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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektronischen Ansteuerung
eines Synchronmotors, insbesondere eines Einphasen-Synchronmotors
mit permanentmagnetischem Rotor, welcher über einen Wechselspannungsschalter
mit einer als Wechselspannung ausgebildeten Netzspannung gespeist wird,
wobei der Wechselspannungsschalter von einer Steuereinheit unter
Berücksichtigung
des Motorstroms oder eines den Motorstrom repräsentierenden Signals in Abhängigkeit
von zumindest der Rotorposition geschaltet wird. Derartige Synchronmotoren
werden im Rahmen der Erfindung bevorzugt als Antriebe für Pumpen,
z. B. Entleerungspumpen oder Umwälzpumpen
von Hausgeräten,
z. B. Spülmaschinen
oder Waschmaschinen, eingesetzt. Bei dem Wechselspannungsschalter
handelt es sich z. B. um einen Triac. Die Steuereinheit ist im Rahmen
der Erfindung vorzugsweise als Microcontroller oder auch als ASIC
ausgebildet.
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Einphasen-Synchronmotoren
mit permanentmagnetischen Rotoren rotieren mit einer festen Drehzahl,
welche von der Netzfrequenz der speisenden Netzspannung abhängt. Ein
ständiges
Problem bereitet der Anlauf derartiger Synchronmotoren. Aus diesem
Grunde ist es bekannt, einen Synchronmotor mittels einer (mechanischen)
Freilaufkupplung oder sogenannten Drehlosen an die Last, z. B. ein
Pumpenrad einer Pumpe anzuschließen, wobei eine solche Freilaufkupplung
gewährleistet,
dass der Rotor über
einen vorgegebenen Freilaufwinkel im Zuge des Anlaufens lastfrei
bzw. quasi lastfrei rotieren kann. Eine gewünschte Drehrichtung kann z.
B. mittels hydraulischer Auslegung erzwungen werden. Derartige mechanische
Freiläufe,
gegebenenfalls mit geeigneter hydraulischer Auslegung, haben sich
in der Praxis bewährt,
sie sind jedoch häufig
mit einer nicht unerheblichen Geräuschentwicklung der Motoren
verbunden. Im Übrigen
lassen sich Synchronmotoren mit mechanischen Freilaufkupplungen
nicht ohne weiteres bei einer Netzfrequenz von 60 Hz betreiben,
weil die Motoren bei einer solchen Netzfrequenz in kürzerer Zeit
auf eine höhere
Drehzahl beschleunigt werden müssen.
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Aus
diesen Gründen
wurden elektronische Verfahren zur Ansteuerung und insbesondere
zum Starten von Einphasen-Synchronmotoren vorgeschlagen, so dass
dann auf eine mechanische Freilaufkupplung verzichtet werden kann.
Solche elektronische Verfahren ermöglichen es auch, die Drehrichtung
vorzugeben. So kennt man beispielsweise aus der
EP 0 574 823 B1 eine elektronische
Startvorrichtung für
einen Synchronmotor mit permanentmagnetischem Rotor, bei welcher
der Motor über
einen statischen Schalter, z. B. einen Triac, mit der Netzspannung
verbunden ist, wobei der Triac von einer Steuereinheit in Abhängigkeit
von dem Stromfluss, der Rotorlage und dem Vorzeichen der speisenden
Netzspannung gesteuert wird. Im Synchronbetrieb eines solchen Motors
wird die sinusförmige
Netzspannung mit Hilfe des Triacs auf die Motorwicklung durchgeschaltet.
Dazu wird nach Erreichen eines Stromnulldurchgangs ein Zündimpuls
erzeugt, der den Triac in den leitenden Zustand versetzt. Um den
Motor vom Stillstand in den Synchronbetrieb zu beschleunigen, soll
die Steuereinheit gewährleisten,
dass die Zündung
des Triacs nur dann erfolgt, wenn die Rotorposition und das Vorzeichen
der Netzspannung in geeigneter Weise zueinander passen. Folglich
wird einerseits das Signal des Rotorpositionssensors in geeigneter
Weise digital aufbereitet, andererseits wird das Vorzeichen der
Netzspannung in ein digitales Signal umgewandelt, welches ebenfalls
der als Microcontroller ausgebildeten Steuereinheit zugeführt wird.
Bei dem insoweit bekannten Verfahren wird der Zündimpuls für den Triac folglich in Abhängigkeit
von drei Parametern, nämlich
dem Motorstrom, der Rotorposition sowie dem Vorzeichen der Netzspannung erzeugt
(
EP 0 574 823 B1 ).
