DE3609678A1

DE3609678A1 - Antriebsanordnung mit kollektorlosem gleichstrommotor

Info

Publication number: DE3609678A1
Application number: DE19863609678
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. 78112 St. Georgen Müller
Original assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG; Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1985-03-21
Filing date: 1986-03-21
Publication date: 1986-09-25
Anticipated expiration: 2006-03-22
Also published as: US4620138A; DE3609678C2

Description

DE-336

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung mit einem kollektorlosen Gleichstrommotor und einer in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors des Motors angesteuerten elektrischen Kommutierungseinrichtung, wobei Maßnahmen getroffen sind, um Kommutierungsgeräusche besonders klein zu halten.

Kollektorlose Gleichstrommotore mit elektrischer Kommutierungseinrichtung sind bekannt.

!Λ/ Aus der US-PS 4,230,976 ist insbesondere eine Antriebsanordnung mit einem kollektorlosen Gleichstrommotor bekannt, der einen Permanentmagnetrotor und eine Statorwicklungsanordnung aufweist. Ferner sind eine Drehstellungsmelderanordnung, die im Betrieb Drehstellungssignale liefert, welche eine Funktion der Drehstellung des Rotors sind, und eine mit den Drehstellungssignalen beaufschlagte elektrische Kommutierungseinrichtung vorgesehen, welche die Statorwicklungsanordnung selektiv mit einer Stromquelle verbindet. Bei der bekannten Anordnung wird der Drehstellungsmelder von einem Hallgenerator gebildet. Der Speisestrom des Hallgenerators wird in Synchronismus mit der Rotordrehung in der Weise moduliert, daß eine Verminderung des Hallgenerator-Speisestroms erfolgt, wenn die Flußdichte am Hallgenerator Null oder nahezu Null ist. Dadurch wird bewirkt, daß im Bereich des Kommutierungszeitpunkts der durch die Statorwicklungsanordnung fließende Strom wesentlich vermindert oder unterbrochen wird.

In der Praxis werden zur Steuerung der Kommutierung von kollektorlosen Gleichstrommotoren häufig jedoch Drehstellungsmelder benutzt, die keine Modulation ihres Speisestroms zulassen und bei denen infolgedessen die aus der US-PS 4,230,976 bekannte Lösung von vorneherein ausscheidet. Zu solchen Drehstellungsmeldern gehöhren beispielsweise Hall-IC-Anordnungen.

A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung mit kollektorlosem Gleichstrommotor und elektrischer Kommutierungseinrichtung zu schaffen, die einen besonders gleichförmigen Lauf hat und bei der auf die Kommutierung zurückführende Geräusche wirkungsvoll reduziert sind. Die neue Antriebsanordnung soll dabei mit Drehstellungsmeldern beliebiger Art ausgestattet werden können, z.B. auch mit Hall-IC-Anordnungen.

Eine Antriebsanordnung mit einem kollektorlosen Gleichstrommotor, der einen Permanentmagnetrotor und eine Statorwicklungsanordnung aufweist, einer Drehstellungsmelderanordnung, die im Betrieb Drehstellungssignale liefert, welche eine Funktion der Drehstellung des Rotors sind, und einer mit den Drehstellungssignalen beaufschlagten elektrischen Kommutierungseinrichtung, welche die Statorwicklungsanordnung selektiv mit einer Stromquelle verbindet, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Drehzahlregelvorrichtung zum Erzeugen eines am Ausgang der Drehzahlregelvorrichtung auftretenden Reglersignals, das eine Funktion der Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl des Rotors ist und das die Stromzufuhr zu der Statorwicklungsanordnung steuert, und eine Einrichtung zum Modulieren des Reglersignals in Synchronismus mit der Drehung des Rotors derart, daß der in der Statorwicklungsanordnung zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungsvorgängen fließende Strom beginnend mit einem mit dem Kommutierungszeitpunkt mindestens näherungsweise zusammenfallenden Zeitpunkt zunächst anschwillt und dann bis zu einem mit dem darauf folgenden Kommutierungszeitpunkt mindestens näherungsweise zusammenfallenden Zeitpunkt wieder abschwillt.

Bei der Antriebsanordnung nach der Erfindung wird unabhängig von der Art des vorgesehenen Drehstellungsmelders der Wicklungsstrom während der Kommutierungsphase wesentlich reduziert bzw. zu Null gemacht. Damit werden sprungartige Stromänderungen in der Kommutierungsphase vermieden. Auf solche Stromänderungen zurückzuführende Geräusche werden verhindert.

