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Dokumentenidentifikation DE60113221T2 12.01.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001209805
Titel Steuerung für eine Motorgebläse und ein Staubsauger mit einer solchen Steuerung
Anmelder Toshiba Tec K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Kushida, Hiroyuki, Tokyo 101-8442, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60113221
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.11.2001
EP-Aktenzeichen 013096060
EP-Offenlegungsdatum 29.05.2002
EP date of grant 07.09.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse H02P 6/20(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine PBM-Steuervorrichtung für eine PBM-Steuerung eines Ausgangsstroms einer Umkehr- bzw. Umrichterschaltung, und ein motorbetriebenes Gebläse und einen elektrischen Staubsauger, die jeweils mit einem elektrischen Motor ausgestattet sind, der durch deren Ausgangsstrom PBM-gesteuert durch die PBM-Steuervorrichtung betrieben wird. Der hierin beschriebene elektrische Staubsauger enthält verschiedene Vorrichtungen, welche verschiedene Feststoffe oder Fluide in einem Sammelbereich unter Verwendung von Unterdruck sammeln.

Beschreibung der verwandten Technik

Als ein herkömmlicher rotorbetriebenes Gebläse war eines mit einer Überstromschutzfunktion bekannt, welche einen Einschaltstrom (Überstrom) und einen ungewöhnlichen oder ungeeigneten Strom bei dessen Startvorgang ermittelt. In diesem Typ eines motorbetriebenen Gebläses nimmt ein Strom I, der durch einen bürstenlosen Motor des motorbetriebenen Gebläses fließt, schnell zu, nimmt dann aber mit der Zeit nach dem Start des motorbetriebenen Gebläses gemäß Darstellung in 12 ab. Andererseits fließt, wenn der bürstenlose Motor kontinuierlich überlastet oder das motorbetriebene Gebläse in einem blockierten Zustand gebracht wird, ständig ein zu hoher Strom.

Daher werden ein Überstromerfassungswert Iz und eine Überstromerfassungszeit Tz festgelegt und gleichzeitig erfasst. Dadurch kann der Einschaltstrom beim Startvorgang und der unzulässige Strom unterschieden oder ermittelt werden. Wenn nämlich Tz < Tb erfasst wird, wenn Iz < I ist, ist das Auftreten eines unzulässigen Stroms gefunden und der Strom wird unterbrochen. Verschiedene Schaltungskonfigurationen, welche jeweils eine derartige Funktion haben, wurden bisher vorgeschlagen.

Bei einer derartigen Einrichtung fließt jedoch bei dem Startvorgang des motorbetriebenen Gebläses ein großer Strom innerhalb einer sehr kurzen Zeit und übt dadurch eine Belastung auf jedes von den elektronischen Teilen einer elektronischen Schaltung aus. Daher wurde eine Technologie vorgeschlagen, welche den Einschaltstrom bei Startvorgang soweit wie möglich unterdrückt. Es ist beispielsweise ein in der Ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. Sho 62(1987-272877) offenbartes Verfahren bekannt, in welchem ein Signal mit einer kurzen Impulsbreite in einer PBM-Umrichtervorrichtung nur für eine vorbestimmte Zeit nach dem Startvorgang des motorbetriebenen Gebläses zum Starten des motorbetriebenen Gebläses ausgegeben wird.

Jedoch offenbart die Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. Sho 62(1987-272877) keinerlei spezifischer Einrichtung für die Ausgabe des Signals mit der kurzen Impulsbreite nach dem Startvorgang des motorgetriebenen Gebläses.

Die US Patent Specification Nr. 5,345,156 offenbart eine Treiberschaltung für einen bürstenlosen Motor. Die Schaltung umfasst eine Umkehr- bzw. Umrichterschaltung, um die Statorwicklungen des Motors der Reihe nach zu erregen. Die Schaltung erzeugt ein PBM-Steuersignal zum Steuern des den Statorwicklungen zugeführten Stroms über nur einen Zyklus, der mit dem anfänglichen Startvorgang des Motors gestartet wird. Das PBM-Signal ist eines mit zunehmender Impulsbreite, die zum Einschaltzeitpunkt des Motors initialisiert wird.

Die US Patent Specification Nr. 6,041,225 offenbart eine Schaltung für die Erzeugung eines PBM-Steuersignals mit zunehmender Impulsbreite, die durch Modulieren einer Trägerwelle mit gepulsten Eingangssignalen erhalten wird. Die Beschreibung offenbart keinen Vergleich eines Stromsteuersignals, das aus dem Ausgangsstrom der Umrichterschaltung erhalten wird, mit einer Trägerwelle, um ein PBM-Steuersignal zu erzeugen. Hier wird wiederum das PBM-Steuersignal nur bei dem Startvorgang über einen einzigen Zyklus erzeugt, der zu dem Einschaltvorgang des Motors beginnt.

Die European Patent Specification Nr. 0735663 offenbart eine Treiberschaltung für einen bürstenlosen Motor, der die Beziehung zwischen Spannung und Frequenz der Umrichterschaltung verwendet, um ein PBM-Steuersignal zu erzielen, um die Erregung des Statormotors zu steuern. Bei dem Start des Motors wird, wenn das Verhältnis der Spannung zur Frequenz nicht eine vorbestimmte Beziehung aufweist, die Spannung der Umrichterschaltung verringert. Wenn das Verhältnis von Spannung zur Frequenz das vorbestimmte Verhältnis annimmt, schaltet eine Umschalteinrichtung den Betriebsmodus des Motors von einem synchronen Modus auf einen Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus um.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer einfach zu implementierenden Einrichtung, um einen an einen Elektromotor zu liefernden Strom mittels PBM so zu steuern, dass er bei dem Startvorgang des Elektromotors abnimmt, und in der Bereitstellung einer Einrichtung, welche den Einschaltstrom (Überstrom) bei dem Startvorgang des Elektromotors verringert, insbesondere einen Startvorgangs-Einschaltstrom verringert, welche für eine Anwendung, wie zum Beispiel ein motorbetriebenes Gebläse geeignet ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die neue PBM-Steuervorrichtung, das motorbetriebene Gebläse und den elektrischen Staubsauger der vorliegenden Erfindung gelöst.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt