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Gleiches
gilt für
eine aus der
EP 0 654
890 B2 bekannt gewordenen Startvorrichtung für einen Einphasen-Synchronmotor,
bei welcher ebenfalls ein Triac in Abhängigkeit von der Rotorposition
und dem Netzspannungsvorzeichen geschaltet wird. Der Motorstrom
wird bei dieser bekannten Vorrichtung nachgebildet, indem der Einschaltimpuls
für den
Triac mittels eines Spannungssensors in Abhängigkeit von der Erfassung
der Durchlassspannung über
seiner Schaltstrecke abgeschaltet wird. Gegenüber einer "echten" Motorstromdetektierung soll sich bei
geringerer Messverlustleistung ein eindeutig erfassbares, durch
die Netzspannungsamplitude bestimmtes Signal ergeben.
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Schließlich ist
eine Vorrichtung zum Starten und Steuern eines Einphasen-Synchronmotors
bekannt, bei welcher der statische Schalter, z. B. Triac auf der
Grundlage von nur zwei Parametern geschaltet werden soll, nämlich einerseits
in Abhängigkeit von
der Rotorposition und andererseits in Abhängigkeit von der Spannung,
die dem statischen Schalter zugeführt und zwischen dem Motor
und dem statischen Schalter abgegriffen wird. Um dennoch einen Anlauf
des Synchronmotors zu erreichen, ist ein verhältnismäßig aufwendiges Startmuster
zu durchfahren, welches variierende Verzögerungszeiten zur Aktivierung
des statischen Schalters berücksichtigt
(vgl.
EP 0 682 404
B1 ).
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur elektronischen
Ansteuerung eines Synchronmotors, insbesondere eines Einphasen-Synchronmotors
mit permanentmagnetischem Rotor, zu schaffen, welches auf einfache
und kostengünstige
Weise eine zuverlässige
und fehlerfreie elektronische Ansteuerung und insbesondere ein optimales
Anlaufverhalten gewährleistet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe lehrt die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren
zur elektronischen Ansteuerung eines Synchronmotors der eingangs
beschriebenen Art, dass in einem (internen) Speicher der Steuereinheit
ein in der Steuereinheit erzeugter z. B. binärer bzw. digitaler Vorzeichenwert
abgelegt wird,
dass dieser Vorzeichenwert jeweils nach einer
in der Steuereinheit erzeugten Schaltzeit, welche (in etwa) der
halben Periode der Netzspannung entspricht, periodisch umgeschaltet
wird und
dass die Steuereinheit den Wechselspannungsschalter
unter Berücksichtigung
des Motorstroms, z. B. bei einem Stromnulldurchgang, in Abhängigkeit
von der Rotorposition und dem in der Steuereinheit gespeicherten
Vorzeichenwert schaltet. Die den Vorzeichenwert periodisch umschaltende
Schaltzeit wird vorzugsweise mittels eines (internen) Zeitgebers bzw.
Timers in der Steuereinheit erzeugt. Die Schaltzeit bzw. der Zeitgeber
werden zum Zwecke einer Startsynchronisation zumindest einmalig
mit dem Verlauf bzw. der Phasenlage der Netzspannung synchronisiert.
Die Synchronisation muss dabei nicht "direkt" über
das Netzspannungssignal erfolgen, sondern vorzugsweise wird zur
Synchronisation ein (oder mehrere) "Ersatzsignale" (z. B. Stromsignale) verwendet, welche
einzeln oder gemeinsam Informationen über den Verlauf bzw. die Phasenlage
der Netzspannung enthalten.
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Die
Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass auf eine Auswertung
des tatsächlichen Netzspannungsvorzeichens
verzichtet werden kann, wenn das Vorzeichen der Netzspannung intern
in der ohnehin verwendeten Steuereinheit, welche z. B. als Microcontroller
ausgebildet sein kann, nachgebildet bzw. emuliert wird. Folglich
kann im Rahmen der Erfindung auf einen separaten Schaltungsteil,
welcher das Netzspannungsvorzeichen bildet und liefert, verzichtet
werden, so dass auch ein entsprechender Eingang am Microcontroller
nicht benötigt
wird. Denn der Zündimpuls
für den
Triac wird erfindungsgemäß z. B.
bei einem Stromnulldurchgang in Einschaltabhängigkeit von einerseits der
Rotorposition und andererseits dem internen Vorzeichenwert gestellt,
welcher innerhalb der Steuereinheit erzeugt und periodisch umgeschaltet
wird. Da die Frequenz der Netzspannung bekannt ist, gelingt es ein "Netzspannungssignal" intern in dem Microcontroller
nachzubilden und auszuwerten. Der Zeitgeber muss zwar zumindest
einmal mit dem Verlauf der Netzspannung synchronisiert werden. Dieses
gelingt im Rahmen der Erfindung jedoch ohne Auswertung der Netzspannung
selbst. So kann die Synchronisation vorzugsweise mit Hilfe eines
Stromsignals erfolgen. Darauf wird im Folgenden noch näher eingegangen.