In bevorzugter weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Modulationseinrichtung derart ausgelegt, daß dem eine Funktion der Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl des Rotors darstellenden Reglersignal im Betrieb ein Signal überlagert ist, das mindestens näherungsweise einem gleichgerichteten Sinussignal entspricht, dessen Umkehrpunkte mit den Kommutierungszeitpunkten zusammenfallen. Das angenähert sinusförmige Modulationssignal erzwingt in den einzelnen Wicklungen der Statorwicklungsanordnung sinusähnliche Stromänderungen. Es wird dadurch im Betrieb für einen besonders ruhigen Lauf gesorgt.

Das Modulationssignal kann wahlweise auf der Eingangsseite der Drehzahlregelvorrichtung dem der Drehzahlregelvorrichtung zugehenden Istdrehzahlsignal, oder dem der Drehzahlregelvorrichtung zugeführten Solldrehzahl signal überlagert werden. Das Modulationssignal kann aber auch auf der Ausgangsseite der Drehzahlregelvorrichtung dem Reglersignal überlagert werden, das eine Funktion der Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl des Rotors ist. Ist die Drehzahlregelvorrichtung mehrstufig ausgebildet, kann die Überlagerung ferner zwischen einer der Stufen erfolgen. Die Überlagerung auf der Eingangsseite der Drehzahlregelvorrichtung hat den besonderen Vorteil, daß mit niedrigen Modulationssignalpegeln bzw. mit einer einen hohen Innenwiderstand aufweisenden Modulationseinrichtung gearbeitet werden kann.

Zur Bildung des Modulationssignals kann die Modulationseinrichtung vorzugsweise Mittel zum Auskoppeln von in den Wicklungen der Statorwicklungsanordnung induzierten Spannungen aufweisen. Eine derartige Singalauskopplung ist an sich beispielsweise aus Fig. 3 der US-PS 4,230,976 bekannt und bedarf daher vorliegend keiner näheren Erläuterung. Ein derart ausgekoppeltes Signal ist in der Regel hökkerförmig, und die Modulationseinrichtung ist vorteilhaft zusätzlich mit einer Formerschaltung, vorzugsweise in Gestalt einer Filteranordnung, ausgestattet, die das ausgekoppelte Modulationssignal in eine Wellenform bringt, die eine gleichgerichtete Sinusspannung approximiert.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schem.atische Schaltung der wesentlichen Teile einer Antriebsanordnung nach der Erfindung mit einem zweisträngigen, zweipulsigen kollektorlosen Gleichstrommotor, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 1 für eine Antriebsanordnung mit einem viersträngigen, vierpulsigen kollektorlosen Gleichstrommotor.

In Fig. 1 ist der permanentmagnetische, Nord- und Südpole N bzw. S aufweisende Rotor eines zweisträngigen, zweipulsigen Motors schematisch bei 10 angedeutet. Der Stator des Motors besitzt zwei um 180° versetzte Wicklungsstränge 11, 12 in Form einer in der Mitte angezapften Wicklung. Die Wicklungsstränge 11, 12 werden über je einen steuerbaren Halbleiter, beispielsweise die dargestellten Endstufentransistoren 13, 14 mit jeweils zugeordneten Vorstufentransistoren 15, 16 angesteuert. Der Stator erzeugt dabei im Betrieb ein reines Wechselfeld. Durch geeignete Gestaltung des magnetischen Kreises wird vorzugsweise für ein sogenanntes Reluktanzmoment gesorgt. Motore dieser Art sind bekannt (Aufsatz "Zweipulsige kollektorlose Gleichstrommotoren" von Rolf Müller in "asr-digest für angewandte Antriebstechnik", Heft 1-2/1977, US-PS 3,873,897 und US-PS 3,840, 761) .

Die in Fig. 1 veranschaulichte Antriebsanordnung wird aus einer Gleichstromquelle 17 gespeist, deren Ausgängen 18, 19 ein Glättungskondensator 20 parallelgeschaltet ist. An den positiven Ausgang 18 der Gleichstromquelle 17 ist eine Spannungsregelstufe 21 angeschlossen, um die nachgeschalteten Teile der Antriebsanordnung mit einer geregelten Spannung zu versorgen. Zwischen dem Ausgang 22 der Spannungsregelstufe 21 und dem beispielsweise auf Massepo-

tential liegenden Ausgang 19 befindet sich ein weiterer Glättungskondensator 23.

