstand Rl verbonden, waar-10 bij de tweede aansluiting van Rl verbonden is met een eerste aansluiting van weerstand R2 en een positieve ingang van comparator UI :C. De tweede aansluiting van weerstand R2 is verbonden met aarde. Voorts is Rl verbonden met een eerste aansluiting van weerstand R24. Een tweede aansluiting van weerstand R24 is verbonden aan de uitgang van comparator U1:C en met een eerste aansluiting van weerstand Rl 1 en een tweede 15 aansluiting van weerstand Rl 0. Weerstand Rl 1 is met zijn tweede aansluiting verbon den met de voedingsspanning. De eerste aansluiting van weerstand R10 is veibonden met de negatieve ingang van comparator UI :C en eveneens met een eerste aansluiting van condensator Cl, die met zijn andere aansluiting verbonden is met aarde.

De eerste aansluiting van weerstand R10 is eveneens verbonden met de negatieve 20 ingang van comparator UI :B. De positieve ingang van UI :B is verbonden met een eer ste aansluiting van condensator C2, een eerste aansluiting van weerstand R23, een eerste aansluiting van weerstand R3 en een eerste aansluiting van weerstand R28. Een tweede aansluiting van R3 is verbonden met de voedingsspanning. Een tweede aansluiting van weerstand R28 is verbonden met een eerste aansluiting van weerstand RS en 25 met een eerste aansluiting van condensator C5. De tweede aansluiting van respectievelijk C2, R23, R5 en C5 is met aarde verbonden. De tweede aansluiting van R28 is verbonden met een uitgang van digitaal-analoog-converter DAC 32.

Eveneens is de uitgang van DAC 32 verbonden met de positieve ingang van comparator UI:A en een eerste aansluiting van R30. De negatieve ingang van UI :A is ver-30 bonden met een eerste aansluiting van R6 en een eerste aansluiting van R9. De tweede aansluiting van R9 is met de voeding veibonden. De tweede aansluiting van R6 is met aarde verbonden.

1023538« 13 - Met de voedingsspanning is een eerste aansluiting van weerstand R34 verbonden.

De tweede aansluiting van R34 is verbonden met de negatieve aansluiting van comparator UI :D en tevens met de uitgang van zener-diode Dl. De ingang van zener-diode Dl is verbonden met aarde. Eveneens is aan de voeding een eerste aansluiting van 5 weerstand R18 verbonden. De tweede aansluiting van weerstand R18 is verbonden met een eerste aansluiting van weerstand R17 en met een eerste aansluiting van weerstand R33. De tweede aansluiting van R17 is verbonden met aarde. De tweede aansluiting van R33 is verbonden met de uitgang van UI :D. De uitgang van UI :D is verbonden met een eerste aansluiting van weerstand R31. De tweede aansluiting van R30 is even-10 eens verbonden met de eerste aansluiting van R31. Ook is de uitgang van UI:A verbonden met de eerste aansluiting van R31. Tenslotte is een eerste aansluiting van een weerstand R32 verbonden aan de eerste aansluiting van weerstand R31. De tweede aansluiting van R32 is verbonden met de voedingsspanning.

De uitgang van comparator UI :B is verbonden met de tweede aansluiting van R31. 15 De uitgang van UI :B is eveneens verbonden met de basis van transistor T10. De emitter van transistor T10 is verbonden met aarde.

De collector van Tl0 is verbonden met een eerste aansluiting van weerstand R8, en met een basis van transistor T2 en een basis van transistor Tl. De tweede aansluiting van weerstand R8 is met voedingsspanning verbonden.

20 Transistoren Tl en T2 zijn parallel aan elkaar geschakeld. De collector van Tl is verbonden met voedingsspanning. De emitter van Tl is verbonden met de collector van T2, en met een eerste aansluiting van weerstand R7. De emitter van transistor T2 is verbonden met aarde. De tweede aansluiting van weerstand R7 is verbonden met een eerste aansluiting van condensator C3. De tweede aansluiting van C3 is verbonden met 25 de met een aansluitpunt T+.

Aansluitpunt T+ is verbonden met de tweede ingang L2-2 van de pulstrafo L2; voor het doorgeven van de aanstuurpulsen die door de schakeling van Fig. 7 worden gegenereerd.