Das erfindungsgemäße Verfahren
arbeitet zuverlässig
für unterschiedliche
Netzfrequenzen, das heißt
es kann nicht nur im 50-Hz-Netz, sondern ebenso im 60-Hz-Netz eingesetzt
werden. Auf mechanische Freilaufkupplungen kann verzichtet werden.
Es wird ein sicherer, drehrichtiger Anlauf auch ohne aufwendige
Adaption der Hydraulik an neue Gegebenheiten gewährleistet. Der Wegfall der
Freilaufkupplung führt nicht
nur zu einer Kostenreduktion und Geräuschreduktion, sondern ach
einen stabilen Langzeitverhalten des Motors sowie eine Verbesserung
der Prozessstabilität,
weil Anlaufverhalten, Geräuschentwicklung
und Langzeitstabilität
weniger von Fertigungsparametern abhängig sind. Synchronmotoren können mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
in Bereichen eingesetzt werden, die mit Motoren mit mechanischem
Anlauf nicht abgedeckt werden können.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zur Bestimmung des Nulldurchgangs
des Motorstroms mittels der über den
Wechselspannungsschalter abfallenden Schalterspannung zumindest
ein digitales Stromsignal nachgebildet wird. Dabei kann es zweckmäßig sein, mittels
der Schalterspannung zwei digitale Stromsignale I+ und
I– nachzubilden,
welche den Zustand "Motorstrom
ja/nein" in digitaler
Form für
einerseits eine positive Spannungshalbwelle und andererseits eine negative
Spannungshalbwelle repräsentieren,
wobei diese beiden digitalen Stromsignale dann vorzugsweise unterschiedlichen
Eingängen
der Steuereinheit zugeführt
werden. Auf diese Weise gelingt eine besonders einfache Auswertung
des "Motorstroms", welcher bei seinem
Nulldurchgang den Zündimpuls für den Triac
auslöst,
sofern die übrigen
Parameter (Vorzeichenwert einerseits und Rotorposition andererseits)
korrespondieren. Von besonderer Bedeutung ist darüber hinaus,
dass mit der beschriebenen "Stromerfassung" auf einfache Weise
eine (Erst-)Synchronisation des Zeitgebers (Timer) gelingt. Da der
Vorzeichenwert in dem Microcontroller intern generiert und periodisch
umgeschaltet wird, wird dieser vor dem erstmaligen Einschalten des Synchronmotors
mit dem tatsächlichen
Verlauf der Netzspannung einmalig synchronisiert. Dieses wird im
Rahmen der ersten Ausführungsform
dadurch erreicht, dass zur Startsynchronisation bzw. Erstsynchronisation
des Zeitgebers dieser im unbestromten Zustand des Motors bei einem
Vorzeichenwechsel der Schalterspannung gestartet wird. Dabei geht
die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass die Phasenlage des Stromsignals
im ausgeschalteten Zustand der Phasenlage der Netzspannung entspricht,
so dass bei einem Flankenwechsel des Stromflusssignals der Zeitgeber
gestartet werden kann. Da die Möglichkeit
besteht, dass die in der Steuereinheit generierte Periodendauer
des Zeitgebers bei längerem Betrieb
des Motors nicht unendlich genau mit der tatsächlichen Periodendauer der
Netzspannung übereinstimmt,
kann es zweckmäßig sein,
den Zeitgeber während
des Motorbetriebes (zyklisch) nachzusynchronisieren. Eine solche
Nachsynchronisation erfolgt z. B. mittels eines Vorzeichenwechsels
des Motorstroms unter Berücksichtigung
einer gegebenen Phasenverschiebung. Die Nachsynchronisation erfolgt
folglich bei den Stromnulldurchgängen.