Ein Antriebssteuerschaltung (2) für ein motorgetriebenes Gebläse (1), das ein Luftgebläse (18) und einen bürstenlosen Motor (5) aufweist, der einen Rotor (12) und einen Stator (13) mit Wicklungen (10) enthält, wobei die Antriebssteuerschaltung eine Umkehr- bzw. Umrichterschaltung (14), die die Wicklungen (10) der Reihe nach erregt, und so den Rotor (12) dreht, eine Rotorpositions-Erfassungseinrichtung (14), die ein Rotorpositions-Signal erzeugt, das die Drehposition des Rotors (12) anzeigt, und eine PBM-Steuervorrichtung (7) umfasst, die einen Mikroprozessor (6) mit einem Magnetpolpositions-Detektor (25) und einer Interrupt-Verarbeitungseinrichtung enthält, wobei die PBM-Steuervorrichtung (7) ein PBM-Signal zum Steuern eines Einschaltstroms, der während des Anlaufens des bürstenlosen Motors (5) jeder der Wicklungen (10) von der Umkehrschaltung (4) zugeführt wird, ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass:

die PBM-Steuervorrichtung (7) so eingerichtet ist, dass sie:

  • (a) eine Flanke des Rotorpositions-Signals erfasst,
  • (b) einen Interrupt-Prozess in Reaktion auf die Flanke des Rotorpositions-Signals in Gang setzt, in dem eine Drehposition des Rotors erfasst wird und das PBM-Signal erzeugt wird,
  • (c) einen Stromausgangswert (Iout*) während des Interrupt-Prozesses monoton ändert, um eine Impulsbreite des PBM-Signals durch Vergleich mit einer vorgegebenen, sich wiederholenden Wellenform zu bestimmen und so die Impulsbreite des PBM-Signals entsprechend der Wiederholung des Interrupt-Prozesses zunehmend zu vergrößern.

Bevorzugt eine Antriebssteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die PBM-Steuervorrichtung (7) den Mikroprozessor (6) mit einem Stromregler (31) zum Erzeugen eines Stromregelungs-Ausgangswertes (Iout*) aufweist und der Stromregler (31) so betrieben werden kann, dass er einen Prozess zum Unterbrechen der Drehung des bürstenlosen Motors ausführt, wenn der Anschaltstrom, der in den Wicklungen (10) fließt, einen vorgegebenen Stromwert übersteigt, der auf einen Wert über einem vorgegebenen Einschaltstrom zu den Wicklungen (10) beim Anlaufen des Rotors voreingestellt ist.

Bevorzugt eine Antriebssteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die PBM-Steuervorrichtung (7) den Mikroprozessor (6) und einen Speicher mit Software enthält und der Mikroprozessor vorgewählte Anschlüsse (36(a) bis 36(c)) des Mikroprozessors (6) zwischen einer Funktion zum Eingeben des Rotorpositions-Signals in den Mikroprozessor und einer Funktion zum Erzeugen von Interrupt-Signalen für den Interrupt-Prozess auf Basis der in dem Speicher gespeicherten Software umschaltet.

Bevorzugt eine Treiberregelungsschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei der bürstenlose Motor (5) das Luftgebläse (18) eines elektrischen Staubsaugers (37) antreibt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Schaltbild, das eine Antriebssteuerschaltung eines motorbetriebenen Gebläses darstellt;

2A und 2B sind schematische Darstellungen, die einen Impeller eines Zentrifugalluftgebläses darstellen;

3 ist ein Funktionsblockschaltbild, das eine Konfiguration einer PBM-Steuereinheit zur Steuerung des motorbetriebenen Gebläses darstellt;

4 ist ein Zeitdiagramm, das ein PBM-Signal und ein Trägerwellensignal darstellt;

5A und 5B sind Flussdiagramme, die den Betrieb der PBM-Steuereinheit bei dem Startvorgang des motorgetriebenen Gebläses darstellen;

6 ist eine Erläuterungsansicht, die die Beziehung zwischen der Zeit, einem Stromregelungs-Ausgangswert Iout* und einer Impulsbreite PB bei dem Startvorgang des motorgetriebenen Gebläses darstellt;

7 ist eine Erläuterungsansicht, die die Beziehung zwischen Signalen für Magnetsensoren und jeder Interrupt-Verarbeitung darstellen;

8 ist eine Erläuterungsansicht, die Funktionen von Anschlüssen für einen Mikroprozessor darstellt;

9 ist ein Flussdiagramm, das eine Interrupt-Verarbeitungsoperation einschließlich der an den Funktionen der Anschlüsse des Mikroprozessors ausgeführten Änderungen darstellt;

10 ist eine perspektivische Ansicht, die eine äußere Konfiguration eines elektrischen Staubsaugers darstellt;

11 ist eine Erläuterungsansicht, die einen Einschaltstrom- und Überstrom-Schutz veranschaulicht; und

12 ist eine Erläuterungsansicht, die einen Einschaltstrom- und Überstrom-Schutz in Bezug auf einen Stand der Technik darstellt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben.

Ein motorbetriebenes Gebläse, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht wird zuerst beschrieben.

1 ist ein Schaltbild, das eine Antriebssteuerschaltung 2 des motorgetriebenen Gebläses 1 darstellt. Die Antriebssteuerschaltung 2 ist eine Vorrichtung, welche drehend einen bürstenlosen Motor 5 des motorgetriebenen Gebläses 1 als Reaktion auf einen Hochfrequenzstrom betreibt, der von einer durch eine Energiequelle 3 betriebenen Umkehr- bzw. Umrichterschaltung 4 erzeugt wird. Die Treibersteuerschaltung 2 betreibt und steuert die Umrichterschaltung 4 unter einer PBM-Steuervorrichtung 7 für die Durchführung einer PBM (Pulsbreitenmodulation) unter Verwendung eines Mikroprozessors 6. Die Details der entsprechenden Teile oder Komponenten der Antriebssteuerschaltung 3 werden nachstehend erläutert.