Om het pulsbreedtemodulatiesignaal (PWM-signaal) te genereren is door middel 30 van de schakeling rond comparator UI :C een driehoekgenerator opgebouwd. Het uitgangssignaal van deze driehoekgenerator is geen zuivere driehoek, maar wordt gevormd door een exponentiële laad- en ontlaadcurve van het bijbehorende RC-netwerk (bestaande uit Rl, R2, Cl). De spanning die gegenereerd wordt door DAC 32, bepaalt 1023532· 14 het toerental van de motor. Door middel van een weerstandnetwerk (bestaande uit R3, R5, R23 en R28) wordt de spanning aan de positieve ingang van de comparator UI :B aangeboden. Door dit signaal te vergelijken met het signaal dat vanuit de rond de UI :C opgebouwde driehoeksgenerator gegenereerd wordt, wordt een PWM-signaal opge-5 werkt aan de uitgangszijde van UI :B.

In de schakeling is een mogelijkheid voorzien om de motor spanningsloos te maken. Deze mogelijkheid is opgebouwd rond UI:A. Als het door DAC 32 gegenereerde signaal beneden een bepaalde potentiaal ligt, zal de uitgang van UI :A de spanning laag maken, zodat het PWM-signaal niet meer op de versterkertrap ter plekke van de uit-10 gang van DAC 32 zal staan.

Figuur 8 toont een derde deel van een voorkeursuitvoeringsvorm van een schakeling voor een toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding. In dit derde deel bevindt zich de eerder in figuur 6 genoemde fasendetectorschakeling.

De fasendetectorschakeling volgens Fig. 8 omvat weerstanden R12, R13, R14, R15, 15 R16, R19, R20, R25, en comparatoren U2: A en U2:B, en een condensator C6.

Aan eerste aansluitpunt PH1 is een eerste aansluiting van R12 verbonden. Tweede aansluiting van R12 is verbonden met de negatieve ingang van U2:A, een eerste aansluiting van R14, en een eerste aansluiting van C6.

Het tweede aansluitpunt PH2 is aan een eerste aansluiting van R13 verbonden. De 20 tweede aansluiting van R13 is verbonden aan de tweede aansluiting van C6, aan de positieve ingang van U2:A en aan de positieve ingang van U2:B. Voorts is de tweede aansluiting van R13 verbonden aan een eerste aansluiting van R25. De tweede aansluiting van R14 is aan aarde verbonden, evenals de tweede aansluiting van R25.

De negatieve ingang van U2:A is eveneens verbonden met de negatieve ingang van 25 U2:B. De uitgang van U2:A is verbonden met een eerste aansluiting van R15. De twee de aansluiting van R15 is verbonden rhet een eerste aansluiting van R16, en met aansluitpunt G1 van H-brug 4. De tweede aansluiting van R16 is verbonden met de voedingsspanning.

De uitgang van U2:B is verbonden met een eerste aansluiting van R19. De tweede 30 aansluiting van R19 is verbonden met een eerste aansluiting van R20 en met aansluitpunt G2 van H-brug 4. De tweede aansluiting van R20 is verbonden met de voedingsspanning.

T0t3532· 15

De fasendetectorschakeling volgens Fig. 8 stuurt door middel van de fase van het signaal V2 wat zich bevindt tussen de aansluitpunten PH1 en PH2, de transistor T7, respectievelijk T5 aan, zoals al beschreven is onder verwijzing naar Fig. 6.

Figuur 9 toont een vierde deel van een voorkeursuitvoeringsvorm van een schake-5 ling voor een toerentalregeling volgens de onderhavige uitvinding.

In dit vierde deel zijn omvat: comparatoren U1:E, U2:C, condensatoren C7, C14.

Een eerste aansluiting van comparator U1:E is verbonden met een eerste aansluiting aan de voedingsspanning, en met een eerste aansluiting van condensator C7. Een tweede aansluiting van UI :E ligt aan aarde. Een tweede aansluiting van C7 ligt eveneens 10 aan aarde.

Een eerste aansluiting van U2:C is verbonden met de voedingsspanning, en met een eerste aansluiting van condensator C14. Een tweede aansluiting van U2:C is verbonden met aarde. Een tweede aansluiting van condensator C14 is eveneens aan aarde verbonden.