Dabei wird im Rahmen der Erfindung berücksichtigt, dass Strom und
Spannung während
des Synchronbetriebs des Motors nicht in Phase liegen. Der Zeitgeber
wird folglich nach einer entsprechend kürzeren Zeit des "nachgebildeten" Vorzeichenwertes
umgeschaltet. Falls kein Stromnulldurchgang detektiert wird, weil die
letzte Stromhalbwelle durch Weglassen der Zündung entfällt, wird der Timer nicht nachsynchronisiert und
schaltet das Netzspannungsvorzeichen nach Ablauf einer halben Periodendauer
zeitgesteuert um. In diesem Zusammenhang ist es ferner zweckmäßig, während des
Startens bzw. Hochlaufens des Motors auf eine Nachsynchronisation
des Zeitgebers zu verzichten. Denn die Periodendauer der Stromnulldurchgänge kann
während
des Hochlaufens relativ stark schwanken, wobei zu berücksichtigen
ist, dass in Abhängigkeit
von den Umgebungsbedingungen, insbesondere Netzspannung und Temperatur,
die Hochlaufphase einige Sekunden dauern kann. Die Periodendauer
des Timers muss daher so justiert werden, dass die Umschaltung des
erzeugten Vorzeichenwertes während
der Hochlaufphase ausreichend genau phasengleich mit dem Vorzeichen
der tatsächlichen
Netzspannung erfolgt.
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Im
Rahmen einer abgewandelten zweiten Ausführungsform der Erfindung wird
zur Bestimmung des Nulldurchgangs des Motorstroms nicht die über dem
Wechselspannungsschalter abfallende Schalterspannung abgegriffen,
sondern es wird im Sinne einer "echten" Strommessung mittels
eines über
einem Messwiderstand abfallenden Ersatzspannung zumindest ein digitales
Stromsignal erzeugt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn mittels
zweier Komparatoren aus der Ersatzspannung zwei digitale Stromsignale
erzeugt werden, wobei der Ausgang des einen Komparators ein Stromsignal
(z. B. high) bei positivem Stromfluss und der Ausgang des anderen
Komparators ein Stromsignal (z. B. high) bei negativem Stromfluss
liefert. Bei dieser Ausführungsform
ist es zweckmäßig, die
beiden digitalen Stromsignale verschiedenen Eingängen der Steuereinheit zuzuführen. Es
besteht jedoch auch die Möglichkeit, die
beiden digitalen Stromsignale über
eine logische Verknüpfung,
z. B. ein ODER-Glied, an einen gemeinsamen Eingang der Steuereinheit
anzuschließen.
Auch im Rahmen der zweiten Ausführungsform, die
mit einer "Zwei-Kanal-Stromauswertung" oder "Ein-Kanal-Stromauswertung" arbeiten kann, ist
eine einmalige Start-Synchronisation bzw. Erstsynchronisation erforderlich.
Eine ggf. zyklische Nachsynchronisation kann vorteilhaft sein. Eine
Synchronisation, insbesondere eine Start-Synchronisation, gelingt
beispielsweise mit Hilfe eines Teststromimpulses oder mehrer Teststromimpulse.
Ein Teststromimpuls kann im Rahmen der Erfindung z.B. von einer
oder mehreren Stromhalbwellen bzw. Teststromhalbwellen gebildet
werden. Dieses wird im Rahmen der Figurenbeschreibung erläutert.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur elektronischen Ansteuerung
eines Synchronmotors, insbesondere eines Einphasen-Synchronmotors
mit permanentmagnetischem Rotor, nach einem Verfahren der beschriebenen
Art, wobei der Synchronmotor über
einen Wechselspannungsschalter an eine als Wechselspannungsquelle
ausgebildete Netzspannungsquelle angeschlossen ist. Die Vorrichtung
weist zumindest einen Rotorpositionssensor und zumindest eine Steuereinheit
auf, wobei die Steuereinheit zumindest einen Eingang aufweist, der
mit dem Rotorpositionssensor verbunden ist und zumindest einen (Steuer-)Ausgang
aufweist, der mit dem Wechselspannungsschalter verbunden ist und diesen
ansteuert. Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, dass die Steuereinheit zumindest einen Speicher für einen
in der Steuereinheit erzeugten binären bzw. digitalen Vorzeichenwert
sowie zumindest einen Zeitgeber bzw. Timer aufweist, mit welchem
der in der Steuereinheit gespeicherte Vorzeichenwert nach vorgegebener
Schaltzeit periodisch umschaltbar ist. Der Schalter ist vorzugsweise
als Triac oder dergleichen ausgebildet. Die Steuereinheit ist vorzugsweise als
Microcontroller oder auch als ASIC ausgebildet. Bei dem Rotorpositionssender
kann es sich z. B. um einen magnetischen Sensor (z. B. Hallsensor)
oder auch um einen optischen Sensor handeln. Zur Durchführung der
ersten Ausführungsform
des beschriebenen Verfahrens ist es zweckmäßig, wenn zur Nachbildung des
Stromsignals an den Wechselspannungsschalter eine Messanordnung
angeschlossen ist, welche z. B. über
einen oder mehrere Komparatoren oder über einen oder mehrere Optokoppler zwei
digitale Stromsignale erzeugt, welche mit zwei verschiedenen Eingängen der
Steuereinheit verbunden sind. Zur Durchführung der zweiten beschriebenen
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es zweckmäßig, wenn
die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Erzeugung des Stromsignals in dem Motorstromkreis einen Messwiderstand
aufweist, an welchen eine Messanordnung angeschlossen ist, welche
z. B. über
zwei Komparatoren zwei digitale Stromsignale erzeugt. Dabei ist
es vorteilhaft, wenn die beiden Ausgänge der beiden Komparatoren
an verschiedene Ein gänge
des Microcontrollers angeschlossen sind. Es besteht jedoch auch
die Möglichkeit,
dass die beiden Ausgänge
der beiden Komparatoren über
ein logisches Verknüpfungsglied, z.