Eine Drehstellungsmelderanordnung 25 liefert in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors 10 Drehstellungssignale zum Ansteuern der im wesentlichen aus den Transistoren 13 bis 16 bestehenden Kommutierungseinrichtung. Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel besteht die Drehstellungsmelderanordnung aus einem Hall-IC 26 und einer an den Ausgang 27 des Hall-IC 26 angeschlossenen Phasenumkehrstufe mit einem Transistor 28 und Widerständen 29, 30, 31. Das Hall-IC 26 ist so angeordnet, daß es den von dem permanentmagnetischen Rotor 10 erzeugten Magnetfluß erfaßt. Die Anordnung kann so getroffen sein, wie dies in Fig. 1 der US-PS 4,430,603 dargestellt ist, wobei allerdings für die Antriebsanordnung gemäß Fig. 1 der vorliegenden Erfindung nur einer der beiden in der Patentschrift dargestellten HaIl-ICs erforderlich ist. über einen an den Ausgang 27 des Hall-IC 26 angeschlossenen Widerstand 32 geht im Betrieb auf eine Steuerleitung 33 ein erstes Kommutierungssignal, daß bei 34 schematisch angedeutet ist. Gleichzeitig wird vom Ausgang des Transistors 28 über einen Widerstand 35 ein bei 36 angedeutetes Kommutierungssignal auf eine Steuerleitung 37 gegeben. Die Kommutierungssignale 34, 36 sind, wie angedeutet, um 180° gegeneinander phasenversetzt. Mittels der Kommutierungssignale 34, 36 werden die Basen der Endstufentransistoren 13, 14 angesteuert. Die Steuerleitungen 33, 37 sind ferner mit den Emittern der Vorstufentransistoren 15, 16 verbunden. An die Basen der Vorstufentransistoren 15, 16 ist der Ausgang 38 eines Drehzahlreglers 40 angeschlossen. Einem ersten Eingang 41 des Drehzahlreglers 40 geht ein der Istdrehzahl des Rotors 10 entsprechendes Istdrehzahlsignal zu. Dieses Signal kann beispielsweise von einem mit dem Rotor 10 gekoppelten Tachogenerator 42 erzeugt werden. An einem zweiten Eingang 43 des Drehzahlreglers 40 liegt ein Solldrehzahlsignal an, d.h. ein Signal, das die gewünschte Drehzahl des Rotors 10 bestimmt. Am Ausgang 38 des Drehzahlreglers 40 erscheint daher im Betrieb ein Reglersignal, das eine Funktion der Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl· des

Rotors 10 ist, um die Stromzufuhr von der Gleichstromquelle 17 zu den Statorwicklunssträngen 11, 12 derart zu steuern, daß die Istdrehzahl ständig gleich oder nahezu gleich der Solldrehzahl gehalten wird.

Die im Betrieb in den Wicklungssträngen 11, 12 der Statorwicklungsanordnung induzierte Spannung wird mittels Dioden 45 bzw. 46 ausgekoppelt, deren Anoden an die Verbindungsstellen der betreffenden Wicklungsstränge 11, 12 und dem Kollektor des zugehörigen Endstufentransistors 13 bzw. 14 angeschlossen sind. Die Kathoden der Dioden 45, 46 sind untereinander verbunden; sie stehen über einen Widerstand 47 mit Massepotential in Verbindung. An der Verbindungsstelle 48 der Kathoden der Dioden 45, 46 erscheint infolgedessen eine Höckerspannung, die schematisch bei 49 angedeutet ist. Diese Hockerspannung 49 hat eine Frequenz, die gleich der zweifachen Frequenz der Kommutierungssignale 34, 36 ist. An die Verbindungsstelle 48 ist eine Filteranordnung mit einem Widerstand 50 und einem Kondensator 51 angeschlossen. Der Widerstand 50 und der Kondensator 51 bilden einen Tiefpaß, der die Höckerspannung 49 in ein bei 52 angedeutetes Modulationssignal umformt, das mindestens näherungsweise die Form einer gleichgerichteten Sinusspannung hat und dessen Umkehrpunkte 53 mit den Kommutierungszeitpunkten 57, 58 zusammenfallen. Über einen Koppelkondensator 54, einen Koppelwiderstand 55 und eine Leitung 56 wird das Modulationssignal 52 dem Istwerteingang des Drehzahlreglers 40 zugeführt, um dort dem vom Tachogenerator erzeugten Istdrehzahlsignal überlagert zu werden. Dies bewirkt, daß das normale - d.h. ihne die Rückführung des Modulationssignals 52 gebildete - Reglersignal am Ausgang 38 des Drehzahlreglers 40 in Synchronismus mit der Drehung des Rotors 10 derart moduliert wird, daß der in der Statorwicklungsanordnung 11, 12 zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungsvorgängen fließende Strom beginnend mit einem mit dem Kommutierungszeitpunkt (d.h. der Umschaltung von dem Wicklungsstrang 11 auf den Wicklungsstrang 12 oder umgekehrt) mindestens näherungsweise zusammenfallenden Zeit-