Die Energiequelle 3 wandelt eine von einer kommerziellen AC-Quelle erzeugte AC-Spannung in eine DC-Spannung unter Gleichrichtungs/Glättungs-Effekten einer Gleichrichterschaltung 8 und eines Glättungskondensators 9 um. Die DC-Spannung wird der Umrichterschaltung 4 zugeführt.

Die Umkehr- bzw. Umrichterschaltung 4 besitzt sechs Halbleiterschaltelemente 51, die in einer Dreiphasen-Brückenform verbunden sind, und Dioden 52, welche jeweils zu den Halbleiterschaltelementen 51 parallel geschaltet sind. Beispielsweise können Leistungstransistoren als die Halbleiterschaltelemente 51 verwendet werden. Die Umrichterschaltung 4 wird auf der Basis einem PBM-Signals gesteuert, das von der mit dem Mikrocomputer 4 als den Mittelpunkt konfigurierten PBM-Steuervorrichtung 7 ausgegeben wird und liefert einen AC-Strom an jede von den Ankerwicklungen 10 des bürstenlosen Motors 5.

Der bürstenlose Motor 5 ist ein bürstenloser Dreiphasen-DC-Motor und enthält einen Rotor 12, in welchem Permanentmagnete 11 in zwei Polpaaren eingebettet sind, und einen Stator 13 mit einer Vielzahl von Ankerwicklungen 10. Ein Kern des Rotors 12 besteht aus einem Siliziumstahl oder dergleichen mit einer hohen Permeabilität.

Die Antriebssteuerschaltung 2 des motorbetriebenen Gebläses 1 ist mit einer Rotorpositions-Erfassungseinrichtung 14 zum Erfassen einer Dreh- oder Winkelposition des Rotors 12 versehen. Eine derartige Rotorpositions-Erfassungseinrichtung 14 kann durch drei magnetische Sensoren implementiert werden, die beispielsweise in Intervallen von elektrischen Winkeln von 120° angeordnet sind. Als Magnetsensoren können ein Hall-Sensor, ein Hall-IC usw. verwendet werden. Die Rotorpositions-Erfassungseinrichtung 14 kann unter Verwendung eines optischen Impulscodierers oder sogar durch Erfassen einer Spannung, die in die entsprechende Ankerwicklung 10 während einer Entregungsperiode induziert wird, in welcher kein Stromfluss durch die entsprechende Ankerwicklung 10 bewirkt wird, implementiert werden. Wenn eine derartige Rotorpositions-Erfassungseinrichtung 14 Magnetpolpositionen an vorbestimmten Intervallen des Rotors 12 erfasst, berechnet der Mikroprozessor 6 der PBM-Steuervorrichtung 7 die Drehgeschwindigkeit des Rotors 12 und die Stromführungs- oder Leitungszeiten, die für die entsprechenden Phasen unter Verwendung der magnetischen Polpositionen, die eine von der Rotorpositions-Erfassungseinrichtung 14 erfasste Information anzeigen, erzeugt werden und liefert geeignete Ströme an die Ankerwicklungen 10 des Stators 13, um dadurch ein Drehfeld zu erzeugen.

Ferner ist die Antriebssteuerschaltung 2 des motorbetriebenen Gebläses mit einer Ankerstrom-Erfassungseinrichtung 15 zum Erfassen der Ströme ausgestattet, die durch die Ankerwicklungen 10 in dem bürstenlosen Motor 5 fließen. Die Ankerstrom-Erfassungseinrichtung 15 erfasst die Ströme, die durch die Ankerwicklungen 10 des bürstenlosen Motors 5 fließen. Die Ankerstrom-Erfassungseinrichtung 15 umfasst drei Stromsensoren, um jeweils Ströme Iu, Iv und Iw zu erfassen, die durch die Wicklungen für die entsprechenden Phasen U, V und W fließen, und eine Schaltung, um über drei Widerstände angelegte Spannungen zu erfassen.

Die Antriebssteuerschaltung 2 des motorbetriebenen Gebläses 1 enthält eine Umrichterschaltungsstrom-Erfassungseinrichtung 16, um einen durch die Umrichterschaltung fließenden Strom zu erfassen, und eine Umrichterschaltungs-Eingangsspannungs-Erfassungseinrichtung 17 zum Erfassen einer in die Umrichterschaltung 4 eingegebenen Spannung Vdc, welche beide als eine sich von der Ankerstrom-Erfassungseinrichtung 15 unterscheidende Einrichtung zum Erfassen der durch die Ankerwicklungen 10 fließenden Ströme verwendet werden. Die Umrichterschaltungs-Stromerfassungseinrichtung 16 umfasst einen Stromsensor und eine Schaltung, in welcher eine über einen Widerstand angelegte Spannung, der zwischen die Gleichrichterschaltung 8 und den Glättungskondensator 9 geschaltet ist, mittels der PBM-Steuervorrichtung 7 erfasst wird. Andererseits ist die Umrichterschaltung-Eingangsspannungs-Erfassungseinrichtung 17 als eine Erfassungseinrichtung einer physikalischen Größe konfiguriert, um eine in die Umrichterschaltung 4 eingegebene Spannung Vdc zu erfassen. Die Umrichterschaltungs-Eingangsspannungs-Erfassungseinrichtung 17 umfasst eine solche Schaltung, in welcher die durch die Gleichrichterschaltung 8 und den Glättungskondensator 9 gleichgerichtete und geglättete und in die Umrichterschaltung 4 eingegebene Spannung Vdc durch die PBM-Steuervorrichtung 7 erfasst wird.