B. ein ODER-Gatter an einen einzigen (gemeinsamen) Eingang der Steuereinheit
angeschlossen sind.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich Ausführungsbeispielen
darstellenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Verfahren zur elektronischen Ansteuerung eines Einphasen-Synchronmotors
nach dem Stand der Technik,
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2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur
elektronischen Ansteuerung eines Einphasen-Synchronmotors,
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3 eine
erste Ausführungsform
der Vorrichtung nach 2,
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4 eine
zweite Ausführungsform
der Vorrichtung nach 2 und
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5 eine
abgewandelte Variante der zweiten Ausführungsform nach 4.
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In 1 ist
eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur elektronischen
Ansteuerung eines Einphasen-Synchronmotors mit permanentmagnetischem
Rotor dargestellt. Der Synchronmotor 1 (bzw. dessen Stator)
ist über
einen statischen Wechselspannungsschalter 2, welcher als
Triac 2 ausgebildet ist, an eine als Wechselspannungsquelle
ausgebildete Netzspannungsquelle 3 mit der Netzspannung
U angeschlossen bzw. anschließbar. Dem
Rotor des Synchronmotors 1 ist ein Rotorpositionssensor,
z. B. Hallsensor 4, zugeordnet. Im Synchronbetrieb des
Motors wird die sinusförmige
Netzspannung U mit Hilfe des Triacs 2 auf die Motorwicklung
durchgeschaltet. Dazu wird nach Erreichen eines Stromnulldurchgangs
ein Zündimpuls
erzeugt, der den Triac 2 in den leitenden Zustand versetzt.
In 1 ist erkennbar, dass dazu der Wechselspannungsschalter 2 über sein "Gate" von einer Steuereinheit 5 angesteuert
wird, d. h. ein Steuerausgang A der Steuereinheit 5 ist
z. B. über
einen Treiber mit dem Gate G des Triacs 2 verbunden. Ferner
ist in 1 erkennbar, dass der Steuereinheit 5 zumindest drei
Parameter bzw. Signale extern zugeführt werden, nämlich das
Vorzeichen der Netzspannung U, das Stromsignal I (bzw. der Stromnulldurchgang)
und die Rotorposition Pos. Bei einem Stromnulldurchgang darf
folglich die Zündung
nur dann erfolgen, wenn das Vorzeichen des Hallsensorsignals Pos und das Vorzeichen der Netzspannung U
gleich sind bzw. in geeigneter Weise korrespondieren. Bei diesem
in 1 gezeigten Stand der Technik wurde folglich stets
das Vorzeichen der Netzspannung U ausgewertet, so dass eine entsprechende
Spannungsauswertung und Einspeisung in die Steuereinheit erforderlich
ist. Dazu ist der Steuereinheit ein in 1 dargestelltes
Bauelement B vorgeschaltet, welches die Netzspannung in ein digitales
Eingangssignal für
die Steuereinheit umwandelt.
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Demgegenüber wird
im Rahmen der Erfindung auf eine Auswertung des Netzspannungsvorzeichens
verzichtet. Dazu wird auf 2 verwiesen, welche
das allgemeine Prinzip der Erfindung verdeutlicht. Es ist erkennbar,
dass der Wechselspannungsschalter 2 nach wie vor von der
Steuereinheit 5 unter Berücksichtigung einerseits des
Motorstroms bzw. eines den Motorstrom repräsentierenden Signals I und
andererseits der Rotorposition Pos geschaltet
wird. Erfindungsgemäß wird nun
in einem (internen) Speicher 6 der Steuereinheit 5 ein
in der Steuereinheit 5 erzeugter binärer Vorzeichenwert V abgelegt.
