CIRCUIT ARRANGEMENT FOR CONTROLLING THE ROTATION OF AN ELECTRONICALLY COMMUTATED MOTOR

Abstract: 1. Electronically commutated motor, more particularly, sub-fractional-horsepower motor for the drive of dental tools, having a circuit arrangement which derives from the present commutation signals a regulating variable for the speed regulation of the motor within a comparatively large speed range, characterised in that a device (4) is provided, which device produces a pulse pair (I1 , I2 ) from at least one of the present commutation signals per rotor revolution, the time interval between the second pulse (I2 ) of a pulse pair and the first pulse (I1 ) of the subsequent pulse pair corresponding to the actual value of the motor speed, in that an integrator (5) is provided, to which integrator, on the one hand, there is supplied an electrical quantity, which is preset by a transmitter (7) and which corresponds to the rated value of the motor speed, and, on the other hand, there is supplied the second pulse (I2 ) of all the pulse pairs, the integrator being reset to zero in each case by the second pulse (I2 ) and the output signal of the integrator being scanned at the instant of the next first pulse (I1 ) and the value of the scanned output signal being stored in a memory (6) up to the instant of the subsequent first pulse (I1 ), and in that the output of the memory controls the power output stage (2) of the motor (1).

Description: Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines elektronisch kommutierten Motors Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines elektronisch kommutierten Motors, insbesondere eines Kleinstmotors für den Antrieb zahnärztlicher Werkzeuge. Zur Drehzahlregelung von elektronisch kommutierten Motoren ist es bekannt, entweder zusätzliche Drehzahlerfassungseinrichtungen, wie z.B. Tachogeneratoren oder opto-elektronische bzw. induktive Impulsgeber, vorzusehen, die über eine entsprechende Ansteuerschaltung die Drehzahl des Motors regeln. Ausserdem ist die Messung der EMK in zeitweise stromlosen Motorwicklungen bekannt. Nachteilig bei all diesen bekannten Schaltungsanordnungen ist, dass jeweils absolute, der Drehzahl analoge elektrische Grössen gewonnen werden, die insbesondere bei grossen Drehzahlbereichen bzw. Drehzahlverhältnissen von z.B. 800 bis 100.000 Upm, wie sie bei zahn ärztlichen Antrieben gefordert werden, keine vernünftige Auswertung mehr zulassen. Die bekannten Schaltungsanordnungen würden unter solchen extremen Verhältnissen relativ störanfällig arbeiten. Die bei den bekannten Schaltungsanordnungen zusätzlich vorzusehenden Drehzahlerfassungseinrichtungen, wie Tachogeneratoren etc., erhöhen ausserdem unnötigerweise den Schaltungs- und damit Fertigungsaufwand des Motors. Motoren, bei denen die EMK in zeitweise stromlosen Motorwicklungen gemessen wird, scheiden wegen des zu schlechten Leistungsverhältnisses (Leistung/Bauvolumen) insbesondere bei Anwendung der Schaltungsanordnung im Dentalbereich, wo man die Motoren im Durchmesser extrem klein, dagegen die Leistung relativ gross haben möchte, weitgehend aus. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines elektronisch kommutierten'Motors anzugeben, mit der die vorgenannten Nachteile vermieden werden können, d.h. die Schaltungsanordnung soll, ohne dass im Motor zusätzliche Einrichtungen vorgesehen zu werden brauchen, über einen möglichst grossen Drehzahlregelbereich zuverlässig arbeiten. Zur Erreichung dieses Zieles wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass-Mittel vorhanden sind, die aus den Kommutierungssignalen des Motors eine Regelgrösse erzeugen, die der Abweichung des Istwertes vom Sollwert der Motordrehzahl proportional ist, und dass mit Hilfe dieser Regelgrösse die Leistungsstufe des Motors gesteuert wird. Die Kommutierungssignale können aus den Wicklungen selbst oder aus vorhandenen Gebern gewonnen werden. Vorteilhafterweise wird jeweils für eine Läuferumdrehung wenigstens ein Kommutierungssignal ge wonnen', welches - den Istwert der Drehzahl repräsentierend - in einem Vergleicherglied mit einer dem Sollwert der Motordrehzahl entsprechenden elektrischen Grösse verglichen wird. Die hieraus resultierende, der Abweichung des Istwertes vom Sollwert entsprechende Grösse wird für jeweils einen Messzyklus, maximal einer