punkt zunächst sinusähnlich anschwillt, in der Mitte zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Kommutierungsvorgängen einen Maximalwert erreicht und dann bis zu einem mit dem darauffolgenden Kommutierungszeitpunkt (d.h. der Umschaltung von dem Wicklungsstrang 12 auf den Wicklungsstrang 11 oder umgekehrt) mindestens näherungsweise zusammenfallenden Zeitpunkt wieder sinusähnlich abschwillt. Der Strom in der Statorwicklungsanordnung 11, 12 erreicht zum Zeitpunkt der Kommutierung einen Kleinstwert. Im Betrieb wird durch diese Art der Strommodulation für einen besonders ruhigen Lauf gesorgt. Knackgeräusche während des Kommutierens werden wirkungsvoll vermieden. Der sinusförmige Strom in der Statorwicklungsanordnung hat vor allem dann eine besonders effektive geräuschmindernde Wirkung, wenn der Motor eine sogenannte - asymmetrische Bauart hat. Unter asymmetrischer Bauart wird vorliegend verstanden, daß der Rotormagnet auf der einen Seite über das Statoreisen weiter hinausragt als auf der anderen Seite, wie dies beispielsweise in Fig. 1 der oben erwähnten US-PS 4,430,603 dargestellt ist.

Die Leitung 56 kann, falls erwünscht, in der in Fig. 1 mit gestrichelten bzw. strichpunktierten Linien angedeuteten Weise auch zum Sollwerteingang 43 bzw. zum Ausgang 38 des Drehzahlreglers 40 führen. Im letztgenannten Fall ist gegebenenfalls zwischen den Widerstand 55 und den Ausgang 38 eine Verstärkerstufe 59 einzufügen, die in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist.

Das vorliegend erläuterte erfindungsgemäße Prinzip läßt sich auch bei anderen als zweisträngigen, zweipulsigen Motoren anwenden. Die Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem viersträngigen, vierpulsigen kollektorlosen Gleichstrommotor, der vier um 90° versetzte Wicklungsstränge 11, 12, II¹, 12' aufweist, die über je ein Halbleiterelement - im veranschaulichten Ausführungsbeispiel wiederum jeweils eine Kombination von Endstufen- und Vorstufentransistoren 13, 14, 15, 16, 13', 14', 15', 16' - eine zyklische Folge von vier Stromimpulsen je elektrischer Umdrehung erhalten.

Dabei sind zwei Drehstellungsmelderanordnungen 25, 15' vorgesehen, die um 90° gegeneinander versetzte Kommutierungssignale 34, 34', 36, 36' an vier Steuerleitungen 33, 33', 37, 37' liefern Zwei zusätzliche Dioden 45, 46¹ liegen zwischen der Verbindungsstelle 48 und den Verbindungspunkten der Kollektoren der Transistoren 13', 14' mit den Wicklungssträngen 11', 12". Die Höckerspannung 49' hat eine Frequenz gleich dem Vierfachen der Frequenz der Kommutierungssignale 34, 34', 36, 36'. Im übrigen entsprechen Aufbau und Funktionsweise denjenigen der Anordnung nach Fig. 1.

Der Drehzahlregler 40 kann in beliebiger bekannter Weise aufgebaut sein. Besonders geeignet sind unter anderem Drehzahlregler gemäß der US-PS 4,240,014.

Die Drehstellungsmelderanordnungen 25 bzw. 25 und 25' können grundsätzlich auch in anderer beliebiger bekannter Weise aufgebaut sein. Beispielsweise können optische Drehstellungsmelder vorgesehen sein, bei denen ein Lichtstrahl in einem von der Rotordrehzahl abhängigen Takt unterbrochen wird.