2A und 2B sind schematische Darstellungen, die die Form eines Impellers 21 darstellen, der in einem Zentrifugalluftgebläse 18 enthalten ist, wobei 2B eine Darstellung eines Schnittes entlang der Linie A-A von 2A und in der durch Pfeile dargestellten Richtung gesehen ist. Ein derartiges Zentrifugalluftgebläse 18 war bisher im breiten Einsatz für elektrische Staubsauger. Der Impeller 21 umfasst eine Hauptplatte 22, eine Seitenplatte 23 und eine Vielzahl von Schaufeln oder Blättern 24. Die Schaufeln 24 besitzen eine Vielzahl darauf ausgebildeter konvexer Abschnitte, welche jeweils in ihren in der Hauptplatte 22 und der Seitenplatte 23 ausgebildeten entsprechenden Löchern eingepasst und darin befestigt sind.

Anschließend erfolgt eine Beschreibung der Steuerung des bürstenlosen Motors 5 durch die PBM-Steuervorrichtung 7. Eine Steuerung unter Nutzung der Hardwarekonfiguration des motorbetriebenen Gebläses 1 wird hierin beschrieben.

3 ist ein Funktionsblockschaltbild zum Beschreiben der Funktion der in 1 dargestellten Schaltung. Der in der PBM-Steuervorrichtung 7 enthaltene Mikroprozessor 6 enthält eine CPU für die Ausführung verschiedener Berechnungsprozesse und die Steuerung entsprechender Teile des motorbetriebenen Gebläses 1, und verschiedene Speicher. Der Mikroprozessor 6 wird einen vorbestimmten Berechnungsprozess und einen Eingabe/Ausgabe-Prozess verschiedener Signale gemäß in jedem Speicher gespeicherten Betriebsprogrammen aus, um dadurch die entsprechenden Teile des motorbetriebenen Gebläses 1 zu steuern. Das in 3 dargestellte Funktionsblockschaltbild veranschaulicht prinzipiell die Funktion des Mikroprozessors 6 in der Form von Blöcken.

Auf der Basis eines von einer externen Befehlseinheit 20 ausgegebenen Anweisung erfasst die PBM-Steuervorrichtung 7 im wesentlichen die Magnetpolpositionen des Rotors 12 des bürstenlosen Motors 5 in dem motorbetriebenen Gebläse 1, bietet einen Zeittakt an, der für die Zuführung eines Stroms zur jeder Phase des bürstenlosen Motors 5 vorgesehen ist und gibt ein PBM-Signal an die Treiberschaltung 19 aus.

Als funktionale Elemente, die eine derartige PBM-Steuervorrichtung 7 bilden, enthält die PBM-Steuervorrichtung 7 Detektoren 25, 33 und 34 (um jeweils physikalische Größen in Bezug auf das motorgetriebene Gebläse zu erfassen, wie zum Beispiel die Magnetpolpositionen des Rotors 12, eine in die Umrichterschaltung eingegebene Spannung und Strom usw.), eine Flusszeittaktsteuerung 26, eine Drehgeschwindigkeits-Berechnungseinrichtung 28, eine Drehgeschwindigkeitsregelung 29, eine Stromregelung 31, einen Trägerwellengenerator 30 und einen Komparator oder eine Vergleichseinrichtung 32. Die CPU des Mikroprozessors 6 implementiert alle oder einige von den Funktionen dieser entsprechenden Teile auf der Basis von Software, die in den Speichern des Mikroprozessors 6 gespeichert ist. Beispielsweise kann die Drehgeschwindigkeits-Berechnungseinrichtung 28, die Drehgeschwindigkeitsregelung 29, usw. durch Prozesse implementiert werden, die von der CPU des Mikroprozessors 6 ausgeführt werden, während der Trägerwellengenerator 30, die Stromregelung 31, die Vergleichseinheit 32 usw. durch digitale Schaltung implementiert werden können.

Eine Basisfunktion der PBM-Steuervorrichtung 7 ist wie folgt. Die Stromregelung 31 erzeugt einen Stromregelungs-Ausgangswert Iout* auf der Basis eines Stromsollwertes Iin*, der von der externen Befehlseinheit 20 geliefert wird und für die Spezifizierung von der Umrichterschaltung 4 an den bürstenlosen Motor 5 gelieferten Strombetrags verwendet wird, und von erfassten Werten der physikalischen Größen, in Bezug auf das motorgetriebene Gebläse. Ferner vergleicht die Vergleichseinheit 32 den Stromregelungs-Ausgangswert Iout* und ein Signal mit einer vorbestimmten Wellenform, (einer Dreieckswellenform in dem vorliegenden Beispiel), die von den Trägerwellengenerator 30 ausgegeben wird, welches als eine Vergleichsreferenz verwendet wird, und gibt das Ergebnis des Vergleichs als ein PBM-Signal aus. Ein geeignetes PBM-Signal wird gemäß diesem Signal erzeugt, und ein Signal für den Zeittakt, das dafür vorgesehen ist, den Strom jeder Phase (d.h., heißt den Flusszeittakt) aus der Flusszeittaktsteuerung 36 auf der Basis jedes erfassten Wertes eines Magnetpolpositionsdetektor 25 zuzuführen.

Als Reaktion auf das in dieser Weise erzeugte PBM-Signal betreibt und steuert die Treiberschaltung 19 selektiv die Halbleiterschaltelemente in der Umrichterschaltung 4. Demzufolge werden Hochfrequenzspannungsausgangssignale an die entsprechenden Ankerwicklungen 10 des Motors 5 zum Betrieb des bürstenlosen Motors 5 geliefert.

Die Funktion der Drehgeschwindigkeitsregelung 29 wird anschließend beschrieben. Die Drehgeschwindigkeitsregelung 29 vergleicht einen berechneten Wert R der Drehgeschwindigkeit (berechnet aus jeder Zeitveränderung im Winkel des Rotors 12, der durch die Rotorpositions-Erfassungseinrichtung 14 erfasst wird) mit der oberen Grenzdrehgeschwindigkeit des Rotors 12 (welche durch eine mechanische Festigkeit oder dergleichen bestimmt ist). Wenn der berechnete Wert R der Drehgeschwindigkeit die obere Grenzdrehgeschwindigkeit überschreitet, steuert die Drehgeschwindigkeitsteuerung 29 die Drehgeschwindigkeit des Rotors 12 so, dass sie auf die obere Grenzdrehgeschwindigkeit begrenzt wird.