Dieser Vorzeichenwert V wird jeweils nach einer in der Steuereinheit
von einem Zeitgeber 7 erzeugten Schaltzeit Ts,
welcher in etwa der halben Periode To/2 der
Netzspannung U entspricht, periodisch umgeschaltet. Die Steuereinheit 5 schaltet
den Wechselspannungsschalter 2 folglich im Falle eines
Stromnulldurchgangs in Abhängigkeit
von der Rotorposition Pos und von dem intern
erzeugten und gespeicherten Vorzeichenwert V. Eine vergleichende Betrachtung
der 2 (Erfindung) mit der 1 (Stand
der Technik) macht folglich deutlich, dass im Rahmen der Erfindung
auf eine Auswertung der Netzspannung U verzichtet werden kann, so
dass es auch nicht erforderlich ist, mit einem separaten Schaltungsteil
B das Vorzeichen der Netzspannung in ein digitales Kleinspannungssignal
umzuwandeln. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass
die Periodendauer To der Netzspannung bekannt
ist, so dass es möglich
ist, ein "Netzspannungsvorzeichensignal" intern in der Steuereinheit 5 nachzubilden.
Im Falle einer 50 Hz-Wechselspannung beträgt die Schaltzeit Ts = ½·1/50 sec.
= 10 ms, während
die Schaltzeit im 60 Hz-Netz Ts = ½·1/60 sec.
= 8,33 ms beträgt.
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Dabei
geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass insbesondere dann
mit einem emulierten bzw. nachgebildeten Vorzeichenwert V gearbeitet werden
kann, wenn gewährleistet
ist, dass der Zeitgeber 7 vor dem erstmaligen Einschalten
des Synchronmotors 1 mit dem Verlauf der Netzspannung U synchronisiert
wird und wenn gegebenenfalls die Möglichkeit besteht, während des
Motorbetriebs den Zeitgeber zyklisch nachzusynchronisieren, um insbesondere
der Tatsache Rechnung zu tragen, dass die halbe Periodendauer To/2 der Netzspannung U nicht unendlich genau
mit der Periodendauer bzw. der Schaltzeit Ts des
Zeitgebers 7 übereinstimmt.
Dieses soll beispielhaft anhand des in der 3 dargestellten
ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung erläutert
werden.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher auf eine "echte" Motorstromdetektierung verzichtet wird
und stattdessen zur Bestimmung des Nulldurchgangs des Motorstroms
mittels der über
den Wechselspannungsschalter 2 abfallenden Schalterspannung
zumindest ein digitales Stromsignal nachgebildet wird. Im Ausführungsbeispiel
werden mittels der Schalterspannung zwei digitale Stromsignale I+ und I– nachgebildet, welche
den Zustand "Motorstrom
ja/nein" in digitaler
Form für
einerseits eine positive Spannungshalbwelle und andererseits eine
negative Spannungshalbwelle repräsentieren.
Dazu werden diese beiden digitalen Stromsignale I+,
I–.
mittels zweier Optokoppler O1, O2 erzeugt. Die Triac-Spannung wird an eine
Reihenschaltung, bestehend aus einem Widerstand R1 und jeweils einer
Optokoppler-LED gelegt. Die Ausgänge der
Optokoppler O1, O2 bilden
die Signale I+ und I–, welche
mit jeweils einem Eingang der Steuereinheit 5 verbunden
werden. Im durchgeschalteten Zustand des Triacs liegt dort keine
Spannung an. Folglich fließt
kein Strom durch die Optokoppler LED's. I+ und I– haben
im Ausführungsbeispiel "High-Pegel". Im gesperrten Zustand
des Triacs schaltet der (linke) Optokoppler O1 innerhalb
der positiven Spannungshalbwelle durch, so dass I+ dann
auf "Low-Pegel" liegt. Innerhalb
der negativen Spannungshalbwelle schaltet der (rechte) Optokoppler
O2 durch, so dass dann I– auf "Low-Pegel" liegt. Folglich
lässt sich
durch Auswertung von I+ und I– der
Stromnulldurchgang detektieren. Von besonderer Bedeutung ist nun,
dass im ausgeschalteten Zustand an I+ ein
Rechtecksignal mit Netzfrequenz anliegt. I– hat
den invertierten Zustand gegenüber
I+, so dass vor dem Einschalten des Synchronmotors 1 eines
dieser beiden Signale I+ oder I– zur
Synchronisation des Zeitgebers 7 des Microcontrollers 5 verwendet
werden kann. Dennoch wird auf eine Auswertung des Netzspannungsvorzeichens
der Netzspannung U im Zuge der "Zünd-Entscheidung" stets verzichtet.