Läuferumdrehung, in einem im Takt der Kommutierungssignale angesteuerten Speicherglied, dessen Ausgang die Leistungsstufe des Motors steuert, abgespeichert. Die Kommutierungssignale werden vorteilhafterweise in jeweils zwei zeitlich versetzte Impulse umgeformt, von denen die zeitlich späteren einem Integrator und die zeitlich früheren einem Abtast- und Haltespeicher zugeführt werden. Dem Integrator, der jeweils mit dem zeitlich späteren der beiden Impulse in die Anfangsstellung gebracht wird, wird eine dem Sollwert der Drehzahl entsprechende elektrische Grösse zugeführt. Am Integratorausgang entsteht dadurch, über die Periodendauer einer Ankerumdrehung gesehen, ein sägezahnförmiger Impulsverlauf, der im Maximum abgetastet wird. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind auch aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den Unteransprüchen zu ersehen. Anhand der Zeichnung werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben, eine Ausführungsform in Analogtechnik, die andere in Digitaltechnik. Gemäss dem Blockschaltbild nach Figur 1 wird ein mit 1 bezeichneter Elektromotor in üblicher Weise von einem Leistungsteil 2 angesteuert. Die Kommutierungssignale, die entweder aus den Motorwicklungen selbst oder aus zusätzlichen Gebern im Motor gewonnen werden, werden, da sie in der Regel, wie in Figur 2 gezeigt, in Sinusform vorliegen, in einem Signalumformungsglied 3 in ein steilflankiges Rechtecksignal umgewandelt (Figur 3). Die Signalumformung kann in bekannter Weise mit Komparatoren, Diskriminatoren oder mittels Schmitt-Trigger erfolgen. Aus jeweils einer Flanke des Rechtecksignals werden in einem Impulsformerglied 4 zwei zeitlich versetzte Impulse 11 und 12 gewonnen (Figuren 4 und 5). Die Impulsbreite dieser beiden Impulse richtet sich nach der Verarbeitungszeit des Regelsystems und sollte so klein wie möglich sein. Dadurch, dass die Impulse aus den Kommutierungssignalen gewonnen werden, stellt der zeitliche Abstand der Impulse I1 I2 eine der Ist Drehzahl des Motors entsprechende Grösse dar. Der zeitlich spätere Impuls I2 (Figur 5) wird einem Integrator 5 zugeführt, der zeitlich frühere Impuls steuert einen Abtast- und Haltespeicher 6 an. Eine dem Sollwert entsprechende elektrische Grösse, z.B. in Form von Strom oder Spannung, wird von einem Sollwertgeber 7 dem Integrator 5 zugeführt, der mit dem zeitlich späteren Impuls I2 in die Anfangsstellung gebracht wird. Im Integrator 5 werden Soll- und Istwert miteinander verglichen und die Sollwertabweichung für die Dauer einer Motorumdrehung im Speicher 6 abgespeichert. Hierzu wird der sich durch Integrieren der Sollwert signale ergebende und so dem Soll-/Istwertvergleich entsprechende, sägezahnförmige Verlauf der Signale am Ausgang des Integrators 5 etwa im Maximum abgetastet (Figuren 6/7). Der zeitlich frühere der beiden Impulse Ii, 12 steuert dabei den Speicher 6. Der Speicher 6 wird nach jeder Umdrehung des Ankers aktualisiert, d. h. er bekommt bei jeder Umdrehung den aktuellen Wert zugeführt. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu'den bekannten Steuereinrichtungen. Die Amplitude des Sägezahns ist abhängig vom einge gebenen Sollwert und von der Ist-Drehzahl. Wird beispielsweise der Sollwert niedriger eingestellt, so ergibt sich ein flacherer Anstieg des Sägezahns, wie dies in dem mittleren Kurvenverlauf in Figur 6 dargestellt ist. Die Signale am. Speicherausgang, wie in Figur 7 dargestellt, sind unabhängig vom Absolutwert der Soll-Drehzahl; sie stellen vielmehr eine Aussage über das Mass der Abweichung des Istwertes vom Sollwert dar. Mit die sen Signalen lässt sich bei analoger Ausführung die Leistungsstufe 2 direkt ansteuern; bei digitaler Ausführung ist ein in der Darstellung nach Figur 1 gestrichelt eingezeichneter Digital-Analog-Wandler 8 vorzusehen. Die vorbeschriebene Drehzahlregelung kann mit analogen oder digitalen Bauelementen oder auch in Hybrid-Ausführung, d.h. in einer Kombination von analogen und digitalen Bauelementen, durchgeführt werden. Bei digitaler Ausführung kann als Impulsformer 4 ein Zähler, z.B. ein Johnson-Zähler, vorgesehen werden. Die Funktion des Integrators 5 übernimmt bei der Digitalausführung ebenfalls ein Zähler, der mit dem Sollwert, repräsentiert durch eine extern erzeugte Frequenz, getaktet wird und der mit dem zeitlich späteren