Ferner dient die Drehgeschwindigkeitsregelung 29 als ein Proportional/Integral-Regelungssystem. Auf der Basis des Befehls aus der externen Befehlseinheit 20 erkennt der Mikroprozessor 6 verschiedene Betriebsmodi und subtrahiert einen berechneten Drehgeschwindigkeitswert (welcher aus einem durch die Rotorpositions-Erfassungseinrichtung 14 erfassten Winkel des Rotors 12 und eine Zeitveränderung in dem Winkel berechnet wird) von einem Drehgeschwindigkeits-Sollwert Rin*, der abhängig von den verschiedenen Betriebsmodi erkannt wird. Somit wird ein Drehgeschwindigkeitsausgabewert Rout* unter Verwendung einer Operation erhalten, die auf dem nachstehenden Ausdruck (1) unter Bezugnahme auf das Subtraktionsergebnis erhalten wird. Rout*k = Rout*k-1 + Kp(Ek – ek-1) + Ki·T·Ek-1(1)

In dem Ausdruck (1) bezeichnet Rout* einen Drehgeschwindigkeitsausgabewert, E bezeichnet einen Fehler zwischen einem Drehgeschwindigkeits-Sollwert Rin* und einen berechneten Wert der Drehgeschwindigkeit, Kp bezeichnet eine Proportionalverstärkung, Ki bezeichnet eine Integralverstärkung und T bezeichnet einen Erfassungszyklus bzw. Periode der Drehgeschwindigkeit.

Die Stromregelung 31 erzeugt einen Stromregelungsausgangswert Iout* auf der Basis eines von der Drehgeschwindigkeitsregelung 29 gelieferten Drehgeschwindigkeitsregelungsausgabewertes Rout* und von erfassten Werten physikalischer Größen in Bezug auf das motorgetriebene Gebläse 1, welche in der vorliegenden Ausführungsform eine physikalische Größe des Eingangs- und/oder Ausgangsgröße der Umrichterschaltung 4 ist. In der vorliegenden Ausführungsform erfassen der Spannungsdetektor 33 und der Stromdetektor 34 in die Umrichterschaltung 4 eingegebene Spannungen und Ströme und daraus ausgegebene Ströme, indem die Ankerstrom-Erfassungseinrichtung 15, die Umrichterschaltungs-Stromerfassungseinrichtung 16 und die Umrichterschaltung-Eingangsspannungs-Erfassungseinrichtung 17 verwendet werden, und geben deren erfassten Signale an die Stromregelung ausgeben aus. Der Stromregelungs-Ausgangswert Iout* wird in die Vergleichseinheit 32 zum Vergleich eingegeben, und ein Dreieckwellensignal aus dem Trägerwellengenerator 30 wird als eine Vergleichsreferenz angelegt, wodurch eine PBM-Wellenform aus dem Ausgang der Vergleichseinheit 32 entnommen wird. Ein geeignetes PBM-Signal wird gemäß der PBM-Wellenform und jedem der Flusszeittakte für die entsprechenden Phasen, welche von dem Flusszeittaktregelung 26 geliefert, erzeugt.

In einer zu der vorstehend beschriebenen ähnlichen Weise betreibt und steuert die Treiberschaltung 19 selektiv die Halbleiterschalterelemente in der Umrichterschaltung 4 als Reaktion auf das erzeugte PBM-Signal. Demzufolge werden Hochfrequenz-Spannungsausgangssignale an die entsprechenden Ankerwicklungen 10 des bürstenlosen Motors 5 ausgegeben, um den bürstenlosen Motor 5 zu betreiben.

In einer derartigen Konfiguration wie vorstehend beschrieben, wird der das motorbetriebene Gebläse bildende bürstenlose Motor 5 in drehender Weise durch die aus der Umrichterschaltung 4 ausgegebenen Ströme so betrieben, dass der Impeller 21 gedreht wird. Das motorgetriebene Gebläse 1 saugt Fluid, zum Beispiel Luft unter der Drehung des Impellers 21 an. Zu diesem Zeitpunkt wird der bürstenlose Motor drehbar in einem optimalen Zustand gemäß dem Zustand der externen Befehlseinheit 20, der Dreh- oder Winkelposition des Rotors 12 des bürstenlosen Motors 5, und der in der Umrichterschaltung fließenden Ströme usw. betrieben.

4 ist ein Zeitdiagramm, das die Beziehung zwischen einem Trägerwellensignal der von dem Trägerwellengenerator 30 ausgegebenen PBM und einem von der PBM-Steuervorrichtung 7 ausgegebenen PBM-Signal. Der Mikroprozessor 6 erzeugt ein Interrupt-Signal in einem gewissen vorbestimmten Zyklus oder entsprechenden Periode, oder wird mit einem Interrupt-Signal von außen versorgt und startet eine Interrupt-Verarbeitung, welche die Erfassung einer Dreh- oder Winkelposition als Reaktion auf das Interrupt-Signal als ein Auslöser beinhaltet. Wie vorstehend beschrieben, führt der Mikroprozessor 6 eine Drehgeschwindigkeitsberechnung, eine Drehgeschwindigkeitsregelung, die Erfassung jeder physikalischen Größe, Stromregelung, usw. aus und berechnet oder ermittelt einen Stromregelungs-Ausgabewert Iout*.

Der Stromregelungs-Ausgabewert Iout* wird in die als PBM-Erzeugungseinheit verwendete Vergleichseinheit für den Zweck eines Vergleichs eingegeben und eine Trägerwelle mit einer Periode Tp wird von dem Trägerwellengenerator 30 als eine Vergleichsreferenz zugeführt, wodurch eine PBM-Wellenform aus dem Ausgang der Vergleichseinheit 32 entnommen wird. Wenn der Wert des Trägerwellensignals den Stromregelungs-Ausgabewert Iout* oder mehr in dem in 4 dargestellten Beispiel erreicht, wird das PBM-Signal aktiv, und geht in dem vorliegenden Beispiel aktiv nach unten. Demzufolge erreicht auch eine Ausgangsperiode des PBM-Signal Tp. Somit wird der Ausgabewert der Stromregelung 31 bei jede Impulsbreite gespiegelt und dadurch die durch jede Ankerwicklung 10 fließende Strommenge gesteuert, wodurch das motorbetriebene Gebläse 1 mit einer gewünschten Ausgangsdrehzahl erreicht wird.