15 De bovenbeschreven schakeling heeft het voordeel boven een schakeling van de stand van de techniek, dat in plaats van een volledige H-brug die op 20 kHz (of daaromtrent) functioneert slechts één transistor (bijvoorbeeld een MOSFET) op hoge frequentie dient te worden aangedreven.

Voorts wordt de koppeling van het pulsbreedtemodulatiesignaal, dat gegenereerd 20 wordt door een microcomputer, micro-controller of ander regelend element via een pulstrafo aan de hoogfrequente MOSFET gekoppeld.

Dankzij de pulstrafo is het mogelijk het pulsbreedtemodulatiesignaal, dat een laag-spanning van 5 tot 12 volt omvat, te koppelen aan de hoogfrequente MOSFET die functioneert op 300 volt. Hiervoor is op voordelige wijze geen dure optische isolatie nodig. 25 Voorts wordt opgemerkt dat bij een H-brug die volledig op hoge frequentie werkt, slechts een duty-cycle met een symmetrische belasting van de MOSFET kan plaatsvinden, zoals aan de deskundige op het vakgebied bekend zal zijn. Een asymmetrische duty-cycle is niet mogelijk. De schakeling volgens de onderhavige uitvinding is echter wel in staat een willekeurige duty-cycle door te geven, met behulp van de pulsbreedte-30 modulatie. Zoals al beschreven onder verwijzing naar Fig. 6 stuurt een eerste puls een transistor T8 in geleiding, terwijl een volgende negatieve puls zorgt dat T8 in gesperde toestand gaat. Hierdoor is het mogelijk de uitgangsspanning V(<p) van een willekeurige duty-cycle te voorzien.

1023532· I 16 I Andere alternatieven en equivalente uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvin- I ding zijn denkbaar binnen de uitvindingsgedachte, zoals aan de deskundige op het vak- I gebied duidelijk zal zijn.

H

I inosRooii

Claims

1. Toerentalregeling voor een borstelloze gelijkstroommotor, waarbij de gelijk-stroommotor een stator, een rotor en een elektromagneet omvat, waarbij de elektromagneet zich bevindt in de nabijheid van de rotor, de stator een permanent 5 magneetveld voortbrengt en de elektromagneet wordt aangestuurd om een wisse lend magneetveld te genereren; voorts omvattend een voeding, en een regelend element, waarbij het regelend element verbonden is aan de voeding voor het regelen van de voeding van de elektromagneet, zodat tijdens gebruik een door de gelijkstroommotor gegenereerd 10 koppel geregeld wordt, met het kenmerk, dat de toerentalregeling in staat is een spanning (V(<p)) te genereren als functie van rotordraaisnelheid, rotorpositie (φ), rotorbelasting en motoraansturing, waarbij de toerentalregeling het verloop van de spanning V(<p) van de motor als functie van de rotorpositie φ zo instelt dat het momentane koppel T(<p) tenminste 15 in de nabijheid van een ompoling van het aandrijvend magneetveld voldoet aan de voorwaarden dat de afgeleide δΤ(φ)/δφ hoofdzakelijk nul is, en de tweede afgeleide δ2Τ(φ)/d<p2 een hoofdzakelijk monotone functie is.

2. Toerentalregeling voor een borstelloze gelijkstroommotor volgens conclusie 1, 20 met het kenmerk, dat het momentane koppel Τ(φ) tenminste in de nabijheid van een ompoling van het aandrijvend magneetveld hoofdzakelijk voldoet aan r(p)=7\(y-ycos(40>», waarbij f een gemiddelde waarde van het koppel is.

3. Toerentalregeling voor een borstelloze gelijkstroommotor volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het regelend element (9) het verloop van de spanning V(<p) van de motor als functie van de rotorpositie φ instelt.