Die Nachsynchronisation erfolgt bei den Stromnulldurchgängen, wobei
berücksichtigt
wird, dass Strom und Spannung nicht in Phase liegen, so dass der
Timer nach einer entsprechend kürzeren
Zeit des nachgebildeten Netzspannungsvorzeichens V umschaltet. Falls
kein Stromdurchgang detektiert wird, weil die letzte Stromhalbwelle durch
Weglassen der Zündung
entfällt,
wird der Timer 7 nicht nachsynchronisiert und es schaltet
das Netzspannungsvorzeichen V nach Ablauf einer Halbperiodendauer
zeitgesteuert um. Die Verwendung von Optokopplern in der beschriebenen
Schaltung gewährleistet
im Übrigen
eine Potentialtrennung. Alternativ kann, insbesondere wenn keine
Potentialtrennung erforderlich ist, mit einer Schaltung aus (kostengünstigen)
Komparatoren gearbeitet werden.
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Eine
abgewandelte, zweite Ausführungsform der
Erfindung soll anhand von 4 erläutert werden.
Es ist erkennbar, dass bei dieser Ausführungsform zur Bestimmung des
Motorstroms I bzw. zur Bestimmung des Nulldurchgangs des Motorstroms
in den Motorstromkreis ein Messwiderstand 8 bzw. Shunt
integriert ist, wobei die über
diesen Messwiderstand 8 abfallende Ersatzspannung dem Motorstrom I
entspricht und folglich ein Motorstromsignal bildet. Im Ausführungsbeispiel
werden dabei mittels zweier Komparatoren K1,
K2 aus der Ersatzspannung zwei digitale
Stromsignale I+, I– erzeugt,
wobei der Ausgang des einen Komparators K1 ein
Stromsignal I+ (z. B. high) bei positivem
Stromfluss und der andere Komparator K2 ein
Stromsignal I– (z.
B. high) bei negativem Stromfluss liefert. Diese beiden digitalen Stromsignale
I+, I– werden bei der Ausführungsform nach 4 an
verschiedene Eingänge
der Steuereinheit 5 angeschlossen. Durch Auswertung dieser beiden
Eingänge
lässt sich
folglich ein Stromnulldurchgang detektieren und damit die Zündentscheidung
vorbereiten. Die Zündentscheidung
selbst wird dann in – wie
auch bei den übrigen
Ausführungsformen – in Abhängigkeit
von Rotorposition Pos einerseits und Vorzeichenwert
V des Speichers 6 gestellt. Da bei dieser Ausführungsform
mit "Stromauswertung" die Ausgänge der
beiden Komparatoren K1, K2 im
unbestromten Zustand des Motors ein konstantes "Low-Signal" liefern, kann bei dieser Ausführungsform
der Timer nicht im unbestromten Zustand mit dem Ausgang eines der
beiden Komparatoren im Zuge einer Start-Synchronisation synchronisiert
werden. Die Start-Synchronisation erfolgt daher bei dieser Ausführungsform
durch Erzeugung eines bzw. mehrerer Teststromimpulse, z. B. eines
oder mehrerer Teststromhalbwellen. Dazu wird im ersten Verfahrensschritt
ein erster Zündimpuls
erzeugt, wobei dieser Zündimpuls
keinen Zeitbezug zur Netzspannung aufweist. Je nach Zeitpunkt der
Zündung
wird ein sehr kurzer Stromfluss mit kleiner Amplitude oder ein langer
Stromfluss mit großer Amplitude
erzeugt. Das Vorzeichen des Stromflusses ist nicht vorhersehbar. Einer
der beiden Komparatoren K1, K2 liefert
für die Dauer
des Stromflusses ein "High-Signal". In einem zweiten
Verfahrensschritt wird nun der Stromfluss geprüft, d. h. der Microcontroller 5 wertet
die beiden Ausgänge
der Komparatoren K1 und K2 aus,
wobei einer der beiden Ausgänge
ein "High-Signal" liefert. Sobald
die beiden Ausgänge
ein "Low-Signal" liefern, weil der
High-Zustand des einen Komparators auf "Low" gewechselt
hat, wird im dritten Verfahrensschritt ein weiterer Zündimpuls
erzeugt. Dieser Zündimpuls
bewirkt einen Stromfluss von der Zeitdauer einer Halbwelle. Je nach
Stromrichtung zeigt einer der beiden Komparatoren K1,
K2 mit "High-Signal" den entsprechenden
Stromfluss an. Nun wird Verfahrensschritt 2 wiederholt,
d. h. der Stromfluss wird erneut zyklisch geprüft. Sobald kein Strom fließt, wird wieder
ein Zündimpuls
generiert. Dieser Vorgang wird mehrfach wiederholt, z. B. drei bis
fünfzehn
Mal, vorzugsweise vier bis zehn Mal, damit Einschwingvorgänge beendet
sind. Nach der letzten Stromhalbwelle wird dann der Zeitpunkt des Übergangs
vom High- zum Low-Signal
eines der beiden Komparatoren K1, K2 zur Start-Synchronisation verwendet.