Im Übrigen ist die Periode Tp der von dem Trägerwellengenerator 30 gelieferten Trägerwelle variabel und der Wert der Trägerwelle kann zu einem gewünschten Zeitpunkt (auf Null) zurückgesetzt werden. Wenn der Wert des Trägerwellensignals zurückgesetzt wird (beispielsweise wenn ein Interrupt-Signal gemäß jedem Betriebsmodus des motorbetriebenen Gebläses 1 erzeugt wird) kann die Anzahl von aus der PBM-Steuervorrichtung 7 ausgegebenen Impulse genauer gesteuert werden.

5A und 5B sind Flussdiagramme, die ein Beispiel einer Betriebssteuerung bei dem Startvorgang der PBM-Steuervorrichtung 7, hauptsächlich des Mikroprozessors 6, darstellen. Die Beschreibung der Einstellung der verschiedenen Register und Flags, ein Verfahren zum Erzeugen einer Trägerwelle usw. wird unterlassen.

Auf der Basis eines von der externen Befehlseinheit 20 oder dergleichen gelieferten Sollwertes erfasst die PBM-Steuervorrichtung 7 zuerst die Drehposition des Rotors 12 des bürstenlosen Motors 5 (Schritt S2) nach dem Startvorgang des motorgetriebenen Gebläses 1 (Schritt S1) gemäß Darstellung in 5A. Anschließend setzt die PBM-Steuervorrichtung 7 einen Anfangswert X1 eines Stromregelungs-Ausgabewertes Iout* (Schritt S4). Dieser Anfangswert X1 wird höher als ein Soll- oder Wunscheinstellwert Xm gesetzt. Ferner werden der Stromregelungs-Ausgabewert Iout* und ein Trägerwellensignal verglichen und dadurch ein PBM-Signal erzeugt (Schritt S5). Danach wird ein einer geeigneten Phase entsprechendes PBM-Signal auf der Basis der zuvor erfassten Stoppposition des Rotors 12 ausgegeben (Schritt S6). Die Umrichterschaltung 4 wird auf der Basis des PBM-Signals so betrieben, dass der Rotor 12 mit der Drehung beginnt.

Danach führt die PBM-Steuervorrichtung 7 in geeigneter Weise einer Interrupt-Verarbeitung für die Erfassung jeder Drehposition des Rotors 12 gemäß einem innerhalb des Mikroprozessors 6 verwendeten Zeittaktsignal oder einem von außerhalb gemäß Darstellung in 5(B) gesendeten Signal durch und gibt ein jeder geeigneten Phase entsprechendes PBM-Signal, auf der Basis eines eigenen erfassten Wertes aus (Schritte S11 bis 19).

Es wird nämlich, wenn das motorgetriebene Gebläse 1 gestartet wird, der Stromregelungs-Ausgabewert Iout* für den Vergleich mit dem Trägerwellensignal verändert, um eine Impulsbreite des PBM-Signals während der Interrupt-Verarbeitung (Schritt S11, Schritt S12) für die Erfassung der Drehposition des Rotors 12 zu vergrößern. Eine derartige Verarbeitung macht es möglich, sanft die Impulsbreite des PBM-Signals jedes mal zu vergrößern, wenn eine Drehposition des Rotors 12 erfasst wird, und ermöglicht eine Reduzierung des Einschaltstroms bei dem Startvorgang des motorgetriebenen Gebläses 1. Ferner ist, da diese einfach der Interrupt-Verarbeitung für die Erfassung jeder Dreh- oder Winkelposition des Rotors 12 hinzugefügt werden kann, welche für die Drehung und Steuerung des motorgetriebenen Gebläses 1 erforderlich ist, die Einstellung einer neuen Interrupt-Verarbeitung unnötig, Software in ihrer Konfiguration keineswegs kompliziert und es wird Speicherkapazität eingespart.

Die Ströme, welche durch die Ankerwicklungen 10 fließen, werden durch die Ankerstrom-Erfassungseinrichtung 15 und die Umrichterschaltungs-Stromerfassungseinrichtung 16 erfasst. Wenn jeder von den erfassten Werten der Ströme einen erfassten Überstromwert (der auf einen größeren Wert als der Einschaltstrom bei dem Startvorgang eingestellt ist) überschreitet, beendet der bürstenlose Motor 5 seine Drehung. Es ist somit möglich, die Zuverlässigkeit jeder elektronischen Komponente der Antriebssteuerschaltung 2 zu verbessern.

Bei den in 5 dargestellten Prozessen wird eine Zeitvariable DELAY verwendet (Schritt S3). Jedes Mal, wenn eine vorbestimmte Zeit verstreicht, wenn der bürstenlose Motor 5 gestartet wird (Schritt S13), wird der Stromregelungs-Ausgabewert Iout* (Variable) monoton reduziert, so dass der Iout* – 2 = Iout* erreicht, bis der Stromregelungs-Ausgabewert Iout* einen vorbestimmten Wert Xm erreicht (Schritte S15 bis S17). Ferner wird die Impulsbreite PB des PBM-Signals monoton vergrößert (Schritt S14). Somit wird die Impulsbreite PB für jede Interrupt-Verarbeitung vergrößert, und die Impulsbreite PB wird schrittweise nach dem Startvorgang des bürstenlosen Motors 5 vergrößert.