Antriebsanordnungen der vorliegend geschilderten Art eignen sich unter anderem insbesondere für Hartplatten-Magnetspeicherantriebe und dergleichen.

Claims

Papst-Motoren GmbH & Co. KG 7742 St. Georgen/Schwarzw. Antriebsanordnung mit kollektorlosem Gleichstrommotor Patentansprüche

1. Antriebsanordnung mit einem kollektorlosen Gleichstrommotor, der einen Permanentmagnetrotor (10). und eine Statorwicklungsanordnung (11, 12, H¹, 12") aufweist; einer Drehstellungsmelderanordnung (25, 25"), die im Betrieb Drehstellungssignale liefert, welche eine Punktion der Drehstellung des Rotors sind; und einer mit den Drehstellungssignalen beauf- ^ schlagten elektrischen Kommutierungseinrichtung (13, 14, 15, 16, 13', 14', 15', 16'), welche die Statorwicklungsanordnung selektiv mit einer Stromquelle verbündet, gekennzeichnet durch eine Drehzahlregelvorrichtung (40) zum Erzeugen eines am Ausgang der Drehzahlregelvorrichtung auftretenden Reglersignals, das eine Funktion der Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl des Rotors (10) ist und die Stromzufuhr zu der Statorwicklungsanordnung (11, 12, H ' _r 12') steuert; und einer Modulationseinrichtung (45, 46, 45', 46', 50, 51) zum Modulieren des Reglersignals in Synchronismus mit der Drehung des Rotors derart, daß der in der Statorwicklungsanordnung zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungsvorgängen fließende Strom beginnend mit einem mit dem Kommutierungszeitpunkt mindestens näherungsweise zusammenfallenden Zeitpunkt zunächst anschwillt und dann bis zu einem mit dem darauf folgenden Kommutierungszeitpunkt min-

destens näherungsweise zusammenfallenden Zeitpunkt wieder abschwillt.

2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung (45, 46, 45', 46', 50, 51) derart ausgelegt ist, daß dem eine Funktion der Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl des Rotors darstellenden Reglersignal im Betrieb ein Signal überlagert ist, das mindestens näherungsweise einem gleichgerichteten Sinussignal entspricht, dessen Umkehrpunkte mit den Kommutierungszeitpunkten zusammenfallen.

3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlregelvorrichtung (40) eine Drehzahlmeßeinrichtung (42) zum Erzeugen eines der Istdrehzahl des Rotors (10) entsprechenden Istdrehzahlsignals zugeordnet ist und die Drehzahlregelvorrichtung das Reglersignal in Abhängigkeit von dem Istdrehzahlsignal erzeugt.

4. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlregelvorrichtung (40) eine Drehzahlmeßeinrichtung (42) zum Erzeugen eines der Istdrehzahl des Rotors (10) entsprechenden Istdrehzahlsignals und ein Sollwertgeber zum Erzeugen eines der Solldrehzahl des Rotors entsprechenden Solldrehzahlsignals zugeordnet sind und die Drehzahlregelvorrichtung das Reglersignal in Abhängigkeit von dem Istdrehzahlsignal und dem Solldrehzahlsignal erzeugt.

5. Antriebsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung (45, 46, 45', 46', 50, 51) ein Modulationssignal (52, 52') erzeugt, das dem Istdrehzahlsignal überlagert wird.

6. Antriebsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung(45, 46, 45', 46', 50. 51) ein Modulationssignal (52, 52') erzeugt, das dem Solldrehzahlsignal überlagert wird.

7. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung (45, 46, 45", 46', 50, 51)

ein Modulationssignal (52, 52') erzeugt, das dem eine Funktion der Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl des Rotors darstellenden Reglersignal überlagert wird.

8. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungsanordnung (11, 12, 11', 12') mit Mitteln (45, 46, 45', 46') zum Auskoppeln von in den Wicklungen der Statorwicklungsanordnung (11, 12, 11', 12') induzierten, das Modulationssignal bildenden Spannungen versehen ist.

9. Antriebsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung (45, 46, 45', 46', 50, 51) eine Filteranordnung (50, 51) zum Formen des Modulationssignals in eine Wellenform aufweist, die eine gleichgerichtete Sinusspannung approximiert.

10. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstellungsmelderanordnung (25, 25') einen oder mehrere Drehstellungsmelder aufweist, die ein sich abrupt zwischen diskreten Werten änderndes Ausgangssignal erzeugen.