4. Toerentalregeling voor een borstelloze gelijkstroommotor volgens conclusie 1,2 30 of 3, met het kenmerk, dat I 18 I ..........de regeling voorts een Buck regeling (3), een H-brug (4) en een aanstuurregeling I (5) omvat, I waarbij de Buck regeling (3) dient voor het genereren van de aanstuurspanning I ν(φ), de Buck regeling (3) verbonden is met zijn ingang aan een uitgang van de I 5 aanstuurregeling (5) voor het ontvangen van een aanstuursignaal en met zijn uit- I gang aan een ingang van de H-brug (4) voor het doorgeven van de aanstuurspan- I mng(V(9», I waarbij de aanstuurregeling (S) als het aanstuursignaal een hoogfrequent laag- spanningspulsmodulatiesignaal (T+) genereert. I 10

5. Toerentalregeling voor een borstelloze gelijkstroommotor volgens conclusie 4, I waarbij de Buck regeling (3) een regeltransistor (T8) voor het regelen van de I spanning (V((p)), een aanstuurtransistor (T9) voor het aansturen van de regeltran- I sistor (T8), en een pulstrafo (L2) omvat, I waarbij de pulstrafo (L2) het hoogfrequente laagsspanningspulsmoduladesignaal I 15 (T+) omzet naar een hoogfrequent aanstuursignaal voor aanstuurtransistor (T9), I en waarbij het aanstuursignaal van de aanstuurtransistor (T9) aan de gate van de re- I geltransistor (T8) wordt toegevoerd om de regeltransistor (T8) te schakelen.

6. Toerentalregeling voor een borstelloze gelijkstroommotor volgens één van de 20 voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de H-brug (4) een eerste aandrijftak I (4-1) voor het aandrijven van de gelijkstroommotor (1) via een eerste aansluiting I (J1, J5) en een tweede aandrijftak (4-2) voor het aandrijven van de gelijkstroom- I motor (1) via een tweede aansluiting (J2) omvat, I waarbij de eerste aandrijftak (4-1) eerste en tweede aandrijftransistoren ( T4, T5) 25 en de tweede aandrijftak (4-2) derde en vierde aandrijftransistoren (T6,17) om- I vat, I en waarbij de eerste aandrijftak (4-1) voorzien is van een eerste ingang (G2) en de tweede aandrijftak (4-2) voorzien is van een tweede ingang (Gl) voor het ont- H vangen van een fasendetectiesignaal dat afgeleid is van een netspanningssignaal H 30 van de voeding.

7. Toerentalregeling voor een borstelloze gelijkstroommotor volgens één van de I voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de regeling voorts een Hall sensor I (6) en een regelend element (9) omvat, waarbij: - de Hall sensor (6) ingericht is voor het opnemen van een Hall signaal van de ro-torpositie <p, en de Hall sensor (6) met zijn uitgang verbonden is met een ingang van het regelend element (9); 5. het regelend element (9) voorzien is van een regelbare spanningsbron (32), waarvan een uitgang verbonden is met een ingang van de aanstuurregeling (S), voor het terugkoppelen van informatie uit het Hall signaal naar de aanstuurregeling (5).

8. Toerentalregeling voor een borstelloze gelijkstroommotor volgens één van de 10 voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de regeling voorts een stroom- terugkoppeleenheid (7) omvat, waarbij: - de stroom-terugkoppeleenheid (7) ingericht is voor het opnemen van een stroomsignaal van de door de H-brug (4) aan de gelijkstroommotor (1) geleverde 15 stroom, en de stroom-terugkoppëleenheid (7) met zijn uitgang verbonden is met een ingang van het regelend element (9); - het regelend element (9) via de regelbare spanningsbron (32) informatie uit het stroomsignaal van stroom-terugkoppeleenheid (7) naar de aanstuurregeling (5) te-rugkoppelt.

9. Toerentalregeling voor een borstelloze gelijkstroommotor volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de regeling voorts spanning-terugkoppeleenheid (8) omvat, waarbij: de spanning-terugkoppeleenheid (8) ingericht is voor het opnemen van een span-25 ningssignaal van de door de Buck eenheid (3) opgewekte aanstuurspanning (V(<p)), en de spanning-terugkoppeleenheid (8) met zijn uitgang verbonden is met een ingang van het regelend element (9); - het regelend element (9) via de regelbare spanningsbron (32) informatie uit het spanningssignaal van spanning-terugkoppeleenheid (8) naar de aanstuurregeling 30 (5) terugkoppelt. 1023532·