Die Beziehung zwischen der Zeit, dem Stromregelungs-Ausgabewert Iout* und der Impulsbreite PB bei deren Startvorgang ist in 6 dargestellt. Das Verfahren der monotonen Verringerung des Stromregelungs-Ausgabewertes Iout* in dieser Weise und der monotonen Vergrößerung der Impulsbreite des PBM-Signals ermöglicht einfache Einstellungen und eine Reduzierung in dem Einschaltstrom. Im übrigen ist es selbstverständlich, dass der Grad der monotonen Verringerung des Stromregelungs-Ausgabewertes Iout* in großen Schrittzahlen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung eingestellt werden kann.

7C stellt einen Zustand dar, in welchem, wenn Hall-ICs als die Rotorpositions-Erfassungseinrichtung 14 verwendet werden und die Hall-ICs in dem Stator 13 in Intervallen elektrischer Winkeln von 120° angeordnet sind, Signale aus den Hall-ICs ausgegeben werden und Interrupt-Prozesse abhängig von den Flanken der von den Hall-ICs ausgegebenen Signale auftreten. Gemäß diesem Verfahren werden, wenn der Rotor 12 sich zu drehen beginnt, die Interrupt-Prozesse automatisch bei allen elektrischen Winkeln von 60° gestartet und die Impulsbreite des PBM-Signals wird zusammen mit der Drehposition des Erfassungsprozesses vergrößert. Da der Mikroprozessor 6 keine Erzeugung von Interrupt-Signalen aus dem Zeitgeber und dergleichen durchführen muss, können die Interrupt-Prozesse leicht eingestellt werden. Da das Intervall des Auftretens von Interrupt-Prozessen mit einem Anstieg in der Drehzahl oder der Anzahl Umdrehungen kurz wird, und wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit bei dem Startvorgang umgekehrt niedrig ist, wird die für jede Interrupt-Verarbeitung erforderliche Zeit ebenfalls lang. Daher kann der Grad einer Zunahme in der Impulsbreite zu Beginn des Startvorgangs leicht ansteigend gemacht werden.

8 ist eine Darstellung, welche Funktionen von Anschlüssen 36a bis 36c des Mikroprozessors 6 beschreibt, in welche die von den Hall-ICs ausgegebenen Signale eingegeben werden, und 9 ist ein Flussdiagramm, das die Betriebssteuerung für die Durchführung einer Umschaltung zwischen den Funktionen der Anschlüsse 36a bis 36c während einer Interrupt-Verarbeitung darstellt. Die Anschlüsse 36a bis 36c sind jeweils mit den Funktionen versehen, hauptsächlich die Flanken der Signale des Hall-IC1 bis Hall-IC3 zu erfassen und dadurch Interrupt-Signale zu erzeugen versehen. Während der Interrupt-Verarbeitung wird die Position jedes Magnetpols auf eine Erfassungsfunktion (Schritt 10) während der Interrupt-Verarbeitung umgeschaltet. Wenn die Magnetpositionserfassung abgeschlossen ist, wird der Routineprozess wieder auf die Funktion der Erfassung der Flanken, der von dem Hall-IC1 bis Hall-IC3 ausgegebenen Signale zurückgeschaltet (Schritt S20). Eine effektive Nutzung der Anschlüsse 36a bis 36c, die darin die von der Rotorpositions-Erfassungseinrichtung 14 ausgegebenen Signale empfangen, eliminiert auf diese Weise die Notwendigkeit einer Bereitstellung einer neuen Verdrahtung zwischen dem Mikroprozessor 6 und Sensoren und macht es möglich, die Gesamtanzahl der Anschlüsse 35 des Mikroprozessors 6 zu verringern.

Die vorstehend erwähnte PBM-Steuervorrichtung 7 und das motorgetriebene Gebläse 1 können in einem elektrischen Staubsauger montiert sein. 10 ist eine perspektivische Ansicht, die eine externe Konfiguration eines elektrischen Staubsaugers 37 darstellt. Der vorliegende elektrische Staubsauger 37 besitzt eine Konfiguration, in welcher ein Schlauch 41, an welchem ein zweiteilig konfiguriertes Verlängerungsrohr 40 mit einem vorderen Endabschnitt, an welchem ein Saug- oder Einlasskörper 39 abnehmbar befestigt ist, lösbar an einem Gehäuse 38 angebracht, welches eine Basis des elektrischen Staubsaugers 37 bildet.

Ein motorbetriebenes Gebläse 1, das einen bürstenlosen Motor 5, ein Luftgebläse 18 usw. aufweist, ist in das Gehäuse 38 eingebaut. Der Schlauch 41 ist mit dem Gehäuse in einer solchen Weise verbunden, dass dessen Basisende mit der Saugseite des motorgetriebenen Gebläses 1 über eine nicht dargestellte Staubkammer in Verbindung steht. Eine Handsteuerung 43 mit einer solchen Form, dass sie sich von dem Schlauch aus nach hinten gerichtet verzweigt, ist an dem vorderen Ende oder der Spitze des Schlauchs 41 vorgesehen. In der Handsteuerung 43 dient ein Endabschnitt des von dessen vorderen Ende, der sich aus dem Gehäuse 41 nach hinten verzweigt, als ein Griff oder Griffabschnitt 42, und eine Steuertaste 44 ist an einer Position vorgesehen, wo sie mit dem Daumen einer Bedienungsperson betätigt werden kann, die den Griff 42 ergreift. Die Steuertaste 44 hat eine Doppelrolle als ein Energieschalter für das motorgetriebene Gebläse 1. Ferner ist die Steuertaste 4 so konfiguriert, dass sie in der Lage ist, eine Vielzahl von Arten von Betriebsmodi auszuwählen und einzustellen, ohne jeweils das motorgetriebene Gebläse 1 in voneinander unterschiedliche Antriebszustände zu bringen. Die Steuertaste 44 ist nämlich in der Lage, beispielsweise den Betriebmodus in vier Stufen von "stopp", "langsam", "mittel" und "schnell", umzuschalten. Gemäß der Auswahl des Betriebsmodus durch die Steuertaste 44 gibt die externe Befehlseinheit 20 einen unterschiedlichen Stromsollwert Iin* an die PBM-Steuervorrichtung 7 aus. Ferner ist das zweiteilig konfigurierte Verlängerungsrohr 40 mit der Spitze oder dem Vorderende, an welchem der Einlasskörper 39 abnehmbar montiert ist, lösbar an der Handsteuerung befestigt.