Impuls I2 zurückgesetzt wird. Der Zähler wird zweckmässigerweise für den Anlauf auf Null gesetzt und im Maximum angehalten. Der zeitlich frühere Impuls I1 steuert den Digitalspeicher 6, der die Information aus dem Zähler vor dem Zurücksetzen übernimmt. Am Ausgang des Digitalspeichers 6 liegt dann ständig die Regelgrösse im Binärcode des Zählers an und wird nach jeder Umdrehung des Motors aktualisiert. Die Differenzfrequenz zwischen Sollwert und Motorfrequenz kann im eingeschwungenen Zustand je nach Grösse des Digitalspeichers 6 über die Ausgangsschnittstelle (strichpunktiert dargestellt) definiert werden. Wenn der Leistungsteil 2 in analoger Technik ausgeführt ist, ist ein Digital-Analog-Wandler mit Integrator (Position 8) nachzuschalten. Wesentliche Vorteile der erfindungsgemässen Steuerschaltung sind, dass ohne zusätzlichen Aufwand eine der Abweichung des Istwertes vom Sollwert entsprechende Regelgrösse aus den Kommutierungssignalen gewonnen wird, die der Ist-Drehzahl des Motors proportional ist. Im Prinzip können maximal so viele Messungen pro Umdrehung des Motors durchgeführt werden, als zur Kommutierung erforderliche Signalgeber im Motor vorhanden sind. Zweckmässig ist jedoch, insbesondere um Fertigungstoleranzen bei der Positionierung der Geber aus zu klammern, nur eine Messung pro Umdrehung des Ankers durchzuführen. Dadurch, dass die Information der Abweichung des Istwertes vom Sollwert für die Dauer einer Umdrehung abgespeichert und nach jeder Umdrehung des Motors aktualisiert wird, ergeben sich äusserst geringe Zeitkonstanten für den Regelkreis. 6 Patentansprüche 7 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines elektronisch kommutierten Motors, insbesondere eines Kleinstmotors für den Antrieb zahnärztlicher Werkzeuge, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Mittel (3, 6) vorhanden sind, welche aus den Kommutierungssignalen des Motors (1) eine Regelgrösse erzeugen, die der Abweichung des Istwertes vom Sollwert der Motordrehzahl proportional ist, und dass mit Hilfe dieser Regelgrösse die Leistungsstufe (2) des Motors (1) gesteuert wird. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jeweils für eine Läuferumdrehung wenigstens ein Kommutierungssignal gewonnen wird, welches in einem Vergleicherglied (5) mit einer dem Sollwert der Motordrehzahl entsprechenden elektrischen Grösse (7) verglichen wird, und dass die hieraus resultierende, der Abweichung des Istwertes vom Sollwert entsprechende Grösse für jeweils einen Messzyklus, maximal einer Läuferumdrehung, in einem im Takt der Kommutierungssignale angesteuerten Speicherglied (6) abgespeichert wird, dessen Ausgang die Leistungsstufe (2) des Motors (1) steuert. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kommutierungs- signale (Figur 2) in jeweils zwei zeitlich versetzte Impulse (I1 und I2) umgeformt werden, von denen die zeitlich späteren Impulse (I2) einem Integrationsglied (5) und die zeitlich früheren Impulse (I1) einem Abtast- und Haltespeicher (6) zugeführt werden, dass dem Integrator (5) eine dem Sollwert der Motordrehzahl entsprechende elektrische Grösse (7) zugeführt wird und dass die durch Integration gebildete, dem Ist-/Sollwertvergleich entsprechende Grösse für die Periodendauer eines Messzyklus im Speicher (6) abgelegt wird. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei sinusförmigen Kommutierungssignalen (Figur 2) diese mittels eines Umformergliedes (3) in Rechtecksignale (Figur 9) aufbereitet werden und dass aus jeweils einer Flanke eines Rechtecksignals (Figur 3) die zeitlich versetzten Impulse (I1 und 12) gewonnen werden. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ansteuerimpulse für Integrator (5) und Speicher (6) von einem Zähler (4) erzeugt werden, dass als Integrator ebenfalls ein Zähler (5) und als Speicher ein Digitalspeicher (6) vorgesehen sind und dass der Sollwert (7) durch eine extern erzeugte Frequenz gebildet wird, mit der der als Integrator dienende Zähler (5) getaktet wird. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein mit analogen Bauelementen aufgebautes Leistungsteil (2) vorgesehen ist und dem Digitalspeicher (6) ein Digital-Analog Wandler (8) mit Integrator nachgeschaltet ist.

Inventors: ALTENDORF, HANS-WALTER
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: G05D13
IPC codes: H02P6