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In ähnlicher
Form kann nicht nur die Start-Synchronisation, sondern auch die
Betriebssynchronisation erfolgen. Der Phasenverschiebungswert zwischen
Strom und Spannung ist in der Start-Synchronisationsphase ein anderer
als im Synchronbetrieb. Aus diesem Grunde muss für die Start-Synchronisation
des simulierten Netzspannungsvorzeichens eine andere Phasenverschiebungskonstante
als bei der Betriebs-Synchronisation verwendet werden. Grundsätzlich funktioniert
die Betriebssynchronisation auch in der Anlaufphase, sie wird jedoch
vorzugsweise in der Anlaufphase nicht durchgeführt, um bei "extremen" Stromverläufen eine "Fehl-Synchronisation" zu vermeiden.
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Alternativ
zu der beschriebenen Zündstrategie,
bei der ein kontinuierlicher Stromverlauf mit der Dauer einiger
Halbwellen erzeugt wird, besteht die Mög lichkeit, eine komplexere
Zündstrategie
zu verwenden, um die Geräuschentwicklung
in der Start-Synchronisationsphase zu reduzieren. Dazu können z.
B. Halbwellen eines Vorzeichens zur Vorpositionierung verwendet
werden und/oder es kann ein Startmuster generiert werden, bei dem
Teile oder ganze Halbwellen weggelassen werden, damit der Motor
möglichst
keine bzw. wenig Bewegung ausführt.
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Eine
abgewandelte Ausführungsform
ist ferner in 5 dargestellt. Dort wird ebenfalls
zur Motorstromdetektierung eine über
einen Messwiderstand 8 abfallende Ersatzspannung ausgewertet,
wobei bei dieser Ausführungsform
die beiden digitalen Stromsignale I+, I– über ein
logisches Verknüpfungsglied 9,
z. B. ein ODER-Gatter verknüpft
und an einen einzigen Ausgang des Microcontrollers 5 angeschlossen
sind. Der Ausgang des ODER-Gatters 9 liefert ein "High-Signal" bei einem Stromfluss,
unabhängig
von der Stromrichtung. Auch bei dieser Ausführungsform erfolgt die Start-Synchronisation
mit Hilfe von Teststromimpulsen. Es wird in einem ersten Schritt
ein Zündimpuls
erzeugt. Der Zeitpunkt der Zündung
ist in Bezug der Netzspannung wiederum unbekannt. Je nach Zeitpunkt
wird ein entsprechend langer Stromfluss verursacht. Die Dauer des
Stromflusses wird mittels des Timers gemessen. Dann wird ein weiterer
Zündimpuls
nach einer gewissen Zeit, z. B. 9/10 Periodendauer erzeugt. Die
Dauer des Stromflusses wird mittels Timer gemessen. Ist sie kleiner
als die zuletzt gemessene Stromflussdauer, wird der im Folgenden
erläuterte
dritte Schritt ausgeführt,
ansonsten wird nochmals der beschriebene zweite Verfahrensschritt
wiederholt. Der dritte Schritt geht davon aus, dass der zuletzt
erzeugte Zündimpuls
den Zeitpunkt eines Spannungswechsels markiert. Das Vorzeichen der
Netzspannung kann aus der Rotorlage ermittelt werden, da der Rotor
bedingt durch die Stromimpulse gleichen Vorzeichens eine definierte
Lage einnimmt. Dieses Verfahren zur Start-Synchronisation ist grundsätzlich auch
bei der "Zwei-Kanal-Strommessung" gemäß 4 einsetzbar.