Der elektrische Staubsauger 37 muss die Drehzahl des motorgetriebenen Gebläses 1 auf etwas 40.000 bis 50.000 Upm in etwa ein bis drei Sekunden zum Startzeitpunkt erhöhen. Das motorgetriebene Gebläse 1 für einen derartig elektrischen Staubsauger 37 arbeitete mit der Auslösung der Flanke jedes von der Rotorpositions-Erfassungseinrichtung 14 erfassten Signals, um dadurch jede Interrupt-Verarbeitung und Vergrößerung einer Impulsbreite mit einem PBM-Signal, während der Interrupt-Verarbeitung durchführen. Das heißt, gemäß diesem Verfahren wird, wenn der Rotor 12 mit der Drehung beginnt, jede Interrupt-Verarbeitung automatisch gemäß diesem Verfahren gestartet, und das Intervall des Auftretens der Interrupt-Prozesse variiert mit der hohen oder niedrigen Drehzahl. Wenn die Drehzahl bei dem Start niedrig ist, ist nämlich die zum Bewirken jeder Interrupt-Verarbeitung erforderliche Zeit lang. Wenn die Drehzahl hoch ist, wird das Intervall für das Auftreten der Interrupt-Prozesse kurz. Daher ist es, wenn der Einschaltstrom bei dem Startvorgang zum Ansteigen neigt, möglich, automatisch den Grad des Anstiegs in der Impulsbreite zu verlangsamen und den Einschaltstrom zu unterdrücken. Den Grad der Zunahme in der Impulsbreite wird automatisch beschleunigt, da die Spitze des Einschaltstromes vorübergeht und zu fallen beginnt. Es ist auch möglich, die Drehzahl auf hohe Drehzahlen in den Bereich von 40.000 Upm bis 50.000 Upm in einer kurzen Zeitdauer äquivalent zu einer Startzeit von etwa 1 bis 3 Sekunden zu erhöhen.

Gemäß dem motorgetriebenen Gebläse 1 und dem elektrischen Staubsauger 37 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann der Einschaltstrom nach Darstellung in 11 reduziert werden. Es dürfte sich nämlich verstehen, dass in dem in 11 dargestellten Beispiel im Vergleich zu dem in 12 dargestellten Beispiel ein Strom I, der durch den bürstenlosen Motor 5 bei dem Startvorgang des motorbetriebenen Gebläses 1 fließt, unterhalb eines Überstromerfassungswertes Iz liegt, und somit der Einschaltstrom abnimmt.


Anspruch[de]
  1. Antriebssteuerschaltung (2) für ein motorgetriebenes Gebläse (1), das ein Luftgebläse (18) und einen bürstenlosen Motor (5) aufweist, der einen Rotor (12) und einen Stator (13) mit Wicklungen (10) enthält, wobei die Antriebssteuerschaltung eine Umkehrschaltung (14), die die Wicklungen (10) der Reihe nach erregt, und so den Rotor (12) dreht, eine Rotorpositions-Erfassungseinrichtung (14), die ein Rotorpositions-Signal erzeugt, das die Drehposition des Rotors (12) anzeigt, und eine PBM-Steuervorrichtung (7) umfasst, die einen Mikroprozessor (6) mit einem Magnetpolpositions-Detektor (25) und einer Interrupt-Verarbeitungseinrichtung enthält, wobei die PBM-Steuervorrichtung (7) ein PBM-Signal zum Steuern eines Einschaltstroms, der während des Anlaufens des bürstenlosen Motors (5) jeder der Wicklungen (10) von der Umkehrschaltung (4) zugeführt wird, ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass:

    die PBM-Steuervorrichtung (7) so eingerichtet ist, dass sie:

    (a) eine Flanke des Rotorpositions-Signals erfasst,

    (b) einen Interrupt-Prozess in Reaktion auf die Flanke des Rotorpositions-Signals in Gang setzt, in dem eine Drehposition des Rotors erfasst wird und das PBM-Signal erzeugt wird,

    (c) einen Stromausgangswert (Iout*) während des Interrupt-Prozesses monoton ändert, um eine Impulsbreite des PBM-Signals durch Vergleich mit einer vorgegebenen, sich wiederholenden Wellenform zu bestimmen und so die Impulsbreite des PBM-Signals entsprechend der Wiederholung des Interrupt-Prozesses zunehmend zu vergrößern.
  2. Antriebssteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die PBM-Steuervorrichtung (7) den Mikroprozessor (6) mit einem Stromregler (31) zum Erzeugen eines Stromregelungs-Ausgangswertes (Iout*) aufweist und der Stromregler (31) so betrieben werden kann, dass er einen Prozess zum Unterbrechen der Drehung des bürstenlosen Motors ausführt, wenn der Anschaltstrom, der in den Wicklungen (10) fließt, einen vorgegebenen Stromwert übersteigt, der auf einen Wert über einem vorgegebenen Einschaltstrom zu den Wicklungen (10) beim Anlaufen des Rotors voreingestellt ist.
  3. Antriebssteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die PBM-Steuervorrichtung (7) den Mikroprozessor (6) und einen Speicher mit Software enthält und der Mikroprozessor vorgewählte Anschlüsse (36(a) bis 36(c)) des Mikroprozessors (6) zwischen einer Funktion zum Eingeben des Rotorpositions-Signals in den Mikroprozessor und einer Funktion zum Erzeugen von Interrupt-Signalen für den Interrupt-Prozess auf Basis der in dem Speicher gespeicherten Software umschaltet.
  4. Elektrischer Staubsauger mit einem bürstenlosen Motor, der ein Luftgebläse antreibt, wobei der Motor durch eine Antriebssteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche angetrieben wird.
Es folgen 13 Blatt Zeichnungen






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